膝爬运动是婴幼儿运动功能发育的重要阶段,同时又是运动发育迟缓等运动功能障碍患儿临床康复训练的重要手段,准确评测婴幼儿膝爬阶段的运动功能状态对于早期监测婴幼儿运动功能发育进程、以及运动功能障碍患儿康复训练后的疗效评价等具有重要的临床应用价值。但是,现有的临床量表评估方法在评价婴幼儿膝爬运动功能状态时,主要依赖于评估人员对其动作完成程度的主观观察与评价,而无法准确描述相关肌肉、关节的活动,即未在评估中利用膝爬运动的肌肉收缩和关节运动信息,其主要原因是人们对婴幼儿膝爬运动的肌肉活动及关节运动模式还缺乏深入的认识,尤其是婴幼儿运动功能发育状态能否对其膝爬过程中的肌肉及关节活动产生影响,以及产生怎样的影响等关键问题尚不明确。认识以及揭示这些问题,不仅有望建立起适用于婴幼儿膝爬阶段运动功能状态的定量评测方法和标准,还有助于进一步认识婴幼儿早期肢体运动功能发育规律。另一方面,膝爬运动作为婴幼儿运动功能发育的重要标志,其四肢协同动作是在神经肌肉系统调控下的自主运动行为,即中枢神经系统按照特有的模式“组织”相关骨骼肌在特定的时间、按照特定的强度进行收缩(协同收缩),进而驱动上下肢关节的节律性活动。因此,本文假设,膝爬阶段是神经系统对四肢肌肉及关节活动“协同”调控及组织方式形成的重要时期,该阶段内任何运动功能发育状态的改变(正常发育进程或病理改变的异常发育状态)也将表现在神经系统对其肌肉协同收缩及关节运动模式的调控与组织上。针对上述问题及研究假设,本文在国家自然科学基金项目“婴幼儿膝爬的肌肉协同收缩及其对脑瘫早期运动功能评估的研究(NSFC31470953)”支持下,围绕婴幼儿膝爬运动的肌肉协同收缩现象,集中分析研究了婴幼儿(1)正常发育进程;以及(2)病理改变的异常发育状态(运动发育迟缓)对其膝爬过程中肌肉协同收缩及关节运动模式的影响。旨在认识以及建立婴幼儿膝爬阶段运动功能发育状态与其中枢神经系统在肌肉收缩和关节运动等不同层面输出形式之间的联系。为此,本文开展了以下工作:(1)婴幼儿膝爬运动的数据采集方法研究。本文首先设计了一种基于表面肌电信号和运动捕捉技术的婴幼儿手膝爬行实验方案,包括受试者纳入、排除、以及分组标准;适用于婴幼儿爬行的上下肢关节运动姿态及主要骨骼肌表面肌电信号采集方案;受试者运动功能发育的临床量表评估方案;以及相应的实验规范等。并在此基础上开展了包括正常发育婴幼儿、运动发育迟缓婴幼儿合计67名受试者的手膝爬行表面肌电及关节运动轨迹数据采集实验。(2)婴幼儿膝爬运动的肌肉协同收缩研究。本文重点分析了婴幼儿膝爬过程中支配单关节运动的主动肌和拮抗肌之间、支配多关节运动的肌群之间两种不同尺度下的肌肉协同收缩模式。其中,(1)在正常发育婴幼儿中,发现膝爬过程中支配单关节运动的主动肌和拮抗肌间协同收缩特性(共激活指数)能够有效反映其运动功能发育进程。同时,运动功能发育进程会导致婴幼儿膝爬过程中支配单关节运动的主动肌和拮抗肌间共激活水平增强,这种改变可视为婴幼儿发育进程促进其神经系统对肌肉收缩调控与组织能力逐渐增强的一种具体表现。(2)本文将非负矩阵分解算法和基于肌肉协同的神经肌肉控制模型应用于婴幼儿膝爬运动的多关节肌群间协同收缩分析中,发现正常婴幼儿膝爬运动的四肢肌肉表面肌电活动中可以提取到两种基本的肢体间肌肉协同模式,这两种肌肉协同分别在爬行过程中肢体支撑相和摆动相交替被激活。另一方面,与正常发育婴幼儿相比,运动发育迟缓婴幼儿膝爬运动中提取到的肌肉协同个数显著性减少(p<0.05),肌肉协同内激活肌肉的数量以及激活时长都显著性增加(p<0.05),上述结果说明运动发育迟缓是其大脑损伤导致中枢神经系统对肌肉协同收缩活动的“组织”能力欠缺,表现为下行神经信号对肌肉收缩活动的激活强度、激活时长等选择性控制障碍,进而出现肌肉被过度激活的现象。(3)婴幼儿膝爬运动的关节运动模式研究。在肌肉协同收缩分析基础上,本文进一步对婴幼儿膝爬过程中受神经肌肉系统支配的关节运动模式进行了分析,包括提取手膝爬行过程中四肢单关节运动的时-空参数(爬行速度、节律等)、关节角度活动范围、关节运动强度、关节运动平滑性等特征;另外,移植肌肉协同的概念,提取了婴幼儿膝爬过程中四肢多关节协同运动的“关节协同”模式。其中,(1)在正常发育婴幼儿中,发现运动功能发育进程有助于促进婴幼儿爬行熟练度的提高,具体表现为爬行速度、爬行节律加快(p<0.05);爬行周期时长、肢体支撑相占比缩短(p<0.05);同时,爬行过程中关节运动强度增强(p<0.05),这些表现可视为其神经系统对肌肉收缩调控能力增强的一种运动学输出表现。即伴随运动功能发育的不断完善,婴幼儿神经肌肉系统逐渐掌握运动参与肌肉的组织和工作方式,进而对所支配关节运动的控制更加“自如”,并最终表现为爬行运动行为更加熟练。(2)与正常发育婴幼儿相比,运动发育迟缓婴幼儿的膝爬运动表现为:爬行过程中关节运动强度显著增强(p<0.05),但是,其爬行运动方向上的速度、节律等却没有显著性差异,即耗能增加却不能有效转化为爬行速度等方面的改善,这可能是其神经肌肉系统损伤导致关节运动耗能增加,无效做功增多的一种外在表现;同时,与正常发育婴幼儿相比,运动发育迟缓婴幼儿膝爬过程中关节运动平滑性显著降低(p<0.05),表现为僵硬、刻板的爬行运动行为。但是,本文实验结果中并未发现肢体间关节协同、关节活动角度与婴幼儿运动功能发育状态相互联系的直接证据。(4)婴幼儿膝爬运动中肌肉协同收缩与其关节运动模式的相关性研究。本文通过所有受试者肌肉协同收缩与关节运动学特征之间的相关性检验,发现婴幼儿膝爬过程中下肢股四头肌与腘绳肌间共激活指数与受其支配的膝关节运动强度以及平滑性等运动学表现之间具有显著正相关性(p<0.05),这初步证明了运动发育迟缓婴幼儿膝爬过程中关节运动的耗能(运动强度)增加、运动平滑性降低是上述神经肌肉选择性控制障碍导致肌肉过度激活的外在表现。同时,本文在肌肉协同理论框架下,将婴幼儿膝爬运动的肌肉协同与关节协同结合分析,发现从婴幼儿四肢8块肌肉表面肌电活动中提取到的肌肉协同(inter-limb muscle synergy)激活系数特征与四肢8处关节运动轨迹中提取到的关节协同(inter-limb joint synergy)激活系数特征之间表现出显著相关,这进一步验证了神经肌肉系统对肢体间关节运动模式的调控与组织角色,同时也初步揭示出神经系统的运动协同控制机制可以同时表现在运动动作的动力学和运动学层面。(5)婴幼儿膝爬运动分析软件设计:本文最后,针对“对婴幼儿手膝爬行运动功能进行量化测评”的临床应用需求,结合本文的实验数据和分析方法,利用LabVIEW平台设计开发了一款婴幼儿膝爬运动分析软件,初步实现了对婴幼儿手膝爬行过程中爬行姿态动态显示、关节角度计算、肌肉协同模式提取与显示等功能。综上,本文研究工作从神经肌肉控制角度探究了婴幼儿运动功能发育状态对其膝爬过程中上下肢肌肉协同收缩以及关节运动模式的影响,同时,也给婴幼儿早期肢体运动功能发育的客观评价提供了一些新思路。