radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2025-28-6-108-120radioelectronics-1097Research ArticleПРИБОРЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, КОНТРОЛЯ СРЕДЫ, ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙMEDICAL DEVICES, ENVIRONMENT, SUBSTANCES, MATERIAL AND PRODUCTРазработка интегрального показателя ходьбы с нагрузкой на основании биомеханических и электромиографических параметровDevelopment of an Integral Index of Loaded Walking Based on Biomechanical and Electromyographic ParametersРыжовВ. К.RyzhovV. K.

Рыжов Виктор Константинович – магистр по направлению "Приборостроение" (2025)

 ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Viktor K. Ryzhov, Master's degree in Instrumentation Engineering (2025)

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

viktor.ryzhov.2001@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0004-6384-163XСкребоваЕ. М.SkrebovaE. M.

Скребова Елена Михайловна – специалист по направлению " Инженерное дело в медико-биологической практике" (2015), начальник научно-исследовательской лаборатории "Системы захвата и моделирования движения" 

 ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Elena M. Skrebova, Specialist in Engineering in Medical and Biological Practice (2015), Head of the Research Laboratory "Motion Capture and Modeling Systems"

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

emskrebova@etu.ruБоронахинА. М.BoronahinA. M.

Боронахин Александр Михайлович – доктор технических наук (2013), профессор (2020), профессор кафедры лазерных измерительных и навигационных систем, декан факультета информационно-измерительных и биотехнических систем 

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Alexander M. Boronakhin, Dr Sci. (Eng.) (2013), Professor (2020) of the Department of Laser Measurement and Navigation Systems, Dean of the Faculty of Information Measurement and Biotechnical Systems

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197002

AMBoronahin@etu.ruhttps://orcid.org/0009-0003-7810-8396СакунИ. А.SakunI. A.

Сакун Иван Антонович – магистр по направлению "Приборостроение" (2024); инженер-исследователь лаборатории физиологии движения; младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории "Системы захвата и моделирования движения"

д. 6, СанктПетербург, 199034

Ivan A. Sakun, Master's degree in Instrumentation Engineering (2024), Research Engineer of the Laboratory of Movement Physiology; Junior Researcher of the Research Laboratory "Motion Capture and Modeling Systems" and Postgraduate Student 

6, Makarova Emb., St Petersburg 199034

sakunia@infran.ruhttps://orcid.org/0009-0008-4270-2349ПоповД. Б.PopovD. B.

Попов Дмитрий Борисович – магистр по направлению "Приборостроение" (2024); младший научный сотрудник лаборатории физиологии зрения; младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории "Системы захвата и моделирования движения" 

наб. Макарова, д. 6, СанктПетербург, 199034

Dmitry B. Popov, Master's degree in Instrumentation Engineering (2024); Junior Researcher of the Laboratory of Vision Physiology; Junior Researcher of the Research Laboratory "Motion Capture and Modeling Systems" and Postgraduate Student 

6, Makarova Emb., St Petersburg 199034

db.popov@mail.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian FederationСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина); Институт физиологии им. И. П. Павлова Российской академии наукРоссияSaint Petersburg Electrotechnical University; Pavlov Institute of Physiology of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202517012026286108120Copyright © Рыжов В.К., Скребова Е.М., Боронахин А.М., Сакун И.А., Попов Д.Б., 20262026Рыжов В.К., Скребова Е.М., Боронахин А.М., Сакун И.А., Попов Д.Б.Ryzhov V.K., Skrebova E.M., Boronahin A.M., Sakun I.A., Popov D.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/1097Введение

Введение. Ходьба с дополнительным отягощением – рюкзаком, утяжелителями или специализированным снаряжением – существенно изменяет работу опорно-двигательного аппарата. Переноска груза повышает нагрузку на суставы нижних конечностей, усиливает мышечную активность и изменяет пространственно-временные характеристики шага, что сопровождается увеличением энергетических затрат, причем влияние зависит не только от массы, но и от локализации груза. Современные исследования все чаще используют интеграцию биомеханических, кинетических и электромиографических данных для количественной оценки адаптаций организма к нагрузкам. Разработка комплексных интегральных показателей ходьбы с нагрузкой позволяет объективно описывать "биомеханическую стоимость" различных вариантов отягощения и может быть востребована в спорте, эргономике, военной подготовке и клинической практике.

Цель работы

Цель работы. Разработка интегрального показателя, количественно отражающего изменения человеческой походки под воздействием дополнительных масс – 3 кг, закрепленных на ногах, и 12 кг, равномерно размещенных в рюкзаке. Объектом исследования является функциональный анализ походки человека с дополнительной внешней нагрузкой, состоящий в совокупности из биомеханических и электромиографических параметров.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для семи здоровых добровольцев были зарегистрированы трехмерные движения методом оптического "motion capture" с одновременной регистрацией электромиографии семи мышечных групп. Первичные траектории обрабатывались в QTM, экспортировались в TXT/TSV, далее структурировались скриптами Python; агрегированные величины (максимум, минимум, ROM) автоматически заносились в Excel. Корреляции между параметрами изучены по коэффициенту Спирмена. Достоверность изменений отдельных показателей оценена критерием Фридмана и кластеризацией.

Результаты

Результаты. Сформирован интегральный показатель "I_total", использующий нормализацию min–max и равные веса.

Заключение

Заключение. Дистальная нагрузка увеличивает время двойной опоры и снижает частоту шага; проксимальная – меняет мышечную активацию и положение таза, частично нормализуя пространственно-временные параметры. Интегральный показатель обобщает изменения биомеханических и ЭМГ-параметров, позволяя количественно оценить "биомеханическую стоимость" нагрузки.

Introduction

Introduction. Walking with additional load, such as a backpack, weights, or specialized equipment, has a significant effect on the musculoskeletal system. Carrying extra weight increases the load on the lower limb joints, enhances muscular activity, and modifies the spatiotemporal characteristics of gait, which is accompanied by increased energy expenditure. Notably, these effects depend not only on the mass but also on the distribution of the load. Contemporary studies are increasingly employing the integration of biomechanical, kinetic, and electromyographic data to quantitatively assess the body’s adaptation mechanisms to external loading. The development of integrated metrics for loaded walking is relevant for objective characterization of the biomechanical cost of different loading conditions, being promising for application in sports science, ergonomics, military training, and clinical practice.

Aim

Aim. To develop an integral index that quantitatively reflects changes in human gait under two external loads: 3 kg attached to the lower legs and 12 kg evenly distributed in a backpack. A functional analysis of loaded human gait, represented by a set of biomechanical and electromyographic parameters, was carried out.

Materials and methods

Materials and methods. Seven healthy volunteers were subjected to examination using the methods of 3D optical motion capture and simultaneous surface electromyography from seven muscle groups. The primary trajectories were processed in QTM, exported to TXT/TSV, and further organized by Python scripts. The aggregated values (maximum, minimum, ROM) were automatically transferred to Excel. Inter-parameter dependencies were examined using Spearman’s correlation coefficient. The statistical significance of individual changes was assessed using the Friedman test followed by cluster analysis.

Results

Results. An integral index (I_total) using global min–max normalization and equal weighting of the selected metrics was developed.

Conclusion

Conclusion. Distal loading increases double-support time and decreases step frequency, whereas proximal loading alters muscle activation patterns and pelvic positioning, partially normalizing spatiotemporal gait parameters. The proposed integral index combines changes in biomechanical and EMG parameters, enabling a quantitative assessment of the biomechanical cost associated with the applied load.

биомеханикамаркерная система захвата движениявидеоанализинтегральный показательходьба с нагрузкойповерхностная электромиографиякинематикакинетикаbiomechanicsmarker-based motion capturevideo analysisintegral indexloaded walkingsurface electromyographykinematicskineticsРаботы выполнена с использованием оборудования научно-исследовательской лаборатории "Системы захвата и моделирования движения" СПбГЭТУ "ЛЭТИ".The work was performed using the equipment of the Research Laboratory "Motion Capture and Modelling Systems" of Saint Petersburg Electrotechnical University.ReferencesEffect of load carriage on joint kinematics, vertical ground reaction force and muscle activity: Treadmill versus overground walking / M. Künzler, S. Herger, E. De Pieri, C. Egloff, A. Mündermann, C. Nüesch // Gait & Posture. 2023. Vol. 104. P. 1–8. doi: 10.1016/j.gaitpost.2023.05.018Künzler M., Herger S., De Pieri E., Egloff C., Mündermann A., Nüesch C. Effect of Load Carriage on Joint Kinematics, Vertical Ground Reaction Force and Muscle Activity: Treadmill Versus Overground Walking. Gait & Posture. 2023, vol. 104, pp. 1–8. doi: 10.1016/j.gaitpost.2023.05.018Effects of backpack load on spatiotemporal turning gait parameters / X. Hu, L. Jia, J. Tang, Q. Duan, C. Chen, Z. Zhao, X. Qu // Intern. J. of Industrial Ergonomics. 2023. Vol. 95. Art. № 103443. doi: 10.1016/j.ergon.2023.103443Hu X., Jia L., Tang J., Duan Q., Chen C., Zhao Z., Qu X. Effects of Backpack Load on Spatiotemporal Turning Gait Parameters. Intern. J. of Industrial Ergonomics. 2023, vol. 95, art. no. 103443. doi: 10.1016/j.ergon.2023.103443Tilbury-Davis D. C., Hooper R. H. The kinetic and kinematic effects of increasing load carriage upon the lower limb // Human Movement Science. 1999. Vol. 18, № 5. P. 693–700.Tilbury-Davis D. C., Hooper R. H. The Kinetic and Kinematic Effects of Increasing Load Carriage Upon the Lower Limb. Human Movement Science. 1999, vol. 18, no. 5, pp. 693–700.Kinetic changes in gait during low magnitude military load carriage / D. Majumdar, M. Sudan Pal, A. Pramanik, D. Majumdar // Ergonomics. 2013. Vol. 56, № 8. P. 1278–1287. doi: 10.1080/00140139.2013.835871Majumdar D., Sudan Pal M., Pramanik A., Majumdar D. Kinetic Changes in Gait During Low Magnitude Military Load Carriage. Ergonomics. 2013, vol. 56, no. 8, pp. 1278–1287. doi: 10.1080/00140139.2013.835871Liew B., Morris S., Netto K. The Effect of Backpack Carriage on the Biomechanics of Walking: A Systematic Review and Preliminary Meta-Analysis // J. of Applied Biomechanics. 2016. Vol. 32, № 6. P. 614–629. doi: 10.1123/jab.2015-0339Liew B., Morris S., Netto K. The Effect of Backpack Carriage on the Biomechanics of Walking: A Systematic Review and Preliminary Meta-Analysis. J. of Applied Biomechanics. 2016, vol. 32, no. 6, pp. 614–629. doi: 10.1123/jab.2015-0339Skinner H. B., Barrack R. L. Ankle weighting effect on gait in able-bodied adults // Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 1990. Vol. 71, № 2. P. 112–115.Skinner H. B., Barrack R. L. Ankle Weighting Effect on Gait in Able-Bodied Adults. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 1990, vol. 71, no. 2, pp. 112–115.Lower limb kinematics and physiological responses to prolonged load carriage in untrained individuals / A. K. Mullins, L. E. Annett, J. R. Drain, J. G. Kemp, R. A. Clark, D. G. Whyte // Ergonomics. 2015. Vol. 58, № 5. P. 770–780. doi: 10.1080/00140139.2014.984775Mullins A. K., Annett L. E., Drain J. R., Kemp J. G., Clark R. A., Whyte D. G. Lower Limb Kinematics and Physiological Responses to Prolonged Load Carriage in Untrained Individuals. Ergonomics. 2015, vol. 58, no. 5, pp. 770–780. doi: 10.1080/00140139.2014.984775Walking slope and heavy backpack loads affect torso muscle activity and kinematics / J. T. Sturdy, H. N. Rizeq, A. Silder, P. H. Sessoms, A. K. Silverman // J. of Electromyography and Kinesiology. 2023. Vol. 70. Art. № 102769. doi: 10.1016/j.jelekin.2023.102769Sturdy J. T., Rizeq H. N., Silder A., Sessoms P. H., Silverman A. K. Walking Slope and Heavy Backpack Loads Affect Torso Muscle Activity and Kinematics. J. of Electromyography and Kinesiology. 2023, vol. 70, art. no. 102769. doi: 10.1016/j.jelekin.2023.102769Influence of School Backpack Load as a Variable Affecting Gait Kinematics among Seven-Year-Old Children / P. Tomal, A. Fryzowicz, E. Skorupska, L. B. Dworak // Intern. J. of Environmental Research and Public Health. 2022. Vol. 19, № 7. Art. № 3843. doi: 10.3390/ijerph19073843 1Tomal P., Fryzowicz A., Skorupska E., Dworak L. B. Influence of School Backpack Load as a Variable Affecting Gait Kinematics among Seven-Year-Old Children. Intern. J. of Environmental Research and Public Health. 2022, vol. 19, no. 7, art. no. 3843. doi: 10.3390/ijerph19073843Birrell S. A., Hooper R. H., Haslam R. A. The effect of military load carriage on ground reaction forces // Gait & Posture. 2007. Vol. 26, № 4. P. 611–614. doi: 10.1016/j.gaitpost.2006.12.008Birrell S. A., Hooper R. H., Haslam R. A. The Effect of Military Load Carriage on Ground Reaction Forces. Gait & Posture. 2007, vol. 26, no. 4, pp. 611–614. doi: 10.1016/j.gaitpost.2006.12.008The Influence of Backpack Weight and Hip Belt Tension on Movement and Loading in the Pelvis and Lower Limbs during Walking / K. Oberhofer, P. D. Wettenschwiler, N. Singh, S. J. Ferguson, S. Annaheim, R. M. Rossi, S. Lorenzetti // Applied Bionics and Biomechanics. 2018. Vol. 2018. Art. № 4671956. doi: 10.1155/2018/4671956Oberhofer K., Wettenschwiler P. D., Singh N., Ferguson S. J., Annaheim S., Rossi R. M., Lorenzetti S. The Influence of Backpack Weight and Hip Belt Tension on Movement and Loading in the Pelvis and Lower Limbs during Walking. Applied Bionics and Biomechanics. 2018, vol. 2018, art. no. 4671956. doi: 10.1155/2018/4671956Ahmad H. N., Barbosa T. M. The effects of backpack carriage on gait kinematics and kinetics of schoolchildren // Scientific Reports. 2019. Vol. 9. Art. № 3364. P. 1–11. doi: 10.1038/s41598-019-40076-wAhmad H. N., Barbosa T. M. The Effects of Backpack Carriage on Gait Kinematics and Kinetics of Schoolchildren. Scientific Reports. 2019, vol. 9, art. no. 3364, pp. 1–11. doi: 10.1038/s41598-019-40076-wReported Load Carriage Injuries of the Australian Army Soldier / R. M. Orr, V. Johnston, J. Coyle, J. Pope // J. of Occupational Rehabilitation. 2015. Vol. 25, № 2. P. 316–322. doi: 10.1007/s10926-014-9540-7Orr R. M., Johnston V., Coyle J., Pope J. Reported Load Carriage Injuries of the Australian Army Soldier. J. of Occupational Rehabilitation. 2015, vol. 25, no. 2, pp. 316–322. doi: 10.1007/s10926-014-9540-7Qualisys Track Manager. URL: https://www.qualisys.com/ (дата обращения: 18.09.2025).Qualisys Track Manager. Available at: https://www.qualisys.com/ (accessed: 18.09.2025).Stegeman D. F., Hermens H. J. Standards for surface electromyography: the European project "Surface EMG for non-invasive assessment of muscles (SENIAM)". URL: https://citeseerx.ist.psu.edu/document?repid=rep1&type=pdf&doi=b280c4751a2658380a77052b0aab7929e6943a57 (дата обращения: 18.09.2025).Stegeman D. F., Hermens H. J. Standards for surface electromyography: the European project "Surface EMG for non-invasive assessment of muscles (SENIAM)". 2007. 112 p. Available at: https://www.researchgate.net/publication/265073104_Standards_for_surface_electromyography_The_European_project_Surface_EMG_for_non-invasive_assessment_of_muscles _SENIAM (accessed: 18.09.2025).A new anatomically based protocol for gait analysis in children / A. Leardini, Z. Sawacha, G. Paolini, S. Ingrosso, R. Nativo, M. G. Benedetti // Gait & Posture. 2007. Vol. 26, № 4. P. 560–571. doi: 10.1016/j.gaitpost.2006.12.018Leardini A., Sawacha Z., Paolini G., Ingrosso S., Nativo R., Benedetti M. G. A New Anatomically Based Protocol for Gait Analysis in Children. Gait & Posture. 2007, vol. 26, no. 4, pp. 560–571. doi: 10.1016/j.gaitpost.2006.12.018Visual3D. URL: https://www.target3d.co.uk/has-motion (дата обращения: 18.09.2025).Visual3D. Available at: https://www.target3d.co.uk/has-motion (accessed: 18.09.2025).Effects of additional weight-bearing on the in vivo kinematics of the human ankle joint complex during walking / S. Wang, Z. Qian, X. Liu, G. Song, Z. Jiang, K. Wang, J. Wu, J. Liu, L. Ren, L. Ren // Scientific Reports. 2024. Vol. 14. Art. № 29049. doi: 10.1038/s41598-024-80716-4Wang S., Qian Z., Liu X., Song G., Jiang Z., Wang K., Wu J., Liu J., Ren L., Ren L. Effects of Additional Weight-Bearing on the in Vivo Kinematics of the Human Ankle Joint Complex During Walking. Scientific Reports. 2024, vol. 14, art. no. 29049. doi: 10.1038/s41598-024-80716-4

The authors declare that there are no conflicts of interest present.