Разработка интегрального показателя ходьбы с нагрузкой на основании биомеханических и электромиографических параметров

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

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.

1. Effect 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.2023.05.018

2. Effects 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.2023.103443

3. 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, № 5. P. 693–700.

4. 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: 10.1080/00140139.2013.835871

5. Liew 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.2015-0339

6. Skinner 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.

7. 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: 10.1080/00140139.2014.984775

8. Walking 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.2023.102769

9. Influence 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 1

10. Birrell 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.2006.12.008

11. The 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: 10.1155/2018/4671956

12. Ahmad 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-w

13. Reported 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/s10926-014-9540-7

14. Qualisys Track Manager. URL: https://www.qualisys.com/ (дата обращения: 18.09.2025).

15. 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).

16. 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.2006.12.018

17. Visual3D. URL: https://www.target3d.co.uk/has-motion (дата обращения: 18.09.2025).

18. 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/s41598-024-80716-4