足底亚阈值机械噪声通过增强小腿肌群运动控制效率改善静态平衡能力的研究

针对平衡障碍患者易跌倒的问题，研究人员通过施加足底亚阈值机械噪声(1-1600 Hz)，采用表面肌电图(EMG)和压力中心(COP)分析技术，发现噪声能显著降低胫骨前肌(TA)、腓肠肌外侧头(LG)和内侧头(MG)的肌电均方根值(RMS)，提升LG在矢状面(AP)的姿势控制贡献，为弱化小腿肌群患者的平衡训练提供新策略。

　　

平衡能力是人类日常活动的基础，但随着年龄增长或疾病（如糖尿病、帕金森病）的影响，平衡功能衰退会导致跌倒风险显著增加。据统计，老年人因跌倒造成的严重伤害发生率高达40%，这促使研究人员不断探索新型干预手段。在众多解决方案中，足底施加亚阈值机械噪声（sub-threshold mechanical noise）显示出独特潜力——既往研究表明这种干预不仅能改善平衡障碍患者的站立稳定性，对健康人群也有增强效果。然而，这种噪声究竟如何通过调节小腿肌群（calf muscles）的运动控制（motor control）来提升平衡能力，始终是未解之谜。

为揭开这一机制面纱，莫纳什大学马来西亚分校（Monash University Malaysia）的Jeshaiah Zhen Syuen Khor团队在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》发表创新研究。研究人员设计单盲随机实验，通过 foam insoles with embedded vibrotactile transducers 向健康青年足底施加1-1600 Hz宽带噪声，同步采集表面肌电图（surface electromyography, EMG）和压力中心（center of pressure, COP）数据。实验设置 firm surface 和 compliant surface 两种支撑面，后者通过Airex平衡垫模拟平衡障碍状态，以此排除患者个体差异对结果的干扰。

研究采用三项关键技术：1）基于泡沫鞋垫的振动噪声系统（带宽1-1600 Hz）以80%振动感知阈值（VPT）强度施加刺激；2）Bertec测力台以1 kHz采样率记录COP轨迹，计算ML（内外侧）和AP（前后向）摆动参数；3）无线表面EMG系统（Biosignalsplux）以1 kHz采样率监测TA、LG、MG肌群活动，通过均方根值（RMS）和平均频率（MF）量化肌肉激活特征，并采用Spearman相关系数分析COP-EMG耦合关系。

【COP摆动参数】数据显示，在模拟平衡障碍的compliant surface上，噪声使ML范围（12.94→11.89 mm）、ML速度（3.86→3.46 mm/s）和扫掠面积（202.98→163.03 mm²）显著降低（p<0.05），AP范围也呈现边际显著改善（19.94→17.95 mm, p=0.064）。而在firm surface仅AP范围显著减小（10.08→9.34 mm），证实噪声对平衡障碍模拟状态的改善效果更显著。

【EMG参数】最关键的发现是：所有肌群（TA/LG/MG）的RMS值在两种支撑面上均显著降低（如compliant surface的TA从30.6→15.9 μV，MG从33.6→25.1 μV，p<0.01），但MF无显著变化。这表明噪声通过提高CNS（中枢神经系统）接收的足底压力信息频率，使姿势微调更频繁但肌肉收缩强度更低，实现"降耗增效"的运动控制优化。

【COP-EMG相关性】AP方向LG肌群贡献度在噪声干预后显著提升（firm surface从0.193→0.430，p=0.027；compliant surface从0.475→0.620，p=0.055），而MG贡献度已接近上限故无显著变化。这揭示噪声特别强化了LG在矢状面姿势控制中的协同作用。

这项研究首次阐明足底机械噪声通过双重机制提升平衡能力：1）降低TA/LG/MG肌群的净运动单元（MU）活动强度，提升运动控制效率；2）选择性增强LG肌群在AP方向的姿势控制贡献。对于小腿肌群萎缩的平衡障碍患者（如糖尿病周围神经病变或中风幸存者），研究者建议采用更高频噪声刺激——既能增加姿势校正频率，又可适应其肌力减弱的生理特点。该成果为开发基于振动鞋垫的非侵入式防跌倒干预提供理论依据，未来可扩展至老年人群验证临床适用性。