人體運動學中步態(tài)參數分析及其應用研究

朱德有 王秋艷

人體步行是日常生活中最為普通的一種行為過程，可以說正常的步行不需要思考，但對于醫(yī)學、生物力學工作者來說，人體步行卻蘊涵著大量人體生命系統(tǒng)的信息。廣義上講人體步行是由四百多塊肌肉，兩百多塊骨骼在神經系統(tǒng)的控制下實現的復雜協調動作。狹義上講在步行的平衡和協調過程中，主要參與的肌肉和關節(jié)包括足、踝、膝、髖、軀干、頸、肩和臂協同運動。這其中任何環(huán)節(jié)的失調都可能影響步行狀況，同時某些異常也可能被代償或掩蓋。上述說明可以總結出人體步行的以下特征：普遍性，復雜性，綜合性。正因為此，研究人體步行的行為特征即步態(tài)分析成為了康復醫(yī)學領域的很重要的一個分支。

一、研究背景

行走是人體運動功能的主要構成部分，因此作為研究下肢運動和受力情況的步態(tài)分析在康復和康復評定中占有了重要的位置。通過步態(tài)分析可以對人體運動系統(tǒng)和神經系統(tǒng)疾病的病因進行分析和診斷并對功能、療效進行評定，還可以用于指導骨、關節(jié)假體與假肢的設計以及對截癱患者的行走功能進行重建，同時對于體育學和航天學也有重要的價值。目前在康復醫(yī)學領域。步態(tài)分析已經成為康復醫(yī)學評定的一個很重要的組成部分，有力地輔助了臨床運動功能評定，思維能力評定等主流康復醫(yī)學評定方法。步態(tài)分析方法也在綜合了臨床分析、運動學分析、動力學分析、肌電圖分析等方法之后有了更長足的發(fā)展。通過長期的臨床經驗，很多病理步態(tài)有了充分的實踐依據。

二、正常步態(tài)運動協調實驗研究

1.實驗目的與對象

自然步態(tài)(或正常步態(tài))是指健康人用自我感覺最自然、最舒適的姿態(tài)行進時的步態(tài)，是周期性的，具有協調和均衡的特點。研究正常人的步態(tài)特征。建立正常步態(tài)的協調控制模式，不僅能給康復醫(yī)學領域的診斷疾病、確定康復治療方案提供重要依據，而且對擬人機器人和智能假肢的運動規(guī)劃和設計控制均有重要意義。

特別是在擺動期，通過實驗分析可知，在擺動期初期有一個明顯的膝屈動作，該動作對產生擺動過程最低點的腳尖與地面間隙尤為重要。Winter指出，正常擺動期的平均腳尖與地面間隙僅為1.29cm。而且該間隙對膝關節(jié)的角度變化非常敏感。如果沒有足夠的膝屈。擺動過程中腳尖就會觸地，為了完成擺動期，必須有額外的提髖或大腿外擺動作，增加了步態(tài)周期的能量消耗，也使步態(tài)顯得笨拙難看?？梢钥闯觥Ｔ跀[動期要求整個下肢三關節(jié)、多肌肉之間的協同動作，本節(jié)將以此為對象對其協調控制機理加以研究。

關于在擺動期中肌肉的參與情況和肌肉力對擺動的作用已有一些研究，但是研究者的結論也不盡一致，Yamaguichi(1990)1通過減少或增加某塊肌肉的神經激發(fā)信號，研究了擺動期中肌肉對屈膝的影響，認為肌肉力或者肌肉活性很小，Moehon(1980)和Collins(1995)通過優(yōu)化分析和實驗研究。認為在擺動期確有較強肌肉活動存在，王人成等人選用6種最優(yōu)化準則并考慮關節(jié)被動力矩求解了下肢擺動期冗余肌肉力的分布，認為適當的肌力對于完成有效、低能耗、自然的步行仍然起著重要的作用。還有一些學者通過建模仿真預測肌肉激勵的協同性問題。

但是，人體采用何種方式控制邁步，在單腿支撐時神經系統(tǒng)如何調節(jié)保持身體的肌肉協調動作。利用什么樣的性能指標函數來表示人腦協調控制所追求的目標等問題仍不清楚。本節(jié)通過實驗和模型分析相結合重點研究擺動期的肌肉力協調和動力學協調控制模式。

2.實驗方法

(1)實驗任務和受試者

實驗過程中，要求受試者在平地路況下正常行走。在數據采集前每個受試者，均行走3～5遍，充分適應設備和熟悉行走要求。實驗開始后，為了保證受試者姿態(tài)自然、速度穩(wěn)定，數據采集在不知會受試者的情況下開始。實驗要求每個樣本進行8次自然行走。

本實驗共有53名志愿者參加，其中包括黑龍江工程學院田徑隊、籃球隊。由于實驗過程中部分受試者動作變形較大(運動員有傷)，我們從中選取了19名有代表性的運動員，男14名女5名，進行正常步態(tài)行走實驗的數據分析。其中田徑運動員的專項分別為三級跳和5 000米長跑，有一名男子三級跳運動員為運動健將，其他人為一級運動員，健康狀況良好。

實驗中受試者下身穿緊身運動短褲，以保證肌電信號電極不受影響和明確標示運動中肢體的位置。受試者相關生理參數如表1—1所示。

通過最優(yōu)控制計算，可以了解實現正常步態(tài)擺動期各肌肉的協同關系和控制模式。

圖1-1是模型計算的肌肉活性與樣本測量的EMG模式比較，可見理論計算和實驗結果還是基本相符的。上述肌肉模式分析結果也表明。模型采用能量消耗最少為優(yōu)化目標求解符合人體正常步態(tài)擺動期的控制模式。

三、步態(tài)參數模型的應用

步態(tài)分析采用的方法眾多，涉及的參數也有很多種，如何從這些參數中提取出穩(wěn)定可靠的參數對分析也是至關重要的，有人對此進行了專門的研究。R.White等人認為為了確保數據的再現性每種數據應該重復測量35525次，在他們的實驗中測量分三天進行，每天測量三次。他們引入了變化率的概念

他們的實驗結果表明實驗中測得的足地垂直方向的力具有相當好的可重復性，前后方向力的可重復性稍差，左右方向力的可重復性最差。因而要想對整個力一時間曲線進行分析需要有更先進的統(tǒng)計學方法，在分析過程中對參數的選擇也要慎重考慮。

對于不同目的的實驗，實驗要求和數據的選取原則也是不同的。例如AlanCrowe等人在研究人體質心運動時提出的有效實驗選取原則。

1.足應落于特定區(qū)域。

2.為滿足對z方向運動的要求。剔除一次實驗中左右側z方向峰值的平均值與體重的差異超過1.5％的實驗。

3.為了確保步速的一致性，需剔除兩次實驗中時間周期差異超過揚的實驗。

四、結論

人體的下肢相對于上肢來講，其運動基本在2維空間，而且在運動學協調方面已有較多的分析，但是對其動力學協調及控制機理的研究仍是一個重要課題。

研究了自然步態(tài)擺動期肌肉力的協同變化規(guī)律。發(fā)現神經系統(tǒng)會將肌肉之間結成不同的協同肌群，并控制三組不同的協調肌群按照特定的時序結構去執(zhí)行運動的加速、制動和姿態(tài)控制，分為三個階段，這表明人體運動協調元的出現過程具有時序特征。肌肉力模式分析結果表明能量消耗(產生)最少為反映人體正常步態(tài)擺動期的控制目標。同時發(fā)現，神經控制信號與肌肉力之間的變化情況存在一定的差異，反映肌骨系統(tǒng)輸入輸出的復雜映射關系，需要進一步加以深入研究。

(編輯李舶)