成年人不同重心高度爬行的運(yùn)動學(xué)特征分析

孟歡歡，周喆嘯，白 銳，田忠明，趙煥彬

成年人不同重心高度爬行的運(yùn)動學(xué)特征分析

孟歡歡1，周喆嘯2，白 銳1，田忠明1，趙煥彬1

人類爬行時與其他靈長類和非靈長類四肢動物有共同的四肢協(xié)調(diào)運(yùn)動學(xué)特征，并已被證明這是由于他們擁有相似的中樞模式發(fā)生器（Central Pattern Generators，CPGs）。目的：以8名健康男性成年人不同的重心高度（分別約0.65 m、0.55 m及0.45 m）進(jìn)行手足爬行為例，在前人研究的基礎(chǔ)上對比四肢爬行與直立行走和四足動物移動時的運(yùn)動學(xué)特征。方法：采用8個紅外捕捉鏡頭的三維動態(tài)捕捉設(shè)備同步采集8名健康成年受試者的四肢和軀干運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)。所有受試者皆參與了為期9周的爬行學(xué)習(xí)與測試（每3周學(xué)習(xí)及測試1種爬行方法），所有測試皆在受試者熟練掌握爬行動作后進(jìn)行，3種爬行動作測試完后進(jìn)行直立行走的數(shù)據(jù)采集。選取的運(yùn)動學(xué)指標(biāo)主要包括同側(cè)相位滯后（Ipsilateral Phase Lag，IPL）和關(guān)節(jié)活動范圍。結(jié)果與結(jié)論：相比其他研究，本研究爬行速度較慢；與直立行走的典型運(yùn)動學(xué)特征相比，受試者表現(xiàn)出較大的運(yùn)動學(xué)協(xié)調(diào)模式范圍（對角線模式與側(cè)向序列模式）以及各主要關(guān)節(jié)更大的活動范圍，且隨著爬行時重心高度降低，肩、肘關(guān)節(jié)活動范圍逐漸減小，髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動范圍逐漸增大，表明在一定范圍內(nèi)，重心越高支撐面越小，穩(wěn)定性越差，需要更多的肢體支撐保持穩(wěn)定，重心越低，越需要肩、肘關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性及髖、膝、踝關(guān)節(jié)的靈活性；反之，則需要肩、肘關(guān)節(jié)的靈活性和髖、膝、踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。

爬行；重心；運(yùn)動學(xué)特征；關(guān)節(jié)活動范圍

雖然人類是雙肢移動的步行方式，但也可以用四肢 行走。人類幼兒在無輔助行走開始前常常爬行，他們大多使用手膝爬行方法，然而，偶爾也會觀察到幼兒用手腳爬行［17］。此外，一些研究［19］認(rèn)為，患有先天性中樞神經(jīng)系統(tǒng)（Central Nervous System，CNS）疾病導(dǎo)致平衡狀態(tài)受損的幼兒優(yōu)先使用手足爬行練習(xí)，例如，烏納塔恩綜合征（Uner Tan Syndrome）患者無法直立行走，只能用四肢爬行。

爬行是一種運(yùn)動模式，成人也可以爬行，但目前對于這種行為的調(diào)查和研究較少。大多數(shù)的研究只分析了手和膝［1］與手和足［14］的運(yùn)動學(xué)的、短暫的、穩(wěn)定性的特點(diǎn)，他們發(fā)現(xiàn)四肢協(xié)調(diào)的一個大的變化，這表明人類爬行具有潛在的靈活控制機(jī)制。而爬行作為一種反序運(yùn)動受到越來越多人的關(guān)注，但人們對于爬行的機(jī)制并不十分清楚。因此，探索人類爬行時的生物力學(xué)機(jī)制將有助于人們對爬行的理解。根據(jù)以往的研究和觀察，及相關(guān)前期實驗的結(jié)果，本研究在對大眾爬行健身的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，人類爬行時，不但速度超過臨界值后會改變爬行時的運(yùn)動模式，不同重心高度爬行也表現(xiàn)出不同運(yùn)動模式的現(xiàn)象。

基于此，本研究目的在于探究成年人在不同重心高度爬行時，步態(tài)特征、關(guān)節(jié)活動范圍等運(yùn)動學(xué)特征的變化及與直立行走的差異。研究假設(shè)：人類爬行時，改變重心高度，將導(dǎo)致運(yùn)動模式的改變，重心越高，穩(wěn)定性越差，需要更多肢體支撐，肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)活動范圍越大，髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動范圍越小，以及下肢推進(jìn)力的逐漸減?。坏匦母叨炔⒉灰欢ㄊ菍?dǎo)致上肢緩沖作用大小的主要因素。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

8名健康的男性成年人自愿參加本實驗，并了解實驗?zāi)康模挲g24.0±1.0歲，身高177.0±2.5 cm，體重68.5±3.5 kg。所有受試者皆符合以下標(biāo)準(zhǔn)：1）至少有1年以上的體育鍛煉經(jīng)歷；2）無肩、肘、腕、踝關(guān)節(jié)及腰部等受傷史；3）無神經(jīng)性疾病、腦部等疾病史。

1.2 爬行動作

高重心（圖1）：①準(zhǔn)備姿勢：手足著地，兩臂伸直，兩手與肩同寬置于肩正下方，兩腿伸直（或稍屈）。②③④爬行動作：右腿直腿前進(jìn)至右腳尖即將觸碰到手的位置，腳跟先著地，過度到全腳掌著地，與此同時，屈肘抬起右手至右肩關(guān)節(jié)處后，向前伸臂至手臂伸直，然后自然落地到右肩的正前方，左腳左手與右側(cè)相同，以此左右側(cè)交替行進(jìn)。⑤結(jié)束姿勢：結(jié)束姿勢與準(zhǔn)備姿勢相同。

圖1 高重心爬行動作步驟示意圖Figure 1. High Center of Gravity Crawling Action Steps

中重心（圖2）：①準(zhǔn)備姿勢：雙手雙腳著地，五指自然張開，左臂伸直置于頭左前下方，右臂伸直置于右肩下方，抬頭眼向前看，左右腿均伸直（或稍彎曲）置于左右后下方，腳跟稍離地，腳尖向前稍向外，膝蓋與腳尖方向相同，背部保持平直。②③爬行動作：右腳抬起向起始位置的正前方移動約一腳的距離，腳尖著地，背部挺直，抬頭前看，左手左腳不動。右腿向斜后方用力蹬地伸直，將能量傳至軀干，軀干向左旋轉(zhuǎn)，右肩外展帶動肘外展帶動手，在身體右外側(cè)做一鞭打動作，同時重心前移，當(dāng)手到達(dá)最遠(yuǎn)端時，右手自然落至比左手稍靠前（約20 cm）的位置處，如此反復(fù)循環(huán)。④結(jié)束姿勢：結(jié)束姿勢與準(zhǔn)備姿勢相同。

低重心（圖3）：①準(zhǔn)備姿勢：手足（前腳掌）著地，軀干與地面平行，右側(cè)手膝為近距離，右小腿與地面平行，大腿與小腿成90°，左側(cè)手膝為遠(yuǎn)距離，抬頭眼看前方。②爬行動作：移動時，左腳和右手屈膝屈肘向前先后移動約一腳的距離，保持軀干與地面平行，抬頭眼看前方，如此交替前進(jìn)。③結(jié)束姿勢：與準(zhǔn)備姿勢相同。

1.3 數(shù)據(jù)采集

本實驗采集運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)的設(shè)備是美國motion運(yùn)動技術(shù)分析公司生產(chǎn)的motion三維動態(tài)捕捉設(shè)備。該設(shè)備由8臺Raptor-4型號紅外數(shù)字捕捉鏡頭和8根網(wǎng)線，相同（直徑1.4 cm）的紅外反射標(biāo)記點(diǎn)，1臺數(shù)據(jù)采集盒及1臺電腦組成。29個（Helen Hayes模型）紅外反射標(biāo)記點(diǎn)分別放置于左右兩側(cè)的：肩峰點(diǎn)、肘點(diǎn)、手腕點(diǎn)、髂前上棘點(diǎn)、大腿點(diǎn)、膝外側(cè)點(diǎn)、膝內(nèi)側(cè)點(diǎn)、小腿點(diǎn)、踝外側(cè)點(diǎn)、踝內(nèi)側(cè)點(diǎn)、跟骨點(diǎn)、足尖點(diǎn)；以及頭頂點(diǎn)、額前點(diǎn)、枕骨點(diǎn)、右后背點(diǎn)和后腰點(diǎn)。Raptor-4型號數(shù)字捕捉鏡頭（2 352×1 728像素）采用的是美國Micron公司的MI-MV40傳感器，本實驗采樣頻率為200 Hz。所有標(biāo)記點(diǎn)的數(shù)據(jù)采用一個二階雙通巴特沃斯濾波器進(jìn)行截止到7 Hz的低通濾波。

圖2 中重心爬行動作步驟示意圖Figure 2. Medium Center of Gravity Crawling Action Steps

圖3 低重心爬行動作步驟示意圖Figure 3. Low Center of Gravity Crawling Action Steps

1.4 實驗步驟

所有受試者皆參加了本實驗的4個步驟：第1～3周的高重心爬行學(xué)習(xí)及測試；第4～6周的中重心爬行學(xué)習(xí)及測試；第7～9周的低重心爬行學(xué)習(xí)及測試；以及低重心爬行測試后的直立行走測試。在受試者熟練掌握爬行動作后再進(jìn)行測試，受試者每掌握一種爬行動作，進(jìn)行一次測試，直至完成所有測試動作實驗結(jié)束。

以上提到的每個步驟皆包括以下實驗條件：1）測試前72 h無劇烈運(yùn)動；2）測試開始前進(jìn)行約10 min的熱身和5 min的動態(tài)拉伸；3）為防止因標(biāo)記點(diǎn)粘貼位置不同造成的數(shù)據(jù)差異，所有標(biāo)記點(diǎn)的粘貼都由特定的兩個實驗人員完成；4）在測試過程中，采集受試者以自然速度爬行時的10個連續(xù)的步幅。在完成3種爬行動作的數(shù)據(jù)采集72 h后，再進(jìn)行直立行走的數(shù)據(jù)采集，也包括以上提到實驗條件的前3個條件以及采集了10個連續(xù)的步幅。

1.5 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)使用系統(tǒng)自帶的Helen Hayes模型進(jìn)行處理，該模型由頭、軀干、上臂、前臂、大腿、小腿和腳組成。該模型主要用來計算身體右側(cè)上肢的肩、肘和下肢的髖、膝、踝關(guān)節(jié)（圖4A）和肩髖夾角的角度（圖4B）。本研究中，使用系統(tǒng)自帶的Helen Hayes剛體模型來計算重心（圖4C）。上下肢的步態(tài)周期時間由右手腕點(diǎn)和腳面點(diǎn)分別接觸地面（在Z軸上的最低點(diǎn)）確定。上下肢的擺動時間分別是由右側(cè)手腕點(diǎn)離開地面到右手腕接觸地面和腳面點(diǎn)離開地面到腳面點(diǎn)接觸地面決定。

采用Patrick等［18］人描述的方法確定上下肢之間的同側(cè)相位滯后（Ipsilateral Phase Lag，IPL）。圖5示出了用于描述肢體協(xié)調(diào)的方法，顯示了每個肢體的支撐（實線）和擺動（空格）階段的時序和持續(xù)時間。每個肢體開始支撐和擺動的時間表示為右腿周期的函數(shù)（即圖5中的T）。例如，在圖中，在右腿開始支撐與右臂支撐期開始之間的時間間隔為“t1”。將此延遲表示為右腿周期中持續(xù)時間的百分比，稱為同側(cè)相位滯后（公式1）。簡單地說，用一個步態(tài)周期的百分比表示右上肢接觸地面的相對時間，步態(tài)周期百分比是由右腳連續(xù)不斷的接觸地面決定的：

t1是右腳和右手之間著地的間隔時間，T是周期時長（圖5）。根據(jù)這一方法，同側(cè)步態(tài)（同側(cè)上肢/下肢接觸地面）是沒有取值的，對側(cè)步態(tài)模式（對側(cè)上肢/下肢接觸類似的情況下）確定的值為50%，中間值（約25%）相當(dāng)于沒有肢體配對。

圖4 肩、肘、髖、膝、踝5關(guān)節(jié)角度及肩髖夾角和重心的定義示意圖Figure 4. Schematic Diagram of Joint Angle of Shoulder，Elbow，Hip，Knee，Ankle Joint，Intersection Angle of Shoulder and Hip，and Center of Gravity

圖5 3種爬行動作與直立行走的一般協(xié)調(diào)模式Figure 5. General Coordinating Modes of Three Kinds of Crawling and Upright Walking

本研究對采集的10個周期數(shù)據(jù)，每個周期的數(shù)據(jù)均單獨(dú)作為一組數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，描述性統(tǒng)計使用均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±SD）表示。爬行重心高度的不同步態(tài)和運(yùn)動模式參數(shù)的影響，以及上下肢之間的差異使用單因素方差分析法（ANOVA）評估。對于比較統(tǒng)計，當(dāng)分布通過正態(tài)分布同質(zhì)性方差的檢驗時應(yīng)用參數(shù)檢驗（Tukey檢驗）；否則，使用非參數(shù)檢驗（Dunnett’s檢驗）。兩兩之間的比較采用配對樣本 t 檢驗，IPL的統(tǒng)計學(xué)分析使用Pearson相關(guān)系數(shù)。數(shù)據(jù)均經(jīng)SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理，所有統(tǒng)計檢驗的顯著性水平設(shè)置為P＜0.05。

2 研究結(jié)果

2.1 爬行重心高度及速度

本實驗所測結(jié)果顯示，低重心爬行、中重心爬行及高重心爬行在運(yùn)動過程中的重心高度變化范圍分別為0.43～0.48 m、0.49～0.60 m及0.61～0.68 m（圖6B）。3種爬行重心變化量之間皆發(fā)現(xiàn)了較大差異（P＜0.01），但與重心高度的變化沒有線性關(guān)系（圖6A），然而，重心最低的爬行變化量最小。其一般爬行速度分別約為0.28 m/s、0.17 m/s、0.15 m/s，在本研究中的低重心爬行和速度與大多數(shù)研究［1，14，18］所描述的爬行方法類似；而隨著爬行時重心高度的升高，爬行速度逐漸降低，這可能是由于隨著重心的升高，人類關(guān)節(jié)活動范圍降低而導(dǎo)致的。

圖6 3種爬行及直立行走重心變化量（ ASD） 及1個代表性受試者重心高度變化（ B） 對比圖Figure 6. Comparison of the Change Quantity of Gravity Center（A，±SD） and Heights of Gravity Center from a Cepresentative Participant（ B）of Three Kinds of Crawling and Standing Walking

2.2 基本步態(tài)參數(shù)

圖5展示了不同重心高度下，人類爬行步態(tài)參數(shù)的基本變化。人類爬行一般是4點(diǎn)、3點(diǎn)或2點(diǎn)交替支撐體重爬行的步態(tài)模式。在本研究中步態(tài)特征顯示，高重心與中重心的四肢分別交替進(jìn)入擺動期（圖5），即，左腿先短暫的擺動后進(jìn)入支撐期，即刻開始左手的擺動，經(jīng)過較長的擺動期（遠(yuǎn)高于左腿的擺動，P＜0.05）后再進(jìn)入支撐期，依次進(jìn)入右腿擺動期，直至右手進(jìn)入支撐期開始下一個循環(huán)。因此，高重心和中重心爬行屬于3點(diǎn)交替支撐體重方法（其中1個肢體處于擺動期時，另外3個肢體皆處于支撐），這種方法與MacLellan等［14］人描述的側(cè)向步態(tài)類似。但與之前的研究［14，18］相反的是，本研究中高重心與低重心手的擺動遠(yuǎn)長于腿的擺動，造成手的支撐遠(yuǎn)小于腿的支撐（如圖5中的高重心與中重心）。在低重心爬行中，對角線的手和腳出現(xiàn)了同時擺動及同時支撐的現(xiàn)象（圖5），也就是說，手和腳的支撐與擺動周期比相同。這也與之前的研究（手的擺動遠(yuǎn)小于腿的擺動）有差異。因此，低重心爬行屬于兩點(diǎn)交替支撐體重方法。就本研究來看，隨著重心高度降低，支撐身體重量的肢體數(shù)量減少，速度呈增加的趨勢。

本研究通過用步態(tài)周期百分比［18］來計算右上肢與地面的接觸，以此量化這種協(xié)調(diào)模式（圖5）。以爬行時身體重心高度作為一個函數(shù)對上下肢之間的同側(cè)相位滯后（IPL）分析，結(jié)果顯示，高重心（約36%）與中重心（約41%）爬行之間（P＜0.001），中重心與低重心（約50%）爬行之間（P＜0.001）皆有顯著性差異?？偟膩碚f，當(dāng)前速度下，重心越高受試者越趨向于無肢體配對步態(tài)模式（IPL約25%），重心越低越趨向于Patrick等［18］人和MacLellan等［14］人描述的“對角線”模式（IPL約50%）。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，重心高度與IPL值之間具有顯著相關(guān)性（r=－0.926，P＜0.001）。正如預(yù)期那樣，隨著重心高度的降低，周期持續(xù)時間有逐漸降低的趨勢（高重心與中重心相比P＜0.05，中重心與低重心相比P=0.895，圖7A），而擺動百分比兩兩之間皆有顯著性差異（P＜0.001），但與重心高度無關(guān)（圖7B、C）。

圖7 不同重心高度爬行時周期時長 （A） 和右手 （B） 及右腳 （C） 擺動百分比對比圖Figure 7. Compared of Cycle Length（A） and Swing Percentage of Right Hand（B） and Right Foot（C）of Different Hights of Gravity Center

2.3 關(guān)節(jié)活動范圍

圖8顯示了人類使用3種不同方法爬行時的關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)模式。在3種爬行方法之間，肩峰（高重心27.8±3.5 cm，中重心30.9±5.1 cm；P=0.104）和髂前上棘（高重心19.2±4.8 cm，中重心21.4±4.6 cm；P=0.520）的垂直位移量在高重心和中重心之間沒有顯著差異（圖8，A和B的上部），但高重心和中重心皆比低重心（肩峰7.7±1.8 cm，髂前上棘13.1±2.2 cm）有較大的垂直位移量（P＜0.001）。值得注意的是，與之前的研究［14］發(fā)現(xiàn)不同的是，高重心與中重心肩峰的垂直位移顯著高于髂前上棘（P＜0.05），而低重心恰恰相反，呈現(xiàn)髂前上棘垂直位移高于肩峰。另外，低重心爬行時的肩峰與髂前上棘的垂直位移皆顯著低于（P＜0.05）高重心與中重心。

圖8 3種方法爬行時的運(yùn)動學(xué)模式圖Figure 8. Kinematic Model of Three Methods Crawling

關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍顯示，肘、肩、髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)在中重心（活動范圍分別為60.2°±16.8°、63.1°±12.7°、89.0°±11.1°、52.3°±13.5°）與低重心（活動范圍分別為55.4°±12.4°、65.5°±8.9°、94.7°±10.6°、60.8°±9.2°）之間沒有顯著差異（P＞0.05），而高重心的肘關(guān)節(jié)（127.1°±3.1°）與肩關(guān)節(jié)（91.8°±12.0°）顯示了較中重心和低重心更大的運(yùn)動范圍，雖然肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)在中重心與低重心之間沒有差異（P＞0.05），但隨著重心的降低，兩者皆有逐漸下降的趨勢（圖8，B的下部左側(cè)）。髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)在3種爬行之間沒有顯著性差異（P＞0.05），但從結(jié)果來看，兩者有隨重心降低而升高的趨勢（圖8，B的下部右側(cè)）。膝關(guān)節(jié)（高、中、低分別為24.2°±7.5°、71.3°±9.3°、99.7°±4.1°）在3種方法之間皆表現(xiàn)出了顯著性差異（P＜0.01），且其運(yùn)動范圍隨著重心高度的降低而逐漸增加。肩髖夾角（高、中、低分別為32.2°±2.0°、43.0°±8.2°、28.5°±6.1°）在3種爬行方法之間沒有差異（P=0.051），但中重心表現(xiàn)出更大的角度。

2.4 與直立行走相比

直立行走的重心高度變化范圍一般在0.95～0.97 m（圖6B）。與直立行走相比，3種爬行皆表現(xiàn)了較大的重心垂直位移變化量（圖6A）。本研究中的數(shù)據(jù)顯示，人類自然的步行速度約為1.02 m/s，這與Winter［21］的研究結(jié)果（1.33 m/s）相差較大，這可能是由于地域差異、種族及身高、實驗條件等的影響，這些具體的原因可以在今后的工作中分析，在這里不再闡述。關(guān)節(jié)活動范圍數(shù)據(jù)顯示，與直立行走相比，無論哪種爬行方法，肩峰和髂前上棘的垂直位移皆顯著高于（P＜0.001）直立行走（肩峰4.6±0.2 cm，髂前上棘4.4±0.3 cm）（圖8，B的上部）。另外，直立行走的肩髖夾角（11.4°±1.1°）、肘（26.6°±4.1°）、肩（13.1°±2.9°）、髖（20.7°±1.7°）、踝關(guān)節(jié)（30.3°±1.4°）活動范圍皆顯著小于3種爬行（P＜0.001），而膝關(guān)節(jié)（55.6°±0.8°）活動范圍高于高重心爬行，但低于中重心和低重心爬行。

本研究還發(fā)現(xiàn)，與直立行走不同的是，爬行時上肢的作用是緩沖能量使身體減速，如表1所示，3種爬行方法之間上肢的主要作用是使身體減速，且上肢與水平面的夾角在3種重心高度爬行之間有顯著性差異（P＜0.05），但并沒有一定的規(guī)律性。而下肢的主要作用是推進(jìn)身體前進(jìn)，并且下肢角度有隨重心下降而逐漸減小的趨勢（r=0.836，P＜0.05），即，隨著重心降低，下肢的推進(jìn)力逐漸增大。

3 討論

本研究具體探討了3種爬行方法下人類手足爬行的運(yùn)動學(xué)模式，以及他們之間變異性的原因，發(fā)現(xiàn)人類與動物四肢運(yùn)動的一些相似之處，但也表現(xiàn)出一些人類的特殊特征。

表1 不同重心高度爬行著地時刻上下肢與水平面夾角Table 1 The Angles between the Horizontal Suface and the Upper and Lower Limbs at Different Gravity Centers （ ±SD）

表1 不同重心高度爬行著地時刻上下肢與水平面夾角Table 1 The Angles between the Horizontal Suface and the Upper and Lower Limbs at Different Gravity Centers （ ±SD）

注：上肢小于90°將起到使身體減速緩沖的作用，等于90°，表明上肢與水平面垂直，大于90°，上肢起到推進(jìn)的作用；下肢小于90°將起到使身體推進(jìn)的作用，等于90°表明下肢與水平面垂直，大于90°將起到減速的作用。

高重心 中重心 低重心上肢 51°±2° 33°±3° 48°±2°下肢 80°±4° 67°±2° 6°±1°

3.1 爬行速度與重心高度的比較分析

在之前的研究中并沒有發(fā)現(xiàn)有爬行速度與重心高度之間關(guān)系的研究，但已知的有對爬行速度與協(xié)調(diào)模式之間的研究。在爬行速度較慢的情況下（0.13 m/s），成年人之間沒有明顯的肢體配對［18］。在本研究中，高重心與中重心的爬行表明，重心越高，爬行速度越慢，即使在試驗人員要求受試者以較慢速度爬行的前提下，受試者依然表現(xiàn)出這種現(xiàn)象。由于在爬行過程中，要求受試者手臂有一個較大范圍的擺動（也就是說延長手臂的擺動周期，圖5），這在一定程度上也減緩了受試者爬行速度。

在本研究中觀察到的四肢爬行的速度明顯慢于之前的研究［1，14］中觀察到的速度，即使是速度最快的低重心爬行（0.28 m/s），依然較慢。一項研究報告顯示最大爬行速度為0.64 m/s［2］；在另一項研究中，對于慢、中和快速爬行步態(tài)，受試者平均速度為0.38 m/s，0.59 m/s和0.82 m/s［1］；第3項研究分析了從0.22～1.34 m/s較寬范圍的爬行速度［18］。逃生背景研究的爬行速度報告，正常爬行速度為0.71 m/s，最大爬行速度為1.47 m/s［12］。因此，相較于這些研究，本研究中的爬行皆為較慢速度。

另外，考慮到不同爬行速度可能會影響人類的運(yùn)動模式，因此將本研究結(jié)果與之前的研究進(jìn)行對比，以檢查速度在本研究中是否會影響到本實驗結(jié)果。在對比Maclellan 等［14］人的研究結(jié)果時發(fā)現(xiàn)，爬行速度在0.5 km/h（0.14 m/s）～3 km/h（0.83 m/s）之間變化時，IPL 值（圖9A）沒有顯著性差異（P=0.87），髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)活動范圍皆沒有顯著性差異（圖9B），而肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)活動范圍有隨速度提升逐漸增加的趨勢（P＜0.05）。因此，在本研究中排除了運(yùn)動速度對運(yùn)動模式的影響，只考慮重心高度對運(yùn)動模式的影響。

3.2 協(xié)調(diào)模式與其他哺乳動物具有共同特征

本研究中所有受試者在使用高重心和中重心爬行時幾乎完全使用側(cè)向序列步態(tài)，這與以前的嬰兒［3］、兒童［9］和成人［4］的爬行研究一致。大多數(shù)四足動物（如果不是特定的原因）優(yōu)先選擇使用側(cè)向序列步態(tài)模式［9］。最值得注意的例外是非人類靈長類動物，通常使用對角序列步態(tài)［9］，這與本研究中低重心爬行使用的步態(tài)模式一致。非人類靈長類動物和其他四足動物之間的這種差異的原因仍然有爭議，并且超出了本研究的范圍。

圖9 平均同側(cè)相位滯后 （A） 和關(guān)節(jié)活動范圍 （B） 隨速度變化趨勢圖 ［22］Figure 9. Trend of Ipsilateral Phase Lag for the Group Average and Ranges of Motion with Speed

高重心和中重心爬行所使用的側(cè)向序列步態(tài)模式與人類直立行走步態(tài)模式類似，但爬行更多地表現(xiàn)為同側(cè)肢體擺動期之間沒有時間間隔，更長的共同支撐時間以及四肢之間沒有共同的支撐階段（圖5）。而低重心爬行的對角線序列步態(tài)模式更加類似于非人類靈長類動物，更多地表現(xiàn)出對角線肢體的同時擺動與同時支撐，四肢之間有一定時間的共同支撐階段，這與自然直立行走的雙肢移動類似。當(dāng)然，在人類跑步時，雙肢移動會出現(xiàn)騰空階段（沒有共同支撐時間），這是特殊的步態(tài)模式，而爬行在快速的條件下（類似于直立小跑）并沒有出現(xiàn)這種情況［18］。

非靈長類哺乳動物［7］和非人類靈長類動物［20］常常在不同的運(yùn)動速度下使用不同的肢體協(xié)調(diào)模式。由此來看，對于人類來說，特別是成年人，也具有這種特點(diǎn)。在比較慢的爬行速度條件下（高重心和中重心分別為0.15 m/s，0.17 m/s），其更趨向于無肢體配對（圖5，IPL分別約為36%和41%）。這與以下事實一致：在較低速度下的運(yùn)動步態(tài)需要提供更高穩(wěn)定性，例如無肢體配對協(xié)調(diào)［10］，其中個體可能在3個肢體支撐中花費(fèi)步態(tài)周期的大部分時間。相反，低重心爬行速度更快（約為0.28 m/s），表現(xiàn)出對角線序列步態(tài)（圖5，IPL約為50%），雖然其有四肢共同支撐的節(jié)段，但占整個周期很少（約17%），在爬行過程中主要起過渡作用（與直立行走的過渡類似）。

3.3 關(guān)節(jié)活動范圍的對比分析

人類雙肢行走是從四肢移動進(jìn)化而來，但人類依然保留著四肢移動的能力，在人類幼兒無輔助直立行走前通常爬行［19］。之前的研究表明，人類能夠使用較多的步態(tài)模式完成四肢移動［18，13］，在本研究中也發(fā)現(xiàn)這種情況（高重心、中重心和低重心不同爬行模式）。相比直立行走，大多數(shù)人類爬行表現(xiàn)出更大的關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍（圖8B），這種情況通常對人類各關(guān)節(jié)肌群的伸展性提出了更高的要求，尤其是高重心爬行對人體股后肌群和肩部肌群的柔韌性影響最大。爬行速度與關(guān)節(jié)活動范圍的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，爬行速度與膝關(guān)節(jié)活動范圍呈正相關(guān)（r=0.694，P＜0.001），即膝關(guān)節(jié)活動范圍越大爬行速度越快；爬行速度與肘關(guān)節(jié)呈負(fù)相關(guān)（r=－0.531，P＜0.001），即肘關(guān)節(jié)活動范圍越大，爬行速度越慢。而爬行重心高度與關(guān)節(jié)活動范圍之間關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，重心高度越高肘關(guān)節(jié)（r=0.817，P＜0.01）和肩關(guān)節(jié)（r=0.618，P＜0.01）活動范圍越大；相反，髖關(guān)節(jié)（r=－0.668，P＜0.01）、膝關(guān)節(jié)（r=－0.940，P＜0.01）及踝關(guān)節(jié)（r=－0.260，P＜0.05）隨著重心高度的增高，活動范圍逐漸降低；肩髖夾角與重心高度之間沒有相關(guān)性（P=0.231）。

此外，人類爬行可能還受生物力學(xué)的影響。在本研究中采用的是手足爬行，目的是與四足動物比較。在人類幼兒中常常使用手膝爬行，但偶爾也會見到手腳爬行［17］。如果當(dāng)前的方案使用手膝爬行，將減少下肢的功能長度。而這個減少的功能長度可能影響肢體協(xié)調(diào)模式，但在目前的研究中這不是一個特定的問題，可以在將來的研究中解決。在本研究中，爬行時上肢比下肢短，這將導(dǎo)致上肢以更高的頻率爬行。然而，與預(yù)測相反的是，上下肢始終以1：1的頻率關(guān)系前進(jìn)，與一些動物相似（如，狐猴也有較長的下肢，但依然可以1：1的頻率關(guān)系移動）。此外，肩胛骨回縮傾向于按照四肢中前肢的長度延伸，進(jìn)而補(bǔ)償這個較低的功能范圍［6］。在人類爬行期間可能存在類似的機(jī)制，這將使肢體長度上的差異最小化。因此，雖然生物力學(xué)因素可能影響肢體運(yùn)動，但是，在肢體之間保持整數(shù)比的事實表明這種模式的神經(jīng)起源［13］。

3.4 人類爬行的神經(jīng)機(jī)制

當(dāng)前的研究顯示的上下肢擺動與支撐比和那些在跑步機(jī)上爬行期間的研究［14，18］顯示完全不同的結(jié)果可能與通過大腦皮質(zhì)發(fā)射的信號覆蓋了上肢中樞模式發(fā)生器的控制有關(guān)。在人類中，與貓相比，上肢更多的是非節(jié)奏性任務(wù)。此外，Nakajima等［15］人比較不同種類的動物顯示，手的強(qiáng)大功能和大腦皮質(zhì)運(yùn)動神經(jīng)元直接投射到手的肌肉之間的正相關(guān)，以及手的強(qiáng)大功能和脊髓固有信號傳遞之間的負(fù)相關(guān)。對于手的精細(xì)運(yùn)動，這種模式被認(rèn)為是與大腦皮層系統(tǒng)取代了脊髓系統(tǒng)有關(guān)。因此，人類上肢這種強(qiáng)烈的大腦皮層影響可能有助于在增加上肢關(guān)節(jié)角度的同時增加擺動期。

或者說，對于上肢在人類中以不同擺動和支撐比爬行的另一解釋，可能是由于人類脊髓固有神經(jīng)元的上升和下降的比例不同。在人類中，CPGs回路的主要軌跡是腰骶段擴(kuò)大，并且，頸段和腰骶段CPGs的耦合可以依賴于脊髓神經(jīng)連接的強(qiáng)度。事實上，人類中的頸段和腰骶段擴(kuò)大似乎是通過長的脊髓神經(jīng)元跨過幾個脊髓階段投射到不同的α運(yùn)動神經(jīng)元池進(jìn)行的連接［8］。此外，反射研究表明，在有節(jié)律活動期間，刺激上肢神經(jīng)可以影響下肢肌肉激活，反之亦然［16，22］。有趣的是，當(dāng)受試者站立或坐著時，Dietz等［5］人在脛骨神經(jīng)刺激期間觀察到小的或缺乏上肢反射反應(yīng)，提示此類反應(yīng)的任務(wù)依賴性。相比之下，對孤立的新生大鼠脊髓的體外研究表明，腰段CPGs對頸段CPGs產(chǎn)生了更大的影響［11］。然而，這些體外研究和本研究中提出的建議之間的結(jié)論差異可能是由于研究的準(zhǔn)備、實施或任務(wù)依賴。根據(jù)本研究的發(fā)現(xiàn)，推測這些上升的脊髓固有連接的強(qiáng)度可能在人類中較弱，并且最終允許大腦皮層信號對上下肢的擺動支撐比產(chǎn)生影響。

3.5 研究局限性及展望

1）本研究雖然進(jìn)行了爬行學(xué)習(xí)，但測試的受試者皆屬于爬行初學(xué)者，對于長期堅持爬行的人，可能會表現(xiàn)出一定的差異，因此，本研究應(yīng)該被理解為相對新手爬行的結(jié)果。2）本研究的生物力學(xué)研究還缺少動力學(xué)設(shè)備的測試，這對理解爬行時重心變化，肢體和關(guān)節(jié)承受力的情況產(chǎn)生影響，以及由于場地設(shè)備限制，缺少受試者爬行速度的控制，也造成不能較為嚴(yán)謹(jǐn)、全面描述運(yùn)動模式的改變。3）本研究所測試的對象為成年健康男性，那么，對于嬰幼兒、女性爬行或肢體功能障礙患者或其他人群的爬行，本研究的結(jié)果可能并不完全適用。

因此，考慮到以上因素，在未來的爬行研究中，應(yīng)對長期堅持爬行的人和不同健康程度、性別、年齡人群的爬行進(jìn)行研究，并加入動力學(xué)測試設(shè)備，及加入跑步機(jī)等設(shè)備控制爬行速度，更加科學(xué)、清晰、全面的理解人類爬行時的生物力學(xué)變化。

4 結(jié)論

人類爬行時，重心越高步態(tài)模式越趨向于無肢體配對模式，即3點(diǎn)交替支撐模式；反之，越趨向于對角線步態(tài)模式，即2點(diǎn)交替支撐步態(tài)模式，表明在一定范圍內(nèi)，重心越高支撐面越小，穩(wěn)定性差，需要更多的肢體支撐保持穩(wěn)定。

相比直立行走，大多數(shù)人類爬行表現(xiàn)出更大的關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍，且隨著爬行時重心高度降低，肩、肘關(guān)節(jié)活動范圍逐漸減小，髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動范圍逐漸增大，表明重心越低，越需要肩、肘關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性及髖、膝、踝關(guān)節(jié)的靈活性；反之，則需要肩、肘關(guān)節(jié)的靈活性和髖、膝、踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。

人類爬行時，上肢主要起緩沖和減速身體的作用，下肢起推進(jìn)身體前進(jìn)的作用，且隨著重心高度降低，下肢著地角逐漸減小，表明重心越低，下肢水平向前的推進(jìn)力越大。

本研究結(jié)果可能會對臨床應(yīng)用和仿生機(jī)器人的構(gòu)建起到作用，當(dāng)需要增加難度時，增加重心高度；反之，則降低重心高度。

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Kinematical Analysis of Adult Crawling with Different Heights of Gravity Center

MENG Huan-huan1，ZHOU Zhe-xiao2，BAI Rui1，TIAN Zhong-ming1，ZHAO Huan-bin1

Human，other primates and non-primate quadrupeds share common kinematic characteristics of limb coordination，which has been proven that they have a similar central pattern generators （CPGs）.Objective：Based on previous studies，we found and compared the kinematic characteristics of the movement among crawling human，erectly walking human and moving quadrupeds by studying handand-foot crawling of 8 healthy male adults with different heights of gravity center（～0.65m，～0.55m and ～0.45m，respectively）. Methods：In this study，kinematic data of limbs and torso were synchronously collected from 8 healthy adult subjects through a three-dimensional dynamic capture devices equipped with 8 IR capture lenses. All subjects were involved in a 9-weeks reptile study and testing（every 3 weeks to learn and test a crawling method）. All tests were performed after the subjects were familiar with the crawl，and the data were collected for upright walking after three kinds of crawling tests. The selected kinematic parameters mainly include ipsilateral phase lag and range of joint motion. Results and Conclusion：Compared to other studies，this research crawling slower；the subjects showed a larger range of kinematic coordination modes（diagonal pattern and lateral sequence pattern） and a greater range of motion of the major joints，compared with the typical kinematic characteristics of upright walking，And the shoulder joint and elbow joint activities gradually decreases，the hip，knee and ankle motion range increased gradually with the crawling center of gravity height reduced. It showed that in a certain range, the higher the center of gravity, the smaller the bearing surface, poor stability，which need more limb support stability. The body center of gravity is lower，the more you have to the stability of the shoulder, elbow,and the fl exibility of the hip，knee and ankle;on the contrary，body will need to shoulder, elbow joint fl exibility and stability of the hip，knee，ankle.

crawling；center of gravity；kinematic characteristics；range of motion

G804.6

A

1000-677X（2017）11-0030-10

10. 16469/j. css. 201711004

2016-12-21；

2017-10-23

國防科技項目（17-163-12-ZT-002-124-01）。

孟歡歡，男，在讀碩士研究生，主要研究方向為運(yùn)動生物力學(xué)和大眾健康，E-mail：mhyyse@126.com；周喆嘯，男，講師，博士，主要研究方向為身體功能性訓(xùn)練和兒童動作發(fā)展，E-mail：zhouzhexiao@126.com；趙煥彬，男，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向為運(yùn)動生物力學(xué)和運(yùn)動訓(xùn)練學(xué)，Tel：（0311）8078779，E-mail：huanbinzhao@126.com。

1. 河北師范大學(xué) 體育學(xué)院，河北 石家莊 050024；2.寧波大學(xué) 體育學(xué)院，浙江 寧波 315211

1. Hebei Normal University，Shijiazhuang 050024，China；2.Ningbo University，Ningbo 315211，China.