基于膝關(guān)節(jié)支撐的人體坐立轉(zhuǎn)換運動軌跡研究

張輝，薛強，王興濤

1.天津市輕工與食品工程機械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津市 300222；2.山東勞動職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造系，山東濟南市250300

坐立轉(zhuǎn)換(sit to stand,STS)被認(rèn)為是日常生活中最常見的功能活動，它是站立行走的必要前提[1]。Dall等[2]的研究指出，健康的成年人平均每天進(jìn)行(60±22)次坐立轉(zhuǎn)換動作[3]。站立是一項復(fù)雜的任務(wù)，其特征是從一個穩(wěn)定的姿勢轉(zhuǎn)移到另一個穩(wěn)定的姿勢，即從坐姿到站姿的位姿變換，在這個過程中除了腳以外，身體的每個部位都要運動[4]。從坐到站的轉(zhuǎn)換過程需要身體各部分的協(xié)調(diào)運動，這有助于維持軀干重心(centre of gravity,COG)的平穩(wěn)，使身體在坐立轉(zhuǎn)換期間不失去平衡[5]。

日常的坐立轉(zhuǎn)換過程，健康人群無需太費力就可以做到，但老年人或下肢功能障礙患者很難順利完成[6-7]。近年來，隨著我國老齡化問題的加劇，腦卒中、脊椎損傷等疾病引起的下肢功能障礙患者急劇增加[8-10]。對于老年人或下肢功能性障礙患者，在沒有照護(hù)人員的幫助時，很難獨立完成坐立轉(zhuǎn)換以及行走訓(xùn)練，這使得他們的生活自理能力降低，給患者和家庭造成沉重的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)和心理負(fù)擔(dān)[11]。

坐立轉(zhuǎn)換的順利完成受多種因素的影響，主要包括年齡、體質(zhì)量、座椅高度、外部輔助、腳部位置等[12-14]。Gilleard 等[15]的研究顯示，對于肥胖人群，坐立轉(zhuǎn)換過程中軀干前屈運動受限，坐位時，較多的脂肪組織堆積在大腿上，大腿前側(cè)和腹部的脂肪組織重疊在一起會限制身體的前屈，向前穩(wěn)定性降低。肥胖者在坐立轉(zhuǎn)換時，足間距離相對更寬，隨著體質(zhì)量指數(shù)(body mass index,BMI)增加，足間距離也隨之增加，更寬的足間距離可以減少骨盆對前傾的阻礙[16]。Jeon等[17]的研究顯示，坐立轉(zhuǎn)換與腳的初始位置有關(guān)，雙腳足位對稱時，如初始足位更靠前(膝關(guān)節(jié)夾角更大)，需要身體質(zhì)心前進(jìn)速度更快，這可能導(dǎo)致身體搖擺，平衡不穩(wěn)定。Turcot 等[18]的研究顯示，足外展角影響人坐立轉(zhuǎn)換過程的時間參數(shù)和膝關(guān)節(jié)屈曲力矩；隨著足外展角的增加，坐立轉(zhuǎn)換時間隨之增加；關(guān)節(jié)病患者可通過調(diào)整足外展角度，改變運動學(xué)參數(shù)，降低繼發(fā)性關(guān)節(jié)病的風(fēng)險。

在國內(nèi)外關(guān)于腳部位置研究中，基于膝關(guān)節(jié)支撐的足間距離的研究相對較少。日常坐立轉(zhuǎn)換過程都是在膝關(guān)節(jié)或腿部在沒有任何支撐的情況下進(jìn)行；但是對于老年人及患者來說，在膝關(guān)節(jié)或腿部給予一定的支撐可以減少坐立轉(zhuǎn)換的困難。

本文基于膝關(guān)節(jié)支撐研究人體坐立轉(zhuǎn)換軌跡及運動學(xué)規(guī)律，為接下來設(shè)計具有膝關(guān)節(jié)支撐的轉(zhuǎn)移助行輔具提供依據(jù)，并針對不同老年人及患者制定不同的康復(fù)訓(xùn)練方案，以減輕看護(hù)人員的壓力。

1 對象與方法

1.1 對象

2019 年4 月至6 月，在天津科技大學(xué)招募20 例健康志愿者進(jìn)行試驗，其中男性12 例，女性8 例，共分三組進(jìn)行試驗。第一組身高165～172 cm 男性6 例，平均體質(zhì)量65.4 kg；第二組身高173～178cm 男性6 例，平均體質(zhì)量68.5 kg；第三組身高160～170 cm 女性8例，平均體質(zhì)量51.3 kg。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①無認(rèn)知障礙，可配合完成測試；②無既往病史或影響身體運動的后遺癥；③無平衡功能障礙。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①下肢功能性障礙；②髖關(guān)節(jié)屈曲或外展畸形；③有偏癱、關(guān)節(jié)炎等。

所有受試者均預(yù)先了解試驗過程和目的，并簽署知情同意書。本研究已通過天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院的倫理審查。

1.2 研究假設(shè)

為了明確坐立轉(zhuǎn)換評估的步驟，我們提出了以下幾點假設(shè)：①所有的試驗主要在矢狀面進(jìn)行；②手臂被要求交叉放在胸前，不直接參與運動，假定為固定在軀干上，不考慮手臂運動對站立的影響；③受試者被要求穿長褲或短褲，女性受試者不允許穿裙子，上身穿較貼身T 恤，不穿寬松外套，以減小試驗誤差；④膝關(guān)節(jié)處設(shè)置擋腿板，根據(jù)每個受試者坐姿位置不同，調(diào)節(jié)擋腿板位置并固定，保證與膝關(guān)節(jié)接觸舒適，不考慮擋腿板移動以及接觸面積的大小所帶來的誤差。

此外，在受試者身體一側(cè)的肩部(腋窩處)、膝關(guān)節(jié)側(cè)面用綁帶固定標(biāo)記點，踝關(guān)節(jié)正下方的鞋側(cè)面貼固定點作為坐標(biāo)原點用以建立Y-Z 平面坐標(biāo)系(Y 表示在矢狀面的水平運動，Z 表示在矢狀面的垂直運動)，并在座椅上貼兩個固定點，用于校準(zhǔn)，如圖1 左圖所示。

1.3 試驗方法

試驗開始時要求受試者坐在一個無扶手、高度為43 cm 的座椅上，且不倚靠椅背，上身挺直，雙腳平放地面，膝關(guān)節(jié)與擋腿板間的初始角度不做約束，以自然的姿態(tài)完成坐立轉(zhuǎn)換運動即可。在試驗過程中，運動速度盡可能保持勻速。如圖1 右圖所示，在膝關(guān)節(jié)支撐的前提下分別進(jìn)行足間距離為20 cm 和足間距離為30 cm 的坐立轉(zhuǎn)換試驗。采用高清相機記錄試驗過程中受試者肩部(腋窩處)和膝關(guān)節(jié)處的運動軌跡。每個試驗重復(fù)兩次，間隔1 min。

從坐到站共分為三個階段，如圖2所示。

階段Ⅰ(Phase Ⅰ)：軀干前屈階段，從最初坐位到軀干前屈至最大值，臀部即將離開座位。

階段Ⅱ(Phase Ⅱ)：重量轉(zhuǎn)移階段，臀部離開座位，重量支撐點從臀部轉(zhuǎn)移到腿部，身體上升前傾到最大值。

階段Ⅲ(Phase Ⅲ)：腿部伸展階段，腿部伸直達(dá)到站立姿態(tài)。

圖1 坐立轉(zhuǎn)換試驗

圖2 坐立轉(zhuǎn)換三階段

2 結(jié)果

2.1 身高

坐立轉(zhuǎn)換軌跡見圖3。第一組足間距離20 cm 時比30 cm 時lift-off 點提前，且身體前傾距離更小。見圖4。第二組足間距離30 cm 時比20 cm 時lift-off 點提前，且身體前傾距離更小。見圖5。第三組與第一組基本一致。見圖6。

圖3 坐立轉(zhuǎn)換軌跡

2.2 體質(zhì)量

選取第一組和第二組受試者，根據(jù)BMI分為正常者(18.5～23.9 kg/m2)和肥胖者(＞23.9 kg/m2)。正常者足間距離20 cm 時比30 cm 時身體前傾距離?。环逝终咦汩g距離30 cm 時比20 cm 時身體前傾距離小。見圖7。

2.3 運動學(xué)參數(shù)變化分析

將肩部標(biāo)記點在Y軸上的坐標(biāo)設(shè)為Xt(圖8)，對比足間距離為20 cm 和30 cm 時，各組初始位置(Time 1)、軀干前屈最大位置(Time 2)、身體前傾最大位置(Time 3)、完全站立(Time 4)四個時刻的Xt值(圖9)。計算相鄰兩個時刻的Xt差值。

第一組和第三組各階段足間距離20 cm 時Xt差值更小；第二組各階段足間距離30 cm 時Xt差值更小。見表1。

第一組和第三組足間距離20 cm 時坐立轉(zhuǎn)換所用時間略短；第二組足間距離30 cm 時坐立轉(zhuǎn)換所用時間略短。肥胖者(BMI＞23.9 kg/m2)坐立轉(zhuǎn)換時間略長。見表2。女性坐立轉(zhuǎn)換時間略長于男性。所有受試者坐立轉(zhuǎn)換平均時間(1.7±0.05)s。

3 討論

從坐到站是日常生活中必不可少的功能活動，它是恢復(fù)行走能力的重要前提。坐立轉(zhuǎn)換運動是提高下肢力量，尤其是膝關(guān)節(jié)伸肌(股四頭肌)力量最有效的阻力訓(xùn)練方式之一。膝關(guān)節(jié)伸肌力量在50歲以后每年以2%～4%的速度下降[19]。在膝關(guān)節(jié)處給予一定的支撐可以提高站立輔助效果，幫助老年人或下肢功能障礙患者以較舒適的方式進(jìn)行坐立轉(zhuǎn)換。

圖4 第一組肩部和膝關(guān)節(jié)平均值軌跡圖

圖5 第二組肩部和膝關(guān)節(jié)平均值軌跡圖

圖6 第三組肩部和膝關(guān)節(jié)平均值軌跡圖

圖7 不同BMI受試者的坐立轉(zhuǎn)換肩部軌跡

圖8 Xt值示意圖

圖9 坐立轉(zhuǎn)換各階段Xt差值圖

表1 各組各階段足間距離Xt差值比較(mm)

表2 各組坐立轉(zhuǎn)換時間參數(shù)(s)

分析坐立轉(zhuǎn)換的運動軌跡時，需要考慮性別、身高和體質(zhì)量對軌跡的影響。lift-off 點的位置和身體前傾值是判斷站立難度的指標(biāo)。本研究顯示，足間距離影響受試者的運動軌跡；隨著身高的增加，增大足間距離可以使人的站立更加容易。隨著身高的增加，小腿和大腿隨之增長，這會影響坐立轉(zhuǎn)換過程中關(guān)節(jié)的伸展方式；同時髖關(guān)節(jié)伸肌在上升前較早啟動(階段Ⅱ)以減慢身體質(zhì)心的前進(jìn)速度，減少站立后姿勢搖擺[20]。BMI越大的人傾向于選擇更大的足間距離，且軀干前屈位移縮短，這說明隨著BMI的增加，增大足間距離會降低站立過程的難度。肥胖是減少軀干前屈幅度的因素[21]，這是由于脂肪組織限制各關(guān)節(jié)的屈曲程度，并導(dǎo)致脊柱負(fù)荷較高，所以肥胖者傾向于減少軀干前屈來降低脊柱負(fù)荷[22]。本研究結(jié)果與Gilleard等[15]的研究基本一致。

本研究將坐立轉(zhuǎn)換運動分三個階段，即軀干前屈、重量轉(zhuǎn)移、腿部伸展至完全站立。通過對坐立轉(zhuǎn)換運動學(xué)規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，對于不同身高、體質(zhì)量人群，相對更適合的足間距離在這三個階段Xt差值會更小，表明身體前傾距離會更小。同樣，根據(jù)坐立轉(zhuǎn)換平均時間參數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，隨著身高、BMI的增加，站立時間有所增加。Pataky 等[23]的研究表明，坐立轉(zhuǎn)換時間會隨著BMI的增加而持續(xù)增加，直到達(dá)到重度肥胖時，坐立轉(zhuǎn)換時間差異才會變小。本研究發(fā)現(xiàn)，男性站立時間一般小于女性，這是由于男性的肌肉力量較女性強，運動速度快，站立時間相對較短。

總之，本研究表明，足間距離明顯影響坐立轉(zhuǎn)換的順利完成，身高、體質(zhì)量是重要影響因素。不同足間距離影響關(guān)節(jié)的伸展方式以及軀干前屈的位移和身體前傾的距離；隨著身高和體質(zhì)量的增加，適當(dāng)增大足間距離能夠降低人在坐立轉(zhuǎn)換時的難度。本研究結(jié)果可以為具有膝關(guān)節(jié)支撐的轉(zhuǎn)移助行輔具設(shè)計提供依據(jù)，為不同身高、不同體質(zhì)量的人群提供定制方案，并且針對不同老年人及患者制定不同的康復(fù)訓(xùn)練方案，以減輕看護(hù)人員的壓力。

綜上所述，本研究以膝關(guān)節(jié)支撐為前提，進(jìn)行不同足間距離對坐立轉(zhuǎn)換影響的研究。不同足間距離影響關(guān)節(jié)的伸展方式，影響坐立轉(zhuǎn)換的難度。對于身高165～172 cm 的男性和身高160～170 cm 的女性，當(dāng)足間距離為20 cm 時身體前傾距離較小，坐立轉(zhuǎn)換難度相對較?。粚τ谏砀?73～178 cm的男性，當(dāng)足間距離為30 cm 時身體前傾距離較小，坐立轉(zhuǎn)換難度相對較小。對于BMI＜23.9 kg/m2的正常者，當(dāng)足間距離為20 cm 時軀干前屈位移較小，坐立轉(zhuǎn)換難度相對較??；對于BMI＞23.9 kg/m2的較肥胖者，當(dāng)足間距離為30 cm 時軀干前屈位移較小，坐立轉(zhuǎn)換難度相對較小。隨著BMI的增加，足間距離會隨之增大，坐立轉(zhuǎn)換時間也隨之增加。女性坐立轉(zhuǎn)換時間略高于男性。