步態(tài)的階段性特征分析
——基于V3D軟件

馮雷 錢競(jìng)光* 徐南南

(1.南京體育學(xué)院 江蘇南京 210014;2.欣荷康復(fù) 江蘇南京 210014)

國內(nèi)外許多關(guān)于步態(tài)的模擬研究已經(jīng)與人類真實(shí)的步態(tài)十分接近[1,2]，如正常步態(tài)模型[3,6]、步態(tài)識(shí)別[7]以及步態(tài)模擬和預(yù)測(cè)[8-12]。而該文聚焦于步態(tài)模型的進(jìn)一步細(xì)化研究。關(guān)于正常步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)研究如表1所示[13,14]。年齡[15]、體型[16]、力量[17]及意識(shí)[18，19]的不同，步態(tài)將會(huì)表現(xiàn)出一定的差異：隨著年齡的增加，步速和步長均下降，踝與膝的關(guān)節(jié)角度減小，髖關(guān)節(jié)角度增加（身體的本體感覺和肌肉力量的下降，通過髖關(guān)節(jié)角度增加來代償踝、膝關(guān)節(jié)角度的減?。ㄒ姳?）。在不同行走速度[20,21]下，矢狀面內(nèi)髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的變化較大，膝關(guān)節(jié)的變化較小。此外，在測(cè)試的過程中，身高、體重、年齡、體形以及意識(shí)等是重要的影響因素，在測(cè)試的過程中應(yīng)盡可能規(guī)避這些影響因素。正常行走[22-26]時(shí)髖關(guān)節(jié)的動(dòng)作對(duì)稱且有節(jié)奏，耗能低，重心左右移動(dòng)4.0～4.5cm。正常步行過程中髖關(guān)節(jié)最大受力約2.5倍體重（BW）。不同步態(tài)階段中關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和受力變化范圍以及其意義，有待進(jìn)一步的細(xì)化研究。

表1 不同年齡段步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x

該研究的目的是定量分析青年男性在步態(tài)中，下肢關(guān)節(jié)在步態(tài)不同階段的運(yùn)動(dòng)和受力特點(diǎn)，從數(shù)據(jù)的層面分析步態(tài)中力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。該文將有助于進(jìn)一步了解人體在行走過程中下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，為日后步態(tài)分析的簡(jiǎn)化和智能化提供幫助，助力康復(fù)評(píng)估和訓(xùn)練的便捷化。

2 研究方法

該研究分為4個(gè)階段。第一階段通過查閱文獻(xiàn)資料，了解當(dāng)前步態(tài)研究現(xiàn)狀。第二階段通過Vicon2.3紅外三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（12個(gè)攝像頭，3個(gè)ATIM測(cè)力臺(tái)）捕捉15名青年男性的正常步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。第三階段通過V-3D建立骨骼剛體模型，獲取相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。第四階段采用VB和V3D等軟件將數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化和歸一化，結(jié)合前人的相關(guān)理論，將步態(tài)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和階段化分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 踝關(guān)節(jié)不同階段的運(yùn)動(dòng)和受力特點(diǎn)

在步態(tài)過程中，踝關(guān)節(jié)存在一種被動(dòng)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，支撐階段3個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)變化模式是固定的：伸展-外展-外旋和屈曲-內(nèi)收-內(nèi)旋（見圖1）。這源于其特殊的距上關(guān)節(jié)、距下關(guān)節(jié)以及復(fù)雜的足部關(guān)節(jié)，保證步態(tài)過程中落地、支撐和蹬離的穩(wěn)定同時(shí)，又具有相對(duì)的靈活性，更加高效地傳遞地面與身體之間的壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力。另外，在擺動(dòng)末期踝關(guān)節(jié)存在一種主動(dòng)聯(lián)動(dòng)機(jī)制：屈曲-內(nèi)收-內(nèi)旋，然后伸展-外展-外旋。踝關(guān)節(jié)的這種落地前的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，與腓骨長短肌的提前激活有關(guān)。這是一種預(yù)防落地階段足內(nèi)翻損傷的一種運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)制。

圖1 踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和受力曲線圖

單足支撐階段（見圖1）對(duì)踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定和靈活要求高（Y和Z軸上的運(yùn)動(dòng)變化最大，且踝關(guān)節(jié)力矩變化最大）。蹬伸離地階段踝關(guān)節(jié)力矩做正功推動(dòng)身體前進(jìn)，該階段肌肉的對(duì)Y和Z軸控制能力要求高（力矩均由負(fù)功轉(zhuǎn)正功）。

落地階段：在X軸踝關(guān)節(jié)力矩極差0.22N·m/kg，背屈力矩作用先做負(fù)功再做正功，產(chǎn)生背伸-背屈（6.5°）；在Y軸力矩極差0.05N·m/kg，內(nèi)收力矩作用做負(fù)功，主要做外展（3°）；在Z軸力矩極差0.02N·m/kg，外旋力矩作用做正功，做外旋（7.4°）。單足支撐階段：在X軸踝關(guān)節(jié)受到背伸力矩（1.43N·m/kg）作用主要做負(fù)功，主要產(chǎn)生背屈（早中期）（15.9°）；在Y軸受到內(nèi)收-外展力矩（0.15N·m/kg）主要做負(fù)功，產(chǎn)生外展運(yùn)動(dòng)（5°）；在Z軸受到外旋力矩（0.15N·m/kg）做負(fù)功，產(chǎn)生內(nèi)旋運(yùn)動(dòng)（9.9°）。

蹬伸離地階段：在X軸踝關(guān)節(jié)受到背伸力矩（1.19N·m/kg）做正功，產(chǎn)生背伸運(yùn)動(dòng)（21.5°）；在Y軸受到外展力矩（0.09N·m/kg）先做負(fù)功隨后做正功，發(fā)生內(nèi)收-外展（1.4°）；在Z軸受到外旋力矩（0.11N·m/kg）先做負(fù)功再做正功，發(fā)生內(nèi)旋-外旋（3°）。

擺動(dòng)初期：在X軸踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生背伸-背屈（18.2°）；在Y軸產(chǎn)生外展-內(nèi)收（2.2°）；在Z軸產(chǎn)生外旋-內(nèi)旋-外旋（4.2°）。

擺動(dòng)中期：在X軸踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生背伸（1.6°）；在Y軸產(chǎn)生內(nèi)收（1.6°）；在Z軸產(chǎn)生外旋-內(nèi)旋（1.4°）。

擺動(dòng)末期：在X軸踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生背屈-背伸（3.6°）；在Y軸產(chǎn)生內(nèi)收-外展（2.4°）；在Z軸產(chǎn)生內(nèi)旋-外旋（1.7°）。

3.2 膝關(guān)節(jié)不同階段的運(yùn)動(dòng)和受力特點(diǎn)

膝關(guān)節(jié)位于髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)之間，由圖2運(yùn)動(dòng)曲線發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)在步態(tài)周期中始終處于屈曲狀態(tài)，很少出現(xiàn)伸展?fàn)顟B(tài)。這是因?yàn)楣晒莾?nèi)外側(cè)髁和脛骨的髁間隆起相互交錯(cuò)，在一定的程度上限制膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。從步態(tài)的角度來看，這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)于行走并沒有益處，也不利于膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。頻繁的解鎖和上鎖會(huì)消耗過多的能量同時(shí)也增加了關(guān)節(jié)的摩擦。此外，膝關(guān)節(jié)在接近伸直的狀態(tài)時(shí)所受到的力矩最大，這也是膝關(guān)節(jié)自我保護(hù)的一種有效機(jī)制。這種狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)既能夠保持自身的穩(wěn)定，同時(shí)也有利于力量的傳遞。還有，在支撐階段末期，膝關(guān)節(jié)開始屈曲，這對(duì)于維持身體重心的穩(wěn)定有積極的作用，同時(shí)也說明在步態(tài)周期中膝關(guān)節(jié)的作用是維持身體重心的穩(wěn)定，并不參與下肢的蹬伸離地。

圖2 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和受力曲線圖

落地階段：在X軸膝關(guān)節(jié)主要受到屈曲-伸展力矩（0.89N·m/kg）先做正功后做負(fù)功，產(chǎn)生屈曲運(yùn)動(dòng)（14.3°）；在Y軸膝受到內(nèi)收-外展力矩（0.51N·m/kg）先做正功后做負(fù)功，產(chǎn)生內(nèi)收（1.9°）；在Z軸受到外旋-內(nèi)旋力矩（0.15N·m/kg）先做負(fù)功后做正功，產(chǎn)生內(nèi)旋（9.4°）。

單足支撐階段：在X軸膝關(guān)節(jié)受到伸展-屈曲-伸展力矩（0.79N·m/kg）先做正功后做負(fù)功，產(chǎn)生伸展-屈曲運(yùn)動(dòng)（12.7°）；在Y軸受到外展力矩（0.27N·m/kg）做正功，產(chǎn)生外展運(yùn)動(dòng)（5.3°）；在Z軸受到內(nèi)旋-外旋力矩(0.22N·m/kg)先做正功后做負(fù)功，發(fā)生外旋-內(nèi)旋-外旋運(yùn)動(dòng)（7.7°）。

蹬伸離地階段：在X 軸膝關(guān)節(jié)受到伸展力矩（0.35N·m/kg）做負(fù)功，產(chǎn)生屈曲（32.1°）；在Y軸受到外展-內(nèi)收力矩（0.24）做正功，產(chǎn)生外展-內(nèi)收（0.7°）；在Z軸受到外旋力矩（0.03N·m/kg）做正功，產(chǎn)生外旋（4.9°）。

擺動(dòng)初期：在X軸膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生屈曲-伸展（15.1°）；在Y軸產(chǎn)生內(nèi)收（12.5°）；在Z軸產(chǎn)生外旋（5.4°）。

擺動(dòng)中期：在X軸膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生伸展（31°）；在Y軸產(chǎn)生外展（5.4°）；在Z軸產(chǎn)生外旋（4.7°）。

擺動(dòng)末期：在X軸膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生伸展-屈曲（21.2°）；在Y軸產(chǎn)生外展-內(nèi)收（4.4°）；在Z軸產(chǎn)生外旋-內(nèi)旋（0.9°）。

總之，落地階段更容易出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)扭傷，因此要求膝關(guān)節(jié)具有較好的控制能力。在該階段膝關(guān)節(jié)屈曲，并未參與蹬伸。因此，膝關(guān)節(jié)在正常的步態(tài)中并沒有參與蹬伸離地。擺動(dòng)初期膝關(guān)節(jié)處于外旋位發(fā)生外旋同時(shí)由較大的屈曲狀態(tài)并開始伸展，該階段，膝關(guān)節(jié)發(fā)生外側(cè)副韌帶損傷和半月板卡壓的狀態(tài)更容易發(fā)生。

3.3 髖關(guān)節(jié)不同階段的運(yùn)動(dòng)和受力特點(diǎn)

由圖3運(yùn)動(dòng)曲線發(fā)現(xiàn)：髖關(guān)節(jié)出現(xiàn)一次較大的運(yùn)動(dòng)拐點(diǎn)位于落地階段末期，此時(shí)髖關(guān)節(jié)開始為蹬伸離地做準(zhǔn)備。此時(shí)整個(gè)下肢的質(zhì)心位于髖關(guān)節(jié)的后方，有助于重力做功；同時(shí)髖關(guān)節(jié)處于伸展?fàn)顟B(tài)，其前方的肌肉處于拉長的狀態(tài)，有利于能量的儲(chǔ)存；髖關(guān)節(jié)在矢狀面和水平面的聯(lián)動(dòng)明顯（伸展-外旋和屈曲-內(nèi)旋），步態(tài)過程中髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)功能對(duì)于步態(tài)有較大的影響，一側(cè)下肢擺動(dòng)的同時(shí)，另一側(cè)的支撐腿需要依靠髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)來抵消一部分的旋轉(zhuǎn)力矩，從一定程度上幫助膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定，避免出現(xiàn)較大范圍的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；此外，髖關(guān)節(jié)在額狀面的運(yùn)動(dòng)范圍明顯小于其他2個(gè)平面，這與髖關(guān)節(jié)特殊的解剖結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的肌肉力量有較大的關(guān)系，額狀面上髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍減小，能夠有效反映人體步態(tài)的穩(wěn)定性。

圖3 髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和受力曲線圖

落地階段：在X軸髖關(guān)節(jié)受到伸展力矩（0.67N·m/kg）做正功，產(chǎn)生伸展運(yùn)動(dòng)（1.7°）；在Y軸受到內(nèi)收-外展力矩（0.69N·m/kg）先做正功后做負(fù)功，主要產(chǎn)生內(nèi)收運(yùn)動(dòng)（3.4°）；在Z軸受到外旋力矩（0.25N·m/kg）做正功，產(chǎn)生外旋（0.5°）。

單足支撐階段：在X軸髖關(guān)節(jié)受到伸展-屈曲力矩（1.25N·m/kg）先做正功后做負(fù)功，產(chǎn)生伸展-屈曲（36.3°）；在Y軸受到外展力矩（0.33N·m/kg）做正功，控制外展（1.1°）；在Z軸受到外旋-內(nèi)旋力矩（0.31N·m/kg）先做正功后做負(fù)功，產(chǎn)生外旋運(yùn)動(dòng)（15°）。

蹬伸離地階段：在X 軸髖關(guān)節(jié)受到屈曲力矩（0.43N·m/kg）做正功，產(chǎn)生屈曲（10.5°）；在Y軸受到外展-內(nèi)收力矩（0.47N·m/kg）做正功隨后負(fù)功，產(chǎn)生外展（5.6°）；在Z軸受到內(nèi)旋力矩（0.04N·m/kg）做正功，產(chǎn)生內(nèi)旋（1.3°）。

擺動(dòng)初期：在X軸髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生屈曲（29.5°）；在Y軸產(chǎn)生外展-內(nèi)收（3.2°）；在Z軸產(chǎn)生內(nèi)旋（15.1°）。

擺動(dòng)中期：在X軸髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生屈曲-伸展（2.1°）；在Y軸產(chǎn)生內(nèi)收-外展（0.4°）；在Z軸產(chǎn)生內(nèi)旋-外旋（1°）。

擺動(dòng)末期：在X軸髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生伸展（6.1°）；在Y軸產(chǎn)生外展-內(nèi)收（0.5°）；在Z軸產(chǎn)生內(nèi)旋（1.4°）。

總體來講，在落地階段和單足支撐階段早期髖關(guān)節(jié)力矩做正功控制關(guān)節(jié)的落地穩(wěn)定；髖關(guān)節(jié)最大力矩出現(xiàn)在支撐階段末期，此時(shí)髖關(guān)節(jié)處于伸展位，控制髖關(guān)節(jié)的伸展；有助于蹬伸離地階段，髖關(guān)節(jié)力矩做正功驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)向前運(yùn)動(dòng)。

5 研究結(jié)論

步態(tài)中，髖膝踝關(guān)節(jié)間存在聯(lián)動(dòng)機(jī)制，這種聯(lián)動(dòng)既有利于重心的平穩(wěn)移動(dòng)，也有利于足部廓清，使步態(tài)更加經(jīng)濟(jì)高效。

步態(tài)中，膝關(guān)節(jié)并沒有承擔(dān)推動(dòng)身體向前的主要任務(wù)，膝關(guān)節(jié)更多的是負(fù)責(zé)落地的緩沖和下肢的擺動(dòng)廓清。

從矢狀面來看步態(tài)，髖關(guān)節(jié)是步行的發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)身體前進(jìn)；膝關(guān)節(jié)是步態(tài)的穩(wěn)定器，穩(wěn)定重心的平穩(wěn)移動(dòng)；踝關(guān)節(jié)是步行的助推器，強(qiáng)大的跟腱可以不斷地儲(chǔ)存和釋放能量。

從額狀面和水平面來看步態(tài)，髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)（15°）在單足支撐階段對(duì)于維持身體的穩(wěn)定具有重要作用，同時(shí)也可能會(huì)影響膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定。

6 展望

盡管該研究分析了步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和部分力學(xué)變化，但是并未理清步態(tài)中力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，希望在后面的研究中，更加深入地探究步態(tài)，以期化繁為簡(jiǎn)。