基于GRF的步態(tài)分析簡化理論初步探索

馮雷 錢競光* 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)

步行的機械能是通過消耗化學(xué)能轉(zhuǎn)化而來的，從而產(chǎn)生力量，推動人體移動。步行是人體基本能力。而步態(tài)分析已經(jīng)成為運動損傷康復(fù)和神經(jīng)性疾病康復(fù)的重要評估方法［1-8］。在康復(fù)醫(yī)院和康復(fù)機構(gòu)中，由于步態(tài)分析設(shè)備和儀器的復(fù)雜性，絕大多數(shù)的康復(fù)治療師在對病人進行步態(tài)評估的過程中，仍舊依靠視覺和手動記錄等［9-13］。國內(nèi)外對于步態(tài)運動學(xué)［14-20］與力學(xué)數(shù)據(jù)［21-26］的研究無不需要精密的儀器、復(fù)雜的操作步驟以及大量的數(shù)學(xué)計算；但復(fù)雜的實驗過程并不適用于繁忙的康復(fù)訓(xùn)練和評估。筆者認為理清GRF與步態(tài)時空參數(shù)間的關(guān)系，既有助于簡化步態(tài)分析的復(fù)雜過程，還能夠提供簡潔明了的力學(xué)數(shù)據(jù)。建立力學(xué)和具體動作之間的關(guān)系，有助于形成一個完整的分析系統(tǒng)。分析步態(tài)中力的細微變化，既可以簡化步態(tài)分析，便于操作，又可以預(yù)測步態(tài)中存在的損傷風(fēng)險，及時地進行預(yù)康復(fù)。因為力的改變要早于運動的改變，等到身體運動發(fā)生變化時，人體損傷的風(fēng)險將會更大。

1 實驗?zāi)康?、意義以及方法

1.1 實驗?zāi)康摹⒁饬x

步行的力量是通過化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能得到的，從而推動人體移動。該文旨在探究步態(tài)時空參數(shù)與垂直軸上GRF的關(guān)系，找出步態(tài)中存在的個性化特征，理清其中存在的共性特點，初步探索步態(tài)分析簡化理論，以期幫助康復(fù)醫(yī)師簡化病人步態(tài)評估的過程，為訓(xùn)練師和病人提供動態(tài)的、實時的且簡單易懂的步態(tài)數(shù)據(jù)反饋。

1.2 實驗方法

該文采用Vicon三維數(shù)字分析系統(tǒng)，采集15例青年男性6次合格的正常步態(tài)的數(shù)據(jù)。在選取實驗對象的過程中，排除近5年有過較大運動損傷以及有重大疾病的對象。Vicon2.3紅外三維運動捕捉系統(tǒng)，其攝像頭總計12個，ATIM測力臺3個（呈一字型排列，第一和第二塊間距0.5mm，第二塊和第三塊間距301mm），步行地面的水平誤差在0.1mm內(nèi)。實驗對象步行出發(fā)和結(jié)束的位置相距6m，測力臺位于中間的位置。步行中要求實驗對象左腳踩第一塊測力臺，右腳踩第二塊測力臺，左腳踩第三塊測力臺。將獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)出C-3D文件，用V-3D軟件模擬步態(tài)數(shù)據(jù)，對每人3次最穩(wěn)定的步態(tài)數(shù)據(jù)計算均數(shù)，獲得該文所需的原始數(shù)據(jù)。通過SPSS 22進行數(shù)據(jù)間的相關(guān)性分析，獲得Pearson系數(shù)和P值。

2 結(jié)果與分析

2.1 青年男性步行運動學(xué)參數(shù)

表1和表2顯示了步態(tài)時空參數(shù)，其中平均值和中位數(shù)接近，表明此次測試獲得的數(shù)據(jù)基本呈對稱分布，沒有左右偏移的現(xiàn)象。表2 顯示了雙側(cè)步態(tài)參數(shù)，其中左右兩側(cè)的數(shù)據(jù)差異均小于0.1個單位，這與實驗對象的選擇有密切的關(guān)系。在實驗對象選擇的過程中，排除了近5年發(fā)生過損傷和有過疾病史的情況。

表1 實驗對象步行動作運動學(xué)參數(shù)

表2 實驗對象步行動作運動學(xué)參數(shù)

圖1 顯示了步態(tài)6 個階段在整個步態(tài)中出現(xiàn)的時間以及占整個步態(tài)階段的時間百分比。六分步態(tài)各階段占步態(tài)周期百分比的值約為1∶4∶1∶2∶1∶1。其中，支撐初期占整個步態(tài)周期的11%，單足支撐階段占整個步態(tài)周期的40%，蹬伸離地階段占比10%，擺動初期占比19%，擺動中期占比9%，擺動末期占比11%。因為擺動階段的劃分通過擺動足和支撐腿之間的位置關(guān)系完成。擺動初期（足趾離地——足相鄰），擺動中期（足相鄰——脛骨垂直），擺動末期（脛骨垂直——足跟再次落地）。足相鄰是足尖接近支撐腿踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)髁，脛骨垂直是擺動腿的位置接近垂直于地面的狀態(tài)。因此，對擺動周期的階段劃分通過人工手動完成，階段的劃分存在一定的誤差，但是仍具有一定的參考價值。此外，該組的實驗對象均是健康、非運動專業(yè)的人群，年齡均在21～23歲之間（該年齡段的人，肌肉和骨骼處于一生當中的峰值階段）。因此，該數(shù)據(jù)能夠代表正常青年男性步態(tài)的最佳的步態(tài)參數(shù)。

圖1 不同步態(tài)階段的百分比

2.2 地面反作用力（GRF）特征

圖2顯示了將測力臺GRF的峰值和谷值數(shù)據(jù)除以體重（g=9.8），獲得標準化的GRF 數(shù)據(jù)并求得平均值。GRF第一峰值為1.12，出現(xiàn)在步態(tài)周期中的16%處；谷值為0.74，出現(xiàn)在步態(tài)周期中的31%處；第二峰值為1.09，出現(xiàn)在步態(tài)周中的50%處。此外，通過標準差曲線發(fā)現(xiàn)，足部支撐初期和蹬伸離地階段前后，GRF標準差的值波動較大，反映出在支撐初期（0%～16%）和離地階段（50%～61%）GRF 在垂直軸上具有較大的波動性，尤其是離地階段GRF 的標準差值大于前者。研究發(fā)現(xiàn)，支撐初期和離地階段數(shù)據(jù)的變化性較大，而單支撐階段的谷值變化性較小，因此2 個峰值能夠更好地反映個體步態(tài)的差異性。這可能與步態(tài)測試者的步行習(xí)慣以及肌肉力量等有關(guān)。此外人體的步行效率的高低也能夠通過GRF在垂直軸上的變化進行分析。

圖2 步行動作GRF平均值獲得的雙峰曲線和標準差曲線

2.3 步態(tài)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析

通過統(tǒng)計學(xué)軟件分析步態(tài)不同參數(shù)間的相關(guān)性，研究發(fā)現(xiàn)（見表3），步速與GRF峰值和谷值之間具有較高的相關(guān)性。其中，步速與第一峰值和第二峰值呈現(xiàn)出正相關(guān)，但與谷值呈現(xiàn)負相關(guān)。也就是說，隨著步行的速度增加，峰值增加，但谷值下降。不同身體狀態(tài)下的人群具有特定的最佳步行速度，在該速度下行走，輕松且節(jié)省能量，同時效率最高。如果該速度下降，可能預(yù)示著身體步行能力的下降，也可能預(yù)示著疾病或者損傷的潛在可能。同時，步態(tài)中第一和第二峰值下降，谷值增加。但是步行速度是步長和步頻的乘積，如果要更細致分析步速與GRF之間的關(guān)系，需要將步長和步頻分開。因此，下述的分析將步速拆分為步長和步頻。此外，通過進一步驗證谷值和肢體擺動之間的關(guān)系，下肢的擺動速度和GRF進行相關(guān)性分析是有必要的。

表3 步速與步態(tài)力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性值

通過比較步長與GRF間的相關(guān)性，研究發(fā)現(xiàn)（見表4），步長與GRF第一峰值和第二峰值呈現(xiàn)正相關(guān)，而與谷值呈現(xiàn)負相關(guān)，這種現(xiàn)象與步行速度相似。除第二峰值外，另外2個參數(shù)相關(guān)系數(shù)顯著性不高。這與實驗前所預(yù)計的（步長增加將會導(dǎo)致第一峰值的增加）高相關(guān)性不一致。相反步長與GRF 第二峰值的相關(guān)性較高，表明步長的增加與步態(tài)中蹬伸離地階段用力正相關(guān)系數(shù)高。因此，步態(tài)中，步速下降的同時步長下降，可能預(yù)示著蹬伸離地階段的蹬伸力量下降。而該速度恰是最佳的步行速度時，說明下肢肌肉力量或者耐力的下降與步速和步長下降相關(guān)。在人體正常步態(tài)過程中，較大的步長不會產(chǎn)生更大的落地沖擊力，反而會產(chǎn)生更大的蹬伸力。這可能與跟腱在加大的步態(tài)中會獲得更大的形變有關(guān)，因此也會產(chǎn)生更大的蹬伸力。但是有意識地增加步長，將會增加GRF第一峰值力，這仍然是成立的。

表4 步長與步態(tài)力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性值

研究發(fā)現(xiàn)（見表5），步頻與GRF 的相關(guān)性與步速相似，但步頻與GRF第二峰值正相關(guān)系性低，且該參數(shù)的顯著性不高。步頻對于第一峰值的正相關(guān)系數(shù)較高，且接近步速與第一峰值的相關(guān)性系數(shù)。另外，步頻與谷值的相關(guān)性系數(shù)也接近步速的。因此，步態(tài)中步行速度下降的同時，步頻也下降，第一峰值將會降低，而谷值將會升高?？傮w來講，步頻降低，支撐初期對地面的沖擊降低，單足支撐階段地面壓力增加。從實際來看，這一研究與偏癱步態(tài)中平坦的GRF 峰值和相對較高的谷值相吻合。谷值出現(xiàn)在單足支撐階段，同時GRF值小于1。這一現(xiàn)象與肢體的相對擺動密切相關(guān)，尤其是下肢的擺動使得對側(cè)足的GRF 小于1。因此，比較擺動速度與GRF的相關(guān)性，能夠解釋谷值與步速、步長、步頻呈現(xiàn)負相關(guān)。

表5 步頻與步態(tài)力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性值

數(shù)據(jù)顯示（見表6），擺動速度與第一峰值和第二峰值的相關(guān)性系數(shù)較低，且數(shù)據(jù)的顯著性不明顯。相反，擺動速度與谷值之間有較高的相關(guān)性，且具有顯著性差異。在步態(tài)的過程中，一側(cè)下肢的擺動類似鐘擺，因此下肢在髖關(guān)節(jié)處的擺動產(chǎn)生了一個朝向髖關(guān)節(jié)運動中心的向心力，該向心力能夠抵消對側(cè)支撐腿的部分壓力，或者可以理解為，該向心力來自部分對側(cè)下肢相對地面的反作用力。因此，谷值的出現(xiàn)與擺動速度呈負相關(guān)，而擺動速度與步長，以及步頻和步速呈正相關(guān)。其中擺動速度更多地依靠屈髖肌群的彈性和力量，因此在步態(tài)分析的過程中，可以簡化一部分復(fù)雜的過程。

表6 下肢擺動速度與步態(tài)力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性值

3 結(jié)語

正常步態(tài)中左右兩側(cè)的時空參數(shù)應(yīng)該近似對稱，且不應(yīng)該有較大的差異。該研究中步態(tài)時空參數(shù)左右兩側(cè)差異小于0.1個單位。六分步態(tài)中，從前往后各階段占步態(tài)周期的比值為：1∶4∶1∶2∶1∶1。盡管擺動階段的比值存在一定的誤差，但這一比值仍具有一定的參考價值。

人體步態(tài)中垂直軸上，支撐初期（16%）足部要額外承受約0.12 倍的慣性力，蹬伸離地階段（50%）足部要額外承受0.9倍的力，該力是由于加速度產(chǎn)生的。在正常的步態(tài)中速度一定的情況下，該值越大，表明步行的效率越低，相反，步行的效率越高。

單足支撐階段（31%）GRF垂直軸上的谷值為0.74，由于上下肢的擺動產(chǎn)生的向上的向心力抵消部分重力導(dǎo)致足部承受的力量減少了0.26 左右，該值能夠間接地評估人體擺動階段肌肉的力量。

人體步態(tài)中，垂直軸上GRF 的個體性差異通常發(fā)生在步態(tài)周期的支撐初期前后（0%～16%）和蹬伸離地階段前后（50%～61%），這可能與不同人體肌肉產(chǎn)生力的能力有關(guān)，也與人步行習(xí)慣有關(guān)。

步速、步長、步頻以及下肢的擺動速度均與GRF垂直軸呈現(xiàn)較高的相關(guān)性。通過對GRF垂直軸的分析能夠間接地判斷步態(tài)情況，而這些數(shù)據(jù)簡化康復(fù)專家步態(tài)評價的過程以及深化康復(fù)評估的數(shù)據(jù)依靠。

總之，通過比較步態(tài)時空參數(shù)能夠有效地推測GRF垂直軸相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)果，能夠有效建立具體步態(tài)動作和力學(xué)之間的邏輯關(guān)系。由于運動學(xué)分析的復(fù)雜性和不便性，以及運動學(xué)的分析最終會歸結(jié)到力學(xué)的問題，因此，通過力學(xué)的數(shù)據(jù)和步態(tài)的不同動作建立有效的邏輯系統(tǒng)，通過力的變化進而可以推測身體運動的變化，通過運動的變化來驗證力和具體運動之間的關(guān)系，進而推測肌肉力量或者身體功能的變化，反過來也成立。但前提是該步態(tài)為人體步行的最佳步態(tài)。這一理論為損傷后康復(fù)和身體預(yù)康復(fù)提供了簡化的理論依據(jù)。

4 展望

該文僅研究了15 名在校的男性健康青年，尚有許多不足之處，期待日后會有更大樣本的不同性別的不同步態(tài)研究，建立更廣泛的步態(tài)數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)，建立更加完整、科學(xué)的康復(fù)和預(yù)康復(fù)體系。