步态的阶段性特征分析<br/>——基于V3D软件

步态的阶段性特征分析
——基于V3D软件

2021-11-11冯雷钱竞光徐南南

当代体育科技 2021年28期

冯雷钱竞光* 徐南南

(1.南京体育学院江苏南京 210014;2.欣荷康复江苏南京 210014)

国内外许多关于步态的模拟研究已经与人类真实的步态十分接近[1,2]，如正常步态模型[3,6]、步态识别[7]以及步态模拟和预测[8-12]。而该文聚焦于步态模型的进一步细化研究。关于正常步态运动学参数研究如表1所示[13,14]。年龄[15]、体型[16]、力量[17]及意识[18，19]的不同，步态将会表现出一定的差异：随着年龄的增加，步速和步长均下降，踝与膝的关节角度减小，髋关节角度增加（身体的本体感觉和肌肉力量的下降，通过髋关节角度增加来代偿踝、膝关节角度的减小）（见表1）。在不同行走速度[20,21]下，矢状面内髋关节和踝关节的变化较大，膝关节的变化较小。此外，在测试的过程中，身高、体重、年龄、体形以及意识等是重要的影响因素，在测试的过程中应尽可能规避这些影响因素。正常行走[22-26]时髋关节的动作对称且有节奏，耗能低，重心左右移动4.0～4.5cm。正常步行过程中髋关节最大受力约2.5倍体重（BW）。不同步态阶段中关节的运动和受力变化范围以及其意义，有待进一步的细化研究。

表1 不同年龄段步态运动学参数

1 实验目的和意义

该研究的目的是定量分析青年男性在步态中，下肢关节在步态不同阶段的运动和受力特点，从数据的层面分析步态中力与运动的关系。该文将有助于进一步了解人体在行走过程中下肢关节的运动学和动力学特点，为日后步态分析的简化和智能化提供帮助，助力康复评估和训练的便捷化。

2 研究方法

该研究分为4个阶段。第一阶段通过查阅文献资料，了解当前步态研究现状。第二阶段通过Vicon2.3红外三维运动捕捉系统（12个摄像头，3个ATIM测力台）捕捉15名青年男性的正常步态运动学数据。第三阶段通过V-3D建立骨骼刚体模型，获取相关的运动学和动力学数据。第四阶段采用VB和V3D等软件将数据进行平均化和归一化，结合前人的相关理论，将步态结果进行标准化和阶段化分析。

3 结果与分析

3.1 踝关节不同阶段的运动和受力特点

在步态过程中，踝关节存在一种被动联动机制，支撑阶段3个轴的运动变化模式是固定的：伸展-外展-外旋和屈曲-内收-内旋（见图1）。这源于其特殊的距上关节、距下关节以及复杂的足部关节，保证步态过程中落地、支撑和蹬离的稳定同时，又具有相对的灵活性，更加高效地传递地面与身体之间的压应力和剪切应力。另外，在摆动末期踝关节存在一种主动联动机制：屈曲-内收-内旋，然后伸展-外展-外旋。踝关节的这种落地前的运动表现，与腓骨长短肌的提前激活有关。这是一种预防落地阶段足内翻损伤的一种运动学机制。

图1 踝关节运动和受力曲线图

单足支撑阶段（见图1）对踝关节的稳定和灵活要求高（Y和Z轴上的运动变化最大，且踝关节力矩变化最大）。蹬伸离地阶段踝关节力矩做正功推动身体前进，该阶段肌肉的对Y和Z轴控制能力要求高（力矩均由负功转正功）。

落地阶段：在X轴踝关节力矩极差0.22N·m/kg，背屈力矩作用先做负功再做正功，产生背伸-背屈（6.5°）；在Y轴力矩极差0.05N·m/kg，内收力矩作用做负功，主要做外展（3°）；在Z轴力矩极差0.02N·m/kg，外旋力矩作用做正功，做外旋（7.4°）。单足支撑阶段：在X轴踝关节受到背伸力矩（1.43N·m/kg）作用主要做负功，主要产生背屈（早中期）（15.9°）；在Y轴受到内收-外展力矩（0.15N·m/kg）主要做负功，产生外展运动（5°）；在Z轴受到外旋力矩（0.15N·m/kg）做负功，产生内旋运动（9.9°）。

蹬伸离地阶段：在X轴踝关节受到背伸力矩（1.19N·m/kg）做正功，产生背伸运动（21.5°）；在Y轴受到外展力矩（0.09N·m/kg）先做负功随后做正功，发生内收-外展（1.4°）；在Z轴受到外旋力矩（0.11N·m/kg）先做负功再做正功，发生内旋-外旋（3°）。

摆动初期：在X轴踝关节产生背伸-背屈（18.2°）；在Y轴产生外展-内收（2.2°）；在Z轴产生外旋-内旋-外旋（4.2°）。

摆动中期：在X轴踝关节产生背伸（1.6°）；在Y轴产生内收（1.6°）；在Z轴产生外旋-内旋（1.4°）。

摆动末期：在X轴踝关节产生背屈-背伸（3.6°）；在Y轴产生内收-外展（2.4°）；在Z轴产生内旋-外旋（1.7°）。

3.2 膝关节不同阶段的运动和受力特点

膝关节位于髋关节和踝关节之间，由图2运动曲线发现，膝关节在步态周期中始终处于屈曲状态，很少出现伸展状态。这是因为股骨内外侧髁和胫骨的髁间隆起相互交错，在一定的程度上限制膝关节的运动。从步态的角度来看，这种运动状态对于行走并没有益处，也不利于膝关节的运动。频繁的解锁和上锁会消耗过多的能量同时也增加了关节的摩擦。此外，膝关节在接近伸直的状态时所受到的力矩最大，这也是膝关节自我保护的一种有效机制。这种状态下膝关节既能够保持自身的稳定，同时也有利于力量的传递。还有，在支撑阶段末期，膝关节开始屈曲，这对于维持身体重心的稳定有积极的作用，同时也说明在步态周期中膝关节的作用是维持身体重心的稳定，并不参与下肢的蹬伸离地。

图2 膝关节运动和受力曲线图

落地阶段：在X轴膝关节主要受到屈曲-伸展力矩（0.89N·m/kg）先做正功后做负功，产生屈曲运动（14.3°）；在Y轴膝受到内收-外展力矩（0.51N·m/kg）先做正功后做负功，产生内收（1.9°）；在Z轴受到外旋-内旋力矩（0.15N·m/kg）先做负功后做正功，产生内旋（9.4°）。

单足支撑阶段：在X轴膝关节受到伸展-屈曲-伸展力矩（0.79N·m/kg）先做正功后做负功，产生伸展-屈曲运动（12.7°）；在Y轴受到外展力矩（0.27N·m/kg）做正功，产生外展运动（5.3°）；在Z轴受到内旋-外旋力矩(0.22N·m/kg)先做正功后做负功，发生外旋-内旋-外旋运动（7.7°）。

蹬伸离地阶段：在X 轴膝关节受到伸展力矩（0.35N·m/kg）做负功，产生屈曲（32.1°）；在Y轴受到外展-内收力矩（0.24）做正功，产生外展-内收（0.7°）；在Z轴受到外旋力矩（0.03N·m/kg）做正功，产生外旋（4.9°）。

摆动初期：在X轴膝关节产生屈曲-伸展（15.1°）；在Y轴产生内收（12.5°）；在Z轴产生外旋（5.4°）。

摆动中期：在X轴膝关节产生伸展（31°）；在Y轴产生外展（5.4°）；在Z轴产生外旋（4.7°）。

摆动末期：在X轴膝关节产生伸展-屈曲（21.2°）；在Y轴产生外展-内收（4.4°）；在Z轴产生外旋-内旋（0.9°）。

总之，落地阶段更容易出现旋转扭伤，因此要求膝关节具有较好的控制能力。在该阶段膝关节屈曲，并未参与蹬伸。因此，膝关节在正常的步态中并没有参与蹬伸离地。摆动初期膝关节处于外旋位发生外旋同时由较大的屈曲状态并开始伸展，该阶段，膝关节发生外侧副韧带损伤和半月板卡压的状态更容易发生。

3.3 髋关节不同阶段的运动和受力特点

由图3运动曲线发现：髋关节出现一次较大的运动拐点位于落地阶段末期，此时髋关节开始为蹬伸离地做准备。此时整个下肢的质心位于髋关节的后方，有助于重力做功；同时髋关节处于伸展状态，其前方的肌肉处于拉长的状态，有利于能量的储存；髋关节在矢状面和水平面的联动明显（伸展-外旋和屈曲-内旋），步态过程中髋关节的旋转功能对于步态有较大的影响，一侧下肢摆动的同时，另一侧的支撑腿需要依靠髋关节的旋转来抵消一部分的旋转力矩，从一定程度上帮助膝关节的稳定，避免出现较大范围的旋转运动；此外，髋关节在额状面的运动范围明显小于其他2个平面，这与髋关节特殊的解剖结构和相应的肌肉力量有较大的关系，额状面上髋关节的运动范围减小，能够有效反映人体步态的稳定性。