喬 剛，張建國(guó)，劉合榮

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

不同年齡健康人平地行走時(shí)足底壓力對(duì)比分析

喬 剛，張建國(guó)，劉合榮

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

針對(duì)年齡因素對(duì)成年人平地自然行走時(shí)足底壓力的影響進(jìn)行研究．采用三維測(cè)力臺(tái)系統(tǒng)，對(duì)20名不同年齡段的健康成年人在平地自然行走時(shí)的地面反力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)歸一化處理后得到足底壓力在前后、左右、豎直3個(gè)方向上的力-時(shí)間曲線圖，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)步態(tài)特征量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，把不同年齡段人平地自然行走時(shí)的足底壓力分布進(jìn)行對(duì)比分析．結(jié)果表明，不同年齡段人在平地自然行走時(shí)的足底壓力分布存在一定程度上的差異性：老年組在豎直方向和前后方向上的步態(tài)時(shí)間參量要小于青年組，這可能是由于老年人行走時(shí)步長(zhǎng)較小，使得身體重心經(jīng)過(guò)髖關(guān)節(jié)的時(shí)刻要早于青年人．

年齡；平地自然行走；足底壓力

本文從分析足底壓力的角度，對(duì)不同年齡段健康成年人在平地自然行走時(shí)的足底壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并進(jìn)行對(duì)比分析，針對(duì)年齡因素對(duì)人體自然行走時(shí)足底壓力的影響進(jìn)行研究．

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 測(cè)試對(duì)象

測(cè)試對(duì)象根據(jù)年齡的不同分為青年組和老年組，每個(gè)組均為5名男性和5名女性，青年組年齡范圍為20～24歲，平均年齡為22歲，平均身高為(175.7± 2.3),cm，平均體質(zhì)量為(65.8±2.1),kg；老年組年齡范圍為61～65歲，平均年齡為63歲，平均身高為(172.3±1.7),cm，平均體質(zhì)量為(71.8±1.4),kg．所有測(cè)試對(duì)象均為身體健康、行動(dòng)正常、無(wú)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)病史的成年人．在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前，由實(shí)驗(yàn)人員告知受試者實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)方案，所有受試者均對(duì)本實(shí)驗(yàn)知情并同意，自愿參加本實(shí)驗(yàn)．

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要包括實(shí)驗(yàn)走廊和實(shí)驗(yàn)設(shè)備．

實(shí)驗(yàn)走廊由步道和測(cè)力平臺(tái)組成，其中測(cè)力平臺(tái)放置于實(shí)驗(yàn)走廊的中心位置，平臺(tái)的前后各放置一塊與測(cè)力平臺(tái)等高平齊的步道，其尺寸為3,800,mm× 600,mm×60,mm．實(shí)驗(yàn)走廊如圖1所示．

圖1 實(shí)驗(yàn)走廊示意圖Fig. 1 Sketch map of walkway

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括計(jì)算機(jī)、三維測(cè)力臺(tái)系統(tǒng)等．采用JP6060型三維測(cè)力臺(tái)系統(tǒng)采集足底壓力數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)由測(cè)力臺(tái)采集系統(tǒng)(即測(cè)力平臺(tái))、信號(hào)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成．測(cè)力平臺(tái)的尺寸為600,mm×600,mm×60,mm，采樣頻率為300,Hz，靜態(tài)檢測(cè)誤差小于0.5%，根據(jù)實(shí)際需要可以調(diào)整檢測(cè)量程．信號(hào)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的即時(shí)處理．

1.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

測(cè)試對(duì)象赤腳以正常步態(tài)自然走過(guò)測(cè)力平臺(tái)，即受試者以自己慣常的行走速度從一側(cè)步道的始端開始行走，經(jīng)過(guò)測(cè)力平臺(tái)，行走至另一側(cè)步道遠(yuǎn)端為止．在經(jīng)過(guò)測(cè)力平臺(tái)時(shí)，須保證單腳完整地踩在臺(tái)面上以獲得左腳或右腳的完整的足底壓力數(shù)據(jù)．

為了確保能夠得到穩(wěn)定可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在開始正式的測(cè)試之前，要求測(cè)試對(duì)象按照實(shí)驗(yàn)要求先練習(xí)15,min，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．開始實(shí)驗(yàn)之后，針對(duì)每一位測(cè)試對(duì)象的左腳和右腳分別進(jìn)行10次測(cè)試，并記錄數(shù)據(jù)．這10次測(cè)試所得到的數(shù)據(jù)可以認(rèn)為是穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)[6]．

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

由測(cè)力平臺(tái)可以測(cè)得人體行走過(guò)程中在3個(gè)方向上的地面反力，即Y方向(前后方向)，X方向(左右方向)和Z方向上(豎直方向)的地面反力．為了消除測(cè)試對(duì)象個(gè)體之間的差異，對(duì)由測(cè)力平臺(tái)測(cè)得的3個(gè)方向上的地面反力數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理：力學(xué)數(shù)據(jù)由測(cè)試對(duì)象的自身重力歸一化得到，時(shí)間數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)測(cè)試對(duì)象的單腳單支撐相歸一化得到．單腳單支撐相是指從左腳或右腳的腳跟接觸測(cè)力平臺(tái)開始直至該腳腳尖蹬離測(cè)力平臺(tái)的這段時(shí)間．

3個(gè)方向上的力學(xué)數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)經(jīng)歸一化處理后可擬合得到測(cè)試對(duì)象足底壓力的力–時(shí)間曲線如圖2所示．圖2中的X軸為歸一化時(shí)間，即t/Ts(Ts為單腳單支撐相)，Y軸為歸一化壓力值，即F/W(W為測(cè)試對(duì)象自身重力)．

提取17個(gè)特征量作為步態(tài)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：其中，前后方向的力–時(shí)間曲線上提取7個(gè)特征量，左右方向的力–時(shí)間曲線上提取4個(gè)特征量，豎直方向的力–時(shí)間曲線上提取6個(gè)特征量，各個(gè)特征量的含義如圖2所示．針對(duì)所得到的數(shù)據(jù)，即每個(gè)測(cè)試對(duì)象的上述17個(gè)參數(shù)的10次左腳數(shù)據(jù)和10次右腳數(shù)據(jù)作為分析樣本，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析．采用T檢驗(yàn)的方法對(duì)青年組和老年組的17個(gè)步態(tài)特征量進(jìn)行差異性分析，針對(duì)每一個(gè)特征量，把青年組和老年組的數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)檢驗(yàn)，當(dāng)P＜0.05時(shí)，說(shuō)明青年組和老年組的足底壓力分布存在顯著性差異，當(dāng)P＞0.05時(shí)，說(shuō)明青年組和老年組的足底壓力分布不存在顯著性差異[7–9]．

圖2 行走過(guò)程中地面反力在3個(gè)方向上的分力Fig. 2 Three dimensional ground reaction forces during level walking

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在對(duì)青年組樣本和老年組樣本平地自然行走時(shí)的足底壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后得到的結(jié)果見(jiàn)表1—表3.

表1 Z方向的力-時(shí)間曲線圖6個(gè)特征量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 1 Statistic results of the six parameters from vertical force-time curve

表2 Y方向的力-時(shí)間曲線圖7個(gè)特征量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 2 Statistic results of the seven parameters from antero-posterior force-time curve

表3 X方向的力-時(shí)間曲線圖4個(gè)特征量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 3 Statistic results of the four parameters from medio-lateral force-time curve

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 Z方向數(shù)據(jù)分析

Z方向上的分力是足底壓力的主要組成部分．正常行走時(shí)，一側(cè)足跟著地至該側(cè)足跟再次著地稱為一個(gè)步態(tài)周期．一個(gè)步態(tài)周期可分為6個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)．以左下肢起步為例：左足跟著地、左足放平、左足趾離地、右足跟著地、右足放平、右足趾離地分別為6個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)[10]．在一個(gè)完整的步態(tài)周期中，Z方向上的分力在每一轉(zhuǎn)折點(diǎn)處均有一極值存在，即一側(cè)足跟著地時(shí)存在一極大值F1，隨著該側(cè)足部放平，受力逐漸減小，直至該側(cè)足部完全放平時(shí)，受力達(dá)到一極小值F2，然后該側(cè)足跟離地，至該側(cè)足趾離地時(shí)又達(dá)到一極大值F3，由此可以看出Z方向上的受力曲線具有典型的雙峰特征．左、右腳受力曲線的最大峰值約為重力的1.1倍，最小峰值約為重力的0.85倍．

2.2.2 Y方向數(shù)據(jù)分析

Y方向上的力–時(shí)間曲線基本上是對(duì)稱分布的，有一個(gè)正的極大值和兩個(gè)負(fù)的極小值，正的極大值約為重力的17%，出現(xiàn)在單支撐相的18%處；兩個(gè)負(fù)的極小值約為重力的7%和23%，分別出現(xiàn)在單支撐相的4%和84%處．由于Y方向的正向與步行方向相反，所以在測(cè)試對(duì)象向前行進(jìn)時(shí)，也就是在支撐相早期，由于在支撐足和地面之間產(chǎn)生的向后水平摩擦力，使得Y方向力為負(fù)；在支撐足全部落地并主動(dòng)蹬離地面時(shí)，由肌肉產(chǎn)生的力向后推地面，在支撐足和地面之間產(chǎn)生向前的水平摩擦力，這時(shí)Y方向力為正[11]．

2.2.3 X方向數(shù)據(jù)分析

X方向以步行方向右側(cè)為正向，在X方向的力–時(shí)間曲線基本對(duì)稱且數(shù)值很小，最大值約為重力的7%．X方向受力反映了行走時(shí)步態(tài)穩(wěn)定性狀況，正常人行走時(shí)X方向受力較小，這說(shuō)明正常人行走的穩(wěn)定性好[12]．

由以上分析可見(jiàn)，正常測(cè)試對(duì)象在測(cè)力臺(tái)上行走時(shí)，豎直方向即Z方向的地面反力數(shù)值較大，Y方向和X方向的地面反力數(shù)值均較?。甖方向的力–時(shí)間曲線具有明顯的雙峰形狀，X、Y方向的力–時(shí)間曲線均關(guān)于時(shí)間軸對(duì)稱．而如果測(cè)試對(duì)象存在行走障礙，其在測(cè)力臺(tái)上行走時(shí)穩(wěn)定性狀況很差，具體表現(xiàn)為力–時(shí)間曲線分布不均且與正常人受力曲線差別較大．而且超出正常范圍值越大，其病情也越嚴(yán)重[11]．

2.2.4 差異性分析

采用T檢驗(yàn)的方法對(duì)青年組和老年組樣本在平地自然行走過(guò)程中X、Y、Z這3個(gè)方向上的步態(tài)特征量分別進(jìn)行差異性分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1—表3．

T檢驗(yàn)結(jié)果表明，在Z方向和Y方向上，老年組樣本的足底壓力數(shù)據(jù)與青年組樣本的數(shù)據(jù)相比，存在一定程度上的差異性，具體表現(xiàn)如下：Z方向上，青年組和老年組的左、右腳足底壓力數(shù)據(jù)在T1和T3處經(jīng)T檢驗(yàn)后均有P＜0.05，這表明無(wú)論是左腳還是右腳，青年組樣本和老年組樣本在平地自然行走過(guò)程中豎直方向上的足底壓力分布在T1和T3處存在顯著性差異；Y方向上，青年組樣本和老年組樣本的左、右腳足底壓力數(shù)據(jù)在T7處經(jīng)T檢驗(yàn)有P＜0.05，這表明無(wú)論是左腳還是右腳，青年組樣本和老年組樣本在平地自然行走過(guò)程中Y方向上的足底壓力分布在T7處存在顯著性差異．

需要指出的是，在Z方向上，無(wú)論是左腳數(shù)據(jù)還是右腳數(shù)據(jù)，老年組樣本步態(tài)力學(xué)參量F1、F2、F3的數(shù)據(jù)均小于青年組樣本的數(shù)據(jù)，考慮可能與老年人步速較青年人慢有關(guān)；對(duì)于步態(tài)時(shí)間參量T1、T2和T3，青年組樣本的數(shù)據(jù)總是大于老年組樣本的數(shù)據(jù)，這可能是由于青年人行走時(shí)步長(zhǎng)較大，身體重心經(jīng)過(guò)髖關(guān)節(jié)的時(shí)刻要晚于老年人[13]．此外，在X方向上，無(wú)論是左腳數(shù)據(jù)還是右腳數(shù)據(jù)，對(duì)于步態(tài)力學(xué)參量F7、F8、F9、F10，老年組樣本的數(shù)據(jù)均大于青年組樣本的數(shù)據(jù)，由于X方向受力反映了行走時(shí)步態(tài)穩(wěn)定性狀況，青年組樣本行走時(shí)在X方向的受力較小，這表明青年人行走時(shí)的穩(wěn)定性較好．

3 結(jié) 論

身體健康、行動(dòng)正常的老年人在常速自然行走時(shí)的足底壓力分布與青年人相比并沒(méi)有顯著性的差異，只是身體重心經(jīng)過(guò)髖關(guān)節(jié)的時(shí)刻要比青年人早一些，使得老年人行走時(shí)的步態(tài)時(shí)間參量要比青年人小一些．

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責(zé)任編輯：常濤

Comparative Analysis of Plantar Pressure in Normal People of Different Age During Level Walking

QIAO Gang，ZHANG Jianguo，LIU Herong
(College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

To investigate the influence of age on plantar pressure in normal people during level walking，ground reaction force data from 20 normal people of different age were collected through the employment of three-dimensional force platform system，and the force data in anterior-posterior，medio-lateral and vertical directions were normalized and transformed into force-time curves. Characteristic parameters were selected and analyzed by using statistical methods. The plantar pressure in normal people of different age was comparatively analyzed. Results show that a certain degree of difference was found in the plantar pressure distribution in normal people of different age during level walking：for the old group，the time parameters of gait in vertical and anterior-posterior direction came earlier than those in the young group. It may be due to the fact that the step length of the old person is smaller than that of the young person and the gravity center of the body crosses the hip earlier in the old group than in the young group.

age；natural level walking；plantar pressure

R318

A

1672-6510(2012)03-0055-05

行走是人們?nèi)粘Ｉ钪兄貜?fù)最多的一種動(dòng)作，而正常行走又是人們?nèi)粘Ｉ罨顒?dòng)的重要組成部分，對(duì)行走異?；颊叩男凶吣芰M(jìn)行改善和恢復(fù)是康復(fù)醫(yī)學(xué)的一項(xiàng)重要內(nèi)容．可見(jiàn)，正常行走在人們?nèi)粘Ｉ钪芯哂惺种匾囊饬x，對(duì)于老年人來(lái)說(shuō)更是如此．但隨著年齡的增長(zhǎng)，人體在行走過(guò)程中存在著行走晃動(dòng)不穩(wěn)、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度減小以及韌帶彈性下降等現(xiàn)象[1]．前人的研究[2]表明，老年人的摔倒中有約53%是由于行走或站立的不穩(wěn)定造成的，而摔倒又會(huì)引發(fā)其他疾病，給老年人帶來(lái)極大的痛苦，同時(shí)給家庭和社會(huì)帶來(lái)巨大的負(fù)擔(dān)．因此，就不同年齡段人體自然行走時(shí)的足底壓力分布進(jìn)行研究是十分必要的．

有關(guān)足底壓力的研究，國(guó)外起步較早[3]：Carlet于1872年設(shè)計(jì)了一個(gè)鞋底充氣袋，記錄了人體行走時(shí)的足–地作用力；Elftman使用自行設(shè)計(jì)的測(cè)力板對(duì)作用于人體足上的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了精確的測(cè)量．從20世紀(jì)80年代開始，對(duì)足底壓力的研究才開始在國(guó)內(nèi)受到重視．1986年，戴尅戎等[4]使用微機(jī)步態(tài)分析系統(tǒng)對(duì)41名正常人平地行走過(guò)程中足–地接觸力進(jìn)行了三維分析．1999年，伍勰等[5]使用三維測(cè)力臺(tái)系統(tǒng)對(duì)人體行走過(guò)程中的足–地接觸力進(jìn)行了記錄和分析．目前國(guó)內(nèi)在人體足底壓力研究領(lǐng)域，仍處于模仿國(guó)外研究的階段，而且在研究的細(xì)致程度上也相對(duì)落后．

2012–01–05；

2012–02–25

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃(10JCZDJC23000)

喬 剛（1985—），男，河南南陽(yáng)人，碩士研究生；通信作者：張建國(guó)，教授，tustzjg@163.com.