馮雷 錢競光* 徐南南

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

國內外許多關于步態(tài)的模擬研究已經與人類真實的步態(tài)十分接近[1,2]，如正常步態(tài)模型[3,6]、步態(tài)識別[7]以及步態(tài)模擬和預測[8-12]。而該文聚焦于步態(tài)模型的進一步細化研究。關于正常步態(tài)運動學參數研究如表1所示[13,14]。年齡[15]、體型[16]、力量[17]及意識[18，19]的不同，步態(tài)將會表現出一定的差異：隨著年齡的增加，步速和步長均下降，踝與膝的關節(jié)角度減小，髖關節(jié)角度增加（身體的本體感覺和肌肉力量的下降，通過髖關節(jié)角度增加來代償踝、膝關節(jié)角度的減小）（見表1）。在不同行走速度[20,21]下，矢狀面內髖關節(jié)和踝關節(jié)的變化較大，膝關節(jié)的變化較小。此外，在測試的過程中，身高、體重、年齡、體形以及意識等是重要的影響因素，在測試的過程中應盡可能規(guī)避這些影響因素。正常行走[22-26]時髖關節(jié)的動作對稱且有節(jié)奏，耗能低，重心左右移動4.0～4.5cm。正常步行過程中髖關節(jié)最大受力約2.5倍體重（BW）。不同步態(tài)階段中關節(jié)的運動和受力變化范圍以及其意義，有待進一步的細化研究。

表1 不同年齡段步態(tài)運動學參數

1 實驗目的和意義

該研究的目的是定量分析青年男性在步態(tài)中，下肢關節(jié)在步態(tài)不同階段的運動和受力特點，從數據的層面分析步態(tài)中力與運動的關系。該文將有助于進一步了解人體在行走過程中下肢關節(jié)的運動學和動力學特點，為日后步態(tài)分析的簡化和智能化提供幫助，助力康復評估和訓練的便捷化。

2 研究方法

該研究分為4個階段。第一階段通過查閱文獻資料，了解當前步態(tài)研究現狀。第二階段通過Vicon2.3紅外三維運動捕捉系統(tǒng)（12個攝像頭，3個ATIM測力臺）捕捉15名青年男性的正常步態(tài)運動學數據。第三階段通過V-3D建立骨骼剛體模型，獲取相關的運動學和動力學數據。第四階段采用VB和V3D等軟件將數據進行平均化和歸一化，結合前人的相關理論，將步態(tài)結果進行標準化和階段化分析。

3 結果與分析

3.1 踝關節(jié)不同階段的運動和受力特點

在步態(tài)過程中，踝關節(jié)存在一種被動聯動機制，支撐階段3個軸的運動變化模式是固定的：伸展-外展-外旋和屈曲-內收-內旋（見圖1）。這源于其特殊的距上關節(jié)、距下關節(jié)以及復雜的足部關節(jié)，保證步態(tài)過程中落地、支撐和蹬離的穩(wěn)定同時，又具有相對的靈活性，更加高效地傳遞地面與身體之間的壓應力和剪切應力。另外，在擺動末期踝關節(jié)存在一種主動聯動機制：屈曲-內收-內旋，然后伸展-外展-外旋。踝關節(jié)的這種落地前的運動表現，與腓骨長短肌的提前激活有關。這是一種預防落地階段足內翻損傷的一種運動學機制。

圖1 踝關節(jié)運動和受力曲線圖

單足支撐階段（見圖1）對踝關節(jié)的穩(wěn)定和靈活要求高（Y和Z軸上的運動變化最大，且踝關節(jié)力矩變化最大）。蹬伸離地階段踝關節(jié)力矩做正功推動身體前進，該階段肌肉的對Y和Z軸控制能力要求高（力矩均由負功轉正功）。

落地階段：在X軸踝關節(jié)力矩極差0.22N·m/kg，背屈力矩作用先做負功再做正功，產生背伸-背屈（6.5°）；在Y軸力矩極差0.05N·m/kg，內收力矩作用做負功，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軸踝關節(jié)受到背伸力矩（1.43N·m/kg）作用主要做負功，主要產生背屈（早中期）（15.9°）；在Y軸受到內收-外展力矩（0.15N·m/kg）主要做負功，產生外展運動（5°）；在Z軸受到外旋力矩（0.15N·m/kg）做負功，產生內旋運動（9.9°）。

蹬伸離地階段：在X軸踝關節(jié)受到背伸力矩（1.19N·m/kg）做正功，產生背伸運動（21.5°）；在Y軸受到外展力矩（0.09N·m/kg）先做負功隨后做正功，發(fā)生內收-外展（1.4°）；在Z軸受到外旋力矩（0.11N·m/kg）先做負功再做正功，發(fā)生內旋-外旋（3°）。

擺動初期：在X軸踝關節(jié)產生背伸-背屈（18.2°）；在Y軸產生外展-內收（2.2°）；在Z軸產生外旋-內旋-外旋（4.2°）。

擺動中期：在X軸踝關節(jié)產生背伸（1.6°）；在Y軸產生內收（1.6°）；在Z軸產生外旋-內旋（1.4°）。

擺動末期：在X軸踝關節(jié)產生背屈-背伸（3.6°）；在Y軸產生內收-外展（2.4°）；在Z軸產生內旋-外旋（1.7°）。

3.2 膝關節(jié)不同階段的運動和受力特點

膝關節(jié)位于髖關節(jié)和踝關節(jié)之間，由圖2運動曲線發(fā)現，膝關節(jié)在步態(tài)周期中始終處于屈曲狀態(tài)，很少出現伸展狀態(tài)。這是因為股骨內外側髁和脛骨的髁間隆起相互交錯，在一定的程度上限制膝關節(jié)的運動。從步態(tài)的角度來看，這種運動狀態(tài)對于行走并沒有益處，也不利于膝關節(jié)的運動。頻繁的解鎖和上鎖會消耗過多的能量同時也增加了關節(jié)的摩擦。此外，膝關節(jié)在接近伸直的狀態(tài)時所受到的力矩最大，這也是膝關節(jié)自我保護的一種有效機制。這種狀態(tài)下膝關節(jié)既能夠保持自身的穩(wěn)定，同時也有利于力量的傳遞。還有，在支撐階段末期，膝關節(jié)開始屈曲，這對于維持身體重心的穩(wěn)定有積極的作用，同時也說明在步態(tài)周期中膝關節(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 膝關節(jié)運動和受力曲線圖

落地階段：在X軸膝關節(jié)主要受到屈曲-伸展力矩（0.89N·m/kg）先做正功后做負功，產生屈曲運動（14.3°）；在Y軸膝受到內收-外展力矩（0.51N·m/kg）先做正功后做負功，產生內收（1.9°）；在Z軸受到外旋-內旋力矩（0.15N·m/kg）先做負功后做正功，產生內旋（9.4°）。

單足支撐階段：在X軸膝關節(jié)受到伸展-屈曲-伸展力矩（0.79N·m/kg）先做正功后做負功，產生伸展-屈曲運動（12.7°）；在Y軸受到外展力矩（0.27N·m/kg）做正功，產生外展運動（5.3°）；在Z軸受到內旋-外旋力矩(0.22N·m/kg)先做正功后做負功，發(fā)生外旋-內旋-外旋運動（7.7°）。

蹬伸離地階段：在X 軸膝關節(jié)受到伸展力矩（0.35N·m/kg）做負功，產生屈曲（32.1°）；在Y軸受到外展-內收力矩（0.24）做正功，產生外展-內收（0.7°）；在Z軸受到外旋力矩（0.03N·m/kg）做正功，產生外旋（4.9°）。

擺動初期：在X軸膝關節(jié)產生屈曲-伸展（15.1°）；在Y軸產生內收（12.5°）；在Z軸產生外旋（5.4°）。

擺動中期：在X軸膝關節(jié)產生伸展（31°）；在Y軸產生外展（5.4°）；在Z軸產生外旋（4.7°）。

擺動末期：在X軸膝關節(jié)產生伸展-屈曲（21.2°）；在Y軸產生外展-內收（4.4°）；在Z軸產生外旋-內旋（0.9°）。

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

3.3 髖關節(jié)不同階段的運動和受力特點

由圖3運動曲線發(fā)現：髖關節(jié)出現一次較大的運動拐點位于落地階段末期，此時髖關節(jié)開始為蹬伸離地做準備。此時整個下肢的質心位于髖關節(jié)的后方，有助于重力做功；同時髖關節(jié)處于伸展狀態(tài)，其前方的肌肉處于拉長的狀態(tài)，有利于能量的儲存；髖關節(jié)在矢狀面和水平面的聯動明顯（伸展-外旋和屈曲-內旋），步態(tài)過程中髖關節(jié)的旋轉功能對于步態(tài)有較大的影響，一側下肢擺動的同時，另一側的支撐腿需要依靠髖關節(jié)的旋轉來抵消一部分的旋轉力矩，從一定程度上幫助膝關節(jié)的穩(wěn)定，避免出現較大范圍的旋轉運動；此外，髖關節(jié)在額狀面的運動范圍明顯小于其他2個平面，這與髖關節(jié)特殊的解剖結構和相應的肌肉力量有較大的關系，額狀面上髖關節(jié)的運動范圍減小，能夠有效反映人體步態(tài)的穩(wěn)定性。

圖3 髖關節(jié)運動和受力曲線圖

落地階段：在X軸髖關節(jié)受到伸展力矩（0.67N·m/kg）做正功，產生伸展運動（1.7°）；在Y軸受到內收-外展力矩（0.69N·m/kg）先做正功后做負功，主要產生內收運動（3.4°）；在Z軸受到外旋力矩（0.25N·m/kg）做正功，產生外旋（0.5°）。

單足支撐階段：在X軸髖關節(jié)受到伸展-屈曲力矩（1.25N·m/kg）先做正功后做負功，產生伸展-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-內旋力矩（0.31N·m/kg）先做正功后做負功，產生外旋運動（15°）。

蹬伸離地階段：在X 軸髖關節(jié)受到屈曲力矩（0.43N·m/kg）做正功，產生屈曲（10.5°）；在Y軸受到外展-內收力矩（0.47N·m/kg）做正功隨后負功，產生外展（5.6°）；在Z軸受到內旋力矩（0.04N·m/kg）做正功，產生內旋（1.3°）。

擺動初期：在X軸髖關節(jié)產生屈曲（29.5°）；在Y軸產生外展-內收（3.2°）；在Z軸產生內旋（15.1°）。

擺動中期：在X軸髖關節(jié)產生屈曲-伸展（2.1°）；在Y軸產生內收-外展（0.4°）；在Z軸產生內旋-外旋（1°）。

擺動末期：在X軸髖關節(jié)產生伸展（6.1°）；在Y軸產生外展-內收（0.5°）；在Z軸產生內旋（1.4°）。

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

5 研究結論

步態(tài)中，髖膝踝關節(jié)間存在聯動機制，這種聯動既有利于重心的平穩(wěn)移動，也有利于足部廓清，使步態(tài)更加經濟高效。

步態(tài)中，膝關節(jié)并沒有承擔推動身體向前的主要任務，膝關節(jié)更多的是負責落地的緩沖和下肢的擺動廓清。

從矢狀面來看步態(tài)，髖關節(jié)是步行的發(fā)動機，驅動身體前進；膝關節(jié)是步態(tài)的穩(wěn)定器，穩(wěn)定重心的平穩(wěn)移動；踝關節(jié)是步行的助推器，強大的跟腱可以不斷地儲存和釋放能量。

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

6 展望

盡管該研究分析了步態(tài)的運動學和部分力學變化，但是并未理清步態(tài)中力和運動之間的關系，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。