楊子涵，劉卉，蔣量，王立端，萬祥林，曲峰

在日常生活（步道、樓房出入口、過街天橋）和體育休閑中，常常需要面對不同斜坡環(huán)境。斜坡坡角的改變將導(dǎo)致重力相對行走表面方向改變，這種變化對步態(tài)有顯著影響[1]。研究指出，當(dāng)行人上下斜坡時，跌倒風(fēng)險隨之增加[2]。一般來說，城市中較陡的路面降低了人的行走意愿[3]。日常生活中斜坡的普遍存在且影響不一，因此了解步態(tài)為適應(yīng)斜坡行走所做的改變是十分重要的。

目前，國外對斜坡行走的步態(tài)分析包括時空參數(shù)分 析[4-13]、運 動學(xué) 分 析[4，6-7，10-11，13-14]、動 力 學(xué) 分 析[7，10，15-17]和適配的假肢矯形器設(shè)計[18]，國內(nèi)在斜坡對步態(tài)影響的研究近年來剛剛開始[19-22]。一般認為，在上坡行走時為了提高重心，支撐腿需要產(chǎn)生更大的踝關(guān)節(jié)趾屈力矩和伸髖力矩[7-8]；下坡時則更注重控制行走時身體的持續(xù)加速[23]，同時要求更大的伸膝力矩及踝關(guān)節(jié)運動幅度[7]。這些特點對于肌力減少的人群，如老年人和行動受限人群會更加明顯[8，18，24]。目前，許多斜坡步態(tài)的研究通過跑步機來進行，這種固定步行速度方法的研究在動力學(xué)方面與真實環(huán)境中的研究存在差異[25]。通過有限的基于自選步速的斜坡研究得出的步速步長變化規(guī)律并不一致，共有4種不同類型[5-8]。有研究進一步指出，在斜坡步態(tài)研究中，對于通過自選步速在斜坡上行走產(chǎn)生的步態(tài)改變還沒有得到充分研究[6]，如以自選速度在大坡角范圍內(nèi)行走的步態(tài)改變及控制策略的改變起始坡角。

因此，本研究通過探討3種坡角斜坡以自選速度上下行走時的步態(tài)，并與平地行走對比，旨在評估坡角對男性青年行走時下肢關(guān)節(jié)角度力矩的影響，并進一步分析不同斜坡對行走步態(tài)控制策略的改變。本研究假設(shè)不同坡角會對上下坡行走與平地行走之間的控制策略即關(guān)節(jié)角度力矩造成顯著改變，同時假設(shè)這個改變產(chǎn)生于±6°。本研究將為坡面行走步態(tài)特征的相關(guān)基礎(chǔ)研究和斜坡行走康復(fù)訓(xùn)練、運動鞋及矯形器具設(shè)計、機器人設(shè)計等提供相關(guān)參考。

1 研究對象與方法

1.1 受試者

受試者為10名男性青年，年齡（23.7±1.1）歲，體重（67.5±5.0）kg，身高（174.8±4.55）cm，身體健康，無上下肢神經(jīng)及肌肉損傷病史，慣用腳均為右腳。

1.2 試驗方法

測試斜坡環(huán)境由鋁型材搭建，步道表面鋪有木板供行走，測力臺水平安裝于3.2 m長的步道中央，并與周圍木板有5 mm間隔[26]。斜坡角度調(diào)整裝置位于步道一端，角度調(diào)整精度為±0.5°。每位受試者在接觸測力臺前后至少有2個單步，測試的4個坡角選擇（0°，6°，12°，20°）參考前人研究[7，10，17，27]。受試者身著泳褲，根據(jù)H.HAYES模型在身上粘貼29個反光標(biāo)志點[28]。試驗開始前，要求受試者先在平地上以個人習(xí)慣步速行走5次，并告訴受試者在接下來的斜坡上行走時盡量保持該速度，在4個坡角中隨機選擇一個坡角作為起始測試坡角，并先在該斜坡坡角上下行走5次用以習(xí)慣該坡角。正式試驗時通過8臺紅外動作捕捉鏡頭（Motion Analysis Raptor-4，USA，200 Hz）和1塊測力臺（Kistler 9281CA，Switzerland，1 000 Hz）配合Motion Analysis自 帶 軟 件Cortex（version 2.6，Motion Analysis Corporation，Santa Rosa，CA）同步采集運動學(xué)及動力學(xué)數(shù)據(jù)。以右腳完全踩到測力臺記為1次成功行走，在記錄3次成功行走數(shù)據(jù)后，受試者休息5 min從而消除自適應(yīng)以及肌肉疲勞對結(jié)果的影響并準(zhǔn)備下一次測試。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采 用MATLAB R2016a（The MathWorks Inc.，USA）進行，運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)均采用4階Butterworth低通濾波法進行平滑，截斷頻率分別為8 Hz和15 Hz[15]。每個坡角下，測力臺都通過Cortex軟件進行數(shù)字化并將測力臺的反作用力轉(zhuǎn)換在大地坐標(biāo)系表示。轉(zhuǎn)換后的測力臺力值數(shù)據(jù)通過逆動力學(xué)方法計算下肢關(guān)節(jié)三維凈力矩，步態(tài)周期的定義為單側(cè)足跟著地時刻到同側(cè)足跟再次著地，步態(tài)周期中的足跟著地及趾離地時刻通過斜坡測力臺力值大于10 N的條件標(biāo)記，足跟再次著地時刻通過觀察標(biāo)記[7]。

在1個步態(tài)周期中，支撐相擺動相中不同時期的劃分標(biāo)準(zhǔn)參照前人研究[29]，對慣用腿側(cè)下肢的髖膝踝3個關(guān)節(jié)的角度-時間及力矩-時間變化曲線都選取幾個特征時刻（見表1）進行統(tǒng)計分析。

表1 髖膝踝特征時刻的命名與定義Table1 Naming and Definition of Points of Interest from Kinematic and Kinetic Data of Hip，Knee and Ankle

每個受試者的每次步行中，將之前所得到的下肢三關(guān)節(jié)角度-時間變化曲線和力矩-時間變化曲線中都以右足跟首次觸地（踏上測力臺）表示1個步態(tài)周期開始時刻，以右足跟再次觸地表示1個步態(tài)周期結(jié)束。將所得到的完整步態(tài)階段通過Origin軟件進行標(biāo)準(zhǔn)化。將X軸坐標(biāo)0時表示右足跟觸地時刻，60表示右足尖離地時刻，100表示右足跟再次著地時刻，進行插值。其中，角度-時間變化曲線正值為屈，負值為伸（踝關(guān)節(jié)正值為跖屈，負值為背屈），力矩-時間變化曲線正值為伸，負值為屈（踝關(guān)節(jié)正值為跖屈，負值為背屈）。在每個步態(tài)周期中都選取一定數(shù)量的關(guān)鍵點來標(biāo)注特征時刻進行統(tǒng)計分析。

1.4 統(tǒng)計分析

應(yīng)用SAS9.4（SAS Institute Inc.，USA）統(tǒng)計軟件對不同坡角下（-20°、-12°、-6°、0°、6°、12°與20°）各步速、步頻、步長及下肢各關(guān)節(jié)各特征時刻結(jié)果分別進行單因素重復(fù)測量方差分析，顯著性水平定義為0.05。當(dāng)不同坡角對結(jié)果影響顯著時，后繼檢驗采用Dunnett方法比較不同坡角與0°結(jié)果的顯著性，顯著性水平定義為0.05。

2 結(jié)果

不同坡角條件下步速、步頻、步長結(jié)果顯示，坡角的 改 變 對 步速[F（6，54）=15.84，P＜0.001]、步 頻[F（6，54）=23.72，P＜0.001]和步長[F（6，54）=14.74，P＜0.001]有顯著影響。后繼檢驗顯示，與0°坡角相比，當(dāng)坡角≥12°及坡角為-20°時，步速顯著減少；當(dāng)坡角=20°時，步頻顯著減少；當(dāng)坡角≥-12°時，步頻顯著增大；當(dāng)坡角大于或±12°時，步長顯著減少（見圖1）。

圖1 不同坡角下的步速、步頻、步長結(jié)果（M±SD）Figure1 Mean（SD）of the Gait Spatiotemporal Parameters for Each Grade

不同坡角條件下上坡行走及下坡行走的下肢髖膝踝角度及標(biāo)準(zhǔn)化力矩趨勢在單個步態(tài)周期中的結(jié)果見圖2，關(guān)節(jié)角度及力矩特征時刻值結(jié)果見表2。

表2 下肢關(guān)節(jié)角度及力矩特征時刻結(jié)果（M±SD）Table2 Mean（SD）of the Joint Kinematic and Kinetic Points of Interest for Each Grade

圖2 不同坡角下肢髖膝踝角度及標(biāo)準(zhǔn)化力矩在1個步態(tài)周期中的變化Figure2 Sagittal Joint Angles and Normalized Moments as a Function of the Gait Cycle

（1）髖關(guān)節(jié)角度、力矩特征時刻結(jié)果。坡角的改變對髖關(guān)節(jié)角度特征時刻各結(jié)果有顯著影響，具體為足跟著地時刻髖關(guān)節(jié)角度（HA1）：F（6，54）=387.98，P＜0.00；支撐相屈的最小值/伸的最大值（HA2）：F（6，54）=39.00，P＜0.001；擺動相屈的最大值（HA3）：F（6，54）=319.16，P＜0.001。坡角的改變對髖關(guān)節(jié)力矩特征時刻各結(jié)果有顯著影響，具體為支撐相早期第2個伸髖力矩的最大值（HM1）：F（6，54）=26.65，P＜0.001；支撐相中期 力 矩 為0時 的 步 態(tài)時 刻 百分 比（HM2）：F（6，54）=44.78，P＜0.001；支撐相末期最大的屈髖力矩（HM3）：F（6，54）=9.07，P＜0.001。

（2）膝關(guān)節(jié)角度、力矩特征時刻結(jié)果。坡角的改變對膝關(guān)節(jié)角度特征時刻各結(jié)果有顯著影響，具體為足跟著地時刻膝關(guān)節(jié)角度（KA1）：F（6，54）=207.69，P＜0.001；對側(cè)足跟著地時刻（KA2）：F（6，54）=267.29，P＜0.001；擺 動 相 屈 的 最 大 值（HA3：F（6，54）=21.33，P＜0.001。坡角的改變對膝關(guān)節(jié)力矩特征時刻各結(jié)果有顯著影響，具體為支撐相早期最大屈膝力矩（KM1）：F（6，54）=387.98，P＜0.05；支 撐 相 早 期 最 大 伸 膝 力 矩（KM2）：F（6，54）=7.83，P＜0.001；50%支撐相時刻力矩（KM3）：F（6，54）=35.74，P＜0.001；支撐相末期最大伸膝力矩（KM4）：F（6，54）=210.80，P＜0.001。

（3）踝關(guān)節(jié)角度、力矩特征時刻結(jié)果。坡角的改變對踝關(guān)節(jié)角度特征時刻各結(jié)果有顯著影響，具體為足跟著地時刻踝關(guān)節(jié)角度（AA1）：F（6，54）=79.96，P＜0.001；支撐相早期屈的最大值（AA2）：F（6，54）=213.19，P＜0.001；擺動相屈的最大值（AA3）：F（6，54）=28.92，P＜0.001。坡角的改變對踝關(guān)節(jié)力矩特征時刻各結(jié)果有顯著影響，具體為支撐相早期最小跖屈力矩（AM1）：F（6，54）=41.70，P＜0.001；支 撐 相 末 期 最 大 跖 屈 力 矩（AM2）：F（6，54）=59.34，P＜0.001。

3 討論

圖1顯示，步長步速在斜坡行走時隨坡角變化呈倒U型趨勢，與J.SUN等[12]在城市環(huán)境中觀測到的結(jié)果一致，但與前期依據(jù)實驗室環(huán)境得到有關(guān)自選步速的斜坡步態(tài)測試結(jié)果不一致。不一致表現(xiàn)為步長及步速增加[8]、無改變[7]、減少[6，9，12]和上下坡之間趨勢不同[5，10]。研究結(jié)果的差異性可能是由測試環(huán)境的不同造成的，如跑步機或搭建含測力臺步道的使用，斜坡的坡角大小及測量范圍、斜坡的長度和寬度、扶手使用與否和摩擦系數(shù)大小等。本研究與J.SUN等[12]通過影像記錄的2 400名城市行人的步態(tài)時空參數(shù)規(guī)律一致，這增加了本研究結(jié)果的代表性。

3.1 上坡行走

人體在上坡行走時，下肢角度及力矩變化趨勢顯示（見圖2），著地時刻下肢髖（HA1）膝（KA1）踝（AA1）角度隨坡角增大而增大，支撐相早期踝關(guān)節(jié)跖屈的最大值逐漸變?。ˋA2）轉(zhuǎn)為背屈，擺動相髖關(guān)節(jié)屈的最大值（KA3）也表現(xiàn)出更大的屈曲。隨著坡角增大，下肢關(guān)節(jié)屈伸幅度增大的變化是為了適應(yīng)上坡而做出的相應(yīng)改變，其中變化最大的是足跟著地時刻髖關(guān)節(jié)角度（HA1），從平地到20°坡角后增加了33.53°（91.1%）。平地行走時，最小跖屈力矩（AM1）一般被認為有助于足跟著地后減緩全掌著地速度，然而隨著坡面傾斜角度的增加，其由背屈逐漸變成完全的跖屈力矩。支撐相末期最大跖屈力矩（AM2）隨著坡面傾斜角度的增加而增加。AM1由背屈變?yōu)轷徘约癆M2峰值的增大說明在上坡坡角增加的情況下，需要增加踝關(guān)節(jié)跖屈力矩大小及跖屈時間百分比來保證正常步行。膝關(guān)節(jié)在支撐相早期最大屈膝力矩（KM1）隨傾斜角度增大其緩沖的作用減少。支撐相末期最大伸膝力矩（KM4）表現(xiàn)出因傾斜角度增大而減少了對支撐相末期伸膝的需求。髖關(guān)節(jié)支撐相早期第2個伸髖力矩的最大值（HM1）隨傾斜角度增大表現(xiàn)出伸髖力矩增大，表現(xiàn)出為了適應(yīng)坡角的增大產(chǎn)生更大的伸髖力矩，用來彌補對側(cè)腿伸膝力矩（KM4）的減少，從而完成上坡。支撐相中期力矩為0的時刻（HM2）明顯后移，說明在支撐相中花費更多時間百分比來完成伸髖過程，結(jié)合HM1的增加與HM2的后移說明在上坡坡角增加的情況下，需要增加人體伸髖凈力矩與延長伸髖時間百分比來保證正常步行。支撐相末期最大的屈髖力矩（HM3）則隨坡角增加而增加，說明在上坡行走時支撐相末期髖關(guān)節(jié)屈力矩的減少可以幫助提高重心高度并維持正常行走，其中變化最大的是髖關(guān)節(jié)第2個伸肌力矩的最大值（HM1），從平地到20從坡角后增加了0.79 N.m/kg（138.6%）。

綜上所述，隨著坡角的增加，上坡需要增加擺動腿的屈髖屈膝，同時加強踝背屈來幫助足廓清，而支撐腿在擺動腿開始擺動時，伸膝伸髖同時踝跖屈將有助于提升人體重心高度，增大擺動半徑，從而保持步長。踝關(guān)節(jié)從單側(cè)足著地時刻開始在整個支撐相中基本都處于背屈（伸）狀態(tài)，使原本在支撐相中-末期的踝關(guān)節(jié)角度變化由背屈-跖屈逐漸過渡為跖屈，這種轉(zhuǎn)變的時間百分比隨斜坡傾斜角度的增大而愈加明顯，并伴隨跖屈力矩增加，表現(xiàn)為踝關(guān)節(jié)在大坡角上坡行走時將花費更多時間、做更大功來完成跖屈過程。在人體上坡行走外，除踝關(guān)節(jié)跖屈力矩外，髖關(guān)節(jié)伸髖力矩的時間百分比及峰值都有所增加，膝關(guān)節(jié)支撐相早期伸膝力矩峰值有增加的趨勢，他們共同表現(xiàn)出一種推進的狀態(tài)。

3.2 下坡行走

人體在下坡行走時，下肢角度及力矩變化趨勢顯示（見圖2），隨著坡角增大，著地時刻髖角著地時刻（HA1）減少，支撐相階段，足支撐相早期屈的最大值（AA2）跖屈增大，對側(cè)足跟著地時刻（KA2）膝關(guān)節(jié)屈增大，同時髖關(guān)節(jié)支撐相（HA2）屈曲增加。擺動相踝關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)屈最大值（AA3，HA3）逐漸變小，擺動相屈的最大值（KA3）逐漸變大。隨著坡角增大，膝踝關(guān)節(jié)屈伸幅度增加、髖關(guān)節(jié)屈伸幅度減少是為了適應(yīng)下坡變陡而做出的相應(yīng)改變，變化最大的是對側(cè)足跟著地時刻（KA2），從平地到20°坡角后增加了47.77°（444.8%）。力矩方面，下坡時更多的力矩變化產(chǎn)生在膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，其中踝關(guān)節(jié)支撐相末期最大跖屈力矩（AM2）隨著坡面傾斜角度的增加而減少。支撐相早期最大屈膝力矩（KM1）有一定增大，表現(xiàn)為通過膝關(guān)節(jié)的屈曲降低重心的作用，支撐相早期最大伸膝力矩（KM2）、50%支撐相時刻力矩（KM3）隨坡角增大表現(xiàn)出更大的伸力矩。結(jié)合角度變化，表現(xiàn)為支撐相中期支撐腿主要作用是屈膝來降低重心高度，支撐相末期最大伸膝力矩（KM4）隨坡角增大表現(xiàn)出更大的伸力矩，原因是此時膝關(guān)節(jié)角屈曲增大，使得膝關(guān)節(jié)周圍肌肉產(chǎn)生更大伸膝力矩來維持軀干平衡。在下坡行走中，支撐相末期最大伸膝力矩（KM4）變化最大，從平地到20平坡角后增加了1.2 N.m/kg（500%）。

綜上所述，隨著坡角的增加在下坡時需要通過不斷屈膝以及維持髖的屈曲來控制重心的下降，同時踝關(guān)節(jié)著地時產(chǎn)生更多跖屈及在支撐相末期產(chǎn)生更大背屈趨勢來維持行走的穩(wěn)定性。隨著坡角增加，原本膝關(guān)節(jié)角度變化在1個步態(tài)周期中從屈曲-伸展-屈曲變化為持續(xù)的屈曲，同時膝關(guān)節(jié)力矩也基本全部變?yōu)樯煜チ?，這種趨勢變化表現(xiàn)為在足跟著地后，通過控制膝關(guān)節(jié)屈曲與踝關(guān)節(jié)屈伸來降低重心維持步態(tài)。

3.3 小結(jié)

本研究通過對比人體上坡、下坡下肢關(guān)節(jié)角度力矩與平地步行時下肢關(guān)節(jié)角度力矩的峰值與特征時刻，探究不同斜坡角度對步行時下肢關(guān)節(jié)運動學(xué)與動力學(xué)的影響。首先假設(shè)不同坡角會對上下坡行走與平地行走之間的控制策略即關(guān)節(jié)角度力矩造成顯著性改變，同時假設(shè)這個改變將在±這個坡角產(chǎn)生。研究結(jié)果顯示，上下坡行走與平地行走之間關(guān)節(jié)角度力矩特征值及特征時刻因坡角改變而產(chǎn)生顯著改變，同時本研究運動學(xué)趨勢與前人研究相一致[7，10，30]，動力學(xué)趨勢與部分前人研究一致[10，15，17，31]。本研究中髖關(guān)節(jié)力矩的變化趨勢及統(tǒng)計結(jié)果不足以支持A.N.LAY等[7]的觀點，特別是在上坡行走中，并未觀察到髖關(guān)節(jié)在支撐相末期有伸膝力矩峰值的產(chǎn)生。相反的是，觀察到髖屈力矩具有減少趨勢，造成這種不同趨勢的可能原因是A.N.LAY等[7]的研究中步態(tài)時空參數(shù)在各個坡角下無差異導(dǎo)致的。

有研究指出，步態(tài)的改變在面對斜坡坡角為10°時就已經(jīng)出現(xiàn)[7]。另一份調(diào)查受試者上坡行走時邁上斜坡的第1步，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生步態(tài)改變的坡角應(yīng)該介于6°~9°之間[14]。本研究結(jié)果顯示，坡角在±角在時，下肢關(guān)節(jié)角度力矩特征值及特征時刻已經(jīng)出現(xiàn)顯著改變。結(jié)果不同的原因可能在于并未只在斜坡上行走，而是單步登上斜面。本研究結(jié)論指出，當(dāng)坡角達到±坡角時，斜坡已經(jīng)對下肢關(guān)節(jié)角度力矩特征值和特征時刻產(chǎn)生顯著影響，在未來研究中增加不同坡角對功率及下肢關(guān)節(jié)做功的影響有助于加深坡角大小對人體步態(tài)影響的了解。雖然本研究并未進行上下坡步態(tài)間的對比，但因為上坡步行與下坡步行之間角度力矩的變化趨勢及控制模式不一致，上下坡的步態(tài)控制模式變化可能始于不同的斜坡坡角。

4 結(jié)論

步長與步速在斜坡行走中隨坡角增大呈倒U型關(guān)系。上坡、下坡與平地行走之間通過不同的控制方式來進行：上坡行走主要以增加下肢關(guān)節(jié)的屈伸幅度及下肢伸力矩從而增加輸出功率的推進為主；下坡行走主要以維持髖關(guān)節(jié)屈曲的同時增加膝踝關(guān)節(jié)的屈伸幅度并增加膝關(guān)節(jié)伸力矩來降低重心，保持身體穩(wěn)定性為主。人體平地行走步態(tài)在坡角達到±6°時已經(jīng)產(chǎn)生顯著改變。