跨越水平障礙物時的步態特征

張峻霞，邵洋洋，王喆豪，楊芳

1.天津科技大學機械工程學院，天津市 300222；2.天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監控重點實驗室，天津市 300222

跨越障礙是造成跌倒最主要的原因之一。美國65歲以上成年人中，近1/3 每年都會跌倒，每年跌倒損傷治療費用約310 億美元[1]。跌倒后躺在地上超過1 h的老年人，事故后6 個月內死亡的可能性達50%[2]。此外，跌倒對他們的情緒、身體和經濟都有重大影響[3]。在跨障過程中下肢的運動學和動力學參數引起廣泛關注和研究。

Choi 等[4]將日常生活中出現的障礙物歸為4 類：具有傾斜角度的障礙物；水平方向上具有一定寬度的障礙物，如溝壑；臺階型障礙物；有一定高度的障礙物。現在對斜坡類[5-7]、臺階型[8-10]和高度障礙物[11-15]對人體影響的研究較多，但跨越類似于溝壑的障礙物研究較少。跨越水平方向障礙物導致下肢跨越運動學、動力學和生物力學變化，存在瞬間失穩跌倒的潛在風險。

正常人下肢在行走過程中有不對稱性[16]，不對稱性會增加老年人跌倒的風險[17]；偏側性是引發步態不對稱的原因之一，受試者個體常表現出優勢側偏好[16]，如右側優勢者更傾向于向右側偏移。優勢肢體和非優勢肢體之間的時空步態參數[17]、動力學[18-22]和運動參數[23]存在統計學差異，下肢不對稱性或偏側性是影響損傷發生率的因素[24]。

本研究探索水平跨障中影響跌倒風險的因素障礙物和跨越肢體，以期優化跨障策略，降低跌倒風險。

1 對象與方法

1.1 研究對象

2019 年9 月，從本院學生中招募健康男性受試者15 例，身高(1752±45.8)mm，體質量(72±11.3)kg。所有受試者均為右利者，在過去12個月中未經歷過跌倒或肌肉骨骼紊亂，未出現任何可能影響其步態和認知功能的病癥。

本研究經天津科技大學學術委員會審查通過，所有受試者在參與前均知悉試驗方案，并簽署知情同意書。

1.2 方法

本研究包含兩個自變量：水平障礙物寬度和跨越肢體的選擇(非優勢/優勢)。

障礙物寬度設定參照文獻[25]并結合常見水平方向障礙物設定，如下水道寬40 cm，井蓋寬60 cm，公路隔離帶寬65 cm，汽車減速帶寬35 cm。本研究水平障礙物寬度設為0 cm(對照)、45 cm、55 cm和65 cm。

因變量為步態參數，其定義及縮寫見表1。

表1 步態參數定義

用4 塊AMTI 力臺搭建實驗路徑，每塊力臺面積60×40 cm，第2 和第3 塊力臺間隔一定距離，代表水平障礙物寬度。用Vicon 系統跟蹤受試者身體上16 個反射標記點(分別位于雙側髂前上棘、髂后上棘、大腿中部、膝、小腿中部、腳趾、踝和足跟外側)的運動[26]。

受試者了解試驗過程，熱身訓練5 min，讓受試者熟悉測試環境。進行相關人體參數測量，固定反射標記物。每例受試者共測試80 次，具體方案見表2。測試期間為受試者提供充足的休息，防止產生疲勞。

表2 試驗方案

1.3 數據處理

采用MATLAB 2014b 軟件編制程序處理數據。提取一個步態周期，包括跨越肢體通過障礙的半步(跨越步)和跟隨肢體通過障礙的半步(跟隨步)。

采用MINITAB 18 進行數據分析。步態參數符合正態分布，以()表示。自變量對步態參數的影響采用單因素方差分析，有顯著性差異的變量采用圖基事后檢驗。顯著性水平α=0.05。

2 結果

2.1 障礙物因素

相比于無障礙物，跨越水平障礙物時，步速、CSl、CSt、步態周期、步幅、步長、TCl、TCt均顯著增高(P＜0.001)，步寬、TOD、HOD 明顯降低(P＜0.01)。隨著障礙物寬度增加，步速、CSl、CSt、步幅、步長、TCt增大，HOD 減小。障礙物寬度對步態周期、步寬、TCl、TOD無顯著影響。見表3。

表3 跨越不同寬度水平障礙物時步態參數比較

2.2 跨越肢體因素

與非優勢肢體相比，使用優勢肢體作為跨障肢體，CSl、步寬、步長、TCt、HOD 顯著減小(P＜0.001)，而CSt和TCl明顯增加(P＜0.01)。使用優勢或非優勢肢體作為跨越肢體對步速無顯著影響(P＞0.01)。見表4。

表4 跨障肢體為非優勢或優勢肢體的步態參數比較

3 討論

本研究顯示，跌倒風險會隨著障礙物寬度的增加而逐漸增大；使用非優勢肢體作為跨越肢體會降低跌倒風險。

成功跨障需要足夠的腳趾高度，以防跌倒[27]。TCt 隨著障礙物寬度的增加而增大，原因有二。當跟隨肢體跨越障礙物時，身體重心向對側肢體移動，跌倒發生的可能性降低；隨著障礙物寬度增大，跟隨肢體向上移動的距離加大，重心更易轉移到對側肢體，更易維持身體的平衡。由于缺乏視覺對跟隨肢體運動的指導。Patla 等[28]指出，障礙物越小，TCt 越小，這是由于跟隨肢體運動缺乏視覺輸入，以及足趾離地后用于微調跟隨肢體軌跡的時間較短。

HOD 和TOD決定跨障時足部位置[29]。HOD、TOD越小，足部越靠近障礙物，越容易發生跌倒。本研究顯示，雖然步長隨障礙物寬度增加而增大，TOD在不同寬度間不存在顯著性差異，HOD卻隨著障礙物的寬度增加而減小，表明隨著跨障難度增加，發生跌倒事件的可能性增加[29]。

跌倒風險隨著障礙物寬度的增加而增加。首先，跨越更寬的障礙物時，步速更快，而速度增加會增大跌倒風險[30-32]。其次，為提高跨障成功率，跨越更寬障礙物時要增加步幅、步長、TCt。最后，HOD 減小也證明在跨越更寬障礙時，安全性降低。

在跨越水平障礙物時，以優勢肢體作為跨越肢體能提供更精確的運動控制[33-36]；以非優勢肢體作為跨越肢體時，優勢肢體能夠提供穩定與支撐。選擇優勢肢體還是非優勢肢體作為跨越肢體更有利于水平跨障尚未見研究。

根據已有研究知道，較慢的CS、更高的TC 和更大的步寬可降低跌倒風險[28,30,37]，較短的步長和HOD會增加跌倒風險[29]。本研究顯示，當優勢肢體作為跨越肢體時，跨越步CSl 較慢，TCl 較大；非優勢肢體作為跨越肢體時，跟隨步CSt 較慢，TCt 較大，步寬、步長、HOD也較大。青年人跨障期間，跟隨肢體誘發跌倒的危險高于跨越肢體[38-40]，跟隨步態對跌倒的影響更大，因此，使用非優勢肢體作為跨越肢體，優勢肢體作為跟隨肢體時，跌倒的風險更低。

本研究還有一些有趣的發現。測試過程中，3 例受試者共20次試驗的步寬出現負值，即跨越肢體向身體對側偏移，且每次出現的位置不同，這可能是由于注意力不集中，導致身體失穩所致。值得進一步觀察。另外，HOD 和TOD 也出現了負值，表明跨越肢體未能成功跨障，“掉入”障礙物內。這可能與實驗環境的設置有關：水平障礙物是虛擬的，受試者并不擔心因踏空而導致失穩，甚至為了降低跨障難度，故意踩踏邊緣而不選擇增加跨越步的步長。

跌倒具有間接導致殘疾甚至死亡的風險[41]。本研究通過對跨越水平障礙條件下的步態特征分析發現：隨著障礙物寬度增加，跨越者跨越速度更快，足到障礙物的距離更小，導致跌倒風險增加；加大步幅、步長和TCt 可以降低跌倒風險；使用非優勢側肢體作為跨越肢體，優勢肢體作為跟隨肢體，跌倒的風險更低，是更佳的跨障策略。

本研究結果可作為進一步研究老年人和下肢運動障礙人群水平跨障時步態變化的基線數據[42-43]，也可為下肢外骨骼機器人實現水平跨障提供理論支撐。在無障礙設計方面，本研究選擇了具有代表性的三種寬度障礙物，其結果可為合理設置水平方向物體間距和無障礙設計提供數據支撐。

本研究存在以下局限。生活中所遇路況復雜，應增加細化不同寬度障礙；未考慮上肢情況，應結合上肢運動，進一步分析跨障時的步態。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。