步態的階段性特征分析
——基于V3D軟件

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的模擬研究已經與人類真實的步態十分接近[1,2]，如正常步態模型[3,6]、步態識別[7]以及步態模擬和預測[8-12]。而該文聚焦于步態模型的進一步細化研究。關于正常步態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，踝與膝的關節角度減小，髖關節角度增加（身體的本體感覺和肌肉力量的下降，通過髖關節角度增加來代償踝、膝關節角度的減小）（見表1）。在不同行走速度[20,21]下，矢狀面內髖關節和踝關節的變化較大，膝關節的變化較小。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避這些影響因素。正常行走[22-26]時髖關節的動作對稱且有節奏，耗能低，重心左右移動4.0～4.5cm。正常步行過程中髖關節最大受力約2.5倍體重（BW）。不同步態階段中關節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中，下肢關節在步態不同階段的運動和受力特點，從數據的層面分析步態中力與運動的關系。該文將有助于進一步了解人體在行走過程中下肢關節的運動學和動力學特點，為日后步態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，了解當前步態研究現狀。第二階段通過Vicon2.3紅外三維運動捕捉系統（12個攝像頭，3個ATIM測力臺）捕捉15名青年男性的正常步態運動學數據。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，將步態結果進行標準化和階段化分析。

3 結果與分析

3.1 踝關節不同階段的運動和受力特點

在步態過程中，踝關節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、距下關節以及復雜的足部關節，保證步態過程中落地、支撐和蹬離的穩定同時，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 踝關節運動和受力曲線圖

單足支撐階段（見圖1）對踝關節的穩定和靈活要求高（Y和Z軸上的運動變化最大，且踝關節力矩變化最大）。蹬伸離地階段踝關節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，發生內旋-外旋（3°）。

擺動初期：在X軸踝關節產生背伸-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 膝關節不同階段的運動和受力特點

膝關節位于髖關節和踝關節之間，由圖2運動曲線發現，膝關節在步態周期中始終處于屈曲狀態，很少出現伸展狀態。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的運動。從步態的角度來看，這種運動狀態對于行走并沒有益處，也不利于膝關節的運動。頻繁的解鎖和上鎖會消耗過多的能量同時也增加了關節的摩擦。此外，膝關節在接近伸直的狀態時所受到的力矩最大，這也是膝關節自我保護的一種有效機制。這種狀態下膝關節既能夠保持自身的穩定，同時也有利于力量的傳遞。還有，在支撐階段末期，膝關節開始屈曲，這對于維持身體重心的穩定有積極的作用，同時也說明在步態周期中膝關節的作用是維持身體重心的穩定，并不參與下肢的蹬伸離地。

圖2 膝關節運動和受力曲線圖

落地階段：在X軸膝關節主要受到屈曲-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，發生外旋-內旋-外旋運動（7.7°）。

蹬伸離地階段：在X 軸膝關節受到伸展力矩（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，因此要求膝關節具有較好的控制能力。在該階段膝關節屈曲，并未參與蹬伸。因此，膝關節在正常的步態中并沒有參與蹬伸離地。擺動初期膝關節處于外旋位發生外旋同時由較大的屈曲狀態并開始伸展，該階段，膝關節發生外側副韌帶損傷和半月板卡壓的狀態更容易發生。

3.3 髖關節不同階段的運動和受力特點

由圖3運動曲線發現：髖關節出現一次較大的運動拐點位于落地階段末期，此時髖關節開始為蹬伸離地做準備。此時整個下肢的質心位于髖關節的后方，有助于重力做功；同時髖關節處于伸展狀態，其前方的肌肉處于拉長的狀態，有利于能量的儲存；髖關節在矢狀面和水平面的聯動明顯（伸展-外旋和屈曲-內旋），步態過程中髖關節的旋轉功能對于步態有較大的影響，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的穩定，避免出現較大范圍的旋轉運動；此外，髖關節在額狀面的運動范圍明顯小于其他2個平面，這與髖關節特殊的解剖結構和相應的肌肉力量有較大的關系，額狀面上髖關節的運動范圍減小，能夠有效反映人體步態的穩定性。

圖3 髖關節運動和受力曲線圖

落地階段：在X軸髖關節受到伸展力矩（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力矩做正功控制關節的落地穩定；髖關節最大力矩出現在支撐階段末期，此時髖關節處于伸展位，控制髖關節的伸展；有助于蹬伸離地階段，髖關節力矩做正功驅動髖關節向前運動。

5 研究結論

步態中，髖膝踝關節間存在聯動機制，這種聯動既有利于重心的平穩移動，也有利于足部廓清，使步態更加經濟高效。

步態中，膝關節并沒有承擔推動身體向前的主要任務，膝關節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，髖關節是步行的發動機，驅動身體前進；膝關節是步態的穩定器，穩定重心的平穩移動；踝關節是步行的助推器，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，髖關節的旋轉（15°）在單足支撐階段對于維持身體的穩定具有重要作用，同時也可能會影響膝關節和踝關節的穩定。

6 展望

盡管該研究分析了步態的運動學和部分力學變化，但是并未理清步態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，以期化繁為簡。