人体运动学中步态参数分析及其应用研究

朱德有 王秋艳

人体步行是日常生活中最为普通的一种行为过程，可以说正常的步行不需要思考，但对于医学、生物力学工作者来说，人体步行却蕴涵着大量人体生命系统的信息。广义上讲人体步行是由四百多块肌肉，两百多块骨骼在神经系统的控制下实现的复杂协调动作。狭义上讲在步行的平衡和协调过程中，主要参与的肌肉和关节包括足、踝、膝、髋、躯干、颈、肩和臂协同运动。这其中任何环节的失调都可能影响步行状况，同时某些异常也可能被代偿或掩盖。上述说明可以总结出人体步行的以下特征：普遍性，复杂性，综合性。正因为此，研究人体步行的行为特征即步态分析成为了康复医学领域的很重要的一个分支。

一、研究背景

行走是人体运动功能的主要构成部分，因此作为研究下肢运动和受力情况的步态分析在康复和康复评定中占有了重要的位置。通过步态分析可以对人体运动系统和神经系统疾病的病因进行分析和诊断并对功能、疗效进行评定，还可以用于指导骨、关节假体与假肢的设计以及对截瘫患者的行走功能进行重建，同时对于体育学和航天学也有重要的价值。目前在康复医学领域。步态分析已经成为康复医学评定的一个很重要的组成部分，有力地辅助了临床运动功能评定，思维能力评定等主流康复医学评定方法。步态分析方法也在综合了临床分析、运动学分析、动力学分析、肌电图分析等方法之后有了更长足的发展。通过长期的临床经验，很多病理步态有了充分的实践依据。

二、正常步态运动协调实验研究

1.实验目的与对象

自然步态(或正常步态)是指健康人用自我感觉最自然、最舒适的姿态行进时的步态，是周期性的，具有协调和均衡的特点。研究正常人的步态特征。建立正常步态的协调控制模式，不仅能给康复医学领域的诊断疾病、确定康复治疗方案提供重要依据，而且对拟人机器人和智能假肢的运动规划和设计控制均有重要意义。

特别是在摆动期，通过实验分析可知，在摆动期初期有一个明显的膝屈动作，该动作对产生摆动过程最低点的脚尖与地面间隙尤为重要。Winter指出，正常摆动期的平均脚尖与地面间隙仅为1.29cm。而且该间隙对膝关节的角度变化非常敏感。如果没有足够的膝屈。摆动过程中脚尖就会触地，为了完成摆动期，必须有额外的提髋或大腿外摆动作，增加了步态周期的能量消耗，也使步态显得笨拙难看。可以看出。在摆动期要求整个下肢三关节、多肌肉之间的协同动作，本节将以此为对象对其协调控制机理加以研究。

关于在摆动期中肌肉的参与情况和肌肉力对摆动的作用已有一些研究，但是研究者的结论也不尽一致，Yamaguichi(1990)1通过减少或增加某块肌肉的神经激发信号，研究了摆动期中肌肉对屈膝的影响，认为肌肉力或者肌肉活性很小，Moehon(1980)和Collins(1995)通过优化分析和实验研究。认为在摆动期确有较强肌肉活动存在，王人成等人选用6种最优化准则并考虑关节被动力矩求解了下肢摆动期冗余肌肉力的分布，认为适当的肌力对于完成有效、低能耗、自然的步行仍然起着重要的作用。还有一些学者通过建模仿真预测肌肉激励的协同性问题。

但是，人体采用何种方式控制迈步，在单腿支撑时神经系统如何调节保持身体的肌肉协调动作。利用什么样的性能指标函数来表示人脑协调控制所追求的目标等问题仍不清楚。本节通过实验和模型分析相结合重点研究摆动期的肌肉力协调和动力学协调控制模式。

2.实验方法

(1)实验任务和受试者

实验过程中，要求受试者在平地路况下正常行走。在数据采集前每个受试者，均行走3～5遍，充分适应设备和熟悉行走要求。实验开始后，为了保证受试者姿态自然、速度稳定，数据采集在不知会受试者的情况下开始。实验要求每个样本进行8次自然行走。

本实验共有53名志愿者参加，其中包括黑龙江工程学院田径队、篮球队。由于实验过程中部分受试者动作变形较大(运动员有伤)，我们从中选取了19名有代表性的运动员，男14名女5名，进行正常步态行走实验的数据分析。其中田径運动员的专项分别为三级跳和5 000米长跑，有一名男子三级跳运动员为运动健将，其他人为一级运动员，健康状况良好。

实验中受试者下身穿紧身运动短裤，以保证肌电信号电极不受影响和明确标示运动中肢体的位置。受试者相关生理参数如表1—1所示。

通过最优控制计算，可以了解实现正常步态摆动期各肌肉的协同关系和控制模式。

图1-1是模型计算的肌肉活性与样本测量的EMG模式比较，可见理论计算和实验结果还是基本相符的。上述肌肉模式分析结果也表明。模型采用能量消耗最少为优化目标求解符合人体正常步态摆动期的控制模式。

三、步态参数模型的应用

步态分析采用的方法众多，涉及的参数也有很多种，如何从这些参数中提取出稳定可靠的参数对分析也是至关重要的，有人对此进行了专门的研究。R.White等人认为为了确保数据的再现性每种数据应该重复测量35525次，在他们的实验中测量分三天进行，每天测量三次。他们引入了变化率的概念

他们的实验结果表明实验中测得的足地垂直方向的力具有相当好的可重复性，前后方向力的可重复性稍差，左右方向力的可重复性最差。因而要想对整个力一时间曲线进行分析需要有更先进的统计学方法，在分析过程中对参数的选择也要慎重考虑。

对于不同目的的实验，实验要求和数据的选取原则也是不同的。例如AlanCrowe等人在研究人体质心运动时提出的有效实验选取原则。

1.足应落于特定区域。

2.为满足对z方向运动的要求。剔除一次实验中左右侧z方向峰值的平均值与体重的差异超过1.5％的实验。

3.为了确保步速的一致性，需剔除两次实验中时间周期差异超过扬的实验。

四、结论

人体的下肢相对于上肢来讲，其运动基本在2维空间，而且在运动学协调方面已有较多的分析，但是对其动力学协调及控制机理的研究仍是一个重要课题。

研究了自然步态摆动期肌肉力的协同变化规律。发现神经系统会将肌肉之间结成不同的协同肌群，并控制三组不同的协调肌群按照特定的时序结构去执行运动的加速、制动和姿态控制，分为三个阶段，这表明人体运动协调元的出现过程具有时序特征。肌肉力模式分析结果表明能量消耗(产生)最少为反映人体正常步态摆动期的控制目标。同时发现，神经控制信号与肌肉力之间的变化情况存在一定的差异，反映肌骨系统输入输出的复杂映射关系，需要进一步加以深入研究。

(编辑李舶)