步態研究及其應用

　　摘 要： 步態研究日益成為生物力學研究的重要課題之一，本文通過對步態研究方法及研究的熱點問題的綜述，指出步態研究方法在朝向實用性、準確性、系統性方向發展。步態研究的應用能夠為行走功能評定、指導治療、療效評定，以及行走輔助功能設計提供參考外，應深入研究步態與人體運動的關系問題。
　　關鍵詞： 步態研究 研究方法 正常步態 不正常步態 應用
　　
　　人出生后大約12—15個月就開始獨立行走。此后一生中，步行成為人體活動最基本的方式之一，人的步行姿態在一定程度上是與人體所處生物學因素及環境因素相互作用的體現。步態分析是對人體步行從運動學、動力學、肌肉工作特征及其運動控制等方面，進行系統的分析研究。研究者們通過對步行姿態（步態）的研究，對人的行走功能進行評定、對疾病的恢復效果進行評價、對不正常步態進行矯正、對行走輔助功能提供參考。步態研究已經成為生物力學及醫學界的一個重要課題，國內外學者們對此做了廣泛而深入的研究。本文通過對步態研究的方法、研究進展等方面作綜述，希望為以后步態問題的深入研究提供參考。
　　1.步態研究的方法的發展
　　隨著人類科技的進步，步態研究的方法在不斷更新。從原始的肉眼觀察、簡單工具測量到應用數碼攝像技術、計算機模擬，到目前最為先進的步態系統研究方法。方法的更新和進步使步態研究更加準確和豐富，為人類的健康作出了巨大的貢獻。
　　1.1肉眼觀察法
　　19世紀德國生理學家webers兄弟首先發表了對人體的基本位移形式—步行的研究。由于受到當時條件的限制，他們采用了觀察法，通過素描及繪畫的方法對步態進行了描述［１］。這也是較早對人體步態的研究之一。很顯然，這種方法的精確性差，而且僅能夠粗略地描述人體的步態。所以，這種方法隨著時代的發展已經不再為人們所采用。但是，他們的研究方法引發了人們對步態研究的無窮探索。
　　1.2走紙法［２］
　　走紙法是一種較為古老的步態研究方法。它是通過對測試者所走過的足跡進行測量，借助簡單的工具進行步態分析的方法。這種研究法所能得到的參數很少，而且測試的工作量較大，且因為測量工具問題誤差較大。至今，這種方法逐漸被淘汰。從研究方法學來說，這種方法是人類利用測量工具研究步態的開始。
　　1.3攝影攝像法
　　隨著科學技術的發展，人們開始利用性能較高的攝影攝像技術分析人體步態。使用兩到三臺互相垂直的攝像機對人體正常步行進行拍攝。然后利用計算機分析系統對步態參數進行測定。這種方法的精確度較高，參數分析的范圍比以往任何方法都要大。通過這種方法，我們可以得到步態的時間、空間、時間—空間參數，包括人體步行時的重心曲線，肢體各關節的運動曲線等。通過這些數據，我們可以對人體步行的穩定性、協調性、節奏性、對稱性進行評價，從而為疾病恢復、步態矯正、假肢研制等提供重要的參考。這種方法的缺點是反饋速度慢，以及對一些力學參數的測定無能為力等。所以目前研究者主要用攝影攝像法與三維測力臺配合使用，使研究更加全面，更加有說服力。
　　1.4三維測力臺法
　　這種方法是讓測試者在測力臺上按測試要求正常步行，測力臺的內部的電阻受壓后，應變片因拉伸或壓縮而產生電阻的電信號變化，通過放大后進入連接的計算機處理［３］。通過這種方法，我們可以獲得步態的力學參數，如足底壓力分布、空間各方向的分力、與地面的支撐反作用力等。通過這些參數，我們可以對行走的穩定性、對稱性等進行評價。目前這一技術已經比較成熟，典型的有kistler測力臺和AMFI測力臺。測力臺所得力學參數與數碼影像分析所得的時空參數相結合，綜合人體相關生理知識，我們已經能夠對步態進行較為精確的描述。
　　1.5步態分析系統法
　　它由計算機、測力板和測角儀組成，利用隨身攜帶的單片機，記錄由測角儀測得的關節角度信號，并由與測力板以及安裝在步行道上的壓力開關相連的光電裝置，控制單片機和測力板的同步周期采樣，測試完畢后，用串行通訊方法將單片機的采樣信號輸入計算機處理，而整個步行采用無電線連接測試，并針對以往簡易步態測試裝置不能確定人體位置的不足，建立了能確定著地足位置的積分方程，再利用測角儀測得的關節角度信號和用多剛體力學建立的人體步行運動學、動力學程序，使得它像各種先進的紅外步態分析系統一樣，計算出步行的各種能量變化、人體行走位置、關節受力和肌肉力矩等。我國也開展了各種簡易步態分析系統的研究，較有代表性的工作有：微機化步態分析系統［４］和靴式步態分析系統［５］。
　　2.步態研究的進展及對人類健康所作的貢獻
　　2.1對不正常步態的研究及對人類健康的貢獻
　　所謂不正常步，即步態特征的變化超出正常范圍。whittle（1996）列出四點被視為不能正常行走的特點，一是兩腿不能交替支持人體重量，二是在單腿支撐時不能靜力性或動力性保持平衡，三是擺動腿不能前擺到一位置上從而變為支撐的作用，四是力量不足以令下肢移動的同時帶動上肢。異常步態有時很明顯僅憑肉眼觀察就可看出，而有時必須通過實驗儀器才可以得出步態異常。
　　近年來，以步態分析的方法來評估及治療肌肉骨骼和神經方面的研究發展迅速，并由此進一步推動了對不正常步態的深入研究。這方面的研究很多，如劉永斌［６］等人對三截一癱殘疾者進行步態測試，以反映人體行走姿態變化時間歷程的周期、時相及反映支撐反力的三維離曲線為基礎，用特征函數的基本概念進行歸類組合，提出5個相應的經驗公式，以此對三截一癱患者的行走功能進行評定。Rozendal［７］等通過三維步態分析系統提供三維平面的地面與反力的向量圖，繪出偏癱病人足—地接觸力的向量環，可以發現健側和患側下肢的力量環和形態明顯不同，借此可客觀評定步態異常機理。Granataetal.（2000）［８］通過步態分析，研究延長肌腱的治療方法對兒童腦癱病人的影響，等等。除此以外，臨床步態實驗室也在不斷增加。對于不正常步態的研究，可以幫助早期偏癱、腦癱等功能性疾病的診斷，還可以通過矯正促進疾病的恢復。醫學界正在越來越多地應用步態研究成果為人類健康服務。
　　2.2對正常步態的研究及應用
　　一個正常的步態周期，通常由腳跟著地開始，至同側腳跟再次著地為止，包括支撐和擺動階段［９］。對正常步態的研究主要是從步態的時間、空間、時—空、力學等參數入手研究各年齡段、各類不同職業的群體、不同形體特征的步態差異，對人類的步行規律及相關影響因素進行探討。
　　國內外研究主要集中于老年人、兒童等特殊人群的步態。而對于成年人特別是與步態與運動能力的關系的研究較少。如Hills and parker（1991）［１０］研究表明身高與步幅顯著相關。Mann and hagg（1980）研究表明，正常兒童以自然步速行走，支撐時間是整個步行周期的62%，且支撐時間似乎并不隨年齡而變化。只有在步行節奏改變時，如跑或快速步行時變化才比較明顯，其他學者的研究也支持了這一點。另外，granata，abel，anddamiano（2000）［１１］對下肢關節角度和關節角速度的變化做了研究，指出步行時關節角度的大小是與肌肉的活動和發力是相關的。北京體育大學趙芳、周興龍等（1996）［１２］分析139名普通中老年人在正常步行下的步態，其目的是研究從中年到老年這一衰老過程步態指標的變化，希望能將步態指標作為中老年人體質衰老的評價標準。另外，一些學者對肥胖兒童、長期負重、高跟鞋等對步態的影響也做了一些研究。這些研究對于人體步態矯形，塑造人的形體美，以及利用人體步態參數為肢體殘疾者制作合適的假肢，促進青少年形體的健康發展等起到了巨大的作用。不足的是對健康成年人步態與身體功能、步態與人體運動功能關系的研究還較少，相信隨著研究手段的日益完善，這方面會取得較大的進步。
　　
　　3.討論
　　3.1隨著科學技術的發展，對步態研究的方法也日益完善。從原始的觀察法、走紙法等發展到準確全面的影像技術、測力臺技術和步態測試系統。國內外很多學者仍然在努力嘗試研究更為科學的研究方法，并且陸續有報導。另外，因應醫學上對病態步態分析應用的要求，臨床步態實驗室不斷增加，并且朝向實用性、準確性、系統性、低成本方向發展。
　　3.2隨著研究方法的不斷進步，步態研究也在不斷深入，通過對正常步態從時間、空間、時間—空間、力學等參數的測定，對人體正常行走的規律及不同人群的步態特征的研究也取得了很大的成功。對一些特殊形體如肥胖、長期負重及等人群的步態也開始研究。這些研究對評價人體行走功能、矯正不正常步態等提供了科學的依據。病態步態方面的研究如“三截一癱”者步態，為科學診斷及恢復治療、恢復評定提供了重要參考。不足的是，對步態與運動功能的關系，健康成年人步態與身體功能的關系等的研究還較少，希望這方面能夠引起研究者的重視。
　　
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　　［11］Granata，K.p.，Abel，M.F，Damiano，DL.，Joint angular velocity in spastic gait and the influence of muscle-tendon lengthening.Journal of Bone and Joint Surgery，2000，82，（2）：174-186.
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