不同年齡健康人平地行走時足底壓力對比分析

喬 剛，張建國，劉合榮

(天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

不同年齡健康人平地行走時足底壓力對比分析

喬 剛，張建國，劉合榮

(天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

針對年齡因素對成年人平地自然行走時足底壓力的影響進行研究．采用三維測力臺系統，對20名不同年齡段的健康成年人在平地自然行走時的地面反力進行數據采集，經歸一化處理后得到足底壓力在前后、左右、豎直3個方向上的力-時間曲線圖，運用統計學方法對步態特征量進行統計分析，把不同年齡段人平地自然行走時的足底壓力分布進行對比分析．結果表明，不同年齡段人在平地自然行走時的足底壓力分布存在一定程度上的差異性：老年組在豎直方向和前后方向上的步態時間參量要小于青年組，這可能是由于老年人行走時步長較小，使得身體重心經過髖關節的時刻要早于青年人．

年齡；平地自然行走；足底壓力

本文從分析足底壓力的角度，對不同年齡段健康成年人在平地自然行走時的足底壓力進行數據采樣，并進行對比分析，針對年齡因素對人體自然行走時足底壓力的影響進行研究．

1 實驗方法

1.1 測試對象

測試對象根據年齡的不同分為青年組和老年組，每個組均為5名男性和5名女性，青年組年齡范圍為20～24歲，平均年齡為22歲，平均身高為(175.7± 2.3),cm，平均體質量為(65.8±2.1),kg；老年組年齡范圍為61～65歲，平均年齡為63歲，平均身高為(172.3±1.7),cm，平均體質量為(71.8±1.4),kg．所有測試對象均為身體健康、行動正常、無運動系統病史的成年人．在實驗進行之前，由實驗人員告知受試者實驗目的及實驗方案，所有受試者均對本實驗知情并同意，自愿參加本實驗．

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗環境

實驗環境主要包括實驗走廊和實驗設備．

實驗走廊由步道和測力平臺組成，其中測力平臺放置于實驗走廊的中心位置，平臺的前后各放置一塊與測力平臺等高平齊的步道，其尺寸為3,800,mm× 600,mm×60,mm．實驗走廊如圖1所示．

圖1 實驗走廊示意圖Fig. 1 Sketch map of walkway

實驗設備主要包括計算機、三維測力臺系統等．采用JP6060型三維測力臺系統采集足底壓力數據，該系統由測力臺采集系統(即測力平臺)、信號處理系統和數據分析系統組成．測力平臺的尺寸為600,mm×600,mm×60,mm，采樣頻率為300,Hz，靜態檢測誤差小于0.5%，根據實際需要可以調整檢測量程．信號處理系統和數據分析系統可以實現對數據的即時處理．

1.2.2 實驗過程

測試對象赤腳以正常步態自然走過測力平臺，即受試者以自己慣常的行走速度從一側步道的始端開始行走，經過測力平臺，行走至另一側步道遠端為止．在經過測力平臺時，須保證單腳完整地踩在臺面上以獲得左腳或右腳的完整的足底壓力數據．

為了確保能夠得到穩定可靠的實驗數據，在開始正式的測試之前，要求測試對象按照實驗要求先練習15,min，然后進行實驗．開始實驗之后，針對每一位測試對象的左腳和右腳分別進行10次測試，并記錄數據．這10次測試所得到的數據可以認為是穩定可靠的數據[6]．

1.3 數據處理方法

由測力平臺可以測得人體行走過程中在3個方向上的地面反力，即Y方向(前后方向)，X方向(左右方向)和Z方向上(豎直方向)的地面反力．為了消除測試對象個體之間的差異，對由測力平臺測得的3個方向上的地面反力數據進行歸一化處理：力學數據由測試對象的自身重力歸一化得到，時間數據需經過測試對象的單腳單支撐相歸一化得到．單腳單支撐相是指從左腳或右腳的腳跟接觸測力平臺開始直至該腳腳尖蹬離測力平臺的這段時間．

3個方向上的力學數據和時間數據經歸一化處理后可擬合得到測試對象足底壓力的力–時間曲線如圖2所示．圖2中的X軸為歸一化時間，即t/Ts(Ts為單腳單支撐相)，Y軸為歸一化壓力值，即F/W(W為測試對象自身重力)．

提取17個特征量作為步態參數進行統計學分析：其中，前后方向的力–時間曲線上提取7個特征量，左右方向的力–時間曲線上提取4個特征量，豎直方向的力–時間曲線上提取6個特征量，各個特征量的含義如圖2所示．針對所得到的數據，即每個測試對象的上述17個參數的10次左腳數據和10次右腳數據作為分析樣本，建立數據庫，進行統計分析．采用T檢驗的方法對青年組和老年組的17個步態特征量進行差異性分析，針對每一個特征量，把青年組和老年組的數據進行配對檢驗，當P＜0.05時，說明青年組和老年組的足底壓力分布存在顯著性差異，當P＞0.05時，說明青年組和老年組的足底壓力分布不存在顯著性差異[7–9]．

圖2 行走過程中地面反力在3個方向上的分力Fig. 2 Three dimensional ground reaction forces during level walking

2 實驗結果與數據分析

2.1 實驗結果

在對青年組樣本和老年組樣本平地自然行走時的足底壓力數據進行統計后得到的結果見表1—表3.

表1 Z方向的力-時間曲線圖6個特征量的統計結果Tab. 1 Statistic results of the six parameters from vertical force-time curve

表2 Y方向的力-時間曲線圖7個特征量的統計結果Tab. 2 Statistic results of the seven parameters from antero-posterior force-time curve

表3 X方向的力-時間曲線圖4個特征量的統計結果Tab. 3 Statistic results of the four parameters from medio-lateral force-time curve

2.2 數據分析

2.2.1 Z方向數據分析

Z方向上的分力是足底壓力的主要組成部分．正常行走時，一側足跟著地至該側足跟再次著地稱為一個步態周期．一個步態周期可分為6個轉折點．以左下肢起步為例：左足跟著地、左足放平、左足趾離地、右足跟著地、右足放平、右足趾離地分別為6個轉折點[10]．在一個完整的步態周期中，Z方向上的分力在每一轉折點處均有一極值存在，即一側足跟著地時存在一極大值F1，隨著該側足部放平，受力逐漸減小，直至該側足部完全放平時，受力達到一極小值F2，然后該側足跟離地，至該側足趾離地時又達到一極大值F3，由此可以看出Z方向上的受力曲線具有典型的雙峰特征．左、右腳受力曲線的最大峰值約為重力的1.1倍，最小峰值約為重力的0.85倍．

2.2.2 Y方向數據分析

Y方向上的力–時間曲線基本上是對稱分布的，有一個正的極大值和兩個負的極小值，正的極大值約為重力的17%，出現在單支撐相的18%處；兩個負的極小值約為重力的7%和23%，分別出現在單支撐相的4%和84%處．由于Y方向的正向與步行方向相反，所以在測試對象向前行進時，也就是在支撐相早期，由于在支撐足和地面之間產生的向后水平摩擦力，使得Y方向力為負；在支撐足全部落地并主動蹬離地面時，由肌肉產生的力向后推地面，在支撐足和地面之間產生向前的水平摩擦力，這時Y方向力為正[11]．

2.2.3 X方向數據分析

X方向以步行方向右側為正向，在X方向的力–時間曲線基本對稱且數值很小，最大值約為重力的7%．X方向受力反映了行走時步態穩定性狀況，正常人行走時X方向受力較小，這說明正常人行走的穩定性好[12]．

由以上分析可見，正常測試對象在測力臺上行走時，豎直方向即Z方向的地面反力數值較大，Y方向和X方向的地面反力數值均較小．Z方向的力–時間曲線具有明顯的雙峰形狀，X、Y方向的力–時間曲線均關于時間軸對稱．而如果測試對象存在行走障礙，其在測力臺上行走時穩定性狀況很差，具體表現為力–時間曲線分布不均且與正常人受力曲線差別較大．而且超出正常范圍值越大，其病情也越嚴重[11]．

2.2.4 差異性分析

采用T檢驗的方法對青年組和老年組樣本在平地自然行走過程中X、Y、Z這3個方向上的步態特征量分別進行差異性分析，統計結果見表1—表3．

T檢驗結果表明，在Z方向和Y方向上，老年組樣本的足底壓力數據與青年組樣本的數據相比，存在一定程度上的差異性，具體表現如下：Z方向上，青年組和老年組的左、右腳足底壓力數據在T1和T3處經T檢驗后均有P＜0.05，這表明無論是左腳還是右腳，青年組樣本和老年組樣本在平地自然行走過程中豎直方向上的足底壓力分布在T1和T3處存在顯著性差異；Y方向上，青年組樣本和老年組樣本的左、右腳足底壓力數據在T7處經T檢驗有P＜0.05，這表明無論是左腳還是右腳，青年組樣本和老年組樣本在平地自然行走過程中Y方向上的足底壓力分布在T7處存在顯著性差異．

需要指出的是，在Z方向上，無論是左腳數據還是右腳數據，老年組樣本步態力學參量F1、F2、F3的數據均小于青年組樣本的數據，考慮可能與老年人步速較青年人慢有關；對于步態時間參量T1、T2和T3，青年組樣本的數據總是大于老年組樣本的數據，這可能是由于青年人行走時步長較大，身體重心經過髖關節的時刻要晚于老年人[13]．此外，在X方向上，無論是左腳數據還是右腳數據，對于步態力學參量F7、F8、F9、F10，老年組樣本的數據均大于青年組樣本的數據，由于X方向受力反映了行走時步態穩定性狀況，青年組樣本行走時在X方向的受力較小，這表明青年人行走時的穩定性較好．

3 結 論

身體健康、行動正常的老年人在常速自然行走時的足底壓力分布與青年人相比并沒有顯著性的差異，只是身體重心經過髖關節的時刻要比青年人早一些，使得老年人行走時的步態時間參量要比青年人小一些．

［1］ 趙芳，周興龍. 老年人站立及行走穩定性的生物力學研究[J]. 北京體育大學學報，2003，26(2)：188–191.

［2］ 肖美痕. 老年人常速行走與快速行走特征的生物力學分析[D]. 北京：北京體育大學，2004.

［3］ 孟殿懷，勵建安. 臨床三維步態分析系統的組成、原理及其臨床應用[C]//首屆實用康復醫學論壇論文集. 2006：292–297.

［4］ 趙芳. 老年人步態特征的分析及其評價系統的初步建立[D]. 北京：北京體育大學，2002：3.

［5］ 伍勰，陸愛云，龐軍. 健康老年人常速行走的步態分析[J]. 上海體育學院學報，2000，24(2)：19–21.

［6］ Joseph Hamill，Mcniven S L. Reliability of selected ground reaction force parameters during walking[J]. Human Movement Science，1990，9(2)：117–131.

［7］ 全國統計方法應用標準化技術委員會. 數據的統計處理和解釋[M]. 杭州：浙江大學出版社，1991：24.

［8］ White R，Agouris I，Selbie R D，et al. The variability of force platform data in normal and cerebral palsy gait[J]. Clinical Biomechanics，1999，14(3)：185–192.

［9］ Simpson K J，Jiang P. Foot landing position during gait influences ground reaction forces[J]. Clinical Biomechanics，1999，14(6)：396–402.

［10］ 張瀟，盧世璧. 人體步態分析系統子系統：測力臺系統及其臨床應用[J]. 中國生物醫學工程學報，1998，17(4)：358–366.

［11］ 李愛萍，胡軍，劉合榮. 基于三維測力臺系統的人體步態分析[J]. 微計算機信息，2010，26(5-1)：226–228.

［12］ 張瀟，盧世璧，陸文蓮，等. 人體步態分析系統的研制及其在臨床骨科的應用[J]. 生物醫學工程與臨床，1997，1(1)：34–41.

［13］ Charnley J，Pusso R. The recording and the analysis of gait in relation to the surgery of the hip joint[J]. Clinical Orthopaedics and Related Research，1968，58：153–164.

責任編輯：常濤

Comparative Analysis of Plantar Pressure in Normal People of Different Age During Level Walking

QIAO Gang，ZHANG Jianguo，LIU Herong
(College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

To investigate the influence of age on plantar pressure in normal people during level walking，ground reaction force data from 20 normal people of different age were collected through the employment of three-dimensional force platform system，and the force data in anterior-posterior，medio-lateral and vertical directions were normalized and transformed into force-time curves. Characteristic parameters were selected and analyzed by using statistical methods. The plantar pressure in normal people of different age was comparatively analyzed. Results show that a certain degree of difference was found in the plantar pressure distribution in normal people of different age during level walking：for the old group，the time parameters of gait in vertical and anterior-posterior direction came earlier than those in the young group. It may be due to the fact that the step length of the old person is smaller than that of the young person and the gravity center of the body crosses the hip earlier in the old group than in the young group.

age；natural level walking；plantar pressure

R318

A

1672-6510(2012)03-0055-05

行走是人們日常生活中重復最多的一種動作，而正常行走又是人們日常生活活動的重要組成部分，對行走異常患者的行走能力進行改善和恢復是康復醫學的一項重要內容．可見，正常行走在人們日常生活中具有十分重要的意義，對于老年人來說更是如此．但隨著年齡的增長，人體在行走過程中存在著行走晃動不穩、關節運動幅度減小以及韌帶彈性下降等現象[1]．前人的研究[2]表明，老年人的摔倒中有約53%是由于行走或站立的不穩定造成的，而摔倒又會引發其他疾病，給老年人帶來極大的痛苦，同時給家庭和社會帶來巨大的負擔．因此，就不同年齡段人體自然行走時的足底壓力分布進行研究是十分必要的．

有關足底壓力的研究，國外起步較早[3]：Carlet于1872年設計了一個鞋底充氣袋，記錄了人體行走時的足–地作用力；Elftman使用自行設計的測力板對作用于人體足上的動力學參數進行了精確的測量．從20世紀80年代開始，對足底壓力的研究才開始在國內受到重視．1986年，戴尅戎等[4]使用微機步態分析系統對41名正常人平地行走過程中足–地接觸力進行了三維分析．1999年，伍勰等[5]使用三維測力臺系統對人體行走過程中的足–地接觸力進行了記錄和分析．目前國內在人體足底壓力研究領域，仍處于模仿國外研究的階段，而且在研究的細致程度上也相對落后．

2012–01–05；

2012–02–25

天津市應用基礎及前沿技術研究計劃(10JCZDJC23000)

喬 剛（1985—），男，河南南陽人，碩士研究生；通信作者：張建國，教授，tustzjg@163.com.