跑臺速度與坡度對步態的影響

尹建娜

(福建師范大學體育科學學院，福建 福州 350108)

步態是指人體在行走時的姿態，是人體通過足趾、踝、膝、髖進行的一系列活動，使身體沿著一定的方向上移動的過程。

目前國內外采用布帶、測力板和三維運動捕捉系統來分析步態參數，多應用于臨床或是康復診斷。對正常步態、異常步態，行走時各個關節動力學和運動學參數規律有了大量研究[1-2]，但針對跑臺上控制速度和坡度研究步態參數變化的研究并不完整。本研究采用H/P/COSMOS，Gaitway一維測力跑臺，它具有直接控制速度與坡度，并獲得連續的步態的優勢。旨在通過對不同速度和不同坡度的控制，比較受試者在步態跑臺步態參數的異同。為使步態跑臺更好地應用于健身、運動訓練以及臨床康復提供參考和建議。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究的受試對象為14名有一定訓練經歷的大學生。受試者近半年無下肢損傷，且近期沒有在跑臺上跑步訓練的經歷[3]。受試者基本情況見表1。

表1 受試者基本情況統計

1.2 實驗設計

為使實驗所采集的數據真實有效，受試者先進行第一階段的適應練習，即設定實驗所需的三個不同的速度與坡度，進行6 min的適應。第二階段，依次設定慢速(1 km/h)、常速(3 km/h)、快速(5 km/h)進行測試，所有的測試在水平面上進行；第三階段，依次設定坡度2°、4°、6°。每一速度、坡度均進行4次測試[4]，每次為10 s。數據的記錄在到達設定速度30 s后開始。實驗過程要求受試者在跑臺上自然放松，重心落在兩塊測力板之間，一只腳落在相應的測力板上，全程不能借力扶手。

1.3 統計學分析

本研究運動學參數包括時空參數和動力學參數。時空參數為步態分析中描述時間和空間位置的參數。選取國內外研究經常采用的步幅、步長、步態周期、雙腳支撐時長等作為時空分析參數。動力學參數為最大力值、支撐力、觸地受力時長等。

步態參數采用SPSS19.0軟件對數據單因素方差分析、Pearson相關性分析、配對t檢驗，以判定行走步速及坡度對步態參數的影響。

2 結果與討論

2.1 不同跑臺速度行走

2.1.1 時空參數分析

由表2可以看出，步幅、步長和速度均顯著性正相關，即當速度增加時，步幅、步長也變大。雙腳支撐時長、單腳支撐時長和每步時長、步態周期與速度呈負相關，即隨著速度的增加，其參數的值有減小的趨勢。

表2 不同速度下的步態時空參數±s)

本研究結果在一定程度上支持了張美珍(2011)[3]與M.Toth-Tascau(2011)[5]的研究，即受試者在跑臺行走時步長增加，步幅增大。他們的研究結果還顯示，在跑臺以不同速度奔跑時，受試者表現為騰空時間延長而支撐時間縮短。本研究結果表明，在跑臺上以慢速與快速行走時，受試者雙腳支撐時長減少。這說明，雙腳支撐時長隨著速度的增加而減少，當速度達到一定值時，它趨于0，即走和跑最大的區別在于雙腳支撐時長是行走特有的一個階段。

2.1.2 動力學參數分析

表3顯示了各動力學參數在不同速度行走時的均值與標準差。從表中可以看出以1 km/h在跑臺上行走時，推動力、支撐力、觸地受力時長都最大，這可能是由于受試者在行走時的速度很慢，身體姿態不能完全自然放松，落地的每一步都緩慢且完整。1 km/h與5 km/h時的步態參數相比較，隨著速度的增加，觸地受力時長減短，推動力減少，支撐力減小。這說明，為了維持原有的行走速度，受試者必須增加左右腳替換的速度。最大力值、碰撞峰值力兩個參數的值也是隨著速度的增加呈遞增的趨勢。X軸方向平均力值的改變與速度呈正相關，這可能是因為以不同速度行走時，髖關節前后運動軌跡的上下波動較大。

表3 不同速度下的動力學參數±s)

2.2 不同跑臺坡度行走

2.2.1 步態時空參數分析

由表4可以看出，步長、步幅隨著坡度上升而增加，單腳支撐時長、步態周期與坡度呈負相關，這可能與上坡行走時，受試者為了保持原有的行走速度，加大了前擺動作的幅度，增加了髖關節的屈曲程度，加強了后蹬與支撐腿肌肉的快速收縮有關。雙腳支撐時長隨著坡度的改變而延長。這一系列參數的改變說明隨著坡度的改變，使得人們自然而然通過對步態的調整來保持原有的運動。

表4 不同坡度下的時空參數±s)

2.2.2 步態動力學參數

由表5可見，隨著坡度的增加，觸底受力時長、推動力、支撐力均變小了。這可能是因為上坡行走時，除了克服本身運動所做的功，還要克服重力做的功，腳從著地到緩沖比平地行走過渡的要快。這就使得支撐力、推動力減小，受力的時間也縮短了。最大力值、碰撞峰值力兩項參數與坡度呈正相關。

Leroux[6]等人研究了人在不負重時行走于斜面的步態變化,指出步態參數受斜坡影響比較明顯。從而使保持平衡更為困難。而本研究只發現推動力、觸地受力時長在坡度不同時，存在顯著性差異。這可能是因為本研究所選用的坡度差太小，未能全面反映坡度對其他相關參數的顯著性影響。在接下來的研究中將重點解決跑臺坡度對步態的影響。

表5 不同坡度下的動力學參數±s)

3 結論與建議

3.1 結論

1)步幅、步長與速度均顯著正相關。雙腳支撐時長、單腳支撐時長和每步時長、步態周期與速度呈負相關。以1 km/h在跑臺上行走時，推動力、支撐力、觸地受力時長都最大。1 km/h與5 km/h時的步態參數相比較，隨著速度的增加，觸地受力時長減短，推動力減少，支撐力減小。最大力值、碰撞峰值力兩個參數的值也是隨著速度的增加呈遞增的趨勢。X軸方向平均力值的改變與速度呈正相關。

2)步長、步幅、雙腳支撐時長隨著坡度上升而增加，單腳支撐時長、步態周期與坡度呈負相關。隨著坡度的增加，觸底受力時長、推動力、支撐力均變小。最大力值、碰撞峰值力兩項參數與坡度呈正相關。X軸方向平均力值的改變與速度呈正相關。

3.2 建議

行走速度和坡度是影響其他步態參數的重要因素之一，所以跑臺速度和坡度在步態空間參數上影響必須納入跑臺步態研究的分析中。在應用跑臺進行運動訓練、健身、康復時，可根據不同的目的，適當調整速度與坡度。

再者，目前的研究多集中于康復治療，關于機理的研究還較少。如何將跑臺步態分析應用到預防中，健康人群身體機能較好的步態如何，運動技能強的運動員步態如何，都需要根據步態參數來發展相對薄弱肌肉或關節，從而達到預防。

[1]CHAU T.A review of analytical techniques for gait data.Part 2: neural network and wavelet methods[J].GAIT & Posture,2001,13(2):102-120.

[2]孫泊,劉宇,李海鵬,等.跑臺與地面上步態比較研究[J].上海體育學院學報,2012，36(6):47-51.

[3]張美珍,曲峰.跑臺和地面上跑動時的生物力學分析[J].北京體育大學學報,2011，34(11):55-57,61.

[4]陳龍偉,王玨，高琳，等.正常青年人步態時空和運動學參數的可靠性分析[J].中國體育科技,2012，48(2):83-85.

[5]M.TOTH-TASCAU，D.I.STOIA.Influence of Treadmill Velocity on Gait Characteristics-Case study of a patient with Ankle Instability [J].MEDITECH,2011(6):371-375.

[6]LEROUX A, FUNG J, BARBEAU H.Postural adaptation to walking on inclined surfaces: I.Normal strategies[J].GAIT & Posture,2002,15(1):64-74.