人體步態的生物力學特征與步態分析

姜丹陽

摘 要 步行是人類運動最基本的方式， 加強對步態的動作研究，有利于我們對人體運動規律進行更深入的了解，有利于人體運動障礙疾病的治療和恢復。本文在國內外相關研究成果的基礎上，總結歸納出步態的一般生物力學原理和步態分析的基本方法，為進一步對步態的研究奠定基礎。

關鍵詞 步態 生物力學 研究方法 分析

一、步態的生物力學原理

步態是人類步行的行為特征。步行是人類生存的基礎，是人類與其它動物區別開來的關鍵特征之一。正常時的步行不需要思考，然而步行的控制卻是十分復雜的，包括中樞命令，身體平衡以及協調控制，涉及足、踝、膝、髖、軀干、頸、肩、臂的肌肉和關節的協同運動。其中任何環節的失調都有可能影響到步態。 步行是全身肌肉參與，包括人體重心移位，骨盆傾斜旋轉，髖、膝、踝關節伸屈及內外旋展等，使人體發生位移的一種復雜的隨意性運動。行走過程中，從一側腳跟著地開始到該腳跟再次著地形成1個步態周期。對指定的下肢而言，1個步態周期活動可分為支撐時相和擺動時相。支撐時相又分為腳跟著地、腳趾著地、支撐中期、腳跟離地、蹬離期和趾離地諸動作階段。擺動時相分為加速期、擺動期和減速期。正常行走時，支撐時相約占整個步態周期的60%—65%，因此，當一側下肢進入支撐時相時，另側下肢尚未離地，兩下肢同時負重稱為雙肢負重期。雙肢負重期約占全周期的28.8%，占支撐時相的44.8%，支撐時相的其它時間為單肢負重期。隨著年齡的增長，單、雙支撐時相占步態周期的比例也隨之增加。不同性別和身高的人，其支撐時相和擺動時相所占的比例無明顯差異。

二、步態分析

步態分析是用運動生物力學的概念、處理手段和已經掌握的人體解剖、生理學知識對人體行走的功能狀態進行分析的一種生物力學研究方法。隨著科學技術的發展，由先進的傳感器、高速攝像機、微型計算機等組成的綜合步態分析系統，使步態分析方法得以在康復醫學研究中越來越深入的開展，該系統可不受外界干擾，同時提供行走時人體的重心的空間位移、速度、加速度、地面支反力、肌肉及關節活動情況、關節內力及力距的變化等多種人體運動的信息，1個人的步態將會像體溫、血壓那樣，從1個側面反映出人體的健康狀況和病態特征。其中影響步態的六大因素分別為：髖部旋轉，髖部側面下降，支撐階段的膝關節彎曲，踝關節的滾動運動，下肢在平面中的轉動以及膝內收。

（一）步態的運動學分析。運動學是研究步行時肢體運動時間和空間變化規律的科學方法，主要包括：步行整體時間與空間測定和肢體節段性運動方向測定，主要圍繞影響步態的6大因素的測量，來進行運動學分析

（二）步態的動力學分析。動力學分析是對步行時作用力、反作用力強度、方向和時間的研究方法。牛頓定律、多體系統動力學原理是動力學分析的理論基礎。

（三）正常步態分析。步行的基本功能從某一地方安全有效地移動到另一地方步行是涉及全身眾多關節和肌群的一種周期性運動，正常步行是高度自動化的協調穩定的運動，也是高度節約能耗的運動。通常采用目測方法，就能夠判斷考察對象步態是否異常。正常步態應該體現出如下特征：（1）合理的步長、步寬、步頻。（2）上身姿勢穩定。（3）最佳能量消耗或最省力的步行姿態。從運動生物力學的觀點來考察步行運動，其正常步態應該具備出如下生物力學特征：（1）具備控制肢體前向運動的肌力或機械能。（2）可以在足觸地時有效地吸收機械能，以減小撞擊，并控制身體的前向進程。（3）支撐相有合理的肌力及髖膝踝角度，以及充分的支撐面。（4）擺動相有足夠的推進力、充分的下肢地面廓清和合理的足觸地姿勢控制。

（四）異常步態分析。人體由于遺傳、疾病、意外傷害等諸多因素，都有可能造成步行障礙，使步行周期中某環節發生改變，導致步態改變，出現錯誤步態。嚴重改變還會導致病理步態，甚至喪失步行能力。異常步態分為以下幾種：支撐相障礙，擺動相障礙，傾斜步態，回旋步態以及硬膝步態。造成上述錯誤步態的主要原因是：（1）關節僵硬肌肉攣縮使肌肉群的平衡性遭到破壞。（2）臀肌，股四頭肌和腓腸肌的軟弱無力使患肢支撐力不足。 所以，骨折后早期的功能鍛練要根據各自骨折的不同特點，注意加強臀肌，股四頭肌和腓腸肌的功能鍛煉，為日后的正常步行做好準備。

三、結論

臨床上的不同疾病會產生不同的步態異常現象，有些疾病甚至會出現典型的步態，例如小兒麻痹癥的跛足步態，帕金斯綜合癥的小碎步步態，腦卒中病人的劃圈步態。所以，加強對典型步態的研究，有利于對相關疾病的診斷、治療和恢復。 隨著現代測量技術、電子技術，尤其是計算機技術的迅猛發展，智能化的步態分析系統也在不斷完善。這使定量、客觀評價不同狀態下人體行走功能的研究領域大大拓寬，使有些復雜的功能性問題的研究同樣成為了可能。步態分析對人體運動系統和神經系統的疾病病因分析和診斷，手術和康復訓練成效的判定，骨關節假體的設計以及截癱病人行走功能的重建等都具有重要意義，目前已經成為了臨床研究中不可或缺的重要手段之一。

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