基于膝關節支撐的人體坐立轉換運動軌跡研究

張輝，薛強，王興濤

1.天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監控重點實驗室，天津科技大學機械工程學院，天津市 300222；2.山東勞動職業技術學院智能制造系，山東濟南市250300

坐立轉換(sit to stand,STS)被認為是日常生活中最常見的功能活動，它是站立行走的必要前提[1]。Dall等[2]的研究指出，健康的成年人平均每天進行(60±22)次坐立轉換動作[3]。站立是一項復雜的任務，其特征是從一個穩定的姿勢轉移到另一個穩定的姿勢，即從坐姿到站姿的位姿變換，在這個過程中除了腳以外，身體的每個部位都要運動[4]。從坐到站的轉換過程需要身體各部分的協調運動，這有助于維持軀干重心(centre of gravity,COG)的平穩，使身體在坐立轉換期間不失去平衡[5]。

日常的坐立轉換過程，健康人群無需太費力就可以做到，但老年人或下肢功能障礙患者很難順利完成[6-7]。近年來，隨著我國老齡化問題的加劇，腦卒中、脊椎損傷等疾病引起的下肢功能障礙患者急劇增加[8-10]。對于老年人或下肢功能性障礙患者，在沒有照護人員的幫助時，很難獨立完成坐立轉換以及行走訓練，這使得他們的生活自理能力降低，給患者和家庭造成沉重的經濟負擔和心理負擔[11]。

坐立轉換的順利完成受多種因素的影響，主要包括年齡、體質量、座椅高度、外部輔助、腳部位置等[12-14]。Gilleard 等[15]的研究顯示，對于肥胖人群，坐立轉換過程中軀干前屈運動受限，坐位時，較多的脂肪組織堆積在大腿上，大腿前側和腹部的脂肪組織重疊在一起會限制身體的前屈，向前穩定性降低。肥胖者在坐立轉換時，足間距離相對更寬，隨著體質量指數(body mass index,BMI)增加，足間距離也隨之增加，更寬的足間距離可以減少骨盆對前傾的阻礙[16]。Jeon等[17]的研究顯示，坐立轉換與腳的初始位置有關，雙腳足位對稱時，如初始足位更靠前(膝關節夾角更大)，需要身體質心前進速度更快，這可能導致身體搖擺，平衡不穩定。Turcot 等[18]的研究顯示，足外展角影響人坐立轉換過程的時間參數和膝關節屈曲力矩；隨著足外展角的增加，坐立轉換時間隨之增加；關節病患者可通過調整足外展角度，改變運動學參數，降低繼發性關節病的風險。

在國內外關于腳部位置研究中，基于膝關節支撐的足間距離的研究相對較少。日常坐立轉換過程都是在膝關節或腿部在沒有任何支撐的情況下進行；但是對于老年人及患者來說，在膝關節或腿部給予一定的支撐可以減少坐立轉換的困難。

本文基于膝關節支撐研究人體坐立轉換軌跡及運動學規律，為接下來設計具有膝關節支撐的轉移助行輔具提供依據，并針對不同老年人及患者制定不同的康復訓練方案，以減輕看護人員的壓力。

1 對象與方法

1.1 對象

2019 年4 月至6 月，在天津科技大學招募20 例健康志愿者進行試驗，其中男性12 例，女性8 例，共分三組進行試驗。第一組身高165～172 cm 男性6 例，平均體質量65.4 kg；第二組身高173～178cm 男性6 例，平均體質量68.5 kg；第三組身高160～170 cm 女性8例，平均體質量51.3 kg。

納入標準：①無認知障礙，可配合完成測試；②無既往病史或影響身體運動的后遺癥；③無平衡功能障礙。

排除標準：①下肢功能性障礙；②髖關節屈曲或外展畸形；③有偏癱、關節炎等。

所有受試者均預先了解試驗過程和目的，并簽署知情同意書。本研究已通過天津科技大學機械工程學院的倫理審查。

1.2 研究假設

為了明確坐立轉換評估的步驟，我們提出了以下幾點假設：①所有的試驗主要在矢狀面進行；②手臂被要求交叉放在胸前，不直接參與運動，假定為固定在軀干上，不考慮手臂運動對站立的影響；③受試者被要求穿長褲或短褲，女性受試者不允許穿裙子，上身穿較貼身T 恤，不穿寬松外套，以減小試驗誤差；④膝關節處設置擋腿板，根據每個受試者坐姿位置不同，調節擋腿板位置并固定，保證與膝關節接觸舒適，不考慮擋腿板移動以及接觸面積的大小所帶來的誤差。

此外，在受試者身體一側的肩部(腋窩處)、膝關節側面用綁帶固定標記點，踝關節正下方的鞋側面貼固定點作為坐標原點用以建立Y-Z 平面坐標系(Y 表示在矢狀面的水平運動，Z 表示在矢狀面的垂直運動)，并在座椅上貼兩個固定點，用于校準，如圖1 左圖所示。

1.3 試驗方法

試驗開始時要求受試者坐在一個無扶手、高度為43 cm 的座椅上，且不倚靠椅背，上身挺直，雙腳平放地面，膝關節與擋腿板間的初始角度不做約束，以自然的姿態完成坐立轉換運動即可。在試驗過程中，運動速度盡可能保持勻速。如圖1 右圖所示，在膝關節支撐的前提下分別進行足間距離為20 cm 和足間距離為30 cm 的坐立轉換試驗。采用高清相機記錄試驗過程中受試者肩部(腋窩處)和膝關節處的運動軌跡。每個試驗重復兩次，間隔1 min。

從坐到站共分為三個階段，如圖2所示。

階段Ⅰ(Phase Ⅰ)：軀干前屈階段，從最初坐位到軀干前屈至最大值，臀部即將離開座位。

階段Ⅱ(Phase Ⅱ)：重量轉移階段，臀部離開座位，重量支撐點從臀部轉移到腿部，身體上升前傾到最大值。

階段Ⅲ(Phase Ⅲ)：腿部伸展階段，腿部伸直達到站立姿態。

圖1 坐立轉換試驗

圖2 坐立轉換三階段

2 結果

2.1 身高

坐立轉換軌跡見圖3。第一組足間距離20 cm 時比30 cm 時lift-off 點提前，且身體前傾距離更小。見圖4。第二組足間距離30 cm 時比20 cm 時lift-off 點提前，且身體前傾距離更小。見圖5。第三組與第一組基本一致。見圖6。

圖3 坐立轉換軌跡

2.2 體質量

選取第一組和第二組受試者，根據BMI分為正常者(18.5～23.9 kg/m2)和肥胖者(＞23.9 kg/m2)。正常者足間距離20 cm 時比30 cm 時身體前傾距離??；肥胖者足間距離30 cm 時比20 cm 時身體前傾距離小。見圖7。

2.3 運動學參數變化分析

將肩部標記點在Y軸上的坐標設為Xt(圖8)，對比足間距離為20 cm 和30 cm 時，各組初始位置(Time 1)、軀干前屈最大位置(Time 2)、身體前傾最大位置(Time 3)、完全站立(Time 4)四個時刻的Xt值(圖9)。計算相鄰兩個時刻的Xt差值。

第一組和第三組各階段足間距離20 cm 時Xt差值更小；第二組各階段足間距離30 cm 時Xt差值更小。見表1。

第一組和第三組足間距離20 cm 時坐立轉換所用時間略短；第二組足間距離30 cm 時坐立轉換所用時間略短。肥胖者(BMI＞23.9 kg/m2)坐立轉換時間略長。見表2。女性坐立轉換時間略長于男性。所有受試者坐立轉換平均時間(1.7±0.05)s。

3 討論

從坐到站是日常生活中必不可少的功能活動，它是恢復行走能力的重要前提。坐立轉換運動是提高下肢力量，尤其是膝關節伸肌(股四頭肌)力量最有效的阻力訓練方式之一。膝關節伸肌力量在50歲以后每年以2%～4%的速度下降[19]。在膝關節處給予一定的支撐可以提高站立輔助效果，幫助老年人或下肢功能障礙患者以較舒適的方式進行坐立轉換。

圖4 第一組肩部和膝關節平均值軌跡圖

圖5 第二組肩部和膝關節平均值軌跡圖

圖6 第三組肩部和膝關節平均值軌跡圖

圖7 不同BMI受試者的坐立轉換肩部軌跡

圖8 Xt值示意圖

圖9 坐立轉換各階段Xt差值圖

表1 各組各階段足間距離Xt差值比較(mm)

表2 各組坐立轉換時間參數(s)

分析坐立轉換的運動軌跡時，需要考慮性別、身高和體質量對軌跡的影響。lift-off 點的位置和身體前傾值是判斷站立難度的指標。本研究顯示，足間距離影響受試者的運動軌跡；隨著身高的增加，增大足間距離可以使人的站立更加容易。隨著身高的增加，小腿和大腿隨之增長，這會影響坐立轉換過程中關節的伸展方式；同時髖關節伸肌在上升前較早啟動(階段Ⅱ)以減慢身體質心的前進速度，減少站立后姿勢搖擺[20]。BMI越大的人傾向于選擇更大的足間距離，且軀干前屈位移縮短，這說明隨著BMI的增加，增大足間距離會降低站立過程的難度。肥胖是減少軀干前屈幅度的因素[21]，這是由于脂肪組織限制各關節的屈曲程度，并導致脊柱負荷較高，所以肥胖者傾向于減少軀干前屈來降低脊柱負荷[22]。本研究結果與Gilleard等[15]的研究基本一致。

本研究將坐立轉換運動分三個階段，即軀干前屈、重量轉移、腿部伸展至完全站立。通過對坐立轉換運動學規律的研究發現，對于不同身高、體質量人群，相對更適合的足間距離在這三個階段Xt差值會更小，表明身體前傾距離會更小。同樣，根據坐立轉換平均時間參數對比發現，隨著身高、BMI的增加，站立時間有所增加。Pataky 等[23]的研究表明，坐立轉換時間會隨著BMI的增加而持續增加，直到達到重度肥胖時，坐立轉換時間差異才會變小。本研究發現，男性站立時間一般小于女性，這是由于男性的肌肉力量較女性強，運動速度快，站立時間相對較短。

總之，本研究表明，足間距離明顯影響坐立轉換的順利完成，身高、體質量是重要影響因素。不同足間距離影響關節的伸展方式以及軀干前屈的位移和身體前傾的距離；隨著身高和體質量的增加，適當增大足間距離能夠降低人在坐立轉換時的難度。本研究結果可以為具有膝關節支撐的轉移助行輔具設計提供依據，為不同身高、不同體質量的人群提供定制方案，并且針對不同老年人及患者制定不同的康復訓練方案，以減輕看護人員的壓力。

綜上所述，本研究以膝關節支撐為前提，進行不同足間距離對坐立轉換影響的研究。不同足間距離影響關節的伸展方式，影響坐立轉換的難度。對于身高165～172 cm 的男性和身高160～170 cm 的女性，當足間距離為20 cm 時身體前傾距離較小，坐立轉換難度相對較小；對于身高173～178 cm的男性，當足間距離為30 cm 時身體前傾距離較小，坐立轉換難度相對較小。對于BMI＜23.9 kg/m2的正常者，當足間距離為20 cm 時軀干前屈位移較小，坐立轉換難度相對較小；對于BMI＞23.9 kg/m2的較肥胖者，當足間距離為30 cm 時軀干前屈位移較小，坐立轉換難度相對較小。隨著BMI的增加，足間距離會隨之增大，坐立轉換時間也隨之增加。女性坐立轉換時間略高于男性。