跨越水平障礙物時的步態(tài)特征

張峻霞，邵洋洋，王喆豪，楊芳

1.天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津市 300222；2.天津市輕工與食品工程機械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津市 300222

跨越障礙是造成跌倒最主要的原因之一。美國65歲以上成年人中，近1/3 每年都會跌倒，每年跌倒損傷治療費用約310 億美元[1]。跌倒后躺在地上超過1 h的老年人，事故后6 個月內(nèi)死亡的可能性達50%[2]。此外，跌倒對他們的情緒、身體和經(jīng)濟都有重大影響[3]。在跨障過程中下肢的運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)引起廣泛關(guān)注和研究。

Choi 等[4]將日常生活中出現(xiàn)的障礙物歸為4 類：具有傾斜角度的障礙物；水平方向上具有一定寬度的障礙物，如溝壑；臺階型障礙物；有一定高度的障礙物。現(xiàn)在對斜坡類[5-7]、臺階型[8-10]和高度障礙物[11-15]對人體影響的研究較多，但跨越類似于溝壑的障礙物研究較少。跨越水平方向障礙物導(dǎo)致下肢跨越運動學(xué)、動力學(xué)和生物力學(xué)變化，存在瞬間失穩(wěn)跌倒的潛在風(fēng)險。

正常人下肢在行走過程中有不對稱性[16]，不對稱性會增加老年人跌倒的風(fēng)險[17]；偏側(cè)性是引發(fā)步態(tài)不對稱的原因之一，受試者個體常表現(xiàn)出優(yōu)勢側(cè)偏好[16]，如右側(cè)優(yōu)勢者更傾向于向右側(cè)偏移。優(yōu)勢肢體和非優(yōu)勢肢體之間的時空步態(tài)參數(shù)[17]、動力學(xué)[18-22]和運動參數(shù)[23]存在統(tǒng)計學(xué)差異，下肢不對稱性或偏側(cè)性是影響損傷發(fā)生率的因素[24]。

本研究探索水平跨障中影響跌倒風(fēng)險的因素障礙物和跨越肢體，以期優(yōu)化跨障策略，降低跌倒風(fēng)險。

1 對象與方法

1.1 研究對象

2019 年9 月，從本院學(xué)生中招募健康男性受試者15 例，身高(1752±45.8)mm，體質(zhì)量(72±11.3)kg。所有受試者均為右利者，在過去12個月中未經(jīng)歷過跌倒或肌肉骨骼紊亂，未出現(xiàn)任何可能影響其步態(tài)和認知功能的病癥。

本研究經(jīng)天津科技大學(xué)學(xué)術(shù)委員會審查通過，所有受試者在參與前均知悉試驗方案，并簽署知情同意書。

1.2 方法

本研究包含兩個自變量：水平障礙物寬度和跨越肢體的選擇(非優(yōu)勢/優(yōu)勢)。

障礙物寬度設(shè)定參照文獻[25]并結(jié)合常見水平方向障礙物設(shè)定，如下水道寬40 cm，井蓋寬60 cm，公路隔離帶寬65 cm，汽車減速帶寬35 cm。本研究水平障礙物寬度設(shè)為0 cm(對照)、45 cm、55 cm和65 cm。

因變量為步態(tài)參數(shù)，其定義及縮寫見表1。

表1 步態(tài)參數(shù)定義

用4 塊AMTI 力臺搭建實驗路徑，每塊力臺面積60×40 cm，第2 和第3 塊力臺間隔一定距離，代表水平障礙物寬度。用Vicon 系統(tǒng)跟蹤受試者身體上16 個反射標(biāo)記點(分別位于雙側(cè)髂前上棘、髂后上棘、大腿中部、膝、小腿中部、腳趾、踝和足跟外側(cè))的運動[26]。

受試者了解試驗過程，熱身訓(xùn)練5 min，讓受試者熟悉測試環(huán)境。進行相關(guān)人體參數(shù)測量，固定反射標(biāo)記物。每例受試者共測試80 次，具體方案見表2。測試期間為受試者提供充足的休息，防止產(chǎn)生疲勞。

表2 試驗方案

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用MATLAB 2014b 軟件編制程序處理數(shù)據(jù)。提取一個步態(tài)周期，包括跨越肢體通過障礙的半步(跨越步)和跟隨肢體通過障礙的半步(跟隨步)。

采用MINITAB 18 進行數(shù)據(jù)分析。步態(tài)參數(shù)符合正態(tài)分布，以()表示。自變量對步態(tài)參數(shù)的影響采用單因素方差分析，有顯著性差異的變量采用圖基事后檢驗。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 障礙物因素

相比于無障礙物，跨越水平障礙物時，步速、CSl、CSt、步態(tài)周期、步幅、步長、TCl、TCt均顯著增高(P＜0.001)，步寬、TOD、HOD 明顯降低(P＜0.01)。隨著障礙物寬度增加，步速、CSl、CSt、步幅、步長、TCt增大，HOD 減小。障礙物寬度對步態(tài)周期、步寬、TCl、TOD無顯著影響。見表3。

表3 跨越不同寬度水平障礙物時步態(tài)參數(shù)比較

2.2 跨越肢體因素

與非優(yōu)勢肢體相比，使用優(yōu)勢肢體作為跨障肢體，CSl、步寬、步長、TCt、HOD 顯著減小(P＜0.001)，而CSt和TCl明顯增加(P＜0.01)。使用優(yōu)勢或非優(yōu)勢肢體作為跨越肢體對步速無顯著影響(P＞0.01)。見表4。

表4 跨障肢體為非優(yōu)勢或優(yōu)勢肢體的步態(tài)參數(shù)比較

3 討論

本研究顯示，跌倒風(fēng)險會隨著障礙物寬度的增加而逐漸增大；使用非優(yōu)勢肢體作為跨越肢體會降低跌倒風(fēng)險。

成功跨障需要足夠的腳趾高度，以防跌倒[27]。TCt 隨著障礙物寬度的增加而增大，原因有二。當(dāng)跟隨肢體跨越障礙物時，身體重心向?qū)?cè)肢體移動，跌倒發(fā)生的可能性降低；隨著障礙物寬度增大，跟隨肢體向上移動的距離加大，重心更易轉(zhuǎn)移到對側(cè)肢體，更易維持身體的平衡。由于缺乏視覺對跟隨肢體運動的指導(dǎo)。Patla 等[28]指出，障礙物越小，TCt 越小，這是由于跟隨肢體運動缺乏視覺輸入，以及足趾離地后用于微調(diào)跟隨肢體軌跡的時間較短。

HOD 和TOD決定跨障時足部位置[29]。HOD、TOD越小，足部越靠近障礙物，越容易發(fā)生跌倒。本研究顯示，雖然步長隨障礙物寬度增加而增大，TOD在不同寬度間不存在顯著性差異，HOD卻隨著障礙物的寬度增加而減小，表明隨著跨障難度增加，發(fā)生跌倒事件的可能性增加[29]。

跌倒風(fēng)險隨著障礙物寬度的增加而增加。首先，跨越更寬的障礙物時，步速更快，而速度增加會增大跌倒風(fēng)險[30-32]。其次，為提高跨障成功率，跨越更寬障礙物時要增加步幅、步長、TCt。最后，HOD 減小也證明在跨越更寬障礙時，安全性降低。

在跨越水平障礙物時，以優(yōu)勢肢體作為跨越肢體能提供更精確的運動控制[33-36]；以非優(yōu)勢肢體作為跨越肢體時，優(yōu)勢肢體能夠提供穩(wěn)定與支撐。選擇優(yōu)勢肢體還是非優(yōu)勢肢體作為跨越肢體更有利于水平跨障尚未見研究。

根據(jù)已有研究知道，較慢的CS、更高的TC 和更大的步寬可降低跌倒風(fēng)險[28,30,37]，較短的步長和HOD會增加跌倒風(fēng)險[29]。本研究顯示，當(dāng)優(yōu)勢肢體作為跨越肢體時，跨越步CSl 較慢，TCl 較大；非優(yōu)勢肢體作為跨越肢體時，跟隨步CSt 較慢，TCt 較大，步寬、步長、HOD也較大。青年人跨障期間，跟隨肢體誘發(fā)跌倒的危險高于跨越肢體[38-40]，跟隨步態(tài)對跌倒的影響更大，因此，使用非優(yōu)勢肢體作為跨越肢體，優(yōu)勢肢體作為跟隨肢體時，跌倒的風(fēng)險更低。

本研究還有一些有趣的發(fā)現(xiàn)。測試過程中，3 例受試者共20次試驗的步寬出現(xiàn)負值，即跨越肢體向身體對側(cè)偏移，且每次出現(xiàn)的位置不同，這可能是由于注意力不集中，導(dǎo)致身體失穩(wěn)所致。值得進一步觀察。另外，HOD 和TOD 也出現(xiàn)了負值，表明跨越肢體未能成功跨障，“掉入”障礙物內(nèi)。這可能與實驗環(huán)境的設(shè)置有關(guān)：水平障礙物是虛擬的，受試者并不擔(dān)心因踏空而導(dǎo)致失穩(wěn)，甚至為了降低跨障難度，故意踩踏邊緣而不選擇增加跨越步的步長。

跌倒具有間接導(dǎo)致殘疾甚至死亡的風(fēng)險[41]。本研究通過對跨越水平障礙條件下的步態(tài)特征分析發(fā)現(xiàn)：隨著障礙物寬度增加，跨越者跨越速度更快，足到障礙物的距離更小，導(dǎo)致跌倒風(fēng)險增加；加大步幅、步長和TCt 可以降低跌倒風(fēng)險；使用非優(yōu)勢側(cè)肢體作為跨越肢體，優(yōu)勢肢體作為跟隨肢體，跌倒的風(fēng)險更低，是更佳的跨障策略。

本研究結(jié)果可作為進一步研究老年人和下肢運動障礙人群水平跨障時步態(tài)變化的基線數(shù)據(jù)[42-43]，也可為下肢外骨骼機器人實現(xiàn)水平跨障提供理論支撐。在無障礙設(shè)計方面，本研究選擇了具有代表性的三種寬度障礙物，其結(jié)果可為合理設(shè)置水平方向物體間距和無障礙設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

本研究存在以下局限。生活中所遇路況復(fù)雜，應(yīng)增加細化不同寬度障礙；未考慮上肢情況，應(yīng)結(jié)合上肢運動，進一步分析跨障時的步態(tài)。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。