基于GRF的步態分析簡化理論初步探索

馮雷 錢競光* 徐南南

(1.南京體育學院 江蘇南京 210014;2.欣荷康復 江蘇南京 210014)

步行的機械能是通過消耗化學能轉化而來的，從而產生力量，推動人體移動。步行是人體基本能力。而步態分析已經成為運動損傷康復和神經性疾病康復的重要評估方法［1-8］。在康復醫院和康復機構中，由于步態分析設備和儀器的復雜性，絕大多數的康復治療師在對病人進行步態評估的過程中，仍舊依靠視覺和手動記錄等［9-13］。國內外對于步態運動學［14-20］與力學數據［21-26］的研究無不需要精密的儀器、復雜的操作步驟以及大量的數學計算；但復雜的實驗過程并不適用于繁忙的康復訓練和評估。筆者認為理清GRF與步態時空參數間的關系，既有助于簡化步態分析的復雜過程，還能夠提供簡潔明了的力學數據。建立力學和具體動作之間的關系，有助于形成一個完整的分析系統。分析步態中力的細微變化，既可以簡化步態分析，便于操作，又可以預測步態中存在的損傷風險，及時地進行預康復。因為力的改變要早于運動的改變，等到身體運動發生變化時，人體損傷的風險將會更大。

1 實驗目的、意義以及方法

1.1 實驗目的、意義

步行的力量是通過化學能轉化為機械能得到的，從而推動人體移動。該文旨在探究步態時空參數與垂直軸上GRF的關系，找出步態中存在的個性化特征，理清其中存在的共性特點，初步探索步態分析簡化理論，以期幫助康復醫師簡化病人步態評估的過程，為訓練師和病人提供動態的、實時的且簡單易懂的步態數據反饋。

1.2 實驗方法

該文采用Vicon三維數字分析系統，采集15例青年男性6次合格的正常步態的數據。在選取實驗對象的過程中，排除近5年有過較大運動損傷以及有重大疾病的對象。Vicon2.3紅外三維運動捕捉系統，其攝像頭總計12個，ATIM測力臺3個（呈一字型排列，第一和第二塊間距0.5mm，第二塊和第三塊間距301mm），步行地面的水平誤差在0.1mm內。實驗對象步行出發和結束的位置相距6m，測力臺位于中間的位置。步行中要求實驗對象左腳踩第一塊測力臺，右腳踩第二塊測力臺，左腳踩第三塊測力臺。將獲得的數據導出C-3D文件，用V-3D軟件模擬步態數據，對每人3次最穩定的步態數據計算均數，獲得該文所需的原始數據。通過SPSS 22進行數據間的相關性分析，獲得Pearson系數和P值。

2 結果與分析

2.1 青年男性步行運動學參數

表1和表2顯示了步態時空參數，其中平均值和中位數接近，表明此次測試獲得的數據基本呈對稱分布，沒有左右偏移的現象。表2 顯示了雙側步態參數，其中左右兩側的數據差異均小于0.1個單位，這與實驗對象的選擇有密切的關系。在實驗對象選擇的過程中，排除了近5年發生過損傷和有過疾病史的情況。

表1 實驗對象步行動作運動學參數

表2 實驗對象步行動作運動學參數

圖1 顯示了步態6 個階段在整個步態中出現的時間以及占整個步態階段的時間百分比。六分步態各階段占步態周期百分比的值約為1∶4∶1∶2∶1∶1。其中，支撐初期占整個步態周期的11%，單足支撐階段占整個步態周期的40%，蹬伸離地階段占比10%，擺動初期占比19%，擺動中期占比9%，擺動末期占比11%。因為擺動階段的劃分通過擺動足和支撐腿之間的位置關系完成。擺動初期（足趾離地——足相鄰），擺動中期（足相鄰——脛骨垂直），擺動末期（脛骨垂直——足跟再次落地）。足相鄰是足尖接近支撐腿踝關節內側髁，脛骨垂直是擺動腿的位置接近垂直于地面的狀態。因此，對擺動周期的階段劃分通過人工手動完成，階段的劃分存在一定的誤差，但是仍具有一定的參考價值。此外，該組的實驗對象均是健康、非運動專業的人群，年齡均在21～23歲之間（該年齡段的人，肌肉和骨骼處于一生當中的峰值階段）。因此，該數據能夠代表正常青年男性步態的最佳的步態參數。

圖1 不同步態階段的百分比

2.2 地面反作用力（GRF）特征

圖2顯示了將測力臺GRF的峰值和谷值數據除以體重（g=9.8），獲得標準化的GRF 數據并求得平均值。GRF第一峰值為1.12，出現在步態周期中的16%處；谷值為0.74，出現在步態周期中的31%處；第二峰值為1.09，出現在步態周中的50%處。此外，通過標準差曲線發現，足部支撐初期和蹬伸離地階段前后，GRF標準差的值波動較大，反映出在支撐初期（0%～16%）和離地階段（50%～61%）GRF 在垂直軸上具有較大的波動性，尤其是離地階段GRF 的標準差值大于前者。研究發現，支撐初期和離地階段數據的變化性較大，而單支撐階段的谷值變化性較小，因此2 個峰值能夠更好地反映個體步態的差異性。這可能與步態測試者的步行習慣以及肌肉力量等有關。此外人體的步行效率的高低也能夠通過GRF在垂直軸上的變化進行分析。

圖2 步行動作GRF平均值獲得的雙峰曲線和標準差曲線

2.3 步態數據的相關性分析

通過統計學軟件分析步態不同參數間的相關性，研究發現（見表3），步速與GRF峰值和谷值之間具有較高的相關性。其中，步速與第一峰值和第二峰值呈現出正相關，但與谷值呈現負相關。也就是說，隨著步行的速度增加，峰值增加，但谷值下降。不同身體狀態下的人群具有特定的最佳步行速度，在該速度下行走，輕松且節省能量，同時效率最高。如果該速度下降，可能預示著身體步行能力的下降，也可能預示著疾病或者損傷的潛在可能。同時，步態中第一和第二峰值下降，谷值增加。但是步行速度是步長和步頻的乘積，如果要更細致分析步速與GRF之間的關系，需要將步長和步頻分開。因此，下述的分析將步速拆分為步長和步頻。此外，通過進一步驗證谷值和肢體擺動之間的關系，下肢的擺動速度和GRF進行相關性分析是有必要的。

表3 步速與步態力學參數的相關性值

通過比較步長與GRF間的相關性，研究發現（見表4），步長與GRF第一峰值和第二峰值呈現正相關，而與谷值呈現負相關，這種現象與步行速度相似。除第二峰值外，另外2個參數相關系數顯著性不高。這與實驗前所預計的（步長增加將會導致第一峰值的增加）高相關性不一致。相反步長與GRF 第二峰值的相關性較高，表明步長的增加與步態中蹬伸離地階段用力正相關系數高。因此，步態中，步速下降的同時步長下降，可能預示著蹬伸離地階段的蹬伸力量下降。而該速度恰是最佳的步行速度時，說明下肢肌肉力量或者耐力的下降與步速和步長下降相關。在人體正常步態過程中，較大的步長不會產生更大的落地沖擊力，反而會產生更大的蹬伸力。這可能與跟腱在加大的步態中會獲得更大的形變有關，因此也會產生更大的蹬伸力。但是有意識地增加步長，將會增加GRF第一峰值力，這仍然是成立的。

表4 步長與步態力學參數的相關性值

研究發現（見表5），步頻與GRF 的相關性與步速相似，但步頻與GRF第二峰值正相關系性低，且該參數的顯著性不高。步頻對于第一峰值的正相關系數較高，且接近步速與第一峰值的相關性系數。另外，步頻與谷值的相關性系數也接近步速的。因此，步態中步行速度下降的同時，步頻也下降，第一峰值將會降低，而谷值將會升高。總體來講，步頻降低，支撐初期對地面的沖擊降低，單足支撐階段地面壓力增加。從實際來看，這一研究與偏癱步態中平坦的GRF 峰值和相對較高的谷值相吻合。谷值出現在單足支撐階段，同時GRF值小于1。這一現象與肢體的相對擺動密切相關，尤其是下肢的擺動使得對側足的GRF 小于1。因此，比較擺動速度與GRF的相關性，能夠解釋谷值與步速、步長、步頻呈現負相關。

表5 步頻與步態力學參數的相關性值

數據顯示（見表6），擺動速度與第一峰值和第二峰值的相關性系數較低，且數據的顯著性不明顯。相反，擺動速度與谷值之間有較高的相關性，且具有顯著性差異。在步態的過程中，一側下肢的擺動類似鐘擺，因此下肢在髖關節處的擺動產生了一個朝向髖關節運動中心的向心力，該向心力能夠抵消對側支撐腿的部分壓力，或者可以理解為，該向心力來自部分對側下肢相對地面的反作用力。因此，谷值的出現與擺動速度呈負相關，而擺動速度與步長，以及步頻和步速呈正相關。其中擺動速度更多地依靠屈髖肌群的彈性和力量，因此在步態分析的過程中，可以簡化一部分復雜的過程。

表6 下肢擺動速度與步態力學參數的相關性值

3 結語

正常步態中左右兩側的時空參數應該近似對稱，且不應該有較大的差異。該研究中步態時空參數左右兩側差異小于0.1個單位。六分步態中，從前往后各階段占步態周期的比值為：1∶4∶1∶2∶1∶1。盡管擺動階段的比值存在一定的誤差，但這一比值仍具有一定的參考價值。

人體步態中垂直軸上，支撐初期（16%）足部要額外承受約0.12 倍的慣性力，蹬伸離地階段（50%）足部要額外承受0.9倍的力，該力是由于加速度產生的。在正常的步態中速度一定的情況下，該值越大，表明步行的效率越低，相反，步行的效率越高。

單足支撐階段（31%）GRF垂直軸上的谷值為0.74，由于上下肢的擺動產生的向上的向心力抵消部分重力導致足部承受的力量減少了0.26 左右，該值能夠間接地評估人體擺動階段肌肉的力量。

人體步態中，垂直軸上GRF 的個體性差異通常發生在步態周期的支撐初期前后（0%～16%）和蹬伸離地階段前后（50%～61%），這可能與不同人體肌肉產生力的能力有關，也與人步行習慣有關。

步速、步長、步頻以及下肢的擺動速度均與GRF垂直軸呈現較高的相關性。通過對GRF垂直軸的分析能夠間接地判斷步態情況，而這些數據簡化康復專家步態評價的過程以及深化康復評估的數據依靠。

總之，通過比較步態時空參數能夠有效地推測GRF垂直軸相關數據和結果，能夠有效建立具體步態動作和力學之間的邏輯關系。由于運動學分析的復雜性和不便性，以及運動學的分析最終會歸結到力學的問題，因此，通過力學的數據和步態的不同動作建立有效的邏輯系統，通過力的變化進而可以推測身體運動的變化，通過運動的變化來驗證力和具體運動之間的關系，進而推測肌肉力量或者身體功能的變化，反過來也成立。但前提是該步態為人體步行的最佳步態。這一理論為損傷后康復和身體預康復提供了簡化的理論依據。

4 展望

該文僅研究了15 名在校的男性健康青年，尚有許多不足之處，期待日后會有更大樣本的不同性別的不同步態研究，建立更廣泛的步態數據，以此為依據，建立更加完整、科學的康復和預康復體系。