步态研究及其应用

来源:用户上传      作者: 刘沉

　　摘 要： 步态研究日益成为生物力学研究的重要课题之一，本文通过对步态研究方法及研究的热点问题的综述，指出步态研究方法在朝向实用性、准确性、系统性方向发展。步态研究的应用能够为行走功能评定、指导治疗、疗效评定，以及行走辅助功能设计提供参考外，应深入研究步态与人体运动的关系问题。
　　关键词： 步态研究 研究方法 正常步态 不正常步态 应用
　　
　　人出生后大约12―15个月就开始独立行走。此后一生中，步行成为人体活动最基本的方式之一，人的步行姿态在一定程度上是与人体所处生物学因素及环境因素相互作用的体现。步态分析是对人体步行从运动学、动力学、肌肉工作特征及其运动控制等方面，进行系统的分析研究。研究者们通过对步行姿态（步态）的研究，对人的行走功能进行评定、对疾病的恢复效果进行评价、对不正常步态进行矫正、对行走辅助功能提供参考。步态研究已经成为生物力学及医学界的一个重要课题，国内外学者们对此做了广泛而深入的研究。本文通过对步态研究的方法、研究进展等方面作综述，希望为以后步态问题的深入研究提供参考。
　　1.步态研究的方法的发展
　　随着人类科技的进步，步态研究的方法在不断更新。从原始的肉眼观察、简单工具测量到应用数码摄像技术、计算机模拟，到目前最为先进的步态系统研究方法。方法的更新和进步使步态研究更加准确和丰富，为人类的健康作出了巨大的贡献。
　　1.1肉眼观察法
　　19世纪德国生理学家webers兄弟首先发表了对人体的基本位移形式―步行的研究。由于受到当时条件的限制，他们采用了观察法，通过素描及绘画的方法对步态进行了描述［１］。这也是较早对人体步态的研究之一。很显然，这种方法的精确性差，而且仅能够粗略地描述人体的步态。所以，这种方法随着时代的发展已经不再为人们所采用。但是，他们的研究方法引发了人们对步态研究的无穷探索。
　　1.2走纸法［２］
　　走纸法是一种较为古老的步态研究方法。它是通过对测试者所走过的足迹进行测量，借助简单的工具进行步态分析的方法。这种研究法所能得到的参数很少，而且测试的工作量较大，且因为测量工具问题误差较大。至今，这种方法逐渐被淘汰。从研究方法学来说，这种方法是人类利用测量工具研究步态的开始。
　　1.3摄影摄像法
　　随着科学技术的发展，人们开始利用性能较高的摄影摄像技术分析人体步态。使用两到三台互相垂直的摄像机对人体正常步行进行拍摄。然后利用计算机分析系统对步态参数进行测定。这种方法的精确度较高，参数分析的范围比以往任何方法都要大。通过这种方法，我们可以得到步态的时间、空间、时间―空间参数，包括人体步行时的重心曲线，肢体各关节的运动曲线等。通过这些数据，我们可以对人体步行的稳定性、协调性、节奏性、对称性进行评价，从而为疾病恢复、步态矫正、假肢研制等提供重要的参考。这种方法的缺点是反馈速度慢，以及对一些力学参数的测定无能为力等。所以目前研究者主要用摄影摄像法与三维测力台配合使用，使研究更加全面，更加有说服力。
　　1.4三维测力台法
　　这种方法是让测试者在测力台上按测试要求正常步行，测力台的内部的电阻受压后，应变片因拉伸或压缩而产生电阻的电信号变化，通过放大后进入连接的计算机处理［３］。通过这种方法，我们可以获得步态的力学参数，如足底压力分布、空间各方向的分力、与地面的支撑反作用力等。通过这些参数，我们可以对行走的稳定性、对称性等进行评价。目前这一技术已经比较成熟，典型的有kistler测力台和AMFI测力台。测力台所得力学参数与数码影像分析所得的时空参数相结合，综合人体相关生理知识，我们已经能够对步态进行较为精确的描述。
　　1.5步态分析系统法
　　它由计算机、测力板和测角仪组成，利用随身携带的单片机，记录由测角仪测得的关节角度信号，并由与测力板以及安装在步行道上的压力开关相连的光电装置，控制单片机和测力板的同步周期采样，测试完毕后，用串行通讯方法将单片机的采样信号输入计算机处理，而整个步行采用无电线连接测试，并针对以往简易步态测试装置不能确定人体位置的不足，建立了能确定着地足位置的积分方程，再利用测角仪测得的关节角度信号和用多刚体力学建立的人体步行运动学、动力学程序，使得它像各种先进的红外步态分析系统一样，计算出步行的各种能量变化、人体行走位置、关节受力和肌肉力矩等。我国也开展了各种简易步态分析系统的研究，较有代表性的工作有：微机化步态分析系统［４］和靴式步态分析系统［５］。
　　2.步态研究的进展及对人类健康所作的贡献
　　2.1对不正常步态的研究及对人类健康的贡献
　　所谓不正常步，即步态特征的变化超出正常范围。whittle（1996）列出四点被视为不能正常行走的特点，一是两腿不能交替支持人体重量，二是在单腿支撑时不能静力性或动力性保持平衡，三是摆动腿不能前摆到一位置上从而变为支撑的作用，四是力量不足以令下肢移动的同时带动上肢。异常步态有时很明显仅凭肉眼观察就可看出，而有时必须通过实验仪器才可以得出步态异常。
　　近年来，以步态分析的方法来评估及治疗肌肉骨骼和神经方面的研究发展迅速，并由此进一步推动了对不正常步态的深入研究。这方面的研究很多，如刘永斌［６］等人对三截一瘫残疾者进行步态测试，以反映人体行走姿态变化时间历程的周期、时相及反映支撑反力的三维离曲线为基础，用特征函数的基本概念进行归类组合，提出5个相应的经验公式，以此对三截一瘫患者的行走功能进行评定。Rozendal［７］等通过三维步态分析系统提供三维平面的地面与反力的向量图，绘出偏瘫病人足―地接触力的向量环，可以发现健侧和患侧下肢的力量环和形态明显不同，借此可客观评定步态异常机理。Granataetal.（2000）［８］通过步态分析，研究延长肌腱的治疗方法对儿童脑瘫病人的影响，等等。除此以外，临床步态实验室也在不断增加。对于不正常步态的研究，可以帮助早期偏瘫、脑瘫等功能性疾病的诊断，还可以通过矫正促进疾病的恢复。医学界正在越来越多地应用步态研究成果为人类健康服务。
　　2.2对正常步态的研究及应用
　　一个正常的步态周期，通常由脚跟着地开始，至同侧脚跟再次着地为止，包括支撑和摆动阶段［９］。对正常步态的研究主要是从步态的时间、空间、时―空、力学等参数入手研究各年龄段、各类不同职业的群体、不同形体特征的步态差异，对人类的步行规律及相关影响因素进行探讨。
　　国内外研究主要集中于老年人、儿童等特殊人群的步态。而对于成年人特别是与步态与运动能力的关系的研究较少。如Hills and parker（1991）［１０］研究表明身高与步幅显著相关。Mann and hagg（1980）研究表明，正常儿童以自然步速行走，支撑时间是整个步行周期的62%，且支撑时间似乎并不随年龄而变化。只有在步行节奏改变时，如跑或快速步行时变化才比较明显，其他学者的研究也支持了这一点。另外，granata，abel，anddamiano（2000）［１１］对下肢关节角度和关节角速度的变化做了研究，指出步行时关节角度的大小是与肌肉的活动和发力是相关的。北京体育大学赵芳、周兴龙等（1996）［１２］分析139名普通中老年人在正常步行下的步态，其目的是研究从中年到老年这一衰老过程步态指标的变化，希望能将步态指标作为中老年人体质衰老的评价标准。另外，一些学者对肥胖儿童、长期负重、高跟鞋等对步态的影响也做了一些研究。这些研究对于人体步态矫形，塑造人的形体美，以及利用人体步态参数为肢体残疾者制作合适的假肢，促进青少年形体的健康发展等起到了巨大的作用。不足的是对健康成年人步态与身体功能、步态与人体运动功能关系的研究还较少，相信随着研究手段的日益完善，这方面会取得较大的进步。

　　3.讨论
　　3.1随着科学技术的发展，对步态研究的方法也日益完善。从原始的观察法、走纸法等发展到准确全面的影像技术、测力台技术和步态测试系统。国内外很多学者仍然在努力尝试研究更为科学的研究方法，并且陆续有报导。另外，因应医学上对病态步态分析应用的要求，临床步态实验室不断增加，并且朝向实用性、准确性、系统性、低成本方向发展。
　　3.2随着研究方法的不断进步，步态研究也在不断深入，通过对正常步态从时间、空间、时间―空间、力学等参数的测定，对人体正常行走的规律及不同人群的步态特征的研究也取得了很大的成功。对一些特殊形体如肥胖、长期负重及等人群的步态也开始研究。这些研究对评价人体行走功能、矫正不正常步态等提供了科学的依据。病态步态方面的研究如“三截一瘫”者步态，为科学诊断及恢复治疗、恢复评定提供了重要参考。不足的是，对步态与运动功能的关系，健康成年人步态与身体功能的关系等的研究还较少，希望这方面能够引起研究者的重视。
　　
　　参考文献：
　　［1］郑秀瑗等.现代运动生物力学.国防工业出版社，2002：404-405.
　　［2］陆明钢等.步态参数的测定.上海大学学报（自然科学版），1998，4：87-91.
　　［3］张潇等.运用三维测力台系统对正常人步态的分析.医用生物力学，1996.，4：211-215.
　　［4］徐乃明等.微机化步态分析系统的研制.中国生物医学工程学报，1990，9，（1）：13-207.
　　［5］门洪学等.靴式步态分析系统的研制与应用.等.中国生物医学工程学报，1991，10，（3）：142-148.
　　［6］刘永斌等.行走功能定量评定方法研究.中国康复理论与实践，1996，4，154.
　　［7］Rozendal RH，et al.Arch Phys Med Rehabil，1987，68：763.
　　［8］Granata，K.p.，Abel，M.F，Damiano，DL.Joint angular velocity in spastic gait and the influence of muscle-tendon lengthening.Journal of Bone and Joint Surgery，2000，82，（2）.174-186.
　　［9］吴剑，等.人体行走时步态的生物力学研究进展.中国运动医学杂志2002，3：305-309.
　　［10］Hills，A，p.parker，A.W.Locomotor characteristics of obese children.Child：Care，Health and Development，1991.18：29-34.
　　［11］Granata，K.p.，Abel，M.F，Damiano，DL.，Joint angular velocity in spastic gait and the influence of muscle-tendon lengthening.Journal of Bone and Joint Surgery，2000，82，（2）：174-186.
　　［12］赵芳，等.中老年人步态指标与衰老关系的研究.体育科学，1998，6：28.

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