正常青年人三维步态：时空及运动学和运动力学参数分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.24.021

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (24): 3882-3888.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.24.021

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正常青年人三维步态：时空及运动学和运动力学参数分析

黄萍¹，钟慧敏²，陈博1，齐进¹，钱念东¹，邓廉夫¹

1上海市伤骨科研究所，上海交通大学医学院附属瑞金医院，上海市中西医结合防治骨与关节病损重点实验室，上海市 200025；
2华东师范大学物理学系2014级基地班，上海市 200241

出版日期:2015-06-11 发布日期:2015-06-11
通讯作者: 邓廉夫，博士，研究员，上海市伤骨科研究所，上海市中西医结合防治骨与关节病损重点实验室，上海市 200025
作者简介:黄萍，女，1968年生，湖北省咸宁市人，汉族，2004年上海复旦大学毕业，主管技师，主要从事生物力学研究。
基金资助:
上海交通大学医学院院基金项目(12XJ10033)；上海市科委自然基金青年项目(12ZR1449500)

Three-dimensional gait analysis in normal young adults: temporal, kinematic and mechanical parameters

Huang Ping¹, Zhong Hui-min², Chen Bo¹, Qi Jin¹, Qian Nian-dong¹, Deng Lian-fu¹

1Shanghai Institute of Traumatology and Orthopaedics, Shanghai Ruijin Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai Key Laboratory for Prevention and Treatment of Bone and Joint Diseases with Integrated Chinese-Western Medicine, Shanghai 200025, China;
2Department of Physics, East China Normal University, Shanghai 200241, China

Online:2015-06-11 Published:2015-06-11
Contact: Deng Lian-fu, M.D., Researcher, Shanghai Institute of Traumatology and Orthopaedics, Shanghai Ruijin Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai Key Laboratory for Prevention and Treatment of Bone and Joint Diseases with Integrated Chinese-Western Medicine, Shanghai 200025, China
About author:Huang Ping, Technician in charge, Shanghai Institute of Traumatology and Orthopaedics, Shanghai Ruijin Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, , Shanghai Key Laboratory for Prevention and Treatment of Bone and Joint Diseases with Integrated Chinese-Western Medicine, Shanghai 200025, China
Supported by:
the Funding Project of Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, No. 12XJ10033; the Natural Science Foundation for the Youth of Shanghai Science and Technology Commission, No. 12ZR1449500

摘要/Abstract

摘要：

背景：三维步态分析作为一种客观步态评估方法越来越广泛应用于临床检测。但尚缺乏统一的标准来衡量正常人的步态特征。
目的：检测中国正常青年人自然行走步态数据，为临床上异常步态的分析提供参考依据。
方法：应用英国Vicon三维运动捕捉系统，对100名正常青年人进行步态测试，得到时空参数、运动学参数、运动力学参数。
结果与结论：正常青年人左右侧(髋、膝、踝关节的活动角度和垂直地板反力)曲线分布规律基本一致；髋、膝、踝关节活动角度(最初着地角度、最大屈曲角度、最大伸展角度、矢状面最大活动范围)和垂直地板反力参数(第1波峰值、谷值、第2波峰值)的左右侧相比，差异无显著性意义(P > 0.05)。说明建立的中国正常人步态数据，可供临床步态分析参考使用。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 组织构建, 组织工程, 三维步态, 青年, 正常青年, 步态, 步态分析, 行走, 运动功能

Abstract:

BACKGROUND: Three-dimensional gait analysis is an objective gait evaluation method which has been more and more widely used in clinical detection. But there is still a lack of the unified standard for evaluating the normal human gait characteristics.
OBJECTIVE: To detect the gait data in normal China young people and to provide the reference for analyzing the abnormal gait.
METHODS: Totally 100 normal China young adults were enrolled to test natural gaits using the three-dimensional motion capture system of the British Vicon to get the spatial and temporal parameters, kinematics parameters, kinetics parameters.
RESULTS AND CONCLUSION: The curves of left and right sides (hip, knee, ankle joint angle and vertical ground reaction) of normal young people distributed basically consistently. There were no statistically significant differences between the left side and the right side in data of the motion angles of the hip, knee, ankle joint (first landing angle, maximum flexion angle, maximum extension angle, maximum range of motion in sagittal plane) and the vertical ground reaction parameters (the first wave peak, valley and the second wave peak) (P > 0.05). The normal human gait data established can provide the reference for clinical gait analysis.

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Key words: Gait, Hip, Knee, Ankle

中图分类号:

R318

黄萍，钟慧敏，陈博，齐进，钱念东，邓廉夫. 正常青年人三维步态：时空及运动学和运动力学参数分析[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(24): 3882-3888.

Huang Ping, Zhong Hui-min, Chen Bo, Qi Jin, Qian Nian-dong, Deng Lian-fu. Three-dimensional gait analysis in normal young adults: temporal, kinematic and mechanical parameters [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(24): 3882-3888.

图/表（结果） 4

2.1 参与者数量分析 100名受试者测试结果均进入结果分析。
2.2 受试者自然行走步态的左右侧下肢时空参数由表1可见，青年受试者在自然行走下，两侧下肢时间距离参数分布规律一致，差异无显著性意义(P > 0.05)。

2.3 受试者自然行走步态的矢状面髋、膝、踝关节活动角度髋关节在整个步态周期中表现为屈髋→伸髋→屈髋过程(图3A)。膝关节在整个步态周期中表现为开始出现一个小的屈膝角度→再在屈膝状态下进行伸膝运动至膝关节完全伸直到0°或接近0°→接着进行一个大范围的屈膝运动，膝关节屈曲角度达到最大→再在屈膝状态下进行伸膝运动至膝关节完全伸直到0°或接近0°(图3B)。踝关节在整个步态周期中表现为开始出现小的跖屈角度→再进行一个大范围的背伸，背伸角度达到最大→接着进行一个大的跖屈运动，踝关节跖屈角度达到最大→最后进行小的背伸(图3C)。矢状面左右侧髋、膝、踝关节活动角度曲线分布规律一致。
由表2可见，青年受试者在自然行走步态下，左右髋、膝、踝关节活动角度(最初着地角度、最大屈曲角度、最大伸展角度、矢状面最大活动范围)差异无显著性意义(P > 0.05)。

2.4 受试者自然行走步态的垂直地板反力三维力台测试能测出足踏上力台时在垂直方向、前后方向和左右方向的3个分力变化曲线，其中以垂直分力的变化最具临床价值，图4的数据就是受试者测试的垂直地板分力曲线，发现正常青年人垂直地板分力曲线呈“M”型，有2个波峰和1个波谷。左右足垂直地板反力曲线分布规律一致。

由表3可见，青年受试者在自然行走下，左右足垂直地板反力参数(第1峰值、谷值、第2峰值)差异无显著性意义 (P > 0.05)。

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引言

步行(Walking)是人类最主要的、重复最多的一种行动方式，是通过双脚的交互动作移行机体的一种复杂随意活动，人体许多功能需要步行才能完成^[1-3] 。
步态(gait)是人类步行的行为特征，是人体结构和功能、神经运动系统、行为及心理活动在行走时的外在表现。不同的人步态是不一样的。但由于人类存在基本相同的解剖结构和生理组成，运动行为又非常相似，所以健康人的步行是在一系列相似过程中完成的，表现为循环往复、高度自主的躯干和肢体有节奏的交互式运动模式。这种独特的运动方式使研究者可以对其进行高度准确性的研究^[4-5]。
步态分析(gait analysis)是利用力学原理、处理手段和已经掌握的人体解剖、生理学知识对人体行走功能状态进行分析的一种生物力学研究方法。人体是由多种物态组成的数个节段，在其运动期间通过关节链连接而成的一个完整体系，可把它抽象为一个多链节刚体系统，根据这一模型理论，利用现代测量技术，可对人类行走时身体各部分，特别是下肢的运动和受力情况进行动态客观记录和定量分析^[6-8]。国际上从15世纪开始对步态进行研究，开始只是用肉眼观察，通过绘画、数学推理得到的步态分析数据。随着计算机、测力台的问世和应用，20世纪60年代，三维空间综合运动分析系统的出现，使得人们从原来步态的简单定性描述发展到从运动学和运动力学方面定量分析步态。欧、美、日本等发达国家迅速配备了综合的三维步态分析系统，对正常和异常步态已有大量的研究^[9-20]。国内一些研究机构从20世纪80年代末开始，开展旨在降低成本的人体步态分析系统的研究工作，但应用的是不同的仪器且多为小样本测试，得出的数据不具有普及性^[21-29]。
Vicon三维运动捕捉系统是目前先进的、国际公认的、能够客观定量地评定人体的步态分析系统，随着科学技术的发展和进步，近几年来一直是骨科、矫形外科、康复科、神经科等领域研究的一个重要方向^[30-34]。由于时间较短、尚缺乏应用领先的、统一的仪器和标准衡量国人步态特征的研究^[35-36]。本试验应用Vicon三维步态分析系统，采集和分析正常青年人步态数据，建立正常人的步态参数模型，在此基础上分析各种病理步态的异常参数和曲线，以供临床步态分析参考使用。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

材料方法

设计：单一样本设计。
时间及地点：试验于2011年3月至2012年10月在上海市伤骨科研究所运动功能测试室完成。
对象：招募100名中国青年人参与测试。
纳入标准：①身体健康的中国男女青年。②能自然行走，下肢和足部各关节活动正常。③愿意参加本次测试者，签署知情同意书。
排除标准：①下肢骨骼、肌肉疾病患者。②病理步态者。③严重的心脑血管疾病者。④心理和精神异常者。⑤孕期和哺乳期妇女。⑥伴其他疾病可能禁忌运动练习者。
最终参与测试者100名，男76名，女24名；年龄16-30岁，平均(23.77±2.00)岁；体质量39-90 kg，平均(63.36±11.19) kg；身高1.53-1.90 m，平均(1.71±0.08) m。受试者测试前2 h未作过剧烈运动，向每位受试者解释本实验的目的、测试过程、及测试对其无伤害性，征得同意，采取自愿参加的形式。实验经过上海交通大学医学院附属瑞金医院伦理委员会批准。
仪器：应用英国Vicon 光学运动捕捉系统采集，处理测试数据，该系统硬件主要包括红外线反光球、10台红外线摄像头、信息转换控制器、电脑等。同时连接了日本制造的佳能(Canon)LEGRIA HV40型号的DV摄像机1台和美国AMTI-OR6-7型2个三维测力台。能同步获得行走过程中的运动学参数、动力学参数。主要用到的软件有2个，分别是Vicon Nexus 1.5.2检测软件和Polygon 3.5.1分析软件。Nexus这个软件的主要功能包括校准传感器、采集数据(采样频率为100 Hz)和智能数据处理，并用于和其他的测试手段(如测力台，表面肌电等)进行同步。Polygon软件是个多媒体的演示软件，它可以把测试数据通过多种手段(如图表，视频，三维等)全方位而直观的显示给观看者，并能进行数据分析。测试场地与布局如图1所示。其中10个红外线摄像头与测试地面的高度均为250 cm。DV摄像机的高度为150 cm。每块三维测力台的长度为508 mm，宽度为464 mm。

方法：
步态分析测试：测试前关好门窗，拉好窗帘，防止外界光线射入，清除室内一切发光的物体，避免外来的发光点对采集数据的干扰。调整室内温度25-28 ℃。然后进行整个测试系统标定，成功的标定是：每个摄像机至少需要采集到1 000帧的有效数据，即10个红外摄像机的Wand count列的每个有效数据在1 000以上；“Image Error”数值均应小于0.3。电脑中显示的摄像机和DV机应标定在安装的空间位置上。待受试者脱鞋袜，更换实验专用的紧身短裤，腰部的衣服向上反折至胸部，用弹性宽带固定反折衣服，充分暴露双下肢和腰部，防止衣物对反光点遮挡。测试受试者身高、体质量、左右下肢长度(髂前上棘到内踝的距离)、左右膝宽(膝内侧与外侧之间的距离)、左右踝宽(内外踝之间的距离)。将测试的这些形态学数据输入电脑已建立的测试者基本信息中，然后使用14 mm标记球(marker)进行体表标记，注意标记球要同一大小，不可2个尺寸(如14，9 mm)混用，并严格按规定的部位贴，共16个标记点，标记位置如图2。

其中髂后上棘置于骶髂关节下的小骨突上；大腿置于大腿下1/3，略低于手摆过的位置；胫骨置于小腿下 1/3，脚趾置于第二跖骨头；脚跟置于足后跟，与第二跖骨头标记同一高度。
步态分析测试由受过训练和有丰富临床经验的技师进行。受试前嘱患者先在步行道上以自然和习惯的姿势和速度步行数次，以便适应实验环境。一定要注意患者的每个反光点都应在红外线区域内，以免影响步态分析结果。首先嘱被检查者抬头挺胸、眼睛平视前方，保持标准站立姿势，系统记录各标记点的空间测试原点，建立静态模型，然后嘱被检查者按照平时习惯行走方式及速度行走于长9 m的步行地毯上，往返3-5次。采集自然行走9 m步态图像，保证行走过程中每只脚分别踏在一块测力台上。从动态采集中选取行走姿态自然，图像质量好，每人取3次行走，每次行走截取完整的16个标记点的图像即包括测力台上图像的步态周期分析。记录时间和空间数据(步频、步态周期、对侧足尖离地比、对侧足跟着地比、足尖离地比、双足支撑期、单足支撑期、一步时间、步宽、步长、步幅、步速)；下肢关节运动角度和垂直地板反作用力。步频指行走中每分钟迈出的步数。步态周期指在行走时一侧足跟着地到该侧足跟再次着地所经过的时间，步态周期时间也称跨步时间(stride time)。美国加里福尼亚州Rancho Los Amigos (RLA)步态分析室将步态周期分为支撑期和摆动期，支撑期包括1个瞬间(开始着地)和4个时期(预承重期、支撑中期、支撑末期、摆动前期)，摆动期分为3个时期(摆动初期、摆动中期、摆动末期)[6]。或根据行走时单双足着地或离地，步态周期分为双足支撑期、单足支撑期、双足支撑期和摆动期。行走中每个步态周期都包含着一系列典型足姿位的转移(足跟着地→对侧足尖离地→足跟离地→对侧足跟着地→足尖离地→足跟着地)。人们通常把这种典型足姿位变化划分出一系列时段，称之为步态时相(gait phase)。一般用该时相所占步态周期的百分数(cycle，%)作为单位来表达，有时也用秒(s)表示。对侧足尖离地比指一个步态周期中从足跟着地到对侧足尖离地所经过的时间占步态周期的百分数。对侧足跟着地比指一个步态周期中从足跟着地到对侧足跟着地所经过的时间占步态周期的百分数。足尖离地比指一个步态周期中从足跟着地到足尖离地所经过的时间占步态周期的百分数。双足支撑期指一个步态周期中双足与地面接触的时间，也就是从观察足的足跟着地到对侧足的足尖离地这一段时间加上从对侧足的足跟着地到观测足的足尖离地这一段时间。单足支撑期指一个步态周期中单足与地面接触的时间，也就是从对侧足的足尖离地到对侧足的足跟着地这一段时间，即对侧足的摆动期。一步时间指一侧足着地到对侧足着地的平均时间。步宽指行走中两足跟中心点之间的水平距离。步长指行走时足跟着地到紧接着的对侧足跟着地所行进的距离。步幅指行走时足跟着地到该侧足跟再次着地所进行的距离，又称跨步长，通常是步长的2倍。步速指单位时间内行走的距离^[37-38]。
关节角度的定义：髋关节角度以股的长轴线与垂直于地面的参考线之间的角度为夹角，屈曲角度为正，伸展角度为负；膝关节角度，参考线为股长轴的延长线，角度为参考线与胫长轴线之间所成的角，屈曲角度为正，伸展角度为负；踝关节角度，参考线为过踝关节与地面平行的水平线，角度为参考线与足长轴之间所成的角度，背伸角度为正，跖屈角度为负。
垂直地板反作用力是指通过受力板或压力感受器测量人体足部与地板接触时，地板给足底的垂直方向反作用力。
主要观察指标：时间和空间数据及下肢关节运动角度和垂直地板反作用力。
统计学分析：所有数据采用SPSS 13.0统计软件进行分析，统计结果用x±s与95%的参考范围表示。具体方法为左右足参数比较采用配对样本t 检验。P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

3.1 三维步态分析系统三维步态分析系统相较于临床测量和视觉步态分析，更具有客观性、准确性、灵敏性、全面性的特点^[39-41]。三维步态分析系统是由一组红外线摄像机、三维测力台、以及控制以上多组装置同步运动的计算机及外围设备如反光球、T形校准架等构成。测试患者站立、行走、跑步、跳跃等运动时身上反光球定位点，通过摄像头与测力板进行数据采集，计算机主机进行数据的处理分析后，可获得运动学和动力学等数据。运动学数据是反映肢体运动时间和空间变化的数据，包括时间-空间参数、关节活动角度等。动力学数据是通过受力板或压力感受器测量获得人体运动时地板应力的数据，包括地板反作用力、各关节受力等^[42-48]。临床工作中，许多疾病(如神经、骨骼、肌肉病变)影响行走能力，对这类患者需要进行步态分析，以评估是否存在异常步态及步态异常的关键环节、程度及影响因素，有助于临床诊断、治疗、疗效评估，同时对残疾的评定、骨关节假体与义肢的设计等方面具有重要意义^[49-53]，已成为基础和临床研究中不可缺少的技术手段之一。在对异常步态研究之前，必须对正常步态有充分的了解，找出正常人在步态周期中的有关时间、几何、力学等正常参数值和曲线。正常步态一般是指一个健康成人用自己感觉最自然、最舒服的姿态行走的步态。正常步态应该是神经、骨骼、肌肉等系统的动态协调配合，髋关节、膝关节、踝关节和足的一系列的灵活运动，良好的身体平衡，加上适宜的关节运动和适宜的力量^[54-56]。本试验应用目前先进的英国Vicon三维步态分析系统，采集和分析正常青年人步态数据，建立正常人的步态参数模型，在此基础上分析各种病理步态，为临床步态分析提供参考依据。
3.2 时空指标特点分析周敬滨等^[35]利用VICON Mxl3三维运动分析系统测试了30名健康青年人行走的步态，分析得出步频116步/min，步长0.69 m，步速1.35 m/s等步态参数。王盛等^[36]采用美国产Motion Analysis三维运动分析系统对15例健康青年人进行自然行走步态测试，得出步频 111步/min，步速1.07 m/s等时空参数。王玉霞等[57]采用意大利BTS公司的SMART-D三维步态分析系统，对4-6岁正常儿童进行测试，得出步长、步幅等时空数据。万青等^[58]应用广州章和电器Gait Watch步态分析系统对健康中年人24例测试，评估步态的时空参数等。毛玉瑢等^[59]采用英国Vicon Nexus三维运动检测系统对16例正常老年人进行三维步态检测，分析得出步频、步长、步速等。本试验采用英国Vicon Nexus三维运动捕捉系统测试了100例中国正常青年人的步态，进一步完善了中国正常人群的步态参数，更加全面分析总结了时空数据，最基本的时间一空间参数指标(步频、步速、步长)与上述周敬滨、王盛报道的青年人时空参数基本一致。并且此次实验得出的结果中可以看出正常青年人步态的时空参数在一定范围波动(表1)，青年受试者在自然行走下，左侧和右侧的时空参数分布规律一致，差异无显著性意义(P > 0.05)。时空参数超过了参考值范围，可能存在步态异常。或左右侧的时空参数分布规律不一致，说明步态的对称性差，可能与下肢的运动功能、平衡功能出现障碍高度相关。
3.3 髋、膝、踝关节屈伸角度变化特征分析正常人步行时，下肢髋、膝、踝关节不断协调变化，左右侧肢体有节律地交替摆动，有良好的对称性，保持身体平衡，耗能最少^[60-61]。从上述结果可以看出：
髋关节：足跟着地时，髋关节屈曲，最初屈曲角范围为9°-39°。随着身体重心向前移动，髋关节屈曲角度减小，逐渐做伸的运动，直到支撑末期，身体重心移到髋关节前，髋关节才从屈的状态变为后伸状态，并在足趾离地前达到最大伸直状态，最大伸直角范围为-27°-1°。之后，髋关节开始由伸向屈的方向运动，准备屈髋向前摆腿。进入摆动期后，髋关节屈曲角度增大，最大屈曲角范围为14°-42°，后屈曲角度稍减小，大腿向前迈出。髋关节的屈曲阶段一直延续到足跟着地。
膝关节：足跟开始着地时，膝关节最初屈曲角范围为-9°-12°。在步态周期的支撑期和摆动期，膝关节一直保持屈曲状态，以减少重心的上升。在摆动初期屈曲角度达到最大，最大屈曲角范围为44°-72°。在摆动后期，为准备足跟着地，膝关节屈曲角度减小，直到足跟着地时期，膝关节角度接近0°或为0°。
踝关节：在足跟着地时，踝关节开始跖屈运动，最初跖屈角范围为-9°-5°。随着身体的前移使踝关节跖屈角度减小，踝关节开始背伸运动，逐渐背伸度达到最大，最大背伸度范围为4°-21°。到蹬离期，为了产生蹬地动作，踝关节快速进行一个大的跖屈运动，最大跖屈角范围为-29°-4°。在摆动期，跖屈角度减小，出现小的背伸，足尖稍抬起，避免擦地。
由分析结果可以看出，维持正常自然行走步态的条件是：在整个步态周期中，髋关节活动过程表现为最初屈曲→最大伸展→屈曲；膝关节活动过程表现为最初出现一个小的屈曲→最大屈曲，并能充分伸直；踝关节活动过程表现为最初一个小跖屈→大范围的背伸→大范围的跖屈→小的背伸。与其他作者研究基本一致^[62]。
3.4 垂直地板反力特征分析垂直地板反力反映行走过程中支撑下肢的负重和离地能力。一个垂直方向的分力曲线具有2个峰和1个谷的波形。原因是行走时会产生加速度和减速度，根据牛顿第二定律，地面反力=身体质量×加速度+体质量。当足与地面接触的初期，身体对地面产生一个冲击力，身体加速度向上，则身体质量×向上正加速度+体质量>体质量，出现第1个压力波峰，说明此时足底垂直地板反力大于体质量，而后对侧足离地，完全单足支撑时，足跟下沉，身体需要稳定，这种向上的运动逐渐变缓，身体质量×向下负加速度+体质量<体质量，使足部负荷减轻，足对地面的压力变小，出现一段时间压力小于体质量；接着足跟离地，足尖部跖屈负重，为了足趾推离地面，人体产生向前的推力，身体加速度向上，则身体质量×向上正加速度+体质量>体质量，使足的实际负荷超过体质量，出现第2个压力高峰，说明此时足底垂直地板反力大于体质量，其后出现以快速的压力下降，直到足趾完全离开地面时，压力降低到零，进入摆动期。此实验中出现一些青年人自然行走步态垂直分力曲线的波峰较低(也就是此时足底的垂直地板反力小于体质量)，可能与一些人选择的步行速度有关。步速慢时波峰变低，足底的垂直地板反力小于体质量^[3]。
本试验应用先进的VICON三维运动捕捉系统，对100例正常青年人进行了步态测试，获得了正常青年人自然行走时特征，可以为临床上异常步态的研究提供参考，有一定的意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

正常青年人三维步态：时空及运动学和运动力学参数分析

Three-dimensional gait analysis in normal young adults: temporal, kinematic and mechanical parameters

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