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类型步行运动的生物力学原理及其步态分析.pdf

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  • 文档编号:9763198
  • 上传时间:2019-09-02
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    关 键  词:
    步行运动的生物力学原理及其步态分析.pdf
    资源描述:

    1、第 5 卷 第 4 期 南 京 体 育 学 院 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) V o l . 5 N o . 42 0 0 6 年 1 2 月 J o u r n a l o f N a n j i n g I n s t i t u t e o f P h y s i c a l E d u c a t i o n( N a t u r a l S c i e n c e ) D e c . 2 0 0 6 综 述 与 研 究 M i n i R e v i e w s a n d S t u d y步 行 动 作 的 生 物 力 学 原 理 及 其 步 态 分 析钱 竞 光 , 宋

    2、雅 伟 , 叶 强 , 李 勇 强 , 唐 潇( 南 京 体 育 学 院 运 动 人 体 科 学 系 , 江 苏 南 京 2 1 0 0 1 4 )摘 要 : 步 行 是 人 类 运 动 基 本 的 方 式 , 加 强 对 步 行 动 作 的 研 究 , 有 利 于 我 们 对 人 体 运 动 规 律 的了 解 , 有 利 于 对 人 体 运 动 障 碍 疾 病 的 治 疗 和 康 复 。 在 国 内 外 相 关 研 究 成 果 的 基 础 上 , 总 结 归 纳出 步 行 动 作 的 一 般 生 物 力 学 原 理 和 步 态 分 析 的 一 般 方 法 , 为 进 一 步 的 步 态 研

    3、究 奠 定 基 础 。关 键 词 : 步 态 ; 生 物 力 学 ; 参 数 ; 研 究 方 法中 图 分 类 号 : G 8 0 4 . 6 6 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1 6 7 1 - 5 9 5 0( 2 0 0 6 ) 0 4 - 0 0 0 1 - 0 7T h e B i o m e c h a n i c s P r i n c i p l e o f W a l k i n g a n d A n a l y s i s o n G a i t sQ I N G J i n g - g u a n g , S O N G Y a - w e i , Y

    4、 E Q i a n g , L I Y o n g - q i a n g , T A N G X i a o( T h e H u m a n S p o r t s S c i e n c e D e p t . o f N a n j i n g I n s t i t u t e o f P E , N a n j i n g , 2 1 0 0 1 4 , J i a n g s u , C h i n a )A b s t r a c t : W a l k i n g i s o n e o f t h e b a s i c m o v e m e n t s o f h u

    5、 m a n . W i t h t h e r e s e a r c h o n g a i t s , i t i s u s e f u lf o r u s t o u n d e r s t a n d t h e f e a t u r e o f m o v i n g s p o r t s , s o t h a t i s h e l p f u l f o r t r e a t i n g a n d g e t t i n g w e l l t h ed i s e a s e o f d y s k i n e s i a . T h i s p a p e r

    6、 s u m s u p t h e b i o m e c h a n i c s p r i n c i p l e o f w a l k i n g a n d t h e g e n e r a lm e t h o d f o r r e s e a r c h o n g a i t s o n t h e b a s i s o f r e v i e w i n g t h e s t a t e - o f - t h e - a r t o f s t u d i e s o n t h e w a l k i n gi n t h e w o r l d , w h i

    7、 c h p r o v i d e s t h e b a s e f o r t h e f u r t h e r s t u d y i n g o n g a i t s .K e y w o r d s : g a i t s ; b i o m e c h a n i c s ; p a r a m e t e r s ; r e s e a r c h m e t h o d o n g a i t s收 稿 日 期 : 2 0 0 6 - 0 9 - 1 2 ; 修 回 日 期 : 2 0 0 6 - 1 1 - 1 1第 一 作 者 简 介 : 钱 竞 光 ( 1 9 5

    8、5 - ) , 男 , 江 苏 泰 兴 人 , 硕 士 , 南 京 体 育 学 院 教 授 , 硕 士 生 导 师 , 研 究 方 向 运 动 生 物 力 学 。1 步 行 动 作 的 一 般 生 物 力 学 原 理步 态 是 人 类 步 行 的 行 为 特 征 。 步 行 是 人 类 生 存 的基 础 , 是 人 类 与 其 它 动 物 区 别 的 关 键 特 征 之 一 。 正 常 步行 并 不 需 要 思 考 , 然 而 步 行 的 控 制 十 分 复 杂 , 包 括 中 枢命 令 , 身 体 平 衡 和 协 调 控 制 , 涉 及 足 、 踝 、 膝 、 髋 、 躯 干 、颈 、 肩

    9、、 臂 的 肌 肉 和 关 节 协 同 运 动 。 任 何 环 节 的 失 调 都可 能 影 响 步 态 。步 行 是 全 身 肌 肉 参 与 , 包 括 人 体 重 心 移 位 , 骨 盆 倾斜 旋 转 , 髋 、 膝 、 踝 关 节 伸 屈 及 内 外 旋 展 等 , 使 人 体 位 移的 一 种 复 杂 的 随 意 运 动 。 行 走 过 程 中 , 从 一 侧 脚 跟 着 地开 始 到 该 脚 跟 再 次 着 地 构 成 1 个 步 态 周 期 。 对 指 定 的下 肢 而 言 , 1 个 步 态 周 期 的 活 动 可 分 为 支 撑 时 相 和 摆 动时 相 。 支 撑 时 相 又

    10、 分 为 脚 跟 着 地 、 趾 着 地 、 支 撑 中 期 、 脚跟 离 地 、 蹬 离 期 和 趾 离 地 诸 动 作 阶 段 。 摆 动 时 相 分 为 加速 期 、 摆 动 期 和 减 速 期 。 常 速 行 走 时 , 支 撑 时 相 约 占 整个 步 态 周 期 的 6 0 % 6 5 % , 因 此 , 当 一 侧 下 肢 进 入 支 撑时 相 时 , 另 侧 下 肢 尚 未 离 地 , 两 下 肢 同 时 负 重 称 为 双 肢负 重 期 。 双 肢 负 重 期 约 占 全 周 期 的 2 8 . 8 % , 占 支 撑 时 相的 4 4 . 8 % , 支 撑 时 相 的 其

    11、 它 时 间 为 单 肢 负 重 期 。 随 着 年龄 的 增 长 , 单 、 双 支 撑 时 相 占 步 态 周 期 的 比 例 也 随 之 增加 。 不 同 性 别 和 身 高 的 人 , 其 支 撑 时 相 和 摆 动 时 相 所 占的 比 例 无 明 显 差 异 。2 步 态 的 生 物 力 学 参 数步 行 是 人 体 通 过 和 地 面 的 相 互 作 用 , 在 一 定 的 空间 里 , 经 历 一 定 时 间 的 机 械 运 动 。 其 运 动 规 律 可 以 通 过生 物 力 学 的 运 动 学 和 动 力 学 参 数 加 以 描 述 。2 . 1 步 行 的 时 间 参 数

    12、步 行 是 周 期 性 的 动 作 , 在 1 个 动 作 周 期 中 , 根 据 腿部 动 作 的 特 征 , 可 以 分 为 支 撑 阶 段 和 摆 动 阶 段 。2 . 1 . 1 步 行 周 期 及 其 术 语南 京 体 育 学 院 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 5 卷从 一 侧 足 跟 着 地 , 到 此 侧 足 跟 再 次 着 地 , 为 1 个 步行 周 期 或 称 为 1 复 步 , 其 间 每 一 足 都 经 历 1 个 与 地 面接 触 的 支 撑 期 及 离 地 挪 动 的 摆 动 期 ( 图 1 ) 。 支 撑 期 包括 5 个 环 节 , 依 次 为 足 跟

    13、 着 地 , 足 掌 着 地 , 支 撑 中 期 , 足跟 离 地 , 足 指 离 地 。 摆 动 期 则 包 括 2 个 环 节 , 即 经 加 速期 至 摆 动 中 期 , 此 时 下 肢 处 于 垂 直 位 ; 再 经 减 速 期 终 止于 足 跟 着 地 。 步 行 周 期 中 两 足 的 支 撑 期 长 于 摆 动 期 , 自一 侧 足 跟 着 地 至 对 侧 足 趾 离 地 , 约 有 1 5 % 的 时 间 两 足都 处 于 支 撑 期 , 称 为 双 侧 支 撑 期 。 双 侧 支 撑 期 的 存 在 为步 行 的 特 征 , 此 期 消 失 , 出 现 双 足 离 地 为 跑

    14、 步 的 特 征 。2 . 1 . 2 支 撑 阶 段支 撑 阶 段 由 5 个 环 节 组 成 ( 图 2 ) , 其 1 为 初 始 着地 期 , 从 足 跟 着 地 到 足 掌 着 地 前 。 其 2 为 支 撑 反 应 期 ,从 足 掌 着 地 到 重 心 移 至 支 撑 脚 中 心 前 , 足 ( 脚 ) 底 平 行 。其 3 为 中 点 支 撑 期 , 从 中 点 支 撑 到 足 跟 离 地 前 。 其 4 为支 撑 后 期 , 从 足 跟 离 地 到 足 指 离 地 前 。 其 5 为 摆 动 前 期( 推 离 期 ) , 指 足 离 地 阶 段 。2 . 1 . 3 摆 动 阶

    15、 段摆 动 阶 段 由 2 个 环 节 组 成 ( 图 2 ) , 其 1 为 摆 动 早期 , 腿 加 速 摆 动 阶 段 。 这 个 阶 段 从 足 指 离 地 开 始 到 摆 动中 期 , 即 腿 摆 动 通 过 支 撑 腿 ( 平 足 摆 动 ) 时 结 束 。 其 2 为摆 动 后 期 , 腿 减 速 摆 动 阶 段 ( 足 下 落 ) , 这 个 阶 段 从 摆 动中 期 开 始 到 足 跟 着 地 结 束 。步 态 是 指 人 体 步 行 时 的 姿 态 , 人 体 通 过 髋 、 膝 、 踝 、足 趾 的 一 系 列 连 续 活 动 , 使 身 体 沿 着 一 定 方 向 移

    16、动 的过 程 。 正 常 步 态 具 有 稳 定 性 、 周 期 性 和 节 律 性 、 方 向 性 、协 调 性 以 及 个 体 差 异 性 , 然 而 , 当 人 们 存 在 疾 病 时 , 以 上的 步 态 特 征 将 有 明 显 的 变 化 1 。2 . 2 步 行 的 空 间 参 数行 走 时 左 右 足 跟 ( 或 趾 尖 ) 间 的 纵 间 距 离 称 为 步 长 ,而 同 侧 足 跟 ( 或 趾 尖 ) 两 次 着 地 间 的 距 离 称 为 步 周 长 或周 期 跨 距 。 步 长 与 身 高 显 著 相 关 , 身 高 相 同 的 男 、 女 性 ,其 步 长 无 显 著

    17、性 差 异 , 且 步 长 随 着 年 龄 的 增 大 而 下 降2 . 2 . 1 步 长是 指 同 侧 足 跟 或 足 尖 到 迈 步 后 足 跟 或 足 尖 之 间 的距 离 ( 图 3 ) , 其 值 为 跨 步 长 的 两 倍 , 正 常 大 约 1 5 0 1 6 0 c m ; 跨 步 长 为 一 侧 足 跟 到 对 侧 足 跟 之 间 的 距 离 , 正常 大 约 7 5 8 3 c m ;2 . 2 . 2 步 宽是 指 人 们 在 行 走 时 , 两 侧 足 内 侧 弓 之 间 的 距 离( 图 3 ) , 正 常 大 约 5 1 0 c m ,2 . 2 . 3 步 频

    18、或 步 速是 指 行 走 时每 m i n 迈 出 的 步数 , 正 常 一 般 在9 5 1 2 5 步/ m i n 。 步 长 与 步 频及 身 高 等 因 素 有 关 , 一 般 男 性 为 每 一 复 步 1 5 0 1 6 0 c m , 步 宽 约 8 3 . 5 c m , 足 角 约 6 7 身 体 质 心 上下 起 伏 的 幅 度 约 为 4 4 。2 . 3 步 行 的 时 - 空 参 数髋 、 膝 、 踝 关 节 在 行 走 中 的 角 度 变 化 主 要 以 步 态 周期 中 的 角 度 - 时 间 关 系 曲 线 为 标 征 , 单 一 的 角 度 数 值变 化 意

    19、 义 不 大 7 。 通 过 对 研 究 对 象 各 关 节 在 不 同 平 面 上活 动 的 角 度 - 时 间 关 系 曲 线 与 正 常 人 , 或 左 右 脚 之 间 ,或 治 疗 前 与 治 疗 后 不 同 时 期 的 角 度 - 时 间 关 系 曲 线 的比 较 , 可 以 反 映 研 究 对 象 各 关 节 的 功 能 情 况 和 治 疗 效果 。 角 度 - 角 度 曲 线 可 以 形 象 地 表 现 行 走 中 两 个 关 节间 的 协 调 关 系 , 当 神 经 、 肌 肉 功 能 异 常 时 , 角 度 - 角 度 曲线 也 出 现 异 常 , 表 明 两 侧 下 肢 的

    20、 协 调 性 差 。图 步 行 的 周 期图 步 行 的 阶 段 划 分图 步 的 周 期 跨 距2第 4 期图 典 型 步 态 的 双 峰 曲 线钱 竞 光 , 等 : 步 行 动 作 的 生 物 力 学 原 理 及 其 步 态 分 析步 行 时 , 最 显 著 的 运 动 是 髋 、 膝 、 踝 关 节 的 屈 伸 运动 。 正 常 步 行 时 , 这 些 关 节 的 屈 伸 发 生 时 机 及 幅 度 。 步行 中 身 体 的 重 心 沿 一 复 杂 的 螺 旋 形 曲 线 向 前 运 动 , 在矢 状 面 及 水 平 面 上 的 投 影 各 呈 一 正 弦 曲 线 , 其 幅 度 分别

    21、 为 3 c m 及 2 c m , 向 前 运 动 也 有 交 替 的 加 速 与 减 速 。为 了 减 少 重 心 上 、 下 及 侧 向 移 动 , 以 使 运 动 更 为 平 稳 并降 低 能 耗 , 骨 盆 也 配 合 步 行 周 期 而 做 左 右 旋 转 、 左 右 倾斜 及 侧 向 移 动 。 最 大 前 旋 见 于 同 侧 足 跟 着 地 时 , 最 大 后旋 见 于 同 侧 支 撑 中 期 , 幅 度 各 约 8 。 向 左 右 倾 斜 见 于右 足 及 左 足 的 摆 动 中 期 , 幅 度 约 为 5 度 , 最 大 左 右 移 动见 于 同 侧 支 撑 中 期 , 幅

    22、 度 约 为 4 . 5 c m , 骨 盆 向 前 旋 转时 , 同 侧 股 骨 及 胫 骨 也 分 别 内 旋 8 9 , 使 足 跟 着地 时 下 肢 内 旋 2 5 左 右 , 在 支 撑 期 结 束 时 恢 复 外 旋 。步 行 周 期 中 上 肢 作 下 肢 相 反 方 向 的 摆 动 。步 行 周 期 中 多 组 肌 肉 的 协 调 收 缩 , 起 到 平 衡 身 体 、加 速 、 减 速 及 吸 收 震 动 的 作 用 。 利 用 多 导 联 肌 电 图 可 以观 察 各 组 肌 肉 的 工 作 , 分 析 其 收 缩 时 机 及 强 度 。 正 常 的常 速 步 行 时 ,

    23、肌 肉 作 功 不 多 , 在 很 大 程 度 上 利 用 重 心 的惯 性 前 移 及 反 复 的 失 平 衡 过 程 向 前 推 进 。 平 地 常 速 步行 时 的 能 耗 约 为 0 . 3 3 k j / ( m i n . k g ) , 步 速 增 加 及 步 态 改 变时 能 耗 增 加 2 。2 . 4 步 行 的 运 动 学 特 征2 . 4 . 1 人 体 重 心人 体 重 心 位 于 第 二 骶 骨 前 缘 , 两 髋 关 节 中 央 。 直 线运 动 时 该 中 心 是 身 体 上 下 和 左 右 摆 动 度 最 小 的 部 位 。身 体 重 心 摆 动 包 括 :(

    24、 1 ) 骨 盆 前 后 倾 斜 , 摆 动 侧 的 髖 关 节 前 向 速 度 高于 支 撑 侧 , 造 成 骨 盆 前 倾 。( 2 ) 骨 盆 左 右 倾 斜 , 摆 动 侧 骨 盆 平 面 低 于 支 撑 侧 。( 3 ) 骨 盆 侧 移 , 支 撑 相 骨 盆 向 支 撑 腿 的 方 向 侧 移 。( 4 ) 纵 向 摆 动 重 力 中 心 在 单 支 撑 相 时 最 高 , 双 支撑 相 时 最 低 。 上 下 摆 动 8 1 0 c m 。( 5 ) 膝 关 节 支 撑 相 早 期 屈 曲 , 支 撑 侧 膝 关 节 屈 曲约 1 5 。( 6 ) 体 重 转 移 , 支 撑 侧

    25、 早 期 在 蹠 屈 肌 的 作 用 下 体重 由 足 跟 转 移 到 全 足 。( 7 ) 膝 关 节 支 撑 相 晚 期 屈 曲 , 支 撑 侧 膝 关 节 屈 曲3 0 4 0 。( 8 ) 步 行 时 减 少 重 心 摆 动 是 降 低 能 耗 的 关 键 。2 . 4 . 2 廓 清 机 制廓 清 指 步 行 摆 动 相 下 肢 适 当 离 开 地 面 , 以 保 证 肢体 向 前 行 进 , 包 括 摆 动 相 早 期 - 中 期 髋 关 节 屈 曲 , 摆 动相 早 期 膝 关 节 屈 曲 , 摆 动 相 中 - 后 期 踝 关 节 背 屈 。 骨 盆稳 定 性 参 与 廓 清

    26、机 制 。 支 撑 相 的 影 响 包 括 : 支 撑 中 期 踝跖 屈 控 制 ( 防 止 胫 骨 过 分 前 向 行 进 ) , 中 期 至 末 期 膝 关 节伸 展 和 末 期 足 跟 抬 起 ( 踝 跖 屈 ) 。2 . 5 步 行 的 动 力 学 特 征人 体 行 走 时 身 体 重 力 和 惯 性 力 全 部 由 着 地 足 承受 , 在 1 个 站 立 相 即 将 结 束 以 及 下 1 个 站 立 相 将 来 到时 , 着 地 足 所 受 的 垂 直 约 束 力 最 大 , 除 了 身 体 重 力 外 还包 括 向 下 的 惯 性 力 , 表 明 此 时 身 体 有 向 上 的

    27、 加 速 度 , 以使 另 1 只 脚 能 抬 起 作 摆 动 。 在 即 将 进 入 摆 动 相 时 , 踝 关节 向 后 蹬 力 逐 渐 增 大 , 考 虑 到 摆 动 相 时 踝 关 节 仅 受 很小 的 惯 性 力 , 故 可 认 为 后 蹬 力 促 使 了 摆 动 , 而 足 离 地 后腿 的 摆 动 完 全 由 惯 性 实 现 。 由 于 摆 动 腿 的 关 节 受 力 很小 , 所 以 地 面 对 足 的 反 作 用 力 主 要 用 于 产 生 身 体 和 着地 足 的 加 速 度 , 实 现 人 体 向 前 移 动 , 但 这 些 水 平 方 向 的约 束 力 时 而 为 正

    28、、 时 而 为 负 的 特 性 表 明 :“ 人 体 行 走 实际 上 是 一 连 串 的 失 去 平 衡 和 恢 复 平 衡 过 程 , 1 条 腿 支撑 , 1 条 腿 摆 动 , 失 去 平 衡 后 紧 接 着 恢 复 平 衡 , 如 此 循 环往 复 , 使 得 人 体 的 大 部 分 肌 肉 在 步 行 中 呈 放 松 状 态 。2 . 5 . 1 足 一 地 接 触 力足 一 地 接 触 力 通 常 可 按 垂 直 、 前 后 和 左 右 方 向 做三 维 记 录 。 临 床 应 用 时 , 主 要 观 察 力 一 时 间 曲 线 的 特征 , 即 谷 峰 值 、 谷 值 的 出

    29、现 时 间 和 幅 度 的 变 化 。 行 走 时足 一 地 接 触 力 在 垂 直 方 向 上 的 分 力 最 大 , 在 每 个 步 态周 期 转 折 点 出 现 极 值 , 足 跟 着 地 时 有 一 极 大 值 , 随 足 部逐 渐 放 平 , 受 力 面 积 逐 渐 增 大 , 受 力 减 小 , 足 部 完 全 放平 时 受 力 达 最 小 , 至 足 跟 离 地 , 足 趾 登 地 时 出 现 另 一 极大 值 , 即 在 整 个 步 态 周 期 中 , 垂 直 方 向 受 力 曲 线 具 有 典型 的 对 称 双 峰 性 质 。 正 常 人 足 一 地 接 触 力 在 水 平

    30、、 前 后方 向 受 力 较 小 . 且 基 本 对 称 。 研 究 认 为 不 同 年 龄 人 体 的足 一 地 接 触 力 无 显 著 性 差 异 2 。( 1 ) 垂 直 重 力 。 垂 直 重 力 呈 双 峰 型 ( 图 4 ) , 即 首 次触 地 时 身 体 G R F 超 过 体 重 ,表 现 为 第 一 次 高 峰 ; 在 身 体重 心 越 过 重 力 线 时 , 体 重 向对 侧 下 肢 转 移 , 至 对 侧 下 肢首 次 触 地 并 进 入 承 重 期 时G R F 降 低 到 最 低 点 ; 然 后 由3南 京 体 育 学 院 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 5

    31、 卷于 蹬 离 的 反 作 用 力 , G R F 增 加 , 一 般 与 承 重 期 的 应 力相 似 ; 在 足 离 地 时 压 力 降 低 到 零 , 进 入 摆 动 相 。 在 下 肢承 重 能 力 降 低 时 , 可 以 通 过 减 慢 步 行 速 度 , 以 减 轻 关 节承 重 , 此 时 G R F 的 双 高 峰 曲 线 消 失 , 表 现 为 与 体 重 一致 的 单 峰 波 形 。( 2 ) 剪 力 。 垂 直 剪 力 在 首 次 触 地 时 向 前 , 越 过 重 心线 时 剪 力 向 后 。 表 现 为 前 后 反 向 的 尖 峰 图 形 。 左 右 ( 内外 ) 剪

    32、 力 形 态 相 似 , 但 是 幅 度 较 小 。( 3 ) 力 矩 。 力 矩 是 机 体 外 力 与 内 力 作 用 的 综 合 , 是动 力 学 与 运 动 学 的 结 合 , 受 肌 肉 力 量 、 关 节 稳 定 度 和 运动 方 向 的 影 响 。2 . 5 . 2 踝 关 节 力B r e s l e r 和 F r a n k e l 于 1 9 5 0 年 曾 估 算 踝 关 节 力 超过 2 倍 体 重 。 S e i r e g 等 在 1 9 7 5 年 采 用 数 学 模 型 方 法 ,测 定 踝 关 节 反 作 用 力 为 5 . 2 倍 体 重 。 S t a

    33、u f f e r 等 在 1 9 7 7年 测 算 的 踝 关 节 反 作 用 力 约 为 5 倍 体 重 。 W a l k e r 于1 9 7 7 年 估 算 踝 关 节 力 在 3 . 5 9 - 6 倍 体 重 之 间 。 汤 荣 光等 人 对 单 肢 负 重 期 踝 关 节 力 进 行 了 测 定 , 测 得 在 单 肢负 重 期 踝 关 节 力 出 现 最 大 值 , 约 4 . 6 7 倍 体 重 。 因 此 , 可以 确 定 人 体 踝 关 节 力 约 为 5 倍 体 重 。 比 较 男 、 女 性 踝 关节 力 , 经 检 验 无 显 著 性 差 异 。2 . 5 . 3

    34、 身 体 重 心 的 加 速 度行 走 时 人 体 重 心 不 仅 在 运 动 方 向 , 而 且 在 垂 直 方向 上 不 断 改 变 着 位 置 和 速 度 , 其 中 , 身 体 重 心 在 垂 直 方向 的 速 度 变 化 与 各 关 节 及 其 活 动 肌 的 力 学 状 况 有 密 切关 系 。 例 如 , 分 析 一 侧 膝 关 节 在 行 走 期 间 的 关 节 内 力时 , 需 要 分 析 膝 关 节 以 上 身 体 各 部 分 重 心 的 位 置 和 加速 度 变 化 , 有 关 的 参 数 值 是 进 行 下 肢 膝 关 节 受 力 分 析时 必 不 可 少 的 基 础

    35、数 据 2 , 6 。3 步 态 分 析步 态 分 析 是 用 运 动 生 物 力 学 的 概 念 、 处 理 手 段 和已 经 掌 握 的 人 体 解 剖 、 生 理 学 知 识 对 人 体 行 走 的 功 能状 态 进 行 分 析 的 一 种 生 物 力 学 研 究 方 法 。 随 着 科 学 技术 的 发 展 , 由 先 进 的 传 感 器 、 高 速 摄 像 机 、 微 型 计 算 机等 组 成 的 综 合 步 态 分 析 系 统 , 使 步 态 分 析 方 法 得 以 在康 复 医 学 研 究 中 越 来 越 深 入 的 开 展 , 该 系 统 可 不 受 外界 干 扰 , 同 时

    36、提 供 行 走 时 人 体 的 重 心 的 空 间 位 移 、 速度 、 加 速 度 、 地 面 支 反 力 、 肌 肉 及 关 节 活 动 情 况 、 关 节 内力 及 力 距 的 变 化 等 多 种 人 体 运 动 的 信 息 , 1 个 人 的 步态 将 会 像 体 温 、 血 压 那 样 , 从 1 个 侧 面 反 映 出 人 体 的 健康 状 况 和 病 态 特 征 。3 . 1 影 响 步 态 的 6 大 因 素3 . 1 . 1 髋 部 旋 转正 常 步 行 过 程 中 , 髋 部 左 右 两 个 髋 关 节 连 线 , 相 对于 人 体 纵 轴 有 1 个 前 后 自 然 转

    37、动 过 程 , 通 过 脚 跟 着 地时 髋 部 前 旋 , 脚 趾 离 地 时 髋 部 后 旋 , 来 增 加 腿 的 长 度 ,这 种 运 动 能 够 有 效 加 大 步 幅 。3 . 1 . 2 髋 部 侧 面 下 降在 步 态 周 期 中 , 一 侧 髋 关 节 也 有 1 个 上 下 起 伏 的过 程 , 在 脚 趾 离 地 和 脚 跟 着 地 时 , 摆 动 腿 一 侧 骨 盆 下降 , 可 以 效 增 加 腿 的 长 度 , 而 在 摆 动 过 程 中 髋 关 节 稍 提起 , 形 成 骨 盆 绕 失 状 轴 的 转 动 , 这 种 运 动 , 有 利 于 保 持人 态 分 析

    38、是 用 运 动 生 物 力 学 的 概 念 、 处 理 手 段 和 已 经掌 握 的 人 体 解 剖 、 生 理 学 知 识 对 人 体 行 走 的 功 能 状 态进 行 分 析 的 一 种 生 物 力 学 研 究 方 法 。 随 着 科 学 技 术 的发 展 , 由 先 进 的 传 感 器 、 高 速 摄 像 机 、 微 型 计 算 机 等 组成 的 综 合 步 态 分 析 系 统 , 使 步 态 分 析 方 法 得 以 在 康 复医 学 研 究 中 越 来 越 深 入 的 开 展 , 该 系 统 可 不 受 外 界 干扰 , 同 时 提 供 行 走 时 人 体 的 重 心 的 空 间 位

    39、移 、 速 度 、 加速 度 、 地 面 支 反 力 、 肌 肉 及 关 节 活 动 情 况 、 关 节 内 力 及力 距 的 变 化 等 多 种 人 体 运 动 的 信 息 , 1 个 人 的 步 态 将会 像 体 温 、 血 压 那 样 体 重 心 在 1 个 相 对 水 平 的 位 置 上运 动 。3 . 1 . 3 支 撑 阶 段 的 膝 关 节 弯 曲膝 关 节 在 步 行 支 撑 阶 段 有 屈 伸 运 动 , 在 脚 跟 着 地和 脚 趾 离 地 时 膝 关 节 处 于 伸 直 状 态 , 而 在 单 腿 支 撑 阶段 膝 关 节 轻 微 弯 曲 , 这 有 利 于 蹬 伸 阶

    40、段 大 腿 肌 群 的 用力 , 又 可 以 降 低 重 心 波 动 。3 . 1 . 4 踝 关 节 的 滚 动 运 动在 支 撑 阶 段 踝 关 节 绕 额 状 轴 产 生 转 动 动 作 , 从 脚跟 着 地 时 脚 背 屈 , 到 脚 趾 离 地 时 脚 遮 屈 , 这 种 活 动 , 用来 增 加 腿 长 , 并 有 利 于 缓 冲 着 地 时 的 阻 力 , 增 加 离 地 时蹬 地 力 量 。3 . 1 . 5 下 肢 在 平 面 中 的 转 动小 腿 在 步 行 周 期 中 有 绕 其 纵 轴 的 转 动 动 作 。 由 于有 半 月 板 的 特 殊 结 构 , 膝 关 节 在

    41、 伸 直 最 后 1 0 2 0 时 , 外 侧 半 月 板 , 向 后 滑 动 , 内 侧 不 动 , 造 成 胫 骨 绕 其 纵轴 外 旋 4 1 5 。 因 而 , 在 脚 趾 离 地 时 膝 关 节 蹬 伸 ,小 腿 旋 外 , 并 伴 有 脚 的 外 展 , 而 到 脚 跟 着 地 时 小 腿 旋内 、 脚 内 收 , 再 到 脚 趾 离 地 时 的 旋 外 , 形 成 下 肢 在 平 面4第 4 期中 的 转 动 。 下 肢 通 过 旋 外 伸 长 , 旋 内 缩 短 。3 . 1 . 6 膝 内 收为 了 在 步 行 中 获 得 正 常 的 步 宽 , 膝 关 节 要 有 内 收

    42、动 作 。 膝 关 节 在 解 剖 上 的 外 翻 , 允 许 步 行 有 1 个 狭 窄 的宽 度 。 如 果 没 有 膝 内 收 动 作 , 很 容 易 造 成 宽 幅 步 态 , 甚至 造 成 身 体 重 心 的 S 形 行 进 。以 上 6 个 人 体 步 行 过 程 的 运 动 学 参 数 , 已 经 成 为国 际 步 态 研 究 领 域 进 行 步 态 分 析 时 比 较 公 认 的 6 大 因素 2 , 4 。3 . 2 步 态 的 运 动 学 分 析3 . 2 . 1 定 义运 动 学 是 研 究 步 行 时 肢 体 运 动 时 间 和 空 间 变 化 规律 的 科 学 方 法

    43、 , 主 要 包 括 : 步 行 整 体 时 间 与 空 间 测 定 和肢 体 节 段 性 运 动 方 向 测 定 , 主 要 围 绕 影 响 步 态 的 6 大因 素 的 测 量 , 来 进 行 运 动 学 分 析 。3 . 2 . 2 时 间 / 空 间 参 数 测 定( 1 ) 足 印 法 : 是 步 态 分 析 最 早 期 和 简 易 的 方 法 之一 。 在 足 底 涂 上 墨 汁 , 在 步 行 通 道 ( 一 般 为 4 6 m ) 铺上 白 纸 。 受 试 者 走 过 白 纸 , 留 下 足 迹 , 便 可 以 测 量 距 离 。也 可 以 在 黑 色 通 道 上 均 匀 撒

    44、上 白 色 粉 末 , 让 患 者 赤 足通 过 通 道 , 留 下 足 迹 , 即 可 测 得 步 长 , 步 宽 等 数 据 。( 2 ) 摄 像 分 析 : 在 4 8 米 的 步 行 通 道 的 周 围 设 置2 6 台 摄 像 机 , 同 时 记 录 受 试 者 步 行 图 象 , 并 采 用 同步 慢 放 的 方 式 , 将 受 试 者 的 动 作 分 解 观 察 和 分 析 。 还 可以 根 据 摄 像 机 拍 摄 速 度 , 获 得 相 关 时 间 数 据 , 从 而 计 算出 步 行 过 程 的 参 数 包 括 : 步 长 : 指 一 足 着 地 至 对 侧 足着 地 的 平

    45、 均 距 离 。 国 内 也 有 称 之 为 步 幅 。 步 长 时 间 :指 一 足 着 地 至 对 侧 足 着 地 的 平 均 时 间 。 步 幅 : 指 一 足着 地 至 同 一 足 再 次 着 地 的 距 离 , 也 有 称 为 跨 步 长 。 步行 周 期 : 指 平 均 步 幅 时 间 , 相 当 于 支 撑 相 与 摆 动 相 之和 。 步 频 : 指 平 均 步 数 ( 步 / m i n ) , 步 频 = 6 0 ( s ) 步 长平 均 时 间 ( s ) 。 由 于 步 长 时 间 两 足 不 同 , 所 以 一 般 取 其 均值 。 有 人 按 左 右 步 长 单 独

    46、 计 算 步 频 , 以 表 示 两 侧 步 长 的差 异 。 步 速 : 指 步 行 的 平 均 速 度 ( m / s ) , 步 速 = 步 幅 步 行 周 期 。 步 宽 : 也 称 之 为 支 撑 基 础 , 指 两 脚 跟 中 心点 或 重 力 点 之 间 的 水 平 距 离 , 也 有 采 用 两 足 内 侧 缘 或外 侧 缘 之 间 的 最 短 水 平 距 离 。 左 右 足 分 别 计 算 。 足 偏角 : 指 足 中 心 线 与 同 侧 步 行 直 线 之 间 的 夹 角 。 左 右 足 分别 计 算 。( 3 ) 三 维 数 字 化 分 析 : 通 过 2 6 台 检 测

    47、 仪 ( 数 字化 检 测 仪 或 特 殊 摄 像 机 )连 续 获 取 受 试 者 步 行 时 关节 标 记 物 的 信 号 ( 图 5 ) ,通 过 计 算 机 转 换 为 数 字 信号 , 分 析 受 试 者 的 三 维 运动 特 征 。 同 一 标 记 物 被 两台 以 上 的 检 测 仪 同 时 获 取时 , 即 可 进 行 三 维 图 象 重 建 和 分 析 。 输 出 结 果 包 括 : 数字 化 重 建 的 三 维 步 态 、 各 关 节 三 维 角 度 变 化 、 速 率 和 时相 。 影 响 步 态 的 6 大 因 素 中 , 有 关 骨 盆 的 转 动 , 下 肢 在平

    48、面 中 的 转 动 等 参 数 , 都 必 须 通 过 三 维 数 字 化 分 析 方法 才 能 得 到 。 关 节 标 记 物 一 般 置 放 于 需 要 观 察 的 关 节或 按 有 关 计 算 方 法 安 放 。( 4 ) 关 节 角 度 计 分 析 : 采 用 特 制 的 关 节 角 度 计 固定 于 被 测 关 节 , 记 录 关 节 活 动 的 角 度 改 变 ( 图 6 ) , 转换 为 数 字 信 号 并 用 计 算 机 重 建 步 态 。 优 点 是 操 作 简 便 ,特 别 是 上 肢 检 查 十 分 方 便 ; 缺 点 是 难 以 正 确 记 录 旋 转和 倾 斜 活 动

    49、 2 , 3 , 5 。3 . 3 步 态 的 动 力 学 分 析3 . 3 . 1 定 义动 力 学 分 析 是 对 步 行 时 作 用 力 、 反 作 用 力 强 度 、 方向 和 时 间 的 研 究 方 法 。 牛 顿 定 律 、 多 体 系 统 动 力 学 原 理是 动 力 学 分 析 的 理 论 基 础 。3 . 3 . 2 测 定 方 法( 1 ) 测 力 平 台 : 步 行 时 人 体 G R F 可 以 通 过 测 力 平 台记 录 , 以 分 析 力 的 强 度 、 方 向 和 时 间 。 测 力 平 台 一 般 平行 设 置 在 步 行 通 道 的 中 间 , 可 以 平 行 或 前 后 放 置 , 关 键是 保 证 连 续 记 录 1 个 步 行 周 期 的 压 力 。 测 力 平 台 测 定身 体 运 动 时 的 垂 直 力 F x 和 横 向 力 F y( 图 7 、 图 8 ) 。 垂图 5 步 态 的 三 维 数 字 化 分 析 1 0 图 6 髋 、 膝 、 踝 关 节 角 度 的 运 动 学 参 数 统 计图 偏 瘫 步 态 F x ,

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    本文标题:步行运动的生物力学原理及其步态分析.pdf
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