人體運(yùn)動學(xué)中步態(tài)參數(shù)分析及其應(yīng)用研究

1、    人體運(yùn)動學(xué)中步態(tài)參數(shù)分析及其應(yīng)用研究    朱德有 王秋艷人體步行是日常生活中最為普通的一種行為過程，可以說正常的步行不需要思考，但對于醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)工作者來說，人體步行卻蘊(yùn)涵著大量人體生命系統(tǒng)的信息。廣義上講人體步行是由四百多塊肌肉，兩百多塊骨骼在神經(jīng)系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)的復(fù)雜協(xié)調(diào)動作。狹義上講在步行的平衡和協(xié)調(diào)過程中，主要參與的肌肉和關(guān)節(jié)包括足、踝、膝、髖、軀干、頸、肩和臂協(xié)同運(yùn)動。這其中任何環(huán)節(jié)的失調(diào)都可能影響步行狀況，同時某些異常也可能被代償或掩蓋。上述說明可以總結(jié)出人體步行的以下特征：普遍性，復(fù)雜性，綜合性。正因為此，研究人體步行的行為特征

2、即步態(tài)分析成為了康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的很重要的一個分支。一、研究背景行走是人體運(yùn)動功能的主要構(gòu)成部分，因此作為研究下肢運(yùn)動和受力情況的步態(tài)分析在康復(fù)和康復(fù)評定中占有了重要的位置。通過步態(tài)分析可以對人體運(yùn)動系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病因進(jìn)行分析和診斷并對功能、療效進(jìn)行評定，還可以用于指導(dǎo)骨、關(guān)節(jié)假體與假肢的設(shè)計以及對截癱患者的行走功能進(jìn)行重建，同時對于體育學(xué)和航天學(xué)也有重要的價值。目前在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。步態(tài)分析已經(jīng)成為康復(fù)醫(yī)學(xué)評定的一個很重要的組成部分，有力地輔助了臨床運(yùn)動功能評定，思維能力評定等主流康復(fù)醫(yī)學(xué)評定方法。步態(tài)分析方法也在綜合了臨床分析、運(yùn)動學(xué)分析、動力學(xué)分析、肌電圖分析等方法之后有了更長足的發(fā)展。

3、通過長期的臨床經(jīng)驗，很多病理步態(tài)有了充分的實踐依據(jù)。二、正常步態(tài)運(yùn)動協(xié)調(diào)實驗研究1.實驗?zāi)康呐c對象自然步態(tài)(或正常步態(tài))是指健康人用自我感覺最自然、最舒適的姿態(tài)行進(jìn)時的步態(tài)，是周期性的，具有協(xié)調(diào)和均衡的特點。研究正常人的步態(tài)特征。建立正常步態(tài)的協(xié)調(diào)控制模式，不僅能給康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的診斷疾病、確定康復(fù)治療方案提供重要依據(jù)，而且對擬人機(jī)器人和智能假肢的運(yùn)動規(guī)劃和設(shè)計控制均有重要意義。特別是在擺動期，通過實驗分析可知，在擺動期初期有一個明顯的膝屈動作，該動作對產(chǎn)生擺動過程最低點的腳尖與地面間隙尤為重要。winter指出，正常擺動期的平均腳尖與地面間隙僅為1.29cm。而且該間隙對膝關(guān)節(jié)的角度變化非常敏

4、感。如果沒有足夠的膝屈。擺動過程中腳尖就會觸地，為了完成擺動期，必須有額外的提髖或大腿外擺動作，增加了步態(tài)周期的能量消耗，也使步態(tài)顯得笨拙難看。可以看出。在擺動期要求整個下肢三關(guān)節(jié)、多肌肉之間的協(xié)同動作，本節(jié)將以此為對象對其協(xié)調(diào)控制機(jī)理加以研究。關(guān)于在擺動期中肌肉的參與情況和肌肉力對擺動的作用已有一些研究，但是研究者的結(jié)論也不盡一致，yamaguichi(1990)1通過減少或增加某塊肌肉的神經(jīng)激發(fā)信號，研究了擺動期中肌肉對屈膝的影響，認(rèn)為肌肉力或者肌肉活性很小，moehon(1980)和collins(1995)通過優(yōu)化分析和實驗研究。認(rèn)為在擺動期確有較強(qiáng)肌肉活動存在，王人成等人選用6種最優(yōu)

5、化準(zhǔn)則并考慮關(guān)節(jié)被動力矩求解了下肢擺動期冗余肌肉力的分布，認(rèn)為適當(dāng)?shù)募×τ谕瓿捎行?、低能耗、自然的步行仍然起著重要的作用。還有一些學(xué)者通過建模仿真預(yù)測肌肉激勵的協(xié)同性問題。但是，人體采用何種方式控制邁步，在單腿支撐時神經(jīng)系統(tǒng)如何調(diào)節(jié)保持身體的肌肉協(xié)調(diào)動作。利用什么樣的性能指標(biāo)函數(shù)來表示人腦協(xié)調(diào)控制所追求的目標(biāo)等問題仍不清楚。本節(jié)通過實驗和模型分析相結(jié)合重點研究擺動期的肌肉力協(xié)調(diào)和動力學(xué)協(xié)調(diào)控制模式。2.實驗方法(1)實驗任務(wù)和受試者實驗過程中，要求受試者在平地路況下正常行走。在數(shù)據(jù)采集前每個受試者，均行走35遍，充分適應(yīng)設(shè)備和熟悉行走要求。實驗開始后，為了保證受試者姿態(tài)自然、速度穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采

6、集在不知會受試者的情況下開始。實驗要求每個樣本進(jìn)行8次自然行走。本實驗共有53名志愿者參加，其中包括黑龍江工程學(xué)院田徑隊、籃球隊。由于實驗過程中部分受試者動作變形較大(運(yùn)動員有傷)，我們從中選取了19名有代表性的運(yùn)動員，男14名女5名，進(jìn)行正常步態(tài)行走實驗的數(shù)據(jù)分析。其中田徑運(yùn)動員的專項分別為三級跳和5 000米長跑，有一名男子三級跳運(yùn)動員為運(yùn)動健將，其他人為一級運(yùn)動員，健康狀況良好。實驗中受試者下身穿緊身運(yùn)動短褲，以保證肌電信號電極不受影響和明確標(biāo)示運(yùn)動中肢體的位置。受試者相關(guān)生理參數(shù)如表11所示。通過最優(yōu)控制計算，可以了解實現(xiàn)正常步態(tài)擺動期各肌肉的協(xié)同關(guān)系和控制模式。圖1-1是模型計算的肌

7、肉活性與樣本測量的emg模式比較，可見理論計算和實驗結(jié)果還是基本相符的。上述肌肉模式分析結(jié)果也表明。模型采用能量消耗最少為優(yōu)化目標(biāo)求解符合人體正常步態(tài)擺動期的控制模式。三、步態(tài)參數(shù)模型的應(yīng)用步態(tài)分析采用的方法眾多，涉及的參數(shù)也有很多種，如何從這些參數(shù)中提取出穩(wěn)定可靠的參數(shù)對分析也是至關(guān)重要的，有人對此進(jìn)行了專門的研究。r.white等人認(rèn)為為了確保數(shù)據(jù)的再現(xiàn)性每種數(shù)據(jù)應(yīng)該重復(fù)測量35525次，在他們的實驗中測量分三天進(jìn)行，每天測量三次。他們引入了變化率的概念他們的實驗結(jié)果表明實驗中測得的足地垂直方向的力具有相當(dāng)好的可重復(fù)性，前后方向力的可重復(fù)性稍差，左右方向力的可重復(fù)性最差。因而要想對整個力一

8、時間曲線進(jìn)行分析需要有更先進(jìn)的統(tǒng)計學(xué)方法，在分析過程中對參數(shù)的選擇也要慎重考慮。對于不同目的的實驗，實驗要求和數(shù)據(jù)的選取原則也是不同的。例如alancrowe等人在研究人體質(zhì)心運(yùn)動時提出的有效實驗選取原則。1.足應(yīng)落于特定區(qū)域。2.為滿足對z方向運(yùn)動的要求。剔除一次實驗中左右側(cè)z方向峰值的平均值與體重的差異超過1.5的實驗。3.為了確保步速的一致性，需剔除兩次實驗中時間周期差異超過揚(yáng)的實驗。四、結(jié)論人體的下肢相對于上肢來講，其運(yùn)動基本在2維空間，而且在運(yùn)動學(xué)協(xié)調(diào)方面已有較多的分析，但是對其動力學(xué)協(xié)調(diào)及控制機(jī)理的研究仍是一個重要課題。研究了自然步態(tài)擺動期肌肉力的協(xié)同變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)會將肌肉之間結(jié)成不同的協(xié)同肌群，并控制三組不同的協(xié)調(diào)肌群按照特定的時序結(jié)構(gòu)去執(zhí)行運(yùn)動的加速、制動和姿態(tài)控制，分為三個階段，這表明人體運(yùn)動協(xié)調(diào)元