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、生物力學工作者來說，人體步行卻蘊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，復雜性，綜合性。正因為此，研究人體步行的行為特征即步態(tài)分析成為了康復醫(yī)學領(lǐng)域的很重要的一個分支。

一、研究背景

行走是人體運動功能的主要構(gòu)成部分，因此作為研究下肢運動和受力情況的步態(tài)分析在康復和康復評定中占有了重要的位置。通過步態(tài)分析可以對人體運動系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病因進行分析和診斷并對功能、療效進行評定，還可以用于指導骨、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行重建，同時對于體育學和航天學也有重要的價值。目前在康復醫(yī)學領(lǐng)域。步態(tài)分析已經(jīng)成為康復醫(yī)學評定的一個很重要的組成部分，有力地輔助了臨床運動功能評定，思維能力評定等主流康復醫(yī)學評定方法。步態(tài)分析方法也在綜合了臨床分析、運動學分析、動力學分析、肌電圖分析等方法之后有了更長足的發(fā)展。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，不僅能給康復醫(yī)學領(lǐng)域的診斷疾病、確定康復治療方案提供重要依據(jù)，而且對擬人機器人和智能假肢的運動規(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?？梢钥闯?。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。認為在擺動期確有較強肌肉活動存在，王人成等人選用6種最優(yōu)化準則并考慮關(guān)節(jié)被動力矩求解了下肢擺動期冗余肌肉力的分布，認為適當?shù)募×τ谕瓿捎行?、低能耗、自然的步行仍然起著重要的作用。還有一些學者通過建模仿真預測肌肉激勵的協(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函數(shù)來表示人腦協(xié)調(diào)控制所追求的目標等問題仍不清楚。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3～5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)采集在不知會受試者的情況下開始。實驗要求每個樣本進行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(運動員有傷)，我們從中選取了19名有代表性的運動員，男14名女5名，進行正常步態(tài)行走實驗的數(shù)據(jù)分析。其中田徑運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動員為運動健將，其他人為一級運動員，健康狀況良好。

實驗中受試者下身穿緊身運動短褲，以保證肌電信號電極不受影響和明確標示運動中肢體的位置。受試者相關(guān)生理參數(shù)如表1—1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，有人對此進行了專門的研究。R.White等人認為為了確保數(shù)據(jù)的再現(xiàn)性每種數(shù)據(jù)應(yīng)該重復測量35525次，在他們的實驗中測量分三天進行，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好的可重復性，前后方向力的可重復性稍差，左右方向力的可重復性最差。因而要想對整個力一時間曲線進行分析需要有更先進的統(tǒng)計學方法，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的實驗。

四、結(jié)論

人體的下肢相對于上肢來講，其運動基本在2維空間，而且在運動學協(xié)調(diào)方面已有較多的分析，但是對其動力學協(xié)調(diào)及控制機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)行運動的加速、制動和姿態(tài)控制，分為三個階段，這表明人體運動協(xié)調(diào)元的出現(xiàn)過程具有時序特征。肌肉力模式分析結(jié)果表明能量消耗(產(chǎn)生)最少為反映人體正常步態(tài)擺動期的控制目標。同時發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)控制信號與肌肉力之間的變化情況存在一定的差異，反映肌骨系統(tǒng)輸入輸出的復雜映射關(guān)系，需要進一步加以深入研究。

(編輯李舶)