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方法文章

不同行走速度下非计划性步态终止相关的下肢生物力学特征

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DOI：

10.3791/61558

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2020年8月25日

 ,  ,  ,  , 
1Faculty of Sports Science, Ningbo University, 2School of Health and Life Sciences, University of the West of Scotland, 3Faculty of Engineering, University of Szeged

本文内容

摘要

本研究比较了不同行走速度下非计划性步态终止过程中下肢的生物力学特征。采用运动分析系统和足底压力平台采集了15名受试者在正常和快速行走速度下的下肢运动学和动力学数据。

摘要

由意外刺激引起的步态终止在日常生活中十分常见。本研究提出了一种用于探究不同行走速度下非计划性步态终止（UGT）过程中下肢生物力学变化的实验方案。要求15名男性受试者分别在正常行走速度（NWS）和快速行走速度（FWS）下在步行道上执行UGT任务。采用运动分析系统和足底压力平台采集下肢运动学及足底压力数据。通过配对样本T检验分析两种行走速度下下肢运动学参数与足底压力数据的差异。结果显示，在FWS条件下进行UGT时，相较于NWS，髋关节、膝关节和踝关节在矢状面上的活动范围更大，前足和足跟区域的足底压力也更高。随着行走速度的增加，受试者表现出不同的下肢生物力学特征，提示FWS可能带来更高的潜在损伤风险。

引言

人类运动被认为是一个极为复杂的过程，需要通过多学科方法进行描述1,2。其中最具代表性的方面是采用生物力学方法进行步态分析。人类步态旨在维持从启动到终止的持续前进运动，同时在运动过程中保持动态平衡。尽管步态终止（GT）作为步态的一个子任务已被广泛研究，但其受到的关注仍相对较少。Sparrow 和 Tirosh3 在其综述中将 GT 定义为：根据位移和时间特征，双足停止向前或向后运动的运动控制阶段。与稳态步态相比，执行 GT 的过程需要更高水平的姿势稳定性控制以及神经肌肉系统的复杂整合与协调4。在 GT 过程中，身体需要迅速增加制动力冲量并减小推进力冲量，以建立新的身体平衡5,6。非计划性步态终止（UGT）是对未知刺激的一种应激反应6。当遇到需要突然停止的意外刺激时，初始的动态平衡将被打破。由于需要对身体质心（COM）进行持续控制以及反馈调节，UGT 对姿势控制和稳定性提出了更大的挑战3,7。

UGT 已被报道是导致跌倒和受伤的重要因素，尤其是在老年人和平衡功能障碍患者中3,8。较快的行走速度可能导致 UGT 期间运动控制能力进一步下降9。Ridge 等人10研究了儿童在正常行走速度（NWS）和快速行走速度（FWS）下进行 UGT 时的关节峰值角度和关节内力矩数据。结果显示，与偏好速度相比，较快速度下膝关节屈曲角度和伸展力矩更大。他们指出，加强下肢关节周围相关肌肉可能是预防 UGT 期间损伤的有效干预措施。

尽管步行速度对稳态步态过程中下肢生物力学特征的影响已得到广泛研究11,12,13，但在不同步行速度下突发步态终止（UGT）的生物力学机制仍研究较少。据我们所知，仅有三项研究专门评估了健康个体在不同速度下的UGT表现9,10,14。然而，这些研究中的受试者主要为老年人14和儿童10，年轻人在UGT期间的生物力学机制仍不明确。下肢运动学和足底压力可为运动生物力学提供精确分析，也被认为是临床步态诊断中的关键组成部分15,16。例如，Serrao等人17利用下肢运动学数据检测了小脑性共济失调患者与健康对照者在突然停止时的临床差异。此外，与计划性步态终止（PGT）相比，在UGT过程中可观察到跖骨外侧区域更高的峰值压力和作用力7，这可能与更高的损伤风险相关。

因此，探索上楼梯过程中的生物力学机制可为损伤预防及进一步的临床研究提供参考。本研究提出了一项研究方案，用于探讨年轻成人在不同行走速度下上楼梯时下肢生物力学参数的任何改变。本研究假设，随着行走速度的增加，参与者在上楼梯过程中将表现出不同的下肢生物力学特征。

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方案

宁波大学人体伦理委员会批准了本实验。在向所有受试者说明UGT实验的目的、要求和实验步骤后，均获得了他们的书面知情同意书。

1. 步态实验的实验室准备

  1. 运动学：动作捕捉系统
    1. 校准系统时，关闭白炽灯，并移除可能被误识别为被动反光标记的任何反光物体。确保八个红外相机正确对准，并具有清晰且合理的视野。
    2. 将适当的 USB 无线接收器插入计算机的并行端口。打开动作捕捉用红外相机和模数转换器的电源。
    3. 在计算机上启动追踪软件，并留出足够时间让八个红外相机完成初始化。在“资源”面板中选择“本地系统”节点。若硬件连接正常，每个相机节点均会显示绿灯。
    4. 在相机视图面板中调整系统参数：将闪光强度设置为 0.95 - 1，阈值设置为 0.2 - 0.4，增益设置为 1 倍（x1），灰度模式设置为自动，最小圆形比设置为 0.5，最大斑点高度设置为 50。
    5. 将由 5 个标记组成的 T 形校准架置于动作捕捉区域的中心。使用 2D 模式选中所有相机，并确认它们能够无干扰且无伪影地看到校准棒（T 形架）。点击工具栏中的“系统准备”项，并从T 形架下拉列表中选择5 标记校准棒与 T 形架校准对象。
    6. 在“工具”面板中，选择“系统准备”按钮，然后点击“校准相机”部分中的“开始”按钮。随后在捕捉范围内实际挥动 T 形架。当红外相机上的蓝色指示灯停止闪烁时，停止动作。持续监控进度条，直至校准过程完成并显示“100%”，然后返回至“0%”。
      注意：确保图像误差的数值小于 0.3。
    7. 将 T 形架放置在地面上（动作捕捉区域的中心），并确保 T 形架的轴线与行进方向一致。
    8. 在工具面板中，点击“设置体积原点”部分下的“开始”按钮。
  2. 足底压力：压力平台
    1. 将 2 m 长的压力平台置于测试区域的中心。注意压力平台周围分布的八个红外相机。
    2. 将压力平台线性划分为四个均等区域 A、B、C 和 D（每个区域为 50 cm * 50 cm），并使用字母标签/贴纸进行区分（图 1）。
    3. 通过专用数据线保持计算机与压力平台的连接。
    4. 双击桌面上的软件图标。
    5. 在校准界面点击“重量校准”，输入一名工作人员的体重。请其站立于压力平台上，等待系统自动完成校准后方可离开平台。

足部分阶段、数据采集的步态分析示意图，包含压力平台、红外相机
图1：实验流程。当受试者在足跟接触区域（A）接收到终止信号时，执行UGT，使受试者在区域（B）停止。同步采集运动学和足底压力数据。请点击此处查看该图的放大版本。

2. 受试者准备

  1. 进行UGT测试前，对所有受试者进行访谈，并简要说明实验目的和流程。对于符合主要纳入标准的受试者，获取其签署的知情同意书。
    1. 纳入标准为：身体健康的成年男性，右腿为优势腿，无听力障碍，无下肢疾病，且在过去六个月内未受过任何损伤。
      注：共有15名符合实验条件的男性受试者参与测试（年龄：24.1 ± 0.8 岁；身高：175.7 ± 2.8 cm；体重：68.3 ± 3.3 kg；足长：252.7 ± 2.1 mm）。
  2. 让所有受试者填写问卷调查。
    注：问题包括：您是否有跑步或其他体育活动史？您每周进行体育活动的频率如何？您是否接受过专业运动训练？在过去六个月内，您是否患过下肢疾病或受过损伤？
  3. 确保所有受试者穿着相同的T恤和紧身裤。
  4. 使用游标卡尺或小型人体测量仪测量受试者的站立身高（mm）和体重（kg），以及左右两侧下肢长度（mm）、膝宽（mm）和踝宽（mm）。
    注：下肢长度测量从髂前上棘至内踝髁；膝宽测量从膝外侧髁至内侧髁；踝宽测量从踝外侧髁至内侧髁。
  5. 根据需要剃除体毛，并用酒精棉片清除多余汗液。准备关节和节段标记点所对应的解剖骨性标志区域的皮肤。
    注：本研究使用了16个反光标记点18，包括髂前上棘（LASI/RASI）、髂后上棘（LPSI/RPSI）、大腿外侧中点（LTHI/RTHI）、膝外侧（LKNE/RKNE）、小腿外侧中点（LTIB/RTIB）、外踝（LANK/RANK）、第二跖骨头（LTOE/RTOE）和跟骨（LHEE/RHEE）（图2）。
  6. 确定16个解剖标志点，并使用双面胶带在这些位置粘贴被动式反光标记点。
  7. 给予每位受试者5分钟时间适应测试环境，并进行慢跑和拉伸等热身活动。

用于关节分析的骨骼标志点标注生物力学示意图；静力平衡模型。
图 2：附着在下肢的反光标记点。（A）侧面，（B）前面，（C）后面。请点击此处查看此图的放大版本。

3. 静态校准

  1. 运动学：动作捕捉系统
    1. 在追踪软件中，找到“新数据库” 按钮以构建数据库。点击“数据管理”以打开“数据管理” 窗格，然后依次单击 “新患者分类”, “新患者” 和 “新会话”按钮。返回到“资源”窗口中，选择“创建新主题” 按钮创建受试者，并在 “特性” 窗格
    2. 点击“开始直播”然后点击“水平分割”在“查看”窗格。然后选择图表以查看轨迹计数。
      注意：检查“3D 视角”窗格，以确保所有16个标记均可见。
    3. 让受试者在A区域静止站立。点击“开始在主体捕捉部分点击“”以捕捉静态模型。在点击“”之前，共捕获了约200帧图像。停止”按钮。
    4. 在“工具” 窗格中，找到“管道”按钮，然后单击“运行重建流程”以构建所有捕获标记点的全新3D图像。在标记点列表中进行识别，并手动为各标记点添加相应的标签。保存后按下“ESC” 键退出。
    5. 选择“受试者准备” 和 “主题校准” 工具栏中并选择“静态插件步态下拉菜单中的“选项”
    6. 选择“左脚” 和 “右脚”在“静态设置” 窗格，然后单击“开始。然后保存静态模型。
  2. 足底压力：压力平台
    1. 在软件中，点击“数据库”以添加新患者，并在“添加患者”窗格。然后，单击“添加”.
    2. 点击“动态”并输入体重和鞋码。然后，点击“好的”.

4. 动态试验

  1. 让受试者到达起始位置。
  2. 软件操作
    注意：两种软件的启动（运动捕捉系统：点击“Capture”按钮；压力平台：点击“Capture”按钮）和结束操作（运动捕捉系统：点击“Stop”按钮；压力平台：点击“Save Measurement”按钮）需同时进行。
    1. 运动学：运动捕捉系统
      1. 在“Resources”面板中选择“Go Live”按钮，并在右侧工具栏中点击“Capture”。从上至下找到“Trial Type”和“Session”，并编辑“Trial”描述信息。
      2. 要求受试者按照4.3节所述执行UGT测试。
      3. 完成UGT测试后，点击“Stop”按钮以结束数据采集试验。重复上述步骤5次。
    2. 足底压力：压力平台
      1. 在开始UGT试验前，选择“Measure”按钮。
      2. 完成UGT测试后，点击“Save Measurement”按钮保存数据。重复上述步骤5次。
  3. UGT试验
    1. 要求受试者以自然步行速度（NWS）沿步行道行走，并指示其使用优势腿和非优势腿分别通过区域A和B，最终在压力平台上的区域D停止。
    2. 告知受试者，当接收到终止信号时，需迅速在区域B停止。
    3. 当足跟接触区域A时随机发出终止信号，确保UGT动作被执行且受试者迅速在区域B停止（图1）。工作人员通过随机摇响一个红色铃铛来发送终止信号，铃响概率控制在约20%。至少采集五次连续的UGT试验数据。
      注意：每次试验之间有2分钟的休息间隔。
    4. 使用压力平台软件计算每位受试者的步行速度，然后将快速步行速度（FWS）设定为NWS的125%。
    5. 按照FWS条件重复上述UGT测试。使用FWS方案至少采集5次连续的UGT试验数据。

5. 后处理

  1. 运动学：动作捕捉系统
    1. 查找“数据管理”按钮，然后在“数据管理”面板，然后选择“重建” 和 “标记”以重建三维动态模型。
    2. 在“时间” 条，移动蓝色三角形以设定所需的时间范围（用于 UGT 中的站立阶段）。
    3. 点击“时间” 柱。然后单击 “缩放至感兴趣区域”在“背景” 菜单。
    4. 点击“标签”按钮以识别并检查标签点。确保步骤与静态识别过程相同。
      注意：请填写部分不完整的识别标记，并删除未标记的标识符（如有必要）。
    5. 选择“动态插件步态分析”在“主题校准” 窗格。然后单击“开始点击“运行数据”按钮以执行数据。将动态试验数据导出为“.csv”格式，以便进行后续数据分析。
    6. 使用截止频率为10 Hz的四阶低通巴特沃斯滤波器，并导出关节角度数据。
    7. 计算矢状面内三个关节（髋关节、膝关节和踝关节）的活动范围（ROM）。
      注：将髋关节、膝关节和踝关节在矢状面运动中的最大角度与最小角度之差定义为关节活动度（ROMs）。
    8. 计算每位受试者十次试验（非水刺激试验5次，水刺激试验5次）的均值（M）和标准差（SD）。
  2. 足底压力：压力平台
    1. 从“试验名称”中选择测量”菜单中的相应科目。点击“动态”按钮以打开数据。
    2. 点击“手动”选择。使用“左鼠标”按钮以选择感兴趣的步骤（GT期间的站立相）。点击“好的”按钮以保存。
    3. 点击“区域划分” 和 “手动区域选择”进行调整，然后单击“接受”按钮以保存。
    4. 打开“压力-力” 屏幕并单击“图表构成”按钮以打开“区域图构成”窗口。划分10个解剖区域，包括大脚趾（BT）、其他脚趾（OT）、第一跖骨（M1）、第二跖骨（M2）、第三跖骨（M3）、第四跖骨（M4）、第五跖骨（M5）、中足（MF）、内侧足跟（MH）和外侧足跟（LH）。然后点击“好的”按钮以保存。
    5. 点击“参数表用于导出足底压力数据，包括最大压力、最大力和接触面积。
    6. 计算每位受试者10次试验（非水刺激5次，水刺激5次）的均值和标准差。

6. 统计分析

  1. 对所有变量进行Shapiro–Wilks检验，以检查其正态分布情况。采用配对样本T检验比较在正常步行速度（NWS）和快速步行速度（FWS）下进行单腿跳跃测试（UGT）时的下肢运动学及足底压力数据。显著性水平设定为 p < 0.05。

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结果

15名受试者的正常步行速度（NWS）和快速步行速度（FWS）的平均值±标准差分别为1.33 ± 0.07 m/s和1.62 ± 0.11 m/s。

图3展示了在正常步行速度（NWS）和快速步行速度（FWS）下，髋关节、膝关节和踝关节在矢状面进行单腿站立测试（UGT）时的平均活动范围（ROM）。与NWS相比，FWS时三个关节的活动范围均显著增加（p<0.05）。具体而言，髋关节、膝关节和踝关节的活动范围分别从22.26 ± 3.03、29.72 ± 5.14和24.92 ± 4.17增加至25.98 ± 2.94、31.61 ± 4.34和28.05 ± 5.59（图3）。

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讨论

以往大多数分析上坡行走步态生物力学的研究在生物力学评估中忽略了行走速度的重要性。因此，本研究旨在探讨在正常行走速度和快速行走速度下上坡行走时下肢生物力学的变化，以揭示与速度相关的影响效应。

在正常步行速度（NWS）和快速步行速度（FWS）下进行上肢重力测试（UGT）时，髋关节、膝关节和踝关节在矢状面上的活动范围（ROM）存在显著差异。我们的研究结果显示，在FWS下进行UGT时，这三个关节在矢状面上的活动范围均大于NWS条件下的活动范围。这些结果与既往关于步行速度影响的研究基本一致19。Ridge 等人10发现，在FWS下进行UGT时，膝关节和髋关节的最大屈曲角度大于NWS时。矢状面膝关节活动范围的增大可能是由于步态速度增加所引起的代偿性运动20，这可能源于UGT过程中膝关节受到更大的冲击。受试者通过增大髋、膝、踝关节的活动范围来维持稳定，这可能有助于更快地完成动作终止，但也可能需要更强的关节伸肌活动以维持稳定性

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披露

作者未报告存在潜在的利益冲突。

致谢

国家自然科学基金-英国皇家学会联合项目（81911530253），国家关键研发计划&中国国家重点研发计划（2018YFF0300905）和宁波大学王宽诚基金

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
14 mm 直径被动式逆反射标记点英国牛津，Oxford Metrics Ltd.n=16
双面胶带美国明尼苏达州，明尼苏达矿业与制造公司用于将标记物固定在皮肤上
运动追踪相机英国牛津，Oxford Metrics Ltd.n = 8
T型架英国牛津，Oxford Metrics Ltd.-
有效加密狗英国牛津，Oxford Metrics Ltd.Vicon Nexus 1.4.116
Vicon Datastation ADC 英国牛津，Oxford Metrics Ltd.-
压力平台RSscan International，比利时奥伦-

参考文献

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