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。
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本文内容
摘要
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。
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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
- 运动学：动作捕捉系统
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 <....
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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
| 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
- Cappozzo, A. Gait analysis methodology. Human Movement Science. 3 (1), 27-50 (1984).
- Gao, Z., Mei, Q., Fekete, G., Baker, J., Gu, Y. The Effect of Prolonged Running on the Symmetry of Biomechanical Variables of the Lower Limb Joints. Symmetry. 12, 720(2020)....
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