第五节 步态分析的测量方法

一、运动学分析方法

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，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六大因素的测量，来进行运动学分析。

国内较早从事步态研究的有戴克戎等人，早在1982年就做了相关研究。他们采用电影摄影方法，对77例男、女青年平地常速行走时的步长、步相和髋、膝、踝关节在矢状面上的活动情况进行了分析研究，测得有关数据并绘出上述关节在步态周期中的角度—时间曲线和角度—角度曲线，讨论了这些数据的实用价值和临床意义。

1988年，戴克戎等人进行微机步态分析系统的研制，并使用该系统对41名正常人平地行走时足—地接触力的三维分析，获取了一组正常参数和曲线，并对其形成规律和年龄影响进行了观察讨论；1997年，北京体育大学运动生物力学教研室赵芳等以139例35~75岁普通中老年人及10例20~22岁的青年人为受试者，对中老年人步态指标与衰老关系进行研究：1999年，上海体育学院的伍勰、陆爱云、庞军对上海市杨浦区50名年龄为60~80岁的健康男性、女性老年人进行了室内常速行走的侧面电影拍摄，并使用三维测力台同步记录足—地接触力，对其进行步态分析。

许光旭等根据力和时间的双重因素，进行步态动力学的定量分析，用多维Kistler测力台对患者和正常人进行比较测试，分别计算出他们的三维地面支撑反力及其冲量积分值，得出患侧/健侧在Z方向的一组积分百分比（IR2），并与他们的Fugl-meyer运动功能评分、下肢评分、平衡评分、Barthel指数（ADL）进行相关分析，得出相关系数分别为0.7、0.66、0.83、0.65（P<0.01），说明积分百分比指标能客观地评价偏瘫者的步态不对称性和残疾程度。

周有礼等三度空间动态分析系统及测力台对妊娠妇女步态进行运动学及动力学分析，利用欧拉角(Euler-angle)与牛顿-欧拉方程式(Newton-Euler equation)，依照逆向动力学推算求出下肢各关节角度、受力与受力矩，实验结果显示，孕妇的髋关节、膝关节与踝关节的最大屈曲角度较无怀孕经历女性增加，在下肢关节力矩方面，最大差异在于孕妇脚跟着地后的髋关节伸展力矩增加，膝关节屈曲力矩减少，踝关节屈曲力矩减少。

伍勰等通过三维Kistler测力台及电影摄影的方法，对老年人步态进行了研究，认为老年人常速行走步态的各参数指标均反映了老年人运动机能的退化，特别是膝关节的股四头肌和小腿三头肌机能衰退明显，老年人应注意这两处运动能力的练习。泰国的Rattanaprasert(1997)等人以20名60~79岁的泰国老妇人和20名20~24岁的泰国青年女子为例，每个受试者在肩、大腿、小腿、足贴有标记，赤足在10米的走台上行走，记录运动学、动力学参数。

在步态测量时，时间参数的确定有三种方法：足印法、平面定点摄像技术、三维分析系统。

1.足印法

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4～6m）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上白色粉末，让受试者赤足通过通道，留下足迹，即可测得步长，步宽等数据。

2.平面定点摄像技术

平面定点摄像技术是目前我国观察、分析步态的一种主要方式。结合测力台数据，利用运动解析软件，可进行运动学与动力学分析。

运动学分析首先要对运动对象进行拍摄。目前均采用录像机或高速录像机，拍摄结果可直接进入电脑，利用图像解析软件将录像片段解析为一帧一帧的图像，再将这些图像输入运动解析软件中，按场解析，采集每幅图像的关节点或特征点的二维坐标。采集完成后，对原始数据进行平滑。根据任一肢体环节两端点上的解剖标志点的坐标数据，可以很容易地算出该环节的空间绝对角度，根据两个相邻环节的角度，可容易地算出关节角度。根据位移数据，采用有限差分法计算，便可求得速度和加速度。

动力学分析一般在运动学分析的基础上，结合测力台数据，利用逆向动力法进行。根据物体的运动表象，利用力学定律来求解使物体运动发生变化的动力学数据。可以根据测量所得到的各种运动学数据来推算人体各关节的肌力矩或人体系统内、外部的约束力。采用该法，首先必须对人体各环节进行隔离受力分析，根据牛顿定律及单个物体的动量矩定理列出运动方程，采取从肢体远侧关节开始逐步计算至近侧关节的运算步骤，求得所有关节的反作用力及合肌力矩。

3.三维分析系统

以红外线高速摄影机为主的立体三维动作分析系统自20世纪70年代以来逐渐流行，该系统不仅能定性描述人体三维运动及其变化过程，还能从运动学及动力学方面定量分析其运动状态，从而大大提高了步态分析的精度与效率。现代的动作分析系统大多利用数个红外线高速摄影机，在进行适当的空间校正后，摄取受试者贴于身体特定位置上反光标志点，计算并建立各标志点的三维空间坐标，再配合测力台测得的地面反作用力，计算各关节的运动与受力情况。该类系统通过光电位置敏感器件构成的、具有位置光电转换功能的、特殊红外光点摄像机，它能直接记录并解算出运动特征点的位置坐标信息。

三维分析系统一般包括两大基本部分：硬件模块和软件包。

硬件模块是由若干个红外发光二极管、发光控制器、若干台光电位置敏感器件、摄像机、计算机等部件组成。摄像机内嵌了电流电压变换模块和放大运算电路等单元，可进行硬件实时信号处理。

软件包主要实现系统对光点发光的控制、信号检测、数据处理和结果分析等工作。其具体功能包括：发光点发光控制、多点同步数据采集、数据预处理、数据筛选和平滑、二维及三维坐标位置重建、运动光点位移时程曲线显示、测量数据统计分析等。一台摄像机只能给出运动物体在像平面上二维坐标投影面上的信息，在更多情况下，需要确定运动对象的空间三维位置坐标。为此要采用立体摄影原理，通过直接线性变换DLT法，可获得运动物点的空间三维坐标。

获得三维坐标后，运动学分析和动力学分析的原理与平面运动解析软件的原理相似，也是利用坐标求得角度和速度，利用逆向动力学方法求得动力学指标。

二、动力学分析方法

步态研究中设备的选择十分关键，步态设备的性能发展会对足部生物力学研究产生极大的促进作用。人类于20世纪初期开始对步态产生兴趣，自1938年第一块测力板被用来探讨猫的步态以来，足底压力分布测试系统发展迅速。目前，具有世界先进水平的代表性的产品有：瑞士奇士乐(KISTLER)公司产的测力板；德国Novel公司产的Pedar鞋垫式足底压力测试系统；德国ADAM测力板；德国Zebris测力板；鞋垫式足底压力测试系统；美国Tekscan公司产的测力板及F-Scan鞋垫式足底压力测试系统；美国的AMTI生物力学测力板系统等。国内也进行了相关研究，研制了以下几套系统：1986年上海第九人民医院研制的S9-1型微机化的步态测试系统；1990年北京军区总医院研制的IGI-3型综合步态测试系统；中国科学院成都分院研制的TK-2型三维测力系统；1997年王军等研制的动态式足底压应力测试系统；2000年韦启航等研制的足底压力测量系统；2002年袁刚等研制的足底压力分布系统。目前，研究足底压力的测试系统，根据其测量基本原理，大致可分为以下几类：足印技术、直接形象化技术、力板测试技术、多负载单元测试技术和压力鞋与鞋垫测试技术。

测力平台是分析足部多角度运动分力的一个基础研究设备，步行时可以通过测力平台测试人体GRF的大小、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，保证能够连续记录一个步行周期的压力。测力平台测定身体运动时的垂直力和剪力。垂直力是体重施加给测力平台的垂直应力，而剪力是肢体行进时产生的前后/左右方向的力，与运动学参数结合可以分析内力与肌肉、肌腱、韧带和关节所产生的力矩。

足底压力分布测力板主要用来测量足底的垂直压力，它分为平板式和鞋垫式两种。平板式可以直接测试鞋外底的压力分布。鞋垫式可以测试鞋腔内脚与鞋内底之间的压力。两者可以测定站立或步行时足底受力分布及重心移动的静态或动态变化情况。并根据测试结果对受试者步态进行分析，还能帮助设计合适的矫形鞋。足底压力分布测量目前已在临床医学、康复医学、生物力学、体育训练、工业和人机工程等方面广泛应用，体现了其极大的应用价值。

在临床医学方面，亚尔莫R.佩尔图宁（Jarmo R. Perttunen）等对严重胫骨骨折、伴有大面积软组织损伤手术后患者步态的对称性进行了评估分析。S·迈林（S·Meyring）等对偏瘫病人的动态足底压力进行了测试，并与正常人对比，探讨了评价偏瘫病人步态的客观、量化及可再现的标准。爱丽丝（Alice）等对帕金森病患者的步态中的足底压力进行了对比测试，探讨了足底压力分布情形。茱莉（Julie E.）等对糖尿病人的足底压力进行了分析，指出糖尿病人的峰值足底压力出现在同一区域，但不是同时出现，二者有一定的时间差。G.格拉万特（G. Gra-vante）等利用测力台，对肥胖的年轻人和相应正常人的足底压力进行了对比测量，指出虽然压力中心并未因肥胖而改变，但肥胖病人足底的接触面积和足底压力会大大升高。安东内拉（Antonella）等使用F-Scan Mat系统对糖尿病人的足底压力进行了对比测量，除足底压力升高可以预测糖尿病人的足部神经性溃疡，还发现了足底压力前后比例的升高可以预测脚的溃疡。AM.道林（AM Dowling）等通过青春期的13名肥胖儿童与13名正常儿童进行了对比研究，对肥胖儿童足结构和足底压力分布进行了探讨。C.贾科莫齐（C.Giacomozzi）等对糖尿病人的足底压力进行了测试，并通过体重进行了标准化处理，消除了体重对结果的影响。张伟等对拇外翻病人进行了静动态足底压力测定，并对单侧先天性髋关节脱位病人的动态足底压力进行了测定和分析。李长友等人对类风湿性关节炎病人足底板的生物力学进行了测定；吴汶阑对膝下截止患者的动态站立平衡进行分析；宫崎（Miyazaki）曾对骨性关节炎病人手术后，使用不同拐杖的情况进行了对比分析。

在生物力学应用方面，吴剑和李建设对青年女性着高跟鞋平地行走时步态的生物力学进行了研究，指出青少年女性穿跟高在6.5cm以上的高跟鞋行走时，足底第一趾关节最大受力值是青少年女性穿球鞋行走时该点最大受力值的4倍，是青少年女性穿中跟鞋和松糕鞋行走是该点最大受力值的2倍；朱晓兰利用三维测力台，对127名正常老年人的步态能力进行了研究，初步建立了老年人步态特征评价系统；汤荣光利用Musgrave Footprint软件控制测力板，对正常人的足底静态和动态压力分布进行了测定；埃尔夫特曼（Elftman）和斯科特（Stott）对扁平足的纵弓进行了探讨；埃尔夫特曼（Elftman）和卡拉加纳（Caragna）用测力板得出了正常和异常步态期间病人重心的移动轨迹，研究了长跑运动员的足损伤机理；马奎特（Maquet）从生物力学的角度对膝关节的受力情形，进行了分析；埃莱夫塞里奥斯·凯利斯（Eleftherios Kellis）对学龄前儿童在赤足状态下，站立、行走和跳跃情形下的足底压力分布进行了测定；马修A.纳斯（Matthew A. Nurse）和本诺·米格（Benno Migg）利用冰作为介质，使足部感觉发生变化，对足底压力和肌肉活动的影响进行了研究。

足底压力的分布研究现在已被用于鞋的研制与开发、辅助改良鞋的设计和矫形鞋的设计、鞋垫的设计与开发、脚支撑的研制与开发、优化相关设计等诸多方面。G.布里苏埃拉（G.Brizuela）等对足球鞋的鞋底生物力学设计进行了研究，指出鞋底有15凸和14凸起的，在提高成绩和预防受伤方面，不如13凸起的效果好；M·J·米勒（M·J·Mueller）等对糖尿病和截肢患者穿着六种不同鞋子的效果进行了研究，研制了能够降低峰值压力的鞋具；莎腾（Shorten）将足底压力分布数据应用于运动鞋设计中去；山田（Yamada）初步对鞋和鞋垫材料降低糖尿病人足底压力的有效性进行了研究；尼斯卡（Nyska）对鞋对足底压力的效果进行了研究；迈克（McPoi）则对行走时鞋垫材料足底受力和压力的影响效果，进行了相关研究。

在体育训练应用方面，米科、维马维尔塔（Mikko Virmavirta）等对跳台滑雪起始阶段的足底压力进行了分析；埃里克·艾尔斯（Eric Eils）等对不同速度下滑雪中的足底压力分布进行了测试；莫洛克&尼格（Morlock&Nigg）指出，人体改善足部穿着可以降低足部伤害，同时也有助于改进足部受力的模型；克莱尔·珍妮（Claire Jeanne）和路易·塞耶斯（Louise Sneyers）等指出扁平足和弓形足在足部的压力分布情形，与正常足不同，这两种足型在跑步时容易受到伤害；克莱尔（Claire）等指出弓形足、正常足和扁平足，若足部各区如足压分布均匀，可以降低运动伤害，而足压平均的定义为最大压力和最小压力的范围越小越好；玛丽（Mary）指出如在足部某一部位，承受过大压力时，即易产生过度使用伤害。