步态滑跌过程中人体下肢关节运动的力学效应研究
步态滑跌过程中人体下肢关节运动的力学效应研究
在湿滑地面行走时，人体如何保持平衡？当发生滑跌时，人体下肢关节又会发生怎样的力学变化？本文通过建立六杆倒立摆物理模型，结合实验研究，揭示了人体在步态滑跌过程中的动力学机制。
引言
行走是人类日常生活中常见的运动，需要肌肉和骨骼的协同作用来控制各关节的运动，实时调整人体质心位置。然而，在行走过程中，外界环境的干扰可能导致步态失稳，其中地面湿滑是最常见的干扰因素之一。据统计，滑倒是职业环境中严重的安全问题，占工业部门意外伤害的一半，并且在社会生活中造成的损伤也占家庭事故的20%，公共场所事故的18%。因此，了解滑动后成功恢复平衡和终止跌倒之间的人体内在本质属性的区别，对于制定有效的防滑策略具有重要意义。
步态模型构建
步态运动学特性
本文将人体质心运动轨迹简化为以右足踝关节为圆心、质心到踝关节的距离为半径的圆弧。在人体行走过程中，质心在圆弧轨迹上切向受力为Gsinθ，其中θ为人体质心与足底压力中心的连线与铅垂线的夹角。通过数学建模和计算，可以得到人体质心运动的微分方程及其通解。
步态动力学特性
人体步行运动是一个连续的动态平衡过程，可以根据达朗贝尔原理将动力学问题用静力学的方法进行求解。在运动的任一瞬间，可以在物体上虚加一个惯性力，与主动力和约束力形成一个平衡力系。人体在步行过程中受到的外力包括重力、地面摩擦力、地面支反力、空气阻力及虚加的惯性力。通过分析这些力的相互作用，可以得到人体步行过程中的静力学受力表达式。
滑跌步态动力学分析
在人体行走时的滑跌步态分析中，需要考虑在滑跌时的受力情况。在单支撑相内，人体所受到的外力包括竖直向下的重力G、垂直向上的惯性力Fgz、沿X轴负方向的惯性力Fgx、垂直向上的地面支反力FN和沿X轴正方向的摩擦力f。要保持身体的平衡，这一阶段人体所受的外力和力矩均要处于平衡状态。通过力学方程的分析，可以得出平衡行走所需的摩擦力f越小，接触面提供的静摩擦力越大，则行走发生打滑情况的可能性就越小。
滑跌步态模型构建
本文研究内容为人体下肢，人体下肢由髋骨、股骨、髌骨、腓骨、胫骨及足骨构成的框架，并且骨骼之间形成三大关节：髋关节Hip joint (H)、膝关节Knee joint (K)、踝关节Ankle joint (A)。各个骨骼与关节由肌肉连接，由肌肉的收缩驱动关节的转动使身体运动。对于简化的下肢多杆运动学模型，关节的内驱动力矩对整个步态模型来说为内力，其外在主动力为测力台或者步道的反作用力及自身重力。
试验
试验对象
本试验选取10名健康年轻男性作为试验对象，年龄(24.5 ± 0.5)岁，体重(72.78 ± 8.6 kg)，身高(175.3 ± 5.4 cm)。受试者均为在校学生，身体健康，没有显著的肌肉骨骼病史及神经疾病、心血管疾病。在试验前无剧烈运动、肌肉拉伤和肌肉疲劳等情况，保证每名受试者自愿参加试验并且能够按照试验要求进行试验。
试验方法
本试验拟采集人体在行走过程中发生滑跌时关节角度及关节力矩参数。试验平台由VICON三维光学运动捕捉系统(VICON Motion Systems, Oxford, UK)、AMTI三维测力台(AMTI, Watertown, US)、步态行走试验台以及随行保护装置四部分组成。步态行走试验台长8 m，宽3 m，将两块AMTI测力台嵌入平台内并进行固定，在测力台上放置光滑的大理石并保证其高度与试验平台一致。试验中要求受试者穿戴随行保护装置以便保证受试者在坠落冲击时的安全受到保护。
本实验采用对比试验法，在水平步道上涂油创造湿滑条件，将人体滑移后成功恢复平衡与滑移后终致跌倒两试验组相互对照。对比分析成功恢复平衡与跌倒之间人体下肢关节角度和关节力矩的变化情况及差异性，从而探讨人体下肢关节运动的力学效应与平衡恢复的联系。在进行数据采集前要给予受试者适当的准备时间，受试者可以在试验平台上进行试验过程演练以适应身上装配的试验设备，并调整自己的步伐使之双脚在步行过程中尽量分别踩踏在两块测力台的中心位置。受试者要多次行走在普通步道和涂油的湿滑步道，为了不让受试者准确辨认地面的变化，在实验室中使光线昏暗并且指示受试者在行走中目光向前看。这样的试验条件是合理的，因为大量的跌倒发生在光线昏暗的环境中。每位受试者要在无外界扰动与有外界扰动的两种情况下完成，两种试验随机进行以尽量减小受试者对滑跌事件的心理预防。目视前方，并且未告知其地面情况，使其在无意识的情况下完成试验，使得试验更接近实际情况。试验中由工作人员操作VICON系统软件采集两种试验环境下受试者的步态参数、运动学参数以及动力学参数。
试验参数
本文是基于步态分析，对人体行走步态滑跌现象进行研究，对比分析滑移恢复平衡与跌倒之间人体下肢关节角度和关节力矩参数的变化情况及差异性，从而探究在步态滑跌过程中人体下肢关节运动的力学效应。
本文运用VICON采集油面水平步道行走环境下，髋、膝、踝关节各关节力矩和关节角度的变化规律。“关节力矩”定义为一个力和关节中心点到此力作用线垂直距离的矢量积。在步态研究中，关节力矩均指关节内力矩。举例说明：伸膝力矩是指当发生在胫骨、股骨间反作用力的作用线向后经过关节屈伸轴时，即当外部力矩驱使膝关节发生屈曲时，膝关节内部所产生的伸膝力矩。Liu等[10]调查了平衡恢复过程中年龄对下肢关节力矩的影响，结果表明在反应发生至平衡恢复过程中，老年人依靠额状面和矢状面的关节力矩较多，而年轻人则主要依靠矢状面的关节力矩。因此针对本试验中受试者的具体情况，主要考虑受试者矢状面内的关节力矩与关节角度作为研究指标。
试验结果与分析
关节角度
将人体步态滑移恢复平衡与跌倒两试验组髋关节、膝关节和踝关节矢状面的关节角度数据进行时间标准化，求多组试验的数据进行均值处理，做成变化曲线图。
图6. 滑动腿关节角度对比图
如图6所示，发生意外滑移时，在滑动腿足跟接触步道时刻到非滑动腿足跟接触步道时刻(第一双支撑相与单支撑相)期间，自主恢复平衡试验组(I组)和滑倒试验组(II组)进行比较相，可得结果如下：
I组的髋关节屈曲角度大于II组，当这个步态滑跌的过程进行到所选区间大于40%时，I组髋关节的屈曲角度快速下降。可以得知此时为滑动腿单支撑期，为了使身体恢复平衡滑动腿会激活髋关节的伸展肌群使其收缩减小髋关节的屈曲角度，而跌倒试验组的屈曲角度变化较慢，说明髋关节的伸展肌群在这个过程中并未激活或者激活较小终至滑倒。
膝关节传递负荷，参与运动，辅助动量守恒，并为腿部活动提供力偶。膝关节是人体最大，也是最复杂的关节，它由胫骨关节和髌骨关节组成双关节机构。I组和II组的膝关节角度变化趋势基本一致，但是II组膝关节角度小于I组，对比结果表明滑跌过程中膝关节角度减小。
踝关节和足部的生物力学相当复杂且彼此关系紧密。足部是整个下肢运动系统的一部分，对步态平稳顺畅有重要作用。踝关节将承重由下肢传递到足部，决定着足部在地面上的定位。I组和II组踝关节角度变化趋势基本一致，在0%
20%时间内I组踝关节角度小于II组，在20%80%时间内I组踝关节角度大于II组，然后II组大于I组。
关节力矩
试验对所有关节力矩幅值进行标准化，标准化的方法为用采集到的试验数据除以受试者的体重和腿长，以便对10组受试者的关节力矩进行统计分析。
图7. 滑动腿关节力矩对比图
如图7所示，发生意外滑移时，在滑动腿足跟接触步道时刻到非滑动腿足跟接触步道时刻(第一双支撑相与单支撑相)期间，自主恢复平衡试验组(I组)和滑倒试验组(II组)相比较，可得结果如下：
I组髋关节关节力矩和II组变化趋势基本相同，但是I组需要更大的屈曲力矩。进入滑动腿单支撑时其髋关节的屈曲力矩以更快的速率降低，并且在50%时转变为伸展力矩并最终其值更大。
I组膝关节关节力矩和II组变化趋势大致相同，但是I组膝关节力矩变化比II组稍慢。20%后的时刻膝关节的力矩为屈曲力矩，在40%后的时刻滑动腿单独支撑时，成功恢复平衡的试验组较跌倒试验组拥有更大膝关节屈曲力矩。这说明在步态滑跌过程中，为了保持身体的平衡需要更大的膝关节屈曲力矩，带动膝关节的屈曲运动趋势。
I组踝关节关节力矩和II组踝关节力矩在步态周期的前20%期间变化趋势相同且大小基本相等，在20%之后I组明显大于II组。这说明在步态滑跌过程中踝关节的背屈运动更加有助于平衡的恢复。
数据对比分析
现有的人体行走平衡理论认为，当人体的质心垂直投影COM在双脚的支撑区间BOS内便可维持身体平衡。通过建立人体行走的运动模型，分析得出在发生滑跌时判断身体滑跌程度。之后进行试验检测人体滑跌时下肢关节运动的变化情况，对比成功恢复与跌倒试验之间数据的差异性。将检测分析结果与理论分析结果相比较是否相符。
对髋关节关节角度对比会发现：I组(自主恢复平衡)与II组(滑倒)相比，两者髋关节均呈屈曲状态，但II组屈曲角度更小。滑倒时，质心向下后移，导致髋关节屈曲角度减小，质心垂直投影超出BOS，引发滑倒。
对髋关节关节力矩对比会发现：髋关节屈曲力矩有小幅波动且呈下降趋势，伸展力矩增大，使髋关节从屈曲转为伸展，质心向上前移，维持身体直立。进入单支撑阶段，屈曲力矩快速降低，50%时转为伸展力矩并达最大。说明滑跌时，髋关节屈曲角度和力矩均减小。
对膝关节角度变化对比会发现：膝关节角度表现为屈曲角度，当滑动腿足跟着地时，膝关节处于伸膝状态。在滑移瞬间，人体质心向后下移动，膝关节开始屈曲。
对膝关节力矩变化对比会发现：滑移瞬间，膝关节力矩仍为伸膝力矩。但随着人体通过屈膝运动维持质心在BOS内，膝关节屈曲角度增加。20%时刻后，膝关节转为屈曲力矩，结合髋关节伸展，使人体恢复直立。自主恢复平衡组(I组)需更大屈曲力矩，表明步态滑跌时，保持平衡需更大膝关节屈曲角度和力矩。
对踝关节角度对比分析会发现：自主恢复平衡组(I组)与滑倒组(II组)对比，I组前20%背屈角度小，之后增大，并在17%时背屈角度、屈曲力矩开始上升。滑移时，踝关节由背屈转为跖屈，背屈角度减小，跖屈力矩增大。大约17%时，随着髋关节伸展和膝关节屈曲，人体质心前移，背屈角度增大，跖屈力矩减小，转为背屈力矩，增大足地接触面积和接触力，以减缓或停止滑动。
结论
本文从步态模型分析入手，结合试验结果得出以下结论：
本文建立的人体下肢六杆刚体步态模型有效。滑跌时，惯性力随质心与足底压力中心连线与铅垂线夹角增大而增大，导致RCOF增大，引发滑跌。
滑移瞬间，髋关节屈曲角度和力矩减小。质心偏移出BOS，滑动腿髋关节伸展肌群激活，伸展力矩增大，维持身体平衡。
膝关节在滑移瞬间开始屈曲，屈膝肌群使伸膝向屈曲转变，结合髋关节伸展，维持身体平衡。
滑移瞬间，踝关节背屈，质心后移激活跖屈肌群，跖屈力矩增大，背屈角度减小。随髋关节伸展和膝关节屈曲，质心前移，踝关节背屈角度增大，跖屈力矩减小，直至背屈力矩增大，增大足地接触面积和力，减小滑动速度，维持身体平衡。
本文的研究结果可为下肢助行装置的研发、防滑跌损伤和康复训练提供一定的参考依据。