第四节 步态的动力学分析

一、定义

动力学分析是步行时作用力、反作用力强度、方向和时间的研究方法。牛顿定律、多体系统动力学原理是动力学分析的理论基础。

二、测定方法

(一)测力平台

步行时人体 GRF 可以通过测力平台记录，以分析力的强度、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，关键是保证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 Fx和横向力 Fy（图2-13、图2-14）。垂直力是体重施加给测力平台的垂直应力，而横向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，即肌肉、肌腱、韧带和关节所产生的控制外力的动力，一般以力矩表示。

图2-13 正常步态Fx,Fy随时间变化曲线图

图2-14 偏瘫步态Fx,Fy随时间变化曲线图

（二）足底压力分布测力板

采用特制超薄的压力分布测力板或者鞋垫式测力垫直接插入到受试者鞋内，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（图2-15），根据测试结果可以对受试者步态进行分析，还可以协助设计合适的矫形鞋。

图2-15 足底压力分布图

（三）计算机模拟

建立动力学方程，进行动力学计算。建立人体步行的多体系统动力学方程，把从影像解析获得的有关步行的运动学参数和人体惯性参数代入动力学方程组，即可计算出人体步行过程中，各个关节的力和力矩。把力和力矩代入动力学方程组，通过积分可以获得速度、位移等数据，根据这些数据可以确定人体的位置和姿势，实现对人体步行过程的计算机模拟。

三、正常步态

步行的基本功能为从某一地方安全、有效地移动到另一地方。步行是涉及全身众多关节和肌群的一种周期性运动。正常步行是高度自动化的协调、对称、匀称、稳定的运动，也是高度节约能耗的运动。

（一）正常步态特征

通常采用目测方法，就能够判断考察对象步态是否异常。正常步态应该体现出如下特征：①合理的步长、步宽、步频。②上身姿势稳定。③最佳能量消耗或最省力的步行姿态。

从运动生物力学的观点来考察步行运动，其正常步态应该具备出如下生物力学特征：①具备控制肢体前向运动的肌力或机械能。②可以在足触地时有效地吸收机械能，以减小撞击，并控制身体的前向进程。③支撑相有合理的肌力及髋膝踝角度，以及充分的支撑面。④摆动相有足够的推进力、充分的下肢地面廓清和合理的足触地姿势控制。

（二）正常步态各时相参与工作的肌群及生物力学机理

正常步行过程可以分为支撑时相和摆动时相，每个时相又可以分为早期、中期和末期。各个时期，参与工作的肌肉及其肌肉工作的性质都不尽相同，表现出来的生物力学特征和机理也有很大的差异。这方面的研究，是步态分析要点，特别是在临床诊断、手术方案的确定，疗效的评价等方面，都有重要的应用意义。

1.支撑相

下肢接触地面和承受重力的时相，占步行周期的60% ，包括：

(1)早期：包括首次触地和承重反应，正常步速时占步行周期的10%~12%。①首次触地：指足跟接触地面的瞬间，使下肢前向运动减速，落实足在支撑相的位置的动作。参与的肌肉包括胫前肌、臀大肌、腘绳肌。首次触地异常是造成支撑相异常的最常见原因之一。②承重反应：指首次触地之后重心由足跟向全足转移的过程。骨盆运动在此期间趋向稳定，参与的肌肉包括股四头肌、臀中肌、腓肠肌。③双支撑相：支撑足首次触地及承重反应期相当于对侧足的减重反应和足离地，由于此时双足均在地面，又称之为双支撑相。双支撑相是步行周期中最稳定的时期。双支撑相的时间与步行速度成反比。双支撑相时间延长，使步行速度越慢，步行越稳定；而双支撑相时间缩短，使步行速度加快，但步行越不稳定；到跑步时双支撑相消失，表现为双足腾空。患者步行障碍时往往首先出现的异常就是双支撑相时间延长，步行速度减慢，以增加步行的稳定性。④地面反作用力（GRF）：首次触地时的 GRF 一般相当于体重和加速度的综合，正常步速时为体重的 120%~140% 。步速越快，GRF 越高。下肢承重能力降低时可以通过减慢步速，减少肢体首次触地负荷。缓慢步态的GRF 等于体重。患者在下肢承重能力减退时往往通过减慢步行速度以减轻下肢承重负荷。

(2)中期：支撑足全部着地，对侧足处于摆动相，是唯一单足支撑全部重力的时相，正常步速时大约为步行周期的 38%~40% 。主要功能是保持膝关节稳定，控制胫骨前向惯性运动，为下肢向前推进做准备。参与的肌肉主要为腓肠肌和比目鱼肌。下肢承重力小于体重或身体不稳定时此期缩短，以将重心迅速转移到另一足，保持身体平衡。

(3)末期：指下肢主动加速蹬离的阶段。开始于足跟抬起，结束于足离地约为步行周期的 10%~12% 。此阶段身体重心向对侧下肢转移，又称为摆动前期。在缓慢步行时可以没有蹬离，而只是足趾离开地面，称之为足趾离地。踝关节保持蹠屈，髋关节主动屈曲，参与的肌肉为腓肠肌和比目鱼肌(等长收缩)、股四头肌和髂腰肌(向心性收缩)。

2.摆动相

下肢在空中向前摆动的时相，占步行周期的40% ，包括：

(1)早期：主要的动作为足廓清地面和屈髋带动屈膝，加速肢体前向摆动，占步行周期的13%~15%。参与的肌肉为胫前肌、髂腰肌、股四头肌。如果廓清地面障碍(如足下垂)或加速障碍(髂腰肌和股四头肌肌力不足)，将影响下肢前向摆动，导致步态异常。

(2)中期：足廓清仍然是主要任务，占步行周期的10%。参与的肌肉主要为胫前肌，保持踝关节背屈。

(3)末期：主要任务是下肢前向运动减速，准备足着地的姿势，占步行周期的 15%。参与的肌肉包括腘绳肌、臀大肌、胫前肌和股四头肌。步行周期和时相与步行速度关系密切，在分析时必须加以考虑。

四、异常步态

人体由于遗传、疾病、意外伤害等诸多因素，都有可能造成步行障碍，使步行周期中某环节发生改变，导致步态改变，出现错误步态。严重改变还会导致病理步态，甚至丧失步行能力。

（一）支撑相障碍

下肢支撑相的活动属于闭链运动，足、踝、膝、髋、骨盆、躯干、上肢、颈、头均参与步行姿势。闭链系统的任何改变都将引起整个运动链的改变，远端承重轴（踝关节）对整体姿态的影响最大。

(1)支撑面异常：足内翻、足外翻、单纯踝内翻和踝内翻伴足内翻、单纯踝外翻和踝外翻伴足外翻、足趾屈曲、拇趾背伸。

(2)肢体不稳：由于肌力障碍或关节畸形导致支撑相踝过分背屈、膝关节屈曲或过伸、膝内翻或外翻、髋关节内收或屈曲，致使肢体不稳。

(3)躯干不稳：一般为髋、膝、踝关节异常导致的代偿性改变。

（二）摆动相障碍

摆动相属于开链运动，各关节可以有相对孤立的姿势改变，但是往往引起对侧支撑相下肢姿态发生代偿性改变；近端轴（髋关节）的影响最大。

(1)肢体廓清障碍、垂足、膝僵硬、髋关节屈曲受限、髋关节内收受限。

(2)肢体行进障碍、膝僵硬、髋关节屈曲受限或对侧髋关节后伸受限、髋关节内收。

（三）下肢骨折后可能出现的错误步态及原因

步行是下肢骨折后必须恢复的一种最自然的活动。在骨折后的恢复期，无论是患者本人还是医生，都急于恢复到骨折前步行自如的常人状态。可是，此期患者的患肢肌力不足、健患失衡，步行乏力，可能导致出现一些错误步态，影响一生。最常见的错误步态有以下四种。

（1）急促步态：步行时患者迅速把体重从患肢移至健肢，以至两腿支撑时间不等。

（2）倾斜步态：步行时患肢僵硬，髋关节没有充分伸展，不敢让健肢落在患肢的前面。

（3）回旋步态：步行时患肢外旋，身体亦稍向外侧倾斜。

（4）硬膝步态：步行时膝关节僵直，消失了一伸一屈的节奏。

造成上述错误步态的主要原因是：

关节僵硬、肌肉挛缩使肌肉群的平衡性遭到破坏；臀肌、股四头肌和腓肠肌的软弱无力使患肢支撑力不足。因此，骨折后早期的功能锻炼要根据各自骨折的不同特点，注意加强臀肌、股四头肌和腓肠肌的功能锻炼，为日后的步行提前做好准备。临床上不同的疾病会造成不同的步态异常现象，有些疾病还会出现典型的步态，比如小儿麻痹症的跛足步态，脑卒中病人的划圈步态，帕金斯综合征的小碎步步态。加强对典型步态的研究，有利于相关疾病的诊断、治疗和康复。随着现代电子技术、测量技术，尤其是计算机技术的迅速发展，智能化的步态分析系统使定量、客观评价不同状态下人体行走功能的研究领域大大拓展，使有些复杂的功能性问题的研究也成为可能。步态分析对人体运动系统和神经系统疾病的病因分析和诊断，手术和康复训练疗效的评定，骨关节假体和义肢设计，截瘫病人的行走功能重建等均有重要意义，已成为基础和临床研究中不可缺少的手段之一。