行走运动学

2015.5.15《运动学》第四章下肢第四节行走运动学肖晓鸿概述1.人的走路动作规律人走路时左右脚交替向前，带动躯干朝前运动。为了保持身体的平衡，配合两条腿的屈伸、跨步，上肢的双臂就需要前后摆动。为了保持重心，总是一腿支撑，另一腿才能提起跨步。在行走过程中，头顶的高低必然成波浪形运动。当迈出步子双脚着地时，头顶略低；当一脚着地，另一只脚提起朝前弯曲时，头顶略高。步行：通过双足的交互动作移行机体的人体特征性活动。正常步行必须完成三个过程：支持体重，单腿支撑，摆动腿迈步。步态：人类步行的行为特征。步态分析：步态分析是利用力学的概念和人体解剖、生理学知识对人体行走功能状态进行对比分析的一种生物力学研究方法。步态分析中常用的基本参数包括步长、步幅、步频、步速、步行周期、步行时相，其中步长、步频和步速是步态分析中最常用的3大要素。2.基本概念3.步态分析的临床意义（1）步行是重要的日常生活活动能力之一。（2）评估患者是否存在异常步态以及步态异常的性质和程度。（3）为分析异常步态原因和矫正异常步态、制订治疗方案提供必要的依据。（4）评定康复治疗的效果。4.步态分析的适应证（1）适应证：中枢神经系统损伤：如脑卒中、脑外伤后偏瘫、脑瘫、帕金森病、小脑及其传导路病变；骨关节疾病与外伤：截肢、髋膝关节置换术后、关节炎、韧带损伤、踝扭伤、下肢不等长等；下肢肌力损伤：脊髓灰质炎、股神经损伤、腓总神经损伤等；其他：如疼痛等。（2）禁忌证：严重心肺疾病、下肢骨折未愈合、检查不配合者不宜进行步态分析。5.自然步态的要点(1)合理的步长、步宽、步频。(2)上身姿势稳定。(3)最佳能量消耗。5.影响步态分析的因素步态分析调节或改变受多种因素影响，并且改变正常的步态可以是暂时性或永久性的。影响它的因素也可以是各种类型的：(1)外在因素：如地形，鞋，衣服，负载(2)内在因素：性别（男或女），体重，身高，年龄等(3)物理因素：如体重，身高，体质(4)心理因素：性格类型，情绪(5)生理因素：人体特征，即身体的一些量度的比例(6)病理因素：例如外伤，神经系统疾病，肌肉骨骼异常，精神异常。6.步态分析的基本原则(1)步行是循环的运动.(2)一次只关注一个关节：髋、膝、踝、骨盆、躯干等.(3)一次从一个平面观察：矢状面、冠状面、水平面.一、步态分析步态分析系统（一）步行周期步行周期：指一侧下肢完成从足跟着地到再次落地的时间过程，根据下肢在步行时的位置分为站立期和摆动期。一个步行周期包括支撑期和摆动期。步行周期步态周期的阶段划分1.站立期（1）站立早期：指进入站立期开始阶段的时间，包括首次触地和承重反应，占步行周期10％－12%。（2）跟着地：指足跟接触地面的瞬间，使下肢向前运动减速，落实足进入站立期的位置。（3）足放平：指首次触地后重心由足跟向全足转移的过程。（4）站立期中期：支撑足全部着地，对侧足处于摆动期,是唯一单足支撑全部重力的时相，大约为步行周期的38%-40%。（5）跟离地：指下肢主动加速蹬离的时间，开始于足跟抬起，结束于足离地，约为步行周期的10％－12%。（6）趾离地。（1）跟着地（0%）步行周期和站立相的起始点，指足跟或足底的其它部位第一次接触地面的瞬间。(2)足放平（0～10%GC）整个足底着地的瞬间。即首次着地至支撑腿于站立相过程中膝关节达到最大屈曲角度的时期。（3）站立中期（10～40%GC）从对侧下肢离地到躯干位于支撑腿正上方。（4）跟离地（40～50%GC）站立相中期过后，支撑腿足跟离地的瞬间。（5）趾离地（50～60%GC）支撑腿足趾离地的瞬间，标志着站立相结束和迈步相开始。2.摆动期摆动期是在步行中始终与地无接触的阶段，通常指从一侧下肢的足尖离地，到同侧足跟着地的阶段，单位为s，一般占一个步行周期的40%。包括摆动期早期、中期和末期。此阶段的动作要点是：1．足上提从一个步行周期的63.6%开始，是足尖离地、下肢向前摆动的加速期。2．膝关节最大屈曲是从一个步行周期的67.9%开始的，摆出的下肢刚刚通过身体的正下方。3．髋关节最大屈曲自步行周期的84.6%开始。此阶段已完成下肢向前摆出的动作，开始减速，直至足跟着地。4．足跟着地完成步行周期的100%。（1）摆动初期（60～70%GC）从支撑腿离地到该腿膝关节达到最大屈曲时。（2）摆动相中期（70～85%GC）指下肢向前摆动的动作过程中，从膝关节最大屈曲摆动到小腿与地面垂直的时期。（3）摆动相末期（85～100%GC）从与地面垂直的小腿向前摆动到该侧足跟再次着地之前。此时小腿减速向前摆动。3.双支撑阶段双足支撑是步行的最大特点。在一个步行周期中，当一侧下肢完成足跟抬起到足尖向下蹬踏离开地面的时期内，另一侧下肢同时进行足跟着地和全足底着地动作，所以产生了双足同时着地的阶段。一般占一个步行周期的20%，此阶段的长短与步行速度有关，速度越快，双支撑相就越短，当由走变为跑时，双支撑相变为零。双支撑相的消失，是走和跑的转折点，故成为竞走比赛时判断是否犯规的唯一标准。4.步态分析参数步态分析的常用参数（1）步长：行走时一侧跟着地到紧接着的对侧跟着地平均的距离。正常人平地行走时，一般步长约为50-90cm；平均步长:75cm；2步长=步幅。个体步长的差异主要与腿长有关，腿长，步长也大。（2）步幅：一足着地至同一足再次着地的距离；步幅：1.5m。（3）步长时间：指一足着地至对侧足着地的平均时间。2步长时间=步行周期。（4）步行周期：平均步幅时间，即站立期与摆动期之和。一般成人的步行周期约为1～1.32s左右。4.步态分析参数（5）步频：指每分钟的步行步数，步频=步数/60（步/分），正常人在95～125步/分；平均步频：110步/分。（6）步速：步行的平均速度（m/s)；步速=步幅/步行周期；步速：1.3m/s或5km/h。（7）步宽：两脚跟中心点之间的水平距离。健康人约为8±3.5cm。（8）足偏角：足中心线与同侧步行直线之间的夹角。健全人约为6-7°。4.步态分析参数二、身体重心的转移与控制正常成人重心，男性约为身高的55%，女性约为50%的高度。步行时重心的上下移动为正弦曲线，在一个步行周期中出现两次，其振幅约4-5cm，最高点是支撑中期，最低点是足跟着地。二、身体重心的转移与控制身体重心的上下转移步行中人体重心的移动人体重心：人体重心位于第二骶骨前缘，两髋关节中央。直线运动时该中心是身体上下和左右摆动度最小的部位。从运动学角度，身体重心摆动包括：(1)骨盆前后倾斜：摆动侧的髖关节前向速度高于支撑侧的髖关节，造成骨盆前倾。(2)骨盆左右倾斜：摆动侧骨盆平面低于支撑侧骨盆。(3)骨盆侧移：支撑相骨盆向支撑腿的方向侧移。(4)重力中心纵向摆动：重力中心在单足支撑相时最高，在双足支撑相时最低。上下摆动距离一般为8~10cm。(5）膝关节支撑相早期屈曲：支撑侧膝关节屈曲15度。(6)体重转移：支撑侧早期在蹠屈肌的作用下体重由足跟转移到全足。(7)膝关节支撑相晚期屈曲：支撑侧膝关节屈曲30~40度。步行时降低身体重心摆动是降低能耗的关键。行走：重力中心纵向上下摆动距离一般为8~10cm。行走奔跑跑步跳跃步行中关节运动轨迹足跟着地骨盆：5°旋前髋关节：30°屈曲膝关节：0°踝关节：0°承重反应期骨盆：5°旋前髋关节：30°屈曲膝关节：0°-15°屈曲踝关节：0°-15°跖屈站立中期骨盆：中立位髋关节：30°-0°膝关节：15°-0°踝关节：15°跖屈-10°背屈足跟离地（站立末期）骨盆：5°后旋髋关节：0°-10°过伸展膝关节：0°踝关节：10°背屈-0°趾关节：0°-10°过伸展足趾离地（迈步前期）骨盆：5°后旋髋关节：10°过伸展-0°膝关节：0°-35°踝关节：0°-20°跖屈（关键点：膝关节被动屈曲）迈步相初期骨盆：5°后旋髋关节：0°-20°屈曲膝关节：35°-60°屈曲踝关节：20°-10°跖屈迈步相末期骨盆：中立位髋关节：20°-30°屈曲膝关节：60°-30°屈曲踝关节：10°跖屈-0°迈步相末期骨盆：5°旋前髋关节：30°屈曲膝关节：30°屈曲-0°踝关节：0°三、关节运动学1.髋关节时期活动度首次触地屈曲20-30站立期中期0站立期后期10-15足趾蹬离地面0摆动期早期至后期0-屈曲20（30）髋关节屈伸2.膝关节时期活动度首次触地全范围伸展承重反应屈曲15-20站立期中期全范围伸展足趾蹬离地面屈曲35-40摆动期早期屈曲60摆动期后期全范围伸展膝关节屈伸3.踝关节时期活动度首次触地0承重反应跖屈10站立期中期0足趾蹬离地面前背屈10足趾蹬离地面跖屈20摆动期0踝关节跖屈背伸4.矢状面：重心人在步行时为了减少能量的消耗，身体各部位要尽量维持正常活动范围的运动，减少身体的重心移动。步行时重心的上下移动为正弦曲线，在一个步行周期中出现两次，其振幅约4-5cm。最高点：单足负重（站立期中期）最低点：双足负重（双支撑期）5.冠状面：骨盆骨盆移动可以被认为是重心的移动。最高点：站立期中期时，对侧骨盆处于最高点；最低点：摆动期中期时，对侧骨盆处于最低点。骨盆的侧方移动也是正弦曲线，在一个步行周期内左、右各出现一次，其振幅约3cm，最大移动度是在左、右足处于支撑中期时出现的，在双足支撑期重心位于左右中间。骨盆在水平面内沿垂直轴旋转角度单侧为4°，双侧为8°。这种旋转可以减少骨盆的上下移动，最大内旋位发生在足跟着地后期，最大外旋位发生在摆动早期。骨盆在矢状面内沿冠状轴的倾斜运动范围约5°，双足支撑相骨盆几乎成水平，支撑中期时处于摆动相的骨盆倾斜角度最大，它可以减少重心的上下移动。在一个步行周期中左右各倾斜一次。6.其它部位（1）头头的上下移动与重心的上下移动几乎一致，上下振幅约5～6cm，左右移动振幅约5～6cm。（2）上体上体垂直，双肩平齐，速度加快时稍有前倾；行走时上体有与骨盆旋转方向相反的转动，这个动作可以减少整个身体的扭转。（3）上肢正常行走时双上肢交替前后摆动，其方向与同侧下肢的摆动方向和骨盆的旋转方向正好相反，如当左下肢与左侧骨盆向前摆动和旋转时，左上肢向后摆动，右上肢向前摆动。此时，上肢的关节运动主要发生在肩关节，足跟着地时为最大伸展，为21.1°，足跟离地时为最大屈曲，为17.4°，共约40°范围。肘关节屈伸是在双足同时支撑时期改变运动方向，最大屈曲为38.9°，最大伸展为-0.4°，共约40°范围。（4）上肢与下肢上肢摆动方向与下肢相反，才可以达到维持身体平衡，减少转动。（5）肩关节自由摆动约30°（屈曲约6°,后伸约24°）。四、肌运动学在正常步行中存在向心性和离心性收缩。通常离心性收缩和向心性收缩交替出现。离心性收缩用以控制协调性的运动。四、肌运动学步行的动力主要来源于下肢及躯干的肌肉作用，在一个步行周期中，肌肉活动具有保持平衡、吸收震荡、加速、减速和推动肢体运动的功能。1．竖脊肌（erectorspinae）为背部深层肌，纵列于脊柱两侧，下起骶骨、髂骨，上止椎骨、肋骨、枕骨，作用为使脊柱后伸、头后仰和维持人体于直立姿势。在步行周期站立相初期和末期，竖脊肌活动达到高峰，以确保行走时躯干正直。2．臀大肌（gluteusmaximus）为髋关节伸肌，收缩活动始于摆动相末期，并于支撑相，即足底全面与地面接触时达到高峰。在摆动相后期臀大肌收缩，其目的在于使向前摆动的大腿减速，约在步行周期85%，大腿的运动方向改变为向后，成为下一个步行周期的准备。在支撑相，臀大肌起稳定骨盆、控制躯干向前维持髋关节于伸展位的作用。四、肌运动学3．髂腰肌（iliopsoas）为髋关节屈肌，髋关节于足跟离地至足趾离地期间伸展角度达到峰值（10°～15°）。为对抗髋关节伸展，从支持相中期开始至足趾离地前，髂腰肌呈离心性收缩，最终使髋关节从支撑相末期由伸展转为屈曲。髂腰肌第二次收缩活动始于摆动相初期，使髋关节屈曲，以保证下肢向前摆动。4．股