德国教材生物力学.docx

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德国教材生物力学

4、人体步态分析

对人体正常步态的理解是系统地矫正异常步态的基础，特别是当使用假肢与矫形器辅助器具时，尤为重要。

正常的人体步态，是四肢和躯干一系列有节奏且不断变化的运动，这种运动会引起人体重心的前移。

举出这种运动的几个特点可以更准确地描述人体的向前运动。

人们在步态方式上有着细微的差别，这种差别将在下面描述。

在介绍正常步态的特点前，先适当地解释在分析人体向前运动时常用的一些概念。

4.1概念的定义

步态周期（图8）：

一个步态周期始于摆动腿的足跟着地，止于该腿的足跟再次着地。

在每个步态周期内，双腿均经过一个站立相和一个摆动相。

站立相：

始于足跟着地，止于同一足的足趾蹬地。

摆动相：

始于足趾着地，止于足跟着地。

图8：

步态周期

4.2正常步态图的特征

4.2.1站立相内划分：

a）足跟着地：

站立相始于足跟向前着地的瞬间。

b）足平放：

足跟迈出后瞬间，足底着地。

c）站立中相：

身体重心垂直落于支撑腿上。

d）蹬离期：

始于足跟蹬地，止于足趾蹬地。

站立中相结束后，紧接着是足跟蹬地。

此时支撑腿的足部从地面抬起，尽管足跟不再着地，但鱼际肌和足趾仍与地面相接触。

支撑腿足跟蹬地后瞬间，腓肠肌等肌肉的有力运动可使身体运动加快。

蹬离期止于足趾蹬地，此时足已全部离开地面，开始进入摆动期。

图9：

站立相注释

FAT足跟着地

FVK足平放

MSP站立中相

FAL足跟蹬地

ZAL足趾蹬地

4.2.2摆动相的划分：

a）加速期：

摆动相始于足趾蹬地的瞬间。

这是为了向前摆动并且准备下一步的足跟着地，足的运动必须加快。

b）摆动中期：

始于足摆到身体的下方。

此时为了避免足着地，腿应抬的足够高。

c）减速期：

摆动中期之后是减速期。

此时为了在足跟着地前瞬间控制足的姿势，应抑制退向前摆动。

图10：

摆动相

4.2.3双支撑

人在正常行走时，有一个双支撑时间，此时双足同时着地。

在一侧的足蹬地至足趾蹬地间和在对侧的足跟蹬地至足平放间会发生这种情况。

双支撑时间长短与步行速度有直接关系。

速度减慢时，双支撑时间增加；速度加快时，双支撑时间减少。

运用双支撑知识可以区别走与跑。

4.2.4步行周期内的时间分配

每个步行相所需时间在图8已得到描述。

其分配情况为下：

站立相——周期的60%

摆动相——周期的40%

双支撑——周期的11%

速度加快意味着摆动相所需时间的增加，相反速度减慢意味着站立相所需时间的增加。

4.2.5正常步态的基本特征：

4.2.5.1重心的垂直位移

4.2.5.2重心的侧向位移

4.2.5.3步行间距

4.2.5.4骨盆倾斜

4.2.5.5站立相时膝部屈曲

4.2.5.6步行速度

4.2.5.1重心的垂直位移（图11）

人体正常步行时，其重心有节奏的上、下位移。

当支撑腿部于站立中相时，重心达到最高点；当双足同时着地，即双支撑时，重心达到最低点，成年男子重心的垂直位移不会超过50mm。

图11重心的垂直位移

*

图12骨盆的侧向位移

*

图13步行间距

*

图14骨盆倾斜

4.2.5.2重心的侧向位移（图12）

当一条腿的重量由另一条腿来承重时，骨盆和躯干的重心就转移到了支撑腿上。

人体向前运动时，其重心不仅有节奏地上、下位移，并从身体的一侧移到另一侧。

这种位移量一般在50mm内。

4.2.5.3步行间距（图13）

这幅图显示了两条线，这两条线经过足跟着地时的中间虚线。

两线的侧面距离即为步行间距。

成人步行间距一般为50~100mm。

4.2.5.4骨盆倾斜（图14）

正常步行时，骨盆会发生倾斜。

开始是绕支撑腿侧的髋部，然后是绕对侧的髋部。

从水平面看，倾斜度不大，不超过5°。

4.2.5.5站立相时膝部屈曲

足跟着地后片刻，膝部开始屈曲。

在站立初期，屈曲度不断加大直至达到20°这种屈曲应与踝和髋的活动协调，其目的在于减少重心的垂直位移。

站立相时膝部屈曲对减少人体在行走时重心的上、下位移有特别意义。

4.2.5.6速度

步行时速度：

慢走时每分钟约为70步，快行时每分钟约为130步，每分钟约走90步的成人一小时可走4Km。

4.3步态运动的生理研究方式

正常的人体向前运动的重心位移由以下因素决定：

a）地球引力

b）肌肉收缩力

c）惯性力矩

d）在步行周期的不同相，下肢各部分的角度关系。

从历史上看，人们在研究人体步态运动时，采取了两种方法。

一种方法介绍的是不同的步行相相关身体部位的运动，专业术语称之为运动学。

运动学是力学的一部分，主要论述身体的运动，不涉及受力方面的知识。

第二种方法的研究重点是动力学，它也是力学的一部分，论述受力方面的知识。

用于分析人体向前运动最重要的力有：

由重力作用所引起的力（外力）

由肌肉收缩所引起的力（内力）

下列图描述的是人在步行时所受力的影响。

足跟着地后瞬间，重力就会使膝关节屈曲（外力）。

如果没有反作用力对膝关节产生作用，这种情况也可能发生。

反作用力是由股四头肌所引起的（内力）。

4.3.1外力的测量

从动力学角度分析，可测得在不同的步行相下肢所受外力的大小和方向。

从运动学角度来分析，可知道关节在空间的位置。

从这两种角度来分析，可测出不同关节所受的外力。

*

图15：

足跟着地后瞬间。

水平方向力和垂直方向力的合力使膝关节屈曲。

膝伸肌对这种屈曲有反作用力。

*

图16：

已知关节位置、力的大小和方向及足跟与关节的垂直距离，求足跟着地时膝关节屈曲力矩。

关节位置可通过照片知道，借助测量台可获知受力情况。

4.3.2内力的测量

至今仍没有可行的方法来对内力进行量的测定。

4.3.3肌电研究

此项研究可表明，在步行过程中，一块特定肌肉何时是运动的。

肌电活动何时达到最大值。

它也可显示这种肌肉受力的大概情况。

因为这种肌电活动的强弱与肌张力有关。

4.4步态运动生理的详细分析

以下是对正常的人体步态运动的分析，这种分析结果是从动力学、运动学和肌电角度对正常人，即以正常节奏——每分钟约110~115步——行走的人所进行的研究而得出的。

节奏较慢或较快对关节角度、外力和肌电活动都有着决定性影响。

在对矢状面进行分析时，步态方式可从三个阶段来进行观察

a）足跟着地至站立中相

b）站立中相至足趾蹬地

c）摆动相

在每个步行阶段都将对踝关节、膝关节和髋关节分别进行讨论，然后还要阐明外力和内力的影响。

4.4.1足跟着地至站立中相矢状面的运动分析

4.4.1.1踝关节的运动学分析

4.4.1.2踝关节的动力学分析

a）外力b）内力

4.4.1.3膝关节的运动学分析

4.4.1.4膝关节的动力学分析

a）外力b）内力

4.4.1.5髋关节的运动学分析

4.4.1.6髋关节的动力学分析

a）外力b）内力

4.4.2站立中相至足趾蹬地矢状面的运动分析

4.4.3摆动相矢状面的运动分析

4.4.3.1踝关节的运动学分析

4.4.3.2膝关节的运动学分析

4.4.3.3髋关节的运动学分析

4.4.1足跟着地至站立中相矢状面的运动分析

4.4.1.1踝关节的运动学分析

足跟着地的瞬间：

踝关节处于中间位置，处于背屈和跖屈状态中间。

足跟仍然着地：

踝关节开始沿跖屈方向运动。

足平放于地上时：

踝关节从中间位置跖屈15°

足刚平放于地上：

胫骨和支撑腿开始在支撑足上向前作旋转运动。

站立中相：

踝关节背屈2°~3°。

*

图17：

a）足跟着地-0°中间位置

b）足平放-跖屈15°

c）站立中相-背屈2°~3°。

4.4.1.2踝关节的动力学分析

a）外力

足跟着地后：

因身体重量已转移到支撑腿上，快速加大的垂直力使合力平移到了踝关节后，产生了一跖屈方向的力矩。

足平放地上后瞬间：

可达到跖屈的最大力矩，然后再踝关节前会产生背屈方向的地面反作用力。

此时如胫骨在支撑足上向前旋转会产生旋转力矩。

站立中相：

这时会产生一个很明显的背屈方向的力矩。

图18：

a）可忽略的短时间的A-P推动力矩（有背屈作用）

b）足跟着地

c）站立中相时背屈旋转力矩

b）内力

足跟着地的瞬间：

踝部三块最重要的伸肌在活动。

趾长伸肌和拇长伸肌比胫骨前肌的活动稍微大一些。

足跟着地阶段：

通过足对地面施加一重要力之前，为了抵抗重力的作用，这三块肌肉都会使足跖屈。

跖屈方向的外力力矩增加时。

背屈肌的活动也在不断加大。

这时这些肌肉的作用在于使鞋底触地时不发出劈啪声。

此后肌肉的扩张和离心收缩也停止了。

足平放后：

胫骨开始在支撑足上旋转，背屈肌活动很快减少。

达到站立中相时：

背屈肌基本上不活动。

直到站立中相前瞬间踝关节的跖屈肌一直是非活动性的。

此后这些肌肉——腓肠肌、胫骨后肌、趾长屈肌和腓骨肌——逐渐提高活动性。

绝大部分情况下这些跖屈肌的活动在站立中相时加大，从而通过胫骨在支撑足上旋转，控制足活动的范围。

*

图19：

下肢步行周期肌电图

4.4.1.3膝关节的运动学分析

足跟着地前片刻：

膝关节完全伸直。

足跟着地的同时：

膝关节开始屈曲，并向前运动，直至足平放于地上。

足平放后瞬间：

膝关节屈曲度约为20°，并开始沿伸展方向运动。

站立中相：

膝关节屈曲度约为15°，继续沿伸展方向运动。

*

图20：

a）足跟着地前，膝关节完全伸直。

b）足跟着地后，膝关节开始屈曲。

c）足平放时，膝关节屈曲度约为20°。

d）站立中相时，膝关节屈曲度为15°。

4.4.1.4膝关节的动力学分析

a）外力

足跟着地后：

足跟开始向前接触地面。

由支撑腿所承受的身体重量开始加速增加。

这些力的合力平移到膝关节后，并产生一屈曲力矩。

足平放至站立中相：

膝关节屈曲度达到最大值。

*

图21：

a）足跟着地后，地面反作用力的合力移到膝关节后，并使膝关节屈曲。

b）足平放至站立中相屈曲力矩达到最大值：

约40Nm。

b）内力

足跟着地时：

股四头肌发生离心收缩（有控制的扩张），这种收缩可以调节膝关节的运动。

这时，膝关节从完全的伸直状态转向屈曲15°~20°。

足平放：

股四头肌由离心收缩转为同心收缩。

这种情况下，运动情况就反过来了。

足平放至站立中相：

为了伸大腿，股四头肌开始起作用。

作为股四头肌活动的结果，且通过重心的向前加速运动（通过对侧腿的蹬地），屈曲的膝关节沿伸展方向运动。

*

图22：

a）足跟着地后肌肉的离心收缩（在延长情况下）

b）足平放时肌肉的同心收缩（在缩短情况下）

c）站立中相时股四头肌肌群基本上是不活动的。

4.4.1.5髋关节的运动学分析

当足跟着地时：

髋的屈曲约为25°。

当足跟着地后不久：

髋关节开始作伸展运动。

当足平放时：

屈曲角度减少到约20°。

在足平放和站立中相期间：

髋关节从约20°的屈曲转动到中立位置。

*

图23

4.4.1.6髋关节的动力学分析

a）外力

当足跟着地时：

外力使髋屈曲。

当足平放地面后瞬间：

力矩沿屈曲方向对关节起作用。

在达到站立中相时：

地面反作用的合力从髋关节的中心后面经过，并且使髋伸展。

*

图24：

a）当足跟着地时，力有使髋屈曲的作用。

因为它使骨盆向前转动。

b）在站立中相时，合力在髋后经过，并且有使骨盆直立的作用。

b）内力

在足跟着地和站立中相时：

臀大肌和伸肌肌群的作用限制着力矩。

这个力矩在足跟着地后有使髋关节屈曲的趋势。

躯干前屈时，脊柱竖直肌产生反作用力。

*

图25：

行走过程中基本肌群的活动方式

4.4.2在站立中相和足趾蹬离期间，矢状面上的运动分析

4.4.2.1踝关节的运动学分析

在站立中相时：

在背屈3°时腓骨和足之间的角度迅速减小。

在足跟离地时：

踝关节处于背屈约15°的位置。

在足跟离地和足趾蹬离之间的间歇中：

腓骨和足的角度关系完全倒转过来，踝关节从背屈15°转动到跖屈约20°的位置上。

*

图26：

a）在站立中相时后伸3°~5°

b）在足跟离地时背屈15°

c）在足趾蹬离时跖屈20°

4.4.2.2踝关节的动力学分析

a）外力

在站立中相后：

在已固定的足上，腿继续向前转动。

在腿向前转动期间，背屈方向的力矩增长。

在足跟抬起期间，由于支撑点向前推移发生了以上情况。

这扩大了踝关节和地面反作用力的合力之间的垂直距离。

足跟离地后不久：

背屈力矩达到最大值。

在足趾蹬离时：

背屈力矩突然降到零。

b）内力

在站立中相和足跟离地期间：

通过腓肠肌的离心收缩来抵制使踝背屈的力矩。

同时，踝的跖屈肌因背屈方向的最大限度的外部旋转力产生了最大限度的肌电活动。

这种最大限度的肌肉活动影响着“蹬离”。

在蹬离期间，跖屈肌和相互紧接着的反应肌一起发生作用。

足后部的肌肉在足前部的肌肉之前显示其最大限度的肌电活动，在足趾蹬离的时候跖屈肌是不活跃的。

*

图27：

足和地面之间的支撑点的向前转动导致了踝关节上的背屈力矩的显著增长

*

图28：

行走过程中基本肌群的活动方式

4.4.2.3膝关节的运动学分析

在站立中相时：

膝关节约15°屈曲，并向伸展方向运动。

当足跟离地时：

膝伸展到约178°。

在足跟离地和足趾蹬离期间：

膝关节从几乎完全伸展转动到约40°屈曲。

4.4.2.4膝关节的动力学分析

a）外力

在站立中相时：

地面反作用力的合力从膝关节后经过，并产生屈曲力矩。

在站立中相和足跟离地期间：

在身体向前运动期间，合力也向前推移并使屈曲力矩减小。

*

图29：

a）在站立中相时膝屈曲15°

b）当足跟离地时关节几乎伸直。

c）在足趾蹬离地时膝关节屈曲约40°

在足跟离地时：

所生产的力转移到膝关节时，并使关节伸展，此时跖屈肌的最强烈的活动就到来了。

蹬离：

在外力对膝产生影响时，往往会出现蹬离从而使膝伸展。

在蹬离活动开始后，足和地面的反应点直接从跖骨关节前经过，开始使膝屈曲，并且所产生的力再度从膝关节后经过。

对膝产生影响的屈曲力矩不断增大，直到达到双支撑相。

身体重量开始向对面腿上移动。

这样就减小了膝的屈曲力矩。

*

图30：

a）在站立中相时，力起屈膝的作用

b）当足跟离地时，所产生的力从膝前经过，并使膝伸展

c）在跖趾关节上的合力下降期间，膝关节屈曲并且力使它进一步屈曲。

b）内力

当站立相时：

踝的原发屈肌开始显示出低的活动。

这种活动逐步增加，直至足跟直接离地。

当足跟离地时：

腓肠肌出现最大限度的肌电活动。

其后其他的跖屈肌，如胫骨后肌、比目鱼肌、腓骨长肌、拇长伸肌，表现出最强烈的活动。

足跟离地后：

伸展力矩对膝关节起作用。

蹬离：

通过有两个头的腓肠肌使蹬离开始，蹬离也起阻止膝过度伸展的作用。

*

图31：

肌电分析图

在蹬离期后不久。

地面反作用表明，在膝上出现了屈曲力矩，它的量直到足趾蹬离前不久是一直增加的。

可以确定，在这期间肌电分析图只显示出大量的股四头肌活动。

在足趾蹬离前一瞬间股中间肌和股直肌变得活跃了。

因此这很可能是有一个起头作用的跖屈肌。

特别是比目鱼肌、腓骨长肌、胫骨后肌、趾长屈肌和拇长伸肌。

基本上是限制膝屈曲的。

这样它们就使下肢直立。

*

图32：

a）在足跟离地后不久出现腓肠肌的最大限度的肌电活动。

因为机械力使膝伸展，并且坐骨承重部位肌肉不活跃，可以认为腓肠肌阻止了膝过度伸展。

b）在蹬离和足趾蹬离期间。

在膝关节上产生了一个明显的屈曲力矩。

此时，踝关节的跖屈肌使胫骨的向前运动延缓，并因此起伸膝的作用。

4.4.2.5髋关节的运动学分析

站立中相：

在站立中相时髋从180°的位置继续向伸展方向转动。

足跟离地：

髋伸展到10°~15°。

紧接着的蹬离活动：

髋达到最大限度的伸展，大约为20°。

在足趾蹬离时：

髋一直处于10°的过度伸展中，并向屈曲方向转动。

4.4.2.6髋关节的动力学分析

在站立中相时：

合力从髋关节后经过，并产生伸展力矩。

这种伸展力矩继续增加，直到达到双支撑阶段，并且身体重量至少是部分的被转移到对面的腿上。

紧接着在双支撑期前，对由肢体支撑的髋产生所用的伸展力矩得到最高值，双支撑阶段一开始，髋部的伸展力矩就迅速降为零。

*

图33：

a）在站立中相时髋伸展到180°，

b）在足跟离地时髋处于10°~15°的过度伸展

c）在蹬离和足趾蹬离期间髋处于最大限度的伸展，约为20°

b）内力

髋最重要的屈肌，髂腰肌在蹬离时是活跃的。

这时它的最重要功能就是抵制对髋产生作用的伸展力矩，来阻止骨盆向后倾斜。

在下面所描述的肌电图中可以看到，在步行周期的45%和60%之间，此时一个最大限度的髋部伸展力矩在起作用，最重要的屈肌是不活跃的。

作为补充，长收肌和大收肌在蹬离后使骨盆在矢状面上固定。

这两束肌肉起于耻骨下支,一般是向前延伸，几乎达到耻骨联合。

它们的延长部分也延伸到了股骨的后部。

蹬离后，在骨盆向后倾斜期间，这两股肌肉被拉长。

肌电分析图表明，当最大限度的力使髋过度伸展的时候，这两束肌肉有最大限度的带电活动。

*

图34：

a）在站立中相时力使髋伸展

b）蹬离时，并且在双支撑达到前，机械力矩达到185Nm。