（运动人体科学专业论文）老年人常速行走与快速行走特征的生物力学分析.pdf

北京体育大学 01 级硕士(毕业)论文 1 老年人常速行走与快速行走特征 的生物力学分析 专业运动人体科学 研究方向运动生物力学 指导教师赵芳教授 研究生 肖 美 痕 摘 要 行走是日常生活活动的重要组成部分尤其对于老年人来说随着年龄的增长老年 人在各方面的功能都有所下降其中包括步态由于前人对老年人在不同步速下步态的研 究较少所以本文就这方面进行了初步的研究对老年人常速行走与快速行走的步态特征 的生物力学指标进行了比较与分析 本文以北京体育大学家属区和上地东里居民区的老年人共 1 9人作为研究对象使用 q u a l i s y s 红外光远摄系统进行拍摄通过运动生物力学和统计分析得出以下结论 1 . 通过对运动学参数的分析快速行走时髋膝踝关节最小值显著小于常速行走时 的值对髂腰肌股四头肌大腿后侧肌群胫骨前侧肌群的工作要求较常速行走时提高 可以起到更好的锻炼作用 2 . 快速行走时头向上的加速度值显著大于常速行走时的值会导致较大的地面冲击振 荡对老年人的关节脊柱及脑部神经产生不良影响 3 . 快速行走时步态平滑指数较小老年人的步态较不稳定行走存在不安全性即快 走对步态稳定增加了难度经常进行快速行走锻炼对提高老年人控制步态稳定性有一定 的好处但同时应注意老年人快速行走的步速要控制在一定的范围内并注意动作的协调 以免发生摔倒或其他损伤性事故 4 . 步态平滑指数躯干垂直加速度- 时间曲线是否出现两个相似的波形躯干矢状面 加速度和角速度的振幅是反映老年人步态稳定性的指标在本实验中进一步得到了验证 关键词 老年人 步态 常速行走 快速行走 a b s t r a c t w a l k i n g i s a n i m p o r t a n t p a r t o f t h e a c t i v i t y o f d a i l y l i f e , e s p e c i a l l y t o o l d p e o p l e , w i t h t h e g r o w t h o f t h e a g e , o l d p e o p l e d r o p t o s o m e e x t e n t i n t h e f u n c t i o n s o f v a r i o u s f i e l d s , i n c l u d i n g o f g a i t . b e c a u s e t h e r e i s r e l a t i v e l y l i t t l e r e s e a r c h i n g a i t o f d i f f e r e n t v e l o c i t y , s o t h i s t e x t c a r r i e s o n p r e l i m i n a r y r e s e a r c h i n t h i s r e s p e c t , t o c o m p a r e n o r m a l s t e p s t h e b i o m e c h a n i c s i n d e x e s o f c h a r a c t e r i s t i c w i t h w a l k f a s t r a p i d l y o f t h e o l d e r . 北京体育大学 01 级硕士(毕业)论文 2 a t b e i j i n g i n s t . o f p h y s i c a l e d u c a t i o n d e p e n d e n t s d i s t r i c t a n d t h e o l d p e o p l e s o f r e s i d e n t i a l b l o c k a m o u n t t o u p p e r g r o u n d t h e o l d e s t p e o p l e s a s t h e r e s e a r c h o b j e c t t h i s t e x t , u s e q u a l i s y s s h o o t a n d g o o n a n d s h o o t s y s t e m a t i c a l l y a n d p a s s s p o r t b i o m e c h a n i c s a n d s t a t i s t i c a l a n a l y s i s b y i n f r a r e d l i g h t , d r a w f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s : w a l k w h i l e b e i n g f a s t . w a l k a n d l e a d t o t h e f a c t r e l a t i v e l y h e a v y g r o u n d a s s a u l t a n d s h a k e , j o i n t i n o l d p e o p l e , a n d b r a i n n e r v e e x e r t a n b a d i n f l u e n c e b a c k b o n e f a s t . w h e n w a l k i n g f a s t , t h e o n e s o f o l d p e o p l e r e l a t i v e l y u n s t a b l e a t t i t u d e , w a l k a n d h a v e s e c u r i t y , n a m e l y w a l k a n d i n c r e a s e t h e d e g r e e o f d i f f i c u l t y t o a s t e p o f a t t i t u d e s s t e a d i l y s o o n , o f t e n w a l k a n d d o e x e r c i s e s f a s t , h a v e c e r t a i n a d v a n t a g e s t o c o n t r o l t h e s t a b i l i t y o f a s t e p o f a t t i t u d e s i n i m p r o v i n g o l d p e o p l e . p a y a t t e n t i o n t o l e g s p e e d w h o o l d p e r s o n w a l k f a s t c o n t r o l i n c e r t a i n r a n g e a n d p a y a t t e n t i o n t o t h e c o o r d i n a t i o n o f t h e m o v e m e n t , s o a s t o a v o i d f a l l i n g d o w n o r o t h e r d a m a g i n g n a t u r e s a c c i d e n t s . s t e p s a t t i t u d e s l e v e l a n d s m o o t h i n d e x , t r u c k s a p p e a r t w o p i e c e s s i m i l a r w a v e f o r m o f p e r p e n d i c u l a r a c c e l e r a t i o n - t h e t i m e c u r v e , t h e a m p l i t u d e o f t h e a c c e l e r a t i o n a n d a n g u l a r s p e e d i s i n d e x e s w h i c h r e f l e c t s a s t e p o f a t t i t u d e s s t a b i l i t i e s o f o l d p e o p l e t h e a r r o w f o r m o f t r u c k , h a v e b e e n v e r i f i e d f u r t h e r i n t h i s e x p e r i m e n t . the keyword : old people gait normal walk fast walk 北京体育大学 01 级硕士(毕业)论文 3 1 前言 1 . 1 选题依据 行走是人在日常生活中重复最多的一种动作正常行走是人正常生活的最基本的保 障改善和恢复行走异常患者的行走功能是康复医学的一项重要内容可见正常行走在 人们日常生活中的意义十分重大尤其对于老年人来说但随着年龄的增长关节柔韧性 降低视力减弱前庭功能下降平衡能力下降在从中年到老年的衰老过程中存在着 站立及行走晃动不稳关节运动幅度减小以及韧带弹性和绝对肌力下降等现象前人的研 究表明老年人的摔倒中有约 5 3 是由于行走或站立的不稳定所造成而摔倒又是造成损 伤引发其他疾病的重要原因给老年人带来极大的痛苦同时给家庭和社会带来巨大的 负担而目前在老年人的锻炼方式中以走路为主他们为了增加锻炼强度常常加快行 走速度那么快走的步态是否稳定和安全呢快走究竟能否起到锻炼身体的作用呢本文 即是对老年人常速行走和快速行走时步态的特征上体的特征进行研究观察当行走速度 加快时老年人的身体姿位出现的变化研究影响到老年人行走稳定和人身安全性的步态特 征并根据研究结果给老年人行走提出建议 1 . 2文献综述 行走是人们日常生活活动的重要组成部分所以对步态的各方面进行研究则显得至关 重要国外学者在步态方面进行了大量的研究国内则从 1 9 8 2年戴克戎等人开始接触和 研究在近几年日趋成熟在内容方法结论等多方面都有较大进展 步态g a i t 一词在 1 4世纪前有胡同车道的意思1 4世纪后转意为步行运动的姿 态步行的方式现在意为步态步态是人体结构与功能运动调节系统等在行走时 的外在表现四肢躯干神经调节系统及全身疾病都将会影响到一个人的步态步态分 析是利用生物力学的理论和研究方法结合人体解剖人体生理等方面的知识对人的行 走功能进行研究 1 . 2 . 1 国内外研究步态的主要内容 1 9 9 3年h . j o h n y a c k 和 r o s e a n n e c . b e r g e r 1 对老年人动态稳定性进行了研究提 出了平滑指数这一步态特征量受试者为 2 0 个老年人和 1 9 个年轻人老年人通过测试分 成行走稳定和不稳定两组他们以常速行走通过放置在脊柱上的三向加速度计得到躯干 加速度数据进行谐波分析由奇偶谐波振幅总和的比值得到步态平滑指标比值越大步 态越平滑不稳定的老年人在前后和垂直方向的指标和加速度的最大值与另两个人群有显 著性差异 r o n i t a l . c r o m w e l l r o b e r t a a . n e w t o n等 2 研究了运动中头部稳定的动态平衡在频 北京体育大学 01 级硕士(毕业)论文 4 率范围上的特点及确定运动中对头部稳定的控制方式指标为头和躯干在空间的角速度及 角速度振幅他们还研究了人在水平行走和楼梯上行走中矢状面内头部的稳定通过上体 各部分间的协调从而决定头颈躯干运动方式的变化使头在上下楼梯中稳定指标为头 颈躯干在水平行走和上下楼梯过程中的平均角度及角度偏移头- 颈颈- 躯干头- 躯 干在每一种条件下的相关系数他们还对运动中头颈躯干在矢状面上的运动学和肌电 图进行了分析指标为头颈躯干的平均角度最大角度偏移标准差变异系数他 们研究了老年人行走时在视觉参与和不参与下的头部平衡 描述了老年人在行走中头部 稳定在频谱上的特点并评价老年人在缺少视觉的情况下采用头- 躯干的协调维持头部稳 定的能力指标为躯干的主要频率躯干的平均噪音估计头和躯干在空间的角速度及相 应的频率范围他们还研究了老年人行走时视觉对头部稳定机制的影响使用频率分析来 检验行走中维持头部稳定的运动方式指标为平均行走速度步频头和躯干在空间的角 速度头和躯干的主要频率 d a v i d a . w i n t e r 等人 3 对老年人的步态进行了研究指出步态随年龄的变化比较正 常老化的步态和患有疾病的老年人的步态之间的不同研究涉及的方面有空间- 时间指标 运动学动力学肌电图和生理学变化d a w i n t e r 博士等人还使用人体倒转的钟摆模型 研究人行走时水平面内平衡和姿势的控制这个模型评价了关节力矩关节加速度和重力 对支撑脚和髋关节的影响受试者为 4 个健康男性平均年龄 2 6 . 3 岁水平行走过程中 使用 3台摄像机和两个测力台收集运动学和动力学数据1 9 8 4年 a . g a b e l l b a u . s . l . n a y a k 4 研究了年龄对步态变化的影响受试者为 6 4 个健康成年人其中 3 2 个人 年龄从 2 1 到 4 7 岁3 2 个人年龄从 6 6 到8 4 岁指标有步态周期双支撑时间步长步 宽 m . j . b e n d a l l e . j . b a s s e y m . b . p e a r s o n 5 研究了影响老年人行走速度的因素受试 者为 6 7 个女性5 8 个男性年龄为 6 5 - 9 0岁指标为步速体重小腿力量步伐分数 一种日常身体活动的测试休闲活动的时间腿的疼痛j o a n e . h i m a n n d a v i d a . c u n n i n g h a m等人 6 研究了行走速度与年龄有关的变化对 1 9到 1 0 2岁的 2 8 9名男性和 1 4 9名女性中年龄在人对步速步长步频的选择的影响进行了研究指标为步速步 长步频s . g r i l l n e r j . n i l l s o n等人 7 研究了人在运动中对速度的适应实验中人以 不同的速度跑步并记录人体发生的变化指标为步长步频 p e g g y r . t r u e b l o o d等人 8 评价了老年人的不稳定性和步态指标为步长步高步 子的对称性连续性只对于医生来说能够发现步态不协调的潜在机制将其与正常的 老化变化区分开确定最可能的病因并且制定一个最合适的治疗或康复方法是非常必要 的文章先描述了正常的步态和平衡接着描述了正常的老化对步态和平衡的影响然后 从疼痛和关节不灵活性衰弱痉挛或僵硬感觉或平衡损失中枢整合功能障碍五方面 描述了老年人病理的步态和平衡最后对步态和平衡列表进行评价f . j . i m m s o . g . e d h o l m 9 对 7 1 名 6 0 - 9 9 岁老年人测试了行走中的时间和空间指标 研究了步态和灵活 北京体育大学 01 级硕士(毕业)论文 5 性的变化 j o h n n y n i l s s o n等人 1 0 研究了行走和跑步时躯干的运动受试者为 1 0个健康男性 1 8 - 3 5 岁步速从 1 . 0 - 2 . 5 米/ 秒跑速为2 . 0 - 6 . 0 米/ 秒用跑台控制使用 s e l s p o t 光电子系统记录运动指标为躯干的线位移角度位移在一个步态周期中三个面内的振幅 和时相 1 9 8 1年意大利的 a u r e l i o c a p p o z z o 1 1 对不同步速下行走时头和躯干的线位移进行 研究受试者为 5个健康成年男性他们沿着一条直线水平行走步速变化范围从 0 . 9 9 到 2 . 7 9 米/ 秒使用立体摄影测量收集数据对位于上体长轴上的头肩和骨盆水平的点 在空间 3 个方向上的位移函数进行谐波分析指标为步态周期平均步速站立时相头 和躯干在前后方向和垂直方向上的位移的振幅1 9 8 2 年 a u r e l i o c a p p o z z o 1 2 研究了正常 人行走中低频时自身产生的振动评价 5 个正常男性沿直线水平行走时上体低频稳定状态 的振动步速从 0 . 9 9到 2 . 3 5米/ 秒通过摄影测量技术得到头和躯干长轴在三个方向的 线位移从而得到加速度读数值及随时间和频率的变化指标为头肩和骨盆在前后方向 垂直方向和侧向的加速度的振幅 1 9 9 4年t . p o z z o y . l e v i k等 1 3 对在人的复杂动态平衡的任务中头和躯干在水平 面的运动进行了研究8个正常人在窄木上维持单侧平衡或在不稳定的滚动平台上维持 双侧平衡有 4 个实验条件1 灯光2 黑暗3 拿一满杯水4 与 3 一样同时盯 着杯子通过对头和躯干角度位移标准差的计算得到头和躯干角度稳定性的不同为躯干 的运动较大t . p o z z o a . b e r t h o z l . l e f o r t 1 3 研究人在走跑跳过程中头的稳定性 受试者为 1 0个正常人指标为头沿垂直轴的位移和头在矢状面内的旋转g . e . g r o s s m a n 等人 1 4 研究了运动中旋转的头部干扰的频率和速度a . k e s h n e r b . w . p e t e r s o n 1 5 研究了 随意旋转时水平面内控制头稳定的机制 还 1 6 研究了随意旋转时失状面内控制头稳定的机 制 j o s e p h h a m i l l d等人 1 7 研究了年龄对于滑动干扰结果的影响他们 1 8 比较了在相同 的速度和步频下走步和跑步时下肢不同的协调方式指标为大腿小腿膝关节在脚跟触 地和脚趾离地时的角度在连续的时相内大腿和小腿的相对角度j o s e p h h a m i l l d 等人 1 9 研究了以不同速度跑步时振动衰减和步长之间的关系指标为不同跑速下的振动衰减步 长步频头和小腿的最大加速度他们 2 0 还研究了人体行走时下肢的摆动时相的运动是 否被动指标为脚跟触地时大腿和小腿的角度步态周期髋关节加速度重力力矩的大 小髋和膝关节力矩摆动时相大腿和小腿的力矩 m i c h a e l j . p a v o l e i l e e n f . r u n t z b e a t r i c e j . e d w a r d s 2 1 研究滑动对老年人的影 响受试者为 6 0个年轻人4 1个老年人身体健康实验中使用双侧低摩擦平台完成 从坐到站的任务受试者经历 5次滑动一组无滑动然后又是 2次滑动 指标为摔倒 的次数保护步子开始的方向每种条件下摔倒的人的数目 a l f t h o r s t e n s s o n h a n s c a r l s o n m i c h a e l r . z o m l e f e r j o h n n y n i l s s o n 2 2 对 7 北京体育大学 01 级硕士(毕业)论文 6 个健康成年男性在跑台上正常行走1 . 0 - 2 . 5米/ 秒和跑步2 . 0 - 7 . 0米/ 秒时与躯干 的运动有关的腰背部肌肉的活动情况进行了研究使用 s e l s p o t 光电系统利用红外光发 射二极管类似反光标记记录躯干在矢状面和水平面的运动使用肌肉内的电极记录腰部 双侧的竖脊肌的肌电图的情况e m g 躯干的角度位移显示出规律性的振动但他们的形 状量值及与步态周期的关系在两个面内是不同的并随着速度和发展的模式变化指标 为躯干在矢状面内的角度位移腰背部肌肉的肌电图活动 j a m e s o . j u d g e u n d e r w o o d m 2 3 测试了 1 2周的抵抗和平衡训练对老年人肌肉力量和 步态的影响练习组每周练 3 次做抵抗训练直到疲劳练习有伸膝踝背屈髋伸 膝和姿势控制控制组每周坐在椅子上做弹性( 适应性f l e x i b i l i t y ) 练习指标为伸膝 肌的力量步速步长e j b a s s e y m . j . b e n d a l l m . p e a r s o n 2 4 对年龄在 6 5岁以上 的 5 6 个男性和 6 6 个女性的小腿三头肌的最大力量和日常行走的数量和速度进行了客观的 测量肌肉力量通过根据水压系统设计的测力计测量行走的数量使用机械加速度计步 程计在一周里测得速度通过人在 1 0 0 米水平直道上正常行走获得 1 9 9 3 年 c o l u m d . m a c k i n n o n 2 5 研究了行走时水平面内整个身体平衡的控制上体躯干 的姿势由脊柱侧向的屈控制指标为摔倒的冒险因素摔倒和不摔倒的老年人的特点不 正常的平衡和步态与摔倒次数之间的相关系数 1 9 9 1 年 n . t e a s d a l e g . e . s t e l m a c h a . b r e u n i g 等人 2 6 研究了在视觉感觉整合上年龄 的差异1 9 9 3 年 r . w . b a l o h k . m . j a c o b s o n t . m . s o c o t c h 2 7 研究了年龄对视觉- 前庭反应 的影响 v a l l a b h e . d a s a r i z . z i v o t o f s k y 等人 2 8 使用三轴角速度计对 1 0 个正常人和 2 个前 庭功能有缺陷的病人在他们注视远处静止的目标和固定在头上向前 2 0厘米的目标两个条 件下行走时测试了头的旋转的情况指标为头的角速度头旋转的主要频率 r o b e r t l . w a t e r s s a r a m u l r o y 2 9 研究了正常和病理步态的能量的消耗这篇研究的 目的是概括锻炼生理学与人体运动有关的基本原则包括详述正常行走的能量消耗概括 对特殊神经疾病和经过整形外科手术的病人进行能量消耗研究的结果对残疾人和特殊神 经病人所能承受的增加能量需要的程度进行了比较 d . c a s e y k e r r i g a n m a r y k . t o d d 3 0 对 3 1 个健康老年人6 5 - 8 4 岁和 3 1 个健康年轻 人1 8 - 3 6岁使用立体摄影测量和测力台收集数据对两组人群在适合的并增加的步速 下行走时在关节的最大运动关节力矩和功率方面的差别进行了测试 1 9 8 4年 3 1 戴克戎汤荣光采用电影摄影方法对 7 7例男女青年平地常速行走时的 步长时相和髋膝踝关节在矢状面的活动情况进行了分析研究1 9 8 8 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 4 1 名正常人平地行走十足- 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 1 9 9 7 年 北京体育大学运动生物力学教研室赵芳等 3 2 以1 3 9 例3 5 - 7 5 岁普通中老年人 及 1 0 例 2 0 - 2 2 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 北京体育大学 01 级硕士(毕业)论文 7 1 . 2 . 2 研究方法 统计表明对步态的分析国内外已经进行了多方面的研究内容虽各有不同但就对 步态的测试方面使用的仪器和方法几乎一致即用摄影或摄像记录和计算测量运动学参 数使用测力台记录动力学参数也有少数使用足底压力分布器测量更精确的足底压力分 布规律然后进行综合的统计分析等 但是现在的研究已不局限在对某一指标的固定模式测量例如在步行速度的选择和 测定上稍有区别近几年研究已不再选择单纯的自选速度和 1 0米走台了越来越多 的研究者再次颇费心思2 0 0 0 年顾新等人用 3 种不同的方法测定步行速度 1 起点至终点的距离为 1 0 米记录步行时间 t 1 步行速度为 s 1 全程 1 0 米速度 2 起点至终点的距离为 1 5米记录 0 1 0米的步行时间为 t 2 步行速度为 s 2 起 始 1 0 米速度 3 2 . 5 1 2 . 5米的步行时间 t 3 步行速度为 s 3 中间 1 0 米速度得出 3种方法测 定的步行速度之间高度相关r = 0 . 9 6 8 - 0 . 9 9 4 p 0 . 0 0 1 p a t r i c k . r i l e y u g o d e l l a c r o c e d . c a s e y k e r r i g a n 2 0 0 1 则要求受试者首先光 足以自选速度在 1 0米的走台上行走然后要求受试者超出常速的快速行走和慢于常速 的慢速行走 另 外不 同 情 境 下 进 行 步 态 测 试 也 是 各 研 究 者 所 注 意 的g . b e r g m a n n g . d e u r e t z b a c h e r m . h e l l e r , f . g r a i c h e n a . r o h l m a n n g . n . d u d a 2 0 0 1 队 4 名患者髋 关节埋植的日常生活中的步态活动进行测试时就 9 种不同的活动方式下测试每个患者 每种活动做 4 - 6 次包括慢走日常行走快速行走上楼梯下楼梯站立坐下 站起屈膝使用了步态分析外加触压分析v i c o n 系统 6 个摄像头5 0 赫兹的频闪定位 人身体上的标记2 个 k i s t l e r 测力台测试地面反作用力 1 9 9 3年h . j o h n y a c k 和 r o s e a n n e c . b e r g e r 1 对老年人动态稳定性进行了研究指 标为平滑指数通过放置在脊柱上的三向加速度计得到躯干加速度数据进行谐波分析 在前 2 0个谐波频率包括 2 0 中用偶数频率对应的振幅之和除以奇数频率对应的振幅 之和平滑指数偶数振幅和奇数振幅和所得比值即是步态平滑指数通过这一指 数来反映步态的平滑程度指数越大步态越平滑越稳定他们还以在一个步态周期中 躯干垂直加速度- 时间曲线所反映出的两次方式的重复程度这一方法来评价步态的平滑程 度 q u a l i s y s 系统是当前国际上较先进的一套用于运动生物力学研究的实验设备它由 6 个摄像机一台电脑及相关软件采集卡反光标签等组成用于步态研究及一些体育动 作技术的研究可以快速得到图像文件和原始数据 1 . 2 . 3 主要成果 北京体育大学 01 级硕士(毕业)论文 8 h . j o h n y a c k 和r o s e a n n e c . b e r g e r 关于老年人动态稳定性的研究的主要结论是通过 躯干加速度振幅计算得来的平滑指数这一指标可以作为评价老年人行走是否稳定的指标 r o n i t a l . c r o m w e l l r o b e r t a a . n e w t o n等研究得到的几个结论分别是头稳定的频率 范围是 0 . 7 - 1 0 . 0赫兹控制方式分为头和躯干之间的不完全补偿完全补偿超补偿方 式与水平行走比较上下楼梯在踝膝髋产生更大的矢状面上的运动在髋膝上产 生的力也较大下肢的这些变化要求躯干做出补偿动作以使上体稳定随着躯干的运动 头颈也要产生相应的运动相互协调维持上下楼梯过程中头部的稳定动态平衡通过维 持这样一个姿势获得躯干屈颈伸头屈在这三个部分中躯干最稳定颈最不稳定 上体的运动趋势是头和颈与躯干的运动方向相反肌电图表明当每一侧肢体的脚后跟与地 面接触时竖脊肌收缩使躯干伸这些结果为研究动态平衡随着年龄的变化提供了一个基 础睁眼行走时老年人在低频率上可以保持头部的稳定5赫兹以下在睁眼的较高频 率上和闭眼的所有频率上老年人维持头部平衡出现困难在没有视觉信息的参与下躯 干上头部的运动及运动的变化均增加年轻人的头部稳定的频率范围为睁眼和闭眼时从 0 . 51 9 . 7赫兹老年人维持头部稳定的频率范围为睁眼时从 0 . 51 7 . 7赫兹闭眼 时为 0 . 41 4 . 2 赫兹与年轻人相比老年人在没有视觉的参与下要维持头部稳定有显 著的困难 m . j . b e n d a l l e . j . b a s s e y m . b . p e a r s o n 的研究结果为对于男性步速与小腿力量 步伐分数一种日常身体活动的测试休闲活动的时间身高和体重这些因素呈正相关 与年龄和健康问题的现状呈负相关对于女性有相同的关系正相关因素中体重除外 腿的疼痛也与步速呈负相关多元回归分析显示男性步速的变化的 4 4 % 与身高小腿力量 和存在的健康问题有关女性步速变化的 4 2 % 与身高小腿力量步伐分数限制运动的 腿的疼痛有关这些结论对维持和提高老年人的行走速度有重要意义 t . p o z z o y . l e v i k 等的研究结论是在复杂的平衡任务里水平面中头的角度稳定对于 有效的动态姿势控制是必要的因为它要为视觉和前庭的中枢神经系统提供稳定的平台 j o a n e . h i m a n n d a v i d a . c u n n i n g h a m 等人的研究结论是 6 2 岁的人的步速的加速能力 减弱6 2岁以前的人在正常步速上每 1 0年有 1 - 2 % 的衰减6 3岁以后的正常步速女性每 1 0 年减少 1 2 . 4 % 男性每 1 0 年减少 1 6 . 1 % 6 3 岁和 6 3 岁以上的人与较年轻人比较1 9 - 3 9 和 4 0 - 6 2 步速明显下降步长明显缩短 a u r e l i o c a p p o z z o 的研究得到上体的运动方式有两个方式组成一种是内在的本质 的方式在个体内部和人与人之间有一致性一种是外在的可能是由于功能或解剖的非 对称性或环境的干扰确定了这两种运动方式也就形成了定义正常的标准行走方式的基 础a u r e l i o c a p p o z z o 当行走速度接近最大值垂直加速度的频谱在量值上增加并朝人 体各器官共鸣的频率移动躯干和骨盆的协调运动使加速度减小到最小值头在前后方向 上允许的加速度值使相关的频谱移向较低的频率 a . g a b e l l b a u . s . l . n a y a k 的研究中步长和步态周期的差异在 6 % 以下而步宽和双 北京体育大学 01 级硕士(毕业)论文 9 支撑时间差异较大介于 1 7 % 至 2 7 % 之间这与不同的控制系统有关步长和步态周期主 要由步态行走方式机制决定步宽和双支撑时间主要由平衡控制机制决定结果表明在年 轻和年老两组人群中步态方式机制在执行上比平衡控制机制更一致而且步态上增加的 变化不应看作老龄的正常伴随物 n . t e a s d a l e g . e . s t e l m a c h a . b r e u n i g等人的研究结果表明老年人除了半球体敏感 性减弱外负责姿势中枢整合机制也存在缺陷 r . w . b a l o h k . m . j a c o b s o n t . m . s o c o t c h的研究结果表明老年人的前庭- 视觉传导通 路的感觉和神经元素功能衰退因此导致 7 5 岁以上的老年人感觉头昏眼花和身体不平衡 j o h n n y n i l s s o n 等人的研究结果是在一个步态周期中躯干在垂直方向上和水平的前后 方向上经历两次振动平均振幅分别为 2 . 5 - 9 . 5厘米和 0 . 5 - 3厘米在侧向上只有一次 振动平均振幅为 2 - 6厘米躯干在水平面内的角度倾斜随着速度的增加从 3度增加到 1 0 度躯干在前后方向上的倾斜只有很小的增加快跑是增加到 5 度随着速度增加躯 干平均向前倾斜角度从 6度增加到 1 3度躯干运动对速度的适应与变化的机械条件和对 平衡控制的不同的要求有关 s . g r i l l n e r j . n i l l s o n等人观察的结果是人为了适应速度一种方法是步长不变 只改变频率一种方法是频率不变只改变步长这说明虽然这两个参数一般同时改变但 对它们的控制是自主的独立的 d a v i d a . w i n t e r 等人研究的结果表明水平面内平衡和姿势的控制通过对支持关节和髋 关节主动肌群力矩间精确的相互作用被动的关节加速力矩和不稳定的重力力矩来完成 这种平衡的控制是为了控制质心相对于短暂的支撑面水平轨迹 j o s e p h h a m i l l d 等人的研究结论是在开始的出乎意料的干扰发生时老年人更容易摔 倒但是重复发生后健康年轻人和老年人都以相似的速率迅速学会避免摔倒通过反 复的锻炼健康老人有充分的能力学会更好的从干扰中恢复或者更好的适应干扰接近过 渡速度时控制速度和步频相等行走和跑步的大腿和小腿之间在协调方式上有拓扑相似 性时相图像和连续相对时相曲线也证明了行走和跑步相似的方式但在步态周期中行走和 跑步有功能的不同随着跑步速度的增加振动衰减呈线性增加而且在跑速增加的过程 中振动衰减的变化是由于腿部最大冲击力加速度的增加而不是头部由于摆动腿需要准 确地控制肌肉和克服重力力矩因此摆动时相必须是一个积极的控制过程只有当一个研 究不要求定量的结果时才可以假设这个过程是被动的这个结论对于步态研究的许多领 域有重要意义包括诊断研究控制理论和机械建模 p e g g y r . t r u e b l o o d等人的结论是一个步态或平衡显著不协调的人将有下列问题中的 一个或多个肌肉衰弱感觉输入损失可能是本体感觉, 视觉或前庭强直或僵硬关 节挛缩或中枢处理功能紊乱关键是确定步态或平衡干扰的最可能的原因然后选择最佳的 治疗方法 j a m e s o . j u d g e u n d e r w o o d m 的研究结论是练习组在肌肉力量上和步速上获得了显著 北京体育大学 01 级硕士(毕业)论文 10 的提高控制组在这两方面没有变化可见短期的练习使肌肉力量和平衡能力有所改善 步速有了显著的提高 f . j . i m m s o . g . e d h o l m 的研究结果为行走速度随年龄轻微地减小而且病理和日常习 惯的活动对步速和灵活性的影响比年龄更大平衡能力的好坏直接影响运动性紊乱的分 数步速和跨越障碍物能力的好坏 m i c h a e l j . p a v o l e i l e e n f . r u n t z b e a t r i c e j . e d w a r d s的研究结果是第一次滑动 时老年人摔倒比年轻人多随着反复的滑动两组年龄段的人摔倒的次数以相似的指数率 减少这说明在干扰刚开始出现时老年人更容易摔倒但随着干扰的反复出现健康年 轻人和老年人以相似的率值迅速学会避免摔倒经过反复的练习健康老年人完全有能力 学会更好地从干扰中恢复或适应干扰 v a l l a b h e . d a s a r i z . z i v o t o f s k y等人的研究结果表明正常人和病人在 3个面内两 种条件下头旋转的主导频率没有显著变化范围均为 0 . 7 - 5 . 7 赫兹结论是在自然行走时 发生的头部旋转的干扰不受人注视与头部固定的目标的影响 e j b a s s e y m . j . b e n d a l l , m . p e a r s o n的研究结果表明男性肌肉明显更为强壮他 们的行走数量与女性相似但速度明显更快在日常生活中男性老年人的活动性更强通 过问卷评价对于男性和女性肌肉力量和正常步速之间有显著关联男性相关系数为 0 . 4 1 女性相关系数为 0 . 3 6 多元回归分析显示对于男性除了速度年龄和行走数量没有 进一步影响而对于女性年龄有额外的影响通过增加日常的活动可以减少肌肉力量减 少的可能性 a l f t h o r s t e n s s o n h a n s c a r l s o n m i c h a e l r . z o m l e f e r j o h n n y n i l s s o n 的研究结 果表明肌肉的 e m g 显示当每只脚刚刚开始接触地面的一瞬间双侧腰部肌肉同时收缩作 用是限制躯干过度的运动行走时主要限制水平面躯干的运动跑步是主要限制矢状面躯 干的运动 d . c a s e y k e r r i g a n m a r y k . t o d d的研究结果表明年轻人和老年人在运动学和动力学 指标上存在差异其中几个差异当步速增加时没有持续在合适并快速行走时持续的差异 是减少的髋关节伸的程度增加的向前的骨盆的倾斜度和减少的踝关节的跖屈和产生的 功率结论为老年人的步态情况可能受轻微的髋关节屈的挛缩和踝关节同中心的跖屈肌的 衰弱的限制 1 . 3研究设想 由于前人关于不同步速下老年人步态的研究较少所以本文就这方面进行了初步的研 究对老年人常速行走与快速行走的步态特征的生物力学指标进行了比较与分析希望可 以从中发现有意义的结论为老年人的日常生活及健身方式提出建议 北京体育大学 01 级硕士(毕业)论文 11 实验法 2 . 1 研究对象 2 . 1 . 1 受试者要求 1 ) 年龄在 6 0 岁以上 2 ) 行走无明显功能障碍症状如偏瘫下肢严重疾患等 2 . 1 . 2 抽样情况 表 1 受试者总体情况 共取 1 9 名退休老年人作为测试对象其中在北京体育大学家属院取 1 0 人在上地东 里小区取 9 人受试者均为 6 0 - 7 5 岁的普通健康老年人包括不同锻炼方式不同职业 不同地区不同文化程度 2 . 1 . 3 实验的时间与地点 2 0 0 3 年 9 月 2 1 日北京体育大学家属区受试者 1 0 人 2 0 0 3 年 1 1 月 1 日上地东里小区受试者 9 人 地点北京体育大学运动生物力学实验室 2 . 2 实验设备 q u a l i s y s 红外分析系统采集频率为 1 0 0 赫兹 六台摄像机位置如图 1 2 . 3 实验设计及操作过程 1 常速行走与快速行走的速度控制 1 使用跑台来调节步速发现在跑台上行走与生活中的行走有很大不同由于脚下 的传送带不停地在动一旦步速与其不一致就有摔倒的可能对于老年人来说存在 很大的危险性因此否定了使用跑台控制步速的方法 2 使用节拍器来控制步频从而控制步速发现他们为了按照拍子走步而不能自然 行走不符合实验的要求所以也否定了使用节拍器控制步速的方法 最后决定让老年人根据两种口令行走一是按平时生活中正常的速度行走二是 尽自己所能快速行走但不能跑起来 2 根据人体步态对称性的结论研究受试者右侧肢体的步态特征每位受试者的关节标 记位置为头顶点第六与第七颈椎间第五腰椎与第一骶椎间肩关节髋关节 性别 人数 年龄 身高 体重 鞋码 女 9 6 5 . 6 3 5 . 0 4 1 5 8 . 2 5 5 . 0 1 6 2 . 1 3 7 . 3 4 3 7 . 3 8 1 . 7 7 男 1 0 6 6 . 0 0 4 . 3 5 1 6 6 . 1 0 4 . 3 6 6 6 . 5 0 9 . 0 7 4 0 . 6 0 1 . 6 5 2 研究方法 北京体育大学 01 级硕士(毕业)论文 12 膝关节踝关节脚尖脚跟如图 3 所示 3 让受试者沿着规定路线以正常步速行走 4 让受试者沿着规定路线以尽可能快的步速行走路线如图 2 行走范围约为 1 0 米 2 . 4 数据处理 使用 q t r a c 软件将图像信号转换为数据文件使用 q t o o l s 软件对数据文件进行分析 得到相应曲线和角度及速度的原始数据使用 s p s s统计软件计算平均值和进行 t检验 摄像机位置图示 图 1 图 3 标志点位置示意图 北京体育大学 01 级硕士(毕业)论文 13 使用 o r i g i n 6 . 1 软件做快速傅立叶变换f f t计算步态的平滑指数及头在矢状面内的加 速度等指标 3 研究结果与分析 3 . 1 步态周期的划分 一侧足跟着地至该侧足跟再次着地的过程称为一个步态周期由 q u a l i s y s系统拍摄 转换过来的图像中当贴在足跟上的标记点落地并保持不动的瞬间为足跟着地在一个 步态周期中每侧腿要经历踩地支撑和离地摆动两个时相分别称为站立相也称为支撑 相和摆动相本文分析单腿的支撑相和摆动相 3 . 2 研究指标的描述 3 . 2 . 1 研究指标的确立 在正式实验前进行了预实验目的是检验所设标志点是否满足和符合实验需要检验 老年人快速行走与正常行走之间是否有差异检验由文献中获得的两个评价步态平滑和稳 定程度的指标步态平滑指数和躯干垂直加速度- 时间曲线检验 f f t得到的振幅 指标如加速度振幅角速度大小等此次预实验使用一台摄像机在一位老年人身上贴上 标记点常速和快速各走一次拍摄完整步态周期使用爱捷分析系统进行解析结果中 得到时相参数运动学参数关节角度等指标参阅文献计算出步态平滑指数得到了两 种步速下躯干垂直加速度- 时间曲线经过 f f t 得到相应的振幅指标 3 . 2 . 2 指标描述 1 各时相占周期的百分比 2 速度步长步频 3 角度指标 头与水平面夹角头顶点和第六七颈椎间点的连线与水平面夹角如图 5 躯干与水平面夹角第六七颈椎间点和第五腰椎第一骶椎间点的连线与水平面夹 角如图 5 所示 头躯干与水平面夹角的变异系数变异系数是反映变量变异大小的一个统计量是 标准差和均数的比值这里反映上体头躯干间的稳定程度 髋膝踝关节在矢状面上的关节角度髋角大腿前面与水平面夹角膝角髋 膝踝关节点连线所成夹角踝角膝踝关节点脚尖点连线所成夹角如图 6 分为 髋膝踝关节角度最小值的分析说明两种速度下步态的变化及肌肉的不同工作状态 步态周期结束时前脚跟落地瞬间髋膝踝关节角度的分析通过对这一指标