步行时踝背伸受限对下肢生物力学和骨盆运动的影响

【作者】 高天宇； 杨楠； 石海涛； 张思； 任爽； 黄红拾；

【机构】 天津体育学院运动健康学院； 天津市运动生理学与运动医学重点实验室； 北京大学第三医院运动医学科； 北京大学运动医学研究所； 运动医学关节伤病北京市重点实验室； 运动创伤治疗技术与器械教育部工程研究中心；

【摘要】 研究目的:步行是人类最基本、最简单的一种反复运动形式,也是人体运动系统中最复杂的运动之一,即便微小的生物力学变化反复积累后也会产生不良的关节负荷。步行时通过足底与地面等外界接触以及力的相互作用来调节躯体平衡,在这个过程中踝关节不仅支撑整个身体重量,还承担了与地面接触及推动地面向前的功能。在步态支撑中期足跟抬起时踝背伸角度达到峰值,允许胫骨相对于足向前滚动,以便身体前移,正常步行时踝背伸角度峰值需要达到10°以上。踝背伸较小的个体在步行时胫骨向前滚动幅度减小,会使下肢力线发生改变,导致下肢生物力学和骨盆运动受到不良影响。踝背伸受限的个体在步行过程中,下肢关节和腰骶部承受异常的应力,长时间持续下去可能会出现疼痛和损伤。因此,本研究目的是探究步行时踝背伸角度较小个体的生物力学特征,明确踝背伸受限对下肢生物力学和骨盆运动的影响。研究方法:本研究共纳入51名健康受试者,纳入标准是无神经系统和肌肉骨骼系统疾病、无手术史,且实验前24h内未进行剧烈运动,无肌肉疲劳症状。受试者骨性标志点部位贴上反光球,模型采用国际通用模型plug-in-gait的优化版。受试者从预先标记好的起点出发,以自己感觉最舒适的速度在测试步道上行走5次。应用8个摄像头红外高速运动捕捉系统(Vicon,T40)采集受试者的运动学数据,采集频率为100Hz。应用2块三维测力台(AMTI,BP400600)采集受试者的动力学参数,采集频率为1000Hz。运动学和动力学数据通过同步盒(AMTI,GEN5)进行同步。采用欧拉角的方法计算下肢关节角度和骨盆运动角度,采用逆动力学法计算下肢关节力矩。将每个人的5次行走数据平均,应用SPSS26.0随机选取左侧或右侧进行统计分析。首先,将51名受试者步态支撑期中的踝背伸角度峰值与该峰值时刻对应的下肢生物力学参数和骨盆运动角度进行Spearman相关性分析。然后根据步态支撑期中的踝背伸角度峰值,进一步将51名受试者分为踝背伸受限组(踝背伸角度峰值<10°)和非踝背伸受限组(踝背伸角度峰值>10°),对两组受试者在踝背伸角度峰值时刻对应的下肢生物力学参数和骨盆运动角度进行独立样本T检验。显著性水平均为P<0.05。研究结果:第一部分相关性分析结果:步态支撑期踝背伸角度峰值与该峰值时刻对应的生物力学参数正相关的参数有:踝跖屈力矩(平均值:0.7833,相关系数:0.606,P<0.01)、伸髋角度(平均值:7.4638,相关系数:0.361,P<0.01)、屈髋力矩(平均值:0.3973,相关系数:0.396,P<0.01)、骨盆向同侧倾斜角度(平均值:1.2269,相关系数:0.335,P<0.05)、骨盆向同侧旋转角度(平均值:4.8533,相关系数:0.309,P<0.05)、向内地面反作用力(平均值:0.0513,相关系数:0.418,P<0.01)、向前地面反作用力(平均值:0.117,相关系数:0.674,P<0.01)、垂直地面反作用力(平均值:1.0652,相关系数:0.455,P<0.01)。步态支撑期踝背伸角度峰值与该峰值时刻对应的生物力学参数负相关的参数有:膝外旋角度(平均值:2.3895,相关系数:0.39,P<0.01)、髋内收角度(平均值:7.4638,相关系数:0.352,P<0.05)、髋外旋力矩(平均值:0.0136,相关系数:0.34,P<0.05)。第二部分分组比较结果:踝背伸受限组30人(年龄:29.83±10.18岁,身高:173.07±8.44厘米,体重:72.48±13.43公斤),非踝背伸受限组21人(年龄:26.38±8.7岁,身高:170.95±5.84厘米,体重:70.62±11.81公斤),两组之间的年龄、身高、体重均无显著性差异(P>0.01)。踝背伸受限组显著小于非踝背伸受限组的参数有:踝背伸角度峰值(受限组平均值:6.196,非受限组平均值:13.523,p<0.01);该峰值时刻对应的踝跖屈力矩(受限组平均值:0.747,非受限组平均值:0.8355,p<0.05)、伸髋角度(受限组平均值:5.7345,非受限组平均值:9.9342,p<0.05)、向内地面反作用力(受限组平均值:0.046,非受限组平均值:0.0575,p<0.05)、向前地面反作用力(受限组平均值:0.1008,非受限组平均值:0.1402,p<0.01)、骨盆向同侧倾斜角度(受限组平均值:0.8207,非受限组平均值:1.8073,p<0.05)。而踝背伸受限组的膝外旋角度显著大于非踝背伸受限组(受限组平均值:3.3369,非受限组平均值:1.0361,p<0.05)。研究结论:1)相关性分析结果显示,在步行时支撑期的踝背伸角度峰值越小,该峰值时刻对应的踝跖屈力矩、伸髋角度、屈髋力矩、骨盆向同侧倾斜角度、骨盆向同侧旋转角度、向内地面反作用力、向前地面反作用力和垂直地面反作用力越小;膝外旋角度、髋内收角度和髋外旋力矩越大。这表明踝背伸角度较小的个体,在步行时下肢向前推动力较小,蹬地力量不足,骨盆活动不足,并且在膝关节和髋关节的冠状面和水平面存在过度的代偿活动。2)踝背伸受限分组比较结果显示,在步态支撑中期踝背伸角度峰值不足10°时踝跖屈力矩、伸髋角度、向内地面反作用力、向前地面反作用力、骨盆向同侧倾斜角度明显较小,膝外旋角度明显较大。因此,踝背伸受限的个体在行走过程中下肢力线发生明显改变,下肢出现疼痛或损伤的风险增加。更多还原