跑台速度与坡度对步态的影响

尹建娜

(福建师范大学体育科学学院，福建 福州 350108)

步态是指人体在行走时的姿态，是人体通过足趾、踝、膝、髋进行的一系列活动，使身体沿着一定的方向上移动的过程。

目前国内外采用布带、测力板和三维运动捕捉系统来分析步态参数，多应用于临床或是康复诊断。对正常步态、异常步态，行走时各个关节动力学和运动学参数规律有了大量研究[1-2]，但针对跑台上控制速度和坡度研究步态参数变化的研究并不完整。本研究采用H/P/COSMOS，Gaitway一维测力跑台，它具有直接控制速度与坡度，并获得连续的步态的优势。旨在通过对不同速度和不同坡度的控制，比较受试者在步态跑台步态参数的异同。为使步态跑台更好地应用于健身、运动训练以及临床康复提供参考和建议。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究的受试对象为14名有一定训练经历的大学生。受试者近半年无下肢损伤，且近期没有在跑台上跑步训练的经历[3]。受试者基本情况见表1。

表1 受试者基本情况统计

1.2 实验设计

为使实验所采集的数据真实有效，受试者先进行第一阶段的适应练习，即设定实验所需的三个不同的速度与坡度，进行6 min的适应。第二阶段，依次设定慢速(1 km/h)、常速(3 km/h)、快速(5 km/h)进行测试，所有的测试在水平面上进行；第三阶段，依次设定坡度2°、4°、6°。每一速度、坡度均进行4次测试[4]，每次为10 s。数据的记录在到达设定速度30 s后开始。实验过程要求受试者在跑台上自然放松，重心落在两块测力板之间，一只脚落在相应的测力板上，全程不能借力扶手。

1.3 统计学分析

本研究运动学参数包括时空参数和动力学参数。时空参数为步态分析中描述时间和空间位置的参数。选取国内外研究经常采用的步幅、步长、步态周期、双脚支撑时长等作为时空分析参数。动力学参数为最大力值、支撑力、触地受力时长等。

步态参数采用SPSS19.0软件对数据单因素方差分析、Pearson相关性分析、配对t检验，以判定行走步速及坡度对步态参数的影响。

2 结果与讨论

2.1 不同跑台速度行走

2.1.1 时空参数分析

由表2可以看出，步幅、步长和速度均显著性正相关，即当速度增加时，步幅、步长也变大。双脚支撑时长、单脚支撑时长和每步时长、步态周期与速度呈负相关，即随着速度的增加，其参数的值有减小的趋势。

表2 不同速度下的步态时空参数±s)

本研究结果在一定程度上支持了张美珍(2011)[3]与M.Toth-Tascau(2011)[5]的研究，即受试者在跑台行走时步长增加，步幅增大。他们的研究结果还显示，在跑台以不同速度奔跑时，受试者表现为腾空时间延长而支撑时间缩短。本研究结果表明，在跑台上以慢速与快速行走时，受试者双脚支撑时长减少。这说明，双脚支撑时长随着速度的增加而减少，当速度达到一定值时，它趋于0，即走和跑最大的区别在于双脚支撑时长是行走特有的一个阶段。

2.1.2 动力学参数分析

表3显示了各动力学参数在不同速度行走时的均值与标准差。从表中可以看出以1 km/h在跑台上行走时，推动力、支撑力、触地受力时长都最大，这可能是由于受试者在行走时的速度很慢，身体姿态不能完全自然放松，落地的每一步都缓慢且完整。1 km/h与5 km/h时的步态参数相比较，随着速度的增加，触地受力时长减短，推动力减少，支撑力减小。这说明，为了维持原有的行走速度，受试者必须增加左右脚替换的速度。最大力值、碰撞峰值力两个参数的值也是随着速度的增加呈递增的趋势。X轴方向平均力值的改变与速度呈正相关，这可能是因为以不同速度行走时，髋关节前后运动轨迹的上下波动较大。

表3 不同速度下的动力学参数±s)

2.2 不同跑台坡度行走

2.2.1 步态时空参数分析

由表4可以看出，步长、步幅随着坡度上升而增加，单脚支撑时长、步态周期与坡度呈负相关，这可能与上坡行走时，受试者为了保持原有的行走速度，加大了前摆动作的幅度，增加了髋关节的屈曲程度，加强了后蹬与支撑腿肌肉的快速收缩有关。双脚支撑时长随着坡度的改变而延长。这一系列参数的改变说明随着坡度的改变，使得人们自然而然通过对步态的调整来保持原有的运动。

表4 不同坡度下的时空参数±s)

2.2.2 步态动力学参数

由表5可见，随着坡度的增加，触底受力时长、推动力、支撑力均变小了。这可能是因为上坡行走时，除了克服本身运动所做的功，还要克服重力做的功，脚从着地到缓冲比平地行走过渡的要快。这就使得支撑力、推动力减小，受力的时间也缩短了。最大力值、碰撞峰值力两项参数与坡度呈正相关。

Leroux[6]等人研究了人在不负重时行走于斜面的步态变化,指出步态参数受斜坡影响比较明显。从而使保持平衡更为困难。而本研究只发现推动力、触地受力时长在坡度不同时，存在显著性差异。这可能是因为本研究所选用的坡度差太小，未能全面反映坡度对其他相关参数的显著性影响。在接下来的研究中将重点解决跑台坡度对步态的影响。

表5 不同坡度下的动力学参数±s)

3 结论与建议

3.1 结论

1)步幅、步长与速度均显著正相关。双脚支撑时长、单脚支撑时长和每步时长、步态周期与速度呈负相关。以1 km/h在跑台上行走时，推动力、支撑力、触地受力时长都最大。1 km/h与5 km/h时的步态参数相比较，随着速度的增加，触地受力时长减短，推动力减少，支撑力减小。最大力值、碰撞峰值力两个参数的值也是随着速度的增加呈递增的趋势。X轴方向平均力值的改变与速度呈正相关。

2)步长、步幅、双脚支撑时长随着坡度上升而增加，单脚支撑时长、步态周期与坡度呈负相关。随着坡度的增加，触底受力时长、推动力、支撑力均变小。最大力值、碰撞峰值力两项参数与坡度呈正相关。X轴方向平均力值的改变与速度呈正相关。

3.2 建议

行走速度和坡度是影响其他步态参数的重要因素之一，所以跑台速度和坡度在步态空间参数上影响必须纳入跑台步态研究的分析中。在应用跑台进行运动训练、健身、康复时，可根据不同的目的，适当调整速度与坡度。

再者，目前的研究多集中于康复治疗，关于机理的研究还较少。如何将跑台步态分析应用到预防中，健康人群身体机能较好的步态如何，运动技能强的运动员步态如何，都需要根据步态参数来发展相对薄弱肌肉或关节，从而达到预防。

[1]CHAU T.A review of analytical techniques for gait data.Part 2: neural network and wavelet methods[J].GAIT & Posture,2001,13(2):102-120.

[2]孙泊,刘宇,李海鹏,等.跑台与地面上步态比较研究[J].上海体育学院学报,2012，36(6):47-51.

[3]张美珍,曲峰.跑台和地面上跑动时的生物力学分析[J].北京体育大学学报,2011，34(11):55-57,61.

[4]陈龙伟,王珏，高琳，等.正常青年人步态时空和运动学参数的可靠性分析[J].中国体育科技,2012，48(2):83-85.

[5]M.TOTH-TASCAU，D.I.STOIA.Influence of Treadmill Velocity on Gait Characteristics-Case study of a patient with Ankle Instability [J].MEDITECH,2011(6):371-375.

[6]LEROUX A, FUNG J, BARBEAU H.Postural adaptation to walking on inclined surfaces: I.Normal strategies[J].GAIT & Posture,2002,15(1):64-74.