年龄、步速和下肢形态对4～6岁幼儿步态的影响

范雪 罗冬梅 郭晨

1 北京体育大学运动人体科学学院（北京 100084）2 安徽工业大学体育部（安徽省马鞍山市 243002）

步行时表现出来的行为特征，称为步态[1]。步行时两侧下肢交替运动，这需要全身各肢体间的骨骼、肌肉以及神经系统协调配合才能完成。若肢体间协调不好，可能出现步态异常[2]。幼儿步态异常可能是由于幼儿的神经、肌肉或者骨骼发育异常造成[3]。因此，幼儿步态成为儿童康复医学的研究热点，其成果可以用于评估幼儿的神经、肌肉以及骨骼发育状况，制定科学合理的康复方案等。因此，本研究以幼儿的正常步态为研究对象。

学者们从运动学、动力学等方面对幼儿的步态做了大量的研究，得出幼儿步态发展的生理基础是肌肉力量增加[4-5]和平衡控制能力增强[6-8]；随着年龄的增长，幼儿步态不断发展成熟[9]等结论。但是比较以往的研究数据会发现，幼儿行走的步长、步频以及步态周期等参数在不同研究之间存在一定的差异，经过分析发现以往研究多存在以下问题：（1）以往研究对幼儿的年龄控制不严格，部分研究中同一组幼儿的年龄跨度大于6个月，以致不同研究之间幼儿的步态参数存在差异[10-11]。因此，需要控制幼儿的年龄范围，制定幼儿的步态参考值，这是本研究要解决的第一个问题。（2）在测试中幼儿行走的速度存在差异，幼儿的行走速度会对幼儿的步态参数产生怎样的影响？这是本研究要解决的第二个问题。（3）幼儿时期是生长发育的重要时期，由幼儿生长发育规律可知，幼儿的下肢形态指标发育较快。Sutherland等[9]研究了186名1～7岁幼儿的步态，得出幼儿的步长与下肢长之间呈线性关系；Muller等[10]研究发现，随着下肢长度的增长，1～15岁幼儿的行走速度增大；Dixon等[11]研究94名3～16岁幼儿步态的时空参数，指出幼儿的下肢长可以用来预测幼儿行走时的步长和步频。可见形态导致幼儿的步态产生差异。但是以往的研究只分析了下肢长度指标对步态的影响[9-11]，所选取的形态指标不够全面，尚未见到下肢的围度和宽度等其他形态指标对步态影响的研究。幼儿的哪些形态指标会对幼儿的步态产生影响，这是本研究要解决的第三个问题。

针对以上问题，本研究选取受试者时，严格控制幼儿年龄范围，采用三维拍摄采集幼儿的行走动作，比较不同年龄与性别幼儿的步态周期、步速、步长等时间、空间参数的差异，并分析步速与其他步态参数之间的关系，最后采用典型相关分析研究幼儿的下肢形态发育对其步态发展产生的影响，探讨影响幼儿步态的因素。本研究可以为幼儿异常步态的诊断与评估，以及助行机器人的设计以及步态规划提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究参与者

选取北京市海淀区两所幼儿园157名4岁、5岁以及6岁幼儿为研究参与者，将幼儿分为4岁组、5岁组以及6岁组，幼儿基本信息见表1。

测试时间为2016年3月，测试地点为幼儿园的舞蹈排练厅。

纳入标准：为减小幼儿的个体差异，本研究在选择幼儿时严格控制其年龄，同一组幼儿的年龄差异不超过1个月；幼儿能自然行走，下肢和足部各关节活动正常；愿意参加本次测试，其父母填写知情同意书。

排除标准：所选取幼儿存在下肢疾患，步态异常，存在认知和动作发展迟缓等身体心理发育障碍问题。

1.2 研究方法

1.2.1 行走动作测试

幼儿着统一的紧身裤和鞋子，并由固定的测试人员为其贴反光标志点，贴点位置：左、右髂前上棘，左、右侧大转子，髂后点（第4、5腰椎之间），左、右大腿前面中点，左、右膝内/外上髁，左、右胫骨前面中点，左、右内/外踝，左、右足尖，左、右足跟。

表1 测试幼儿基本信息

测试仪器为Qualisys红外捕捉系统（QTM783，瑞典），该系统包括8个高速摄像头、电脑等。测试场地由8个高速摄像头高低交替排列成圆形，拍摄直径10米，场地内铺设10米长的步道。测试前首先对Qualisys拍摄系统进行标定，系统误差不超过0.8 mm，拍摄时Qualisys采集频率为200 Hz。

测试前让幼儿在步道上以习惯的姿势和自然速度步行数次，以便适应实验环境。测试时首先要求幼儿以标准解剖姿势站立10秒，获取静态标定文件，然后摘除其左、右膝内上髁与左、右内踝上的标志点，要求幼儿按照自己平时的习惯在10米长步道上以自然速度来回行走6次，获得动态文件。步道的两侧各有一位测试人员，鼓励、引导幼儿完成测试。

1.2.2 形态学测试

形态学测试指标包括下肢长A、足长、小腿长、大腿围、骨盆宽、转子间宽、足围及足宽，其中长度指标均选取左侧肢体进行测试。每个指标测量两次，取平均值。测试人员均经专业培训合格后参加测试。

幼儿两脚分开，与肩同宽自然站立，用形态测量尺测量左侧髂前上棘点至地面的垂直距离，即为下肢长A；用测径规量取两侧髂结节间（骨盆最宽处）的距离，即骨盆宽；用测径规量取两侧大转子间的距离，即转子间宽。幼儿与肩同宽站立，两上肢自然放松下垂，测试者将带尺经大腿臀横纹处绕其一周，即为大腿围。

幼儿将左脚掌踩于凳上，小腿与凳面垂直，将形态测量尺与小腿胫骨纵轴平行，测量胫骨内髁上缘至内踝尖的距离，即小腿长；采用游标卡尺测量第五跖骨头至第一跖骨头之间的横向距离，即足宽。幼儿将左足置于足长足高测量器上，足跟点紧贴后挡板，测试者移动前挡板，使标尺贴于趾尖点，即为足长。幼儿坐位，脚掌对着前方，测试者将带尺从第一跖骨到第五跖骨绕其一周，即足围。

1.3 数据处理

使用Qualisys自带的数据处理软件，对原始标志点进行命名和识别，依据两次左侧足跟着地瞬间的特征画面，选定测试过程中的完整步态周期，输出为“c3d”文件。将每名幼儿的“c3d”文件导入Visual 3D数据处理软件，首先对受试者下肢各环节进行建模，然后导入标定文件和行走动态文件，并设置左足跟着地、右足尖离地、右足跟着地、左足尖离地以及左足跟再次着地的特征时刻。采用butterworth低通滤波，截断频率为15 Hz，使用Matlab计算幼儿行走的步态周期、支撑相百分比、摆动相百分比、双支撑相百分比、步长、步宽、步速及步频参数，将数据导出至EXCEL表格。

步态周期指在行走时一侧足跟着地到该侧足跟再次着地所经过的时间。步态周期包括支撑期、摆动期以及双支撑期，该时相占步态周期的百分数，即支撑相百分比、摆动相百分比以及双支撑相百分比。步长指行走时足跟着地到对侧足跟着地所行进的纵向距离。步速指单位时间内行走的距离。步频指行走中每分钟迈出的步数。步宽指两侧足跟之间的横向距离。

1.4 数据统计方法

所有的统计处理均在SPSS17.0中实现。采用双因素方差分析，分析年龄与性别是否对幼儿步态产生影响，并比较不同年龄与性别幼儿步态的时空参数差异。采用回归分析研究步速对其他步态参数产生的影响。统计学显著性水平为P＜0.05。

采用典型相关分析，探讨幼儿步态与下肢形态发育之间的关系。将下肢长A（X1）、小腿长（X2）、足长（X3）、大腿围（X4）、骨盆宽（X5）、转子间宽（X6）、足围（X7）及足宽（X8）作为自变量；以步态参数：步态周期（Y1）、双支撑相百分比（Y2）、支撑相百分比（Y3）、摆动相百分比（Y4）、步长（Y5）、步宽（Y6）、步速（Y7）及步频（Y8）作为因变量。利用CANCORR命令进行典型相关分析，寻找典型变量对，计算典型相关系数，并选择载荷较大的变量。

2 结果与分析

2.1 年龄与性别对幼儿步态参数的影响

由表2可以看出，6岁幼儿的步态周期显著高于4岁与5岁幼儿的步态周期（P＜0.05），6岁幼儿的摆动相百分比显著高于4岁幼儿（P＜0.05），而6岁幼儿的支撑相百分比显著低于4岁幼儿（P＜0.05）。这表明随着年龄的增加，幼儿步态周期增大，摆动相所占的比例增加，支撑相所占的比例减少。

6岁幼儿的步长显著高于4岁与5岁幼儿（P＜0.05），且5岁幼儿的步长显著高于4岁幼儿（P＜0.05），这表明幼儿时期的步长发育迅速。6岁幼儿的步速显著高于4岁与5岁幼儿（P＜0.05），6岁幼儿的步频显著低于4岁幼儿步频（P＜0.05），这表明随着年龄的增长，步速逐渐增大，幼儿步频明显减小，6岁时幼儿行走能力较强。步宽在各年龄段之间均没有出现显著性差异，这表明幼儿的横向平衡能力之间不存在差异。

表2 4岁、5岁及6岁幼儿步态参数(Mean±SD)及置信区间

2.2 步速与幼儿步态参数的关系

本研究采用回归分析研究步速与时间参数以及空间参数之间的关系，得出如下结果：

图1 幼儿步速与空间参数关系

图2 幼儿步速与时间参数关系

由图1中步速与步频之间的关系可以看到，随着步频的增加，幼儿的步速增大，这种增加呈线性模式，且拟合优度较高，表明步速与步频之间具有显著的相关关系（P＜0.05）。由步速与步长之间的关系可以看出，随着步长的增加，幼儿的步速增大，这种增加呈线性模式，这表明步速与步长之间具有显著的相关关系（P＜0.05）。步长-步速回归方程中的标准化回归系数为0.703，而步速-步频回归方程中的标准化回归系数为0.496，可见步长-步速回归方程的标准化回归系数较高。这也提示，幼儿通过增加步频和步长来实现步速的增加，其中步长增加为主要途径。

由图2中步速与步态周期之间的关系，可以看出随着幼儿步速的增大，步态周期减小。由步速与支撑相百分比以及双支撑相百分比之间的关系可以看出，随着幼儿步速的增大，幼儿的双支撑相百分比以及支撑相百分比均呈线性模式减小，其中支撑相百分比减小的速度小于双支撑相百分比。由步速与摆动相百分比的关系可以看出，随着步速的增大，幼儿的摆动相百分比呈线性模式增大。

综上，可以看出，幼儿以不同的速度行走时，步态参数会发生一定程度的改变，当步速较快时，步态参数表现为：步频较高、步长较大，步态周期、支撑相百分比与双支撑相百分比减小，摆动相百分比增大；而当步速减小时，步态参数表现为：步频减小，步长减小，步态周期增大，支撑相百分比与双支撑相百分比增大，摆动相百分比减小。

绿汁镇地处河谷地带，道路交通不便，加之山路崎岖，运输核桃只能是小、中型货车，外运成本高，交通运输条件差，导致在收购过程中单价上偏低。

2.3 幼儿步态与下肢形态的相关性

以步态参数为因变量，各形态指标为自变量，建立典型相关分析。结果可提取一对显著的典型相关变量，典型变量对的相关系数为0.703（P=0.001），这表明幼儿的步态发展与下肢的形态发育之间存在显著相关。

由表3可以得到，典型变量对的函数模型，如下:

U1=-0.157X1+0.087X2+0.012X3-0.007X4+0.249X5-0.274X6-0.109X7-0.320X8；

V1=0.035Y1+0.025Y2+0.085Y3+0.073Y4-1.159Y5+0.340Y6+0.188Y7-0.193Y8。

表3典型变量对中各变量的标准化系数与载荷

在典型变量中，U1的8个原始变量中下肢长A、小腿长、转子间宽在典型变量上具有高负荷，这表明幼儿下肢形态指标的典型变量U1是由下肢长A、小腿长、转子间宽所决定的。V1因变量中步长在典型变量上具有高负荷，这表明幼儿的步态参数主要由步长所决定的。

由典型变量关系可以得出，下肢长A、转子间宽与步长之间呈现正相关，而小腿长与步长之间呈现负相关。

3 讨论

本研究从幼儿的年龄、行走时的步速以及下肢形态等三个方面，分析这些因素对幼儿步态的影响，探讨幼儿的步态发展特点。讨论部分将从这三个方面展开。

3.1 年龄对幼儿步态的影响

本研究在选取受试者时，严格控制幼儿的年龄，同一组幼儿的年龄相差不超过1个月，以达到尽量减小幼儿的个体差异。采用标准差除以平均数，计算变异系数，分析幼儿步态参数的离散程度。通过计算发现，除步长外，4～6岁幼儿步态参数的变异系数均小于10%，各指标的变异系数远小于Guffey的研究结果[14]。可见严格控制幼儿年龄是十分必要的，可以起到减小幼儿差异的作用。但是幼儿步长的变异系数仍然较大，推测原因可能是由于幼儿的形态存在差异导致。

本研究发现，从4岁到6岁，幼儿步态周期平均值由0.83 s增加到0.91 s，幼儿的步速平均值由1.03 m/s增加到1.28 m/s，步长平均值由44.05 cm增加到54.68 cm，步频平均值由147步/min减小到133步/min，步宽均值变化不显著。本研究中步态参数的变化趋势表明，随着年龄的增加，步态周期增长，摆动相百分比增高，支撑相百分比降低，幼儿的步长与步速增加，步频降低，这种变化趋势与以往研究结果一致[12-15]。另外本研究发现，随着年龄的增长，幼儿的步速、步长在6岁时出现突增，这说明6岁幼儿的行走能力明显增强。成人步态周期范围为0.92 s到1.24 s，步长范围为0.52 m到0.71 m，步速范围为0.88 m/s到1.38 m/s，步频范围为96步/min到127步/min[16]。与本研究的结果相比，可以看出，幼儿的步长与步态周期均小于成人，而步频高于成人，而步速与成人的差异不大。这说明6岁幼儿的步态尚未成熟，行走能力仍在发展。

本研究发现步宽在各个年龄之间不存在显著差异。步宽是反映横向平衡能力的指标。人体行走时若稳定性差，则需要较大的步宽来增加人体与地面的接触面积，以提高人体的稳定性[4]。Yaguramaki[17]等指出横向稳定性是发展较早的能力，是婴幼儿步态发展最重要的因素。因此，我们推测不同年龄段幼儿的步宽没有显著差异的原因，是幼儿的横向平衡能力在4岁以前已经发展成熟。

3.2 行走步速与幼儿步态参数

步速是描述幼儿步态特点的重要参数。本研究在测试中发现，若提醒幼儿“快步走”或者“慢点走”的时候，幼儿的步态会很不自然，这表明限制幼儿的行走速度会产生较大的误差。因此，本研究在测试中未明确要求幼儿行走的速度，只是提醒幼儿“和平时一样走路”。本研究中4岁幼儿的步速为1.03～1.21 m/s，5岁幼儿的步速为1.12～1.26 m/s。Guffey等研究得出4岁与5岁幼儿的步速分别为0.99 m/s和1.02 m/s[14]，均低于本研究的结果，在Guffey的测试中幼儿赤脚行走，而本研究测试中幼儿均穿统一鞋子，这可能是本研究的步行速度高于Guffey的原因，已有研究表明穿鞋可以使步速增加0.08 m/s[15]。另外，本研究的结果得出4～6岁幼儿的步频为129.6～152.3步/min之间，而Beck等研究得出4～6岁幼儿以中等速度行走时，步频为136～156步/min之间[13]，与本研究结果相近，因此可以认为本研究的步行速度即为幼儿的正常行走速度，表2中各参数的置信区间可以作为我国幼儿常速行走时的步态参考范围。

本研究结果表明，幼儿在行走时，通过增加步频和步长来实现步速的增加，其中步长增加的比例较高。王乃军通过研究不同运动速度和运动时间对中年人步态及生理功能的影响，得出随着行走步速的增加，步长逐渐增大，步频出现明显增大[18]。Fan研究步速对老年人行走稳定性的影响，结果发现当步速增大时，步频增加显著，而步长变化不明显[19]。Snaterse等研究得出成人优先选择改变步频，来调整步速[20]。与成人相比，可以发现幼儿与成人的步速增加途径存在差异，幼儿以增加步长为主，而成人以增加步频为主。步长与身高存在显著相关[21]，幼儿处于生长发育的快速时期，身体形态不断发生变化，同时根据Newell的动作发展约束模型，个体形态结构是影响动作发展的主要因素[22]，推测形态发育影响了幼儿步态的发展。另外，结合年龄对幼儿步态的影响，发现随着年龄的增加，幼儿的步频减小，步长增加，因此步长的增加是幼儿步态发展的主要因素。

本研究结果显示，随着幼儿步速的增大，步态周期减小，这表明幼儿的步速与步态周期之间存在负相关；而由年龄对步态周期的影响可以发现，随着年龄的增长，步速也增大，同时幼儿的步态周期增大，可见年龄与行走的步速之间存在交互作用。

随着幼儿的行走速度的增加，幼儿的双支撑相百分比以及支撑相百分比均呈线性模式减小，其中支撑相百分比减小的速度小于双支撑相百分比，幼儿的摆动相百分比呈线性模式增大。这与年龄对其影响的规律一致，可见幼儿的年龄与行走的速度对幼儿支撑相、双支撑相以及摆动相的影响一致。

综上，可以看出除步宽外，幼儿行走的速度对幼儿步态参数的影响较为显著，因此，在评估幼儿行走动作时，应该考虑幼儿的步速。另外，通过步长-步速以及步频-步速的回归方程，可以为康复患者制定步长与步频的训练方案，提高步行康复训练的科学化与合理化。

3.3 下肢形态对幼儿步态的影响

本研究采用典型相关分析来研究幼儿步态与形态发育这两组变量之间的相关关系，分别从两组变量中提取有代表性的综合变量。这两组综合变量之间的相关系数，反映了两组指标之间的整体相关性。本研究结果显示幼儿的下肢长A、小腿长、转子间宽与步长之间存在显著相关（表3），这表明幼儿下肢形态对步态有显著影响。

由本研究的相关变量对，可以看出下肢长A越大、转子间宽越大、小腿长相对短的幼儿，行走时步长越长。Sutherland的研究指出下肢越长，步长越长[9]，这与本研究结果一致。Winter的研究指出行走的动作模式是一个倒置的钟摆结构[23]，在单腿支撑阶段，着地时足作为支点，下肢绕着足旋转，根据这个钟摆的模式，杠杆长度和角度决定着钟摆的转动幅度。因此，作为杠杆的下肢长与步长之间存在一定的关联。但是倒钟摆理论忽略了人体的下肢不是简单的杠杆，大腿与小腿之间通过膝关节连接，在行走过程中，左右足跟着地之间的距离构成一个步长，在足跟着地时刻，膝关节存在一个落地缓冲的过程，此时膝关节出现一个屈曲[24]，若小腿相对长则步长减小较多，若小腿相对短则步长减小的少。因此，小腿长与步长之间呈负相关。

转子间宽指股骨上两侧大转子之间的距离，可以近似看作为两个髋关节之间的连线。在行走中，转子间宽相对于人体纵轴有一个前后转动过程，一侧脚跟着地时髋部前旋，对侧足尖离地时髋后旋，增加了转动半径的长度，这加大了步长[1]。因此，我们推测转子间宽增大，增大了骨盆旋转的范围，进而步长增大。

可见，幼儿下肢形态与其步态之间存在显著的相关，幼儿的下肢长、小腿长以及转子间宽影响幼儿的步态发展。幼儿存在与成人不同的步态特点，幼儿的形态在发生不断的改变，建议在进行幼儿步态评估时，需要考虑幼儿的下肢长、小腿长以及转子间宽这些形态指标。在对幼儿的异常步态做康复训练时，应当考虑幼儿的形态发育对步长产生的影响，根据形态发育制定相适应的步态康复方案。

综上可以看出，幼儿的年龄、行走时的步速以及下肢形态均对幼儿的步态参数产生影响。在评估幼儿步态以及行走动作发展的研究中，应综合考虑这些因素。但是这三因素之间的关系尚未清楚，根据这三个因素制定幼儿步态参数模型，将是今后继续研究的方向。

4 结论

4.1 随年龄增长，4～6岁幼儿的步态不断发展，表现为步态周期增大，支撑相百分比减小，摆动相百分比增加，步长与步速增大，而步频减小，至6岁时幼儿步态发展较快，但是尚未发展成熟。

4.2 步速与4～6岁幼儿的其他步态参数之间存在显著相关。幼儿步速的增大是由于步长与步频的增加，其中以步长的增加为主。随着幼儿步速的增大，幼儿行走时摆动相百分比增大，步态周期、双支撑相百分比以及支撑相百分比均减小。

4.3 对于4～6岁幼儿而言，幼儿步态发展主要表现为步长增加，而下肢长、小腿长和转子间宽度是影响步长的主要因素。

致谢：感谢运动与体质健康教育部重点实验室（北京体育大学）对本研究提供实验设备支持。