目前国内外对于步态失稳现象已开展了大量研究, 但尚不清楚平衡调节过程中足底压力与步态参数间的关系。本文利用足底压力与步态分析手段, 研究分析人体水平地面行走时遇滑移扰动后激发的自适应平衡反应。本文募集10名健康男性受试者, 统一着鞋, 于干燥和油介质水平地面进行对比行走试验, 并采集分析了时-空步态参数、足底压力参数和垂直地面的反作用力(VGRF)等参数的变化规律。研究结果表明, 水平地面行走时遇滑移扰动后自适应平衡反应主要包括:足跟触地更轻、足趾离地时抓地更紧, 人体采用更低的步速、更短的跨步长, 并增加站立相时间来维持或恢复平衡。本文研究结果将为防止滑跌损伤、康复训练设计及行走辅具的研发等领域开拓新的思路并提供一定参考价值。
引用本文： 李洋, 张峻霞, 司莹. 基于足底压力和步态参数分析的水平行走遇滑失稳的自适应平衡反应研究. 生物医学工程学杂志, 2015, 32(6): 1217-1222. doi: 10.7507/1001-5515.20150216 复制
0 引言
跌倒是日常生活中一种常见的会引起严重后果的失稳现象。跌倒是65岁以上老年人伤亡的主要原因之一[1]。我国每年至少有2 500万60岁以上老年人发生跌倒损伤，75岁以上老年人跌倒损伤的发生率则成倍增加[2]。跌倒的诱因多样，其中突发的环境改变将打破步态特征的规律性，引发跌倒的可能性增大[3-4]。
目前针对步态失稳问题，国内外学者已从多个角度展开研究[1-6]。Tanaka等[5]研究表明，人体可以通过改变脚趾压力的施加和分配，纠正滑移或受绊等扰动带来的不利影响，从而保持或者恢复平衡。足底压力分析作为生物力学分析的新兴手段之一，已证实可用于描述人体平衡调节过程。然而，目前却鲜有从足底压力角度对动态失稳自适应调节反应进行研究的报道，且已有的报道未将足底压力参数的变化与人体步态变化相对应[6]，故尚不清楚平衡调节过程中足底压力与时空-步态、下肢运动学等参数间的关系。
本研究结合足底压力分析与步态分析手段，针对水平地面滑移扰动引发的步态失稳现象，探究人体下肢潜在的自适应平衡反应。本研究不仅对于防止滑跌损伤具有重要意义，并且可为双足机器人、智能假肢、下肢外骨骼等拟人机械下坡时的步态规划提供信息，扩大其应用范围，更可为其平衡调节控制程序的编写提供基础资料，有利于提高其在平地环境下的行走稳定性。
1 试验方法
1.1 试验对象
招募10名男性受试者参加此次步态试验，身体健康，无上下肢神经及肌肉骨骼病史，且行走步态无异常。受试者年龄为(24.70±1.42)岁，身高为(175.30±4.55)cm，体重为(67.50±8.59) kg。受试者了解试验目的及整个试验过程，试验在征得受试者同意后进行。
1.2 试验环境与设备
本文针对试验环境下失稳现象开展研究，试验选用介质扰动方式引发失稳现象，扰动介质定为植物油。
数据采集设备主要包括：频率50 Hz的Pedar-X鞋垫足底压力测量系统(Pedar-X, Novel, DE)，频率100 Hz的配有10个MX红外摄像机的Vicon三维光学运动捕捉系统(VICON Motion Systems, Oxford, UK)，两块频率1 000 Hz的AMTI-BP100600型生物力学测力台(AMTI, Watertown, US)。
行走试验在室内5 m×1 m的步态行走试验台上完成。测力台嵌入行走试验台内部，并保证台面之间平齐。试验台上方设有人工控制的随行安全保护装置，在不干涉受试人员行走速度的同时，随受试人员同行，随时保护受试人员，避免滑跌造成伤害。
1.3 足底区域划分
划分足底区域是开展足底压力分析的基础，细化足底功能区，便于明确单个足部结构在整个足底平面中所起的作用。足底区域中，脚跟和中足的分界线位于脚长(从脚趾向脚跟测量)的73%处；中足和前足的边界位于脚长的45%处。中足的内、外侧边界为脚跟中心与第二足趾中心的垂线；内、中、外侧前足(跖骨区)的分界线与上述垂线平行，宽度分别为足宽的30%、25%及45%[5, 7-9]。
如图 1所示，根据文献[10]，将足底分为8个区域，分别是：第1趾(great toe, GT)，第2~5趾(lateral toes, LT)，第1跖骨(medial metatarsal, MM)，第2、3跖骨(central metatarsal, CM)，第4、5跖骨(lateral metatarsal, LM)，内侧足弓(medial arch, MA)，外侧足弓(lateral arch, LA)与足跟(heel, HE)区。其中，前足区包括第1趾区，第2~5趾区，第1跖骨区，第2、3跖骨区与第4、5跖骨区；中足区包括内侧足弓区及外侧足弓区；后足区即为足跟区。
图1
足底8个区域的示意图
Figure1.
Schematic diagram of eight plantar areas
1.4 试验过程
受试者身着试验专用服装和安全带，下肢贴16个标志点，包括：骨盆4个，髂前上棘、髂后上棘，左、右各1个；下肢12个，包括膝关节、大腿、小腿、踝关节、脚趾、足跟，左、右各1个[11], 如图 2所示。此外，左侧大、小腿上的点低于右侧，以便后期分析的时候能清楚区分左、右腿。
图2
下肢16个标志点位置示意图
Figure2.
Sketch map of sixteen mark points location of lower limbs
受试者着统一的帆布鞋完成行走试验，穿鞋前需将与受试者鞋码相对应的压力鞋垫置于鞋中，并保证压力鞋垫放置平整。每位受试者需分别完成干燥条件下水平行走10次，油介质扰动条件下水平行走5次。试验要求受试者调整合适的出发点，从而行走中使两侧足分别踏在两块力板上，以便分析单侧腿的动力学参数。此外，要求受试者在行走过程中目视前方、步态自然放松，并在受到扰动后继续向前行走直至收到采集者的口令。试验开始前，要求受试者在行走试验台上以自然步速自由行走数次，以便熟悉行走环境。每次行走之间进行适当休息，以避免疲劳对步态的影响。
1.5 数据采集与分析
本试验拟采集人体正常行走过程中受滑移扰动前后的时-空步态参数、足底压力参数和动力学参数。时-空步态参数中的步速、跨步长、跨步时间以及站立相由Vicon系统获取。分析时将跨步时间标准化为步态周期，即0%对应一侧足首次足跟触地，100%对应同侧足再次足跟触地。同时，对站立相时间进行标准化，0%代表足跟着地，60%代表足趾离地。另外，研究还针对站立相占步态周期的时间比例进行数据分析，记作“站立相时间比例”。足底压力参数包括峰值压力和压力中心轨迹(center of pressure，COP)，由Pedar-X鞋垫足底压力测量系统记录。其中COP包括沿足宽方向X的数据(X-COP)和沿足长方向Y的数据(Y-COP)。分析时X-COP和Y-COP根据受试者足宽和足长分别进行标准化，如图 3所示。动力学参数即垂直地面的反作用力(vertical ground reaction force，VGRF)由AMTI测力台记录，分析时需根据受试者体重进行标准化。另外，理论上足底压力数据等于VGRF与接触面积的商，但由于体重较重者足的尺寸以及足与支撑面的接触面积也较大，从而缓解了体重对足底压力的影响，故足底压力无需根据受试者体重进行标准化[8, 12]。
图3
X-COP和Y-COP分别根据足宽和足长进行标准化的坐标
Figure3.
Coordinates of X-COP and Y-COP normalized to breadth and length of foot
采用单因素方差分析法进行滑移扰动前、后的数据对照分析。开展单因素方差分析的前提之一是变量满足方差齐性。如数据中存在奇点，本文采用非参数检验法对不满足方差齐性的参数进行分析，并以非参检验的结果为准。在验后多重比较法的选择方面，Tukey法适用于满足方差齐性的情况，不满足方差齐性时使用Tamhane’s T2法。选取显著性水平α=0.05，数据处理过程借助SPSS 20.0完成。分析数值采用均值±标准差的表示方法。
2 试验结果
2.1 时-空步态参数
对时-空步态参数进行单因素方差分析，结果如表 1所示，与干燥介质相比，油介质下步速、跨步长显著减小(P＜0.05)，站立相时间比例显著增加(P＜0.05)，跨步时间参数虽略有减少但并无显著性变化。
表1
时-空步态参数
Table1.
Spatio-temporal gait parameters
2.2 足底压力参数
2.2.1 峰值压力
步速与峰值压力正相关[7-8]，为排除步速的影响将步速作为协变量，对8个区域的峰值压力进行多因素协方差分析，结果如表 2所示。与干燥介质相比，油介质下站立相内足底LT区域峰值压力显著增大(P＜0.05)，CM、HE区域峰值压力显著减小(P＜0.05)。从前、中、后足区角度分析可知，与干燥介质相比，油介质下前足区内，GT、LT两个区域峰值压力均增大，其中LT区显著增大，MM、CM、LM三个跖骨区域的峰值压力均减小，其中CM区显著减小，这表明在站立相内前足区的峰值压力向足趾转移；中足区内侧足弓区MA峰值压力增大，外侧足弓区LA峰值压力减小，表明站立相内中足区的峰值压力向内侧足弓转移；HE的峰值压力显著减小。
表2
足底8个区域的峰值压力
Table2.
Peak pressures of eight plantar areas
2.2.2 压力中心轨迹
一个标准的步态周期分为站立相与摆动相两个阶段，站立相约占整个步态周期的60%。站立相包括5个事件：初始着地(0%)，承重期(0%~10%)，支撑中期(10%~30%)，支撑末期(30%~50%)，预摆期(50%~60%)[11]。
如图 4、图 5所示，与干燥介质相比，油介质下X-COP、Y-COP均值曲线在承重期(0%~10%)均发生了明显的变化，出现了更明显的峰值，在支撑末期和预摆期(45%~60%)均出现多次波动。
图4
X-COP均值曲线
Figure4.
X-COP mean value curve
图5
Y-COP均值曲线
Figure5.
Y-COP mean value curve
2.3 垂直地面的反作用力
如图 6所示，干燥地面行走时VGRF均值曲线呈现明显的双峰曲线图形，根据文献[11]，符合已有研究。油介质下，VGRF均值曲线在承重期(0%~10%)出现小幅峰值；在站立相的其余阶段，干燥介质与油介质下的VGRF均值曲线都呈现出两个峰值，且波形相似。
图6
VGRF均值曲线
Figure6.
Mean value curve of VGRF
3 讨论
如表 1所示，时-空步态参数的分析结果表明，与在干燥介质平地行走相比，在油介质平地行走时人体将调整自身步态特征采用更低的步速、更短的跨步长，并增加站立相时间比例，以避免可能发生的滑跌，这些变化与前人所得结果一致。England等[13]研究指出，水平路面行走时谨慎步态的特征主要包括步速降低和步幅缩小。因此与干燥地面条件比较，油介质地面湿滑，地面摩擦系数减小，导致滑跌风险增大，为避免跌倒，人体采用了更为谨慎的步态。
站立相时，足部由足跟至足尖依次与地面接触后离开，足跟与足趾的最大压力分别出现于足跟触地与足趾离地阶段[11]。如表 2所示，GT、LT及HE峰值压力的变化表明平地遇滑移扰动后，人体激发自适应平衡反应，步态呈现足跟触地更轻、离地时足趾抓地更紧的步态特点。Zhang等[14]和Cavanagh等[15]研究表明，前足的受力中心位于第二跖骨下方，本文研究中前足区域中CM区域数据变化也较为明显(P＜0.05)。
如图 4、图 5所示，滑移扰动后X-COP在承重期(0%~10%)出现更高峰值，表明该时期内压力中心较扰动前更大幅度地向身体外侧偏移。Y-COP在承重期(0%~10%)内出现的波动和峰值，表明足跟触地后COP经历了一次前后方向上的波动，这可能是遇滑移扰动后足跟触地发生错动现象在数据上的体现。人体步态分析表明，支撑末期及预摆期(45%~60%)内足跟抬起随后足趾蹬离地面[11]。X-COP的均值曲线在这段时期内出现大幅波动，表明足趾蹬地过程中压力在GT区与LT区之间来回施加。出现这一变化的原因可能是，在调整过程中滑移介质的方向属性受足趾抓紧的影响而发生了变化，足部对变化后的滑移介质进行再次感知并做出相应调整，调整、感知、再调整的过程重复多次。同时Y-COP均值曲线也出现多次波动，表明在该时期内受试者的压力中心在前后方向来回移动，出现这一现象的原因可能是，油介质地面摩擦系数减小，可提供给人体的辅助前行的摩擦力减小，人体自主地多次执行足趾离地过程以弥补滑移引发的蹬地力不足。
如图 6所示，对比干燥介质平地行走，当行走在油介质地面时，VGRF均值曲线在承重期(0%~10%)内出现小幅峰值，其原因可能是，遇滑移扰动后Y-COP在此时期内的前后小幅移动给地面施加了一定的冲击力。油介质条件下的VGRF均值曲线在随后的步态时期内仍为双峰分布，这表示水平行走时滑移扰动并未改变重心的转移路径，重心由左腿转移至右腿时，足对地面产生冲击时出现第一个峰值，随后重心由右腿转移至左腿时足蹬地出现第二个峰值。
4 结论
本文试验完成了水平行走过程中遇油介质地面滑移扰动前后，人体足底压力、时-空步态参数以及垂直地面的反作用力的对照分析。数据分析结果表明，与干燥的地面条件相比较，水平行走遇滑移扰动后，人体足底压力及步态参数发生的主要变化包括：步速、跨步长显著减小，站立相时间比例显著增大；站立相内前足区的峰值压力向足趾部位转移，中足区的峰值压力向内侧足弓转移，HE的峰值压力显著减小；X-COP及Y-COP分别在承重期、预摆期内出现波动，且预摆期内的波动幅度更大、持续时间更长。这些变化表明水平地面行走时存在与之相应的自适应平衡反应，主要包括：足跟触地更轻、足趾离地时抓地更紧，人体通过改变时-空步态特征，采用更低的步速、更短的跨步长，同时增加站立相时间比例来维持或恢复平衡。本文研究在前人的研究基础上，不仅可为避免人体滑跌提供科学的指导意见，更可为增强人体平衡能力的康复训练以及智能假肢、下肢外骨骼等康复辅具维持稳定功能的研发奠定理论基础。
0 引言
跌倒是日常生活中一种常见的会引起严重后果的失稳现象。跌倒是65岁以上老年人伤亡的主要原因之一[1]。我国每年至少有2 500万60岁以上老年人发生跌倒损伤，75岁以上老年人跌倒损伤的发生率则成倍增加[2]。跌倒的诱因多样，其中突发的环境改变将打破步态特征的规律性，引发跌倒的可能性增大[3-4]。
目前针对步态失稳问题，国内外学者已从多个角度展开研究[1-6]。Tanaka等[5]研究表明，人体可以通过改变脚趾压力的施加和分配，纠正滑移或受绊等扰动带来的不利影响，从而保持或者恢复平衡。足底压力分析作为生物力学分析的新兴手段之一，已证实可用于描述人体平衡调节过程。然而，目前却鲜有从足底压力角度对动态失稳自适应调节反应进行研究的报道，且已有的报道未将足底压力参数的变化与人体步态变化相对应[6]，故尚不清楚平衡调节过程中足底压力与时空-步态、下肢运动学等参数间的关系。
本研究结合足底压力分析与步态分析手段，针对水平地面滑移扰动引发的步态失稳现象，探究人体下肢潜在的自适应平衡反应。本研究不仅对于防止滑跌损伤具有重要意义，并且可为双足机器人、智能假肢、下肢外骨骼等拟人机械下坡时的步态规划提供信息，扩大其应用范围，更可为其平衡调节控制程序的编写提供基础资料，有利于提高其在平地环境下的行走稳定性。
1 试验方法
1.1 试验对象
招募10名男性受试者参加此次步态试验，身体健康，无上下肢神经及肌肉骨骼病史，且行走步态无异常。受试者年龄为(24.70±1.42)岁，身高为(175.30±4.55)cm，体重为(67.50±8.59) kg。受试者了解试验目的及整个试验过程，试验在征得受试者同意后进行。
1.2 试验环境与设备
本文针对试验环境下失稳现象开展研究，试验选用介质扰动方式引发失稳现象，扰动介质定为植物油。
数据采集设备主要包括：频率50 Hz的Pedar-X鞋垫足底压力测量系统(Pedar-X, Novel, DE)，频率100 Hz的配有10个MX红外摄像机的Vicon三维光学运动捕捉系统(VICON Motion Systems, Oxford, UK)，两块频率1 000 Hz的AMTI-BP100600型生物力学测力台(AMTI, Watertown, US)。
行走试验在室内5 m×1 m的步态行走试验台上完成。测力台嵌入行走试验台内部，并保证台面之间平齐。试验台上方设有人工控制的随行安全保护装置，在不干涉受试人员行走速度的同时，随受试人员同行，随时保护受试人员，避免滑跌造成伤害。
1.3 足底区域划分
划分足底区域是开展足底压力分析的基础，细化足底功能区，便于明确单个足部结构在整个足底平面中所起的作用。足底区域中，脚跟和中足的分界线位于脚长(从脚趾向脚跟测量)的73%处；中足和前足的边界位于脚长的45%处。中足的内、外侧边界为脚跟中心与第二足趾中心的垂线；内、中、外侧前足(跖骨区)的分界线与上述垂线平行，宽度分别为足宽的30%、25%及45%[5, 7-9]。
如图 1所示，根据文献[10]，将足底分为8个区域，分别是：第1趾(great toe, GT)，第2~5趾(lateral toes, LT)，第1跖骨(medial metatarsal, MM)，第2、3跖骨(central metatarsal, CM)，第4、5跖骨(lateral metatarsal, LM)，内侧足弓(medial arch, MA)，外侧足弓(lateral arch, LA)与足跟(heel, HE)区。其中，前足区包括第1趾区，第2~5趾区，第1跖骨区，第2、3跖骨区与第4、5跖骨区；中足区包括内侧足弓区及外侧足弓区；后足区即为足跟区。
图1
足底8个区域的示意图
Figure1.
Schematic diagram of eight plantar areas
1.4 试验过程
受试者身着试验专用服装和安全带，下肢贴16个标志点，包括：骨盆4个，髂前上棘、髂后上棘，左、右各1个；下肢12个，包括膝关节、大腿、小腿、踝关节、脚趾、足跟，左、右各1个[11], 如图 2所示。此外，左侧大、小腿上的点低于右侧，以便后期分析的时候能清楚区分左、右腿。
图2
下肢16个标志点位置示意图
Figure2.
Sketch map of sixteen mark points location of lower limbs
受试者着统一的帆布鞋完成行走试验，穿鞋前需将与受试者鞋码相对应的压力鞋垫置于鞋中，并保证压力鞋垫放置平整。每位受试者需分别完成干燥条件下水平行走10次，油介质扰动条件下水平行走5次。试验要求受试者调整合适的出发点，从而行走中使两侧足分别踏在两块力板上，以便分析单侧腿的动力学参数。此外，要求受试者在行走过程中目视前方、步态自然放松，并在受到扰动后继续向前行走直至收到采集者的口令。试验开始前，要求受试者在行走试验台上以自然步速自由行走数次，以便熟悉行走环境。每次行走之间进行适当休息，以避免疲劳对步态的影响。
1.5 数据采集与分析
本试验拟采集人体正常行走过程中受滑移扰动前后的时-空步态参数、足底压力参数和动力学参数。时-空步态参数中的步速、跨步长、跨步时间以及站立相由Vicon系统获取。分析时将跨步时间标准化为步态周期，即0%对应一侧足首次足跟触地，100%对应同侧足再次足跟触地。同时，对站立相时间进行标准化，0%代表足跟着地，60%代表足趾离地。另外，研究还针对站立相占步态周期的时间比例进行数据分析，记作“站立相时间比例”。足底压力参数包括峰值压力和压力中心轨迹(center of pressure，COP)，由Pedar-X鞋垫足底压力测量系统记录。其中COP包括沿足宽方向X的数据(X-COP)和沿足长方向Y的数据(Y-COP)。分析时X-COP和Y-COP根据受试者足宽和足长分别进行标准化，如图 3所示。动力学参数即垂直地面的反作用力(vertical ground reaction force，VGRF)由AMTI测力台记录，分析时需根据受试者体重进行标准化。另外，理论上足底压力数据等于VGRF与接触面积的商，但由于体重较重者足的尺寸以及足与支撑面的接触面积也较大，从而缓解了体重对足底压力的影响，故足底压力无需根据受试者体重进行标准化[8, 12]。
图3
X-COP和Y-COP分别根据足宽和足长进行标准化的坐标
Figure3.
Coordinates of X-COP and Y-COP normalized to breadth and length of foot
采用单因素方差分析法进行滑移扰动前、后的数据对照分析。开展单因素方差分析的前提之一是变量满足方差齐性。如数据中存在奇点，本文采用非参数检验法对不满足方差齐性的参数进行分析，并以非参检验的结果为准。在验后多重比较法的选择方面，Tukey法适用于满足方差齐性的情况，不满足方差齐性时使用Tamhane’s T2法。选取显著性水平α=0.05，数据处理过程借助SPSS 20.0完成。分析数值采用均值±标准差的表示方法。
2 试验结果
2.1 时-空步态参数
对时-空步态参数进行单因素方差分析，结果如表 1所示，与干燥介质相比，油介质下步速、跨步长显著减小(P＜0.05)，站立相时间比例显著增加(P＜0.05)，跨步时间参数虽略有减少但并无显著性变化。
表1
时-空步态参数
Table1.
Spatio-temporal gait parameters
2.2 足底压力参数
2.2.1 峰值压力
步速与峰值压力正相关[7-8]，为排除步速的影响将步速作为协变量，对8个区域的峰值压力进行多因素协方差分析，结果如表 2所示。与干燥介质相比，油介质下站立相内足底LT区域峰值压力显著增大(P＜0.05)，CM、HE区域峰值压力显著减小(P＜0.05)。从前、中、后足区角度分析可知，与干燥介质相比，油介质下前足区内，GT、LT两个区域峰值压力均增大，其中LT区显著增大，MM、CM、LM三个跖骨区域的峰值压力均减小，其中CM区显著减小，这表明在站立相内前足区的峰值压力向足趾转移；中足区内侧足弓区MA峰值压力增大，外侧足弓区LA峰值压力减小，表明站立相内中足区的峰值压力向内侧足弓转移；HE的峰值压力显著减小。
表2
足底8个区域的峰值压力
Table2.
Peak pressures of eight plantar areas
2.2.2 压力中心轨迹
一个标准的步态周期分为站立相与摆动相两个阶段，站立相约占整个步态周期的60%。站立相包括5个事件：初始着地(0%)，承重期(0%~10%)，支撑中期(10%~30%)，支撑末期(30%~50%)，预摆期(50%~60%)[11]。
如图 4、图 5所示，与干燥介质相比，油介质下X-COP、Y-COP均值曲线在承重期(0%~10%)均发生了明显的变化，出现了更明显的峰值，在支撑末期和预摆期(45%~60%)均出现多次波动。
图4
X-COP均值曲线
Figure4.
X-COP mean value curve
图5
Y-COP均值曲线
Figure5.
Y-COP mean value curve
2.3 垂直地面的反作用力
如图 6所示，干燥地面行走时VGRF均值曲线呈现明显的双峰曲线图形，根据文献[11]，符合已有研究。油介质下，VGRF均值曲线在承重期(0%~10%)出现小幅峰值；在站立相的其余阶段，干燥介质与油介质下的VGRF均值曲线都呈现出两个峰值，且波形相似。
图6
VGRF均值曲线
Figure6.
Mean value curve of VGRF
3 讨论
如表 1所示，时-空步态参数的分析结果表明，与在干燥介质平地行走相比，在油介质平地行走时人体将调整自身步态特征采用更低的步速、更短的跨步长，并增加站立相时间比例，以避免可能发生的滑跌，这些变化与前人所得结果一致。England等[13]研究指出，水平路面行走时谨慎步态的特征主要包括步速降低和步幅缩小。因此与干燥地面条件比较，油介质地面湿滑，地面摩擦系数减小，导致滑跌风险增大，为避免跌倒，人体采用了更为谨慎的步态。
站立相时，足部由足跟至足尖依次与地面接触后离开，足跟与足趾的最大压力分别出现于足跟触地与足趾离地阶段[11]。如表 2所示，GT、LT及HE峰值压力的变化表明平地遇滑移扰动后，人体激发自适应平衡反应，步态呈现足跟触地更轻、离地时足趾抓地更紧的步态特点。Zhang等[14]和Cavanagh等[15]研究表明，前足的受力中心位于第二跖骨下方，本文研究中前足区域中CM区域数据变化也较为明显(P＜0.05)。
如图 4、图 5所示，滑移扰动后X-COP在承重期(0%~10%)出现更高峰值，表明该时期内压力中心较扰动前更大幅度地向身体外侧偏移。Y-COP在承重期(0%~10%)内出现的波动和峰值，表明足跟触地后COP经历了一次前后方向上的波动，这可能是遇滑移扰动后足跟触地发生错动现象在数据上的体现。人体步态分析表明，支撑末期及预摆期(45%~60%)内足跟抬起随后足趾蹬离地面[11]。X-COP的均值曲线在这段时期内出现大幅波动，表明足趾蹬地过程中压力在GT区与LT区之间来回施加。出现这一变化的原因可能是，在调整过程中滑移介质的方向属性受足趾抓紧的影响而发生了变化，足部对变化后的滑移介质进行再次感知并做出相应调整，调整、感知、再调整的过程重复多次。同时Y-COP均值曲线也出现多次波动，表明在该时期内受试者的压力中心在前后方向来回移动，出现这一现象的原因可能是，油介质地面摩擦系数减小，可提供给人体的辅助前行的摩擦力减小，人体自主地多次执行足趾离地过程以弥补滑移引发的蹬地力不足。
如图 6所示，对比干燥介质平地行走，当行走在油介质地面时，VGRF均值曲线在承重期(0%~10%)内出现小幅峰值，其原因可能是，遇滑移扰动后Y-COP在此时期内的前后小幅移动给地面施加了一定的冲击力。油介质条件下的VGRF均值曲线在随后的步态时期内仍为双峰分布，这表示水平行走时滑移扰动并未改变重心的转移路径，重心由左腿转移至右腿时，足对地面产生冲击时出现第一个峰值，随后重心由右腿转移至左腿时足蹬地出现第二个峰值。
4 结论
本文试验完成了水平行走过程中遇油介质地面滑移扰动前后，人体足底压力、时-空步态参数以及垂直地面的反作用力的对照分析。数据分析结果表明，与干燥的地面条件相比较，水平行走遇滑移扰动后，人体足底压力及步态参数发生的主要变化包括：步速、跨步长显著减小，站立相时间比例显著增大；站立相内前足区的峰值压力向足趾部位转移，中足区的峰值压力向内侧足弓转移，HE的峰值压力显著减小；X-COP及Y-COP分别在承重期、预摆期内出现波动，且预摆期内的波动幅度更大、持续时间更长。这些变化表明水平地面行走时存在与之相应的自适应平衡反应，主要包括：足跟触地更轻、足趾离地时抓地更紧，人体通过改变时-空步态特征，采用更低的步速、更短的跨步长，同时增加站立相时间比例来维持或恢复平衡。本文研究在前人的研究基础上，不仅可为避免人体滑跌提供科学的指导意见，更可为增强人体平衡能力的康复训练以及智能假肢、下肢外骨骼等康复辅具维持稳定功能的研发奠定理论基础。
