目前國內外對于步態失穩現象已開展了大量研究, 但尚不清楚平衡調節過程中足底壓力與步態參數間的關系。本文利用足底壓力與步態分析手段, 研究分析人體水平地面行走時遇滑移擾動后激發的自適應平衡反應。本文募集10名健康男性受試者, 統一著鞋, 于干燥和油介質水平地面進行對比行走試驗, 并采集分析了時-空步態參數、足底壓力參數和垂直地面的反作用力(VGRF)等參數的變化規律。研究結果表明, 水平地面行走時遇滑移擾動后自適應平衡反應主要包括:足跟觸地更輕、足趾離地時抓地更緊, 人體采用更低的步速、更短的跨步長, 并增加站立相時間來維持或恢復平衡。本文研究結果將為防止滑跌損傷、康復訓練設計及行走輔具的研發等領域開拓新的思路并提供一定參考價值。
引用本文： 李洋, 張峻霞, 司瑩. 基于足底壓力和步態參數分析的水平行走遇滑失穩的自適應平衡反應研究. 生物醫學工程學雜志, 2015, 32(6): 1217-1222. doi: 10.7507/1001-5515.20150216 復制
0 引言
跌倒是日常生活中一種常見的會引起嚴重后果的失穩現象。跌倒是65歲以上老年人傷亡的主要原因之一[1]。我國每年至少有2 500萬60歲以上老年人發生跌倒損傷，75歲以上老年人跌倒損傷的發生率則成倍增加[2]。跌倒的誘因多樣，其中突發的環境改變將打破步態特征的規律性，引發跌倒的可能性增大[3-4]。
目前針對步態失穩問題，國內外學者已從多個角度展開研究[1-6]。Tanaka等[5]研究表明，人體可以通過改變腳趾壓力的施加和分配，糾正滑移或受絆等擾動帶來的不利影響，從而保持或者恢復平衡。足底壓力分析作為生物力學分析的新興手段之一，已證實可用于描述人體平衡調節過程。然而，目前卻鮮有從足底壓力角度對動態失穩自適應調節反應進行研究的報道，且已有的報道未將足底壓力參數的變化與人體步態變化相對應[6]，故尚不清楚平衡調節過程中足底壓力與時空-步態、下肢運動學等參數間的關系。
本研究結合足底壓力分析與步態分析手段，針對水平地面滑移擾動引發的步態失穩現象，探究人體下肢潛在的自適應平衡反應。本研究不僅對于防止滑跌損傷具有重要意義，并且可為雙足機器人、智能假肢、下肢外骨骼等擬人機械下坡時的步態規劃提供信息，擴大其應用范圍，更可為其平衡調節控制程序的編寫提供基礎資料，有利于提高其在平地環境下的行走穩定性。
1 試驗方法
1.1 試驗對象
招募10名男性受試者參加此次步態試驗，身體健康，無上下肢神經及肌肉骨骼病史，且行走步態無異常。受試者年齡為(24.70±1.42)歲，身高為(175.30±4.55)cm，體重為(67.50±8.59) kg。受試者了解試驗目的及整個試驗過程，試驗在征得受試者同意后進行。
1.2 試驗環境與設備
本文針對試驗環境下失穩現象開展研究，試驗選用介質擾動方式引發失穩現象，擾動介質定為植物油。
數據采集設備主要包括：頻率50 Hz的Pedar-X鞋墊足底壓力測量系統(Pedar-X, Novel, DE)，頻率100 Hz的配有10個MX紅外攝像機的Vicon三維光學運動捕捉系統(VICON Motion Systems, Oxford, UK)，兩塊頻率1 000 Hz的AMTI-BP100600型生物力學測力臺(AMTI, Watertown, US)。
行走試驗在室內5 m×1 m的步態行走試驗臺上完成。測力臺嵌入行走試驗臺內部，并保證臺面之間平齊。試驗臺上方設有人工控制的隨行安全保護裝置，在不干涉受試人員行走速度的同時，隨受試人員同行，隨時保護受試人員，避免滑跌造成傷害。
1.3 足底區域劃分
劃分足底區域是開展足底壓力分析的基礎，細化足底功能區，便于明確單個足部結構在整個足底平面中所起的作用。足底區域中，腳跟和中足的分界線位于腳長(從腳趾向腳跟測量)的73%處；中足和前足的邊界位于腳長的45%處。中足的內、外側邊界為腳跟中心與第二足趾中心的垂線；內、中、外側前足(跖骨區)的分界線與上述垂線平行，寬度分別為足寬的30%、25%及45%[5, 7-9]。
如圖 1所示，根據文獻[10]，將足底分為8個區域，分別是：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)，內側足弓(medial arch, MA)，外側足弓(lateral arch, LA)與足跟(heel, HE)區。其中，前足區包括第1趾區，第2~5趾區，第1跖骨區，第2、3跖骨區與第4、5跖骨區；中足區包括內側足弓區及外側足弓區；后足區即為足跟區。
圖1
足底8個區域的示意圖
Figure1.
Schematic diagram of eight plantar areas
1.4 試驗過程
受試者身著試驗專用服裝和安全帶，下肢貼16個標志點，包括：骨盆4個，髂前上棘、髂后上棘，左、右各1個；下肢12個，包括膝關節、大腿、小腿、踝關節、腳趾、足跟，左、右各1個[11], 如圖 2所示。此外，左側大、小腿上的點低于右側，以便后期分析的時候能清楚區分左、右腿。
圖2
下肢16個標志點位置示意圖
Figure2.
Sketch map of sixteen mark points location of lower limbs
受試者著統一的帆布鞋完成行走試驗，穿鞋前需將與受試者鞋碼相對應的壓力鞋墊置于鞋中，并保證壓力鞋墊放置平整。每位受試者需分別完成干燥條件下水平行走10次，油介質擾動條件下水平行走5次。試驗要求受試者調整合適的出發點，從而行走中使兩側足分別踏在兩塊力板上，以便分析單側腿的動力學參數。此外，要求受試者在行走過程中目視前方、步態自然放松，并在受到擾動后繼續向前行走直至收到采集者的口令。試驗開始前，要求受試者在行走試驗臺上以自然步速自由行走數次，以便熟悉行走環境。每次行走之間進行適當休息，以避免疲勞對步態的影響。
1.5 數據采集與分析
本試驗擬采集人體正常行走過程中受滑移擾動前后的時-空步態參數、足底壓力參數和動力學參數。時-空步態參數中的步速、跨步長、跨步時間以及站立相由Vicon系統獲取。分析時將跨步時間標準化為步態周期，即0%對應一側足首次足跟觸地，100%對應同側足再次足跟觸地。同時，對站立相時間進行標準化，0%代表足跟著地，60%代表足趾離地。另外，研究還針對站立相占步態周期的時間比例進行數據分析，記作“站立相時間比例”。足底壓力參數包括峰值壓力和壓力中心軌跡(center of pressure，COP)，由Pedar-X鞋墊足底壓力測量系統記錄。其中COP包括沿足寬方向X的數據(X-COP)和沿足長方向Y的數據(Y-COP)。分析時X-COP和Y-COP根據受試者足寬和足長分別進行標準化，如圖 3所示。動力學參數即垂直地面的反作用力(vertical ground reaction force，VGRF)由AMTI測力臺記錄，分析時需根據受試者體重進行標準化。另外，理論上足底壓力數據等于VGRF與接觸面積的商，但由于體重較重者足的尺寸以及足與支撐面的接觸面積也較大，從而緩解了體重對足底壓力的影響，故足底壓力無需根據受試者體重進行標準化[8, 12]。
圖3
X-COP和Y-COP分別根據足寬和足長進行標準化的坐標
Figure3.
Coordinates of X-COP and Y-COP normalized to breadth and length of foot
采用單因素方差分析法進行滑移擾動前、后的數據對照分析。開展單因素方差分析的前提之一是變量滿足方差齊性。如數據中存在奇點，本文采用非參數檢驗法對不滿足方差齊性的參數進行分析，并以非參檢驗的結果為準。在驗后多重比較法的選擇方面，Tukey法適用于滿足方差齊性的情況，不滿足方差齊性時使用Tamhane’s T2法。選取顯著性水平α=0.05，數據處理過程借助SPSS 20.0完成。分析數值采用均值±標準差的表示方法。
2 試驗結果
2.1 時-空步態參數
對時-空步態參數進行單因素方差分析，結果如表 1所示，與干燥介質相比，油介質下步速、跨步長顯著減小(P＜0.05)，站立相時間比例顯著增加(P＜0.05)，跨步時間參數雖略有減少但并無顯著性變化。
表1
時-空步態參數
Table1.
Spatio-temporal gait parameters
2.2 足底壓力參數
2.2.1 峰值壓力
步速與峰值壓力正相關[7-8]，為排除步速的影響將步速作為協變量，對8個區域的峰值壓力進行多因素協方差分析，結果如表 2所示。與干燥介質相比，油介質下站立相內足底LT區域峰值壓力顯著增大(P＜0.05)，CM、HE區域峰值壓力顯著減小(P＜0.05)。從前、中、后足區角度分析可知，與干燥介質相比，油介質下前足區內，GT、LT兩個區域峰值壓力均增大，其中LT區顯著增大，MM、CM、LM三個跖骨區域的峰值壓力均減小，其中CM區顯著減小，這表明在站立相內前足區的峰值壓力向足趾轉移；中足區內側足弓區MA峰值壓力增大，外側足弓區LA峰值壓力減小，表明站立相內中足區的峰值壓力向內側足弓轉移；HE的峰值壓力顯著減小。
表2
足底8個區域的峰值壓力
Table2.
Peak pressures of eight plantar areas
2.2.2 壓力中心軌跡
一個標準的步態周期分為站立相與擺動相兩個階段，站立相約占整個步態周期的60%。站立相包括5個事件：初始著地(0%)，承重期(0%~10%)，支撐中期(10%~30%)，支撐末期(30%~50%)，預擺期(50%~60%)[11]。
如圖 4、圖 5所示，與干燥介質相比，油介質下X-COP、Y-COP均值曲線在承重期(0%~10%)均發生了明顯的變化，出現了更明顯的峰值，在支撐末期和預擺期(45%~60%)均出現多次波動。
圖4
X-COP均值曲線
Figure4.
X-COP mean value curve
圖5
Y-COP均值曲線
Figure5.
Y-COP mean value curve
2.3 垂直地面的反作用力
如圖 6所示，干燥地面行走時VGRF均值曲線呈現明顯的雙峰曲線圖形，根據文獻[11]，符合已有研究。油介質下，VGRF均值曲線在承重期(0%~10%)出現小幅峰值；在站立相的其余階段，干燥介質與油介質下的VGRF均值曲線都呈現出兩個峰值，且波形相似。
圖6
VGRF均值曲線
Figure6.
Mean value curve of VGRF
3 討論
如表 1所示，時-空步態參數的分析結果表明，與在干燥介質平地行走相比，在油介質平地行走時人體將調整自身步態特征采用更低的步速、更短的跨步長，并增加站立相時間比例，以避免可能發生的滑跌，這些變化與前人所得結果一致。England等[13]研究指出，水平路面行走時謹慎步態的特征主要包括步速降低和步幅縮小。因此與干燥地面條件比較，油介質地面濕滑，地面摩擦系數減小，導致滑跌風險增大，為避免跌倒，人體采用了更為謹慎的步態。
站立相時，足部由足跟至足尖依次與地面接觸后離開，足跟與足趾的最大壓力分別出現于足跟觸地與足趾離地階段[11]。如表 2所示，GT、LT及HE峰值壓力的變化表明平地遇滑移擾動后，人體激發自適應平衡反應，步態呈現足跟觸地更輕、離地時足趾抓地更緊的步態特點。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，本文研究中前足區域中CM區域數據變化也較為明顯(P＜0.05)。
如圖 4、圖 5所示，滑移擾動后X-COP在承重期(0%~10%)出現更高峰值，表明該時期內壓力中心較擾動前更大幅度地向身體外側偏移。Y-COP在承重期(0%~10%)內出現的波動和峰值，表明足跟觸地后COP經歷了一次前后方向上的波動，這可能是遇滑移擾動后足跟觸地發生錯動現象在數據上的體現。人體步態分析表明，支撐末期及預擺期(45%~60%)內足跟抬起隨后足趾蹬離地面[11]。X-COP的均值曲線在這段時期內出現大幅波動，表明足趾蹬地過程中壓力在GT區與LT區之間來回施加。出現這一變化的原因可能是，在調整過程中滑移介質的方向屬性受足趾抓緊的影響而發生了變化，足部對變化后的滑移介質進行再次感知并做出相應調整，調整、感知、再調整的過程重復多次。同時Y-COP均值曲線也出現多次波動，表明在該時期內受試者的壓力中心在前后方向來回移動，出現這一現象的原因可能是，油介質地面摩擦系數減小，可提供給人體的輔助前行的摩擦力減小，人體自主地多次執行足趾離地過程以彌補滑移引發的蹬地力不足。
如圖 6所示，對比干燥介質平地行走，當行走在油介質地面時，VGRF均值曲線在承重期(0%~10%)內出現小幅峰值，其原因可能是，遇滑移擾動后Y-COP在此時期內的前后小幅移動給地面施加了一定的沖擊力。油介質條件下的VGRF均值曲線在隨后的步態時期內仍為雙峰分布，這表示水平行走時滑移擾動并未改變重心的轉移路徑，重心由左腿轉移至右腿時，足對地面產生沖擊時出現第一個峰值，隨后重心由右腿轉移至左腿時足蹬地出現第二個峰值。
4 結論
本文試驗完成了水平行走過程中遇油介質地面滑移擾動前后，人體足底壓力、時-空步態參數以及垂直地面的反作用力的對照分析。數據分析結果表明，與干燥的地面條件相比較，水平行走遇滑移擾動后，人體足底壓力及步態參數發生的主要變化包括：步速、跨步長顯著減小，站立相時間比例顯著增大；站立相內前足區的峰值壓力向足趾部位轉移，中足區的峰值壓力向內側足弓轉移，HE的峰值壓力顯著減小；X-COP及Y-COP分別在承重期、預擺期內出現波動，且預擺期內的波動幅度更大、持續時間更長。這些變化表明水平地面行走時存在與之相應的自適應平衡反應，主要包括：足跟觸地更輕、足趾離地時抓地更緊，人體通過改變時-空步態特征，采用更低的步速、更短的跨步長，同時增加站立相時間比例來維持或恢復平衡。本文研究在前人的研究基礎上，不僅可為避免人體滑跌提供科學的指導意見，更可為增強人體平衡能力的康復訓練以及智能假肢、下肢外骨骼等康復輔具維持穩定功能的研發奠定理論基礎。
0 引言
跌倒是日常生活中一種常見的會引起嚴重后果的失穩現象。跌倒是65歲以上老年人傷亡的主要原因之一[1]。我國每年至少有2 500萬60歲以上老年人發生跌倒損傷，75歲以上老年人跌倒損傷的發生率則成倍增加[2]。跌倒的誘因多樣，其中突發的環境改變將打破步態特征的規律性，引發跌倒的可能性增大[3-4]。
目前針對步態失穩問題，國內外學者已從多個角度展開研究[1-6]。Tanaka等[5]研究表明，人體可以通過改變腳趾壓力的施加和分配，糾正滑移或受絆等擾動帶來的不利影響，從而保持或者恢復平衡。足底壓力分析作為生物力學分析的新興手段之一，已證實可用于描述人體平衡調節過程。然而，目前卻鮮有從足底壓力角度對動態失穩自適應調節反應進行研究的報道，且已有的報道未將足底壓力參數的變化與人體步態變化相對應[6]，故尚不清楚平衡調節過程中足底壓力與時空-步態、下肢運動學等參數間的關系。
本研究結合足底壓力分析與步態分析手段，針對水平地面滑移擾動引發的步態失穩現象，探究人體下肢潛在的自適應平衡反應。本研究不僅對于防止滑跌損傷具有重要意義，并且可為雙足機器人、智能假肢、下肢外骨骼等擬人機械下坡時的步態規劃提供信息，擴大其應用范圍，更可為其平衡調節控制程序的編寫提供基礎資料，有利于提高其在平地環境下的行走穩定性。
1 試驗方法
1.1 試驗對象
招募10名男性受試者參加此次步態試驗，身體健康，無上下肢神經及肌肉骨骼病史，且行走步態無異常。受試者年齡為(24.70±1.42)歲，身高為(175.30±4.55)cm，體重為(67.50±8.59) kg。受試者了解試驗目的及整個試驗過程，試驗在征得受試者同意后進行。
1.2 試驗環境與設備
本文針對試驗環境下失穩現象開展研究，試驗選用介質擾動方式引發失穩現象，擾動介質定為植物油。
數據采集設備主要包括：頻率50 Hz的Pedar-X鞋墊足底壓力測量系統(Pedar-X, Novel, DE)，頻率100 Hz的配有10個MX紅外攝像機的Vicon三維光學運動捕捉系統(VICON Motion Systems, Oxford, UK)，兩塊頻率1 000 Hz的AMTI-BP100600型生物力學測力臺(AMTI, Watertown, US)。
行走試驗在室內5 m×1 m的步態行走試驗臺上完成。測力臺嵌入行走試驗臺內部，并保證臺面之間平齊。試驗臺上方設有人工控制的隨行安全保護裝置，在不干涉受試人員行走速度的同時，隨受試人員同行，隨時保護受試人員，避免滑跌造成傷害。
1.3 足底區域劃分
劃分足底區域是開展足底壓力分析的基礎，細化足底功能區，便于明確單個足部結構在整個足底平面中所起的作用。足底區域中，腳跟和中足的分界線位于腳長(從腳趾向腳跟測量)的73%處；中足和前足的邊界位于腳長的45%處。中足的內、外側邊界為腳跟中心與第二足趾中心的垂線；內、中、外側前足(跖骨區)的分界線與上述垂線平行，寬度分別為足寬的30%、25%及45%[5, 7-9]。
如圖 1所示，根據文獻[10]，將足底分為8個區域，分別是：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)，內側足弓(medial arch, MA)，外側足弓(lateral arch, LA)與足跟(heel, HE)區。其中，前足區包括第1趾區，第2~5趾區，第1跖骨區，第2、3跖骨區與第4、5跖骨區；中足區包括內側足弓區及外側足弓區；后足區即為足跟區。
圖1
足底8個區域的示意圖
Figure1.
Schematic diagram of eight plantar areas
1.4 試驗過程
受試者身著試驗專用服裝和安全帶，下肢貼16個標志點，包括：骨盆4個，髂前上棘、髂后上棘，左、右各1個；下肢12個，包括膝關節、大腿、小腿、踝關節、腳趾、足跟，左、右各1個[11], 如圖 2所示。此外，左側大、小腿上的點低于右側，以便后期分析的時候能清楚區分左、右腿。
圖2
下肢16個標志點位置示意圖
Figure2.
Sketch map of sixteen mark points location of lower limbs
受試者著統一的帆布鞋完成行走試驗，穿鞋前需將與受試者鞋碼相對應的壓力鞋墊置于鞋中，并保證壓力鞋墊放置平整。每位受試者需分別完成干燥條件下水平行走10次，油介質擾動條件下水平行走5次。試驗要求受試者調整合適的出發點，從而行走中使兩側足分別踏在兩塊力板上，以便分析單側腿的動力學參數。此外，要求受試者在行走過程中目視前方、步態自然放松，并在受到擾動后繼續向前行走直至收到采集者的口令。試驗開始前，要求受試者在行走試驗臺上以自然步速自由行走數次，以便熟悉行走環境。每次行走之間進行適當休息，以避免疲勞對步態的影響。
1.5 數據采集與分析
本試驗擬采集人體正常行走過程中受滑移擾動前后的時-空步態參數、足底壓力參數和動力學參數。時-空步態參數中的步速、跨步長、跨步時間以及站立相由Vicon系統獲取。分析時將跨步時間標準化為步態周期，即0%對應一側足首次足跟觸地，100%對應同側足再次足跟觸地。同時，對站立相時間進行標準化，0%代表足跟著地，60%代表足趾離地。另外，研究還針對站立相占步態周期的時間比例進行數據分析，記作“站立相時間比例”。足底壓力參數包括峰值壓力和壓力中心軌跡(center of pressure，COP)，由Pedar-X鞋墊足底壓力測量系統記錄。其中COP包括沿足寬方向X的數據(X-COP)和沿足長方向Y的數據(Y-COP)。分析時X-COP和Y-COP根據受試者足寬和足長分別進行標準化，如圖 3所示。動力學參數即垂直地面的反作用力(vertical ground reaction force，VGRF)由AMTI測力臺記錄，分析時需根據受試者體重進行標準化。另外，理論上足底壓力數據等于VGRF與接觸面積的商，但由于體重較重者足的尺寸以及足與支撐面的接觸面積也較大，從而緩解了體重對足底壓力的影響，故足底壓力無需根據受試者體重進行標準化[8, 12]。
圖3
X-COP和Y-COP分別根據足寬和足長進行標準化的坐標
Figure3.
Coordinates of X-COP and Y-COP normalized to breadth and length of foot
采用單因素方差分析法進行滑移擾動前、后的數據對照分析。開展單因素方差分析的前提之一是變量滿足方差齊性。如數據中存在奇點，本文采用非參數檢驗法對不滿足方差齊性的參數進行分析，并以非參檢驗的結果為準。在驗后多重比較法的選擇方面，Tukey法適用于滿足方差齊性的情況，不滿足方差齊性時使用Tamhane’s T2法。選取顯著性水平α=0.05，數據處理過程借助SPSS 20.0完成。分析數值采用均值±標準差的表示方法。
2 試驗結果
2.1 時-空步態參數
對時-空步態參數進行單因素方差分析，結果如表 1所示，與干燥介質相比，油介質下步速、跨步長顯著減小(P＜0.05)，站立相時間比例顯著增加(P＜0.05)，跨步時間參數雖略有減少但并無顯著性變化。
表1
時-空步態參數
Table1.
Spatio-temporal gait parameters
2.2 足底壓力參數
2.2.1 峰值壓力
步速與峰值壓力正相關[7-8]，為排除步速的影響將步速作為協變量，對8個區域的峰值壓力進行多因素協方差分析，結果如表 2所示。與干燥介質相比，油介質下站立相內足底LT區域峰值壓力顯著增大(P＜0.05)，CM、HE區域峰值壓力顯著減小(P＜0.05)。從前、中、后足區角度分析可知，與干燥介質相比，油介質下前足區內，GT、LT兩個區域峰值壓力均增大，其中LT區顯著增大，MM、CM、LM三個跖骨區域的峰值壓力均減小，其中CM區顯著減小，這表明在站立相內前足區的峰值壓力向足趾轉移；中足區內側足弓區MA峰值壓力增大，外側足弓區LA峰值壓力減小，表明站立相內中足區的峰值壓力向內側足弓轉移；HE的峰值壓力顯著減小。
表2
足底8個區域的峰值壓力
Table2.
Peak pressures of eight plantar areas
2.2.2 壓力中心軌跡
一個標準的步態周期分為站立相與擺動相兩個階段，站立相約占整個步態周期的60%。站立相包括5個事件：初始著地(0%)，承重期(0%~10%)，支撐中期(10%~30%)，支撐末期(30%~50%)，預擺期(50%~60%)[11]。
如圖 4、圖 5所示，與干燥介質相比，油介質下X-COP、Y-COP均值曲線在承重期(0%~10%)均發生了明顯的變化，出現了更明顯的峰值，在支撐末期和預擺期(45%~60%)均出現多次波動。
圖4
X-COP均值曲線
Figure4.
X-COP mean value curve
圖5
Y-COP均值曲線
Figure5.
Y-COP mean value curve
2.3 垂直地面的反作用力
如圖 6所示，干燥地面行走時VGRF均值曲線呈現明顯的雙峰曲線圖形，根據文獻[11]，符合已有研究。油介質下，VGRF均值曲線在承重期(0%~10%)出現小幅峰值；在站立相的其余階段，干燥介質與油介質下的VGRF均值曲線都呈現出兩個峰值，且波形相似。
圖6
VGRF均值曲線
Figure6.
Mean value curve of VGRF
3 討論
如表 1所示，時-空步態參數的分析結果表明，與在干燥介質平地行走相比，在油介質平地行走時人體將調整自身步態特征采用更低的步速、更短的跨步長，并增加站立相時間比例，以避免可能發生的滑跌，這些變化與前人所得結果一致。England等[13]研究指出，水平路面行走時謹慎步態的特征主要包括步速降低和步幅縮小。因此與干燥地面條件比較，油介質地面濕滑，地面摩擦系數減小，導致滑跌風險增大，為避免跌倒，人體采用了更為謹慎的步態。
站立相時，足部由足跟至足尖依次與地面接觸后離開，足跟與足趾的最大壓力分別出現于足跟觸地與足趾離地階段[11]。如表 2所示，GT、LT及HE峰值壓力的變化表明平地遇滑移擾動后，人體激發自適應平衡反應，步態呈現足跟觸地更輕、離地時足趾抓地更緊的步態特點。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，本文研究中前足區域中CM區域數據變化也較為明顯(P＜0.05)。
如圖 4、圖 5所示，滑移擾動后X-COP在承重期(0%~10%)出現更高峰值，表明該時期內壓力中心較擾動前更大幅度地向身體外側偏移。Y-COP在承重期(0%~10%)內出現的波動和峰值，表明足跟觸地后COP經歷了一次前后方向上的波動，這可能是遇滑移擾動后足跟觸地發生錯動現象在數據上的體現。人體步態分析表明，支撐末期及預擺期(45%~60%)內足跟抬起隨后足趾蹬離地面[11]。X-COP的均值曲線在這段時期內出現大幅波動，表明足趾蹬地過程中壓力在GT區與LT區之間來回施加。出現這一變化的原因可能是，在調整過程中滑移介質的方向屬性受足趾抓緊的影響而發生了變化，足部對變化后的滑移介質進行再次感知并做出相應調整，調整、感知、再調整的過程重復多次。同時Y-COP均值曲線也出現多次波動，表明在該時期內受試者的壓力中心在前后方向來回移動，出現這一現象的原因可能是，油介質地面摩擦系數減小，可提供給人體的輔助前行的摩擦力減小，人體自主地多次執行足趾離地過程以彌補滑移引發的蹬地力不足。
如圖 6所示，對比干燥介質平地行走，當行走在油介質地面時，VGRF均值曲線在承重期(0%~10%)內出現小幅峰值，其原因可能是，遇滑移擾動后Y-COP在此時期內的前后小幅移動給地面施加了一定的沖擊力。油介質條件下的VGRF均值曲線在隨后的步態時期內仍為雙峰分布，這表示水平行走時滑移擾動并未改變重心的轉移路徑，重心由左腿轉移至右腿時，足對地面產生沖擊時出現第一個峰值，隨后重心由右腿轉移至左腿時足蹬地出現第二個峰值。
4 結論
本文試驗完成了水平行走過程中遇油介質地面滑移擾動前后，人體足底壓力、時-空步態參數以及垂直地面的反作用力的對照分析。數據分析結果表明，與干燥的地面條件相比較，水平行走遇滑移擾動后，人體足底壓力及步態參數發生的主要變化包括：步速、跨步長顯著減小，站立相時間比例顯著增大；站立相內前足區的峰值壓力向足趾部位轉移，中足區的峰值壓力向內側足弓轉移，HE的峰值壓力顯著減小；X-COP及Y-COP分別在承重期、預擺期內出現波動，且預擺期內的波動幅度更大、持續時間更長。這些變化表明水平地面行走時存在與之相應的自適應平衡反應，主要包括：足跟觸地更輕、足趾離地時抓地更緊，人體通過改變時-空步態特征，采用更低的步速、更短的跨步長，同時增加站立相時間比例來維持或恢復平衡。本文研究在前人的研究基礎上，不僅可為避免人體滑跌提供科學的指導意見，更可為增強人體平衡能力的康復訓練以及智能假肢、下肢外骨骼等康復輔具維持穩定功能的研發奠定理論基礎。
