老年人群由于運動能力退化及受到疾病的影響，容易導致步態異常，而異常步態通常會增加老年人的跌倒風險，帶來嚴重傷害。本文重點對正常無運動功能障礙人群的步態運動學參數進行了研究分析，目的是為了研究不同年齡階段步態參數的特征，探索步態參數在運動機能評估和臨床診斷中的作用。本研究基于電子步道采集步態數據，對足偏角和足間夾角等一系列特征以及這些特征與受試者年齡、性別等因素的相關性進行了定量分析。研究結果表明，大部分受試者正常步行時呈正向步態，足偏角會隨著年齡的增長而變大，在中青年期變化緩慢，但進入老年后（>60 歲）左足偏角和足間夾角明顯升高，變化產生的差異具有統計學意義，研究結果還提示足間夾角是一種普適性強的步態參數。通過本文的研究結果提示，對足偏角進行定量分析有望成為一種對人體下肢運動能力評估及膝關節疾病診斷的便捷、有效的方法。
引用本文： 顧琳燕, 邱華平, 張晟宇, 陳益丹, 許瑛, 金肖青, 寧鋼民. 正常人群步行足偏角與年齡特征分析. 生物醫學工程學雜志, 2018, 35(1): 45-48. doi: 10.7507/1001-5515.201606082 復制
引言
步行是通過雙腳進行的交互動作[1]，其控制過程非常復雜，包括中樞命令、身體平衡及協調等，還涉及下肢各關節和肌肉的協同運作。步態是步行特征的表現，反映了人體運動機能狀態[2]。步態發生異常則會誘發跌倒等嚴重風險，已有研究表明，約 40% 的老年人中存在此類隱患[3]。衛生部 2011 年頒發的《預防老年人跌倒干預策略和措施》指出，跌倒是造成老年人傷害死亡的第四位原因，每年約有三分之一的 65 歲以上老年人發生跌倒，并且隨著年齡的增大，這一比例逐漸增高[4]。跌倒除了造成直接傷害外，也嚴重影響了老年人的身心健康，跌倒危害帶來的恐懼心理使老年人社會活動范圍受限，造成生活質量下降。2010 年第六次人口普查結果顯示，我國總人口 13.33 億中老齡人口比例占 13.32%，大于 65 歲的老年人口已近 1.19 億。隨著老齡化社會的發展，老年人跌倒問題將愈發突出，而如何對老年人的運動機能進行便捷、有效的評價，并預防跌倒事件發生是一個嚴峻的挑戰。
步態運動學分析是一種常用的步態分析方法，主要研究步行時肢體運動的時間和空間變化規律。目前步態運動學分析的設備主要包括內置加速度傳感器的可穿戴設備[5]、利用圖像分析的步態分析儀[6]以及基于壓力傳感器的電子系統[7-8]等。步態運動學主要分析運動相、支撐相、步頻、周期和步速等運動學參數。其中，足偏角指的是步行時足印與行進方向的夾角，其變化與人體下肢的健康狀況有關，股骨頸扭轉、膝關節炎和足底疾病等都會影響足偏角的方向及大小。由于足偏角易觀察且生理意義明確，臨床中常以此為依據對運動疾病進行診斷及指導康復，然而隨著年齡的增長，足偏角也會發生生理性變化，因此明確年齡與足偏角的關系在步態分析技術的應用中至關重要。
本研究基于步態運動學分析，利用電子步道記錄并分析運動無障礙人群的足偏角特點，研究足偏角在不同性別、不同年齡段成年人群之間的差異，并分析其與年齡的相關性，為老年人的運動能力評估及預防跌倒研究等提供參考。
1 研究對象與方法
1.1 研究對象
2015 年 11—12 月在浙江醫院和浙江省杭州市上城區紫陽街道社區衛生服務中心進行了步行測試，排除運動功能障礙后納入受試者 62 例，年齡范圍為 21～86 歲，受試者基本情況如表 1 所示，年齡以均數 ± 標準差表示，不同性別組年齡的差異沒有統計學意義（P > 0.5）。
表1
受試者基本情況
Table1.
Basic information of subjects
受試者納入標準為：① 身體健康；② 下肢和足部各關節活動正常，能夠不借助任何輔助措施獨立行走；③ 自愿參加本次測試。排除標準為：① 下肢骨骼、肌肉存在疾病；② 患有影響運動的神經性疾病；③ 嚴重心腦血管疾病患者。本臨床試驗取得浙江醫院倫理委員會同意，由專業醫師完成測試。
1.2 研究方法
本研究采用課題組獨立研發的電子步道系統進行數據采集。電子步道系統如圖 1 所示，測試步道長 3 米，通過其中的壓力傳感器陣列可感知受試者的步行足跡，將足跡信息傳輸給計算機端的步態測試軟件，對獲取到的數據進行處理分析得出步態參數，并將參數可視化。同時，軟件還設計有受試者信息管理和設備控制等功能。
圖1
電子步道及足偏角示意圖
Figure1.
Schematic diagram of electronic footpath and toe out angle
本研究重點分析不同年齡組無運動功能障礙人群的足偏角特點。如圖 1 所示，足偏角定義為步行時左、右足印中心線與行進方向間的夾角，有左、右足偏角之分，足間夾角則為左、右足印中心線形成的夾角。行走時足偏角大于 0° 稱為正向步態，小于 0° 則稱為反向步態。
步態數據采集具體流程為：① 讓受試者了解試驗目的與試驗過程，告知其試驗的具體注意事項，如在電子步道上盡量保持正常的行走速度等；② 登記受試者的基本信息，包括姓名、年齡、疾病史等；③ 受試者準備就緒后，讓其從步道的一端走到另一端，步道長度 3 米，往返行走 10 次后結束，保存該受試者的步行記錄。如圖 2 所示為數據采集試驗現場圖。
圖2
臨床數據采集
Figure2.
Clinical data collection
2 結果
在 62 例樣本中正向步態（左、右足偏角均大于 0°）52 例，反向步態（左、右足偏角至少有一項小于 0°）10 例，正向步態占樣本絕大多數，故本研究后續統計分析均基于 52 例正向步態樣本數據。
所有參與統計的 52 例正向步態受試者左、右足偏角和足間夾角分別為 7.77° ± 4.57°、8.84° ± 4.34° 和 16.61° ± 6.98°。其中，女性受試者左、右足偏角和足間夾角分別為 7.51° ± 4.74°，8.51° ± 4.63° 和 16.02° ± 7.19°，男性受試者的相應值則分別為 8.35° ± 4.24°，9.56° ± 3.67° 和 17.91° ± 6.54°，不同性別間左、右足偏角的差異沒有統計學意義（P > 0.05）。為定量考察年齡與足偏角的相關性，將正向步態受試者分為 4 個年齡組，即青年組（≤ 45 歲，13 例），中年組（46～60 歲，20 例），老年組（61～75 歲，10 例）和高年組（≥ 76 歲，9 例）。基于本研究受試者中男、女性受試者足偏角的差異不具有統計學意義，各年齡組均包括了男、女性受試者。
如表 2 所示，給出了各年齡組足間夾角和足偏角的變化趨勢。隨著年齡的增長，左、右足偏角和足間夾角均呈升高趨勢。進一步分析表明，老年組與高年組的左足偏角明顯大于中年組和青年組的數值，差異具有統計學意義（P < 0.05），同樣，老年組與高年組的足間夾角也明顯高于中年組和青年組的數值，其差異仍然具有統計學意義（ P < 0.05），然而不同年齡組之間的右足偏角的差異均不具有統計學意義（ P > 0.05）。
表2
足偏角各年齡組統計值
Table2.
Statistics of feet angles in groups of different ages
為了進一步探究步態與年齡的關聯性，本研究分析了左、右足偏角和足間夾角之間的關聯性以及它們與年齡的相關性，如表 3 所示，給出了相關系數矩陣。結果表明，左、右足偏角及足間夾角之間密切相關，年齡與左偏角及足間夾角也密切相關，而與右偏角的相關性則不明顯。
表3
足偏角與年齡的相關系數矩陣
Table3.
Spearman correlation coefficient matrix of toe out angle with age
基于以上結果，我們進行了足間夾角與年齡因素之間的回歸分析，所用回歸方程如式（1）所示。
 |
其中 x 表示年齡，y 為足間夾角值，P = 0.003 < 0.05，回歸模型成立。
圖3
足間夾角與年齡的回歸分析
Figure3.
Regression analysis between feet angle and age
3 討論
在老年人群中普遍存在膝關節退行性病變，易發生步態變化并導致跌倒[9]，而此種情況下往往可以觀察到異常足偏角[10]，已有研究表明足偏角與反映運動能力退化程度的膝關節內旋角度呈明顯負相關關系[11-12]，對老年人群的足偏角進行分析可定量評估骨關節退化對步態的影響[13]，并降低跌倒風險。
本研究試驗結果表明，無運動功能障礙人群以正向步態為主，即左、右足印間的夾角為正值者占多數（72.72%）。隨著年齡的增加，運動步態會發生相應改變，左、右足偏角及足間夾角均會上升，這與臨床觀察到的下肢運動功能變化是一致的，即老年人左、右膝關節會出現明顯退化，膝關節內旋加劇，往往需要通過增大步行中的足偏角以減緩膝關節運動旋轉趨勢[10]，表現為足間夾角增大，步態趨于外八字。這樣的變化在中、青年期不明顯，但進入老年期（> 60 歲）后差異越來越明顯，這提示在中年人群中需要特別關注下肢健康，預防運動機能的退化。由于運動系統疾病如膝關節炎也會導致足偏角的變化，在中青年人群中如果發現足偏角異常，則應采取進一步臨床檢查及時診斷和治療。此外，本研究結果顯示，老年化進程中左、右下肢的狀態變化存在差異，足間夾角的變化主要由左足偏角的增大引起，并與年齡存在正相關，而右足偏角隨年齡的變化并不明顯。這是由于人體存在優勢腿與非優勢腿[14]，兩者的肌肉和關節能力并不相同、退化程度也存在差異，右腿是大部分人的優勢腿，其隨著年齡的增加的退化程度較非優勢腿為低，故在進行正常人群足偏角檢查時，為排除此類影響，對左、右足偏角綜合評估是必要的，從這個意義上說，考察足間夾角的變化可能更具有臨床價值。上述發現是對現有步態分析技術的有效補充，對維護人體運動機能及運動疾病診斷具有重要價值。然而需要指出的是，本研究也存在一些不足，如：樣本量偏少、只包含了健康人群等，今后還需擴大研究人群并改進分析方法。
綜上所述，本研究應用電子步態測試技術，分析了無運動功能障礙人群足偏角的年齡特點。本文作為初步研究結果表明，足偏角是一種簡便、有效的步態參數，進一步完善相關研究或可為今后人體運動狀態評估提供一種快捷和定量的技術方法。
引言
步行是通過雙腳進行的交互動作[1]，其控制過程非常復雜，包括中樞命令、身體平衡及協調等，還涉及下肢各關節和肌肉的協同運作。步態是步行特征的表現，反映了人體運動機能狀態[2]。步態發生異常則會誘發跌倒等嚴重風險，已有研究表明，約 40% 的老年人中存在此類隱患[3]。衛生部 2011 年頒發的《預防老年人跌倒干預策略和措施》指出，跌倒是造成老年人傷害死亡的第四位原因，每年約有三分之一的 65 歲以上老年人發生跌倒，并且隨著年齡的增大，這一比例逐漸增高[4]。跌倒除了造成直接傷害外，也嚴重影響了老年人的身心健康，跌倒危害帶來的恐懼心理使老年人社會活動范圍受限，造成生活質量下降。2010 年第六次人口普查結果顯示，我國總人口 13.33 億中老齡人口比例占 13.32%，大于 65 歲的老年人口已近 1.19 億。隨著老齡化社會的發展，老年人跌倒問題將愈發突出，而如何對老年人的運動機能進行便捷、有效的評價，并預防跌倒事件發生是一個嚴峻的挑戰。
步態運動學分析是一種常用的步態分析方法，主要研究步行時肢體運動的時間和空間變化規律。目前步態運動學分析的設備主要包括內置加速度傳感器的可穿戴設備[5]、利用圖像分析的步態分析儀[6]以及基于壓力傳感器的電子系統[7-8]等。步態運動學主要分析運動相、支撐相、步頻、周期和步速等運動學參數。其中，足偏角指的是步行時足印與行進方向的夾角，其變化與人體下肢的健康狀況有關，股骨頸扭轉、膝關節炎和足底疾病等都會影響足偏角的方向及大小。由于足偏角易觀察且生理意義明確，臨床中常以此為依據對運動疾病進行診斷及指導康復，然而隨著年齡的增長，足偏角也會發生生理性變化，因此明確年齡與足偏角的關系在步態分析技術的應用中至關重要。
本研究基于步態運動學分析，利用電子步道記錄并分析運動無障礙人群的足偏角特點，研究足偏角在不同性別、不同年齡段成年人群之間的差異，并分析其與年齡的相關性，為老年人的運動能力評估及預防跌倒研究等提供參考。
1 研究對象與方法
1.1 研究對象
2015 年 11—12 月在浙江醫院和浙江省杭州市上城區紫陽街道社區衛生服務中心進行了步行測試，排除運動功能障礙后納入受試者 62 例，年齡范圍為 21～86 歲，受試者基本情況如表 1 所示，年齡以均數 ± 標準差表示，不同性別組年齡的差異沒有統計學意義（P > 0.5）。
表1
受試者基本情況
Table1.
Basic information of subjects
受試者納入標準為：① 身體健康；② 下肢和足部各關節活動正常，能夠不借助任何輔助措施獨立行走；③ 自愿參加本次測試。排除標準為：① 下肢骨骼、肌肉存在疾病；② 患有影響運動的神經性疾病；③ 嚴重心腦血管疾病患者。本臨床試驗取得浙江醫院倫理委員會同意，由專業醫師完成測試。
1.2 研究方法
本研究采用課題組獨立研發的電子步道系統進行數據采集。電子步道系統如圖 1 所示，測試步道長 3 米，通過其中的壓力傳感器陣列可感知受試者的步行足跡，將足跡信息傳輸給計算機端的步態測試軟件，對獲取到的數據進行處理分析得出步態參數，并將參數可視化。同時，軟件還設計有受試者信息管理和設備控制等功能。
圖1
電子步道及足偏角示意圖
Figure1.
Schematic diagram of electronic footpath and toe out angle
本研究重點分析不同年齡組無運動功能障礙人群的足偏角特點。如圖 1 所示，足偏角定義為步行時左、右足印中心線與行進方向間的夾角，有左、右足偏角之分，足間夾角則為左、右足印中心線形成的夾角。行走時足偏角大于 0° 稱為正向步態，小于 0° 則稱為反向步態。
步態數據采集具體流程為：① 讓受試者了解試驗目的與試驗過程，告知其試驗的具體注意事項，如在電子步道上盡量保持正常的行走速度等；② 登記受試者的基本信息，包括姓名、年齡、疾病史等；③ 受試者準備就緒后，讓其從步道的一端走到另一端，步道長度 3 米，往返行走 10 次后結束，保存該受試者的步行記錄。如圖 2 所示為數據采集試驗現場圖。
圖2
臨床數據采集
Figure2.
Clinical data collection
2 結果
在 62 例樣本中正向步態（左、右足偏角均大于 0°）52 例，反向步態（左、右足偏角至少有一項小于 0°）10 例，正向步態占樣本絕大多數，故本研究后續統計分析均基于 52 例正向步態樣本數據。
所有參與統計的 52 例正向步態受試者左、右足偏角和足間夾角分別為 7.77° ± 4.57°、8.84° ± 4.34° 和 16.61° ± 6.98°。其中，女性受試者左、右足偏角和足間夾角分別為 7.51° ± 4.74°，8.51° ± 4.63° 和 16.02° ± 7.19°，男性受試者的相應值則分別為 8.35° ± 4.24°，9.56° ± 3.67° 和 17.91° ± 6.54°，不同性別間左、右足偏角的差異沒有統計學意義（P > 0.05）。為定量考察年齡與足偏角的相關性，將正向步態受試者分為 4 個年齡組，即青年組（≤ 45 歲，13 例），中年組（46～60 歲，20 例），老年組（61～75 歲，10 例）和高年組（≥ 76 歲，9 例）。基于本研究受試者中男、女性受試者足偏角的差異不具有統計學意義，各年齡組均包括了男、女性受試者。
如表 2 所示，給出了各年齡組足間夾角和足偏角的變化趨勢。隨著年齡的增長，左、右足偏角和足間夾角均呈升高趨勢。進一步分析表明，老年組與高年組的左足偏角明顯大于中年組和青年組的數值，差異具有統計學意義（P < 0.05），同樣，老年組與高年組的足間夾角也明顯高于中年組和青年組的數值，其差異仍然具有統計學意義（ P < 0.05），然而不同年齡組之間的右足偏角的差異均不具有統計學意義（ P > 0.05）。
表2
足偏角各年齡組統計值
Table2.
Statistics of feet angles in groups of different ages
為了進一步探究步態與年齡的關聯性，本研究分析了左、右足偏角和足間夾角之間的關聯性以及它們與年齡的相關性，如表 3 所示，給出了相關系數矩陣。結果表明，左、右足偏角及足間夾角之間密切相關，年齡與左偏角及足間夾角也密切相關，而與右偏角的相關性則不明顯。
表3
足偏角與年齡的相關系數矩陣
Table3.
Spearman correlation coefficient matrix of toe out angle with age
基于以上結果，我們進行了足間夾角與年齡因素之間的回歸分析，所用回歸方程如式（1）所示。
|
其中 x 表示年齡，y 為足間夾角值，P = 0.003 < 0.05，回歸模型成立。
圖3
足間夾角與年齡的回歸分析
Figure3.
Regression analysis between feet angle and age
3 討論
在老年人群中普遍存在膝關節退行性病變，易發生步態變化并導致跌倒[9]，而此種情況下往往可以觀察到異常足偏角[10]，已有研究表明足偏角與反映運動能力退化程度的膝關節內旋角度呈明顯負相關關系[11-12]，對老年人群的足偏角進行分析可定量評估骨關節退化對步態的影響[13]，并降低跌倒風險。
本研究試驗結果表明，無運動功能障礙人群以正向步態為主，即左、右足印間的夾角為正值者占多數（72.72%）。隨著年齡的增加，運動步態會發生相應改變，左、右足偏角及足間夾角均會上升，這與臨床觀察到的下肢運動功能變化是一致的，即老年人左、右膝關節會出現明顯退化，膝關節內旋加劇，往往需要通過增大步行中的足偏角以減緩膝關節運動旋轉趨勢[10]，表現為足間夾角增大，步態趨于外八字。這樣的變化在中、青年期不明顯，但進入老年期（> 60 歲）后差異越來越明顯，這提示在中年人群中需要特別關注下肢健康，預防運動機能的退化。由于運動系統疾病如膝關節炎也會導致足偏角的變化，在中青年人群中如果發現足偏角異常，則應采取進一步臨床檢查及時診斷和治療。此外，本研究結果顯示，老年化進程中左、右下肢的狀態變化存在差異，足間夾角的變化主要由左足偏角的增大引起，并與年齡存在正相關，而右足偏角隨年齡的變化并不明顯。這是由于人體存在優勢腿與非優勢腿[14]，兩者的肌肉和關節能力并不相同、退化程度也存在差異，右腿是大部分人的優勢腿，其隨著年齡的增加的退化程度較非優勢腿為低，故在進行正常人群足偏角檢查時，為排除此類影響，對左、右足偏角綜合評估是必要的，從這個意義上說，考察足間夾角的變化可能更具有臨床價值。上述發現是對現有步態分析技術的有效補充，對維護人體運動機能及運動疾病診斷具有重要價值。然而需要指出的是，本研究也存在一些不足，如：樣本量偏少、只包含了健康人群等，今后還需擴大研究人群并改進分析方法。
綜上所述，本研究應用電子步態測試技術，分析了無運動功能障礙人群足偏角的年齡特點。本文作為初步研究結果表明，足偏角是一種簡便、有效的步態參數，進一步完善相關研究或可為今后人體運動狀態評估提供一種快捷和定量的技術方法。
