基于膝关节支撑的人体坐立转换运动轨迹研究

张辉，薛强，王兴涛

1.天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津科技大学机械工程学院，天津市 300222；2.山东劳动职业技术学院智能制造系，山东济南市250300

坐立转换(sit to stand,STS)被认为是日常生活中最常见的功能活动，它是站立行走的必要前提[1]。Dall等[2]的研究指出，健康的成年人平均每天进行(60±22)次坐立转换动作[3]。站立是一项复杂的任务，其特征是从一个稳定的姿势转移到另一个稳定的姿势，即从坐姿到站姿的位姿变换，在这个过程中除了脚以外，身体的每个部位都要运动[4]。从坐到站的转换过程需要身体各部分的协调运动，这有助于维持躯干重心(centre of gravity,COG)的平稳，使身体在坐立转换期间不失去平衡[5]。

日常的坐立转换过程，健康人群无需太费力就可以做到，但老年人或下肢功能障碍患者很难顺利完成[6-7]。近年来，随着我国老龄化问题的加剧，脑卒中、脊椎损伤等疾病引起的下肢功能障碍患者急剧增加[8-10]。对于老年人或下肢功能性障碍患者，在没有照护人员的帮助时，很难独立完成坐立转换以及行走训练，这使得他们的生活自理能力降低，给患者和家庭造成沉重的经济负担和心理负担[11]。

坐立转换的顺利完成受多种因素的影响，主要包括年龄、体质量、座椅高度、外部辅助、脚部位置等[12-14]。Gilleard 等[15]的研究显示，对于肥胖人群，坐立转换过程中躯干前屈运动受限，坐位时，较多的脂肪组织堆积在大腿上，大腿前侧和腹部的脂肪组织重叠在一起会限制身体的前屈，向前稳定性降低。肥胖者在坐立转换时，足间距离相对更宽，随着体质量指数(body mass index,BMI)增加，足间距离也随之增加，更宽的足间距离可以减少骨盆对前倾的阻碍[16]。Jeon等[17]的研究显示，坐立转换与脚的初始位置有关，双脚足位对称时，如初始足位更靠前(膝关节夹角更大)，需要身体质心前进速度更快，这可能导致身体摇摆，平衡不稳定。Turcot 等[18]的研究显示，足外展角影响人坐立转换过程的时间参数和膝关节屈曲力矩；随着足外展角的增加，坐立转换时间随之增加；关节病患者可通过调整足外展角度，改变运动学参数，降低继发性关节病的风险。

在国内外关于脚部位置研究中，基于膝关节支撑的足间距离的研究相对较少。日常坐立转换过程都是在膝关节或腿部在没有任何支撑的情况下进行；但是对于老年人及患者来说，在膝关节或腿部给予一定的支撑可以减少坐立转换的困难。

本文基于膝关节支撑研究人体坐立转换轨迹及运动学规律，为接下来设计具有膝关节支撑的转移助行辅具提供依据，并针对不同老年人及患者制定不同的康复训练方案，以减轻看护人员的压力。

1 对象与方法

1.1 对象

2019 年4 月至6 月，在天津科技大学招募20 例健康志愿者进行试验，其中男性12 例，女性8 例，共分三组进行试验。第一组身高165～172 cm 男性6 例，平均体质量65.4 kg；第二组身高173～178cm 男性6 例，平均体质量68.5 kg；第三组身高160～170 cm 女性8例，平均体质量51.3 kg。

纳入标准：①无认知障碍，可配合完成测试；②无既往病史或影响身体运动的后遗症；③无平衡功能障碍。

排除标准：①下肢功能性障碍；②髋关节屈曲或外展畸形；③有偏瘫、关节炎等。

所有受试者均预先了解试验过程和目的，并签署知情同意书。本研究已通过天津科技大学机械工程学院的伦理审查。

1.2 研究假设

为了明确坐立转换评估的步骤，我们提出了以下几点假设：①所有的试验主要在矢状面进行；②手臂被要求交叉放在胸前，不直接参与运动，假定为固定在躯干上，不考虑手臂运动对站立的影响；③受试者被要求穿长裤或短裤，女性受试者不允许穿裙子，上身穿较贴身T 恤，不穿宽松外套，以减小试验误差；④膝关节处设置挡腿板，根据每个受试者坐姿位置不同，调节挡腿板位置并固定，保证与膝关节接触舒适，不考虑挡腿板移动以及接触面积的大小所带来的误差。

此外，在受试者身体一侧的肩部(腋窝处)、膝关节侧面用绑带固定标记点，踝关节正下方的鞋侧面贴固定点作为坐标原点用以建立Y-Z 平面坐标系(Y 表示在矢状面的水平运动，Z 表示在矢状面的垂直运动)，并在座椅上贴两个固定点，用于校准，如图1 左图所示。

1.3 试验方法

试验开始时要求受试者坐在一个无扶手、高度为43 cm 的座椅上，且不倚靠椅背，上身挺直，双脚平放地面，膝关节与挡腿板间的初始角度不做约束，以自然的姿态完成坐立转换运动即可。在试验过程中，运动速度尽可能保持匀速。如图1 右图所示，在膝关节支撑的前提下分别进行足间距离为20 cm 和足间距离为30 cm 的坐立转换试验。采用高清相机记录试验过程中受试者肩部(腋窝处)和膝关节处的运动轨迹。每个试验重复两次，间隔1 min。

从坐到站共分为三个阶段，如图2所示。

阶段Ⅰ(Phase Ⅰ)：躯干前屈阶段，从最初坐位到躯干前屈至最大值，臀部即将离开座位。

阶段Ⅱ(Phase Ⅱ)：重量转移阶段，臀部离开座位，重量支撑点从臀部转移到腿部，身体上升前倾到最大值。

阶段Ⅲ(Phase Ⅲ)：腿部伸展阶段，腿部伸直达到站立姿态。

图1 坐立转换试验

图2 坐立转换三阶段

2 结果

2.1 身高

坐立转换轨迹见图3。第一组足间距离20 cm 时比30 cm 时lift-off 点提前，且身体前倾距离更小。见图4。第二组足间距离30 cm 时比20 cm 时lift-off 点提前，且身体前倾距离更小。见图5。第三组与第一组基本一致。见图6。

图3 坐立转换轨迹

2.2 体质量

选取第一组和第二组受试者，根据BMI分为正常者(18.5～23.9 kg/m2)和肥胖者(＞23.9 kg/m2)。正常者足间距离20 cm 时比30 cm 时身体前倾距离小；肥胖者足间距离30 cm 时比20 cm 时身体前倾距离小。见图7。

2.3 运动学参数变化分析

将肩部标记点在Y轴上的坐标设为Xt(图8)，对比足间距离为20 cm 和30 cm 时，各组初始位置(Time 1)、躯干前屈最大位置(Time 2)、身体前倾最大位置(Time 3)、完全站立(Time 4)四个时刻的Xt值(图9)。计算相邻两个时刻的Xt差值。

第一组和第三组各阶段足间距离20 cm 时Xt差值更小；第二组各阶段足间距离30 cm 时Xt差值更小。见表1。

第一组和第三组足间距离20 cm 时坐立转换所用时间略短；第二组足间距离30 cm 时坐立转换所用时间略短。肥胖者(BMI＞23.9 kg/m2)坐立转换时间略长。见表2。女性坐立转换时间略长于男性。所有受试者坐立转换平均时间(1.7±0.05)s。

3 讨论

从坐到站是日常生活中必不可少的功能活动，它是恢复行走能力的重要前提。坐立转换运动是提高下肢力量，尤其是膝关节伸肌(股四头肌)力量最有效的阻力训练方式之一。膝关节伸肌力量在50岁以后每年以2%～4%的速度下降[19]。在膝关节处给予一定的支撑可以提高站立辅助效果，帮助老年人或下肢功能障碍患者以较舒适的方式进行坐立转换。

图4 第一组肩部和膝关节平均值轨迹图

图5 第二组肩部和膝关节平均值轨迹图

图6 第三组肩部和膝关节平均值轨迹图

图7 不同BMI受试者的坐立转换肩部轨迹

图8 Xt值示意图

图9 坐立转换各阶段Xt差值图

表1 各组各阶段足间距离Xt差值比较(mm)

表2 各组坐立转换时间参数(s)

分析坐立转换的运动轨迹时，需要考虑性别、身高和体质量对轨迹的影响。lift-off 点的位置和身体前倾值是判断站立难度的指标。本研究显示，足间距离影响受试者的运动轨迹；随着身高的增加，增大足间距离可以使人的站立更加容易。随着身高的增加，小腿和大腿随之增长，这会影响坐立转换过程中关节的伸展方式；同时髋关节伸肌在上升前较早启动(阶段Ⅱ)以减慢身体质心的前进速度，减少站立后姿势摇摆[20]。BMI越大的人倾向于选择更大的足间距离，且躯干前屈位移缩短，这说明随着BMI的增加，增大足间距离会降低站立过程的难度。肥胖是减少躯干前屈幅度的因素[21]，这是由于脂肪组织限制各关节的屈曲程度，并导致脊柱负荷较高，所以肥胖者倾向于减少躯干前屈来降低脊柱负荷[22]。本研究结果与Gilleard等[15]的研究基本一致。

本研究将坐立转换运动分三个阶段，即躯干前屈、重量转移、腿部伸展至完全站立。通过对坐立转换运动学规律的研究发现，对于不同身高、体质量人群，相对更适合的足间距离在这三个阶段Xt差值会更小，表明身体前倾距离会更小。同样，根据坐立转换平均时间参数对比发现，随着身高、BMI的增加，站立时间有所增加。Pataky 等[23]的研究表明，坐立转换时间会随着BMI的增加而持续增加，直到达到重度肥胖时，坐立转换时间差异才会变小。本研究发现，男性站立时间一般小于女性，这是由于男性的肌肉力量较女性强，运动速度快，站立时间相对较短。

总之，本研究表明，足间距离明显影响坐立转换的顺利完成，身高、体质量是重要影响因素。不同足间距离影响关节的伸展方式以及躯干前屈的位移和身体前倾的距离；随着身高和体质量的增加，适当增大足间距离能够降低人在坐立转换时的难度。本研究结果可以为具有膝关节支撑的转移助行辅具设计提供依据，为不同身高、不同体质量的人群提供定制方案，并且针对不同老年人及患者制定不同的康复训练方案，以减轻看护人员的压力。

综上所述，本研究以膝关节支撑为前提，进行不同足间距离对坐立转换影响的研究。不同足间距离影响关节的伸展方式，影响坐立转换的难度。对于身高165～172 cm 的男性和身高160～170 cm 的女性，当足间距离为20 cm 时身体前倾距离较小，坐立转换难度相对较小；对于身高173～178 cm的男性，当足间距离为30 cm 时身体前倾距离较小，坐立转换难度相对较小。对于BMI＜23.9 kg/m2的正常者，当足间距离为20 cm 时躯干前屈位移较小，坐立转换难度相对较小；对于BMI＞23.9 kg/m2的较肥胖者，当足间距离为30 cm 时躯干前屈位移较小，坐立转换难度相对较小。随着BMI的增加，足间距离会随之增大，坐立转换时间也随之增加。女性坐立转换时间略高于男性。