正常人群步行足偏角与年龄特征分析

Abstract

老年人群由于运动能力退化及受到疾病的影响，容易导致步态异常，而异常步态通常会增加老年人的跌倒风险，带来严重伤害。本文重点对正常无运动功能障碍人群的步态运动学参数进行了研究分析，目的是为了研究不同年龄阶段步态参数的特征，探索步态参数在运动机能评估和临床诊断中的作用。本研究基于电子步道采集步态数据，对足偏角和足间夹角等一系列特征以及这些特征与受试者年龄、性别等因素的相关性进行了定量分析。研究结果表明，大部分受试者正常步行时呈正向步态，足偏角会随着年龄的增长而变大，在中青年期变化缓慢，但进入老年后（>60 岁）左足偏角和足间夹角明显升高，变化产生的差异具有统计学意义，研究结果还提示足间夹角是一种普适性强的步态参数。通过本文的研究结果提示，对足偏角进行定量分析有望成为一种对人体下肢运动能力评估及膝关节疾病诊断的便捷、有效的方法。

引言

步行是通过双脚进行的交互动作^[1]，其控制过程非常复杂，包括中枢命令、身体平衡及协调等，还涉及下肢各关节和肌肉的协同运作。步态是步行特征的表现，反映了人体运动机能状态^[2]。步态发生异常则会诱发跌倒等严重风险，已有研究表明，约 40% 的老年人中存在此类隐患^[3]。卫生部 2011 年颁发的《预防老年人跌倒干预策略和措施》指出，跌倒是造成老年人伤害死亡的第四位原因，每年约有三分之一的 65 岁以上老年人发生跌倒，并且随着年龄的增大，这一比例逐渐增高^[4]。跌倒除了造成直接伤害外，也严重影响了老年人的身心健康，跌倒危害带来的恐惧心理使老年人社会活动范围受限，造成生活质量下降。2010 年第六次人口普查结果显示，我国总人口 13.33 亿中老龄人口比例占 13.32%，大于 65 岁的老年人口已近 1.19 亿。随着老龄化社会的发展，老年人跌倒问题将愈发突出，而如何对老年人的运动机能进行便捷、有效的评价，并预防跌倒事件发生是一个严峻的挑战。

步态运动学分析是一种常用的步态分析方法，主要研究步行时肢体运动的时间和空间变化规律。目前步态运动学分析的设备主要包括内置加速度传感器的可穿戴设备^[5]、利用图像分析的步态分析仪^[6]以及基于压力传感器的电子系统^[7-8]等。步态运动学主要分析运动相、支撑相、步频、周期和步速等运动学参数。其中，足偏角指的是步行时足印与行进方向的夹角，其变化与人体下肢的健康状况有关，股骨颈扭转、膝关节炎和足底疾病等都会影响足偏角的方向及大小。由于足偏角易观察且生理意义明确，临床中常以此为依据对运动疾病进行诊断及指导康复，然而随着年龄的增长，足偏角也会发生生理性变化，因此明确年龄与足偏角的关系在步态分析技术的应用中至关重要。

本研究基于步态运动学分析，利用电子步道记录并分析运动无障碍人群的足偏角特点，研究足偏角在不同性别、不同年龄段成年人群之间的差异，并分析其与年龄的相关性，为老年人的运动能力评估及预防跌倒研究等提供参考。

1. 研究对象与方法

1.1. 研究对象

2015 年 11—12 月在浙江医院和浙江省杭州市上城区紫阳街道社区卫生服务中心进行了步行测试，排除运动功能障碍后纳入受试者 62 例，年龄范围为 21～86 岁，受试者基本情况如表 1 所示，年龄以均数 ± 标准差表示，不同性别组年龄的差异没有统计学意义（P > 0.5）。

表 1. Basic information of subjects.

受试者基本情况

受试者	例数	年龄/岁
女性	43	52.6 ± 17.3（21～81）
男性	19	53.6 ± 20.2（22～86）

受试者纳入标准为：① 身体健康；② 下肢和足部各关节活动正常，能够不借助任何辅助措施独立行走；③ 自愿参加本次测试。排除标准为：① 下肢骨骼、肌肉存在疾病；② 患有影响运动的神经性疾病；③ 严重心脑血管疾病患者。本临床试验取得浙江医院伦理委员会同意，由专业医师完成测试。

1.2. 研究方法

本研究采用课题组独立研发的电子步道系统进行数据采集。电子步道系统如图 1 所示，测试步道长 3 米，通过其中的压力传感器阵列可感知受试者的步行足迹，将足迹信息传输给计算机端的步态测试软件，对获取到的数据进行处理分析得出步态参数，并将参数可视化。同时，软件还设计有受试者信息管理和设备控制等功能。

图 1.

Schematic diagram of electronic footpath and toe out angle

电子步道及足偏角示意图

本研究重点分析不同年龄组无运动功能障碍人群的足偏角特点。如图 1 所示，足偏角定义为步行时左、右足印中心线与行进方向间的夹角，有左、右足偏角之分，足间夹角则为左、右足印中心线形成的夹角。行走时足偏角大于 0° 称为正向步态，小于 0° 则称为反向步态。

步态数据采集具体流程为：① 让受试者了解试验目的与试验过程，告知其试验的具体注意事项，如在电子步道上尽量保持正常的行走速度等；② 登记受试者的基本信息，包括姓名、年龄、疾病史等；③ 受试者准备就绪后，让其从步道的一端走到另一端，步道长度 3 米，往返行走 10 次后结束，保存该受试者的步行记录。如图 2 所示为数据采集试验现场图。

图 2.

Clinical data collection

临床数据采集

2. 结果

在 62 例样本中正向步态（左、右足偏角均大于 0°）52 例，反向步态（左、右足偏角至少有一项小于 0°）10 例，正向步态占样本绝大多数，故本研究后续统计分析均基于 52 例正向步态样本数据。

所有参与统计的 52 例正向步态受试者左、右足偏角和足间夹角分别为 7.77° ± 4.57°、8.84° ± 4.34° 和 16.61° ± 6.98°。其中，女性受试者左、右足偏角和足间夹角分别为 7.51° ± 4.74°，8.51° ± 4.63° 和 16.02° ± 7.19°，男性受试者的相应值则分别为 8.35° ± 4.24°，9.56° ± 3.67° 和 17.91° ± 6.54°，不同性别间左、右足偏角的差异没有统计学意义（P > 0.05）。为定量考察年龄与足偏角的相关性，将正向步态受试者分为 4 个年龄组，即青年组（≤ 45 岁，13 例），中年组（46～60 岁，20 例），老年组（61～75 岁，10 例）和高年组（≥ 76 岁，9 例）。基于本研究受试者中男、女性受试者足偏角的差异不具有统计学意义，各年龄组均包括了男、女性受试者。

如表 2 所示，给出了各年龄组足间夹角和足偏角的变化趋势。随着年龄的增长，左、右足偏角和足间夹角均呈升高趋势。进一步分析表明，老年组与高年组的左足偏角明显大于中年组和青年组的数值，差异具有统计学意义（P < 0.05），同样，老年组与高年组的足间夹角也明显高于中年组和青年组的数值，其差异仍然具有统计学意义（ P < 0.05），然而不同年龄组之间的右足偏角的差异均不具有统计学意义（ P > 0.05）。

表 2. Statistics of feet angles in groups of different ages.

足偏角各年龄组统计值

年龄组	右足偏角/（°）	左足偏角/（°）	足间夹角/（°）
青年组（≤ 45 岁）	7.79 ± 4.54	6.51 ± 3.94	14.30 ± 2.76
中年组（46～60 岁）	7.95 ± 4.54	6.18 ± 3.94	14.13 ± 7.03
老年组（61～75 岁）	10.63 ± 4.42	9.16 ± 3.44	19.78 ± 5.47
高年组（≥ 76 岁）	10.25 ± 4.35	11.43 ± 4.78	21.68 ± 5.78

为了进一步探究步态与年龄的关联性，本研究分析了左、右足偏角和足间夹角之间的关联性以及它们与年龄的相关性，如表 3 所示，给出了相关系数矩阵。结果表明，左、右足偏角及足间夹角之间密切相关，年龄与左偏角及足间夹角也密切相关，而与右偏角的相关性则不明显。

表 3. Spearman correlation coefficient matrix of toe out angle with age.

足偏角与年龄的相关系数矩阵

角度	右足偏角	左足偏角	足间夹角	年龄
**P < 0.01
右足偏角	–	0.38**	0.84**	0.16
左足偏角	0.38**	–	0.82**	0.39**
足间夹角	0.84**	0.82**	–	0.33**
年龄	0.16	0.39**	0.33**	–

基于以上结果，我们进行了足间夹角与年龄因素之间的回归分析，所用回归方程如式（1）所示。

1

其中 x 表示年龄，y 为足间夹角值，P = 0.003 < 0.05，回归模型成立。

图 3.

Regression analysis between feet angle and age

足间夹角与年龄的回归分析

3. 讨论

在老年人群中普遍存在膝关节退行性病变，易发生步态变化并导致跌倒^[9]，而此种情况下往往可以观察到异常足偏角^[10]，已有研究表明足偏角与反映运动能力退化程度的膝关节内旋角度呈明显负相关关系^[11-12]，对老年人群的足偏角进行分析可定量评估骨关节退化对步态的影响^[13]，并降低跌倒风险。

本研究试验结果表明，无运动功能障碍人群以正向步态为主，即左、右足印间的夹角为正值者占多数（72.72%）。随着年龄的增加，运动步态会发生相应改变，左、右足偏角及足间夹角均会上升，这与临床观察到的下肢运动功能变化是一致的，即老年人左、右膝关节会出现明显退化，膝关节内旋加剧，往往需要通过增大步行中的足偏角以减缓膝关节运动旋转趋势^[10]，表现为足间夹角增大，步态趋于外八字。这样的变化在中、青年期不明显，但进入老年期（> 60 岁）后差异越来越明显，这提示在中年人群中需要特别关注下肢健康，预防运动机能的退化。由于运动系统疾病如膝关节炎也会导致足偏角的变化，在中青年人群中如果发现足偏角异常，则应采取进一步临床检查及时诊断和治疗。此外，本研究结果显示，老年化进程中左、右下肢的状态变化存在差异，足间夹角的变化主要由左足偏角的增大引起，并与年龄存在正相关，而右足偏角随年龄的变化并不明显。这是由于人体存在优势腿与非优势腿^[14]，两者的肌肉和关节能力并不相同、退化程度也存在差异，右腿是大部分人的优势腿，其随着年龄的增加的退化程度较非优势腿为低，故在进行正常人群足偏角检查时，为排除此类影响，对左、右足偏角综合评估是必要的，从这个意义上说，考察足间夹角的变化可能更具有临床价值。上述发现是对现有步态分析技术的有效补充，对维护人体运动机能及运动疾病诊断具有重要价值。然而需要指出的是，本研究也存在一些不足，如：样本量偏少、只包含了健康人群等，今后还需扩大研究人群并改进分析方法。

综上所述，本研究应用电子步态测试技术，分析了无运动功能障碍人群足偏角的年龄特点。本文作为初步研究结果表明，足偏角是一种简便、有效的步态参数，进一步完善相关研究或可为今后人体运动状态评估提供一种快捷和定量的技术方法。

Funding Statement

科技部国际合作资助项目（2014DFT30100）；浙江省科技项目（2013C03049-2）