步态周期

　　人体的步态是一组节律性、周期性向前运动的、机体各部分均参与其中的过程。单一周期定义为自一侧足跟着地起到同一足跟再次着地的过程。通过该定义方式，可将步态参数如步长、步时以及节律等测量简单化。单一的步态周期可进一步划分为支撑相和摆动相。支撑相约占整个步态周期的38%，摆动相占62%。支撑相又可以进一步分为双下肢同时着地承重(从0%到12%)的双肢负重期，后续的单肢负重期(从12%到50%)，以及之后摆动相开始前的第二次双肢负重期(50%到62%)(见图1)。

　　图1. 步行的步态周期。支撑相占整个步态周期的62%，摆动相占38%。支撑相由两个阶段的双下肢支撑期和一个阶段的单肢支撑期构成。支撑相可进一步分为三个阶段：自足跟着地到全足完全着地，该阶段占整个步态周期的7%;自全足完全着地到足跟离地，该阶段约占34%;自足跟离地到足尖离地阶段，约占62%。

　　对侧下肢的步态可通过一侧步态进行推算。例如，一侧足尖离地发生于对侧足部完全放平之后，约发生于整个步态周期进行到12%之时。一侧足跟离地发生于对侧下肢摆动相进行到34%之时，此时处于摆动相的足部已越过处于支撑相的足部。最后，该侧足跟着地发生于整个步态周期进行到50%之时。 足部僵直的患者，初始阶段的足跟着地可能会被足见着地所替代，全足着地可能不会发生于整个步态周期的7%。足部僵直或马蹄足可能使足跟离地动作发生变形，而腓肠肌群的萎缩可造成该动作的延迟。胫前肌群的萎缩所导致的足下垂可在下肢摆动与全足着地期间引起髋关节和膝关节伸展度的增加。作为一个持续运动的状态，由于许多运动同时发生，步行的步态周期的整体分析难度较大。为评估步态周期中各种动作以及足踝部各组成部分的力学机制，将支撑相分为三个阶段：第一阶段，自单侧足跟开始着地到全足完全着地;第二阶段，自全足着地到身体重心越过该足;第三阶段，自足跟离地时踝关节开始跖屈到足尖完全离地。

　　问题

　　那么，步行的步态周期三个阶段各有什么特色?

　　步态周期第一阶段第一阶段处于整个步态周期起始的15%，自足跟着地到全足完全接触地面。此时对侧足跟已经离地，但重心仍位于其前足。在第一阶段中，足部对落地时的冲击力起到了吸收和缓冲的作用。

　　自足跟着地到全足完全放平期间，踝关节发生快速跖屈。在整个步态周期进行到7%左右时，踝关节开始背伸(图2B)。

　　图2步态周期第一阶段组成，从足跟着地到足部放平，EMG,肌电图

　　在第一阶段中，足部承受全身的重量，跟骨快速外翻且足纵弓变平。足弓的变平源自距下关节的运动，且在该期达到最大程度(图2D)。在足部最初触地时，踝关节轻度背伸使后足前端轻度向上。在第一阶段中，后足的运动由旋后变为旋前，该运动为被动运动，其运动程度完全取决于关节面的接触面积、附属结构以及韧带支持情况。在足部接触地面的初始阶段，肌肉并未起到决定性的作用。

　　距下关节是后足旋转与小腿旋转的纽带。在第一阶段中，跟骨在距下关节的运动下由外翻旋转为内翻，该运动几乎通过踝关节完全传递至小腿(图2E)。在远端，后足的外翻使跖跗关节活动度增加(图2D)，从而使足纵弓变为扁平来缓冲落地时的冲击力。

　　足跟着地后，身体重心在垂直方向由于足部接触地面出现减速，之后迅速向上加速并越过正在伸展的一侧下肢。足跟着地产生的冲击力以及身体重心的升高，使得地面的反作用力增加了约体重的15%到25%(图2A)。

　　在第一阶段，胫前肌群的收缩减缓了踝关节跖屈的速度。同时小腿后侧以及足内侧肌群处于放松状态(图2C)。上述肌群的放松状态有利于足纵弓的维持。胫前肌群的萎缩会导致上述减速运动的缺失以及典型的足部拍击地面的步态。

　　步态周期第二阶段第二阶段处于整个步态周期的15%到40%之间。在该阶段，身体重心越过承重的下肢。身体重心在越过承重下肢之时，其高度达到了最大值，此时处于整个步态周期的35%，之后开始下降。在该阶段，足部由放松、缓冲的能量的状态转为更加紧绷的承重状态。

　　图3步行的步态周期第二阶段即足底放平期间的力学分析，EMG，肌电图

　　在第二阶段，足部开始背伸，并在整个步态周期进行到40%时程度达到最大。此时踝关节承重达到最大值，约为身体重量的4.5倍。整个步态周期进行到34%时，足跟开始离地，对侧下肢开始越过处于支撑相的一侧下肢，之后在周期进行到40%时，承重的足部开始跖屈(图3B)。在第二阶段，距下关节逐渐反向旋转。该动作发生于正常人整个步态周期进行到30%时，扁平足患者则为周期的15%(图3D)。该动作由多种因素促成，但由哪方因素主导尚无定论。对侧正在摆动的下肢是使支撑相的下肢距下关节产生旋转的外部因素。这一外部的转矩通过距下关节传导至后足产生相应的旋转。踝关节轴线的倾斜导致跖骨的倾斜，此外足底筋膜也对后足的旋转产生影响。旋转由距下关节传导至中足后，增加了跖跗关节的稳定性并使中足由之前活动度较大的状态转化为紧绷状态。在该阶段，足部并未承受身体的全部重量，而是向单侧下肢承重的过渡。压力测试显示在该阶段足部承重仅为体重的70%到80%(图3A)。

　　在第二阶段中，肌肉的运动作用使足部与腿部均发生了重要的功能改变。小腿前后部的肌群(小腿三头肌，腓骨肌群，胫前肌群，趾长屈肌)以及足底内侧肌群处于兴奋状态(图3C)。正常人足底内侧肌群开始兴奋始于整个步态周期进行到30%，而扁平足患者始于15%。小腿后侧肌群的收缩减慢了胫骨向前越过着地足部的速度，进而有助于对侧下肢增加其步长。该部位肌群的萎缩将导致对侧下肢足跟部过早着地而导致步长缩短。

　　步态周期的第三阶段第三阶段处于整个步态周期的40%到62%。该阶段踝关节快速跖屈使得支撑相的有效长度得到延长。

　　在该阶段距下关节继续旋后并在足尖离地时达到最大程度(图4D)，进而完成了足部从第一阶段用来缓冲落地冲击力时的放松状态，到第三阶段为足尖离地做准备的紧绷状态的转变。该旋后动作是第二阶段动作的延续。该动作涉及到小腿越过踝关节时的外旋动作，距下关节相关力学机制如踝关节的倾斜、跖腱膜功能以及跖骨的受力。

　　在远端，跟骨的反向旋转使跖跗关节由之前的放松状态变为刚性状态。此外身体重量通过关节的传到以及跖腱膜固有的压力使距舟关节保持自身的稳定。

　　图4步行的步态周期第三阶段即足底接触地面到足尖离地期间的力学分析，EMG，肌电图。

　　在第三阶段初始阶段，压力测试显示足部受力增加，该情况由身体重心的下降导致。此时足部受力约为体重的1.2倍。随后该足部与地面的作用力逐渐降为零，而身体重量由对侧足部开始承受(4A)。在第三阶段，以小腿三头肌为主的小腿后肌群的收缩引起踝关节的跖屈(图4B)。该跖屈动作有助于支撑相的延长。跖屈在该阶段达到最大程度，但小腿后侧肌群在到达到步态周期的50%后便不再收缩(图4C)。剩下的跖屈力学机制中，身体重心向对侧足部的转移占主导作用。足底内侧肌群在足尖离地前处于收缩状态。相比于足底内侧肌群的收缩作用，跖腱膜在足纵弓的维持中占主导作用。该阶段在足趾背伸时，位于跖骨头部的跖腱膜收缩，引发跖骨头跖屈，从而使足纵弓弧度提高。之后胫前肌群在该阶段的最后5%时出现收缩为踝关节在足尖离地后得背伸做准备。

　　跑步与步行的步态区别相对于步行的步态周期，跑步的步态周期改变见图5。在步行期间，始终有至少一只足与地面接触，随着速度的提高，会出现一个双足同时离地的腾空期。

　　图5跑步、慢跑以及步行的步态周期变化。随着步速的增加，支撑相持续的时间降低。本图中设定步行的步速为3.75英里/小时，慢跑的步速为1英里/9分钟，跑步的步速为1英里/5分钟。

　　与步行中存在双足同时接触地面的时期不同的是，跑步中存在一个双足皆不与地面接触的时期。随着步速的提高，足部与地面接触的时间以及该时间长度所占整个步态周期的比例均有所缩短。此外，由步行转化为跑步的临界步速大于由跑步转化为步行的临界步速。