无标记步态分析新方法揭示人体足部跨斜坡行走时的关节耦合模式变化

针对跨斜坡行走时足部关节运动学改变及耦合机制不明确的问题，研究人员采用基于点云的无标记步态分析技术（MSFM），通过12名健康受试者在水平、8°外翻及内翻斜坡的行走实验，揭示了足部多节段（后足、中足、前足及拇趾）在矢状面和额状面的运动主导模式差异及关节耦合动态变化，为理解复杂地形适应机制及自然步态分析提供了新方法。

　　

行走是人类最基础的运动方式，但在现实环境中，路面往往并非平坦。对于老年人或足部疾病患者而言，带有侧向坡度的道路（如人行道排水设计形成的斜面）可能成为行走的“隐形杀手”。研究表明，跨斜坡（cross-slope）行走时，足部关节运动学改变显著增加踝关节扭伤风险，尤其对慢性踝关节不稳（Chronic Ankle Instability, CAI）患者更为致命。尽管既往研究通过多节段足模型（Multi-Segment Foot Model, MSFM）观察到斜坡行走时足部节段运动差异，但关节间复杂的耦合机制仍如“黑箱”般未被破解。传统光学标记法受限于实验室环境，难以捕捉自然步态下的真实生物力学响应。

针对这一难题，中国研究人员创新性地采用无标记运动分析技术，通过12名健康受试者在水平面、8°外翻（everted）及内翻（inverted）斜坡的行走实验，结合动态点云数据构建MSFM，首次系统量化了足部多节段（后足-rearfoot、中足-midfoot、前足-forefoot及拇趾-hallux）的协调模式。研究发现：在外翻斜坡行走时，后足在支撑相中晚期主导额状面运动；而内翻斜坡上，前足和中足分别成为运动主导。与水平行走相比，斜坡行走时中跗关节（midtarsal joints）在推进期（push-off）的矢状面运动贡献显著降低。更关键的是，研究通过相位特异性分析揭示了关节耦合行为在步态周期不同阶段的动态变化，例如后足-小腿（rearfoot-shank）关节在外翻斜坡行走时额状面活动度（ROM）显著增加。

技术方法上，研究团队利用五台深度传感器同步采集足部三维点云数据，通过自定义坐标系和透明地面平台实现自然步态捕捉。采用交叉相关分析和连续相对相位（CRP）方法量化关节耦合强度与协调模式，统计学处理采用重复测量方差分析。

研究结果部分：

1. 跨斜坡条件下多节段足运动学差异：外翻斜坡行走时后足-小腿关节额状面ROM显著高于水平行走（p<0.05），而内翻斜坡上中足-后足关节运动无显著改变。
2. 关节耦合模式的重构：外翻斜坡行走时后足与中足在支撑相中期呈现强耦合（r=0.82），而内翻斜坡上前足与拇趾在推进期耦合增强。
3. 运动协调的相位特异性：中跗关节在斜坡行走时矢状面运动贡献度下降，提示足部通过改变关节联动策略适应地形。

讨论指出，该研究首次通过无标记技术揭示了足部“运动链”在斜坡行走时的动态重组机制，其发现为理解CAI患者的损伤机制提供了新视角——当关节耦合适应性不足时，异常应力可能集中于特定韧带（如距腓前韧带）。研究建立的动态点云MSFM突破了传统标记法的空间限制，未来可应用于户外真实场景的步态评估。

这项发表于《Journal of Biomechanics》的研究，不仅为临床步态异常诊断提供了敏感度更高的分析工具，更从生物力学角度阐释了人类足部“以变应变”的智能适应策略，为仿生足部康复器械设计提供了理论基石。正如作者Jie-Wen Li所述：“足部关节耦合如同精密的齿轮组，而斜坡行走正是检验这套系统鲁棒性的天然实验场。”