研究背景:步态是指人步行的特征,采用运动学的方法记录分析步行过程中的运动轨迹和关节角度变化是步态分析的重要内容。近几年来随着微机电系统的不断发展,基于便携式、可穿戴的惯性传感器的步态分析方法得到了一定的发展与应用,这种步态分析方法不受测量环境的限制并且成本低廉。本研究主要使用基于三轴加速度计、陀螺仪和磁力计的惯性传感器进行健康老年人步行过程中的数据采集,通过相关理论和算法计算不同步速下老年人步态的运动学特征。拥有良好的行走能力在老年人日常生活中的意义十分重大。对健康老年人的步态进行研究,对于客观评价老年人步行运动能力,指导老年人进行科学步行健身活动有着重要的现实意义。方法:本研究邀请的受试者来自大连理工大学离退休人员共计35人。其中女性18人(年龄64±3岁,身高159.7±5.2cm,体重60.4±5.6kg),男性17人(年龄66±2岁、身高172.0±4.9cm,体重76.3±12.4kg)。选取与老年人日常生活息息相关的步速进行实验,设置了慢速(散步速度)、中速(安全通过交通灯的步速)和快速(健步走步速)三种不同的步行速度。受试者在跑台上按照这三种不同的速度分别行走6分钟。将5个惯性传感器分别放置在背部、人体重心、大腿、小腿和脚面上,采集三轴加速度计、陀螺仪和磁力计数据;同时利用Metalyzer心肺功能仪采集步行过程中的氧气、二氧化碳和心率数据。通过四元数姿态解析算法计算髋关节、膝关节和踝关节处的三维角度变化。同时利用步态参数周期性变化的特征,使用基于峰值检测技术的方法计算步频,步长等参数;另外基于经典的能量消耗算法计算不同步速的能量消耗和代谢当量。采用一般线性模型中的多因素方差分析研究不同步行速度和性别对下肢3个关节7个角度(髋关节内旋/外旋;髋关节内收/外展;髋关节曲/伸;膝关节曲/伸;踝关节内旋/外旋;踝关节曲/伸)的活动范围、步频、复步长、能量消耗、代谢当量、心率的影响。结果:统计分析结果显示,随着步速的加快,髋关节内收/外展的幅度显著增加,并表现出显著的男女差异。在步行时,女性的髋关节内旋/外旋和膝关节曲/伸的范围显著的大于男性。而男性的复步长显著的高于女性,同样速度下男性的步频显著的低于女性。这从一定程度上表明在步行速度增加时,女性主要采取增加步频的方式,而男性主要采取增加步长的方式。随着步速的增加,代谢当量显著提高、能量消耗显著增加、心率显著提高。而另一方面男性在步行时的能量消耗显著的高于女性,这可能与男性的肌肉比例高相关。另外不同步速行走时女性的心率显著的高于男性。结论:在不同速度步行时,除了髋关节内收/外展幅度显著增加,其他下肢的主要关节活动范围没有表现出显著的差异,表明健步走可以作为老年人一种安全的运动健身方式。另外从能量消耗和代谢当量的角度来看,健步走的能量消耗与代谢当量都在美国运动医学学会推荐的区间,心率的变化也在中等活动范围内。健康老年人以健步走作为一种健身方式是安全有效的。