坐立轉換是人體日常生活中必不可少的功能活動，對肌肉力量的要求較高，不僅需要控制下肢，還要保證軀干的穩定上升。本文通過人體坐立轉換試驗，詳細描述了關節的運動軌跡和運動速度，分析了各關節的角度、角速度和人體坐立轉換運動中質心位置的變化規律，并詳細記錄了此過程中受試者足底壓力的變化情況。通過對受試者坐立轉換過程中的關節運動和足底壓力變化研究，本文總結出人體坐立轉換中的運動規律，以期通過本文研究結果為坐立轉換輔助裝置的設計提供依據，今后或可用于分析下肢障礙患者的坐立轉換狀態，開展相應治療和康復訓練。
引用本文： 楊碩, 蘇丹, 趙娜, 王芳, 周斌偉, 薛強. 人體坐立轉換運動規律及足底壓力變化研究. 生物醫學工程學雜志, 2024, 41(6): 1235-1242. doi: 10.7507/1001-5515.202404058 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《生物醫學工程學雜志》版權所有，未經授權不得轉載、改編
0 引言
坐立轉換（sit-to-stand，STS）是人體日常生活中的普遍活動之一，需要身體不同部位的肌肉和關節協調發力[1-2]；但隨著年齡的增長，對于有些老年人來說，因身體機能逐步下降，進行坐立轉換具有一定的困難[3-6]。另外，全球數以百萬計的人口由于中風、脊髓損傷等神經系統疾病以及意外事故導致下肢運動障礙，這些下肢障礙患者也難以完成坐立轉換[7-9]。醫學研究表明，及時、有針對性、反復的康復訓練可以在很大程度上幫助下肢障礙患者恢復下肢功能[10-12]，而坐立轉換輔具可以針對性地輔助老年人和下肢障礙患者進行下肢康復訓練，幫助他們更好地完成坐立轉換，同時大大減輕醫護人員的護理壓力[13-15]。
提高坐立轉換輔具的產品性能以及實用性，是當前站立式康復輔具研究領域的熱點問題，為此大量學者對坐立轉換過程中的人體運動特征進行了研究。Tanaka等[16]通過無標記運動捕捉系統計算了坐立轉換過程中人體質心（center of mass，COM）轉移的速度和加速度。Mathiyakom等[17]研究了坐立轉換過程中受試者質心初始位置的變化對身體離開座位時身體動量的影響。Novak等[18]比較了年輕人和老年人在坐立轉換中的運動表現，結果表明大多數老年人的運動學參數低于年輕人。另有研究人員觀察到，進行坐立轉換訓練時，在特定的限制條件下受試者能夠更加順利地執行規定動作。基于這一發現，眾多研究者通過試驗研究了各種約束條件變化對坐立轉換動作模式的影響，這些條件包括但不限于椅子高度的調整、軀干前屈角度的增加，以及初始足部位置的改變[19-20]。Turcot等[21]分析了單側足位和雙側足位對身體動力學的影響，發現足部位置主要影響地面反作用力和膝關節屈曲力矩。Diakhaté等[22]研究了大腿與座椅接觸面大小對軀干彎曲速度和加速度的影響，有助于可調節座椅的設計，從而幫助老年人和運動控制障礙患者更好地完成坐立轉換。王攀等[23]通過建立股骨近端有限元模型，分析了在坐立轉換站立階段初期，老年人的股骨近端在不同座椅高度起立時的應力特征和應變數據，探討其可能存在的損傷風險。
坐立轉換輔助裝置的設計與控制，涉及自由度、尺寸與結構、運動姿態、運動速度與加速度、支撐與驅動方式等多種參數，因此研究坐立轉換傳遞的運動學和動力學參數，對于坐立轉換輔助裝置的設計和控制非常重要[24-26]。現有的坐立轉換運動學與動力學研究中，針對臨床應用或康復訓練的文獻較多，但是涉及人體關節坐立轉換規律分析的文獻較少，因此尚需進一步深入開展相關研究[27-28]。
綜上所述，為方便老年人和下肢障礙患者的日常生活起居，以及輔助臨床醫生能夠更全面判斷下肢障礙患者的坐立轉換運動表現，本文將通過坐立轉換試驗，探討人體坐立轉換運動規律及足底壓力變化參數，從而為改進坐立轉換輔助器具的設計提供更全面的依據。
1 方法
1.1 研究對象
本文選取26名健康成年男性為研究對象；納入標準為：無認知障礙，能配合完成坐立轉換試驗，無運動功能相關病史及影響身體機能的后遺癥，無平衡功能障礙。所有受試者均為右利手，平均年齡為（27 ± 6）歲，平均身高（174 ± 6.5） cm，平均體重（69 ± 8.9） kg，平均體重指數（22.7 ± 2.7） kg/m2。本研究經天津科技大學學術委員會學術道德與科學倫理專門委員會批準，所有受試者在參與本研究前均簽署了知情同意書。
1.2 試驗設備
使用高清相機（EOS 200D II，佳能株式會社，日本）記錄關節軌跡，試驗時，將攝像機放置在受試者的左側，視頻采集速率為60 幀/s。為了獲得足底壓力，測試時使用了柔性薄膜壓力傳感器（MD30-60，Leanstar 能斯達電子，中國），其量程為10 kg，厚度小于0.6 mm，響應點小于200 g，響應時間小于1 ms，測量直徑為23 mm。為了保證數據的準確性，在受試者的雙足底部前后均設置了該壓力傳感器。
1.3 試驗過程
在試驗過程中受試者穿著黑色的緊身衣。同時，為了保證足底壓力測量的準確性，受試者穿薄襪完成運動。在受試者身體左側的肩、腰、膝、髖和踝關節位置附著紅色標記，腰部標記點位于肩關節與髖關節連線的60%處。
受試者坐在無扶手、無靠背的椅子上，雙手交叉放在胸前，椅子調整到每位受試者的膝蓋高度。為了簡化運動模型，假設坐立轉換在矢狀面內完成。受試者在聽到“開始”指令后開始動作，同時，研究人員打開錄像，并測量足底壓力，以受試者自述“停止”結束。受試者以自然速度完成坐立轉換運動，進行多次試驗收集數據，并選擇其中兩組最具有代表性的數據來計算平均值。在試驗過程中，需要特別注意控制試驗過程中可能存在的偏差因素，以保證測量結果的準確性和可靠性。坐立轉換試驗和人體運動模型如圖1所示，在矢狀面上建立了以踝關節為原點的直角坐標系，向后為X軸正方向，向上為Y軸正方向，其中θ1為膝關節角；θ2為髖關節角；θ3為軀干角；θ4為軀干前傾角；θ5為小腿前傾角。
圖1
坐立轉換試驗與人體運動模型
Figure1.
Sit-to-stand experiment and human movement model
1.4 數據分析
通過試驗，得到了受試者各關節的位置坐標，利用相鄰關節點的位置坐標計算線段的旋轉角度。使用有限差分法可計算標記物的速度[16]，本文采用中心差分法計算中間時刻的速度，用正反向差分法得到時刻1（開始）與時刻n（結束）的速度。
依據文獻[29]，定義身體各部分的質心，并得到人體各環節的相對質量分布及質心相對位置，如表1所示。
表1
人體各環節的相對質量分布及質心相對位置
Table1.
Relative mass distribution and relative position of the center of mass of body segments
本文將大腿、小腿、足劃分左右，各自進行計算，共7個部分，人體質心坐標可通過計算身體7個部分各自質心的加權平均值得到，計算公式如式(1)～式(2)所示：
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式中，XCOM、YCOM分別為總體質心橫、縱坐標；xi、yi分別為各部分質心的橫、縱坐標；mi為各部分的質量；M為人體總質量；i為循環變量。
為了保證結果的準確性，對得到的所有數據進行了篩選，排除了有明顯誤差的數據。對時間進行歸一化，通過樣條擬合繪制運動學參數曲線，計算運動學參數的均值±標準差。足底壓力參數的處理方法與運動學參數相同。所有曲線均采用函數繪圖軟件Origin 2024b （OriginLab Corporation，美國）樣條擬合進行擬合，使曲線更加光滑。
2 結果
2.1 坐立階段轉換分析
根據所獲得的數據分析，可將坐立轉換運動分為四個階段（階段Ⅰ～階段Ⅳ）[30]，如圖2所示。階段Ⅰ，稱為質心向前階段，開始于整體動作開端，結束于臀部從椅子上抬起且呈上升趨勢之時。階段Ⅱ，稱為質心轉移階段，開始于臀部從座椅上抬起，結束于踝關節達到最大背屈。階段Ⅲ，稱為質心上升階段，開始于踝關節達到最大背屈，結束于第一次髖關節伸展完成。階段Ⅳ，稱為穩定階段，在這一階段，受試者的身體有輕微的搖擺，并逐漸轉向穩定狀態，由于無法確定搖擺過程的結束時間，因此很難確定這一階段。為了本文的目的和計算，只考慮階段Ⅰ、階段Ⅱ和階段Ⅲ。
圖2
坐立轉換四階段
Figure2.
Four phases of sit-to-stand
2.2 標記點軌跡和速度分析
如圖3所示為受試者不同部位在不同運動周期階段的運動特征。
圖3
不同部位運動特征
Figure3.
Kinematic characteristics of different parts
在肩關節的運動中，初始階段以向前和輕微向下的動作為主，達到極限位置后轉變為向后上方移動。階段Ⅰ，肩關節快速前移并緩慢上抬；階段Ⅱ，肩關節的速度在X軸方向達到峰值，在Y軸方向由向下運動轉變為向上運動；階段Ⅲ，肩關節速度在X軸方向接近于零，在Y軸方向達到峰值后逐漸變為零，運動以上移為主，水平方向保持穩定。
腰部的運動軌跡則呈現先前傾再上抬的趨勢。階段Ⅰ，腰部的速度在X軸方向上增加，在Y軸方向上近似為零，此階段只向前移動；階段Ⅱ，腰部速度在X軸方向上達到峰值，Y軸方向在階段Ⅱ結束時也接近峰值；階段Ⅲ，腰部速度在X軸和Y軸方向上逐漸減小，直至結束時，腰部的速度在X軸方向上接近于零，在Y軸方向上歸零。
髖關節在整個運動過程中始終向前上方運動。階段Ⅰ，髖關節在X軸和Y軸方向上的速度接近于零，基本不運動；階段Ⅱ開始時，髖關節在X軸和Y軸方向上的速度逐漸增大，在結束時在Y軸方向上接近峰值，處于加速狀態；階段Ⅲ，髖關節速度在X軸和Y軸方向達到峰值后逐漸下降，階段Ⅲ結束時，髖關節在Y軸方向上的速度變為零，X軸方向上仍有較小的速度，反映出坐立轉換動作尚未完全結束，髖關節存在輕微擺動。
膝關節先向前移動，到達極限位置后向上向后移動。階段Ⅰ，膝關節在兩個方向上的速度幾乎為零，小腿保持靜止；階段Ⅱ，膝關節的速度在X軸方向上先增大后減小，結束時趨于零，Y軸方向上的運動速度基本為零；階段Ⅲ，膝關節的速度在X軸和Y軸方向上增大到峰值，后減小為零。
2.3 關節角度和角速度分析
如圖4所示為前三個階段的關節角度運動學特性，其中ω1為膝關節角速度，ω2為髖關節角速度，ω3為軀干角速度。
圖4
關節角度的運動特性
Figure4.
Kinematic characteristics of joints angle
階段Ⅰ開始時，膝關節和髖關節角度基本保持不變，角速度幾乎為零，軀干角度逐漸減小，角速度增大，當膝關節角度改變且角速度不再為零時，階段Ⅰ結束；階段Ⅱ，髖關節的角度與角速度都逐漸增大，軀干角先減小到最大值后逐漸增大，而軀干角速度也在增大到峰值后開始下降；膝關節角速度先增大后減小到0 °，與此同時，膝關節角度增大到最大值，階段Ⅱ結束；階段Ⅲ中，三個角度都逐漸變為90 °，而角速度逐漸增大，繼而減小至0 °，結束動作。
2.4 不同身高質心軌跡和速度的對比
為了分析不同身高對質心軌跡和速度的影響，將受試者按身高分為三組：160～170 cm組，7 人，平均身高（165.8 ± 3.29） cm；170～180 cm組，14 人，平均身高（175.6 ± 2.3） cm；180～190 cm組，5 人，平均身高（183 ± 3.32） cm。按身高分組后，分別計算出各組質心的軌跡和速度，如圖5所示。不同身高受試者的質心軌跡趨勢均呈“L”形。在階段Ⅰ，質心速度在Y軸方向上幾乎沒有變化，但在X軸方向上有所增加，身體向前傾斜；在階段Ⅱ，質心速度在Y軸方向上迅速增加，并在最后接近峰值，速度在X軸方向上達到峰值，最后趨近于零，受試者完成了從向前到向上的轉變；階段Ⅲ以向上運動為主，在X軸方向上速度基本不變，接近于零，而在Y軸方向上速度逐漸減小到零。
圖5
不同高度質心的特性
Figure5.
Characteristic of center of mass of different height
通過比較不同高度受試者的質心速度，發現高度越高，X軸和Y軸方向的峰值速度越大。從圖5可以看出，不同身高人群在坐立轉換過程中質心軌跡和質心速度整體趨勢基本相同，具體細節稍有偏差。
2.5 足底壓力變化趨勢
將足底壓力參數定義為坐立轉換過程中足底壓力與穩態足底壓力的比值，受試者足底壓力參數平均值如圖6所示。在階段Ⅰ開始時足底壓力參數為穩定性值的20 %。在階段Ⅰ結束時，髖關節即將離開座椅，足底壓力參數達到穩定值的53 %。在階段Ⅱ，足底壓力參數迅速增加，達到峰值，然后下降，在峰值時刻，軀干的運動特性發生了變化，軀干由前屈變為后伸。階段Ⅲ的足底壓力參數呈現先減小后增大的趨勢，最后，受試者達到了穩定狀態。
圖6
足底壓力參數
Figure6.
Plantar pressure parameters
3 討論
3.1 不同階段的運動學特征
階段Ⅰ中，身體的主要運動特征是軀干前屈，肩膀在X軸方向上速度較快，在Y軸方向上位移和速度相對較小，隨著軀干前屈，軀干角度逐漸減小，角速度迅速增大。在這個階段，質心的位置水平向前移動，在X軸方向上，質心的速度迅速增加，在Y軸方向上基本不變。同時，足底壓力迅速增大，導致膝關節扭矩迅速增大。階段Ⅰ僅軀干運動，下肢靜止，運動平穩，穩定性好。
階段Ⅱ中，身體的主要運動特征是臀部離開座位上升，髖關節速度增加，小腿向前彎曲直至停止，膝關節運動速度先增大后減小。當膝關節速度達到峰值時，軀干處于過渡期，足底壓力達到峰值，肩關節由X軸方向移動改為Y軸方向，在X軸方向上，質心的位移達到峰值。關節負荷增加，身體處于最不穩定的狀態，該時刻為坐立轉換運動中最危險的時刻。此后，膝關節速度逐漸減小，質心不再向前移動，轉而向上運動，足底壓力逐漸減小。當膝關節速度為零時，階段Ⅱ結束。
階段Ⅲ中，小腿和軀干向后伸展，臀部繼續上升。各關節的速度逐漸減小，質心呈現垂直向上的趨勢。足底壓力逐漸減小，機體各關節的負荷也相應減小。階段Ⅲ運動逐漸趨于穩定，受試者能保持較好的穩定性。
3.2 本研究與其他相似研究的比較
通過比較發現，本文計算的質心軌跡和速度與Tanaka等[16]的計算結果基本一致，證明了該方法的可行性，為獲得質心運動參數提供了一種低成本的方法。對于足底壓力參數，相較于其他研究所得到的整體趨勢是一致的，只是分階段的方式以及各階段的時間占比不同，本文根據運動特性進行了階段劃分。
由于研究對象和試驗方案的限制，本研究存在一定的局限性。由于受試者是健康年輕男性且數量較少，不能立即將這些結果擴展到老年人或臨床人群；其次，研究過程限制了手臂的運動，偏離了坐立轉換的日常運動；此外，還需要進一步的研究來量化當坐立轉換運動的決定因素（如使用扶手、年齡增加、速度限制或椅子高度）發生變化時，具體參數是如何變化的。
4 結論
本研究通過高清攝像機和柔性薄膜壓力傳感器，對人體在進行坐立轉換運動時的運動規律和足底壓力變化進行了深入分析，將坐立轉換區分為四個階段：質心向前階段、質心轉移階段、質心上升階段和穩定階段，對前三個階段進行了研究。重點分析了肩關節、腰部、膝關節、髖關節的運動學特征；通過對比不同身高質心運動軌跡，發現不同身高的受試者質心軌跡趨勢相同，均呈“L”形，但質心速度隨身高增加而增加；足底壓力在動作起始時較低，然后迅速上升，在軀干姿勢變化時達峰值，再進一步減少至穩定站立；這些發現對于研究坐立轉換過程中身體各部分的力學行為和足底壓力變化具有重要意義。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：楊碩和蘇丹負責論文撰寫與圖片標注，趙娜負責數據處理，周斌偉負責實驗操作和數據統計，王芳負責理論指導和論文修訂，薛強負責實驗設計和理論指導。
倫理聲明：本研究通過了天津科技大學學術委員會學術道德與科學倫理專門委員會的審批。
0 引言
坐立轉換（sit-to-stand，STS）是人體日常生活中的普遍活動之一，需要身體不同部位的肌肉和關節協調發力[1-2]；但隨著年齡的增長，對于有些老年人來說，因身體機能逐步下降，進行坐立轉換具有一定的困難[3-6]。另外，全球數以百萬計的人口由于中風、脊髓損傷等神經系統疾病以及意外事故導致下肢運動障礙，這些下肢障礙患者也難以完成坐立轉換[7-9]。醫學研究表明，及時、有針對性、反復的康復訓練可以在很大程度上幫助下肢障礙患者恢復下肢功能[10-12]，而坐立轉換輔具可以針對性地輔助老年人和下肢障礙患者進行下肢康復訓練，幫助他們更好地完成坐立轉換，同時大大減輕醫護人員的護理壓力[13-15]。
提高坐立轉換輔具的產品性能以及實用性，是當前站立式康復輔具研究領域的熱點問題，為此大量學者對坐立轉換過程中的人體運動特征進行了研究。Tanaka等[16]通過無標記運動捕捉系統計算了坐立轉換過程中人體質心（center of mass，COM）轉移的速度和加速度。Mathiyakom等[17]研究了坐立轉換過程中受試者質心初始位置的變化對身體離開座位時身體動量的影響。Novak等[18]比較了年輕人和老年人在坐立轉換中的運動表現，結果表明大多數老年人的運動學參數低于年輕人。另有研究人員觀察到，進行坐立轉換訓練時，在特定的限制條件下受試者能夠更加順利地執行規定動作。基于這一發現，眾多研究者通過試驗研究了各種約束條件變化對坐立轉換動作模式的影響，這些條件包括但不限于椅子高度的調整、軀干前屈角度的增加，以及初始足部位置的改變[19-20]。Turcot等[21]分析了單側足位和雙側足位對身體動力學的影響，發現足部位置主要影響地面反作用力和膝關節屈曲力矩。Diakhaté等[22]研究了大腿與座椅接觸面大小對軀干彎曲速度和加速度的影響，有助于可調節座椅的設計，從而幫助老年人和運動控制障礙患者更好地完成坐立轉換。王攀等[23]通過建立股骨近端有限元模型，分析了在坐立轉換站立階段初期，老年人的股骨近端在不同座椅高度起立時的應力特征和應變數據，探討其可能存在的損傷風險。
坐立轉換輔助裝置的設計與控制，涉及自由度、尺寸與結構、運動姿態、運動速度與加速度、支撐與驅動方式等多種參數，因此研究坐立轉換傳遞的運動學和動力學參數，對于坐立轉換輔助裝置的設計和控制非常重要[24-26]。現有的坐立轉換運動學與動力學研究中，針對臨床應用或康復訓練的文獻較多，但是涉及人體關節坐立轉換規律分析的文獻較少，因此尚需進一步深入開展相關研究[27-28]。
綜上所述，為方便老年人和下肢障礙患者的日常生活起居，以及輔助臨床醫生能夠更全面判斷下肢障礙患者的坐立轉換運動表現，本文將通過坐立轉換試驗，探討人體坐立轉換運動規律及足底壓力變化參數，從而為改進坐立轉換輔助器具的設計提供更全面的依據。
1 方法
1.1 研究對象
本文選取26名健康成年男性為研究對象；納入標準為：無認知障礙，能配合完成坐立轉換試驗，無運動功能相關病史及影響身體機能的后遺癥，無平衡功能障礙。所有受試者均為右利手，平均年齡為（27 ± 6）歲，平均身高（174 ± 6.5） cm，平均體重（69 ± 8.9） kg，平均體重指數（22.7 ± 2.7） kg/m2。本研究經天津科技大學學術委員會學術道德與科學倫理專門委員會批準，所有受試者在參與本研究前均簽署了知情同意書。
1.2 試驗設備
使用高清相機（EOS 200D II，佳能株式會社，日本）記錄關節軌跡，試驗時，將攝像機放置在受試者的左側，視頻采集速率為60 幀/s。為了獲得足底壓力，測試時使用了柔性薄膜壓力傳感器（MD30-60，Leanstar 能斯達電子，中國），其量程為10 kg，厚度小于0.6 mm，響應點小于200 g，響應時間小于1 ms，測量直徑為23 mm。為了保證數據的準確性，在受試者的雙足底部前后均設置了該壓力傳感器。
1.3 試驗過程
在試驗過程中受試者穿著黑色的緊身衣。同時，為了保證足底壓力測量的準確性，受試者穿薄襪完成運動。在受試者身體左側的肩、腰、膝、髖和踝關節位置附著紅色標記，腰部標記點位于肩關節與髖關節連線的60%處。
受試者坐在無扶手、無靠背的椅子上，雙手交叉放在胸前，椅子調整到每位受試者的膝蓋高度。為了簡化運動模型，假設坐立轉換在矢狀面內完成。受試者在聽到“開始”指令后開始動作，同時，研究人員打開錄像，并測量足底壓力，以受試者自述“停止”結束。受試者以自然速度完成坐立轉換運動，進行多次試驗收集數據，并選擇其中兩組最具有代表性的數據來計算平均值。在試驗過程中，需要特別注意控制試驗過程中可能存在的偏差因素，以保證測量結果的準確性和可靠性。坐立轉換試驗和人體運動模型如圖1所示，在矢狀面上建立了以踝關節為原點的直角坐標系，向后為X軸正方向，向上為Y軸正方向，其中θ1為膝關節角；θ2為髖關節角；θ3為軀干角；θ4為軀干前傾角；θ5為小腿前傾角。
圖1
坐立轉換試驗與人體運動模型
Figure1.
Sit-to-stand experiment and human movement model
1.4 數據分析
通過試驗，得到了受試者各關節的位置坐標，利用相鄰關節點的位置坐標計算線段的旋轉角度。使用有限差分法可計算標記物的速度[16]，本文采用中心差分法計算中間時刻的速度，用正反向差分法得到時刻1（開始）與時刻n（結束）的速度。
依據文獻[29]，定義身體各部分的質心，并得到人體各環節的相對質量分布及質心相對位置，如表1所示。
表1
人體各環節的相對質量分布及質心相對位置
Table1.
Relative mass distribution and relative position of the center of mass of body segments
本文將大腿、小腿、足劃分左右，各自進行計算，共7個部分，人體質心坐標可通過計算身體7個部分各自質心的加權平均值得到，計算公式如式(1)～式(2)所示：
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式中，XCOM、YCOM分別為總體質心橫、縱坐標；xi、yi分別為各部分質心的橫、縱坐標；mi為各部分的質量；M為人體總質量；i為循環變量。
為了保證結果的準確性，對得到的所有數據進行了篩選，排除了有明顯誤差的數據。對時間進行歸一化，通過樣條擬合繪制運動學參數曲線，計算運動學參數的均值±標準差。足底壓力參數的處理方法與運動學參數相同。所有曲線均采用函數繪圖軟件Origin 2024b （OriginLab Corporation，美國）樣條擬合進行擬合，使曲線更加光滑。
2 結果
2.1 坐立階段轉換分析
根據所獲得的數據分析，可將坐立轉換運動分為四個階段（階段Ⅰ～階段Ⅳ）[30]，如圖2所示。階段Ⅰ，稱為質心向前階段，開始于整體動作開端，結束于臀部從椅子上抬起且呈上升趨勢之時。階段Ⅱ，稱為質心轉移階段，開始于臀部從座椅上抬起，結束于踝關節達到最大背屈。階段Ⅲ，稱為質心上升階段，開始于踝關節達到最大背屈，結束于第一次髖關節伸展完成。階段Ⅳ，稱為穩定階段，在這一階段，受試者的身體有輕微的搖擺，并逐漸轉向穩定狀態，由于無法確定搖擺過程的結束時間，因此很難確定這一階段。為了本文的目的和計算，只考慮階段Ⅰ、階段Ⅱ和階段Ⅲ。
圖2
坐立轉換四階段
Figure2.
Four phases of sit-to-stand
2.2 標記點軌跡和速度分析
如圖3所示為受試者不同部位在不同運動周期階段的運動特征。
圖3
不同部位運動特征
Figure3.
Kinematic characteristics of different parts
在肩關節的運動中，初始階段以向前和輕微向下的動作為主，達到極限位置后轉變為向后上方移動。階段Ⅰ，肩關節快速前移并緩慢上抬；階段Ⅱ，肩關節的速度在X軸方向達到峰值，在Y軸方向由向下運動轉變為向上運動；階段Ⅲ，肩關節速度在X軸方向接近于零，在Y軸方向達到峰值后逐漸變為零，運動以上移為主，水平方向保持穩定。
腰部的運動軌跡則呈現先前傾再上抬的趨勢。階段Ⅰ，腰部的速度在X軸方向上增加，在Y軸方向上近似為零，此階段只向前移動；階段Ⅱ，腰部速度在X軸方向上達到峰值，Y軸方向在階段Ⅱ結束時也接近峰值；階段Ⅲ，腰部速度在X軸和Y軸方向上逐漸減小，直至結束時，腰部的速度在X軸方向上接近于零，在Y軸方向上歸零。
髖關節在整個運動過程中始終向前上方運動。階段Ⅰ，髖關節在X軸和Y軸方向上的速度接近于零，基本不運動；階段Ⅱ開始時，髖關節在X軸和Y軸方向上的速度逐漸增大，在結束時在Y軸方向上接近峰值，處于加速狀態；階段Ⅲ，髖關節速度在X軸和Y軸方向達到峰值后逐漸下降，階段Ⅲ結束時，髖關節在Y軸方向上的速度變為零，X軸方向上仍有較小的速度，反映出坐立轉換動作尚未完全結束，髖關節存在輕微擺動。
膝關節先向前移動，到達極限位置后向上向后移動。階段Ⅰ，膝關節在兩個方向上的速度幾乎為零，小腿保持靜止；階段Ⅱ，膝關節的速度在X軸方向上先增大后減小，結束時趨于零，Y軸方向上的運動速度基本為零；階段Ⅲ，膝關節的速度在X軸和Y軸方向上增大到峰值，后減小為零。
2.3 關節角度和角速度分析
如圖4所示為前三個階段的關節角度運動學特性，其中ω1為膝關節角速度，ω2為髖關節角速度，ω3為軀干角速度。
圖4
關節角度的運動特性
Figure4.
Kinematic characteristics of joints angle
階段Ⅰ開始時，膝關節和髖關節角度基本保持不變，角速度幾乎為零，軀干角度逐漸減小，角速度增大，當膝關節角度改變且角速度不再為零時，階段Ⅰ結束；階段Ⅱ，髖關節的角度與角速度都逐漸增大，軀干角先減小到最大值后逐漸增大，而軀干角速度也在增大到峰值后開始下降；膝關節角速度先增大后減小到0 °，與此同時，膝關節角度增大到最大值，階段Ⅱ結束；階段Ⅲ中，三個角度都逐漸變為90 °，而角速度逐漸增大，繼而減小至0 °，結束動作。
2.4 不同身高質心軌跡和速度的對比
為了分析不同身高對質心軌跡和速度的影響，將受試者按身高分為三組：160～170 cm組，7 人，平均身高（165.8 ± 3.29） cm；170～180 cm組，14 人，平均身高（175.6 ± 2.3） cm；180～190 cm組，5 人，平均身高（183 ± 3.32） cm。按身高分組后，分別計算出各組質心的軌跡和速度，如圖5所示。不同身高受試者的質心軌跡趨勢均呈“L”形。在階段Ⅰ，質心速度在Y軸方向上幾乎沒有變化，但在X軸方向上有所增加，身體向前傾斜；在階段Ⅱ，質心速度在Y軸方向上迅速增加，并在最后接近峰值，速度在X軸方向上達到峰值，最后趨近于零，受試者完成了從向前到向上的轉變；階段Ⅲ以向上運動為主，在X軸方向上速度基本不變，接近于零，而在Y軸方向上速度逐漸減小到零。
圖5
不同高度質心的特性
Figure5.
Characteristic of center of mass of different height
通過比較不同高度受試者的質心速度，發現高度越高，X軸和Y軸方向的峰值速度越大。從圖5可以看出，不同身高人群在坐立轉換過程中質心軌跡和質心速度整體趨勢基本相同，具體細節稍有偏差。
2.5 足底壓力變化趨勢
將足底壓力參數定義為坐立轉換過程中足底壓力與穩態足底壓力的比值，受試者足底壓力參數平均值如圖6所示。在階段Ⅰ開始時足底壓力參數為穩定性值的20 %。在階段Ⅰ結束時，髖關節即將離開座椅，足底壓力參數達到穩定值的53 %。在階段Ⅱ，足底壓力參數迅速增加，達到峰值，然后下降，在峰值時刻，軀干的運動特性發生了變化，軀干由前屈變為后伸。階段Ⅲ的足底壓力參數呈現先減小后增大的趨勢，最后，受試者達到了穩定狀態。
圖6
足底壓力參數
Figure6.
Plantar pressure parameters
3 討論
3.1 不同階段的運動學特征
階段Ⅰ中，身體的主要運動特征是軀干前屈，肩膀在X軸方向上速度較快，在Y軸方向上位移和速度相對較小，隨著軀干前屈，軀干角度逐漸減小，角速度迅速增大。在這個階段，質心的位置水平向前移動，在X軸方向上，質心的速度迅速增加，在Y軸方向上基本不變。同時，足底壓力迅速增大，導致膝關節扭矩迅速增大。階段Ⅰ僅軀干運動，下肢靜止，運動平穩，穩定性好。
階段Ⅱ中，身體的主要運動特征是臀部離開座位上升，髖關節速度增加，小腿向前彎曲直至停止，膝關節運動速度先增大后減小。當膝關節速度達到峰值時，軀干處于過渡期，足底壓力達到峰值，肩關節由X軸方向移動改為Y軸方向，在X軸方向上，質心的位移達到峰值。關節負荷增加，身體處于最不穩定的狀態，該時刻為坐立轉換運動中最危險的時刻。此后，膝關節速度逐漸減小，質心不再向前移動，轉而向上運動，足底壓力逐漸減小。當膝關節速度為零時，階段Ⅱ結束。
階段Ⅲ中，小腿和軀干向后伸展，臀部繼續上升。各關節的速度逐漸減小，質心呈現垂直向上的趨勢。足底壓力逐漸減小，機體各關節的負荷也相應減小。階段Ⅲ運動逐漸趨于穩定，受試者能保持較好的穩定性。
3.2 本研究與其他相似研究的比較
通過比較發現，本文計算的質心軌跡和速度與Tanaka等[16]的計算結果基本一致，證明了該方法的可行性，為獲得質心運動參數提供了一種低成本的方法。對于足底壓力參數，相較于其他研究所得到的整體趨勢是一致的，只是分階段的方式以及各階段的時間占比不同，本文根據運動特性進行了階段劃分。
由于研究對象和試驗方案的限制，本研究存在一定的局限性。由于受試者是健康年輕男性且數量較少，不能立即將這些結果擴展到老年人或臨床人群；其次，研究過程限制了手臂的運動，偏離了坐立轉換的日常運動；此外，還需要進一步的研究來量化當坐立轉換運動的決定因素（如使用扶手、年齡增加、速度限制或椅子高度）發生變化時，具體參數是如何變化的。
4 結論
本研究通過高清攝像機和柔性薄膜壓力傳感器，對人體在進行坐立轉換運動時的運動規律和足底壓力變化進行了深入分析，將坐立轉換區分為四個階段：質心向前階段、質心轉移階段、質心上升階段和穩定階段，對前三個階段進行了研究。重點分析了肩關節、腰部、膝關節、髖關節的運動學特征；通過對比不同身高質心運動軌跡，發現不同身高的受試者質心軌跡趨勢相同，均呈“L”形，但質心速度隨身高增加而增加；足底壓力在動作起始時較低，然后迅速上升，在軀干姿勢變化時達峰值，再進一步減少至穩定站立；這些發現對于研究坐立轉換過程中身體各部分的力學行為和足底壓力變化具有重要意義。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：楊碩和蘇丹負責論文撰寫與圖片標注，趙娜負責數據處理，周斌偉負責實驗操作和數據統計，王芳負責理論指導和論文修訂，薛強負責實驗設計和理論指導。
倫理聲明：本研究通過了天津科技大學學術委員會學術道德與科學倫理專門委員會的審批。
