下面将根据步态循环中的典型事件和典型阶段，详细介绍在步态运动中上肢(upper body)、髋关节(hip)、膝关节(knee)、踝关节(ankle)、足部(feet)，在角度、力矩、功率、能量、肌肉活动方面的经历的过程和变化。
初始接触 - Initial Contact
概括
- 初始接触(initial contact)是支撑初期/承重反应期(loading response)的开始，通常也被称为脚跟着地(heelstrike/foot contact)，通常会存在明显的脚和地面之间的撞击；
- 此时的地反力几乎竖直向上的(upward)，在随后的支撑初期/承重加载阶段(loading response)地反力的方向迅速向后移动，这一点可以在图2.8的地反力蝴蝶图中观察到；
上肢
- 初始接触时，躯干(trunk)距离前腿(leading leg)一半的步长(stride length)；
- 在左右方向上，躯干正穿过横向运动的中线(midline)，并向前腿(这里是右侧)一侧移动；
- 躯干处于扭转状态(twisted)，左肩和骨盆的右侧处于前方，左手也摆至前；
髋
- 髋关节在摆动中期达到最大弯曲角(flexion, 约$30^\circ$)，一直到初始接触前几乎不发生变化；
- 在摆动相后期腘绳肌(hamstrings)处于激活状态，防止膝关节过度伸展(hyperextension);
- 臀大肌(gluteus maximus)在初始接触时刻开始收缩，带动伸展髋关节，见图2.9；
膝
- 膝关节在摆动相末迅速伸展变直(straight)，并在初始接触前开始略微弯曲(flex)，图2.5；
- 膝关节在摆动相的伸展通常认为是被动的(passive)，是重力和大腿带动下自然的摆动；
- 摆动相末期腘绳肌(hamstrings)处于激活状态，防止膝关节过度伸展，但在慢速行走时可能没有该现象；
踝足
- 初始接触时踝关节角度接近中性位置，由于胫骨向后，因此足部向前倾斜，只有脚跟着地；
- 此时足部通常轻微的旋后(supinated)，因此大部分人鞋跟外侧有磨损痕迹(wear pattern)；
- 胫骨前肌(tibialis anterior)在整个摆动相和支撑相早期都是激活状态，为初始接触之后踝关节的跖屈(plantarflexion)做准备(拮抗收缩，防止脚掌拍击地面)；
力矩与功率：
- 髋关节存在由髋关节伸肌(hip extensor)产生的伸展力矩(如臀大肌、腘绳肌)，在随后髋关节伸展过程，这些肌肉向心收缩(contract conentrically)并产生能量，图2.6、2.7、2.9；
- 膝关节存在一个由腘绳肌产生的屈膝力矩(internal flexor moment)，防止膝关节过度伸展；由于此时腘伸肌的收缩、膝关节的屈膝，以及来自韧带(ligament)能量释放，膝关节在初始接触时展现出一个功率输出的峰值，见图2.7；
- 踝关节在初始着地之前几乎不存在能量交换，但由于脚跟与地面的撞击(heelstrike)，大部分动能在碰撞的过程中损失，少部分被足部组织和鞋低的弹性材料存储。
支撑初期 - Loading Response
概括
- 支撑初期/承重反应期是初始接触(IC)和对侧趾尖离地(Opposite Toe Off)之间的双支撑阶段，通常占据步态周期的前10%~12%；在此期间，踝关节跖屈将整个足部放平在地面上，同时地反力迅速增加；
上肢
- 躯干在支撑初期处于竖直最低位置，比整个循环的平均水平位置低约20mm；而瞬时前进速度是最大的，比真个周期的平均速度高10%；左右方向上持续向右脚外侧移动；
- 手臂到达最前和最后的位置，并开始向相反的方向摆动；
髋
- 在整个支撑初期，髋关节的伸肌(臀大肌、腘绳肌)同心收缩(concentric contraction)；
膝
- 膝关节在初始接触(IC)时几乎完全伸展，并在支撑初期开始弯曲(stance phase flexion)；
- 股四头肌(quadriceps)离心收缩(eccentric contraction)，限制膝关节弯曲速度和角度；
踝足
- 踝关节通过跖屈将足部放平在地面上，同时伴有一定的足部旋前(pronation)和胫骨内旋(internal rotation)；
- 跖屈时胫骨前肌离心收缩，使脚掌轻轻贴近地面；若胫骨前肌不能产生足够的力矩，则足部会过快跖屈，拍击地面产生可以听见的足拍声(foot slap);
力矩与功率
- 在支撑初期，髋关节存在伸展力矩并产生能量，膝关节存在一个屈膝力矩并也产生能量；
- 地反力的外部跖屈力矩使踝关节存在一个内部背屈力矩，胫骨前肌离心收缩，并吸收能量；
对侧趾尖离地 - Opposite Toe Off
概括
- 对侧趾尖离地意味着双支撑阶段的结束，标志支撑中期(mid-stance)的开始，此时脚掌已经完全接触地面(foot flat/forefoot contact)：对于对侧而言，它标志着支撑相的接触，以及摆动相的开始；
上肢
- 左肩和左臂由前方开始向后摆，骨盆也向中性位置扭转(twist toward to neutral position)；
- 由于地反力作用方向，躯干的前进速度有所降低，但高度开始增加，动能向重力势能转变；
髋
- 此时髋关节的弯曲角度约为$25^\circ$，并继续伸展；臀大肌、腘绳肌继续同心收缩；
膝
- 膝关节继续弯曲，并在随后的支撑中期达到一个屈膝峰值；
- 股四头肌(Quadriceps)先离心在向心收缩(eccentric then concentric)，使得膝关节具有一定的弹性特性(act like a spring)，防止垂直方向上力增加过快(preventing the vertical force from building up too rapidly)；
踝足
- 脚掌完全接触地面，随着胫骨向前移动，踝关节开始背屈(dorsiflexion);
- 足部旋前(pronation)和胫骨内旋(internal rotation)达到峰值，并开始反转；
- 胫骨前肌(tibialis anterior)停止活动，小腿三头肌(triceps surae)开始收缩;
力矩与功率
- 髋关节继续维持内部伸展力矩并产生能量；
- 膝关节处，地反力矢量位于膝关节后方，因此产生一个外部屈膝力矩，股四头肌(quadriceps)的伸膝力矩与之相拮抗，同时离心收缩吸收能量(功率图2.7，K1)；
- 踝关节处，地反力作用线向前方移动，导致踝关节内部背屈力矩变小，并开始转变为内部跖屈力矩，此时踝关节几乎没有能量交换；
支撑中期 - Mid-stance
概括
- 支撑中期在对侧脚趾离地(双支撑阶段结束)之后，到脚跟抬升(toe off)之前；在过去一些文献中，支撑中期也常被用来描述对侧腿在摆动相经过支撑腿的阶段，也就是这里定义的双脚贴近(Feet adjacent)；在示例中，步态中期从7%到32%步态周期；
上肢
- 支撑中期，躯干爬升到竖直方向最高点，随着动能向重力势能转化，向前速度也逐步减慢；
- 躯干侧向(左右方向)的运动也达到峰值，重心完全移向右腿，躯干重心距离中线约20mm；
- 躯干(trunk)和肩胛带(shoulder girdle)的扭转基本消失，双臂也随着双腿而摆动交替；
髋
- 髋关节在支撑中期继续伸展(extend)，但髋关节角度由弯曲姿态(flexed attitude)转变为伸展状态(extended attitude)，在图2.5中髋关节角度逐渐小于零；
- 在此期间，臀大肌和腘绳肌(gluteus maximus, hamstrings)逐渐停止同心收缩，髋关节的伸展转为通过重力和惯性来完成(ahieved by interia and gravity)；
- 不同于双支撑阶段，支撑中期仅有一侧腿来支撑骨盆(pelvis)，因此在前视面(frontal plane)上髋关节的外展肌(abdustor)收缩，如臀中肌和阔筋膜张肌(gluteus medius, tensor fascia lata)，以维持骨盆的位置与平衡；
膝
- 在支撑中期，膝关节先弯曲达到一个峰值，然后开始转为伸展，这种伸展主要借助股四头肌(quadriceps)的同心收缩；
- 屈膝峰值发生在步态周期的15%~20%之间，屈膝的峰值角度依赖于行走速度(sensitive to walking speed)，当速度很慢时有可能消失，但一般在$10^\circ$到$20^\circ$之间；
踝足
- 小腿胫骨以踝关节为轴向前旋转，被称为支撑中期摇杆(mid-stance rocker/ankle rocker)；
- 足部始终与地面贴在一起，踝关节角度背屈，小腿三头肌(triceps surae)离心收缩；
- 地反力矢量沿足部向前移动，并在足跟抬起前移动至前足(forefoot)；
力矩与功率
- 在支撑中期，髋关节伸肌产生的伸展力矩逐渐减小消失，并转为弯曲力矩；
- 膝关节处，地反力矢量始终在关节后方，产生的外骨骼屈膝力矩由内部伸膝力矩所抵抗，股四头肌收缩(根据一些文献只有股中间肌Vasti收缩，而股直肌rectus femoris不活跃)，并随着膝关节伸展产生能量，见图2.7的K2；
- 踝关节处，随着地反力逐渐向前脚掌移动，踝关节的跖屈力矩逐渐增长，小腿三头肌(triceps surae)离心收缩并吸收能量，见图2.7的A1；
足跟抬升 - Heel Rise
概括
- 脚后跟开始离开地面，标志支撑中期(Mid-stance)到支撑末期(Ternimal Stance)的转变，发生时间受个体和步速的影响，示例中为步态周期的32%。
上肢
- 足跟抬升时，躯干开始由竖直方向上的最高点开始回落，横向位移也开始减少，为重心转移回左腿做准备；
- 随着右腿向后移动，骨盆也开始向右侧扭转，右肩和右臂向前移动；
髋
- 髋关节继续伸展(extend, 大腿向后运动)，对侧初始着地时伸展角度达到峰值；
- 前视面上，髋关节外展肌(臀中肌, 阔筋膜张肌)继续收缩以维持骨盆稳定，在略早于对侧初始着地(OI)时停止收缩；
膝
- 膝关节在足跟抬升左右达到伸膝角度的峰值；
- 在此时，踝关节的跖屈力矩使得地反力矢量指向膝关节前方，也因此产生了一个外部伸膝力矩，这种效应被称为”踝足跖屈-伸膝耦合”(plantarflexion/knee extension couple)，在一些病理步态中十分重要；
- 腓肠肌(gastrocnemius)的收缩不仅增强了踝关节的跖屈，同时也作为膝关节的屈膝肌肉，防止膝关节的过度伸展(hyperextension)；
踝足
- 踝关节的背屈角度在足跟抬升后达到峰值，在支撑末期结束前开始转为跖屈；
- 在距骨滑车(subtalar joint)面，胫骨外旋(externally rotate)、足部逐渐旋后(supinate)；
- 脚趾(toe)依然紧贴于地面，足与脚趾在跖趾关节(metatarsophalangeal joints, MTP)处弯曲，并沿着一条横贯前足的斜线-跖骨斜线(metatarsal break)；
- 当足跟抬升时，可以观察到后足(hindfoot)的内翻(inversion)；
力矩与功率
- 足跟抬升后，髋关节的内屈髋力矩由小逐渐增大，但这个力矩产生的来源没有清晰的解释，一些文献中将其描述为来自长收肌(adductor longus)和股直肌(rectus femoris)的收缩以及韧带(ligament)的被动拉伸，也因此导致能量的吸收与存储；
- 膝关节处，股四头肌的收缩在足跟上升之前就已经停止，转而存在一个屈膝力矩，这个力矩可能由于刚体的被动运动与惯性 — 此时上肢的前进速度大于胫骨，会使得踝关节背屈(dorsiflexion)，但小腿三头肌的收缩阻止了背屈，也因此降低了胫骨向前的运动，而股骨的向前运动在膝关节处产生了一个外部伸膝力矩，因此需要内部屈膝力矩进行抵抗，但基本没有太多能量交换；
- 踝关节的内部跖屈力矩逐渐增加(plantarflexion，但原文为dorsiflexion)，开始只有比目鱼肌(soleus)收缩，之后三小腿头肌共同收缩；此时踝关节依然在背屈，因此仍在吸收能量；
对侧初始接触 - Opposite Initial Contact
概括
- 在对称步态(symmetrical gait)中，对侧初始接触几乎是发生在50%的步态周期，它标志着双支撑阶段和预摆动阶段(pre-swing)的开始；此时髋关节开始屈髋(大腿向前)，膝关节屈膝，踝关节跖屈；
- 足跟抬升(HR)到趾尖离地(HR)的阶段又被描述为terminal rocker，因为在这期间支撑腿绕着前脚向前移动；
- 推进阶段(push off phase)也常用来描述这一时期，因为地反力存在一个较大的峰值；这一现象既有全身协调下杠杆效应的被动作用，也有来自于关节主动运动的结果；在这一阶段，踝关节产生了一个极大的输出功率，但不太清楚这些功率是否用来加速全身前进，还是腿部的摆动；在姿态控制的研究中(posture control)，这种推进被称为踝关节策略(ankle strategy)，可以被拉动大腿向前(pulling their leg forward，这里应该是指摆动阶段)的髋关节策略(hip strategy)所代替；
上肢
- 对侧初始接触时，上肢姿态和初始接触(IC)基本相同，但呈反对称，躯干向着左侧扭转，右肩、右臂以及骨盆左侧向前；
髋
- 在对侧初始接触时，髋关节的伸展角达到最大(通常为$10^\circ$到$20^\circ$)，并开始换向屈髋；
- 长收肌(adductor longus)收缩、韧带被动张力以及重力的共同作用下，此时屈髋力矩达到峰值，以启动髋关节屈曲；
膝
- 对侧初始接触前，膝关节已经开始屈膝；地反力矢量指向膝关节后方，并产生外部屈膝力矩；股直肌离心收缩，防止屈膝速度过快；
- 在预摆动阶段，膝关节与髋关节共同屈曲，常用”下拉“(pull off)这个术语常用来描述；
踝足
- 从对侧初始接触到趾尖离地，小腿三头肌向心收缩使踝关节跖屈；
- 跖趾关节(MTP Joint)的弯曲使得足底筋膜(plantar fascia)收紧；
- 足部达到最大的旋后角(supination)，后足内翻(inversion)并伴随胫骨外旋，这些特征使得跗骨间关节(midtarsal joints)锁死，增强了足部承载负荷的稳定性；
力矩与功率
- 长收肌(adductor longus)收缩、韧带被动张力以及重力的共同作用下，此时屈髋力矩达到峰值；随着运动由伸髋向屈髋转变，髋关节也由支撑末期(Terminal stance)的吸收能量(图2.7的H2)，转为预摆动阶段(pre-swing)的产生能量(图2.7的H3)；
- 膝关节处，股直肌离心收缩防止膝关节屈膝过快，同时也吸收能量(图2.7的K3)；
- 踝关节处，小腿三头肌收缩产生极高的内部跖屈力矩，同时踝关节跖屈，并产生整个步态周期内最高的能量，推进身体向前运动并加速肢体进入摆动阶段；
趾尖离地 - Toe Off
概括
- 趾尖离地通常发生在步态周期的60%处，并分隔支撑相与摆动相；但在病理步态中，趾尖离地可能不是支撑相结束的标志。
上肢
- 肩、手臂和躯干的扭转都开始向中性位置恢复，躯干高度增加，并向支撑腿的方向移动；
髋
- 当足部离开地面后，髋关节在股直肌和长收肌收缩、重力和韧带被动张力下，继续弯曲；
膝
- 在趾尖离地时，膝关节已经屈膝至一半的峰值角度，但在离地前后屈膝的机制不同：在支撑阶段，地反力矢量指向膝关节后方，因此产生外部屈膝力矩；在摆动相初期，大腿小腿的摆动类似于双摆系统(double pendulum)，当髋关节屈曲时，小腿由于惯性被甩在后面，从而导致进一步的屈膝；
- 在摆动相初期的开始时刻，股直肌(rectus femoris)可能存在离心收缩，以防止过度屈膝(prevent excessive knee flexion)；
踝足
- 踝关节跖屈峰值发生在趾尖离地后不久，离地前小腿三头肌(triceps surae)停止收缩，胫骨前肌(tibialis anterior)开始收缩，使踝关节在摆动阶段保持中性(neutral)或背屈的姿态(dorsiflexed attitude)；
力矩与功率
- 股直肌和长收肌收缩、重力和韧带被动张力，使得趾尖离地时髋关节依然存在屈膝力矩，并随着髋关节屈曲而产生能量；
- 在预摆动阶段(pre-swing)和摆动初期，髋关节的屈曲导致了膝关节的屈膝，股直肌以及股四头肌收缩产生内部伸膝力矩，抵抗并防止膝关节过度弯曲，同时吸收来自大腿传递的动能；
- 随着地反力的降低，踝关节的跖屈力矩迅速减少，并在趾尖离地前降低到零，同时功率也降低至零；
双足贴近 - Feet Adjacent
概括
- 足部贴近标志摆动初期(initial swing)和摆动中期(mid-swing)的转变，此时双脚处于几乎并排的状态；
- 摆动相一般占据步态周期的40%，而摆动初期大约占摆动相的一半，在示例中足部贴近发生在步态周期的77%；
- 双足靠近也经常被称为足部间隙(foot clearance)，摆动初期也被叫做抬升阶段(lift off)；
上肢
- 当两脚贴近时，躯干处于最高位置，横向也处于朝向另一侧支撑腿的最大位移；双臂相互水平，左侧向前摆动，右侧向后；
髋
- 在髂腰肌(iliopsoas)和重力的共同作用下，髋关节已经实现了较大的屈曲；
膝
- 膝关节在髋关节屈曲的带动下屈膝，屈膝峰值约在$60^\circ$到$70^\circ$之间， 到足部贴近时膝关节已经开始伸展；
- 在快速行走时，膝关节的弯曲要小于常速行走，以减小摆动相的时间(这里应该是绝对时间，而非步态周期百分比)，且通常是通过股直肌(rectus femoris)和腘绳肌(hamstrings)的协同收缩(co-contraction)来实现(增加关节阻抗)；
踝足
- 在摆动前期，踝关节由跖屈姿态迅速背屈，并在足部贴近时接近中性角度；这个过程中胫骨前肌收缩，但不需要太大的力量；
- 脚趾离地面最近的时刻发生足部贴近，为了避免摆动相趾尖与地面的接触(toe clearance/foot clearance)，需要缩短摆动腿的长度，这一目的通过两种机制来实现：
- 1 - 膝关节弯曲
- 2 - 踝关节背屈
- 在正常步态中，脚趾与地面的间隔(clearance)非常小，平均仅有14mm；
力矩与功率
- 从对侧初始接触(OI)到双足贴近，髋关节始终存在屈髋力矩，在摆动初期髂腰肌(iliopsoas)代替股直肌(rectus femoris)并联合重力共同作用，并在髋关节产生功率峰(图2.7的H3)，这个能量用于加速腿的向前摆动，并在摆动末期随着腿摆动减速，将动能传递到躯干(trunk)；
- 膝关节处存在伸膝力矩，股直肌收缩(非股四头肌共同收缩)以防止膝关节过屈；
- 踝关节处，由于足部的质量很小，因此力矩和功率都很小；
胫骨竖直 - Tibia Vertical
概括
- 胫骨竖直划分摆动中期(mid-swing)和摆动末期(terminal swing)，在示例中发生在步态周期86%；摆动末期也被称为抵达(reach)；
上肢
- 躯干已从最高位置回落，同时在侧向上由左侧支撑腿向着中线移动，
- 右臂位于前方，同时骨盆右侧略微靠前；
髋
- 胫骨垂直基本标志着髋关节伸展的停止，在示例中髋关节的最大弯曲角度为$27^\circ$；
- 在摆动末期，腘绳肌(hamstrings)的收缩逐渐增强，在保持髋关节弯曲角度的同时，也防止膝关节伸展过快；
膝
- 在胫骨竖直时，膝关节处于快速伸展状态，这种伸膝来自于双摆系统的被动惯性，此时大腿停止屈曲，而小腿仍保有一定动能，使得胫骨向前旋转；
踝足
- 趾尖间隙完成后，到胫骨竖直之前，踝关节的运动对步态没有太大影响；
- 胫骨前肌会继续保持收缩，维持踝关节在中性角度附近，但在初始接触前回增加收缩为足跟着地提前准备；
力矩与功率
- 在双足贴近后，摆动中期和摆动末期，髋关节存在由腘绳肌(hamstrings, 主要)和臀大肌(gluteus maximus)产生的伸髋力矩；
- 尽管由于髋关节此时基本不发生运动，髋关节基本没有能量交换，但髋关节的力矩使得能量可以由摆动腿传递给躯干(来自膝关节的功率K4)，恢复部分摆动初期由躯干传递给腿部能量(髋关节H3)；
- 由于腘绳肌的离心收缩，膝关节存在逐渐增加的屈膝力矩，防止被动惯性作用下膝关节的过伸，同时吸收能量；
- 此时踝关节处的功率和能量依然可以忽略不计；