老年健康個(gè)體的運(yùn)動(dòng)特征研究

王航輝，宋依芯 ，朱正飛，任玉炳，朱文俠

(1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，陜西 咸陽 712000；2.西安外事學(xué)院，陜西 西安 710077；3.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；4.漢陰縣中醫(yī)醫(yī)院，陜西 漢陰 725100；5.延安大學(xué)醫(yī)學(xué)院局解教研室，陜西 延安 716000)

老年個(gè)體是骨關(guān)節(jié)炎的多發(fā)人群[1-2]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)超過60歲年齡的老年人中膝骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率為19.4%[3-4]。臨床觀察中老年人腳踝疼痛癥狀較普遍。關(guān)節(jié)載荷的累積效應(yīng)導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨的退行性改變被認(rèn)為是骨關(guān)節(jié)炎的直接致病因素。三維步態(tài)分析系統(tǒng)能夠較為客觀、定量地評(píng)定老年人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在臨床步態(tài)分析中具有重要意義。對(duì)健康老年人的運(yùn)動(dòng)特征研究，從生物力學(xué)的角度探究其發(fā)生骨關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險(xiǎn)并提供針對(duì)性的活動(dòng)指導(dǎo)，值得深入研究[5-6]。

水平行走和坐立—起立(sit-to-stand,STS) 過程作為老年人生活中頻率最高的日?；顒?dòng)，具有較高的研究?jī)r(jià)值。目前針對(duì)健康老年人的運(yùn)動(dòng)特征研究主要著眼于步態(tài)穩(wěn)定性[7]，步態(tài)控制[8]等，尚未有針對(duì)老年人水平行走的時(shí)間—空間參數(shù)研究。研究表明[9-10]，正常人每天完成起立過程約60次，椅面高度或起身方式的變化會(huì)引起下肢關(guān)節(jié)生物力學(xué)參數(shù)急劇變化[11]。但目前對(duì)老年人STS過程的研究多集中于骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生后[12-13]，針對(duì)健康老年人的運(yùn)動(dòng)研究較少。本研究擬對(duì)老年人的水平行走和STS過程進(jìn)行步態(tài)采集和骨肌多體動(dòng)力學(xué)分析，從生物力學(xué)的角度研究老年人的運(yùn)動(dòng)特征，為老年人的日?；顒?dòng)提供針對(duì)性的指導(dǎo)。

1 資料與方法

1.1 資料

本研究的研究對(duì)象為7名健康老年個(gè)體，7名健康青年個(gè)體作為對(duì)照組，受試對(duì)象的詳細(xì)信息見表1。受試對(duì)象的納入標(biāo)準(zhǔn)為：研究對(duì)象關(guān)節(jié)無嚴(yán)重病變或進(jìn)行過關(guān)節(jié)手術(shù)，可在無拐杖或他人協(xié)助下正常行走，沒有神經(jīng)缺陷、沒有不可控制的高血壓、無下肢嚴(yán)重麻木感、視力良好、行走耐力良好、體重指數(shù)(BMI)<50。實(shí)驗(yàn)前所有受試對(duì)象都已被告知實(shí)驗(yàn)相關(guān)信息并簽署知情同意書。

表1 受試對(duì)象基本信息

1.2 設(shè)備與方法

使用帶10個(gè)紅外攝像儀的VICON運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)(Oxford Metrics Inc.,UK)和三塊三維測(cè)力板(AMTI Corporation,Watertown,MA,USA)采集受試對(duì)象進(jìn)行水平行走和起立過程的步態(tài)數(shù)據(jù)。測(cè)量受試對(duì)象的身高、體重、腿長(zhǎng)等生理學(xué)參數(shù)，分別在受試對(duì)象的各主要骨性標(biāo)記點(diǎn)處貼紅外反光標(biāo)志點(diǎn)小球。受試對(duì)象只穿貼身泳衣赤足以自選步速按指定路徑正常行走。完成起立過程時(shí)，受試對(duì)象水平坐立，雙側(cè)腳底分別放在相鄰兩塊測(cè)力板上。聽到采集人員的口令后，以自選速度完成指定椅面高度(380、400、420、440、460 mm)和起身方式(手撐扶手、雙手叉腰、手扶720 mm高度桌面)的STS過程。受試對(duì)象每完成一種椅面高度或起身方式的步態(tài)采集之前進(jìn)行至少兩次練習(xí)，相鄰步態(tài)之間間隔30秒以上。取五次踩測(cè)力板正常并且標(biāo)志點(diǎn)軌跡連續(xù)的步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存以備后期處理。

圖1 三種不同坐立-起身步態(tài)示意圖

1.3 數(shù)據(jù)處理

將三維步態(tài)c3d文件導(dǎo)入骨肌多體動(dòng)力學(xué)軟件AnyBody(AnyBody Technology A/S,V.6.03,Aalborg,Denmark)，建立受試對(duì)象的個(gè)性化骨肌模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析得到受試對(duì)象的生物力學(xué)數(shù)據(jù)。為剔除個(gè)體差異以便進(jìn)行統(tǒng)一比較，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行歸一處理。水平跨距定義為跨距/腿長(zhǎng)，水平行走的一個(gè)完整步態(tài)周期的定義為腳跟著地到該側(cè)腳跟再次著地。STS過程的一個(gè)完整步態(tài)定義為后頸C7標(biāo)志點(diǎn)在矢狀面內(nèi)開始運(yùn)動(dòng)到非手術(shù)側(cè)下肢膝關(guān)節(jié)達(dá)到最小屈伸角度為止。引入下肢地面反作用力對(duì)稱度來描述受試對(duì)象在STS過程中雙側(cè)下肢受力的對(duì)稱情況，下肢地面反作用力對(duì)稱度的計(jì)算方法為左側(cè)下肢地面反作用力峰值與右側(cè)下肢地面反作用力峰值的比值[13]。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 20.0 (SPSS; Chicago,IL,USA)對(duì)兩組研究對(duì)象的參數(shù)結(jié)果進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，比較統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(顯著因素為0.05)。

2 結(jié)果

2.1 時(shí)間—空間參數(shù)

受試對(duì)象水平行走步態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間—空間參數(shù)如表2所示。在步行周期方面，老年組的步行周期顯著增加，水平跨距減小(P<0.05)，水平行走速度下降。

表2 受試對(duì)象水平行走步態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間—空間參數(shù)

注：*表示兩個(gè)群體有顯著性差異，P<0.05。

2.2 下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)

圖2、圖3、圖4是受試對(duì)象水平行走時(shí)一個(gè)完整步態(tài)周期內(nèi)下肢關(guān)節(jié)(髖、膝、踝)角度變化曲線。實(shí)線曲線代表青年組個(gè)體，虛線曲線代表老年組個(gè)體。

圖2受試對(duì)象水平行走對(duì)應(yīng)的髖關(guān)節(jié)角(A:屈伸;B:內(nèi)外翻;C:內(nèi)外旋)

圖3 受試對(duì)象水平行走對(duì)應(yīng)的膝關(guān)節(jié)屈伸角

圖4 受試對(duì)象水平行走對(duì)應(yīng)的踝關(guān)節(jié)平面屈伸角

從關(guān)節(jié)角圖像上來看，在采集對(duì)象個(gè)體數(shù)量相同的情況下，老年組個(gè)體的關(guān)節(jié)角曲線覆蓋范圍更大，意味著關(guān)節(jié)角的個(gè)體差異在老年組中較為明顯。老年組的膝關(guān)節(jié)屈伸峰值為64.8 ± 8.6°，對(duì)照組的膝關(guān)節(jié)屈伸峰值為66.8 ± 2.9°，二者無顯著差異(P>0.05)。在膝關(guān)節(jié)屈伸活動(dòng)度方面，老年組膝關(guān)節(jié)屈伸度方面缺乏典型的“兩峰夾一谷”特征，主要原因在于第一個(gè)波峰不明顯，波谷較平，與此對(duì)應(yīng)地是對(duì)照組關(guān)節(jié)角曲線緊密且整齊。

2.3 下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)

圖5-圖7是受試對(duì)象水平行走時(shí)一個(gè)完整步態(tài)周期內(nèi)下肢關(guān)節(jié)(髖、膝、踝)關(guān)節(jié)合力變化曲線。虛線曲線代表老年組個(gè)體，實(shí)線曲線代表對(duì)照組。

圖5 受試對(duì)象水平行走對(duì)應(yīng)的髖關(guān)節(jié)力

圖6 受試對(duì)象水平行走對(duì)應(yīng)的膝關(guān)節(jié)力

圖7 受試對(duì)象水平行走對(duì)應(yīng)的踝關(guān)節(jié)力

從關(guān)節(jié)力圖像上來看，老年組的髖膝踝關(guān)節(jié)力曲線個(gè)體差異較大，具體表現(xiàn)為曲線分布較分散，波峰相位差別較大，對(duì)照組的關(guān)節(jié)力曲線相對(duì)緊密且平緩。老年組的髖關(guān)節(jié)力最大時(shí)刻大多出現(xiàn)在第一個(gè)波峰，對(duì)應(yīng)步態(tài)周期的15%時(shí)刻，膝踝關(guān)節(jié)力最大值出現(xiàn)在第二個(gè)波峰，出現(xiàn)在步態(tài)周期的45%時(shí)刻。老年組的踝關(guān)節(jié)力峰值為7.37 BW，對(duì)照組的踝關(guān)節(jié)力峰值為6.45 BW。對(duì)照組的關(guān)節(jié)力曲線過渡自然，整個(gè)步態(tài)周期內(nèi)關(guān)節(jié)力的波峰波谷變化明顯。

2.4 STS過程的地面反作用力

受試對(duì)象完成STS過程時(shí)下肢地面反作用力峰值和完成時(shí)間如表3所示。

表3 STS過程的下肢地面反作用力和完成時(shí)間

注：*表示實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組比較有顯著性差異，P<0.05。

從STS過程的數(shù)據(jù)可以看出，在地面反作用力峰值之和方面，老年組較對(duì)照組更大，這一數(shù)值在雙手扶桌起身方式時(shí)表現(xiàn)的較為明顯(P<0.05)。在下肢地面反作用力對(duì)稱度方面，老年組與對(duì)照組的數(shù)值均處于0.9～1.1之間，可以認(rèn)為兩側(cè)下肢在承重方面基本相等。但老年組采用雙手叉腰起身方式時(shí)，其地面反作用力對(duì)稱度為0.989，而對(duì)照組的數(shù)值為0.907，兩者差異明顯(P<0.05)，采用雙手叉腰起身時(shí)，對(duì)照組更傾向于使用右側(cè)下肢承重。在完成STS過程的時(shí)間方面，老年組與對(duì)照組無明顯差異。

3 討論

本研究借助三維個(gè)分析系統(tǒng)采集分析了老年健康個(gè)體水平行走和STS過程的運(yùn)動(dòng)，采用生物力學(xué)方式評(píng)估了老年健康個(gè)體的下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍和關(guān)節(jié)載荷，對(duì)于探討日常行為活動(dòng)對(duì)老年人的下肢生物力學(xué)影響、指導(dǎo)日常活動(dòng)具有較高的價(jià)值。研究結(jié)果表明，正常的水平行走步態(tài)中，老年人的步態(tài)功能下降，步速降低，跨距減小，個(gè)體運(yùn)動(dòng)學(xué)差異較大，膝踝關(guān)節(jié)力較正常人偏大。三種不同的起身方式下，老年人的下肢承重地面反作用力之和更大，在雙手撐桌時(shí)表現(xiàn)的最為明顯。在下肢地面反作用力對(duì)稱度方面，老年人的下肢對(duì)稱表現(xiàn)較對(duì)照組更好。

老年個(gè)體水平行走時(shí)的步態(tài)周期變長(zhǎng)，水平跨距減小，個(gè)體差異大。運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的特征表現(xiàn)為髖關(guān)節(jié)外旋幅度增加，踝關(guān)節(jié)屈伸角度增加。正常人水平行走時(shí)，兩個(gè)波峰分別出現(xiàn)在支撐相和擺動(dòng)相，支撐相的屈膝波峰在正常人水平行走時(shí)在15%步態(tài)周期時(shí)刻出現(xiàn)，此時(shí)人體下肢呈現(xiàn)“支撐足屈膝—降低身體重心—重心側(cè)移—伸對(duì)側(cè)足”的步態(tài)行為來實(shí)現(xiàn)水平前進(jìn)。老年組的第一個(gè)波峰偏小，接近水平，意味著支撐相屈膝程度較小，導(dǎo)致身體重心下降程度較小，進(jìn)而導(dǎo)致水平跨距較小。

老年個(gè)體水平行走時(shí)的踝關(guān)節(jié)力較正常人偏大，增加了老年人患踝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險(xiǎn)。老年組個(gè)體在髖關(guān)節(jié)力的一個(gè)典型特征是髖關(guān)節(jié)力峰值相位出現(xiàn)在第一個(gè)波峰，這與對(duì)照組關(guān)節(jié)力峰值相位出現(xiàn)在第二個(gè)波峰的常見現(xiàn)象差別較大。膝踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力峰值出現(xiàn)在第二個(gè)波峰，與對(duì)照組類似，但關(guān)節(jié)力波峰涵蓋范圍較大，這與老年組的個(gè)體身體機(jī)能差異較大有關(guān)。值得注意的是，就踝關(guān)節(jié)力而言，大部分老年健康個(gè)體的踝關(guān)節(jié)力較對(duì)照組個(gè)體偏大，這與臨床上觀察到的老年個(gè)體踝關(guān)節(jié)疼痛情況一致。臨床觀察表明，老年組個(gè)體水平行走時(shí)往往伴隨一定程度的足內(nèi)翻[14]，這一現(xiàn)象可能是導(dǎo)致老年個(gè)體踝關(guān)節(jié)力偏大的原因。正常水平行走時(shí)，踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)受力更大，長(zhǎng)期載荷的累積容易導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)軟骨的退行性改變，因而導(dǎo)致內(nèi)外側(cè)關(guān)節(jié)間隙不一致，內(nèi)側(cè)減小，外側(cè)增大，因而老年個(gè)體在水平行走時(shí)踝關(guān)節(jié)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，逐步發(fā)生內(nèi)翻現(xiàn)象，這一行走策略反過來又加劇內(nèi)側(cè)的應(yīng)力集中，加劇內(nèi)側(cè)軟骨的磨損，逐步發(fā)展為骨性關(guān)節(jié)炎或產(chǎn)生骨刺。

老年個(gè)體在STS過程中使用雙手撐桌起身時(shí)地面反作用力峰值比對(duì)照組更大。STS行為作為一種經(jīng)常性高屈曲行為，關(guān)節(jié)載荷較大[15]。老年人每天發(fā)生的頻次超過20次，長(zhǎng)期高頻次的高屈曲行為容易加劇下肢關(guān)節(jié)的骨性關(guān)節(jié)炎風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，STS過程中的雙側(cè)下肢對(duì)稱性和完成時(shí)間可以用來衡量受試對(duì)象完成STS過程的效率。在三種不同的起身方式中，老年個(gè)體的下肢地面反作用力之和均大于對(duì)照組，意味著老年個(gè)體在豎直方向加速度較對(duì)照組更大，這一現(xiàn)象與以往的認(rèn)知有較大不同[16]。在地面反作用力對(duì)稱性方面，老年個(gè)體在雙手叉腰方面時(shí)雙腿對(duì)稱性更好，作為身體機(jī)能退化的結(jié)果之一，老年個(gè)體在起身時(shí)更加依靠雙腿同時(shí)承重的方式來完成坐立—起立過程。

本研究的不足之處有：①樣本含量較少；②研究結(jié)果沒有排除受試對(duì)象下肢不等長(zhǎng)的因素。本文對(duì)7名健康老年個(gè)體進(jìn)行了水平行走和STS過程的運(yùn)動(dòng)特征研究，對(duì)老年個(gè)體的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了定量統(tǒng)計(jì)分析，今后還將對(duì)老年個(gè)體進(jìn)行年齡、體重、性別進(jìn)行分類研究以進(jìn)行針對(duì)性的日常生活指導(dǎo)。

4 結(jié)論

老年個(gè)體的運(yùn)動(dòng)能力減弱，步速降低，水平跨距減小，踝關(guān)節(jié)受力較正常人偏大，踝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎風(fēng)險(xiǎn)較大。在STS過程中，老年個(gè)體在豎直方向加速度較對(duì)照組更大，在雙手撐桌時(shí)表現(xiàn)的最為明顯。在下肢地面反作用力對(duì)稱度方面，老年人的下肢對(duì)稱表現(xiàn)較對(duì)照組更好。

致謝：西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院尉萍萍老師為本研究的步態(tài)采集提供了幫助，在此表示感謝！