老年女性不同步行增速策略的下肢關(guān)節(jié)角度和角速度變化

李旭鴻 喻美鑫 范年春 徐玉明 韓曉鳴

1杭州師范大學(xué)體育與健康學(xué)院（浙江杭州 311121）

2杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院（浙江杭州 310036）

增齡老年人的步態(tài)異?？赡茉从谄渥陨淼纳頇C能或神經(jīng)肌肉限制[1，2]。因此，圍繞老年人步態(tài)的生物力學(xué)研究引起了諸多學(xué)者的關(guān)注，特別是健康人群步速與其下肢關(guān)節(jié)運動學(xué)、動力學(xué)、肌肉活動和步態(tài)穩(wěn)定性之間的相互關(guān)系[3-8]。但遺憾的是，很少有研究關(guān)注人體步行過程中的下肢關(guān)節(jié)角速度，尤其是老年人群[9-11]。掌握和了解健康老年人群下肢關(guān)節(jié)角速度的變化規(guī)律，對于臨床醫(yī)生和康復(fù)治療師準(zhǔn)確評估患者的步態(tài)異常，以確定其每個關(guān)節(jié)的功能性障礙具有重要意義。然而，圍繞老年人群下肢關(guān)節(jié)角速度的認(rèn)識仍存在諸多不足，尤其是老年人的步態(tài)特征存在明顯的性別差異[12]，導(dǎo)致老年女性更容易跌倒[13，14]。與此同時，上述研究也并未考慮步行增速策略（增加步頻、增加步幅或同時增加步頻和步幅）的差異性，況且每一種步行增速策略所對應(yīng)的下肢關(guān)節(jié)運動學(xué)適應(yīng)性也是迥然不同的[15]。所以，這在一定程度上也阻礙了人們對老年人步態(tài)異常、易發(fā)生跌倒的深入理解。鑒于此，本研究探究不同步行增速策略情況下健康老年女性下肢關(guān)節(jié)矢狀面的角度和角速度變化，旨在幫助臨床醫(yī)生、康復(fù)治療師完善其臨床評估和治療方案，以恢復(fù)患者正常行走時下肢關(guān)節(jié)和肌肉的運動表現(xiàn)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

通過宣講的方式在社區(qū)招募受試者，要求其無視覺和前庭功能障礙，且近兩年內(nèi)在肌肉骨骼、神經(jīng)系統(tǒng)等方面無疾病，下肢無明顯疼痛或無骨折和手術(shù)史，能獨立完成1 h左右的步態(tài)測試工作。隨后讓受試對象填寫《受試者基本情況調(diào)查表》，并簽署知情同意書。由于年齡已被證明對步行速度的影響較大[16-18]，因此本研究年齡的納入標(biāo)準(zhǔn)在60～70歲之間。根據(jù)上述信息對受試對象進行初步篩選，結(jié)合后期的數(shù)據(jù)采集、處理以及增速策略的選擇范圍，最終共有27名健康老年女性入選（G1組：依靠增加步頻來提高步行速度，n=10；G2組：依靠增加步幅來提高步行速度，n=8；G3組：同時增加步幅和步頻來提高步行速度，n=9）。受試對象基本信息見表1。

表1 受試對象基本信息（±s）

表1 受試對象基本信息（±s）

*P＜0.05，G1與G2組相比；#P＜0.05，G1與G3組相比

組別（人數(shù)）年齡（歲）身高（cm）體重（kg）BMI（kg/m2）下蹲力（kg）G3組（n=9）64.89±3.82 156.60±3.19 57.12±9.38 24.47±3.85 54.52±5.33總體（n=27）63.41±3.13 155.16±4.05 55.64±8.34 23.32±3.22 51.70±7.53 G1組（n=10）63.60±3.85 154.35±4.06 54.81±7.91 22.74±2.96 45.12±4.39*#G2組（n=8）61.50±3.48 154.55±4.90 55.00±8.53 22.76±2.79 56.68±8.19

1.2 儀器設(shè)備

通過9臺QUALISYS攝像頭（Oqus300+）和高速運動捕捉系統(tǒng)QTM以及24個配套直徑為19 mm的紅外反光標(biāo)志球和4塊跟蹤板共同完成運動學(xué)數(shù)據(jù)的采集，采樣頻率為500 Hz。KISTLER三維測力臺2塊（9287C），長×寬×高：900 mm×600 mm×100 mm（見圖1），外置信號放大器的采樣頻率為1000 Hz，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器與紅外高速運動捕捉系統(tǒng)QTM連接并同步，主要是界定步態(tài)周期的起始點（腳跟觸地瞬間）。利用肌肉功能分析儀（美國）測試下肢肌肉力量，測試方法：受試者赤腳站立在電極板上，雙手前平舉，抬頭目視前方，在聽到提示后盡力快速下蹲3次，取左右兩側(cè)的均值。并保證整個身體不離開測試平臺動作連貫，詳見前期研究[19]。利用VISUAL3DTM（美國）完成運動學(xué)參數(shù)的過濾和處理（5.1.7.0）。其中原始的運動學(xué)參數(shù)通過Butterworth低通濾波器進行過濾，其截止頻率為12 Hz。

圖1 高速運動捕捉系統(tǒng)QTM和三維測力臺KISTLER

1.3 實驗流程

本實驗的操作人員都在前期做過相關(guān)實驗測試工作，確保每名受試對象反光球的粘貼位置、實驗流程和條件基本一致。首先，安排受試者在跑臺上以2.0～3.0 m/s的速度進行5 min的慢跑熱身，更換實驗測試運動裝備（短褲、某品牌運動鞋和襪子），主要是為了消除運動裝備不同帶來的影響以及下肢、骨盆處的反光Marker球清晰可見。其次，操作人員為其粘貼反光球和跟蹤板，反光球的粘貼位置分別在髂脊上緣、髂前和髂后上棘、大轉(zhuǎn)子、膝內(nèi)外側(cè)、踝內(nèi)外側(cè)、跟骨、第五跖趾關(guān)節(jié)、第一跖趾關(guān)節(jié)以及4塊跟蹤板貼在大、小腿外側(cè)的中部。再次，要求受試者站在拍攝的中心區(qū)域保持不動、雙腳自然分開與肩同寬、掌心向前，采集受試者的靜態(tài)動作。

隨后，在QTM人體模型中完成匹配后取下大轉(zhuǎn)子、膝和踝關(guān)節(jié)處的反光球（10個）。最后，向受試對象發(fā)出開始的口令，讓其在規(guī)定路線上自然行走（comfortablewalking，CW）和快速行走（fastwalking，F(xiàn)W）。其中快速行走的速度至少要比自然行走提高一個標(biāo)準(zhǔn)差，否則數(shù)據(jù)將不會納入到結(jié)果分析中。當(dāng)受試者在自然行走和快速行走過程中各有三次成功采集到有效數(shù)據(jù)，即左右腳分別踏在兩塊三維測力臺上，宣布測試結(jié)束。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗之前在V3D中建立骨架模型，人體共分為骨盆、大腿、小腿、足7個環(huán)節(jié)。其中踝、膝關(guān)節(jié)中心分別定義為內(nèi)外踝和脛骨內(nèi)外粗隆的中點，骨盆近端與遠端半徑分別為左右髂棘與大轉(zhuǎn)子之間距離的一半，骨盆深度設(shè)為0.144 m。一個步態(tài)模型插件（Plug-in Gait）用來采集受試者的步速、步幅、步頻、步行周期等參數(shù)，目前該模型已被廣泛地應(yīng)用在步態(tài)分析中[20]，其重復(fù)性和可靠性也都得到驗證[21]。

在實驗后期數(shù)據(jù)處理過程中，把一些Marker點丟失且處理困難、模型中Marker錯位、異常行走（手腳配合不協(xié)調(diào)）的受試對象剔除，不納入到本文的數(shù)據(jù)結(jié)果分析。提取受試者步態(tài)周期[右側(cè)足跟觸地（0%）至右側(cè)足跟再次觸地瞬間（100%）]數(shù)據(jù)，上述標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)三維測力臺上的垂直地面反作用力來完成。進而得到每名受試對象三次自然行走和快速行走的角度和角速度平均值，再對其步態(tài)周期做歸一化處理。另外，由于每名受試者的下肢關(guān)節(jié)角度和角速度峰值都不會完全重合，因此本研究將其下肢關(guān)節(jié)角度和角速度峰值（±s）提取后再做統(tǒng)計分析呈現(xiàn)在表3中，各組步態(tài)周期內(nèi)關(guān)節(jié)角度和角速度均值示意圖僅以G2組為代表在文中出現(xiàn)。本研究還定義整個步行過程中踝關(guān)節(jié)背屈、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)屈曲為正值（+），對應(yīng)的踝關(guān)節(jié)跖屈、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)伸展為負(fù)值（－）[4，10，22-24]。為了更清楚地描述老年女性在步態(tài)周期內(nèi)下肢關(guān)節(jié)角度和角速度峰值的變化，筆者對一些重要的時相（gait phase）進行劃分和定義[4，10，25]。具體如下：承重反應(yīng)期 T1（loading response，0%～10%）、支撐中期T2（mid-stance，10%～30%）、支撐末期T3（terminal stance，30%～60%）、擺動初期T4（initial swing，60%～70%）擺動中期T5（midswing，70%～85%）、擺動末期 T6（terminal swing，85%～100%）。

通過復(fù)相關(guān)系數(shù)（coefficient of multiple correlation，CMC）對各組角度和角速度均值曲線之間的相似程度進行描述[26，27]，復(fù)相關(guān)系數(shù)（公式1）定義為：

其中，m是曲線的條數(shù)，n是每條曲線中含有數(shù)據(jù)的個數(shù)，xij是第i條曲線的第j個數(shù)據(jù)，是m條曲線的第j個數(shù)據(jù)的平均值，是m條曲線n個數(shù)據(jù)的總體均值。

1.5 增速策略

步行過程中的增速策略共分為三種[28]：（1）主要依靠增加步頻來提高行走速度；（2）主要依靠增加步幅來提高行走速度；（3）同時增加步幅和步頻來提高行走速度。

1.6 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)由SPSS17.0進行處理，采取均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。三組人群的年齡、身高、體重、BMI和下蹲力以及各組間自然行走和快速行走過程中步速、步頻、步幅、步行周期、下肢三個關(guān)節(jié)角度和角速度用單因素方差分析（One-Way ANOVA），P＜0.05為顯著性差異、P＜0.01則為非常顯著性差異。另外，同組間自然行走和快速行走過程中的下肢三個關(guān)節(jié)角度和角速度用配對t檢驗統(tǒng)計分析，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 三組老年女性基本情況、步態(tài)參數(shù)的比較

三組老年女性在年齡、身高、體重、BMI方面均無顯著性差異（P＞0.05），但G1組的下蹲力分別與G2組和G3組呈顯著性差異（P＜0.05），詳見表1。

三組老年在自然行走過程中的步速、步幅、步頻和步行周期均無顯著性差異（P＞0.05）。而在快速行走過程中，G1組的步幅、步頻和步行周期分別與G2、G3組呈非常顯著性差異（P＜0.01），其中，步幅：G1 vs.G2（P=0.001），G1 vs.G3（P=0.008）；步頻：G1 vs.G2（P=0.000），G1 vs.G3（P=0.001）；步行周期：G1 vs.G2（P=0.000），G1 vs.G3（P=0.002）（見表2）。但是快速行走過程中，三組老年女性的步速則無顯著性差異（P＞0.05），與此同時三組老年女性在從自然行走到快速行走，速度增量較為接近（0.45 m/s），詳見表2。

表2 受試對象自然行走和快速行走過程中的主要步態(tài)參數(shù)

2.2 老年女性在自然行走過程中下肢關(guān)節(jié)角度和角速度的組間比較

三組老年女性在自然行走步態(tài)周期中，矢狀面內(nèi)各時相的下肢關(guān)節(jié)角度和角速度峰值均無顯著性差異，P＞0.05（見表3）。不論自然行走還是快速行走三組老年女性下肢三關(guān)節(jié)的角度曲線相似度均在0.858以上（見圖2），另外三組老年女性自然行走髖關(guān)節(jié)屈伸的最大角度和角速度均分別出現(xiàn)在擺動末期（HT6）和擺動初期（HT4）、膝關(guān)節(jié)屈伸的最大角度和角速度在擺動中期（KT5）和擺動末期（KT6），踝關(guān)節(jié)則是都在擺動初期（AT4）。

2.3 老年女性在快速行走過程中下肢關(guān)節(jié)角度和角速度的組間比較

快速行走步態(tài)周期中，G1組HT3時相的伸展角度和AT1時相的跖屈角速度較小，AT5時相的背屈角速度較大，分別與G3組呈顯著性差異（P＜0.05）；與此同時，AT4時相的跖屈角速度較大、HT2時相的伸展角速度較小，分別與G2和G3組呈顯著性差異（P＜0.05）。G2組KT2時相的屈曲角度較大，分別與G1和G3組呈顯著性差異（P＜0.05）；KT4時相的屈曲角速度較大，并與G3組呈顯著性差異（P=0.023）。不管是自然行走過程還是快速行走周期內(nèi)，老年女性在下肢關(guān)節(jié)角度和角速度峰值的出現(xiàn)時相（T）基本相同，僅G2組的屈曲角度峰值是在觸地瞬間（HT1），并非擺動末期（HT6），如表3所示。

圖2 老年女性自然行走和快速行走時的下肢關(guān)節(jié)角度（其中實線為均值，陰影面積為標(biāo)準(zhǔn)差）

表3 受試對象自然行走和快速行走時矢狀面內(nèi)下肢關(guān)節(jié)角度和角速度峰值

2.4 老年女性在自然行走和快速行走過程中下肢關(guān)節(jié)角度和角速度的組內(nèi)比較

與自然行走過程相比，老年女性在快速行走周期內(nèi)下肢關(guān)節(jié)角度和角速度峰值均變大，特別是G2組的關(guān)節(jié)角速度峰值大多數(shù)出現(xiàn)了顯著性差異（P＜0.05）。有意思的是，三組老年女性髖關(guān)節(jié)擺動末期（HT6）的角速度峰值卻并未隨著步速的加快明顯變大（圖3）。踝關(guān)節(jié)在支撐末期（AT3）的背屈角度峰值卻出現(xiàn)一定的減小，但無顯著性差異（表3）。另外，G2組在踝關(guān)節(jié)擺動初期（AT4）、膝關(guān)節(jié)支撐中期（KT2）、髖關(guān)節(jié)承重反應(yīng)期（HT1）和支撐末期（HT3）的角度峰值均出現(xiàn)了顯著性增大（P＜0.05）。

3 討論

圖3 老年女性自然行走和快速行走時的下肢關(guān)節(jié)角速度（其中實線為均值，陰影面積為標(biāo)準(zhǔn)差）

本研究根據(jù)健康老年女性增速策略（主要以增加步幅、步頻或同時增加步幅和步頻）分組，并對其自然行走和快速行走的下肢關(guān)節(jié)角度和角速度進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)健康老年女性不論是以何種策略來加快行走速度，其步態(tài)周期內(nèi)下肢關(guān)節(jié)角度和角速度的變化輪廓較為相似。這與前人的研究結(jié)果吻合，矢狀面內(nèi)下肢關(guān)節(jié)角度和角速度的變化輪廓與行走速度無關(guān)[28]，也與不同的增速策略無關(guān)。曾有研究指出，身體活動能力不足的老年人不論是自然行走還是快速行走，其髖、踝關(guān)節(jié)在支撐末期的角度峰值比健康老年人低，而髖關(guān)節(jié)擺動末期的角度峰值則較高[24]。本研究也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象：G1組老年女性不論是自然行走還是快速行走，其髖、踝關(guān)節(jié)在支撐末期（HT3和AT3）的角度峰值較低，而且髖關(guān)節(jié)擺動末期（HT6）的角度峰值也均高于G2和G3組（表3）。與此同時，G2和G3組老年女性隨著步行速度的加快其髖關(guān)節(jié)支撐末期（HT3）的角度峰值出現(xiàn)顯著性增大（P＜0.05），結(jié)合下蹲力的測試結(jié)果以及前期的一些研究，可見老年人的下肢肌肉力量與其步速和步幅呈正相關(guān)[23，29，30]，我們有理由相信依靠增加步幅（G2）或同時增加步頻和步幅（G3）來提高行走速度的老年女性擁有較大的下肢肌肉力量和關(guān)節(jié)角度峰值。還有研究表明：增加步幅或同時增加步幅和步頻來提高行走速度對人體下肢關(guān)節(jié)力矩提出更高的功能要求[28，31]。

三組老年女性隨著步速的增加，其下肢三個關(guān)節(jié)角速度峰值都變大（表3和圖3），但髖關(guān)節(jié)擺動末期（HT6）的角速度峰值與步速無明顯關(guān)系，這與前期的研究結(jié)果較為相似[10]。有研究指出步行速度的變化對下肢關(guān)節(jié)角速度的影響比步頻增加20%（速度固定在1.3 m/s）大得多[10，11]，筆者認(rèn)為增加步幅來提高行走速度對下肢關(guān)節(jié)的角速度峰值影響更大，當(dāng)G1組的老年女性步頻增加27%左右（120.46步/min～153.29步/min），其下肢踝關(guān)節(jié)的擺動中期（AT5）、膝關(guān)節(jié)支撐中期（KT2）、擺動初期（KT4）和擺動末期（KT6）的角速度峰值出現(xiàn)顯著性增大（P＜0.05）。而G2組老年女性步幅增加20%左右（1.23 m～1.48 m），其下肢踝關(guān)節(jié)支撐中期（AT2）、擺動中期（AT5）；膝關(guān)節(jié)承重反應(yīng)期（KT1）、支撐中期（KT2）、擺動初期（KT4）、擺動末期（KT6）和髖關(guān)節(jié)支撐中期（HT2）、擺動初期（HT4）的角速度峰值均顯著性增大（P＜0.05）。另外，不論老年女性以哪種增速策略來提高行走速度，三組人群的踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)角速度峰值均出現(xiàn)在擺動初期（T4）的踝關(guān)節(jié)跖屈和髖關(guān)節(jié)屈曲階段，而膝關(guān)節(jié)角速度峰值則是在擺動末期（T6）的膝關(guān)節(jié)伸展階段。

了解和掌握健康老年人群不同時相的下肢關(guān)節(jié)角度、角速度峰值以及步態(tài)周期內(nèi)的變化輪廓，能為臨床醫(yī)生和康復(fù)治療師在臨床評估、肌肉力量診斷以及康復(fù)過程中提供一些幫助。比如，力量干預(yù)訓(xùn)練可以提高神經(jīng)病學(xué)患者的肌肉力量，但并未真正提升其步行能力[32]。究其原因有很多，或許實際步行過程中下肢關(guān)節(jié)所需的肌肉功能未得到加強才是關(guān)鍵因素。畢竟與肌肉力量相比，關(guān)節(jié)功率（力矩×角速度）與臨床表現(xiàn)更加密切[33]。有研究曾證明，牽張訓(xùn)練要比傳統(tǒng)的力量訓(xùn)練更能改善中風(fēng)患者的步行效果[34]。因此，本研究提供的不同增速策略老年女性下肢關(guān)節(jié)角度和角速度的變化規(guī)律，可為完善老年患者人群臨床上的測試與評估方案，以及觀察患者步行過程中下肢關(guān)節(jié)活動能力等方面提供參考依據(jù)。

本研究的局限性和未來展望：首先，本研究未對受試者的身高或腿長進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，可能這些差異會影響其下肢關(guān)節(jié)角度和角速度的準(zhǔn)確評估，影響臨床醫(yī)生或康復(fù)師對數(shù)據(jù)的理解和解釋。其次，僅選擇27名健康老年女性，樣本量略顯不足，同時還只測試自然行走和快速行走兩種情況下的下肢關(guān)節(jié)角度和角速度。目前圍繞老年人步行增速策略的相關(guān)研究甚少，今后針對老年人群步態(tài)的生物力學(xué)研究不能僅局限于速度，應(yīng)該進一步考慮步幅和步頻對其下肢關(guān)節(jié)運動的影響。最后，本研究僅對健康老年女性進行研究，其結(jié)果可能并不適合步態(tài)障礙患者人群，但有助于為不同下肢關(guān)節(jié)病理性老年女性患者個性化的步態(tài)訓(xùn)練提供參考依據(jù)。

4 結(jié)論

不論何種增速策略的健康老年女性，其步態(tài)周期內(nèi)的下肢關(guān)節(jié)角度和角速度變化輪廓較為一致，一些重要時相的峰值大小與自身的下肢肌肉力量和步行策略有關(guān)。