基于雙任務范式下樓梯行走運動學與動力學特征研究

摘 要：目的：探討認知任務和動作任務對下樓梯過程中運動學和動力學的影響。方法：選取37名受試者在單任務、認知任務及動作任務條件進行下樓梯行走，并采集運動學和動力學數(shù)據(jù)。結果：兩種雙任務狀態(tài)下的步態(tài)特征、負載率、下肢關節(jié)力矩和功率與單任務狀態(tài)相比顯著降低。與認知任務相比，受試者在動作任務下有較低的膝關節(jié)屈/伸范圍、負載率、髖屈曲力矩峰值、伸膝力矩第一峰值、踝跖屈力矩第一峰值、膝關節(jié)功率緩沖第一峰值和較小的步寬。結論：雙重任務對下樓梯行走的運動學和動力學參數(shù)有顯著影響，進一步的研究可以關注于雙任務的復雜程度對樓梯行走過程中生物力學參數(shù)的影響。

關鍵詞：雙任務;關節(jié)力矩;步態(tài);樓梯行走

中圖分類號：G804.6? 文獻標識碼：A? 文章編號：1009-9840（2020）06-0053-04

Kinematic and kinetic analysis of downstair walking during dual task paradigm

HE Peidong

（Shandong Sport University， Jinan 250102， Shandong， China）

Abstract：Objective： To investigate the effects of cognitive tasks and action tasks on the kinematics and dynamics of the stairs. Methods： 37 subjects were selected to walk down stairs under single task， cognitive task and action task condition， and the kinematics and dynamics data were collected. Results： The gait characteristics， load rate， lower limb joint torque and power were significantly lower than that of single task state. Compared with cognitive tasks， subjects had lower knee flexion/extension range， load rate， peak hip flexion moment， first peak knee extension moment， first peak ankle plantar flexion moment， first peak of knee power buffer and smaller step width. Conclusion： The double task has a significant influence on the kinematic and dynamic parameters of the stairs. Further research can focus on the influence of the complexity of the two tasks on the biomechanical parameters of the stairs.

Key words：dual task; joint moment; gait; stair walking

收稿日期：2020-08-10

作者簡介：何培東（1974- ），男，山東濟南人，碩士，講師，研究方向運動與健康促進。

樓梯行走是一項危險且具有挑戰(zhàn)性的任務活動[1]，大約有75%的樓梯墜落事件發(fā)生在下樓梯過程中[2]。雙任務范例常用于研究主要任務和次要任務之間的干擾，如走路（主要任務）同時說話（次要任務）。這種干擾是由于注意力的能力或資源有限而造成的[3]。根據(jù)能力共享理論，認知資源的容量是有限的。如果同時執(zhí)行的兩項任務超過了可用的認知資源，任務完成的能效就會下降[3]。

在雙重任務的范例研究中，兩種不同類型的雙重任務，即認知任務（如計數(shù)/算術/Stroop測試）和手動任務（如拿著一個球/盒子/一杯水）被用作次要任務[3-5]。部分研究表明，認知和動作任務會對水平行走時的步態(tài)表現(xiàn)產生消極影[6-7]，減小步行時雙腳足間距和髖屈曲角度[8]。部分研究則顯示了與之不一致的結果，即在站立過程中，動作任務可以減少姿勢的搖擺，增加姿勢的穩(wěn)定性[9-10]。此外，雙任務的相關研究多數(shù)集中在平地行走或上樓梯動作分析，但下樓梯較少受到關注。本研究旨在探討不同雙任務類型對下樓梯過程中運動學和動力學特征的影響。本研究假設：1）下樓梯時，與單任務狀態(tài)相比，在認知和動作任務條件下步態(tài)特征、下肢關節(jié)屈曲/伸展活動度、負載率、下肢關節(jié)力矩和下肢肌力顯著降低;2）兩種任務條件下樓梯行走運動學和動力學參數(shù)差異不顯著。

1 研究方法

1.1 受試者

37名受試者（男性19名，女性18名;年齡：21.6±2.2歲;高度：1.72±0.47 m）自愿參加本研究，且簽署山東體育學院倫理委員會批準的知情同意書。納入標準為：年齡在20～30歲之間，無異常步態(tài)的病史并能夠在不使用扶手的情況下下樓梯行走。排除標準包括任何認知障礙的病史，心血管、視覺和前庭功能缺陷，下肢關節(jié)置換或任何類型的神經肌肉控制障礙。

1.2 實驗方案

在數(shù)據(jù)采集過程中，所有受試者被要求穿著不反光的緊身服裝和運動鞋。所有受試者的右腿被確定為優(yōu)勢腿[11]。在測試前，研究人員向受試者解釋測試方案，以確保他們能準確理解。受試者站在最上面的臺階上，腳趾放置距最高臺階邊緣15 cm處，雙眼直視前方。在每次試驗開始時，受試者在收到研究人員“開始”命令后，優(yōu)勢腿首先邁步進行下樓梯行走，三種不同任務的測試順序按照隨機化原則。

1.3 任務條件

1）單任務條件：受試者在無干擾情況下以自選舒適速度下樓梯;2）認知任務條件：在下樓梯行走的同時進行隨機三位數(shù)減3的運算;3）動作任務條件：優(yōu)勢側手持一杯水（0.63 kg）下樓梯行走。

1.4 數(shù)據(jù)采集

為了收集本研究的數(shù)據(jù)，我們搭建了一個六級的模擬樓梯（每級臺階高17 cm，深29 cm）[12]。在樓梯第三級臺階上鑲嵌測力平臺（Kistler， 9287BA，瑞士）收集動力學數(shù)據(jù)，采集頻率為1000 Hz。8個攝像頭的Vicon系統(tǒng)（Vicon運動系統(tǒng)，Ltd.，牛津，英國）被用來捕捉運動學數(shù)據(jù)，采集頻率設置為100 Hz。用雙面膠布在皮膚或緊身衣的解剖標志上放置40個反光Marker點。經過三次練習后，在三種條件下分別進行了三次成功的數(shù)據(jù)采集。

1.5 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)被導出到Visual 3D軟件中（C-motion， Inc.， Germantown， MD， US）。構建15個靜態(tài)剛體節(jié)段模型：頭、軀干、骨盆、右/左大腿左右小腿、左右足、左右上臂、左右前臂和左右手。運動學和動力學數(shù)據(jù)采用二階巴特沃思低通濾波器進行濾波，截止頻率分別為6 Hz、8 Hz[13]。步態(tài)周期被定義為從右腳碰觸到第三臺階到右腳落于第一臺階。腳著地定義為測力臺垂直方向的地面反作用力大于20 N時[14-15]。

1.6 測試指標

1）運動學參數(shù)：步態(tài)周期時間、步速、步頻、步寬、雙支撐時相時間、下肢髖膝踝關節(jié)屈伸運動幅度;2）動力學參數(shù)：負載率、髖膝踝關節(jié)屈伸力矩峰值及功率峰值。

1.7 統(tǒng)計學分析

應用SPSS 17.0軟件（IBM， Armonk， NY， USA）單因素重復測量方差分析，探討單任務、認知任務和動作任務條件下的運動學和動力學指標間差異的顯著程度，采用Bonferroni校正進行兩兩比較。顯著性水平設為0.05。

2 結果

2.1 運動學參數(shù)

表1顯示，三種下樓梯任務在步速（F=31.42，P<0.001）、步寬（F=7.39，P<0.001）、步頻（F=31.72，P<0.001）、步行時間（F=17.22，P<0.001）、雙支撐（F=25.00，P<0.001）、髖關節(jié)屈/伸活動度（F=0.194，P=0.825）、膝關節(jié)屈/伸活動度（F=8.036，P=0.001）和踝關節(jié)屈/伸活動度（F=2.097，P=0.139）存在顯著差異。

事后比較顯示，與對照組相比，認知任務條件下的受試者有19%的步速變慢（P<0.001），19%的步頻變慢（P<0.001），27%的步行時間變長（P=0.007）和8.2%的雙支撐時長占比變高（P=0.013）。與對照組相比，動作任務條件下的受試者有20%的步速變慢（P<0.001），23%的步寬變窄（P=0.012），19%的步頻減少（P< 0.001）， 25%的步行時間變長（P<0.001），10%雙支撐時長占比變高（P=0.011）和3.7%的膝關節(jié)屈/伸活動度減少 （P=0.022）。與認知任務組相比，動作任務組的步寬減少24%（P=0.012），膝關節(jié)屈/伸活動度減少5.2% （P=0.022）。

2.2 動力學參數(shù)

表2顯示，在三種下樓梯任務中負載率（F=31.67，P<0.001）、髖關節(jié)屈曲力矩峰值（F=12.23，P< 0.001）、伸膝力矩第一峰值（F=14.95，P< 0.001）、踝跖屈力矩第一峰值（F=3.64，P=0.020）、踝跖屈力矩第二峰值（F=9.53，P< 0.001）、髖部力量產生第二峰值（F=9.93，P<0.001）、膝關節(jié)功率緩沖第一峰值（F=19.02，P< 0.001）、膝關節(jié)功率緩沖第二峰值（F=17.66，P<0.001）、踝關節(jié)功率緩沖峰值（F=18.68，P<0.001）和踝關節(jié)功率產生峰值（F=3.22，P=0.030）之間存在顯著差異。

認知任務條件下的受試者比對照組的負重率降低24% （P<0.001），髖部功率產生第二峰值低26%（P=0.012），膝關節(jié)功率緩沖第二峰值減少15%（P=0.039），踝關節(jié)功率緩沖峰值少21%（P=0.044）。動作任務條件下的受試者比對照組的負重率低64%（P<0.001），髖關節(jié)屈曲力矩峰值低29%（P=0.001），膝伸膝力矩第一峰值下降34%（P<0.001），踝跖屈力矩第一峰值低13%（P=0.008），踝關節(jié)跖屈力矩第二峰值高19%（P=0.009）， 髖關節(jié)功率產生第二峰值減少38%（P=0.007），髖關節(jié)功率產生第二峰值少62%（P= 0.001），膝關節(jié)功率緩沖減少23%（P<0.001），踝關節(jié)功率緩沖峰值減少37%（P< 0.001）與認知任務組相比，動作任務組的負重率降低了32%（P<0.001），髖部屈曲峰值降低了24%（P=0.001），伸膝力矩第一峰值降低了23%（P=0.037），踝跖屈第二峰值力矩降低了19%（P< 0.001），膝關節(jié)功率緩沖降低了54%（P= 0.002）。

3 討論

本研究旨在確定認知和動作任務對年輕人下樓梯過程中運動學和動力學影響。我們的研究結果支持第一條假設。研究結果表明，受試者采用了一種“謹慎策略”，相比于單任務行走，雙任務范式中人體均采用較慢的速度、較小的步頻和較長的跨步時間。這兩項任務對步態(tài)特征均產生不利影響，造成步態(tài)“消耗”，并可能增加步態(tài)中斷的潛在風險，這與先前的研究在雙任務條件下采用相對緩慢速度和步頻的步態(tài)模式結果一致[16-18]。本研究發(fā)現(xiàn)，雙支撐相位百分比的增加作為一種步態(tài)補償策略，以對抗認知和動作任務的干擾。雙支撐階段的支撐面積比單支撐階段更大，因此可能在樓梯行走過程中提供額外的穩(wěn)定性。

與單任務條件相比，雙任務條件下的受試者在下樓梯過程中的垂直地面反作用力負重率更低。較低的負重率可能是對雙任務干擾相關的下樓梯活動適應性的表現(xiàn)。下樓梯過程中身體在人體三個解剖面進行運動[19]。當身體控制重心下移運動中，下肢肌肉須收縮發(fā)立控制身體穩(wěn)定性，導致下肢關節(jié)負載增加[10]。雙重任務干擾會占用部分大腦認知資源，為確保行走安全性，受試者會降低行走速度，減少下肢關節(jié)及整體受力，進而表現(xiàn)出下肢“軟著陸”的現(xiàn)象，降低負重率。動力學結果還顯示，在認知和動作任務下，受試者可以通過降低下肢關節(jié)力矩和功率能力來改變下樓梯的生物力學模式。在樓梯行走過程中，下肢的力矩和力量對穩(wěn)定身體和降低跌倒風險起著重要的作用[20]。下樓梯要求下肢關節(jié)承受大范圍的運動，膝關節(jié)和踝關節(jié)承受較高力矩和功率[19]。認知任務和動作任務下下肢關節(jié)力矩和功率的減少表明，認知或動作任務可能會從神經肌肉控制中分散一些認知資源，降低肌肉能力，重新分配下肢關節(jié)力矩和功率[21]。上述現(xiàn)象可能會導致下樓梯不穩(wěn)定，造成跌倒高風險。

本研究不支持第二條假設。運動學結果表明，與認知任務相比，動作任務條件下的步寬明顯減小，從而可能導致下樓梯過程中內外支撐面減小。Borelly的理論表明，支撐面越小，姿態(tài)控制的穩(wěn)定性越差[22]。因此，在動作任務條件下，減小步寬會增加下降過程中側向跌倒的潛在風險。動力學結果表明，動作任務對關節(jié)力學的負面影響比認知任務更嚴重。在早期站立階段，負荷率、伸膝力矩第一峰值、膝關節(jié)吸收功率降低，而與認知任務相比在動作任務條件下，在站立末期，髖關節(jié)屈曲力矩和踝跖屈力矩第二峰值也降低。在下樓梯過程中，身體下降到下一個臺階，踝關節(jié)和膝關節(jié)吸收能量，從而減少落地沖擊，提高穩(wěn)定性[23]。站立腿的力矩對保持姿勢穩(wěn)定性也起著重要作用[23]。髖關節(jié)/膝關節(jié)/踝關節(jié)有足夠的支撐力，可提高身體穩(wěn)定性，減少跌倒發(fā)生的風險[24]。

認知任務條件和動作任務條件在運動學和動力學上的差異可以用多資源模型理論來解釋。也就是說，如果兩個任務共享相同的認知資源，則第二個任務的干擾會造成第一個任務效能降低[25]。在本研究中，下樓梯和動作任務屬于運動任務，它們共用前額葉皮層、輔助運動區(qū)和前額葉區(qū)等神經元區(qū)域[26]。功能神經影像學研究表明，這些區(qū)域可能在人類運動控制中發(fā)揮重要的作用[27]。因此，與認知任務相比，受試者在動作任務中減少了他們的關節(jié)力矩和力量。

4 結論

綜上所述，雙任務的執(zhí)行降低下樓梯行走時運動表現(xiàn)及下肢動力學特征，可能導致跌倒風險增大，特別是動作任務影響更加顯著。因此，為避免下樓梯跌倒的發(fā)生，應減少行走過程中外界干擾，同時增加外界支撐提高身體穩(wěn)定性。

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