老齡化對(duì)下樓梯動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征的影響

曹傳寶 吳耀宇 馬剛 鄭慧芬 張翠 宋祺鵬 王疆娜 孫威 馬騰

1 山東體育學(xué)院（山東濟(jì)南 250100）

2 山東省體育科學(xué)研究中心（山東濟(jì)南 250100）

隨著我國(guó)老齡化進(jìn)程的加劇，預(yù)計(jì)到2050年，老年人口總量將超過(guò)4 億，老齡化水平增長(zhǎng)至30%以上[1]。流行病學(xué)數(shù)據(jù)顯示，約有三分之一的老年人每年至少發(fā)生一次跌倒[2]。跌倒會(huì)造成老年人肌肉骨骼系統(tǒng)損傷，喪失獨(dú)立生活能力，甚至威脅到生命安全[3]。約26%的跌倒發(fā)生在樓梯行走過(guò)程中[4]，其中下樓梯跌倒超過(guò)四分之三，是導(dǎo)致老年人跌倒的主要外部因素之一[5]。

老年人行走過(guò)程中身體穩(wěn)定性控制是影響樓梯跌倒的主要因素[6-7]。人體靜態(tài)穩(wěn)定性理論認(rèn)為，人體質(zhì)心（center of mass，CoM）在地面的投影應(yīng)保持在支撐面（base of support，BoS）內(nèi)[8]。已有研究多應(yīng)用CoM和足底壓力中心（center of pressure，CoP）的晃動(dòng)速度以及晃動(dòng)幅度評(píng)估身體穩(wěn)定性[9-10]。然而人體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，利用靜態(tài)穩(wěn)定理論很難對(duì)其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行解釋?zhuān)坏貌豢紤]CoM 的位置和速度對(duì)人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的共同影響[11-13]。Hof等[13]把質(zhì)心在水平面的垂直投影位置加上質(zhì)心速度與因子ω0的比值定義為外推質(zhì)心（extrapolated centre of mass position，CM）；把CM 到BoS邊界的最小距離定義為動(dòng)態(tài)穩(wěn)度（margin of stability，MoS），該指標(biāo)考慮了支撐面、質(zhì)心位置以及速度三因素的綜合影響，是量化人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的客觀指標(biāo)。該方法已應(yīng)用于走[14-15]、跑[16]等研究中，而關(guān)于老年人下樓梯狀態(tài)下動(dòng)態(tài)穩(wěn)度的研究較為少見(jiàn)。

下肢肌骨系統(tǒng)受力也是影響老年人樓梯行走高跌倒風(fēng)險(xiǎn)的另一個(gè)主要因素[17-18]。以往多應(yīng)用地面反作用力、肌力、關(guān)節(jié)力矩評(píng)估下肢肌骨系統(tǒng)受力[17-19]，然而在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，不得不考慮人體骨骼間的內(nèi)部作用力對(duì)人體肌骨系統(tǒng)受力的影響，但應(yīng)用骨骼間內(nèi)部作用力相關(guān)的生物力學(xué)指標(biāo)評(píng)估下肢肌骨系統(tǒng)受力的研究較為少見(jiàn)。有研究已經(jīng)確定了膝關(guān)節(jié)在樓梯行走中的主導(dǎo)作用和動(dòng)力源模式[19]，膝關(guān)節(jié)內(nèi)部髕骨與股骨之間因接觸而產(chǎn)生的壓力為髕股關(guān)節(jié)力（patellofemoral joint force，PFJF），兩者接觸部位單位面積的PFJF稱(chēng)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力（patellofemoral joint stress，PFJS）。相比于膝關(guān)節(jié)力矩，PFJS 能夠更好地解釋膝關(guān)節(jié)內(nèi)部髕骨與股骨受力的關(guān)系。有研究發(fā)現(xiàn)，相比于平地行走，樓梯行走中較高的PFJF與PFJS是導(dǎo)致髕股關(guān)節(jié)軟骨磨損、疼痛和退行性病變的主要因素[20]，而關(guān)節(jié)的退行性病變是導(dǎo)致老年人跌倒風(fēng)險(xiǎn)增加的重要因素[20]。PFJS是評(píng)價(jià)下肢髕股關(guān)節(jié)受力較敏感的指標(biāo)，這在走[21]、跑[22-23]、騎行[24]等運(yùn)動(dòng)中已經(jīng)被證實(shí)，但關(guān)于老年人下樓梯PFJS的研究較為少見(jiàn)。

本研究旨在對(duì)比老年人與青年人下樓梯動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、髕股關(guān)節(jié)力學(xué)的差異，探討老齡化對(duì)樓梯行走中膝關(guān)節(jié)力學(xué)特征和跌倒風(fēng)險(xiǎn)的影響，為預(yù)防老年人下樓梯跌倒提供理論參考，并為相關(guān)運(yùn)動(dòng)輔具的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。本研究假設(shè)：相比于年輕人，（1）老年人下樓梯動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性較差；（2）老年人的PFJS較大。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

應(yīng)用Gpower 軟件，參考以往研究，設(shè)置power 為0.8，α為0.05，效應(yīng)量為0.4，組數(shù)2組，計(jì)算出所需單組樣本量為15人[25]，本研究選取樣本量為每組18人。

從學(xué)校和社區(qū)分別隨機(jī)選取青年和老年女性受試者各18名，受試者基本信息如表1所示。納入標(biāo)準(zhǔn)：①青年組年齡20～30 歲，老年組年齡65～75 歲；②能夠獨(dú)立完成樓梯行走；③近一年內(nèi)無(wú)跌倒史。排除標(biāo)準(zhǔn)：①心腦血管疾??；②呼吸系統(tǒng)疾??；③肌肉骨骼系統(tǒng)疾病；④視覺(jué)功能異常、前庭功能異常等影響姿勢(shì)控制能力的疾病以及服用影響姿勢(shì)控制能力的藥物；⑤神經(jīng)系統(tǒng)異常、嚴(yán)重的認(rèn)知功能障礙。所有受試者均簽訂了知情同意書(shū)，并告知注意事項(xiàng)。

表1 受試者基本信息

1.2 儀器設(shè)備

1.2.1 模擬樓梯

模擬樓梯由1 cm 厚的鋼板焊接而成，重約1.5 t，保障了測(cè)試過(guò)程中樓梯的穩(wěn)定性。樓梯共有6 級(jí)階梯，每級(jí)梯高為17 cm，每一步踏面深度為30 cm，踏寬為150 cm[10]。

1.2.2 三維測(cè)力臺(tái)

采用一塊瑞士Kistler 三維測(cè)力臺(tái)（型號(hào)9287BA，規(guī)格90 cm×60 cm×10 cm），采樣頻率1000 Hz，采集動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。測(cè)力臺(tái)置于模擬樓梯的第三階臺(tái)階的凹槽內(nèi)。

1.2.3 Vicon運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)

采用8 臺(tái)英國(guó)產(chǎn)紅外攝像頭Vicon 三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，以及相配套的直徑為14 mm 紅外反光的Marker點(diǎn)和Vicon Nexus 1.7.1 數(shù)據(jù)采集軟件，采集運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，采集頻率為100 Hz。

1.3 測(cè)試流程

受試者身著統(tǒng)一測(cè)試服、測(cè)試鞋，并進(jìn)行身體形態(tài)學(xué)參數(shù)測(cè)量以及優(yōu)勢(shì)腿的測(cè)試[26]。經(jīng)測(cè)試，所有受試者優(yōu)勢(shì)腿均為右腿。實(shí)驗(yàn)人員按照Visual3D模型將41個(gè)Marker點(diǎn)分別粘貼在受試者頭部、左右上臂、左右前臂、軀干、骨盆、左右大腿、左右小腿以及左右足骨性標(biāo)志點(diǎn)。為消除初始速度對(duì)下樓梯參數(shù)的影響，受試者自第6 階臺(tái)階邊緣15 cm 處采用“一步一級(jí)臺(tái)階”的方式以自選速度進(jìn)行下樓梯行走，全程禁止跨越樓梯臺(tái)階[25]。為確保優(yōu)勢(shì)腳踩踏測(cè)力臺(tái)，受試者下樓梯行走時(shí)優(yōu)勢(shì)腿先邁步。受試者優(yōu)勢(shì)腿完全踩踏在測(cè)力臺(tái)上記為一次成功測(cè)試，共計(jì)完成3 次有效數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)測(cè)試如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖

1.4 數(shù)據(jù)處理

原始運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)使用Vicon Nexus軟件進(jìn)行Marker 點(diǎn)的命名、建模、截取和刪補(bǔ)處理，并與相對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)共同導(dǎo)入Visual3D（C-Motion，美國(guó)）軟件進(jìn)行建模、濾波、標(biāo)準(zhǔn)化等處理。運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采用巴特沃斯四階數(shù)字低通濾波，截止頻率分別為6 Hz和50 Hz[24，27]。動(dòng)作周期以時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化，動(dòng)力學(xué)指標(biāo)以體重標(biāo)準(zhǔn)化。每位受試者取三次有效數(shù)據(jù)的平均值用于分析。

選取步態(tài)周期的優(yōu)勢(shì)腿支撐相進(jìn)行分析，優(yōu)勢(shì)腿支撐相定義為優(yōu)勢(shì)腳在第三階觸地開(kāi)始，到優(yōu)勢(shì)腳在第三階離地結(jié)束。將腳觸地時(shí)刻定義為測(cè)力臺(tái)測(cè)得的Z軸方向上的地面反作用力F≥20 N的時(shí)刻[10，12]。將優(yōu)勢(shì)腿支撐相劃分為第一雙支撐階段（first double support phase，F(xiàn)DS）、優(yōu)勢(shì)腿單支撐階段（single support phase，SSP）和第二雙支撐階段（second double support phase，SDS）。FDS定義為優(yōu)勢(shì)腳在模擬樓梯第三階觸地開(kāi)始，到非優(yōu)勢(shì)腳在第四階離地結(jié)束；SSP 定義為非優(yōu)勢(shì)腳在模擬樓梯第四階離地開(kāi)始，到非優(yōu)勢(shì)腳在第二階觸地結(jié)束；SDS 定義為非優(yōu)勢(shì)腳在模擬樓梯第二階觸地開(kāi)始，到優(yōu)勢(shì)腳在第三階離地結(jié)束[25]。

1.5 測(cè)試指標(biāo)

1.5.1 動(dòng)態(tài)穩(wěn)度

Hof等[13]發(fā)現(xiàn)，步態(tài)測(cè)試中擺動(dòng)腿觸地時(shí)為人體最不穩(wěn)定的時(shí)刻，此時(shí)動(dòng)態(tài)穩(wěn)度最小。因此，本研究選取非優(yōu)勢(shì)腳觸地時(shí)刻進(jìn)行動(dòng)態(tài)穩(wěn)度分析。動(dòng)態(tài)穩(wěn)度的計(jì)算公式如下[13]：

其中，ω0為人體倒置鐘擺模型的頻率，g 為重力加速度，l是人體質(zhì)心到地面的垂直距離；CM 為外推質(zhì)心，dCoM表示某時(shí)刻質(zhì)心的位移，vCoM表示某時(shí)刻質(zhì)心的速度；MoS為某時(shí)刻的動(dòng)態(tài)穩(wěn)度，Bmax為支撐面某一方向邊界的最大值。本研究中的Bmax 通過(guò)足底壓力中心的位置表示[12-13]（圖2）。

圖2 動(dòng)態(tài)穩(wěn)度示意圖

1.5.2 髕股關(guān)節(jié)力學(xué)

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于動(dòng)態(tài)條件下PFJF 的研究中，計(jì)算方法主要采用生物力學(xué)模型的方法[24]，本研究引用Bressel 等[28]的計(jì)算模型，此方法也受到國(guó)內(nèi)外研究者的認(rèn)可[21，24]。依據(jù)Vannatta等[23]使用的模型回歸方程計(jì)算髕股與股骨的接觸面積，在上述基礎(chǔ)上完成PFJS 的計(jì)算。本研究選擇優(yōu)勢(shì)腿支撐相進(jìn)行髕股關(guān)節(jié)的受力分析，具體計(jì)算方法如下：

（1）股四頭肌肌力計(jì)算[28]

膝關(guān)節(jié)伸膝力矩與股四頭肌有效肌力臂的比值定義為股四頭肌肌力[28]。

式中LA（cm）為股四頭肌有效肌力臂，θ（°）為矢狀面的膝關(guān)節(jié)角度，LA為θ的分段函數(shù)[28]。

本研究下樓梯行走中矢狀面凈膝關(guān)節(jié)力矩正值時(shí)為膝關(guān)節(jié)伸膝力矩[28]，即：

式中MEXT（N·m）為矢狀面凈膝關(guān)節(jié)力矩，MNET（N·m）為膝關(guān)節(jié)伸膝力矩。

式中FQ（N）為股四頭肌肌力，θi（°）為第i幀膝關(guān)節(jié)屈伸角度[28]。

（2）髕股關(guān)節(jié)力計(jì)算[28]

其中：

式中FPF（N）為PFJF，β（°）為股四頭肌肌力線(xiàn)與髕韌帶拉力線(xiàn)之間的夾角[28]。

（3）髕股與股骨接觸面積的計(jì)算[23]

髕股與股骨的接觸面積為矢狀面膝關(guān)節(jié)角度θ（°）的函數(shù)，具體計(jì)算公式如下：

式中SPFCA（θi）為髕股與股骨的接觸面積。

（4）髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力計(jì)算[28]

式中PPFJS（MPa）即PFJS。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

本研究中自變量為年齡分組（青年組、老年組），因變量為兩組受試者觸地時(shí)刻的質(zhì)心投影位置（dCoM）、質(zhì)心速度（vCoM）、外推的質(zhì)心位置（CM）、最遠(yuǎn)支撐邊界（Bmax）、動(dòng)態(tài)穩(wěn)度（MoS）、髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的膝關(guān)節(jié)角度（KApeak）、矢狀面膝關(guān)節(jié)力矩峰值（KMpeak）、股四頭肌肌力峰值（QFpeak）、髕股關(guān)節(jié)力峰值（PFJFpeak）、髕股關(guān)節(jié)峰值應(yīng)力（PFJSpeak）等指標(biāo)。

應(yīng)用Spss19.0 對(duì)因變量進(jìn)行正態(tài)分布和同質(zhì)性檢驗(yàn)，應(yīng)用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，若符合t檢驗(yàn)條件，應(yīng)用Student'sttest方法進(jìn)行組間樣本t檢驗(yàn)；若不符合t檢驗(yàn)條件，應(yīng)用K-S test方法進(jìn)行組間樣本非參數(shù)分析。應(yīng)用雙因素方差分析對(duì)髕股關(guān)節(jié)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行組間與組內(nèi)分析，若存在交互效應(yīng)，應(yīng)用Tukey進(jìn)行事后檢驗(yàn)。本研究所得參數(shù)結(jié)果均用平均值± 標(biāo)準(zhǔn)差表示，顯著性水平設(shè)置為P＜0.05。

2 結(jié)果

2.1 動(dòng)態(tài)穩(wěn)度

由表2可知，在右腳觸地時(shí)刻，左-右方向青年組與老年組dCoMml、vCoMml、CMml、Bmaxml以及MoSml均無(wú)顯著性差異（P＞0.05），質(zhì)心的速度方向均指向右側(cè)。

表2 右腳觸地時(shí)刻青年組與老年組的左-右方向動(dòng)態(tài)穩(wěn)定參數(shù)

由表3可知，在右腳觸地時(shí)刻前-后方向上與青年組相比，老年組dCoMap較大（P=0.000）；vCoMap顯著較?。≒=0.008）；CMap顯著較大（P=0.000）；Bmaxap顯著較?。≒=0.000）；老年組的MoSap為負(fù)值，青年組為正值，組間具有顯著性差異（P=0.000）。

表3 右腳觸地時(shí)刻青年組與老年組的前-后方向動(dòng)態(tài)穩(wěn)定參數(shù)

2.2 髕股關(guān)節(jié)力學(xué)

如圖3所示，老年組與青年組的膝關(guān)節(jié)角度（KA）、矢狀面膝關(guān)節(jié)力矩（KM）、股四頭肌肌力（QF）、PFJF和PFJS 在單支撐相周期內(nèi)的曲線(xiàn)變化趨勢(shì)趨于一致，且兩組受試者的KM、QF、PFJF與PFJS在單支撐相時(shí)間內(nèi)均出現(xiàn)兩個(gè)峰值。優(yōu)勢(shì)腿的KA 在整個(gè)單支撐相周期內(nèi)持續(xù)增加；KM、QF、PFJF 與PFJS 在整個(gè)FDS 階段處于增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨后在SSP階段繼續(xù)增大達(dá)到第一峰值，隨后減小再增大，最后在SDS初始階段達(dá)到第二峰值，后再次減小。

本研究繼續(xù)對(duì)受試者單支撐相周期內(nèi)髕股關(guān)節(jié)力學(xué)指標(biāo)出現(xiàn)的兩次峰值分別進(jìn)行比較，如圖4所示，青年組與老年組的PFJS 第一峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的膝關(guān)節(jié)角度（KApeak-1）分別為36.64 ± 7.45°、31.88 ± 7.13°，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.072）；與青年組相比，老年組具有較小的矢狀面膝關(guān)節(jié)力矩第一峰值（KMpeak-1，P=0.014）、股四頭肌肌力第一峰值（QFpeak-1，P=0.001）、髕股關(guān)節(jié)力第一峰值（PFJFpeak-1，P=0.001）與髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力第一峰值（PFJSpeak-1，P=0.012）。

青年組與老年組的PFJS 第二峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的膝關(guān)節(jié)角度（KApeak-2）分別為62.72 ± 6.25°、54.75 ±5.70°，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.003）；與青年組相比，老年組具有較小的矢狀面膝關(guān)節(jié)力矩第二峰值（KMpeak-2，P=0.000）、股四頭肌肌力第二峰值（QFpeak-2，P=0.000）、髕股關(guān)節(jié)力第二峰值（PFJFpeak-2，P=0.000）與髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力第二峰值（PFJSpeak-2，P=0.022）。

在青年組中，KMpeak-2與KMpeak-1無(wú)顯著性差異（P=0.680）；與第一峰值相比，第二峰值的KAPFJS-2（P=0.000）、QFpeak-2（P=0.000）、PFJFpeak-2（P=0.246）與PFJSpeak-2（P=0.000）顯著較大。

在老年組中，與第一峰值相比，第二峰值中的KAP-FJS-2（P=0.009）、KMpeak-2（P=0.000）、QFpeak-2（P=0.000）、PFJFpeak-2（P=0.000）和PFJSpeak-2（P=0.009）均顯著較大。

圖3 KA、KM、QF、PFJF與PFJS隨著單支撐相時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖4 青年組與老年組KApeak、KMpeak、QFpeak、PFJFpeak和PFJSpeak比較

3 討論

3.1 動(dòng)態(tài)穩(wěn)度的差異性

本研究結(jié)果顯示，與青年人相比，老年人下樓梯行走前-后方向MoS 較小，且為負(fù)值，具有更易向前跌倒的風(fēng)險(xiǎn)。這一結(jié)果支持了本研究老年人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性較差的假設(shè)。但左-右方向MoS 以及影響MoS 的因子指標(biāo)均無(wú)顯著差異，由此可知，老年人并未表現(xiàn)出左右方向的易跌倒風(fēng)險(xiǎn)。

在步態(tài)研究中，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是指人在走步過(guò)程中保持身體直立姿勢(shì)，處于穩(wěn)定狀態(tài)而不跌倒的能力[13，29]，MoS是以量化運(yùn)動(dòng)中支撐面、質(zhì)心位置及速度三者的實(shí)時(shí)關(guān)系來(lái)評(píng)價(jià)人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的科學(xué)性指標(biāo)[13-15]。倒鐘擺模型理論認(rèn)為，MoS 為Bmax 與CM 的差值，而人體CoM 的位置和速度對(duì)CM 起決定性作用[13]。對(duì)某一支撐方向而言，若CM在BoS內(nèi)，MoS則為正值，表明人體處于穩(wěn)定狀態(tài)；若CM 超過(guò)Bmax，MoS 則為負(fù)值，表明人體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

本研究發(fā)現(xiàn)，老年人在下樓梯行走中具有較小的vCoM，這與前人的研究結(jié)果一致。Hamel 等[30]的研究認(rèn)為，老年人是因?yàn)槿狈π判亩扇×诉\(yùn)動(dòng)控制策略，以預(yù)防跌倒風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。老年人vCoM 的減小有利于控制CM 的前移，使其保持在支撐面范圍內(nèi)，以降低向前跌倒的風(fēng)險(xiǎn)。

在前-后方向，本研究發(fā)現(xiàn)，老年人具有更大的dCoM，在下樓梯行走中，老年人表現(xiàn)出質(zhì)心前移的特征，這與Novak 等[9]的研究結(jié)果一致。其研究發(fā)現(xiàn)過(guò)度的軀干前傾角和頭部前傾角導(dǎo)致老年人身體CoM 前移，可能會(huì)增加向前跌倒的風(fēng)險(xiǎn)[9-10]。本研究利用動(dòng)態(tài)穩(wěn)度的方法驗(yàn)證了前人的假設(shè)，老年人質(zhì)心前移可能會(huì)產(chǎn)生較大的CM，降低老年人前-后方向的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

Young 等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，步長(zhǎng)是影響前-后方向Bmax 的重要因素，步長(zhǎng)越大，Bmax 也越大。根據(jù)本研究MoS 的計(jì)算方法可知[13]，Bmax 是影響樓梯行走M(jìn)oS的重要因素，增加Bmax 有利于提高M(jìn)oS。本研究結(jié)果顯示，老年人下樓梯行走前-后方向Bmax 顯著小于青年人，也是導(dǎo)致老年人具有較小MoS 的原因之一。這可能是因?yàn)槔夏耆嗽谙聵翘菪凶咧休^小的步長(zhǎng)導(dǎo)致了Bmax減小，降低了老年人的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

綜上所述，我們建議老年人在下樓梯行走中，采取適當(dāng)增加步長(zhǎng)、后移質(zhì)心、降低步速的策略增加身體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，降低向前跌倒的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征

本研究結(jié)果顯示，老年人PFJS 分別在SSP 階段和SDS初始階段出現(xiàn)峰值，青年人也得到類(lèi)似的結(jié)果，這與Brechter 等[31]、Powers 等[32]研究結(jié)果一致。老年人下樓梯過(guò)程中，在SSP 階段，抵制CoM 下降的制動(dòng)時(shí)刻，會(huì)產(chǎn)生較大的地面反作用力、制動(dòng)沖量和KM[10，17]。根據(jù)本研究PFJS 的計(jì)算方法可知，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的PFJS[28]。在SDS 初始階段，左腳觸地時(shí)刻，人體的支撐力主要來(lái)自右腿，且此時(shí)右腿具有較大的矢狀面膝關(guān)節(jié)角度，需要更大的KM 和QF 來(lái)維持身體的穩(wěn)定，因此，此時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大的PFJS[28，33]。

Goodfellow 等[34]指出，關(guān)節(jié)軟骨退變導(dǎo)致軟骨易受壓力變化的影響，正常情況下健康的軟骨會(huì)吸收壓力變化。與平地行走相比，樓梯行走中髕股關(guān)節(jié)需要承受更大的壓力[32]。隨著年齡的增加，老年人髕骨軟骨退變[20，35]、髕骨軟骨體積減小[36]，髕股關(guān)節(jié)無(wú)法承受更大的絕對(duì)應(yīng)力。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，老年人PFJS 的兩峰值均較小，不支持本研究老年人PFJS 峰值較高的假設(shè)，但這并不代表老年人會(huì)發(fā)生PFP。已有研究發(fā)現(xiàn)，雖然PFP 的病因尚不清楚，但髕股關(guān)節(jié)過(guò)度應(yīng)激是被普遍接受的機(jī)制[32]。因此，老年人具有較小的PFJS，這可能歸因于老年人髕股關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與功能的退化，無(wú)法承受過(guò)度的應(yīng)激，而產(chǎn)生的神經(jīng)肌肉自我保護(hù)機(jī)制，即老年人通過(guò)減小vCoM、QF、KM等策略降低PFJS。

值得注意的是，本研究發(fā)現(xiàn)，與第一峰值相比，老年人具有較大的PFJSpeak-2。老年人下樓梯行走在SDS初始階段產(chǎn)生PFJSpeak-2，對(duì)其髕股關(guān)節(jié)造成更大的負(fù)擔(dān)，因此，建議老年人在此時(shí)刻采取措施，預(yù)防PFP 的發(fā)生，例如：在SDS初始階段使用拐杖或樓梯欄桿作為第二支撐，減小PFJS。

3.3 髕股關(guān)節(jié)力學(xué)對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響

人體的MoS＜0并不代表一定會(huì)跌倒。人體的穩(wěn)定極限隨環(huán)境、動(dòng)作、個(gè)體差異以及姿勢(shì)控制策略的變化而發(fā)生變化[12-13]。人體在非穩(wěn)定狀態(tài)下，為了保持平衡，往往會(huì)通過(guò)補(bǔ)償性姿勢(shì)來(lái)改變支撐面，如及時(shí)地完成邁步動(dòng)作[9]，或采取抓握支撐物等補(bǔ)償性動(dòng)作[12，29]，人體的穩(wěn)定性即可獲得恢復(fù)。但此過(guò)程需要神經(jīng)肌肉的快速響應(yīng)，以及足夠的肌肉力量以完成姿勢(shì)調(diào)整，保持身體穩(wěn)定性[37]。Bosse 等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，老年人在樓梯行走中前-后方向具有較小的MoS，他們認(rèn)為可能是由于衰老導(dǎo)致的老年人肌力過(guò)度流失和姿勢(shì)控制能力下降所致。本研究驗(yàn)證了Bosse等的假設(shè)，老年人具有較小的QF，下肢不能提供充分的支撐力，是導(dǎo)致老年人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性較差的重要因素；而且有研究發(fā)現(xiàn)，QF 的下降也會(huì)降低膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性[37]，進(jìn)而導(dǎo)致身體穩(wěn)定性下降[38]，增加老年人跌倒的風(fēng)險(xiǎn)。

以往研究發(fā)現(xiàn)，在樓梯行走的過(guò)程中，人體矢狀面最大的關(guān)節(jié)力矩發(fā)生在膝關(guān)節(jié)處，與平地行走相比，樓梯行走過(guò)程中KM 增加了近一倍[39]。在下樓梯過(guò)程中較大的KM 既能有效控制CoM 運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，又可以抵消因軀干和擺動(dòng)腿晃動(dòng)而產(chǎn)生的內(nèi)收力矩[33]。本研究發(fā)現(xiàn)，與青年人相比，老年人具有較小的MoS，這也可能與老年人較小的KM 有關(guān)。老年人較小的KM 可能與其自身髕股關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與功能退化，無(wú)法承受過(guò)度應(yīng)激有關(guān)。老年人較小的KM 無(wú)法有效地支撐身體重量，控制軀干和擺動(dòng)腿的晃動(dòng)，無(wú)法有效地控制身體平衡[33]，進(jìn)而導(dǎo)致跌倒風(fēng)險(xiǎn)增大。

綜上所述，老年人在樓梯行走中為了降低髕股關(guān)節(jié)應(yīng)激，可能采取減小QF、KM的神經(jīng)肌肉自我保護(hù)機(jī)制。此適應(yīng)性保護(hù)機(jī)制雖然在一定程度上降低了PFJS，但也減小了MoS，降低了身體的穩(wěn)定性，增加了下樓梯跌倒的風(fēng)險(xiǎn)。因此，基于本研究結(jié)果，下肢膝關(guān)節(jié)伸膝力矩的增大有利于增加身體穩(wěn)定性，建議老年人強(qiáng)化下肢肌力，特別是股四頭肌力量訓(xùn)練。

3.4 本研究存在的局限性與后期展望

本研究存在一定的局限性。首先，招募的受試者全部為女性，對(duì)研究結(jié)果的解釋僅限于女性。其次，本研究的髕股力學(xué)特征是基于力學(xué)方程計(jì)算得到的，這些計(jì)算結(jié)果與真實(shí)的人體受力存在誤差，在后續(xù)研究中可以采用更加先進(jìn)、準(zhǔn)確的方法進(jìn)行探討。最后，本研究沒(méi)有提供應(yīng)力的分布，僅計(jì)算了應(yīng)力大小，有學(xué)者認(rèn)為應(yīng)力的分布似乎更加重要，可以精準(zhǔn)定位關(guān)節(jié)面高損傷風(fēng)險(xiǎn)的部位[40]，后續(xù)研究可以進(jìn)行深入分析。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果顯示，與青年女性相比，老年女性在下樓梯行走中動(dòng)態(tài)穩(wěn)度較小，且為負(fù)值，向前跌倒風(fēng)險(xiǎn)較大；髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力較小。老年人可能采取減小股四頭肌肌力、膝關(guān)節(jié)力矩的神經(jīng)肌肉自我保護(hù)機(jī)制，這雖然能在一定程度上降低髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力，但是增加了樓梯跌倒的風(fēng)險(xiǎn)。因此，建議老年人強(qiáng)化下肢肌力，特別是股四頭肌力量的訓(xùn)練；同時(shí)在下樓梯行走中采取后移質(zhì)心、增加步長(zhǎng)、降低步速的策略，以減小向前跌倒的風(fēng)險(xiǎn)。