增齡對(duì)健康女性樓梯行走時(shí)身體穩(wěn)定性的影響

馬剛 王疆娜 宋祺鵬 張翠 孫威

(1中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)后勤學(xué)院衛(wèi)生勤務(wù)系，天津 300309;2山東體育學(xué)院;3山東省體育科學(xué)研究中心)

增齡能夠?qū)е录∪夂亢凸琴|(zhì)流失、姿勢(shì)控制能力下降等問題，并由此引發(fā)步態(tài)參數(shù)異常與變異性增加〔2〕，成為導(dǎo)致老年人跌倒的重要原因之一〔3〕。樓梯行走是日常生活中最常見的活動(dòng)。與平地行走相比，樓梯行走具有更大的挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗枰蟮南轮P(guān)節(jié)活動(dòng)度與關(guān)節(jié)力矩〔4〕。有超過一半的跌倒發(fā)生在斜坡和樓梯行走過程中〔5〕，而發(fā)生在樓梯行走中的跌倒次數(shù)占總跌倒次數(shù)的26%〔6〕。樓梯行走過程中跌倒已成為老年人跌倒致殘甚至死亡的重要原因之一。由于樓梯行走需要更好的姿勢(shì)控制能力及更大的關(guān)節(jié)活動(dòng)度，因此較平地行走更具有危險(xiǎn)性〔7〕。然而伴隨增齡，神經(jīng)控制能力〔8〕及肌肉骨骼系統(tǒng)〔9〕功能下降，使得樓梯行走跌倒風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增加。本研究旨在探究增齡對(duì)健康女性樓梯行走時(shí)姿勢(shì)控制能力的影響。

1 對(duì)象與方法

1.1研究對(duì)象 通過微信宣傳、現(xiàn)場(chǎng)招募等方式從學(xué)校和社區(qū)隨機(jī)選取青年女性(青年組)和老年女性(老年組)受試者各20名。納入標(biāo)準(zhǔn)：青年組20～30歲，老年組60～75歲；無規(guī)律鍛煉習(xí)慣；近半年內(nèi)無跌倒史；能夠獨(dú)立完成樓梯行走。排除標(biāo)準(zhǔn)：患有心腦血管疾病，呼吸系統(tǒng)疾病，肌肉骨骼系統(tǒng)疾病及視覺、前庭覺功能異常等影響姿勢(shì)控制能力的疾病或服用影響姿勢(shì)控制能力的藥物者。所有受試者了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)流程和潛在風(fēng)險(xiǎn)并簽署知情同意書。兩組除年齡外，身高、體重和體重指數(shù)(BMI)均無顯著差異(P>0.05)。見表1。

表1 兩組基本情況比較

1.2儀器設(shè)備 (1)模擬樓梯：選用由厚度約為1 cm的鋼板焊接而成的模擬樓梯模擬日常上下樓梯活動(dòng)。樓梯由6級(jí)臺(tái)階組成，每一級(jí)高0.17 m，臺(tái)階寬度為1.5 m，臺(tái)階長(zhǎng)度為0.3 m，樓梯傾斜角為29.4°，符合日常生活中的樓梯標(biāo)準(zhǔn)〔10〕。(2)Vicon紅外運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)(Vicon Motion System，英國(guó)Oxford Metrics Limited公司)：采用8顆紅外攝像頭的Vicon紅外運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)對(duì)樓梯行走的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)配有14 mm直徑的反光Mark點(diǎn)及配套的Vicon Nexus1.7.1數(shù)據(jù)采集處理軟件。將采集頻率設(shè)為100 Hz。(3)Kistler三維測(cè)力臺(tái)(Kistler-9287BA，瑞士奇石樂公司)：采用瑞士KISTLER三維測(cè)力臺(tái)對(duì)樓梯行走的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。將測(cè)力臺(tái)置于第三階樓梯的凹槽內(nèi)并固定。采集頻率設(shè)置為1 000 Hz。

1.3測(cè)試流程 受試者身著統(tǒng)一的測(cè)試衣褲與測(cè)試鞋，并進(jìn)行身體形態(tài)學(xué)測(cè)量與優(yōu)勢(shì)腿測(cè)試。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，所有受試者的優(yōu)勢(shì)側(cè)均為右側(cè)。進(jìn)行正式測(cè)試前，工作人員按照Visual 3D提供的貼點(diǎn)模型將41個(gè)Mark點(diǎn)粘貼于受試者頭部、軀干、骨盆、左右上肢、左右下肢與足的骨性標(biāo)志點(diǎn)上。為確保受試者優(yōu)勢(shì)腿踏上測(cè)力臺(tái)，受試者在樓梯行走過程中，優(yōu)勢(shì)腿先邁步踏上臺(tái)階，且采用“一步一臺(tái)階”的方式上下樓梯。受試者優(yōu)勢(shì)腿完全踏上測(cè)力臺(tái)且測(cè)試過程無停頓、Mark點(diǎn)無掉落時(shí)為有效測(cè)試，每名受試者均重復(fù)5次有效測(cè)試。

1.4數(shù)據(jù)處理 原始的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)采用Vicon Nexus1.7.1軟件進(jìn)行Mark點(diǎn)的重命名、補(bǔ)點(diǎn)、截取操作。完成后將導(dǎo)出的C3D文件導(dǎo)入Visual 3D軟件，進(jìn)行濾波、百分化、標(biāo)準(zhǔn)化等處理。采用Butter Worth四階數(shù)字低通濾波對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，截止頻率為運(yùn)動(dòng)學(xué)6 Hz〔11，12〕，動(dòng)力學(xué)50 Hz〔12〕。在一個(gè)完整的步態(tài)周期中，將從右腳跟著地到右腳跟再次著地時(shí)的水平距離定義為步長(zhǎng)〔13〕；將雙支撐期左右腳跟之間的水平距離定義為步寬〔13〕；而質(zhì)心在前后方向的位移與產(chǎn)生此段位移所需時(shí)間的比值為步速〔14〕；抬腳高度〔15〕為受試者優(yōu)勢(shì)腳腳尖跨過樓梯邊緣瞬時(shí)時(shí)刻腳尖與樓梯邊緣的垂直距離；將髖、膝、踝關(guān)節(jié)在矢狀面繞額狀軸的屈伸力矩定義為關(guān)節(jié)力矩〔16〕。將測(cè)力臺(tái)測(cè)得Z軸上的地面反作用力F≥20 N〔17〕定義為優(yōu)勢(shì)腳成功踏上測(cè)力臺(tái)。

動(dòng)態(tài)穩(wěn)度(MoS)〔18〕為支撐面最遠(yuǎn)邊界(Bmax)到外推質(zhì)心位置(CM)的距離；關(guān)節(jié)剛度〔19，20〕為關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)角度變化的比值。MoS(1)(2)(3)公式計(jì)算得出；而關(guān)節(jié)剛度由公式(4)計(jì)算得出：

(1)

CM=DCoM+VCoM/ω0，

(2)

MoS=Bmax-CM，

(3)

(4)

其中，g為重力加速度，l為質(zhì)心到地面的垂直距離，ω0則為人體固有的倒鐘擺頻率；DCoM為人體的質(zhì)心位置，VCoM為質(zhì)心速度。研究表明〔18，21〕，由單支撐階段過渡到雙支撐階段的瞬時(shí)時(shí)刻最不穩(wěn)定，因此選取樓梯行走左單支撐瞬時(shí)時(shí)刻作為MoS比較分析。

1.5統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS19.0軟件進(jìn)行t檢驗(yàn)。

2 結(jié) 果

2.1兩組動(dòng)態(tài)穩(wěn)度參數(shù)比較 在上樓梯過程中，與青年組相比，老年組的步速、步寬和抬腳高度明顯下降(均P<0.05)；在下樓梯過程中，與青年組相比，老年組的步速和步寬明顯減小(P<0.05)，步長(zhǎng)明顯增加(P<0.05)。

在上樓梯過程中，與青年組相比，老年組VCoM和支撐面前邊界(BmaxA)明顯減小(均P<0.05)；在下樓梯過程中，與青年組相比，老年組DCoM、CM、BmaxA和支撐面后邊界(BmaxP)明顯增加(均P=0.000)；VCoM和后方向的MoS(MoSp)明顯下降(P=0.001，P=0.000)，前方向的MoS(MoSa)增加，但組間比較無顯著差異(P>0.05)。見表2。

表2 兩組樓梯行走動(dòng)態(tài)穩(wěn)度參數(shù)比較

2.2兩組力矩參數(shù)比較 在上樓梯過程中，與青年組相比，老年組伸髖力矩峰值、伸膝力矩峰值、屈膝力矩峰值和跖屈力矩峰值明顯下降(P<0.05，P<0.001)；在下樓梯過程中，與青年組相比，老年組屈髖力矩峰值減小，但無顯著差異(P>0.05)，伸髖力矩峰值明顯增加(P<0.001)，伸膝力矩第一峰值、伸膝力矩第二峰值和跖屈力矩第一峰值明顯下降(P<0.005，P<0.01)，跖屈力矩第二峰值增加，但無顯著差異(P>0.05)。見表3。

表3 兩組上下樓梯動(dòng)力學(xué)參數(shù)比較

關(guān)節(jié)力矩隨單支撐相時(shí)間變化曲線見圖1，兩組在樓梯行走過程中，髖、膝、踝3個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力矩在一個(gè)支撐相內(nèi)的變化規(guī)律基本趨于一致。在上樓梯過程中，髖關(guān)節(jié)伸展力矩和踝關(guān)節(jié)跖屈力矩均呈現(xiàn)雙峰趨勢(shì)，且均在單支撐初期和末期前后達(dá)到峰值；而膝關(guān)節(jié)的伸展力矩先增加后減小，青年組和老年組分別在支撐相的50%和55%處轉(zhuǎn)化為屈曲力矩。在下樓梯過程中，膝關(guān)節(jié)伸展和踝關(guān)節(jié)跖屈力矩呈現(xiàn)雙峰趨勢(shì)，且峰值均在單支撐階段的初期和末期前后；髖關(guān)節(jié)力矩先是伸展力矩在單支撐階段初期到達(dá)峰值然后逐漸減小，青年組和老年組分別在支撐相的40%和70%左右處轉(zhuǎn)變?yōu)榍y力矩。

圖1 兩組髖、膝、踝關(guān)節(jié)力矩隨單支撐相時(shí)間變化曲線

2.3兩組關(guān)節(jié)剛度參數(shù)比較 在上樓梯過程中，與青年組相比，老年組膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)剛度較小，但組間無顯著差異(P>0.05)，膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)剛度老年組顯著小于青年組(P<0.001)；在下樓梯過程中，與青年組相比，老年組髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)剛度顯著較大，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)剛度顯著較小(P<0.05，P<0.001)。見表4。

表4 兩組樓梯行走關(guān)節(jié)剛度參數(shù)比較

3 討 論

衰老易導(dǎo)致老年人身體功能衰退〔22〕，主要表現(xiàn)在視力〔23〕、認(rèn)知能力〔24〕下降，肌肉與骨質(zhì)流失〔9〕等方面，從而引發(fā)步態(tài)異常，增加跌倒風(fēng)險(xiǎn)。Busch等〔25〕證實(shí)，衰老會(huì)導(dǎo)致平地行走時(shí)的步態(tài)表現(xiàn)下降。本研究表明增齡降低了樓梯行走的步態(tài)表現(xiàn)。Laroche等〔26〕研究發(fā)現(xiàn)，老年女性由于下肢力量逐漸衰退，快速行走時(shí)容易引發(fā)步態(tài)不穩(wěn)，因此形成慢走的習(xí)慣。然而本研究中步長(zhǎng)指標(biāo)在兩組間并無顯著性差異，這與Mian等〔27〕研究結(jié)果一致，可能樓梯本身的空間約束對(duì)受試者樓梯行走時(shí)的步長(zhǎng)造成了限制，因而掩蓋了增齡對(duì)步長(zhǎng)的影響。研究表明〔28〕，在樓梯行走中，下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度是影響抬腳高度的重要因素，尤其是膝關(guān)節(jié)的屈伸和踝關(guān)節(jié)的跖屈背伸。本研究結(jié)果顯示，在樓梯行走過程中，老年組的抬腳高度低于青年組。伴隨增齡，老年人下肢肌肉質(zhì)量流失〔29〕、柔韌性〔30〕和協(xié)調(diào)性〔31〕下降，導(dǎo)致抬腳高度不足，在樓梯行走時(shí)容易發(fā)生因腳觸碰樓梯臺(tái)階邊緣而引發(fā)“絆倒”現(xiàn)象〔15，27〕。上述結(jié)果提示，老年人可通過抗阻訓(xùn)練增強(qiáng)下肢肌肉力量，增大關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度，進(jìn)而增加跨越臺(tái)階時(shí)的抬腳高度，降低因“絆倒”引發(fā)的跌倒風(fēng)險(xiǎn)。

傳統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法認(rèn)為，判斷一個(gè)物體是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，主要看其質(zhì)心或重心在水平面的投影與其支撐面的關(guān)系〔32〕。然而在正常行走或是上下樓梯等動(dòng)態(tài)活動(dòng)中，應(yīng)同時(shí)考慮質(zhì)心的速度對(duì)質(zhì)心位置的影響。由于將上樓梯的方向定義為正方向，則下樓梯的方向?yàn)樨?fù)方向，因此在下樓梯過程中位置參數(shù)的絕對(duì)值越大，代表位置更加靠后(速度的負(fù)號(hào)僅代表方向)。

本研究結(jié)果與Novak等〔33〕研究結(jié)果不同?？壳暗腄CoM產(chǎn)生較大的軀干前傾角，導(dǎo)致老年人下樓梯過程中無法很好的控制身體穩(wěn)定性，因此推測(cè)老年人為了提高重心穩(wěn)態(tài)、降低向前跌倒風(fēng)險(xiǎn)，主動(dòng)采取“重心后移”的策略進(jìn)行下樓梯活動(dòng)。張帆等〔34〕的研究同樣指出，老年人常采取保守的策略進(jìn)行下樓梯，以防止因身體不穩(wěn)導(dǎo)致的意外發(fā)生。本研究進(jìn)一步印證了Pijnappels等〔28〕平地行走模型的研究結(jié)果，提示隨著年齡增長(zhǎng)，老年人下肢關(guān)節(jié)逐漸僵硬，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度明顯減小，導(dǎo)致支撐面隨之降低。由于MoS為Bmax與CM的差值，因此MoS越小跌倒的風(fēng)險(xiǎn)越大。本研究說明在上樓梯過程中，無論向前還是向后，老年人的身體穩(wěn)定性均低于青年人。同時(shí)，在下樓梯過程中，與青年組相比，老年組MoSa增加，而MoSp下降，這是由于受DCoM影響，老年人主動(dòng)采取“重心后移”的策略進(jìn)行下樓梯活動(dòng)，以降低樓梯行走跌倒的風(fēng)險(xiǎn)。

前人的研究表明〔35〕，多數(shù)的跌倒與下肢肌力衰退有關(guān)。下肢關(guān)節(jié)的力學(xué)特征則是影響姿勢(shì)控制能力的重要因素〔36〕，下肢關(guān)節(jié)力矩與姿勢(shì)控制能力呈現(xiàn)高度的正向相關(guān)性〔37〕。與平地行走相比，樓梯行走更具有挑戰(zhàn)性。本研究結(jié)果在Paul等〔38〕平地行走的研究中得到印證。他們選取12名老年人和14名青年人，通過對(duì)比兩組正常行走時(shí)的下肢力學(xué)特征發(fā)現(xiàn)，增齡降低了下肢關(guān)節(jié)力矩〔38〕。本研究與俞捷等〔39〕研究結(jié)果相似。由于增齡導(dǎo)致肌力下降并伴隨下肢關(guān)節(jié)力學(xué)特征異常，因此老年人在下樓梯過程中下肢肌肉無法提供足夠的力量完成向前邁步動(dòng)作，同時(shí)導(dǎo)致抬腳高度過低，從而引發(fā)下樓梯“滑倒”現(xiàn)象發(fā)生。因此老年人進(jìn)行規(guī)律抗阻訓(xùn)練將有助于延緩肌力流失速率、改善下肢肌肉力量、提高肌肉收縮的協(xié)調(diào)性和肌肉控制能力〔40〕，從而降低跌倒的風(fēng)險(xiǎn)。

剛度是指物體在受載時(shí)抵抗形變的能力，剛度越大變形越小。當(dāng)人體姿勢(shì)改變時(shí)，最先啟動(dòng)的便是下肢剛度的調(diào)節(jié)〔41〕，它通過關(guān)節(jié)力與位移的動(dòng)態(tài)配合完成調(diào)節(jié)過程。本研究結(jié)果與Gajdosik等〔42〕研究結(jié)果相似，他們通過對(duì)比青年女性與老年女性的被動(dòng)彈性剛度發(fā)現(xiàn)，老年人的彈性剛度顯著小于年青人，即年齡與剛度之間存在負(fù)相關(guān)性。而髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)剛度在上樓梯與下樓梯兩個(gè)過程中有著不同的結(jié)果。在上樓梯過程中，髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)剛度老年組略小于青年組；下樓梯過程中，髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)剛度老年組顯著大于青年組。這可能與下樓梯的髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)力矩的變化有關(guān)。本研究的力矩結(jié)果顯示，老年組伸髖力矩峰值較青年組增加，可能是在下樓梯過程老年人將重心放在支撐腳上，采取“緩沖觸地”的策略試探性的向前邁步，以減少足部觸地時(shí)的沖擊。Chesworth等〔43〕對(duì)青年人、中年人與老年人的被動(dòng)關(guān)節(jié)剛度進(jìn)行研究，結(jié)果顯示三組受試者被動(dòng)關(guān)節(jié)剛度無顯著性差異。這與本研究結(jié)果不同，這可能與動(dòng)作的選取有關(guān)，他們選用的是在6°/s的恒定角速度下的關(guān)節(jié)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而本研究選取的是樓梯行走活動(dòng)，老年人在下樓梯種可能采取不同于青年人的下樓梯策略以彌補(bǔ)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)功能的不足。

本研究尚存在一定的局限性。首先，招募的受試者均為女性，不能排除性別因素對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生的影響，其結(jié)論亦不能直接應(yīng)用于男性；其次，對(duì)于動(dòng)態(tài)穩(wěn)度的研究?jī)H為前、后兩個(gè)方向、優(yōu)勢(shì)腳腳跟著地瞬時(shí)時(shí)刻的動(dòng)態(tài)穩(wěn)度，今后可對(duì)左、右方向及一個(gè)完整步態(tài)周期的動(dòng)態(tài)穩(wěn)度進(jìn)行深入的探究分析。

綜上，建議老年人強(qiáng)化下肢訓(xùn)練，改善關(guān)節(jié)活動(dòng)度，提高下肢肌肉力量、協(xié)調(diào)性與控制能力，同時(shí)在樓梯行走中適當(dāng)采取“重心后移”的策略以降低向前跌倒的風(fēng)險(xiǎn)。