不同步速條件下超重肥胖老年人步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

劉敏 李玉茹 王健 王濤

(1北京大學(xué)人口研究所，北京 100871；天津體育學(xué)院 2體育教育與教育科學(xué)學(xué)院；3社會(huì)體育與健康科學(xué)學(xué)院)

到2050年，中國(guó)將成為全球最大的高齡老年群體國(guó)家〔1〕。中國(guó)老年人超重肥胖率在2014年已過半，跌倒在65歲以上老年人群中已是第一意外傷害死因〔2,3〕。超重肥胖及跌倒問題已嚴(yán)重影響中國(guó)老年人群的健康生活，超重肥胖老年人行走時(shí)的安全問題更是當(dāng)今社會(huì)高度關(guān)注的問題。行走是老年人維持日常生活的基本能力，步速會(huì)因?yàn)槿粘Ｇ榫澈湍挲g的改變而發(fā)生變化，步態(tài)也會(huì)發(fā)生調(diào)整〔4〕。但對(duì)于超重肥胖老年人來說，由于體重過大、下肢負(fù)擔(dān)過重、跌倒風(fēng)險(xiǎn)會(huì)高于正常體重老年人。已有研究表明，走路時(shí)老年人的跌倒風(fēng)險(xiǎn)增加〔5,6〕；老年人體重過大與行走時(shí)跌倒的發(fā)生關(guān)系密切〔7,8〕，是發(fā)生跌倒的主要危險(xiǎn)因素〔9〕。因此，對(duì)不同步速下超重肥胖老年人的步態(tài)特征進(jìn)行分析至關(guān)重要。

跌倒與步態(tài)密切相關(guān)〔10〕。中國(guó)對(duì)于步態(tài)的研究起于1982年〔11〕，雖然起步較晚，但關(guān)注度高，研究?jī)?nèi)容豐富。近年針對(duì)步行過程中的步態(tài)特征一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)〔12～14〕。本研究通過對(duì)超重肥胖老年人在不同速度行走時(shí)的步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，探討體重過大是否會(huì)影響老年人在不同步速行走時(shí)的步態(tài)特征。

1 對(duì)象與方法

1.1研究對(duì)象 選取天津市康寧津園養(yǎng)老院及附近社區(qū)老年人42名，根據(jù)中國(guó)人肥胖標(biāo)準(zhǔn)〔2〕，體重指數(shù)(BMI)>24 kg/m2的老年人為超重(O)組(20名)，18 kg/m218 kg/m2的老年人，近1年內(nèi)無跌倒史、無運(yùn)動(dòng)功能障礙，在知情同意的基礎(chǔ)上自愿參加此項(xiàng)研究，并填寫知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：①患有影響行走的骨關(guān)節(jié)及肌肉性疾病或損傷；②患有嚴(yán)重高血壓、心臟??；③患有精神疾病和認(rèn)知語言聽力功能障礙者。兩組體重、BMI和體脂率有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.01)，而身高和年齡無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。見表1。

表1 兩組一般資料比較

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備：采用德國(guó)BTS公司研發(fā)的SMART-DX系統(tǒng)中的動(dòng)作實(shí)時(shí)擷取與評(píng)價(jià)分析模塊(Motion Capture Model)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。此模塊又稱為三維動(dòng)作捕捉分析系統(tǒng)，包括紅外高速攝像機(jī)、測(cè)力臺(tái)和5 m步行臺(tái)等硬件設(shè)施及SMART Analyzer和SMART Clinic等分析軟件。SMART-DX系統(tǒng)以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，步行臺(tái)和測(cè)力臺(tái)組成的行走步道作為行走測(cè)試場(chǎng)地，通過紅外高速攝像機(jī)對(duì)貼在受試者身上mark點(diǎn)(反光標(biāo)記點(diǎn))的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行三維重建，完成數(shù)據(jù)采集。

1.3測(cè)試方法 3種步速下的對(duì)比試驗(yàn)。于2019年4～7月在天津體育學(xué)院新校區(qū)運(yùn)動(dòng)技術(shù)診斷與優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室完成。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)平均溫度24.37℃，平均濕度53.84%，均符合實(shí)驗(yàn)儀器所要求的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。為了更好控制變量，并模仿日常行走狀態(tài)，本研究采用節(jié)拍器控制與反復(fù)練習(xí)相結(jié)合的方法來控制步速。根據(jù)健康人的步長(zhǎng)正常范圍〔15〕，設(shè)定節(jié)拍器的速度分別是80、105、130次/min。為消除個(gè)人差異，以身高標(biāo)準(zhǔn)化下的平均速度作為速度劃分依據(jù)，分別是1.05、1.41、1.74 m/s對(duì)應(yīng)常速、快速及急行3種行走狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)之前對(duì)受試者進(jìn)行簡(jiǎn)單的培訓(xùn)，通過反復(fù)的練習(xí)，使受試者按照節(jié)拍器所控制的速度自然的行走。正式實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩組老年人均身穿緊身衣褲和受試者用鞋，依據(jù)節(jié)拍器節(jié)奏在步道上自然行走，收集3種步速下的時(shí)-空參數(shù)及下肢關(guān)節(jié)角度參數(shù)。

1.4主要觀察指標(biāo) 不同步速下O組及C組老年人行走時(shí)的步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，包括時(shí)-空參數(shù)及1個(gè)步態(tài)周期中著地和離地瞬間下肢關(guān)節(jié)角度。其中時(shí)間參數(shù)包括站立相及擺動(dòng)相百分比、單支撐相及雙支撐相百分比、1 min走步數(shù)及1個(gè)步態(tài)周期時(shí)長(zhǎng)6個(gè)指標(biāo)；空間參數(shù)包括步寬、步長(zhǎng)及1個(gè)步態(tài)周期長(zhǎng)度3個(gè)指標(biāo)；下肢關(guān)節(jié)角度是指髖膝踝關(guān)節(jié)在三維層面活動(dòng)度。其中，以1個(gè)步態(tài)周期中優(yōu)先落地的下肢為步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)觀察側(cè)。

1.5統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS26.0軟件，受試者基線資料分析使用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，兩因素重復(fù)測(cè)量方差分析用于組內(nèi)效應(yīng)、組間效應(yīng)和交互效應(yīng)分析，其中組內(nèi)因素為步速，組間因素為肥胖程度，使用單因素方差分析對(duì)肥胖組老年人的步態(tài)特征進(jìn)行分析。

2 結(jié) 果

2.1兩組老年人時(shí)-空參數(shù)比較 時(shí)間參數(shù)重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果顯示，步速的組內(nèi)效應(yīng)的步態(tài)周期時(shí)長(zhǎng)、雙支撐相百分比和1 min走步數(shù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F組內(nèi)效應(yīng)=34.889，P=0.000、F組內(nèi)效應(yīng)=3.963，P=0.029、F組內(nèi)效應(yīng)=91.408，P=0.000)；組間效應(yīng)及交互效應(yīng)時(shí)間參數(shù)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05)。組內(nèi)因素多重比較結(jié)果顯示，與兩組步速1.05 m/s比較，1.41 m/s和1.74 m/s的步態(tài)周期時(shí)長(zhǎng)、雙支撐相百分比均顯著降低，1 min走步數(shù)顯著增加(均P<0.05)；與步速1.41 m/s比較，1.74 m/s的步態(tài)周期時(shí)長(zhǎng)顯著降低，1 min走步數(shù)顯著增加(均P<0.05)。與C組比較，O組的時(shí)間參數(shù)無顯著性差異(P>0.05)?？臻g參數(shù)重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果顯示，步速的組內(nèi)效應(yīng)在步態(tài)周期長(zhǎng)度、步長(zhǎng)、步寬方面差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F組內(nèi)效應(yīng)=19.645，P=0.000、F組內(nèi)效應(yīng)=10.183，P=0.000、F組內(nèi)效應(yīng)=4.561，P=0.015)；步速和肥胖程度在步長(zhǎng)方面差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F交互效應(yīng)=3.504，P=0.037)；組間效應(yīng)在空間參數(shù)上無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05)。組內(nèi)因素多重比較結(jié)果顯示，與兩組步速1.05 m/s比較，1.41 m/s和1.71 m/s的步態(tài)周期長(zhǎng)度和步長(zhǎng)顯著升高，1.41 m/s的步寬顯著降低(均P<0.05)。與C組比較，O組的空間參數(shù)無顯著性差異(P>0.05)。見表2。

表2 兩組老年人不同步速下時(shí)-空參數(shù)比較

2.2兩組老年人下肢關(guān)節(jié)角度比較 著地瞬間下肢關(guān)節(jié)角度重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果顯示，步速組內(nèi)效應(yīng)的膝屈伸角度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F組內(nèi)效應(yīng)=17.289，P=0.000)；組間效應(yīng)及交互效應(yīng)的著地瞬間關(guān)節(jié)角度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05)。組內(nèi)因素多重比較結(jié)果顯示，與兩組步速1.05 m/s比較，1.41 m/s和1.74 m/s的膝屈伸角度顯著增加(均P<0.05)。與C組相比，O組的關(guān)節(jié)角度均無顯著性差異(P>0.05)。離地瞬間下肢關(guān)節(jié)角度重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果顯示，步速組內(nèi)效應(yīng)的髖屈伸、踝背屈跖屈、膝內(nèi)外旋和膝內(nèi)收外展角度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F組內(nèi)效應(yīng)=9.367，P=0.000、F組內(nèi)效應(yīng)=8.557，P=0.001、F組內(nèi)效應(yīng)=13.399，P=0.000、F組內(nèi)效應(yīng)=9.971，P=0.000)；組間效應(yīng)及交互效應(yīng)的著地瞬間關(guān)節(jié)角度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05)。組內(nèi)因素多重比較結(jié)果顯示，與兩組步速1.05 m/s相比，1.41 m/s和1.74 m/s的髖屈伸和膝內(nèi)收外展角度顯著降低(均P<0.05)；與步速1.41 m/s相比，1.05 m/s和1.74 m/s的踝背屈跖屈角度顯著降低，膝內(nèi)外旋角度顯著增加(均P<0.05)。與C組相比，O組的關(guān)節(jié)角度均無顯著性差異(均P>0.05)。見表3。

表3 兩組老年人不同步速下著地瞬間和離地瞬間下肢關(guān)節(jié)角度比較

3 討 論

步態(tài)是人類步行時(shí)的行為特征，具有周期性和方向性。正常步態(tài)是人體自然狀態(tài)下行進(jìn)時(shí)的步態(tài)，是保障身體平穩(wěn)的重要條件〔16〕。但由于老年人神經(jīng)、肌肉、骨骼等身體機(jī)能協(xié)調(diào)控制能力及應(yīng)對(duì)突發(fā)事件反應(yīng)力下降，使老年人步態(tài)在應(yīng)對(duì)各類行走情境時(shí)出現(xiàn)變化，引發(fā)跌倒風(fēng)險(xiǎn)。步態(tài)分析是目前應(yīng)用于預(yù)測(cè)跌倒風(fēng)險(xiǎn)、指導(dǎo)跌倒預(yù)防和評(píng)價(jià)干預(yù)效果的客觀測(cè)量方法。步態(tài)周期是指同側(cè)腳跟離地跨出到再次著地時(shí)的行進(jìn)過程，分為支撐相和擺動(dòng)相兩個(gè)階段，共同完成步態(tài)在時(shí)間和空間的改變。支撐相又分為雙支撐和單支撐相，雙支撐時(shí)，一側(cè)下肢支撐重量的同時(shí)，另一側(cè)下肢的腳沒有抬離地面，身體重心位于兩腿之間，身體的重量均由兩腿承擔(dān)。而單支撐時(shí)，一側(cè)腳離地，重心偏移到支撐腿上，身體全部重量由一側(cè)下肢承擔(dān)。重心由兩腿承擔(dān)的時(shí)間比例越大，身體越穩(wěn)定；反之，重心偏離時(shí)間比例越大，身體穩(wěn)定性越低，跌倒概率越大〔17〕。

三維步態(tài)分析系統(tǒng)是目前國(guó)際上科技含量高且能夠客觀、定量、全面地評(píng)定人體行走功能的現(xiàn)代化步態(tài)分析系統(tǒng)〔18〕。研究表明，BTS三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)在步態(tài)時(shí)空參數(shù)和下肢髖膝踝關(guān)節(jié)角度等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)上具有較高可信度〔19〕。本研究通過紅外攝像捕捉，精準(zhǔn)采集人體運(yùn)行軌跡并三維成像，以此劃分步態(tài)周期，得到的步態(tài)時(shí)間和空間參數(shù)精確度高。已有研究表明，步態(tài)的時(shí)間和空間參數(shù)是預(yù)測(cè)老年人跌倒的有效指標(biāo)〔20～24〕。本研究與肖美痕〔25〕的研究結(jié)果基本一致，說明步速可顯著影響老年人步態(tài)的時(shí)-空特征。老年人步行速度越快，平衡性越差，越容易發(fā)生跌倒。本研究說明超重肥胖的額外效應(yīng)不具有顯著性；但O組老年人的1 min走步數(shù)和雙支撐相百分比在不同步速下均優(yōu)于C組，站立相百分比和單支撐相百分比均低于C組。隨著步速的增加，步態(tài)周期時(shí)長(zhǎng)顯著降低，而1 min走步數(shù)顯著提高(P<0.05)，與戴昕等〔26〕研究結(jié)果基本一致。以上研究結(jié)果可知，隨著年齡的增長(zhǎng)，老年人身體機(jī)能退化，下肢肌肉力量和協(xié)調(diào)性下降，且對(duì)于超重或肥胖老年人來說，單腿支撐能力不能滿足過高的體重負(fù)荷，為了盡力保持平衡不至跌倒，超重肥胖老年人會(huì)調(diào)整步態(tài)，增加步態(tài)周期時(shí)長(zhǎng)和雙支撐相，縮短單支撐相；但隨著步速加快甚至急行時(shí)，1 min走步數(shù)增加、步頻加快，雙支撐相下降會(huì)使身體重心不穩(wěn)，穩(wěn)定性降低，容易發(fā)生跌倒。

下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)在三維層面的活動(dòng)是行走運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。在矢狀面上，髖、膝、踝關(guān)節(jié)均做屈伸運(yùn)動(dòng)，髖屈伸完成大腿抬高動(dòng)作，膝屈伸完成大小腿折疊動(dòng)作，踝背屈跖屈完成腳背抬起落下動(dòng)作。本研究結(jié)果顯示，步速對(duì)著地瞬間的膝屈伸角度及離地瞬間的髖屈伸、踝背屈跖屈角度的組內(nèi)影響顯著，說明步速的改變會(huì)顯著影響矢狀面的髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動(dòng)。本研究結(jié)果顯示，兩組老年人著地瞬間的膝屈伸角度隨步速增加而增加，說明步速越快，在著地瞬間，大腿抬高、小腿折疊的幅度越大。但O組老年人離地瞬間的髖屈伸角度隨步速增加先減后增，這與步速加快導(dǎo)致身體前傾角度增大有關(guān)，加之肥胖超重老年人體重過大，一定范圍內(nèi)限制了髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)，但步速繼續(xù)增加時(shí)，為了保持步速，大腿抬高、小腿折疊的幅度加大，髖屈伸角度增加；此外，兩組老年人離地瞬間的踝背屈跖屈角度隨步速增加先增后減，這與老年人肌力下降、機(jī)體反應(yīng)力減弱及體重過大等原因有關(guān)，這些原因都有可能影響快速運(yùn)動(dòng)時(shí)踝關(guān)節(jié)屈曲活動(dòng)，使老年人在快速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下沒有充分的時(shí)間做“勾腳”動(dòng)作，這也是超重肥胖老年人在快速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下容易跌倒的原因之一。在李旭鴻等〔27〕研究中，老年人的髖、膝和踝關(guān)節(jié)在離地瞬間也出現(xiàn)了類似的折線變化情況，說明老年人在支撐末期的下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度幅度變化均有差異。

在水平面上，髖、膝、踝關(guān)節(jié)均做內(nèi)外旋運(yùn)動(dòng)，髖、膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的目的是拓寬下肢支撐面，保持步態(tài)穩(wěn)定，踝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻是髖、膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的效果，這是下肢關(guān)節(jié)鏈作用的必然結(jié)果，外在表現(xiàn)是“內(nèi)外八字步”的步態(tài)特征。本研究結(jié)果說明步速對(duì)水平面上關(guān)節(jié)活動(dòng)的顯著影響只體現(xiàn)在離地瞬間的膝內(nèi)外旋中，雖然著地瞬間的變化無顯著性差異，但變化趨勢(shì)同離地瞬間一致。盡管組間效應(yīng)和交互效應(yīng)不明顯，但O組老年人的下肢髖、膝內(nèi)外旋角度低于C組，說明超重肥胖老年人在不同步速下水平面上的下肢關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)幅度較小。

在冠狀面上，髖和膝均做內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)，其作用是降低肢體相對(duì)長(zhǎng)度幫助實(shí)現(xiàn)“邁步”。本研究結(jié)果說明步速對(duì)冠狀面上關(guān)節(jié)活動(dòng)的顯著影響只體現(xiàn)在離地瞬間的膝內(nèi)收外展中；著地瞬間膝內(nèi)收外展角度雖然無顯著差異，但變化趨勢(shì)是隨步速增加而增加。超重肥胖老年人的髖內(nèi)收外展角度在著地和離地瞬間均先增后減。說明隨著步速變快，著地瞬間膝關(guān)節(jié)為實(shí)現(xiàn)邁步，會(huì)加大活動(dòng)角度，而離地瞬間的膝內(nèi)收外展角度減小說明步行速度越快，兩腿之間的夾角減小，前后腳的橫軸距離減小，此時(shí)身體穩(wěn)定性變差，容易跌倒；而髖關(guān)節(jié)先增后減現(xiàn)象的產(chǎn)生可能與超重老年人體重負(fù)荷過大有關(guān)。在一定加速度下，髖關(guān)節(jié)變化幅度的增加使步速提高；但隨著步速繼續(xù)增加，由于體重對(duì)下肢的高度負(fù)荷，一定范圍內(nèi)限制了髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)，導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)活動(dòng)角度下降。但因?yàn)殡x地瞬間下肢大肌肉群做離心運(yùn)動(dòng)，需克服阻力做功，而超重老年人由于身體功能退化，下肢控制力下降，導(dǎo)致離地瞬間下肢角度的變化加大，更容易發(fā)生跌倒。