視覺剝奪前后老年人步態(tài)平衡調(diào)節(jié)機制

丁金娜 張孝權(quán)

(大連理工大學(xué)體育與健康學(xué)院盤錦分院，遼寧 盤錦 124221)

目前中國正面臨老齡化問題，且人口老齡化程度正在逐年加深。根據(jù)第七次全國人口普查公報——人口年齡構(gòu)成情況顯示，60歲及以上人口數(shù)約為兩億六千萬，占總?cè)丝诘谋壤秊?8.70%，其中65 歲及以上人口數(shù)高達一億九千萬，占總?cè)丝诘?3.50%〔1〕。相比2010年，60歲以上老年人比重上升近6%，這給醫(yī)療、經(jīng)濟等方面帶來了空前的壓力。老年人由于年齡增長引發(fā)肌肉力量、維持平衡的能力下降及視力減退，這極大地增加了老年人跌倒的概率。跌倒會導(dǎo)致骨折、感染，甚至引起突發(fā)心血管疾病等，由于衰老的個體系統(tǒng)難以去修復(fù)和康復(fù)。由此可見，研究在視覺剝奪前后老年人步行過程中的平衡調(diào)節(jié)機制對預(yù)防老年人跌倒具有十分重要的意義。平衡能力指人體維持自身穩(wěn)定性的能力，是人體重要的生理功能之一。平衡能力的維持主要依賴于視覺、前庭、本體感受系統(tǒng)的信息輸入和中樞神經(jīng)系統(tǒng)對所有信息的整合與對運動效應(yīng)器的控制〔2〕。有步態(tài)平衡的研究顯示，當(dāng)支撐面相對穩(wěn)定時主要依靠踝關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)模式，當(dāng)人體處于不穩(wěn)定狀態(tài)時則變成向髖關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)模式，當(dāng)外力干擾過大，使身體的重心超過其穩(wěn)定極限時，采用跨步調(diào)節(jié)的方式維持平衡〔3〕。Hof等〔4〕對動態(tài)平衡進行研究，認為將步行中的人體比作是倒鐘擺，通過比較質(zhì)心在地面垂直投影位置加上質(zhì)心速度與固有頻率ω0的比值與雙足支撐面的邊界進行比較，從而衡量步行中的動態(tài)穩(wěn)定度。已有諸多學(xué)者對包含健康、腦卒中偏癱、膝骨關(guān)節(jié)炎等老年群體的步態(tài)平衡方式進行研究〔5～12〕，但是對視覺信號受阻情況下的老年人步態(tài)平衡調(diào)節(jié)機制研究較少。一些研究者將健康成年人視覺剝奪前后步態(tài)的上肢加速度、步速、步長、步寬等指標(biāo)進行對比。也有學(xué)者比較老年人與年輕人在跑步機上步行時的步長與落地位置，研究表明視覺剝奪后老年人采用更加謹慎的步態(tài)模式，通常于邁步前期使用足部進行觸覺探索〔13～16〕。利用Vicon紅外高速運動捕捉系統(tǒng)對受試者視覺剝奪前后步態(tài)周期內(nèi)的運動學(xué)數(shù)據(jù)和 Noraxon表面肌電測試儀對下肢肌肉力學(xué)指標(biāo)進行同步采集，并進行比較分析，旨在探究視覺剝奪前后老年人步態(tài)平衡調(diào)節(jié)機制，從而降低跌倒損傷的風(fēng)險，為老年人預(yù)防跌倒和科學(xué)鍛煉提供有效的指導(dǎo)。

1 資料與方法

1.1研究對象 選取正常健康無損傷的老年女性受試者8例，年齡(68±1.6)歲，身高(160±3.1)cm，體重(53±6.2)kg。實驗前對所有受試者進行問卷調(diào)查，保證其身體各方面功能良好，1年內(nèi)無脊柱及下肢損傷，且在實驗前24 h內(nèi)未進行大強度運動。

1.2實驗儀器 本實驗使用英國產(chǎn)Vicon三維運動捕捉分析系統(tǒng)，包括8臺MX-F40型號紅外攝像頭、Vicon Giganet專用主機、PC主機和標(biāo)準(zhǔn)配件等，收集頻率為150 Hz，收集受試者視覺剝奪前后下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)運動學(xué)數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)中Plug-in Full body建立人體全身模型，將Marker點準(zhǔn)確地粘貼在受試者全身。肌肉力學(xué)指標(biāo)的采集使用Noraxon表面肌電測試儀，采樣頻率為1 500 Hz，腿部肌電貼片肌肉為股二頭肌、股外側(cè)肌、股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、兩側(cè)脛骨前肌、腓腸肌。經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器與Vicon三維運動捕捉分析系統(tǒng)同步。

1.3實驗流程

1.3.1測試方法 受試者統(tǒng)一身穿實驗室提供運動鞋、緊身上衣和短褲，保持站立位，雙腳分開與肩同寬，使用游標(biāo)卡尺對受試者的身高、體重、肘寬、膝寬、踝寬、腿長等身體形態(tài)指標(biāo)參數(shù)進行采集。測試前在跑步機上步行5 min左右從而達到熱身的目的，隨后進行5 min靜態(tài)拉伸活動。為減少實驗環(huán)境變化對受試者步行動作的影響，熱身拉伸后要求受試者在長約5 m的地面試走幾次，直至可以正常測試。(1)視覺剝奪前步態(tài)測試：在日光源照射強度下，受試者目視前方，步速自選，在實驗測試區(qū)域直線行走約5 m。每名受試者按照要求做3次規(guī)定動作，每次動作間隔3 min。(2)視覺剝奪后步態(tài)測試：確保無任何外界光源和視覺信號傳入(使用不透光眼罩遮住受試者眼部)進行視覺剝奪后步態(tài)數(shù)據(jù)采集，受試者以自選速度在同一實驗區(qū)域直線行走約5 m。每名受試者按照要求做3次規(guī)定動作，每次動作間隔3 min。

1.3.2研究階段定義 本研究所有相關(guān)參數(shù)的采集與分析均來自步態(tài)周期中的支撐相和擺動相。本研究截取步態(tài)周期定義為從受試者左腳著地開始直至再次著地為止。同側(cè)足跟著地的雙支撐時相、同側(cè)單支撐時相、對側(cè)足跟著地雙支撐時相分別定義為左足著地開始到右足離地為止、右足離地開始到右足再次著地為止、右足著地開始到左足離地為止；同側(cè)擺動相定義為左足離地開始到左足再次觸地為止。

1.3.3指標(biāo)選取 步態(tài)周期需要全身各關(guān)節(jié)和周圍肌肉聯(lián)合運動的支持。其中，行走過程中活動幅度較為顯著的關(guān)節(jié)是下肢的髖、膝、踝關(guān)節(jié)。(1)運動學(xué)指標(biāo)為髖、膝、踝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的角度。包括同側(cè)足跟著地的雙支撐時相、同側(cè)單支撐時相、對側(cè)足跟著地雙支撐時相、同側(cè)擺動相期間髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度變化值；踝關(guān)節(jié)最大背伸角度；膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度；髖關(guān)節(jié)最大屈伸角度。(2)肌電測試系統(tǒng)自帶分析軟件對肌電數(shù)據(jù)進行處理，對采集得到肌肉放電量進行整流、帶通濾波，求得積分肌電值。

1.4統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS17.0軟件進行t檢驗。

2 結(jié) 果

2.1視覺剝奪前后老年人步態(tài)周期內(nèi)運動學(xué)特征 視覺剝奪前后支撐相關(guān)節(jié)角度變化，同側(cè)足跟著地的雙支撐時相，視覺剝奪前后髖、膝、踝關(guān)節(jié)運動幅度變化差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；在同側(cè)單支撐時相，視覺剝奪前后髖關(guān)節(jié)均顯著大于膝、踝關(guān)節(jié)(P<0.05)，且視覺剝奪前后髖、膝、踝關(guān)節(jié)運動幅度變化差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；在對側(cè)足跟著地的雙支撐時相中，視覺剝奪后髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)運動幅度顯著大于視覺剝奪前(P<0.05)；在同側(cè)擺動相，視覺剝奪后踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的運動范圍與視覺剝奪前相比顯著減小(P<0.05)。同側(cè)足跟著地的雙支撐時相，視覺剝奪前后髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)最大角度差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，視覺剝奪后踝關(guān)節(jié)最大角度顯著大于視覺剝奪前(P<0.05)；在同側(cè)單支撐時相中，視覺剝奪后髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)最大角度與視覺剝奪前差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，視覺剝奪后踝關(guān)節(jié)最大角度顯著大于視覺剝奪前(P<0.05)；在對側(cè)足跟著地的雙支撐時相期間，下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)最大角度在視覺剝奪后均顯著變大(P<0.05)；擺動相期間，髖、膝、踝關(guān)節(jié)的最大角度在視覺剝奪前后并無明顯差異(P>0.05)。見表1。

表1 視覺剝奪前后關(guān)節(jié)角度變化及關(guān)節(jié)角度最大值比較

2.2視覺剝奪前后老年人步態(tài)支撐期的肌肉力學(xué)特征 視覺剝奪前后老年人步態(tài)支撐相下肢各肌肉積分肌電值如表2、3所示，其中左側(cè)足跟著地時的雙支撐相期間，右股二頭肌、右脛前肌、左腓腸肌積分肌電值明顯高于其他肌肉，但視覺剝奪前后下肢肌肉積分肌電值差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；在左側(cè)單支撐相各肌肉積分肌電值中，右脛前肌、右股二頭肌、右腓腸肌、左脛前肌明顯高于其他肌肉，且視覺剝奪后右股直肌和右股外側(cè)肌積分肌電值顯著大于視覺剝奪前(P<0.05)；右側(cè)足跟著地時的雙支撐相中，左脛前肌、右股二頭肌、右腓腸肌積分肌電數(shù)值明顯高于其他肌肉，且視覺剝奪后左股直肌、右股直肌、右股外側(cè)肌積分肌電值顯著大于視覺剝奪前(P<0.05)；左側(cè)擺動相時期，視覺剝奪后左股直肌和左股外斜肌的積分肌電值明顯大于視覺剝奪前(P<0.05)。

表2 左側(cè)足跟著地時雙支撐相及單支撐相各肌肉積分肌電值比較

表3 右側(cè)足跟著地時的雙支撐相及左側(cè)擺動相各肌肉積分肌電值比較

續(xù)表3 右側(cè)足跟著地時的雙支撐相及左側(cè)擺動相各肌肉積分肌電值比較

3 討 論

在步態(tài)周期中，人體會利用五個關(guān)鍵的運動功能來保證人體安全行走，包括維持人體站立穩(wěn)定和機體平衡，調(diào)控足的運動軌跡，產(chǎn)生機械能提供人體前進的速度，吸收機械能來減少震動和維持穩(wěn)定〔17〕。但老年人由于身體功能逐漸退化，在行走過程中不能有效地完成這五個運動功能，因此老年人跌倒的風(fēng)險通常高于年輕人。同時，視覺是十分敏感的感覺功能，在人體還沒有熟練掌握運動動作技能時，起著主導(dǎo)運動作用的是視覺〔18〕。人體行走過程是由中樞系統(tǒng)下達命令、機體平衡機制作用和協(xié)調(diào)機制調(diào)節(jié)所共同控制的復(fù)雜過程，由視覺、前庭感覺(位覺)和本體感覺相互聯(lián)系、相互作用，經(jīng)過大腦皮質(zhì)的綜合分析功能控制骨骼肌的活動來完成〔19～23〕。如果視覺發(fā)生障礙或缺失時，人體對方向的分辨能力和對平衡的維持能力均會減弱或喪失，給運動過程帶來重要的影響。

本研究結(jié)果表明老年人通過增加踝關(guān)節(jié)背屈的程度來調(diào)控行走過程中姿態(tài)的不穩(wěn)定狀態(tài)，從而保持支撐期步態(tài)平衡。在對側(cè)足跟著地的雙支撐時相，失去視覺信號后，髖、膝關(guān)節(jié)的活動幅度與下肢三個關(guān)節(jié)的最大角度均表現(xiàn)出非常顯著差異，即明顯的受到了視覺信號傳輸受阻的影響老年人在這個時相內(nèi)會采取減少髖關(guān)節(jié)伸展角度、增加膝關(guān)節(jié)屈曲角度、增加踝關(guān)節(jié)的背屈角度的步態(tài)模式的同時，增加髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)活動范圍來維持步態(tài)正常。

本研究發(fā)現(xiàn)不同的骨骼肌在不同的步態(tài)支撐時相中擔(dān)任相應(yīng)的功能，視覺剝奪后行走過程中，肌肉必須做出改變以調(diào)控各個功能來彌補視覺信號的缺失帶來的影響。在左側(cè)下肢單支撐相中，視覺剝奪后行走時，右側(cè)的股直肌和股外側(cè)肌的激活程度明顯高于視覺剝奪前，即非支撐側(cè)的股直肌與股外側(cè)肌會通過增加放電量、增強激活程度來代償視覺信號的缺失。視覺信號的缺失使受試者雙側(cè)股直肌和右側(cè)股外側(cè)肌的激活程度明顯增加，并以此來維持行走過程中機體的穩(wěn)定和平衡。在足跟開始著地的雙支撐相中，落地側(cè)的脛前肌迅速激活進行離心運動限制踝關(guān)節(jié)跖屈的速度，實現(xiàn)足跟軸效應(yīng)，啟動膝關(guān)節(jié)屈曲完成承重反應(yīng)期的震蕩吸收。隨后出現(xiàn)的單支撐相中，控制下肢的主要任務(wù)被轉(zhuǎn)移到了踝關(guān)節(jié)伸肌群，與擺動腿協(xié)同作用共同維持身體平衡，由此可見，脛前肌是上述兩個時相中被主要激活的肌肉。其次，在擺動相前的雙側(cè)支撐相中，股直肌、股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌提高激活程度抑制膝關(guān)節(jié)的屈曲，身體質(zhì)量迅速轉(zhuǎn)移到另一側(cè)腿，以維持支撐期步態(tài)平衡，防止跌倒。

在擺動相期間，老年人通過減小擺動側(cè)下肢髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)運動范圍的同時維持膝關(guān)節(jié)的運動來盡量減少視覺信號缺失對平衡功能的影響。由于視覺信號被剝奪，老年人在行走過程中會通過增加支撐時期本體感覺信號的輸入和減少擺動時期下肢運動幅度來保持步態(tài)的平衡和穩(wěn)定，保證足部安全著地和重心的安全轉(zhuǎn)移，從而緩解由視覺剝奪產(chǎn)生的緊張和不安。同時，采用這種謹慎的步態(tài)模式，還可以降低跌倒的風(fēng)險。

由擺動相期間的下肢肌肉激活程度得出，髖關(guān)節(jié)屈曲，膝關(guān)節(jié)屈曲，踝關(guān)節(jié)背屈的協(xié)同活動使擺動腿股直肌、股二頭肌、脛骨前肌激活程度明顯較高。因為單足支撐相又可看作為右側(cè)下肢的擺動相，因此可以得出，在人體兩側(cè)的單足支撐期中，視覺剝奪后擺動腿的股直肌和股外側(cè)肌的積分肌電數(shù)值均明顯大于視覺剝奪前。下肢由支撐相過渡到擺動相后，支撐相的平衡穩(wěn)定性被打破，引起股直肌、股外側(cè)肌激活程度升高，目的在于抑制膝關(guān)節(jié)的屈曲，視覺信號的缺失使得股直肌的激活程度明顯增加。股直肌除了屈髖功能外，還具有充當(dāng)膝關(guān)節(jié)屈曲時拮抗肌作用，起到在屈曲速度過快時的減速作用，因此視覺剝奪后，股直肌的放電量增加，來增加對膝關(guān)節(jié)角度的鎖定。除此之外，股直肌和股外側(cè)肌肌肉放電量增加的也提高了本體感覺信號的接收能力，從而進一步維持擺動相期間的步態(tài)平衡。

老年人主要依靠踝關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)維持步態(tài)平衡，視覺剝奪前后老年人步態(tài)運動學(xué)和肌肉力學(xué)指標(biāo)存在差異性。在視覺信號傳入不足或缺失時，為達到維持平衡的目的，老年人會采用以踝關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)為主，膝關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)為輔的步態(tài)模式。視覺剝奪后擺動相膝關(guān)節(jié)的活動度明顯增大，發(fā)生跌倒的風(fēng)險高于視覺剝奪前。為防止跌倒和運動損傷的發(fā)生，建議老年人增強或維持下肢運動系統(tǒng)和平衡維持能力，通過合理的鍛煉，加強踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)肌群的力量。