任占兵，韓格格，杜興蘭，賴勇泉

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老年人下樓梯行走的生物力學(xué)分析

任占兵，韓格格，杜興蘭，賴勇泉

目的：探索老年人下樓梯過(guò)程踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)活動(dòng)度、地面反作用力以及肌肉表面肌電表現(xiàn)。方法：選擇10名男性老年人，年齡(68.5±3.8)歲，身高(1.71±0.25)米，體重(70.2±13.5)千克，10名青年人，年齡(22.5±2.7)歲，身高(1.75±0.14)米，體重(65.9±11.3)千克。通過(guò)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)專業(yè)設(shè)備和軟件，采集到老年人下樓梯行走過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和表面肌電信號(hào)。結(jié)果：老年人和青年人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和表面肌電的曲線圖變化趨勢(shì)趨于一致；踝關(guān)節(jié)最大背屈角度、踝關(guān)節(jié)最大跖屈角度、地面反作用力垂直方向第1峰值、地面反作用力垂直方向第2峰值等指標(biāo)方面，老年人和青年人之間差異具有顯著性；在支撐階段，老年人股外側(cè)肌、腓腸肌外側(cè)肌肉的激活水平都要略高于青年人。結(jié)論：老年人與青年人下樓梯過(guò)程的動(dòng)作差異可能歸因于肌肉力量的差異，因此，對(duì)于老年人來(lái)說(shuō)，發(fā)展下肢肌肉力量對(duì)下樓梯行走的身體姿勢(shì)穩(wěn)定性具有重要的意義。

老年人；下樓梯；運(yùn)動(dòng)學(xué)；動(dòng)力學(xué)；表面肌電

摔倒是老年人隨著年齡增長(zhǎng)機(jī)體逐漸衰老后所面臨的主要威脅，摔倒事件中有10.7%與登樓梯有關(guān)[1]。在所有致命的摔倒事件中，有超過(guò)10%的老年人在樓梯上摔倒過(guò)[2]。美國(guó)CDC(2007)[3]報(bào)道指出，有超過(guò)一半的摔倒致傷事件歸因于斜坡和樓梯行走。英國(guó)的研究發(fā)現(xiàn)[4]，有23萬(wàn)的受傷人口和497件死亡人口是由于在樓梯摔倒造成。人常說(shuō)，“上山容易下山難”。樓梯行走主要分上樓梯和下樓梯，那么，老年人下樓梯行走過(guò)程動(dòng)作表現(xiàn)會(huì)呈現(xiàn)出什么樣的特點(diǎn)？這是本研究關(guān)注的重點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，老年人和青年人在下樓梯過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)[5]，但老年人和青年人在下樓梯過(guò)程關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍仍然不清。

最新研究發(fā)現(xiàn)，老年人上、下樓梯時(shí)認(rèn)知任務(wù)介入對(duì)下肢協(xié)調(diào)性可能存在影響[6]，肌肉協(xié)調(diào)是上樓梯行走相關(guān)摔倒預(yù)防的重要指標(biāo)[7]，但是，下樓梯過(guò)程關(guān)鍵肌肉活動(dòng)的時(shí)間過(guò)程仍然不清。本研究重點(diǎn)探索老年人下樓梯過(guò)程踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)活動(dòng)度、地面反作用力以及下肢肌肉表面肌電表現(xiàn)，研究成果對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)老年人樓梯行走摔倒風(fēng)險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)機(jī)制具有重要價(jià)值，對(duì)進(jìn)一步從運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和動(dòng)作控制的角度預(yù)防老年人行走摔倒風(fēng)險(xiǎn)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

選擇10名男性老年人，年齡(68.5±3.8)歲，身高(1.71±0.25)米，體重(70.2±13.5)千克，10名青年人，年齡(22.5±2.7)歲，身高(1.75±0.14)米，體重(65.9±11.3)千克；所有受試者都簽訂了知情同意書(shū)，測(cè)試前，詳細(xì)講解測(cè)試流程，并告知注意事項(xiàng)。老年受試者主要來(lái)自城市社區(qū)，所有老年人均能獨(dú)立行走且沒(méi)有行走障礙，日?；顒?dòng)主要是步行。年輕受試者主要來(lái)自高校大學(xué)生和研究生，且未受過(guò)專業(yè)的體育訓(xùn)練，受試者均沒(méi)有膝關(guān)節(jié)相關(guān)疾病。

1.2 研究方法

臺(tái)階共計(jì)5個(gè)，2個(gè)測(cè)力臺(tái)(Kistler)分別安置在地面和倒數(shù)第2個(gè)臺(tái)階(高度175mm，深度280mm和寬度1000mm)，臺(tái)階一側(cè)設(shè)置1個(gè)扶手。受試者從最頂端開(kāi)始，按照自己選擇且相對(duì)舒適的速度下樓梯。在測(cè)試前，先通過(guò)示范講解動(dòng)作，然后所有的受試者均給予充分的試走準(zhǔn)備，使其達(dá)到自信的進(jìn)行下臺(tái)階行走。

運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)運(yùn)用1臺(tái)JVC攝像機(jī)垂直拍攝和采集，采集頻率為50Hz，運(yùn)用Simi Motion配置軟件分析數(shù)據(jù)，采用雙面膠將反光標(biāo)志點(diǎn)直接黏貼在髖關(guān)節(jié)(股骨大轉(zhuǎn)子)、膝關(guān)節(jié)(股骨外上髁)、踝關(guān)節(jié)外側(cè)、跟骨外側(cè)、第五跖趾關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)角度界定為髖關(guān)節(jié)中心和膝關(guān)節(jié)中心的連線的延長(zhǎng)線與膝關(guān)節(jié)中心和踝關(guān)節(jié)中心連線的夾角；踝關(guān)節(jié)角度界定為膝關(guān)節(jié)中心和踝關(guān)節(jié)中心連線與跟骨外側(cè)和第五跖趾關(guān)節(jié)連線的夾角。

運(yùn)用2臺(tái)Kistler測(cè)力臺(tái)采集地面反作用力數(shù)據(jù)，采集頻率為1000Hz，沿著行走的方向?yàn)閄軸的正方向，Y軸在水平面上垂直于X軸并指向左側(cè)，Z軸正方向豎直向上。表面肌電測(cè)試選擇的肌肉主要是膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)屈伸肌群(股外側(cè)肌、股二頭肌、腓腸肌外側(cè)和脛骨前肌)，電極片順著肌纖維的走向，平行粘貼在所測(cè)肌肉的肌腹上。貼電極前，先用剃須刀去毛并砂紙打磨，然后用酒精擦拭至揮發(fā)干，電極片兩中心點(diǎn)相距2cm，測(cè)試系統(tǒng)采用Cometa系統(tǒng)。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

足觸地和離地是劃分步態(tài)周期的2個(gè)重要時(shí)刻，本研究重點(diǎn)觀察同一只腳從足觸地到再一次觸地過(guò)程。運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)采用FFT濾波器進(jìn)行平滑處理，截?cái)囝l率為10Hz；表面肌電原始數(shù)據(jù)先經(jīng)過(guò)全波整流，然后經(jīng)過(guò)Butterworth低通濾波處理(截取頻率15Hz)，得到線形圖，所有數(shù)據(jù)做了標(biāo)準(zhǔn)化處理；運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和表面肌電數(shù)據(jù)運(yùn)用Origin對(duì)數(shù)據(jù)采用三次樣條函數(shù)方法，選取100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)行插值計(jì)算。為了消除體重的差異對(duì)地面反作用力數(shù)據(jù)的影響，用地面反作用力數(shù)據(jù)值除以體重，即：地面反作用力數(shù)據(jù)(N/kg)=地面反作用力峰值(N)÷體重(kg)。用SPSS軟件求出各變量的平均數(shù)(Mean)和標(biāo)準(zhǔn)差(SD)，數(shù)據(jù)之間差異的顯著性水平為0.05，差異性檢驗(yàn)采用T檢驗(yàn)。

2 研究結(jié)果

2.1 老年人下樓梯行走過(guò)程下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)度表現(xiàn)特征

圖1-(1)和圖1-(2)縱坐標(biāo)代表關(guān)節(jié)屈伸角度，橫坐標(biāo)代表步態(tài)周期，從兩個(gè)圖中可以發(fā)現(xiàn)，老年人在下樓梯行走過(guò)程下肢膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)表現(xiàn)趨勢(shì)和青年人具有類似的特點(diǎn)。

圖1 下樓梯行走過(guò)程下肢關(guān)節(jié)角度運(yùn)動(dòng)曲線圖Figure1 The joint angle curves of the lower extremity during stair descent

進(jìn)一步從表1可以發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度和膝關(guān)節(jié)最大伸展角度，老年人和青年人之間差異不具有顯著性；踝關(guān)節(jié)最大背屈角度和踝關(guān)節(jié)最大跖屈角，老年人和青年人之間差異具有顯著性。

表1 下樓梯行走過(guò)程下肢關(guān)節(jié)角度相關(guān)參數(shù)測(cè)定結(jié)果Table 1 The joint angle test results of the lower extremity during stair descent

2.2 老年人下樓梯行走過(guò)程地面反作用力表現(xiàn)特征

圖2-(1)、圖2-(2)和圖2-(3)分別是垂直方向、前后方向和內(nèi)外方向地面反作用力，從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，老年人和青年人地面反作用力的變化趨勢(shì)趨于一致。圖2-(1)中，足剛觸地到最大緩沖的過(guò)程，老年人地面反作用力垂直方向第1峰值略高于青年人；老年人地面反作用力垂直方向第2峰值略高于青年人。

進(jìn)一步通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，老年人和青年人地面反作用力垂直方向第1峰值差異具有顯著性(P<0.05)；老年人和青年人地面反作用力垂直方向第2峰值差異具有顯著性(P<0.05)；老年人和青年人前后方向以及內(nèi)外方向地面反作用力差異不具有顯著性。

表2 老年人下樓梯行走過(guò)程地面反作用力相關(guān)參數(shù)測(cè)定結(jié)果Table2 The ground reaction force test results of the lower extremity during stair descent

圖2 下樓梯行走過(guò)程地面反作用力曲線圖Figure 2 The ground reaction force curves of the lower extremity during stair descent

2.3 老年人下樓梯行走過(guò)程表面肌電表現(xiàn)特征

圖3(1)-(4)分別是股外側(cè)肌、股二頭肌、腓腸肌外側(cè)和脛骨前肌表面肌電的變化曲線圖。進(jìn)一步對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即縱軸是EMG信號(hào)幅度與EMG峰值(選取老年人和青年人中的EMG最大幅度)比值的平均值，橫軸是EMG時(shí)間占下樓梯行走周期的百分比；從圖中可以發(fā)現(xiàn)，青年人和老年人在下樓梯過(guò)程表面肌電表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)。在支撐階段，老年人股外側(cè)肌、腓腸肌外側(cè)肌肉的激活水平都要略高于青年人。

圖3 下樓梯行走過(guò)程人體下肢肌肉相關(guān)參數(shù)曲線圖Figure 3 The EMG curves of the lower extremity muscle during stair descent

3 分析與討論

3.1 老年人下樓梯行走的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

研究發(fā)現(xiàn)，有超過(guò)32%的老年人摔倒事件是由于絆倒造成的[8]，老年人可以通過(guò)踝關(guān)節(jié)背屈增加擺動(dòng)腿足尖離地高度避免絆倒[9]，因此，測(cè)量運(yùn)動(dòng)學(xué)時(shí)空變量、比較受試者之間的差異可以有效的預(yù)測(cè)老年人在樓梯或者斜坡行走摔倒風(fēng)險(xiǎn)的大小。本研究的結(jié)果與前人的研究趨于一致[9]，本研究發(fā)現(xiàn)，老年人最大標(biāo)準(zhǔn)化背屈角度顯著大于青年人，可以認(rèn)為這是老年人預(yù)防摔倒的一種本能體現(xiàn)，即通過(guò)踝關(guān)節(jié)背屈增加擺動(dòng)腿足尖離地高度從而避免絆倒。靜止站立時(shí)，兩腳支撐人體質(zhì)心的平衡主要依賴于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控，然而，當(dāng)人體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控會(huì)隨著身體質(zhì)心的前移而發(fā)生變化。在自然節(jié)奏的行走步態(tài)周期的80%左右，身體處于單支撐，此時(shí)，人體質(zhì)心已經(jīng)超過(guò)了支撐面[10]。唯一的穩(wěn)定階段是人體處于雙支撐階段，但是，即使在此刻，整個(gè)身體的體重也僅僅局限在兩腳上，也不是絕對(duì)的穩(wěn)定，因此，在行走的整個(gè)步態(tài)周期，人體都處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。前人的研究認(rèn)為，平地走與樓梯行走的區(qū)別主要體現(xiàn)在：(1)前后穩(wěn)定性[11]；(2)內(nèi)外穩(wěn)定性；(3)擺動(dòng)腿足尖離地高度[12]。這些研究進(jìn)一步驗(yàn)證了本研究老年人踝關(guān)節(jié)背屈峰值增加的主要原因可能是為了增加擺動(dòng)腿足尖離地的高度避免絆倒。

3.2 老年人下樓梯行走的動(dòng)力學(xué)分析

地面垂直反作用力在步態(tài)研究中具有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史了。然而，老年人下樓梯行走過(guò)程地面垂直反作用力表現(xiàn)變化仍然不清。本研究通過(guò)地面垂直反作用力來(lái)評(píng)價(jià)下樓梯行走過(guò)程中的力學(xué)特征，研究發(fā)現(xiàn)老年人和青年人在地面反作用力第1和第2峰值的差異均呈現(xiàn)出顯著性，這與前人的觀點(diǎn)趨于一致，即老年人下樓梯過(guò)程的地面反作用力要顯著大于青年人[13]。老年人行走需要具備良好的身體姿勢(shì)穩(wěn)定性，身體姿勢(shì)穩(wěn)定性是基于感知覺(jué)信息的整合以及身體肌肉發(fā)力控制身體運(yùn)動(dòng)的能力，因此，身體姿勢(shì)穩(wěn)定性需要肌肉骨骼系統(tǒng)和感知覺(jué)系統(tǒng)能夠協(xié)同工作。另外，這些系統(tǒng)以及他們下屬的子系統(tǒng)對(duì)身體動(dòng)作變化非常敏感，同時(shí)也會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)在功能上逐漸衰退[14]。因此，老年人在下樓梯行走過(guò)程的垂直方向地面反作用力大于青年人，這可能歸因于老年人維持身體姿勢(shì)穩(wěn)定性的整體系統(tǒng)功能衰退，進(jìn)而動(dòng)用了更多的神經(jīng)肌肉控制下樓梯的動(dòng)作任務(wù)。

3.3 老年人下樓梯行走的表面肌電分析

在下樓梯過(guò)程中，下肢肌肉被預(yù)先激活后，迅速進(jìn)行離心收縮，緊接著迅速轉(zhuǎn)為向心收縮的工作方式被稱為“拉長(zhǎng)—縮短周期”收縮(Stretch-shortening cycle,SSC)。[15]在下樓梯的拉長(zhǎng)和縮短周期，青年人和老年人表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，研究認(rèn)為，脛骨前肌是踝關(guān)節(jié)背屈的主要肌肉，直接影響著擺動(dòng)腿足尖離地高度[16-17]，是老年人樓梯行走的關(guān)鍵肌肉。逐漸下降的肌肉力量是老年人摔倒風(fēng)險(xiǎn)因素之一。本研究發(fā)現(xiàn)，在支撐階段，老年人股外側(cè)肌、腓腸肌外側(cè)肌肉的激活水平都要略高于青年人，說(shuō)明了老年人與青年人相比要?jiǎng)佑酶蟮倪\(yùn)動(dòng)幅度和力量去完成下樓梯動(dòng)作，進(jìn)一步說(shuō)明了老年人與年輕人相比表現(xiàn)出更大的努力從而克服外力限制[18]。最新研究發(fā)現(xiàn)[6]，老年人和年輕人會(huì)根據(jù)任務(wù)難度來(lái)選擇是否專注于認(rèn)知任務(wù)上，老年人趨向選擇較保守的策略來(lái)維持下肢關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)穩(wěn)定度。盡管肌肉力量會(huì)隨年齡增長(zhǎng)而下降，但研究發(fā)現(xiàn)力量訓(xùn)練可以有效的提高老年人的肌肉力量，力量訓(xùn)練已經(jīng)被認(rèn)為對(duì)老年人的肌肉功能具有明顯益處[19]。因此，建議老年人通過(guò)強(qiáng)化下肢肌肉力量訓(xùn)練來(lái)延遲肌肉衰老，預(yù)防下樓梯過(guò)程的傷害發(fā)生幾率。

3.4 預(yù)防老年人下樓梯行走摔倒的策略分析

老年人下樓梯過(guò)程的動(dòng)作表現(xiàn)主要體現(xiàn)在踝關(guān)節(jié)背屈增加擺動(dòng)腿足尖離地高度，本研究重點(diǎn)建議老年人通過(guò)強(qiáng)化下肢肌肉力量來(lái)預(yù)防下樓梯行走摔倒。長(zhǎng)期堅(jiān)持規(guī)律性的運(yùn)動(dòng)鍛煉，有助于中老年人保持體重，降低體脂率；改善各項(xiàng)身體素質(zhì)，尤其上下肢肌力增強(qiáng)顯著，有氧能力有所提高，維持正常的骨密度水平[21]。因此，建議老年人在長(zhǎng)期堅(jiān)持有氧運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，增加抗阻力量訓(xùn)練的內(nèi)容?？纱┐髟O(shè)備將成為體育科學(xué)領(lǐng)域研究的主導(dǎo)地位，未來(lái)可以考慮通過(guò)可穿戴設(shè)備，獲取老年人日?；顒?dòng)中移動(dòng)性活動(dòng)的大數(shù)據(jù)，連續(xù)性對(duì)老年人的步態(tài)及平衡進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，對(duì)跌倒風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提出針對(duì)性的體療方案進(jìn)行干預(yù)，不斷提高老年人的抗跌倒能力，提升老年人的健康生活質(zhì)量。[22]進(jìn)入老年期后，人體的肌力繼續(xù)隨年齡的增長(zhǎng)而下降[20]，老年人與常人相比，處于較高的跌倒風(fēng)險(xiǎn)，主要?dú)w結(jié)于兩個(gè)原因：外周-運(yùn)動(dòng)控制能力下降，骨骼肌肉系統(tǒng)逐漸衰退[23]。因此，本研究提出的通過(guò)強(qiáng)化老年人下肢肌肉力量來(lái)預(yù)防老年人下樓梯行走摔倒具有一定的科學(xué)意義。

4 結(jié)論

該研究發(fā)現(xiàn)，老年人下樓梯過(guò)程的動(dòng)作有其自身的規(guī)律性，老年人在下樓梯過(guò)程仍然要通過(guò)踝關(guān)節(jié)背屈增加擺動(dòng)腿足尖離地高度從而避免絆倒，老年人下樓梯過(guò)程支撐階段主要肌群激活水平較高，運(yùn)動(dòng)幅度和力量幅度均比較大，因此，對(duì)于老年人來(lái)說(shuō)，發(fā)展下肢肌肉力量對(duì)下樓梯行走的身體姿勢(shì)穩(wěn)定性具有重要的意義。

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(編輯 孫君志)

Biomechanical Analysis of Stair Descent in Older Adults

REN Zhanbing，HAN Gege，DU Xinglan，LAI Yongquan

Objective: To explore the ankle joint and knee joint movement, the ground reaction force and the muscle surface electromyography (EMG) of elderly people during stair descent. Methods: Ten elderly males (68.5±3.8 years old, 1.71±0.25 meters high, 70.2±13.5 kg weight) and ten young people (22.5±2.7 years old, 1.75±0.14 meters high, 65.9±11.3 kg weight) participated in the test. The kinematic, dynamic and surface EMG signals of the walking process of the elderly were collected through the equipment and software specific to sports biomechanics. Results: The kinematic, dynamic and surface EMG curves of both the old and young people are identical. The maximum ankle flexion angle, the maximum ankle plantar flexion angle, the first peak value of the ground reaction force and the second peak value of the ground reaction force were significantly different between the young and the elderly. During the support ting phase, the femoral lateral muscle and the activation level of gastrocnemius lateralis muscle of the elderly are slightly higher than those of the young. Conclusion: The difference in motion performance between the elderly and the young may be attributed to the difference in their muscle strength. Therefore, it is of great importance for the elderly to develop their lower extremity muscle strength to enhance their body stability during stair descent.

TheElderly;StairDescent;Kinematics;Dynamics;SurfaceEMG

G804.6 Document code：A Article ID：1001-9154(2016)02-0093-05

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(11002036)；廣東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(Yq2013105)；2015年度廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育項(xiàng)目(51021147)。

任占兵，博士，副教授，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)，E-mail：zb.ren@163.com。

廣州體育學(xué)院，廣東 廣州 510500 Guangzhou Sport University, Guangzhou Guangdong 510500

2015-09-29

2016-01-25

G804.6

A

1001-9154(2016)02-0093-05