金成敏，曲 峰，趙享楠，楊 辰

行走作為基本的運動形式之一，是人類行為中最簡單但又體系復雜的動作，通過雙腳重復不斷地運動使身體重心向前方移動而實現向前行走[1]。最常見的是平地行走，再者，樓梯行走作為日常生活中常見的行為動作同樣很重要[2]。樓梯行走時，身體重心向前方移動的同時還會向上、下方向移動，對人體下肢關節(jié)角度、關節(jié)力矩、身體質心及肌肉激活等動作控制能力要求較高[3-4]。在所有事故中，10%是因為摔倒，其中占比最大的是在樓梯行走時摔倒。而且，下樓梯較平地和上樓梯行走摔倒的風險更大[4]，需要老年人、肥胖者和孕婦等人群注意[5-6]。

L.SVANSTROM[7]和J.G.BUCKLEY等[8]認為，下樓梯的動作表現比上樓梯危險3倍以上。J.E.ZACHAZEWSKI等[9]發(fā)現上、下樓梯時下肢單支撐期所占百分比分別為31%、39%，雙支撐期分別為34%、29%。下樓梯時，單側下肢支撐時相明顯高于上樓梯時，因為下樓梯時足趾先接觸地面，與一般行走和上樓梯時下肢的屈、伸不同，地面反作用力峰值更早出現[3，10]，而緩沖作用不充分[11]，因而表現較低的穩(wěn)定性。因此，下樓梯時為了減少受傷的風險并且提高身體穩(wěn)定性，姿勢控制和重力的負荷有關[12]。因為對身體施加重復的負荷，下肢肌肉發(fā)生疲勞而減少對肌肉的控制能力，神經肌肉控制能力下降[13-15]。而且P.PARIJAT等[16]發(fā)現，因肌骨系統(tǒng)的損傷會降低膝關節(jié)位置的感覺能力和骨頭的彈性[17-19]。因此，需要正確認識人體下樓梯時進行速度變化特征及肌肉活動表現，從而減小摔倒風險[4]。

近來有較多研究分析下樓梯過程中人體動作的變化。在下樓梯時，由于人體運動的局限性可能發(fā)生摔倒，但是隨著社會快速發(fā)展，人們生活方式也有變化，如越來越頻繁地使用手機，如此一來，因進行其他行為注意力不集中也會發(fā)生摔倒。目前，有關摔倒的研究不僅關注運動生物力學因素，還有關于額外任務的干擾。如此，下樓梯時進行其他任務會直接影響姿勢控制，造成注意力分散[4]。而且，持續(xù)變化的動作使動作控制的能力逐漸下降而有可能突然失去平衡。因為認知任務和動作任務同時進行時，是在2個任務之間發(fā)生干擾因素[20-21]。因此，在下樓梯時要求較高的肌肉激活水平，但在進行雙任務時肌肉活動會減少甚至發(fā)生障礙，與摔倒風險因素有關[22]。如在雙任務情形下行走時，步速、頻率、步幅、雙側下肢支撐時間與肌肉激活等都減少，行走方式改變且缺乏注意力與集中力[21]。

最近，為了預防慢性病，鼓勵大家用樓梯行走代替電梯，提倡利用樓梯行走進行身體鍛煉。之前研究也推薦，利用樓梯時對身體有積極的效果，且對卡路里消耗有許多好處。但是對身體的肌骨系統(tǒng)有何影響或連續(xù)下多層樓梯的分析不夠充分，針對日常層數較多的下樓梯研究相對較少，人們具體如何表現還不清楚?，F有的大部分研究主要利用紅外運動捕捉系統(tǒng)和三維測力臺測試短距離的行走[23]。雖然通過實驗室模擬下樓梯的試驗可對下肢運動進行分析，但本文認為在實際樓梯行走時會產生其他的變化，希望能夠進行實時有效的試驗研究。由于無法采用三維紅外捕捉動作的方法研究長距離樓梯行走，因此選用加速度數值計算近似熵指數（approximate entropy，ApEn）分析行走方式。近似熵指數是由S.PINCUS[24]最先開發(fā)的非線性分析方法，適合處理用時較長的動作，在處理加速度、壓力中心等數據中廣泛使用。本研究的假設：（1）進行雙任務時行走的時間逐漸增加；（2）2組間肌肉激活與同步收縮的差異較大；（3）行走方式進行雙任務時近似熵指數較高而出現不規(guī)則的方式。因此，本文的研究目的是分析青年男性進行雙任務下樓梯時加速度及肌肉活動變化，以期了解下樓梯的步行方式和肌肉表現。

1 研究對象與方法

1.1 試驗對象

受試者為24名青年男性大學生，年齡（27.0±1.8）歲，身高（1.72±0.05）m，體重（65.8±9.9）kg，身體健康狀況良好，試驗前48 h未從事劇烈運動，確認其下肢及足部半年內無明顯損傷，所有受試者優(yōu)勢腳均為右腳。測試前，受試者在了解詳細的試驗流程后，簽署知情同意書。

1.2 試驗設備

1.2.1 試驗用樓梯 本研究采用7層樓梯，樓梯每級高180 mm、深260 mm、長1 370 mm，樓梯坡度為34.69°。由于前人并未進行長距離的樓梯測試研究，因此正式試驗前，詢問3位受試者在樓梯行走過程中何時感覺疲倦，，整合意見后決定從7層下行開始試驗，每層有22級樓梯，共計22×6=132級樓梯。

1.2.2 試驗儀器 采用加速度計（Delsys wireless EMG，USA，148.15 Hz）與表面肌電儀（Delsys wireless EMG，USA，2 000 Hz）對受試者下樓梯行走過程進行數據采集。受試者為了定義特征時刻在受試者左腳后跟處貼有1個加速度計，另在髂后上棘處（Posterior superior iliac spine，PSIS）貼有1個加速度計，因為髂后上棘大致與人體重心位置相近[25]。表面肌電測試選擇右側下肢膝關節(jié)和踝關節(jié)屈伸肌群（股直肌、股二頭肌、腓腸肌內側頭和脛骨前?。‰娦盘柌杉许樦±w維的走向，粘貼在所測肌肉最隆起的肌腹上。

進行雙任務測試時，選用的手機型號為SM-N9005（SAMSUNG Galaxy Note 3 neo），大小為151.2×79.2×8.3 mm，屏幕尺寸為5.68英寸，重量為168 g。正式試驗時，選擇的手機游戲是RollingBall APP，規(guī)則是行走時傾斜手機使藍色球處于白色圓圈范圍內即可得分，盡可能保持在中央最小圓圈位置可獲得高分，受試者之前從未接觸過此游戲（見圖1）。

圖1 測試用手機（左）和游戲界面（右）Figure1 Smartphone（left）and Android Application（right）Used in This Study

1.3 試驗過程

所有受試者自第7層逐級下樓梯至第1層，統(tǒng)一規(guī)定右腳開始下樓梯，并按照自己選擇且相對舒適的速度下樓梯，要求測試全程不借助樓梯扶手。進行雙任務時，游戲的分數必須達到80分以上視為一次有效測試。受試者充分熱身后按隨機順序測試，每人各進行3次有效測試。

1.4 數據處理

1.4.1 階段劃分 本研究中，數據分析以每層樓梯為單位，每層自右腳觸地為開始下樓梯時刻，至本層行走最后腳離地時為結束下樓梯時刻，將加速度信號中出現峰值的時刻定義為右腳觸地的特征時刻[15]，完成每11級樓梯行走會出現6次加速度峰值時刻，即完成每層行走共6×2=12個分析階段。在每層行走期間定義4個特征時刻：（1）第1次出現峰值的時刻定義為本層前11級樓梯行走右腳初次觸地時刻；（2）第6次出現峰值的時刻定義為完成本層前11級樓梯行走右腳離地時刻；（3）第8次出現的峰值定義為本層后11級樓梯行走右腳初次觸地時刻；（4）第13次出現峰值的時刻定義為本層行走右腳最后一次離地時刻。第7次峰值為平地行走階段，不參與分析（見圖2）。

1次有效測試分為6個階段：下樓梯行走P1階段為第7層～第6層；P2階段為第6層～第5層；P3階段為第5層～第4層；P4階段為第4層～第3層；P5階段為第3層～第2層；P6階段為第2層～第1層。

圖2 下樓梯時加速度分析階段Figure2 Acceleration Signal Analysis Phase during Stair Descent

1.4.2 數據分析 （1）行走時間（walking time）。通過加速度計計算每層樓梯行走時間，即從第1峰值～第6峰值所用時間，與第9峰值～第13峰值所用時間之和。采集的所有加速度原始數據采用6階Butterworth低通濾波法進行平滑，截斷頻率為3 Hz[26]。

（2）積分肌電（integral electromyography，iEMG）。積分肌電是指，一定時間內肌肉中參與活動的運動單位放電總量，肌電的原始信號采用帶通濾波進行處理，濾波范圍為30～500 Hz，計算移動平均的窗口寬度設置為110～200 ms，計算均方根振幅。肌電信號標準化采用峰值標準化處理，所有肌肉的iEMG值的計算方法為：

式中，iEMGA表示各肌肉的積分肌電；EMGA表示各肌肉的信號。

（3）同步收縮指數（Co-contraction index）。為了量化行走的穩(wěn)定程度，采用同步收縮指數進行描述。同步收縮指數是指，主動肌興奮時，拮抗肌也同時產生收縮（在正常情況下應該放松），對動作技能的貢獻難以產生效果[27]?？梢?，下樓梯時，同步收縮提供單支撐期間的下肢關節(jié)的穩(wěn)定性[28]。該指數常被認為與關節(jié)穩(wěn)定性有關，是動作效率的重要影響因素之一[11]。本研究同步收縮指數是對所采集表面肌電的積分肌電信號加以分析。同步收縮指數的計算方法為：

式中，%C.CA.B表示A肌肉跟B肌肉的同步收縮指數；CommonareaA＆B表示主動肌和拮抗肌的共同領域；areaA表示肌電信號的領域。

（4）近似熵指數（approximate entropy index，ApEn）。近似熵指數是非線型動力學分析方法之一，是可變性的復雜性計算理論，通過這一概念，S.M.PINCUS[29]將預料性和規(guī)則性加以數值化。近似熵指數是一種對腦電信號的負責性進行評價和分析的方法，通常記作ApEn。由于在計算過程中無需將數據做過度粗粒化處理，因此近年來應用較廣。通常，在計算過程中，以一個非負數來表征數據序列的負責程度，近似熵指數越大，說明序列越復雜。此外，在大多數研究中，廣泛采用的長度為1 000的數據序列就能夠計算出可靠而穩(wěn)定的近似熵指數，因而特別適用于腦電這種不穩(wěn)定生物電信號的分析。近似熵指數的推導過程如下。

（1）對N點序列{xi}(i=1，2，……N)，按序列連續(xù)順序組成 一 組m維 矢 量 ：

（2）定義X(i)，X(j)之間的距離為兩者對應元素中差值最大的一個：此時，X(i)，X(j)中的其他對應元素間差值自然都＜d，并對每一個i值計算X(i)與其余矢量間的距離

（3）給定閾值r，對每一個i值統(tǒng)計d[X(i)，X(j)]小于r的數目，及此數目與距離總數N-m的比值，記做即

（5）再把維數加 1，變成m+1維，重復步驟（1）～（4），得和

一般而言，此極限值以概率1存在，實際工作中，N不可能為∞。當N為有限值時，按上述步驟得出的是序列長度為N時ApEn的估計值，記做：En值顯然與m、r的取值有關。S.M.PINCUS建議，取m=2，r=0.1～0.2SDx，SDx是原始序列{xi}，i=1，2，…，N的標準差。

近似熵指數是一種條件概率，因而有非常嚴謹和深刻的理論支持，但數據序列的規(guī)模足夠大時，計算的結果是非常穩(wěn)定和可信的。

近似熵指數的特點總結為：（1）對數據的需求量相對較小，不用較長的數據序列也能計算出穩(wěn)定的目標值，一般來說，僅需要大約100～5 000個數據的序列即可，通常使用1 000左右的窗口值；（2）抗干擾能力較強，尤其對隨機的瞬間干擾有非常強的屏蔽，即使干擾較強仍能適應；（3）不僅可以應用于隨機信號，也可以用于穩(wěn)定的確定信號或混合信號，但是，2種信號的混合比例不同會導致近似熵指數的數值有所不同。這些特性使得近似熵指數非常適用于腦電的研究，因為作為一種生物電，腦電信號往往既包含隨機信號，也包含確定信號。

本研究近似熵指數是采集加速度信號并加以分析，定義X軸為上下方向，Y軸為左右方向，Z軸為前后方向。

1.5 統(tǒng)計分析

采用混合設計的雙因素方差分析，驗證雙任務與單任務對各層的進行時間、肌肉激活、行走方式的影響。2個任務與各層存在交互作用，然后采用獨立樣本T檢驗分析同一層對雙任務和單任務的影響，采用單因素重復測量方差分析驗證同一任務對各層的影響。使用LSD法進行后續(xù)檢驗。

統(tǒng)計顯著性定為一類誤差概率不大于0.05，所有統(tǒng)計分析應用SPSS19.0（IBM，Armonk，NY，USA）完成。

2 研究結果

2.1 下樓梯行走時，不同任務對所需時間的影響

雙因素方差分析顯示，進行單任務和雙任務對時間的交互作用顯著（P=0.006）。后繼單因素方差分析表明，進行雙任務時，e、i、l、n、o階段的時間存在顯著差異（P=0.003），進行單任務時各階段的時間則無顯著差異（P=0.535）。獨立樣本T檢驗表明，P1（P=0.011）、P2（P=0.013）、P3（P=0.028）、P5（P=0.044）、P6（P=0.047）情況下，2種方式下樓梯每個階段所用時間存在差異（見表1）。

表1 下樓梯時各層行走時間/sTable2 According to Dual Task and Floor Compare to Walking Time During Stair Descent/s

2.2 下肢肌群表面肌電特征比較

下樓梯行走時，單任務和雙任務在各層的肌肉活動中，對股直?。╬=0.657）、股二頭?。╬=0.142）、脛骨前?。╬=0.772）和腓腸?。╬=0.474）的積分肌電值均無顯著影響（見表2）。

表2 下樓梯時各層行走的下肢肌肉積分肌電值/%peak×secTable3 According to Dual Task and Floor Compare to iEMG During Stair Descent

2.3 下肢肌群同步收縮指數比較

雙因素方差分析顯示，單任務和雙任務對各層的脛骨前肌和腓腸肌的同步收縮指數的交互作用顯著（P=0.006）。后繼雙因素方差分析表明，雙任務脛骨前肌和腓腸肌的同步收縮指數存在顯著差異（P=0.039），單任務則無顯著差異（P=0.671）。獨立樣本T檢驗表明，組間無顯著差異（P1=0.214、P2=0.231、P3=0.104、P4=378、P5=419、P6=0.465）。下樓梯行走時，單任務和雙任務各層的股直肌和股二頭肌的同步收縮指數無顯著差異（P=0.709）（見表3）。

表3 下樓梯時各層同步收縮指數/%Table4 According to Dual Task and Floor Compare to Co-contraction During Stair Descent/%

2.4 近似熵指數指數比較

雙因素方差分析顯示，單任務和雙任務對X軸（前后方向）的交互作用顯著（P=0.000）。后繼雙因素方差分析表明，2種下樓梯情況都存在顯著差異（單：P=0.000，雙：P=0.000）。獨立樣本T檢驗表明，P1（P=0.030）、P4（P=0.008）、P5（P=0.026）情況下存在差異，且單任務和雙任務對Y軸（前后方向）的交互作用顯著（P=0.043）。后繼雙因素方差分析表明，2種下樓梯情況都不存在顯著差異（單：P=0.244，雙：P=0.203）。獨立樣本T檢驗表明，P6（P=0.027）情況下存在差異，Z軸（上下方向）無顯著交互作用（P=0.663）（見表4）。

表4 下樓梯時各層近似熵指數（ApEn）的差異比較Table5 According to Dual Task and Floor Compare to ApEn during Stair Descent

3 分析與討論

本研究選取40名普通男性大學生探索下樓梯時雙任務與單任務對行走方式與肌肉激活有何影響。在行走時，對受試者不進行提示，以完成手機游戲進行雙任務，2種方式順序隨機，探索下樓梯時手機使用的風險性。

3.1 不同行走方式對進行時間的影響

雙任務下樓梯行走時，行走時間增加，行走速度減慢，2任務間存在顯著差異。行走分析的指標中最基本的指標是行走速度，對下肢關節(jié)活動的運動學與動力學因素都有影響[30-31]。先前的研究也通過行走速度判斷行走能力，M.YAMADA等[32]研究認為，進行雙任務時，受試者出現2個特征：（1）為了任務的成功集中注意力；（2）為了穩(wěn)定的行走開始保持平衡[32]。行走時，受試者因外部環(huán)境的改變開始減慢速度提高注意力，同時控制身體重心[33]。因此，為了增加注意力和完成任務行走時間增多。而且，2個任務出現不同的結果是因為本研究使用的樓梯行走距離較之前研究的更長，隨著下樓行走，2種方式的行走時間差距越來越大。隨著下樓層數的增加，行走速度減慢的原因是動作不穩(wěn)定性的增加，受試者會感到和先前支撐階段的差異[34]。尤其是為了完成雙任務減少下肢的緩沖難以集中發(fā)力。受試者考慮力量的變化會限制行走速度。

3.2 不同行走方式對肌肉激活的影響

進行單任務與雙任務時，所測下肢肌肉的激活交互作用不顯著。之前研究發(fā)現，下樓梯時的肌肉激活程度比上樓梯低[4]，本文假設與之前研究呈現不同的結果，但是各層的4個肌肉激活與之前研究差異不大。R.RIENER等[10]發(fā)現，剛開始上樓梯時，下肢大腿肌群肌肉激活程度高，而且膝關節(jié)功率增加，但是在整個下樓梯行走周期中不需要膝關節(jié)表現出大功率，即在身體重心向重力方向移動情況下，盡管肌肉激活程度有限，個體仍會自然地控制身體重心，而不是出現差異較大的負荷。因此，本研究下樓梯時與行走方式無關，對肌肉激活的大小沒有影響。

3.3 不同行走方式對下肢肌群同步收縮的影響

同步收縮指數，通過主動肌和拮抗肌的同時收縮可以判斷關節(jié)穩(wěn)定性。2個行走方式間，脛骨前肌和腓腸肌的同步收縮交互作用顯著，尤其進行雙任務時每層都存在差異。踝關節(jié)為了足接觸地面先進行跖屈，后開始支撐期（足趾觸地），因為身體重心向前方向移動進行被動的背屈，較之大腿肌肉的同步收縮程度更大[11]。O.BEAUCHET等[22]認為，2個任務之間的同步收縮指數有差異，在于雙任務時小腿肌肉為了尋找平衡進行適當的收縮，身體重心下降時行走速度逐漸減慢，下肢肌肉同步收縮的時間更長[35]。因此，脛骨前肌和腓腸肌此時共同收縮以完成下樓梯動作，同步收縮指數逐漸增加。與此相反，進行單任務時，初期踝關節(jié)先發(fā)生同步收縮，后期膝關節(jié)發(fā)生同步收縮，按照情況進行其他關節(jié)的同步收縮。所以，雖然注意力逐漸分散，但是為了保持平衡會在其他關節(jié)處出現同步收縮的策略[36]。而且，進行雙任務時，持續(xù)用踝關節(jié)的同步收縮意味著如果外部環(huán)境突然有障礙，不可能采取適當的肌肉激活的策略。分散關節(jié)的壓力會減少疼痛，但是因為踝關節(jié)容易疲勞，摔倒的風險增加[2]。B.J.MCFADYEN等[3]發(fā)現，受試者的視覺方向從發(fā)生同步收縮時有向下的趨勢，會出現增加上肢動作以持續(xù)保持平衡。進行雙任務時，由于上身不進行保持平衡的動作而不確認在地面接觸的時期，難以分散關節(jié)的壓力。因此，在長距離下樓梯的情況下，需要通過膝關節(jié)和踝關節(jié)的同步收縮保持平衡。

3.4 不同行走方式對近似熵指數指的影響

本研究下樓梯時，用加速度信號計算加速度近似熵指數，分析行走方式探索各方向（前后、左右、上下）的行走規(guī)律，近似熵指數越高代表動作規(guī)則性越強，指數越低代表動作規(guī)則性弱。進行雙任務時，所有方向的行走較單任務更規(guī)則，前后和左右方向有顯著性差異。J.E.ZACHAZEWSKI等[9]發(fā)現，下樓梯時因為身體重心向重力方向移動，有可能前后和左右方向的動作多。而且身體重心下降時發(fā)生沖擊，且進行雙任務時因追加任務，需要控制身體平衡[33]，會出現不穩(wěn)定的動作。且在下樓過程中，下肢會受到大概3倍體重以上的沖擊，腳接觸地面時因進行雙任務增加踝關節(jié)額狀面的動作。因此，進行雙任務時，身體出現不規(guī)則的左右、前后動作。

但是，本研究的結果是進行雙任務時因追加任務，使得下行速度減慢，雙任務的行走方式較單任務更規(guī)則，出現和之前研究不同的結果。雖然，行走時因外部的抵抗會改變行走的方式，但是如果個體增加身體的動作或改變動作方式，本能地還是會適應。盡管有雙任務的妨礙，受試者仍要尋找最佳的行走方式。但是，進行雙任務時，因追加任務單支撐的時間增加行走速度減慢，有可能持續(xù)進行同步收縮[37]。因任務分數的影響與心理不安因素，脛骨前肌和腓腸肌盡量調整身體重心的移動速度會出現規(guī)則性的行走方式。也就是說，如果外界條件發(fā)生改變動作產生障礙也可能有應對的策略，出現一系列相同的行走方式，反而出現不穩(wěn)定的動作。P6階段的前后與左右方向的近似熵指數較其他階段更大，持續(xù)下樓梯時對外部環(huán)境有影響，發(fā)生沖擊等預想不到的情況，發(fā)生摔倒的風險更大。

4 結論及建議

雙任務時，下樓梯行走速度較單任務慢，因速度慢出現規(guī)則性的行走方式。雙任務下樓梯增加單支撐的時間，提高脛骨前肌和腓腸肌的同步收縮指數以保持平衡，身體重心搖動對外部環(huán)境的應對沒有單任務穩(wěn)定。因此，進行雙任務時，摔倒的概率比單任務大，相比進行其他任務，需要集中于下樓梯行走的任務。今后希望能進一步對性別、年齡、其他雙任務等各種因素進行上下樓梯的分析，為預防摔倒進行更多更充分的研究。