鄭慧芬 孫威 宋祺鵬 張翠 王疆娜 毛德偉

1 山東體育學院研究生教育學院（山東濟南250100）

2 長治醫(yī)學院附屬和平醫(yī)院康復醫(yī)學科（山西長治046000）

3 山東體育學院運動與健康學院（山東濟南250100）

4 山東省體育科學研究中心（山東濟南250100）

據(jù)報道，每年大約有100萬例樓梯跌倒事件發(fā)生，造成了嚴重的軟組織損傷、骨折甚至顱腦外傷[1]。下樓梯行走是較為日常的功能活動，但與平地、上樓梯行走相比，因其對軀體穩(wěn)定性的要求更高，故更具挑戰(zhàn)性[2]。下樓梯行走時的穩(wěn)定性變化是一個三維的動態(tài)過程，而與樓梯相關的跌倒、損傷大多是發(fā)生于矢狀面和冠狀面，因此下樓梯過程中前-后方向和內(nèi)-外側方向上身體穩(wěn)定性的變化亟待探索。

研究發(fā)現(xiàn)，雙任務的介入會對步態(tài)產(chǎn)生不利影響[3]，然而其對穩(wěn)定性的影響尚未達成一致。部分研究認為執(zhí)行雙任務使穩(wěn)定性變差[4-6]，而有研究則得出相反結論[7-9]。造成結果不一致的原因可能是選取的評估穩(wěn)定性的指標不同。在前人的研究中，質(zhì)心（center of mass，CoM）位移[4]、壓力中心（center of pressure，CoP）位移[10]、質(zhì)心-壓心的差值（CoM-CoP separation）[11]是常用的評估身體穩(wěn)定性的指標，但是這些指標均未考慮速度對動態(tài)穩(wěn)定性的影響。動態(tài)穩(wěn)度（margin of stability，MoS）是一種能夠綜合量化支撐面（base of support，BoS）、CoM 的速度和位置這3 個因素對身體穩(wěn)定性影響的指標[12]。使用MoS 指標來探索穩(wěn)定性變化的方法已經(jīng)應用在跑步機行走[13]和轉(zhuǎn)彎行走[14]的研究中。此外，足觸地和足離地時刻是穩(wěn)定性較差的時刻[15，16]，但目前很少有研究使用MoS指標來探究雙任務范式下下樓梯行走中這些時刻動態(tài)穩(wěn)定性的變化。

雙任務的類型不同可能是造成動態(tài)穩(wěn)定性結果不一致的另一原因。在雙任務研究范式中，有的研究使用認知任務[17-19]，而有的研究使用動作任務[20]。動態(tài)穩(wěn)定性的控制也需要認知資源的參與，尤其是注意力資源。認知資源的共享理論認為同時執(zhí)行的認知任務勢必會與行走等運動任務競爭認知資源，進而造成運動表現(xiàn)下降[17]。而認知資源整合理論則認為同時執(zhí)行的動作任務與運動任務占用同一種認知資源，進而形成功能整合，相互促進，提高運動表現(xiàn)[21]。但在下樓梯過程中，執(zhí)行認知-動作組合任務時，究竟是存在認知資源的競爭還是整合關系尚不清楚。

當今信息時代，智能手機已經(jīng)成為人們聯(lián)系外界、獲取信息不可或缺的工具。在樓梯行走中使用手機已成為常見的雙任務，因此本實驗設置基于手機使用行為的算術任務（手機任務）作為認知-動作組合任務來模擬現(xiàn)實情境。其中算術任務是典型的認知任務，占用大腦的認知資源。雙手持手機輸入信息的手機使用行為是典型的動作任務。盡管該任務已經(jīng)被用于樓梯行走的雙任務研究范式中[22]，但Hashish 等僅探索了步態(tài)運動學的變化。研究表明，在探究雙任務效應時，應充分考慮由雙任務范式引起的步速變化的影響[23]，然而Hashish等人的研究并未將其考慮在內(nèi)。

因此，本研究旨在探究手機任務介入對下樓梯行走中動態(tài)穩(wěn)定性的影響，并且考慮速度對穩(wěn)定性的影響。此外，還為下樓梯行走中執(zhí)行認知-動作組合任務時究竟是認知資源的競爭還是整合關系占主導提供依據(jù)。本研究假設：與單任務相比，手機任務使矢狀面和冠狀面的動態(tài)穩(wěn)定性均下降。

1 對象與方法

1.1 研究對象

根據(jù)以往的研究[9]，應用G-power 3.1 軟件計算出所需樣本量為16 人。本研究通過微信、電話、張貼海報等方式，在大學校園內(nèi)招募了26 名受試者（13 名男性，13 名女性，年齡22.0 ± 2.1 歲，身高170.2 ± 10.2 cm，體重62.2 ± 12.1 kg，體質(zhì)指數(shù)（BMI）21.3 ± 2.6 kg/m2。納入標準：（1）年齡18～25 周歲；（2）持有一部5.5～6.0 英寸的觸屏手機超過3 個月，并且習慣使用“QWERTY”鍵盤輸入法。排除標準：（1）有任何神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉骨骼系統(tǒng)損傷導致的步態(tài)異常或平衡障礙者；（2）有下肢骨折史。所有受試者均自愿參加本實驗并簽署知情同意書。本研究獲得山東體育學院倫理委員會批準。

1.2 實驗設備與數(shù)據(jù)收集

1.2.1 模擬樓梯

模擬樓梯（圖1）由1 cm厚的鋼板焊接而成，共有6階臺階，重約1.5 t。每階臺階高17 cm，深29 cm，長150 cm，坡度約30°[10]，符合我國住宅標準。

1.2.2 三維測力臺

在樓梯的第3 階和第4 階（從樓梯的底部數(shù)起）嵌入兩塊Kistler三維測力臺（型號：9287BA和9281CA，瑞士）采集動力學數(shù)據(jù)，采樣頻率為1000 Hz（圖1）。

圖1 模擬樓梯及受試者體表反光marker的放置

1.2.3 Vicon紅外運動捕捉系統(tǒng)

采用8 個高速紅外攝像頭（Vicon Motion System，英國）采集運動學數(shù)據(jù)，采樣頻率為100 Hz。實驗過程中通過Vicon Nexus 軟件實現(xiàn)運動學和動力學數(shù)據(jù)的同步采集。

1.3 實驗流程

在實驗正式測試之前，要求受試者換上由實驗室提供的緊身衣和鞋子。隨后進行形態(tài)學數(shù)據(jù)的測量和優(yōu)勢腿的測試[24]。經(jīng)測試，所有受試者的優(yōu)勢腿均為右腿。隨后由實驗人員為受試者粘貼反光marker 球（圖1）。前期準備工作完成后，要求受試者做5 min左右的熱身運動并且充分熟悉實驗環(huán)境。測試開始時，受試者在距離第6階邊緣15 cm[25]處等候，聽到“開始”的口令后，先邁右腳，按自己的舒適速度一步一階下樓梯，直至距離第1階1 m處停止。

實驗測試包含兩個任務條件：1）單任務：即無手機任務，受試者進行單一下樓梯行走測試；2）手機任務：受試者在下樓梯的過程中同時雙手握手機執(zhí)行發(fā)短信和算術任務，即在下樓梯行走測試之前，受試者在微信界面會收到一個介于“50～99”之間的隨機兩位數(shù)，隨后實驗人員下達“開始”的口令后，受試者一邊下樓梯，一邊進行“減7”的數(shù)學運算，隨即將每次的結果發(fā)送給實驗人員。如受試者收到一個兩位數(shù)“78”，他將完成“78-7=71，71-7=64，64-7=57，57-7=50……”的運算，并且需要將結果“71，64，57，50”分別發(fā)送到指定的微信界面。

在每個任務條件下，受試者需要進行3 次有效測試，每次測試之后休息1 min。任務條件順序完全隨機，測試期間不允許有任何停頓，兩只腳不允許踩在同一階上，在未收到數(shù)字或者未聽到“開始”口令前不能開始下樓梯行走，否則需要重新采集實驗數(shù)據(jù)，直至每個任務條件下采集到3次有效測試。

1.4 數(shù)據(jù)處理與測試指標

三維運動學和動力學數(shù)據(jù)在Vicon Nexus 和Visu?al 3D 軟件（C-Motion，Inc）中進行數(shù)據(jù)處理。對運動學和動力學數(shù)據(jù)進行巴特沃斯四階數(shù)字低通濾波處理，截止頻率分別為6 Hz[26]和10 Hz[27]。截取優(yōu)勢腿的支撐相進行動態(tài)穩(wěn)度的分析，并在OriginPro 9.1 軟件中對數(shù)據(jù)進行百分化處理。將每個受試者的3次有效數(shù)據(jù)取均值后進行比較分析。

本研究中的一個步態(tài)周期包括右雙支撐相（右腳在第3 階觸地時刻開始到左腳在第4 階離地時刻為止）、右單支撐相（左腳在第4 階的離地時刻開始到左腳在第2階的觸地時刻為止）、左雙支撐相（左腳在第2階的觸地時刻開始到右腳在第3階的離地時刻為止）、左單支撐相（右腳在第3 階的離地時刻開始到右腳在第1階的觸地時刻為止）等4個時相。觸地時刻定義為測力臺垂直方向上的地面反作用力F≥20 N[28]。

右支撐相定義為右腳在第3階觸地時刻開始到右腳在第3階的離地時刻為止，其中包括右腳觸地、左腳離地、左腳觸地和右腳離地等4個關鍵時刻。

在雙支撐相站立時，左腳和右腳足跟marker 坐標的前后距離定義為步長，內(nèi)外側的距離定義為步寬，步長和步寬均以身高作標準化處理。

雙支撐比定義為右雙支撐相和左雙支撐相之和占步態(tài)周期的百分比。

步頻為1分鐘內(nèi)所邁的步數(shù)。

根據(jù)Hof等[12]的研究，動態(tài)穩(wěn)度的計算公式如下：

其中，BoSm是最大支撐邊界，在本研究中由CoP表示[28]。CM 表示在速度影響下外推質(zhì)心的位置。pCoM和νCoM 分別代表質(zhì)心在前-后方向和內(nèi)-外側方向上的位置和速度，g為重力加速度，l為CoM與踝關節(jié)中點的垂直距離。

在矢狀面上，正值代表CoM的速度向后，外推質(zhì)心的位置位于CoP 的前面；在冠狀面上則代表向外的速度，外推質(zhì)心的位置位于CoP 的內(nèi)側。負值則剛好相反。MoS的值越大，表示外推質(zhì)心與CoP之間的距離越長，穩(wěn)定性則越差（圖2）。

圖2 下樓梯時的動態(tài)穩(wěn)度圖示

1.5 統(tǒng)計學分析

使用Shapiro-Wilk 檢驗對不同時刻的動態(tài)穩(wěn)度及其相關變量作正態(tài)性檢驗。本研究采用重復性測量的協(xié)方差分析（repeated measures ANCOVA），并將步速作為協(xié)變量。本研究的統(tǒng)計學分析在R 3.5.0 中進行。因變量的結果采用均值±標準差的形式表示，顯著性水平設為P＜0.05。

2 結果

2.1 步態(tài)參數(shù)

如表1所示，與單任務相比，執(zhí)行手機任務時步頻（P＜0.001）和雙支撐比（P＜0.001）均顯著降低，然而步長和步寬均無顯著性變化。執(zhí)行手機任務時，左腳離地時刻提前，左腳觸地時刻延遲，在右支撐相內(nèi)，手機任務的介入使得右雙支撐時相（P=0.000）和左雙支撐時相（P=0.005）所占的比例顯著降低，右單支撐時相（P=0.000）所占的比例顯著增加（圖3）。

表1 青年人在兩種任務條件下下樓梯的步態(tài)參數(shù)一覽表

圖3 兩種任務條件下各時相在右支撐相內(nèi)所占百分比

2.2 矢狀面的動態(tài)穩(wěn)度

圖4顯示，與單任務相比，手機任務的介入并未改變矢狀面MoS 的變化趨勢，從負值開始不斷增加至正值后持續(xù)增加。與單任務相比，執(zhí)行手機任務時的MoS 在右腳觸地時刻顯著增大（P＜0.001），且均為負值；然而在其他3 個時刻，執(zhí)行手機任務時前-后方向的MoS 顯著減?。≒＜0.001），且均為正值；在4 個時刻，前-后方向的速度均顯著降低（P＜0.001），外推質(zhì)心的位置顯著靠后（P＜0.001）（表2）。

2.3 冠狀面的動態(tài)穩(wěn)度

由圖4 可知，冠狀面的MoS 值均為正值，在左腳觸地之前，執(zhí)行手機任務時內(nèi)-外側方向的MoS值整體低于單任務時的MoS值，但在左腳觸地時刻之后，手機任務介入下內(nèi)-外側方向的MoS 值反而高于單任務時的MoS值。在右腳離地時刻，手機任務的介入使內(nèi)-外側方向的MoS 值顯著增加（P=0.041），然而在其他3 個時刻無顯著變化。與單任務相比，執(zhí)行手機任務時內(nèi)-外側方向的速度均顯著增加（表2）。

表2 青年人在兩種任務條件下的動態(tài)穩(wěn)度參數(shù)比較

圖4 不同任務條件下矢狀面和冠狀面的動態(tài)穩(wěn)度在右支撐相內(nèi)隨時間的變化曲線

3 討論

本研究探討了手機任務對下樓梯行走時一個步態(tài)周期中4個關鍵時刻矢狀面和冠狀面動態(tài)穩(wěn)定性的影響，同時考慮了步速對動態(tài)穩(wěn)定性的影響。在手機任務的介入下，下樓梯行走時矢狀面的穩(wěn)定性在右腳觸地時刻顯著降低，冠狀面的穩(wěn)定性在右腳離地時刻顯著降低，本研究的結果部分支持我們的研究假設。

身體的動態(tài)穩(wěn)定性是指人體在運動過程中抵抗外部干擾、保持身體穩(wěn)定不倒的能力[12]。手機任務的干擾使下樓梯行走時前-后方向的穩(wěn)定性在右腳觸地時刻顯著降低。Je等[18]的研究認為，同時執(zhí)行的認知任務降低了行走時矢狀面的穩(wěn)定性。然而有些研究[7，26，30]則認為，第2 任務的介入增加了身體的穩(wěn)定性。造成這種不一致結果的原因可能是由于用來評估身體穩(wěn)定性的指標不同。本研究使用MoS 來評估身體的穩(wěn)定性，而以往的研究多使用CoP 和CoM 在前-后方向的位移來表示身體的穩(wěn)定性。而這些指標的本質(zhì)區(qū)別在于是否考慮了速度對穩(wěn)定性的影響。CoP和CoM的位移僅能夠反映在某一階段內(nèi)穩(wěn)定性的變化，而不能評估瞬時時刻的動態(tài)穩(wěn)定性。因此，MoS 是一種更科學的綜合評估、量化雙任務范式下下樓梯行走中瞬時時刻動態(tài)穩(wěn)定性的黃金指標。

在本研究中，前-后方向的動態(tài)穩(wěn)度由右腳觸地時刻的負值逐漸增加為右腳離地時刻的正值，表明外推質(zhì)心的位置從CoP的后面，逐漸移動到CoP的前面。在右腳觸地時刻，手機任務的介入使前-后方向的MoS值增大，意味著外推質(zhì)心的位置相對于CoP 的位置更靠后，進而使得外推質(zhì)心與CoP之間的距離增大，降低了前-后方向的穩(wěn)定性。Hof 等[29]的研究表明，在平地行走時足跟觸地時刻的動態(tài)穩(wěn)度最小。本研究結果顯示，下樓梯時執(zhí)行手機任務時使得右腳觸地時刻的動態(tài)穩(wěn)定性降低，同時也在一定程度上支持了Hof等的研究，即在下樓梯的雙任務范式中，前-后方向穩(wěn)定性在右腳觸地時刻降低。雙支撐相有兩個典型的足跟觸地時刻，即左腳觸地和右腳觸地時刻。然而在本研究中，手機任務的介入使左腳觸地時刻的動態(tài)穩(wěn)定性提高。這意味著在執(zhí)行手機任務時，下樓梯行走中觸地時刻的穩(wěn)定性并非均降低。在左腳觸地時刻，右腿作為支撐承重腿，承擔身體大部分重量。而在右腳觸地時刻，身體的重量大部分由左腿承擔。研究[31]表明，優(yōu)勢腿在運動中主要起到穩(wěn)定身體的作用。而本研究中受試者的優(yōu)勢腿均為右腿，這可能是造成手機任務的干擾并未降低左腳觸地時刻動態(tài)穩(wěn)定性的原因之一。

人體在下樓梯行走過程中是一系列失去平衡和恢復平衡的動態(tài)過程，CoM 始終處于三維動態(tài)變化過程。本研究發(fā)現(xiàn)，在手機任務的干擾下，冠狀面的MoS均為正值，表明外推質(zhì)心的位置雖然不斷發(fā)生變化但始終位于CoP的內(nèi)側。手機任務的介入使右腳離地時刻的內(nèi)-外側方向的動態(tài)穩(wěn)定性顯著降低，然而并未引起其他3個時刻冠狀面動態(tài)穩(wěn)定性的顯著變化。這與Zhang等[9]的研究結果不一致，他們的研究結果顯示，同時執(zhí)行的雙任務使內(nèi)-外側方向的穩(wěn)定性增加。執(zhí)行的雙任務類型不同可能是造成這兩個研究結果不一致的原因之一。本研究使用的是基于手機使用行為的認知-動作的組合任務，而Zhang 等的研究使用單一的認知任務。此外，右腳的離地標志著單支撐相的開始，此時BoS 顯著減少，這對穩(wěn)定性的控制提出了較大挑戰(zhàn)。有研究[32]表明，增大步寬能夠增加內(nèi)-外側方向上的穩(wěn)定性。而在本研究中，手機任務的介入并未引起步寬發(fā)生顯著變化。右腳離地時刻是左單支撐相的開始，在單支撐相，髖關節(jié)周圍軟組織對冠狀面穩(wěn)定性的維持發(fā)揮重要作用[33]。因此手機任務的干預可能削弱了非優(yōu)勢側髖關節(jié)周圍軟組織對冠狀面穩(wěn)定性的控制能力，進而降低了此刻內(nèi)-外側方向上身體的穩(wěn)定性。

在足跟觸地時刻，人體需要精準控制向前的沖量，此刻的穩(wěn)定性控制難度較大[16]。而足尖離地時刻由于BoS的急劇減少使得動態(tài)穩(wěn)定性降低[15]。因此，足跟觸地和足尖離地時刻的動態(tài)穩(wěn)定性控制變得尤為困難。以往的研究大多只選取了其中一個時刻[34，35]或兩個時刻[9，36]進行分析，即右腳觸地和左腳離地這兩個時刻，很少有研究對后兩個時刻（左腳觸地和右腳離地時刻）進行分析。這些研究僅選用前兩個時刻進行分析可能是基于肢體的對稱性[37]。然而在手機任務的干擾下，下樓梯行走時的動態(tài)穩(wěn)定性并未呈現(xiàn)對稱性變化。手機任務的介入使右腳觸地時刻的矢狀面穩(wěn)定性和右腳離地時刻的冠狀面穩(wěn)定性均降低，該結果在一定程度上支持“足觸地和足離地時刻是動態(tài)穩(wěn)定性降低的兩個時刻”的觀點。此外，在右腳觸地和右腳離地這兩個時刻，身體的重量大部分由非優(yōu)勢腿承擔，這可能是造成這兩個時刻穩(wěn)定性下降而左腳著地和左腳離地時刻的穩(wěn)定性并未下降的原因之一。后續(xù)研究在探索動態(tài)穩(wěn)定時或許應將優(yōu)勢腿這一影響因素考慮進去，從而能夠更好地揭示雙任務范式下動態(tài)穩(wěn)定性的變化特征。

與以往研究結果一致[20]，在雙任務的干擾下，步頻和雙支撐比顯著減少。雙支撐比的減少提示身體的穩(wěn)定性降低[38]。BoS 的大小對身體穩(wěn)定性發(fā)揮重要作用。步長的增加有利于增大BoS，進而提高前-后方向的穩(wěn)定性[32]。由于步長受樓梯固有尺寸的限制，在本研究中步長在兩種任務條件下無顯著變化。此外，手機任務的介入使下樓梯行走中單支撐相所占的比例顯著增加，這與金成敏等[39]的研究結果一致，即執(zhí)行雙任務增加了下樓梯行走時的單支撐相時間。因此盡管在雙任務的干預下，青年人仍會找尋最佳的下樓梯行走方式，表現(xiàn)出減慢步頻的步態(tài)特征。

在下樓梯行走中執(zhí)行認知-動作組合任務時，究竟是認知資源間的競爭關系還是整合關系占主導，我們的研究結果傾向于支持前者。下樓梯是一項復雜的動作任務，現(xiàn)已被證明需要更多的認知資源參與[7]。雙手持手機編輯信息的動作任務和下樓梯均占用大腦控制動作任務的認知域，因此這兩者之間可能形成認知資源的整合單元，相互促進，進而提高運動表現(xiàn)[40]。由于數(shù)學計算和動作任務并非占用同一認知域的資源，因此這三者之間很難形成認知資源的整合，最終導致矢狀面和冠狀面的動態(tài)穩(wěn)定性下降。在本研究中，認知資源的競爭理論可能為下樓梯行走中執(zhí)行手機任務時動態(tài)穩(wěn)定性的降低提供理論支撐。

4 不足與展望

本研究存在一定的局限性。首先，本研究僅對青年人在下樓梯行走中執(zhí)行復雜任務時的步態(tài)特征具有參考價值，而探索認知-動作的組合任務穩(wěn)定控制評估對于老年人特別是有跌倒經(jīng)歷的老年人可能更有價值。其次，不同的樓梯尺寸對于動態(tài)穩(wěn)定性具有很大的影響[15]。本研究僅選用樓梯的國標尺寸（符合我國居民住宅標準），因此后續(xù)研究可以使用不同的樓梯尺寸進行雙任務的探索。第三，本研究僅選取了一種形式的手機使用行為，后續(xù)研究可以探討不同類型手機使用行為對樓梯行走身體動態(tài)穩(wěn)定性的影響，如編輯短信、語音通話、閱讀文本等。

5 總結

執(zhí)行手機任務使青年人在下樓梯行走時矢狀面和冠狀面的動態(tài)穩(wěn)度下降。在手機任務的介入下，優(yōu)勢腳觸地和優(yōu)勢腳離地時刻是兩個穩(wěn)定性較差的時刻，此時青年人表現(xiàn)出低步頻、低動態(tài)穩(wěn)定性的下樓梯步態(tài)特征。本研究動態(tài)穩(wěn)度的評價方法與結果對于青年人下樓梯行走中執(zhí)行復雜任務時的步態(tài)特征和穩(wěn)定性變化具有一定的參考價值。在下樓梯行走中執(zhí)行基于手機使用行為的認知-動作組合任務時，認知資源間的競爭關系可能占主導作用。因此，應盡量避免使用手機，從而將更多的認知資源分配到下樓梯行走的動態(tài)穩(wěn)定性控制中。