劉敏 李玉茹 王健 王濤

(1北京大學人口研究所，北京 100871；天津體育學院 2體育教育與教育科學學院；3社會體育與健康科學學院)

到2050年，中國將成為全球最大的高齡老年群體國家〔1〕。中國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重影響中國老年人群的健康生活，超重肥胖老年人行走時的安全問題更是當今社會高度關(guān)注的問題。行走是老年人維持日常生活的基本能力，步速會因為日常情境和年齡的改變而發(fā)生變化，步態(tài)也會發(fā)生調(diào)整〔4〕。但對于超重肥胖老年人來說，由于體重過大、下肢負擔過重、跌倒風險會高于正常體重老年人。已有研究表明，走路時老年人的跌倒風險增加〔5,6〕；老年人體重過大與行走時跌倒的發(fā)生關(guān)系密切〔7,8〕，是發(fā)生跌倒的主要危險因素〔9〕。因此，對不同步速下超重肥胖老年人的步態(tài)特征進行分析至關(guān)重要。

跌倒與步態(tài)密切相關(guān)〔10〕。中國對于步態(tài)的研究起于1982年〔11〕，雖然起步較晚，但關(guān)注度高，研究內(nèi)容豐富。近年針對步行過程中的步態(tài)特征一直是國內(nèi)外研究的熱點〔12～14〕。本研究通過對超重肥胖老年人在不同速度行走時的步態(tài)運動學參數(shù)進行分析，探討體重過大是否會影響老年人在不同步速行走時的步態(tài)特征。

1 對象與方法

1.1研究對象 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)中國人肥胖標準〔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、無運動功能障礙，在知情同意的基礎(chǔ)上自愿參加此項研究，并填寫知情同意書。排除標準：①患有影響行走的骨關(guān)節(jié)及肌肉性疾病或損傷；②患有嚴重高血壓、心臟?。虎刍加芯窦膊『驼J知語言聽力功能障礙者。兩組體重、BMI和體脂率有統(tǒng)計學差異(P<0.01)，而身高和年齡無統(tǒng)計學差異(P>0.05)。見表1。

表1 兩組一般資料比較

1.2實驗設(shè)備：采用德國BTS公司研發(fā)的SMART-DX系統(tǒng)中的動作實時擷取與評價分析模塊(Motion Capture Model)進行數(shù)據(jù)采集。此模塊又稱為三維動作捕捉分析系統(tǒng)，包括紅外高速攝像機、測力臺和5 m步行臺等硬件設(shè)施及SMART Analyzer和SMART Clinic等分析軟件。SMART-DX系統(tǒng)以光學技術(shù)為基礎(chǔ)，步行臺和測力臺組成的行走步道作為行走測試場地，通過紅外高速攝像機對貼在受試者身上mark點(反光標記點)的運動軌跡進行三維重建，完成數(shù)據(jù)采集。

1.3測試方法 3種步速下的對比試驗。于2019年4～7月在天津體育學院新校區(qū)運動技術(shù)診斷與優(yōu)化實驗室完成。實驗室內(nèi)平均溫度24.37℃，平均濕度53.84%，均符合實驗儀器所要求的實驗環(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)拍器控制與反復練習相結(jié)合的方法來控制步速。根據(jù)健康人的步長正常范圍〔15〕，設(shè)定節(jié)拍器的速度分別是80、105、130次/min。為消除個人差異，以身高標準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對應常速、快速及急行3種行走狀態(tài)。在實驗之前對受試者進行簡單的培訓，通過反復的練習，使受試者按照節(jié)拍器所控制的速度自然的行走。正式實驗時，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-空參數(shù)及下肢關(guān)節(jié)角度參數(shù)。

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

1.5統(tǒng)計學分析 采用SPSS26.0軟件，受試者基線資料分析使用獨立樣本t檢驗，兩因素重復測量方差分析用于組內(nèi)效應、組間效應和交互效應分析，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肥胖組老年人的步態(tài)特征進行分析。

2 結(jié) 果

2.1兩組老年人時-空參數(shù)比較 時間參數(shù)重復測量方差分析結(jié)果顯示，步速的組內(nèi)效應的步態(tài)周期時長、雙支撐相百分比和1 min走步數(shù)差異有統(tǒng)計學意義(F組內(nèi)效應=34.889，P=0.000、F組內(nèi)效應=3.963，P=0.029、F組內(nèi)效應=91.408，P=0.000)；組間效應及交互效應時間參數(shù)差異無統(tǒng)計學意義(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)周期時長、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)周期時長顯著降低，1 min走步數(shù)顯著增加(均P<0.05)。與C組比較，O組的時間參數(shù)無顯著性差異(P>0.05)?？臻g參數(shù)重復測量方差分析結(jié)果顯示，步速的組內(nèi)效應在步態(tài)周期長度、步長、步寬方面差異有統(tǒng)計學意義(F組內(nèi)效應=19.645，P=0.000、F組內(nèi)效應=10.183，P=0.000、F組內(nèi)效應=4.561，P=0.015)；步速和肥胖程度在步長方面差異有統(tǒng)計學意義(F交互效應=3.504，P=0.037)；組間效應在空間參數(shù)上無統(tǒng)計學意義(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)周期長度和步長顯著升高，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-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)角度重復測量方差分析結(jié)果顯示，步速組內(nèi)效應的膝屈伸角度差異有統(tǒng)計學意義(F組內(nèi)效應=17.289，P=0.000)；組間效應及交互效應的著地瞬間關(guān)節(jié)角度差異無統(tǒng)計學意義(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)角度重復測量方差分析結(jié)果顯示，步速組內(nèi)效應的髖屈伸、踝背屈跖屈、膝內(nèi)外旋和膝內(nèi)收外展角度差異有統(tǒng)計學意義(F組內(nèi)效應=9.367，P=0.000、F組內(nèi)效應=8.557，P=0.001、F組內(nèi)效應=13.399，P=0.000、F組內(nèi)效應=9.971，P=0.000)；組間效應及交互效應的著地瞬間關(guān)節(jié)角度差異無統(tǒng)計學意義(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)下行進時的步態(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、骨骼等身體機能協(xié)調(diào)控制能力及應對突發(fā)事件反應力下降，使老年人步態(tài)在應對各類行走情境時出現(xiàn)變化，引發(fā)跌倒風險。步態(tài)分析是目前應用于預測跌倒風險、指導跌倒預防和評價干預效果的客觀測量方法。步態(tài)周期是指同側(cè)腳跟離地跨出到再次著地時的行進過程，分為支撐相和擺動相兩個階段，共同完成步態(tài)在時間和空間的改變。支撐相又分為雙支撐和單支撐相，雙支撐時，一側(cè)下肢支撐重量的同時，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。而單支撐時，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。重心由兩腿承擔的時間比例越大，身體越穩(wěn)定；反之，重心偏離時間比例越大，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)是目前國際上科技含量高且能夠客觀、定量、全面地評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三維運動捕捉系統(tǒng)在步態(tài)時空參數(shù)和下肢髖膝踝關(guān)節(jié)角度等運動學參數(shù)上具有較高可信度〔19〕。本研究通過紅外攝像捕捉，精準采集人體運行軌跡并三維成像，以此劃分步態(tài)周期，得到的步態(tài)時間和空間參數(shù)精確度高。已有研究表明，步態(tài)的時間和空間參數(shù)是預測老年人跌倒的有效指標〔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-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)周期時長顯著降低，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，老年人身體機能退化，下肢肌肉力量和協(xié)調(diào)性下降，且對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荷，為了盡力保持平衡不至跌倒，超重肥胖老年人會調(diào)整步態(tài)，增加步態(tài)周期時長和雙支撐相，縮短單支撐相；但隨著步速加快甚至急行時，1 min走步數(shù)增加、步頻加快，雙支撐相下降會使身體重心不穩(wěn)，穩(wěn)定性降低，容易發(fā)生跌倒。

下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)在三維層面的活動是行走運動的基礎(chǔ)。在矢狀面上，髖、膝、踝關(guān)節(jié)均做屈伸運動，髖屈伸完成大腿抬高動作，膝屈伸完成大小腿折疊動作，踝背屈跖屈完成腳背抬起落下動作。本研究結(jié)果顯示，步速對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，說明步速的改變會顯著影響矢狀面的髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動。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，但步速繼續(xù)增加時，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、機體反應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動時踝關(guān)節(jié)屈曲活動，使老年人在快速運動狀態(tài)下沒有充分的時間做“勾腳”動作，這也是超重肥胖老年人在快速運動狀態(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)外旋運動，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)果說明步速對水平面上關(guān)節(jié)活動的顯著影響只體現(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，但變化趨勢同離地瞬間一致。盡管組間效應和交互效應不明顯，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)收外展運動，其作用是降低肢體相對長度幫助實現(xiàn)“邁步”。本研究結(jié)果說明步速對冠狀面上關(guān)節(jié)活動的顯著影響只體現(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)為實現(xiàn)邁步，會加大活動角度，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，由于體重對下肢的高度負荷，一定范圍內(nèi)限制了髖關(guān)節(jié)的活動，導致髖關(guān)節(jié)活動角度下降。但因為離地瞬間下肢大肌肉群做離心運動，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，導致離地瞬間下肢角度的變化加大，更容易發(fā)生跌倒。