馬剛 何海燕 鄭國(guó)兵 何瑞波 白少玄 曹傳寶

(1武警后勤學(xué)院,天津 300309;2河北體育學(xué)院)

研究發(fā)現(xiàn),老齡化導(dǎo)致的老年人肌力流失〔1〕、本體感覺(jué)降低〔2〕、姿勢(shì)控制能力下降〔3〕都是造成老年人跌倒的原因。流行病學(xué)數(shù)據(jù)顯示,在跌倒的老年人中女性占比高達(dá)70.6%〔4〕,因其特殊的生理特征,老年女性更容易跌倒。另外,老年人因跌倒經(jīng)歷造成的恐懼心理可能會(huì)加劇其再次跌倒的風(fēng)險(xiǎn)〔5〕。由于樓梯行走需要更高的姿勢(shì)控制能力〔6〕,因此,樓梯是老年人常發(fā)生跌倒的環(huán)境。調(diào)查顯示,約26%的跌倒發(fā)生在樓梯行走中〔4〕,而下樓梯跌倒約占樓梯行走跌倒的3/4〔7〕。老年人一旦發(fā)生跌倒,可能帶來(lái)嚴(yán)重的損傷。從運(yùn)動(dòng)控制的角度出發(fā),穩(wěn)定性是指身體受到干擾后保持直立姿勢(shì)而不跌倒的能力〔8〕。當(dāng)外界環(huán)境突然改變后,人體會(huì)依據(jù)感知覺(jué)系統(tǒng)反饋的信息調(diào)節(jié)下肢肌肉活動(dòng),并通過(guò)改變下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)調(diào)節(jié)平衡〔9〕。有研究顯示,當(dāng)人體姿勢(shì)改變時(shí),最先啟動(dòng)的是下肢剛度調(diào)節(jié)〔10〕。剛度是指物體在受載時(shí)抵抗形變的能力,它通過(guò)關(guān)節(jié)力與位移的動(dòng)態(tài)配合完成調(diào)節(jié)過(guò)程。諸多學(xué)者已將腿剛度與關(guān)節(jié)剛度應(yīng)用于步態(tài)行走中的研究〔11,12〕。腿剛度與關(guān)節(jié)剛度都是觀察下肢或關(guān)節(jié)所抵抗的外力與關(guān)節(jié)角位移之間關(guān)系的指標(biāo)〔13〕。研究顯示,腿剛度是評(píng)估走或跑過(guò)程中整個(gè)下肢動(dòng)態(tài)特性最合適的方法〔14〕。但如果需要了解下肢關(guān)節(jié)的具體情況,則需要使用關(guān)節(jié)剛度指標(biāo)。Nadeau等〔15〕研究發(fā)現(xiàn),膝關(guān)節(jié)在樓梯行走過(guò)程中起到主要?jiǎng)恿ψ饔?。Brughelli等〔13〕研究發(fā)現(xiàn),相比于踝關(guān)節(jié)剛度,膝關(guān)節(jié)剛度在控制腿剛度方面更為重要。Jin等〔16〕和Kim等〔17〕研究表明,為了量化每個(gè)關(guān)節(jié)剛度對(duì)腿剛度的貢獻(xiàn),研究腿剛度和關(guān)節(jié)剛度之間的關(guān)系十分重要〔16,17〕。腿剛度與關(guān)節(jié)剛度已應(yīng)用于走〔18〕、跑〔11,16〕等運(yùn)動(dòng)中,但應(yīng)用于老年人下樓梯活動(dòng)較為少見(jiàn)。本研究運(yùn)用生物力學(xué)手段,對(duì)比老齡化對(duì)健康女性下樓梯時(shí)腿剛度和關(guān)節(jié)剛度的差異,探究腿剛度與關(guān)節(jié)剛度之間的相關(guān)性。

1 對(duì)象和方法

1.1研究對(duì)象 應(yīng)用GPower計(jì)算樣本量,根據(jù)文獻(xiàn)〔11〕,設(shè)置power為0.8,α為0.05,效應(yīng)量為0.84,兩組受試者計(jì)算出所需樣本量為19例,本研究選取樣本量為每組20例。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)招募、微信宣傳的方式隨機(jī)選取青年女性與老年女性各20例。要求受試者無(wú)規(guī)律鍛煉習(xí)慣、近6個(gè)月無(wú)跌倒史、能夠獨(dú)立完成樓梯行走。排除心腦血管疾病、神經(jīng)肌肉骨骼系統(tǒng)疾病、服用影響姿勢(shì)控制能力的藥物及認(rèn)知功能障礙者。每例受試者均熟悉測(cè)試流程并簽署知情同意書(shū)。除年齡外兩組其他基本資料無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。見(jiàn)表1。

表1 兩組基本資料

1.2儀器設(shè)備 選用一臺(tái)模擬樓梯模擬日常的下樓梯活動(dòng),樓梯由6級(jí)臺(tái)階組成,每一級(jí)高0.17 m,臺(tái)階寬度為1.5 m,臺(tái)階長(zhǎng)度為0.3 m,樓梯傾斜角為29.4度,符合日常生活中的樓梯標(biāo)準(zhǔn)。選用8個(gè)紅外攝像頭的Vicon紅外運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)(Vicon Motion System,UK,Oxford Metrics Limited)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的采集,同時(shí)配有14 mm直徑的反光Mark點(diǎn)及配套的Vicon Nexus1.7.1數(shù)據(jù)采集處理軟件,采集頻率設(shè)為100 Hz。采用Kistler三維測(cè)力臺(tái)(Kistler-9287BA,CH,Kistler)對(duì)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。將三維測(cè)力臺(tái)置于樓梯第3階臺(tái)階的凹槽內(nèi)并固定,采集頻率設(shè)置為1 000 Hz。

1.3測(cè)試流程 受試者身著緊身測(cè)試衣褲和測(cè)試鞋,先進(jìn)行身體形態(tài)學(xué)指標(biāo)測(cè)量及優(yōu)勢(shì)腿的測(cè)試,經(jīng)測(cè)試受試者優(yōu)勢(shì)側(cè)均為右側(cè)。然后由工作人員按照Visual 3D提供的模型將直徑為14 mm的反光Marker點(diǎn)粘貼于人體骨性標(biāo)志點(diǎn)上。正式測(cè)試開(kāi)始后,受試者在工作人員的指令下進(jìn)行下樓梯行走,為保證優(yōu)勢(shì)腿踏上測(cè)力臺(tái),受試者需要優(yōu)勢(shì)腿先邁步并采用一步一個(gè)臺(tái)階的方式下樓梯行走。將下樓梯過(guò)程中無(wú)停頓、Marker點(diǎn)無(wú)掉落記為1次有效測(cè)試,每名受試者保留5次有效測(cè)試并隨機(jī)選取3次進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,每次測(cè)試間隔1 min。

1.4數(shù)據(jù)處理 原始的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)利用Vicon Nexus1.7.1軟件進(jìn)行Marker點(diǎn)的重命名、截取操作。并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Visual 3D進(jìn)行濾波、標(biāo)準(zhǔn)化、百分化操作。采用巴特沃斯四階數(shù)字低通濾波器進(jìn)行濾波處理,截止頻率運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)6 Hz〔20〕、動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)50 Hz〔19〕,運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)以身高標(biāo)準(zhǔn)化,動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)以體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化。將下樓梯時(shí)的一個(gè)步態(tài)周期定義為右腳著地到右腳再次著地,則第一雙支撐階段(FDS)為右腳在模擬樓梯第三階觸地開(kāi)始,到左腳在第四階離地結(jié)束,單支撐階段(SSP)為左腳在第四階離地開(kāi)始,到左腳在第二階觸地結(jié)束,第二雙支撐階段(SDS)為左腳在第二階觸地地開(kāi)始,到右腳在第三階離地結(jié)束。采用逆向動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算下肢各關(guān)節(jié)周?chē)杉∪馑a(chǎn)生的凈力矩〔20〕。腿剛度〔21〕定義為支撐期內(nèi)垂直地面反作用力峰值與腿部位移量的比值,由公式(1)與(2)計(jì)算得出;關(guān)節(jié)剛度〔22〕定義為支撐期內(nèi)關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)角度變化的比值,由公式(3)計(jì)算得出。

(1)

(2)

(3)

其中,KLeg表示腿剛度,vGRFpeak表示垂直地面反作用力峰值,△L表示腿部位移垂直變化量,L0表示下肢初始長(zhǎng)度,V表示平均速度,tc表示足部撞擊時(shí)間,△yc表示觸地期間質(zhì)心的垂直位移,△M表示關(guān)節(jié)力矩的變化量,△θ表示關(guān)節(jié)角度的變化量,KHip表示髖關(guān)節(jié)剛度,KKnee表示膝關(guān)節(jié)剛度,KAnkle表示踝關(guān)節(jié)剛度。

1.5統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS19.0軟件進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),應(yīng)用偏相關(guān)分析分析腿剛度與髖、膝、踝關(guān)節(jié)剛度的相關(guān)性。

2 結(jié) 果

2.1兩組下樓梯KLeg對(duì)比 與青年組相比,老年組vGRFpeak、KLeg顯著降低(P<0.05),△L未見(jiàn)顯著性差異(P>0.05),見(jiàn)表2。

表2 青年組與老年組下樓梯腿剛度對(duì)比

2.2兩組下樓梯下肢關(guān)節(jié)剛度對(duì)比 與青年組相比,老年組△θKnee、△MHip、KHip顯著增大,△MKnee、△MAnkle、KKnee、KAnkle顯著較小(P<0.05)。見(jiàn)表3。

表3 兩組下樓梯下肢關(guān)節(jié)剛度對(duì)比

2.3兩組下樓梯KLeg與關(guān)節(jié)剛度對(duì)比 KKnee與KAnkle呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.507,P=0.001),而KLeg與KHip(r=-0.106,P=0.508)、KLeg與KKnee(r=-0.026,P=0.870)、KLeg與KAnkle(r=0.354,P=0.023)、KHip與KKnee(r=0.096,P=0.550)、KHip與KAnkle均無(wú)明顯相關(guān)性(r=-0.097,P=0.545)。

2.4兩組下樓梯優(yōu)勢(shì)腿支撐相內(nèi)關(guān)節(jié)角度與力矩變化曲線(xiàn) 在優(yōu)勢(shì)腿支撐階段,青年組與老年組關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)力矩變化趨勢(shì)基本一致,但幅度有一定差異。髖關(guān)節(jié)角度先減小后增大,膝關(guān)節(jié)角持續(xù)增加,而踝關(guān)節(jié)角先增大,在SSP末期逐漸減小;關(guān)節(jié)力矩,支撐相內(nèi)前半段的髖關(guān)節(jié)主要表現(xiàn)為伸髖力矩,然后轉(zhuǎn)變?yōu)榍y力矩,膝關(guān)節(jié)主要是伸膝力矩,踝關(guān)節(jié)主要是跖屈力矩,膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)力矩均明顯呈現(xiàn)雙峰趨勢(shì),均在SSP初期達(dá)到第1個(gè)峰值,在SSP末期達(dá)到第2個(gè)峰值。見(jiàn)圖1。

圖1 兩組關(guān)節(jié)角度與力矩變化曲線(xiàn)

3 討 論

隨著年齡增長(zhǎng),老年人身體穩(wěn)定性逐漸下降。相比于水平行走,樓梯行走時(shí)跌倒所具有的勢(shì)能更高,因此受傷更為嚴(yán)重〔15〕。研究表明,下樓梯時(shí)需要精確的感知覺(jué)系統(tǒng)和視覺(jué)系統(tǒng)反饋,同時(shí)需要主動(dòng)肌和拮抗肌間的良好協(xié)調(diào)〔23,24〕。KLeg的最佳水平對(duì)促進(jìn)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和降低損傷十分必要,但肌肉優(yōu)化剛度能力取決于肌肉力量及產(chǎn)生力的速率〔25〕。由于肌肉力量和感知覺(jué)系統(tǒng)反饋都會(huì)隨年齡的增加而減弱,因此老年人可能會(huì)采用不同于青年人的控制策略調(diào)節(jié)KLeg〔26〕。研究表明,為了降低跌倒的風(fēng)險(xiǎn),老年人通常通過(guò)增加共收縮補(bǔ)償身體平衡〔27〕。有研究顯示,共收縮是老年人增加剛度的一種機(jī)制〔27〕。剛度的增加有助于提高身體穩(wěn)定性。Tibor等〔28〕研究顯示,青年女性與老年女性采用不同下樓梯運(yùn)動(dòng)策略,老年女性下肢關(guān)節(jié)屈曲程度減小,這導(dǎo)致KLeg增加了約60%。但Millett等〔29〕研究表明,較小的KLeg有利于降低下肢損傷。KLeg的降低通常與下肢位移增加和vGRFpeak降低有關(guān),較大的垂直地面反作用力會(huì)使骨損傷的風(fēng)險(xiǎn)增加,如膝骨關(guān)節(jié)炎、應(yīng)力性骨折等〔30〕。本研究結(jié)果顯示,與青年組相比,老年組在下樓梯時(shí)表現(xiàn)出較小的KLeg。這可能是老年人采取降低KLeg的策略以降低骨損傷風(fēng)險(xiǎn),但同時(shí)也降低了身體穩(wěn)定性,增加了下樓梯跌倒風(fēng)險(xiǎn)。

人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,下肢可簡(jiǎn)化為一個(gè)多關(guān)節(jié)系統(tǒng)。Millett等〔29〕研究表明,KLeg調(diào)節(jié)受關(guān)節(jié)剛度及腳觸地時(shí)的幾何結(jié)構(gòu)等多種因素影響。關(guān)節(jié)剛度定義為關(guān)節(jié)角度隨關(guān)節(jié)外力矩的變化程度,主要取決于肌肉激活、反射和關(guān)節(jié)角度的變化〔31〕。如果下肢關(guān)節(jié)較硬,則在觸地時(shí)關(guān)節(jié)會(huì)經(jīng)歷較小的角位移,從而降低下肢彈簧模型的壓縮,提高下肢剛度〔31〕。研究表明,關(guān)節(jié)剛度可能與身體傳遞負(fù)荷的衰減有關(guān)〔32〕。因此,關(guān)節(jié)剛度可以間接反映下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)〔32〕。有研究〔32〕表明,足部觸地時(shí)的能量吸收主要依靠膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)。因此,本研究中老年人主動(dòng)降低Kknee、KAnkle是為了更好地吸收能量而主動(dòng)采取的一種下樓梯策略。由公式3可知,下肢關(guān)節(jié)剛度的差異受關(guān)節(jié)角度和力矩變化影響。膝關(guān)節(jié)角度變化的差異不足以改變力矩變化對(duì)膝關(guān)節(jié)剛度的影響。本研究發(fā)現(xiàn),老年人在下樓梯時(shí)表現(xiàn)出較大的KHip,這可能是由于老年人較大的髖關(guān)節(jié)力矩所致。研究表明,髖關(guān)節(jié)力矩與軀干姿勢(shì)控制有關(guān)〔33〕。在樓梯行走中,較大的軀干前傾角導(dǎo)致身體重心過(guò)度前移,向前跌倒的風(fēng)險(xiǎn)增加〔34〕。本研究發(fā)現(xiàn),老年人利用較大的髖關(guān)節(jié)力矩控制軀干,積極降低KKnee和KAnkle,以緩沖地面沖擊力,并有效降低下樓梯時(shí)向前跌倒的風(fēng)險(xiǎn)。

KLeg和關(guān)節(jié)剛度之間的關(guān)系是復(fù)雜的。Jin等〔16〕和Kim等〔17〕研究指出,為了量化每個(gè)下肢關(guān)節(jié)剛度對(duì)KLeg的貢獻(xiàn)度,進(jìn)一步探討KLeg與關(guān)節(jié)剛度之間的關(guān)系十分必要。Brughelli等〔13〕和Kuitunen等〔35〕研究表明,KKnee對(duì)KLeg的控制作用明顯大于KAnkle。但本研究結(jié)果顯示,在下樓梯過(guò)程中,受試者的KLeg與下肢關(guān)節(jié)剛度之間并未見(jiàn)顯著的相關(guān)性,而KAnkle與KKnee呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)性。Nadeau等〔15〕研究指出,在樓梯行走過(guò)程中,膝關(guān)節(jié)起到了主要的動(dòng)力作用,其次是踝關(guān)節(jié)。KAnkle、KKnee的負(fù)相關(guān)性可能表明了兩關(guān)節(jié)之間的代償關(guān)系。由于老年人的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)功能下降,相比于青年人,老年人可能更依賴(lài)于下肢關(guān)節(jié)的代償機(jī)制〔36〕。Robbins等〔37〕研究顯示,老年人的姿勢(shì)控制能力受下肢伸膝肌力影響較大。較大伸膝力矩可以有效抵制軀干前傾,降低樓梯行走時(shí)向前跌倒的風(fēng)險(xiǎn)。隨著年齡增加,老年人下肢肌肉力量尤其是膝關(guān)節(jié)伸肌力量下降,難以完成下樓梯時(shí)支撐腿支撐、擺動(dòng)腿向前邁步的動(dòng)作,繼而增加跌倒風(fēng)險(xiǎn)〔38〕。老年人可能通過(guò)踝關(guān)節(jié)的代償作用彌補(bǔ)膝關(guān)節(jié)伸肌力量不足,進(jìn)而降低下樓梯時(shí)的跌倒風(fēng)險(xiǎn)。

綜上,在下樓梯過(guò)程中,老年人主動(dòng)減小KLeg以降低骨損傷的風(fēng)險(xiǎn),較小的KKnee、KAnkle有助于緩沖地面沖擊力,較大的KHip有助于控制軀干姿勢(shì),提高下樓梯的身體穩(wěn)定性。KLeg與下肢關(guān)節(jié)剛度未見(jiàn)顯著相關(guān)性,但KKnee與KAnkle呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)性,可能是膝、踝關(guān)節(jié)之間存在代償性關(guān)系。因此,老年人的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的選擇或運(yùn)動(dòng)康復(fù)的重點(diǎn)應(yīng)同時(shí)注重發(fā)展膝、踝關(guān)節(jié)力量。