馬剛 何海燕 鄭國兵 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〕、本體感覺降低〔2〕、姿勢控制能力下降〔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加劇其再次跌倒的風(fēng)險〔5〕。由于樓梯行走需要更高的姿勢控制能力〔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,可能帶來嚴(yán)重的損傷。從運動控制的角度出發(fā),穩(wěn)定性是指身體受到干擾后保持直立姿勢而不跌倒的能力〔8〕。當(dāng)外界環(huán)境突然改變后,人體會依據(jù)感知覺系統(tǒng)反饋的信息調(diào)節(jié)下肢肌肉活動,并通過改變下肢關(guān)節(jié)的運動表現(xiàn)調(diào)節(jié)平衡〔9〕。有研究顯示,當(dāng)人體姿勢改變時,最先啟動的是下肢剛度調(diào)節(jié)〔10〕。剛度是指物體在受載時抵抗形變的能力,它通過關(guān)節(jié)力與位移的動態(tài)配合完成調(diào)節(jié)過程。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,腿剛度是評估走或跑過程中整個下肢動態(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)在樓梯行走過程中起到主要動力作用。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,為了量化每個關(guān)節(jié)剛度對腿剛度的貢獻,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〕等運動中,但應(yīng)用于老年人下樓梯活動較為少見。本研究運用生物力學(xué)手段,對比老齡化對健康女性下樓梯時腿剛度和關(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 對象和方法

1.1研究對象 應(yīng)用GPower計算樣本量,根據(jù)文獻〔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。通過現(xiàn)場招募、微信宣傳的方式隨機選取青年女性與老年女性各20例。要求受試者無規(guī)律鍛煉習(xí)慣、近6個月無跌倒史、能夠獨立完成樓梯行走。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試流程并簽署知情同意書。除年齡外兩組其他基本資料無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)。見表1。

表1 兩組基本資料

1.2儀器設(shè)備 選用一臺模擬樓梯模擬日常的下樓梯活動,樓梯由6級臺階組成,每一級高0.17 m,臺階寬度為1.5 m,臺階長度為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個紅外攝像頭的Vicon紅外運動捕捉系統(tǒng)(Vicon Motion System,UK,Oxford Metrics Limited)進行運動學(xué)數(shù)據(jù)的采集,同時配有14 mm直徑的反光Mark點及配套的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三維測力臺(Kistler-9287BA,CH,Kistler)對動力學(xué)數(shù)據(jù)進行采集。將三維測力臺置于樓梯第3階臺階的凹槽內(nèi)并固定,采集頻率設(shè)置為1 000 Hz。

1.3測試流程 受試者身著緊身測試衣褲和測試鞋,先進行身體形態(tài)學(xué)指標(biāo)測量及優(yōu)勢腿的測試,經(jīng)測試受試者優(yōu)勢側(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點粘貼于人體骨性標(biāo)志點上。正式測試開始后,受試者在工作人員的指令下進行下樓梯行走,為保證優(yōu)勢腿踏上測力臺,受試者需要優(yōu)勢腿先邁步并采用一步一個臺階的方式下樓梯行走。將下樓梯過程中無停頓、Marker點無掉落記為1次有效測試,每名受試者保留5次有效測試并隨機選取3次進行數(shù)據(jù)分析,每次測試間隔1 min。

1.4數(shù)據(jù)處理 原始的運動學(xué)與動力學(xué)數(shù)據(jù)利用Vicon Nexus1.7.1軟件進行Marker點的重命名、截取操作。并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Visual 3D進行濾波、標(biāo)準(zhǔn)化、百分化操作。采用巴特沃斯四階數(shù)字低通濾波器進行濾波處理,截止頻率運動學(xué)數(shù)據(jù)6 Hz〔20〕、動力學(xué)數(shù)據(jù)50 Hz〔19〕,運動學(xué)數(shù)據(jù)以身高標(biāo)準(zhǔn)化,動力學(xué)數(shù)據(jù)以體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化。將下樓梯時的一個步態(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始,到右腳在第三階離地結(jié)束。采用逆向動力學(xué)方法計算下肢各關(guān)節(jié)周圍由肌肉所產(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表示下肢初始長度,V表示平均速度,tc表示足部撞擊時間,△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)計學(xué)分析 采用SPSS19.0軟件進行獨立樣本t檢驗,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對比 與青年組相比,老年組vGRFpeak、KLeg顯著降低(P<0.05),△L未見顯著性差異(P>0.05),見表2。

表2 青年組與老年組下樓梯腿剛度對比

2.2兩組下樓梯下肢關(guān)節(jié)剛度對比 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)。見表3。

表3 兩組下樓梯下肢關(guān)節(jié)剛度對比

2.3兩組下樓梯KLeg與關(guān)節(jié)剛度對比 KKnee與KAnkle呈顯著負相關(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均無明顯相關(guān)性(r=-0.097,P=0.545)。

2.4兩組下樓梯優(yōu)勢腿支撐相內(nèi)關(guān)節(jié)角度與力矩變化曲線 在優(yōu)勢腿支撐階段,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,均在SSP初期達到第1個峰值,在SSP末期達到第2個峰值。見圖1。

圖1 兩組關(guān)節(jié)角度與力矩變化曲線

3 討 論

隨著年齡增長,老年人身體穩(wěn)定性逐漸下降。相比于水平行走,樓梯行走時跌倒所具有的勢能更高,因此受傷更為嚴(yán)重〔15〕。研究表明,下樓梯時需要精確的感知覺系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)反饋,同時需要主動肌和拮抗肌間的良好協(xié)調(diào)〔23,24〕。KLeg的最佳水平對促進運動表現(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系統(tǒng)反饋都會隨年齡的增加而減弱,因此老年人可能會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,老年人通常通過增加共收縮補償身體平衡〔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動策略,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使骨損傷的風(fēng)險增加,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,但同時也降低了身體穩(wěn)定性,增加了下樓梯跌倒風(fēng)險。

人體在運動過程中,下肢可簡化為一個多關(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,則在觸地時關(guān)節(jié)會經(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〔32〕。有研究〔32〕表明,足部觸地時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降低Kknee、KAnkle是為了更好地吸收能量而主動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)致身體重心過度前移,向前跌倒的風(fēng)險增加〔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向前跌倒的風(fēng)險。

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,為了量化每個下肢關(guān)節(jié)剛度對KLeg的貢獻度,進一步探討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,在下樓梯過程中,受試者的KLeg與下肢關(guān)節(jié)剛度之間并未見顯著的相關(guān)性,而KAnkle與KKnee呈現(xiàn)出顯著的負相關(guān)性。Nadeau等〔15〕研究指出,在樓梯行走過程中,膝關(guān)節(jié)起到了主要的動力作用,其次是踝關(guān)節(jié)。KAnkle、KKnee的負相關(guān)性可能表明了兩關(guān)節(jié)之間的代償關(guān)系。由于老年人的運動神經(jīng)系統(tǒng)功能下降,相比于青年人,老年人可能更依賴于下肢關(guān)節(jié)的代償機制〔36〕。Robbins等〔37〕研究顯示,老年人的姿勢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,降低樓梯行走時向前跌倒的風(fēng)險。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,難以完成下樓梯時支撐腿支撐、擺動腿向前邁步的動作,繼而增加跌倒風(fēng)險〔38〕。老年人可能通過踝關(guān)節(jié)的代償作用彌補膝關(guān)節(jié)伸肌力量不足,進而降低下樓梯時的跌倒風(fēng)險。

綜上,在下樓梯過程中,老年人主動減小KLeg以降低骨損傷的風(fēng)險,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,提高下樓梯的身體穩(wěn)定性。KLeg與下肢關(guān)節(jié)剛度未見顯著相關(guān)性,但KKnee與KAnkle呈現(xiàn)顯著負相關(guān)性,可能是膝、踝關(guān)節(jié)之間存在代償性關(guān)系。因此,老年人的運動項目的選擇或運動康復(fù)的重點應(yīng)同時注重發(fā)展膝、踝關(guān)節(jié)力量。