不同運動項目對老年女性跨越障礙物策略影響的研究

于 寧，張 翠，逄 峰

(1.山東建筑大學，山東 濟南 250101;2 山東省體育科學研究中心，山東 濟南 250102;3.山東輕工業學院，山東 濟南250100)

1 前言

由于跌倒導致老年人受傷的情況相當普遍，在65歲以上老年人群中，有過跌倒經歷的占30%［1］，其中有20%～30%受重傷，行動不便［2］?？缭秸系K時步態的不平衡是造成老年人跌倒的最主要的原因，幾乎一半的跌倒是由此造成的［3］。

成功地跨越障礙物需要滿足三個條件:1)仔細觀察環境中的障礙物;2)及時處理關于障礙物的相關信息;3)適當執行有關信息并及時做出運動反應［4，5］。隨著年齡的增長，人們執行這些任務的能力會下降，跌倒的可能性也逐漸增加［6］。研究表明，經常參加體育鍛煉的老年人跌倒的風險較低［7］。

健步走和太極拳練習是增強體質和減少跌倒風險的兩種鍛煉方式［8］。健步走對老年人的姿態穩定［9］和肌肉力量［10］有積極的影響;太極拳能提高下肢肌肉力量［11］、增強靈活性［12］、提高姿態穩定性［13－15］和本體感覺等［12，14，16］，有助于減少跌倒的風險［11］。

Ramachandran［17］發現:長期練習太極拳的人在跨越障礙時采取更為保險的策略，如步速放慢等，分析認為此種策略是源于太極拳練習者對自己單腳支撐能力的自信，因為太極拳練習過程中會經常重復演練單腳支撐的動作。其他研究也得到了相似的結果:太極拳練習增加了單腳站立時間［18－19］，從而減少跌倒［20］。

另外，前人還對人體跨越障礙物時的速度，雙腳間垂直和水平距離，身體重心，下肢關節角度，步長，步幅和步頻等進行了測試和分析［21－24］，到目前為止，尚未發現對老年人跨越障礙物時足底壓力的研究。而足底壓力是一種微控制的表現［25］，足底壓力分布的研究可以為姿勢控制研究提供理論支持［26］。

因此本研究的目的是，探究長期進行健步走鍛煉和太極拳鍛煉，是否對老年女性跨越障礙物的策略造成影響。通過了解跨越障礙物時的步態及足底壓力分布特征，為老年人預防跌倒提供一些姿勢控制和運動方法等方面的建議。

2 方法

2.1 受試者

30 位健康老年女性參加此項實驗，分為太極組(15 名，年齡:65.8±5.6 歲;身高:156.6±4.8 厘米;體重:62.3±8.4 千克;腿長:75.3±3.6 厘米;太極拳練習年限:8.2±2.9 年;強度:平均每天1 小時)和健步走組(15 名，年齡:65.6±4.2 歲;身高:155.4±3.7厘米;體重:67.1±9.7 千克;腿長:75.3±3.2 厘米;健步走年限:8.8±2.6 年;強度:平均每天1 小時)。

所有受試者在參加測試之前都已知情且簽署同意書，在過去3 年內，沒有摔倒和步態異常的經歷，右腳為主動腳，沒有心臟病、糖尿病，下肢關節病，視力、聽力問題，神經肌肉健康。經過SPSS 檢驗，兩組受試者的年齡(P=0.913)、身高(P=0.453)、體重(P=0.162)和腿長(P=0.99)均無顯著性差異。

2.2 測試方案

如圖1 所示，在測試路徑中央放置一塊足底壓力測試平板(2 米，Rsscan，比利時)，測試平板前后各放置兩塊橡膠墊，橡膠墊長度為5 米，寬度和厚度均與測力平板一致。受試者在障礙物前約4 米處開始行走，跨越障礙后至少繼續走3 ～4 米［21］。攝像機(JVC9800，美國)放置在測力板前后和右方各5 米處。使用APAS 動作捕捉系統(Ariel Dynamic Inc，美國)，拍攝頻率25 幀/秒。在測力板中部正上方放置障礙物，障礙物為一根2 厘米×100 厘米(寬×長)的木條。為避免受試者被障礙物絆倒，木條輕輕放在兩側的支柱上，輕觸即掉。受試者選擇自己日常步速跨越障礙物［21］。當受試者跨越障礙物時，障礙物在視線范圍之內。工作人員站在一旁，保護受試者。

圖1 測試路徑及儀器擺放圖

在受試者雙腿的大轉子、跖骨和跟骨處共貼有6個標志點。要求受試者跨越3 個高度的障礙物:1)0厘米障礙(正常行走);2)15 厘米障礙物(約20%腿長);3)23 厘米障礙(約30%腿長)［17，21］。每個受試者順利跨越7 次，選其中最成功的5 次進行數據分析。障礙物高度設置的順序由受試者抽簽決定。正式測試之前，受試者先進行3 分鐘快走熱身，然后進行3 個高度障礙物試跨各1 次。

運動學測試指標的選?。?1，27］:

2.2.1 跨越步長(SL):當擺動腿跨越障礙物時，擺動腿和支撐腿雙足后跟之間的距離。

2.2.2 跨越高度(FC):當跨越障礙正上方時，擺動腿最低點與障礙物之間的垂直距離。

2.2.3 跨越的最大高度(MFC):當跨越障礙時，擺動腿最低點與障礙物的最大垂直距離。

2.2.4 腳趾距離(TD):在跨越障礙過程中，支撐腿的足尖與障礙物之間的水平距離。

2.2.5 腳跟距離(HD):跨越障礙后，擺動腿落地時足跟與障礙物之間的水平距離。

2.2.6 跨越速度(CV):跨越障礙時，擺動腿足跟和足尖的平均速度。

用測力板的數據來分析地面反作用力(vGRF)和支撐腿跨越障礙時腳底各個區域的壓力分布。地面反作用力按照受試者體重進行標準化計算(%體重)。

腳底劃分為10 個壓力區，分別為:大腳趾區，其余腳趾區，第一跖骨區，第二跖骨區，第三跖骨區，第四跖骨區，第五跖骨區，腳中部區域，腳跟內側，腳跟外側(如圖2 所示)。使用相關軟件，確定并計算每個區域的壓力－時間積分值。

圖2 足底分區圖

單腳支撐時間定義為:擺動腳離地瞬間到跨過障礙著地瞬間所用時間的總和。

2.3 統計學分析

采用MANOVA(多元方差分析)對多個變量進行分析(如足底壓力和跨越障礙時的運動學指標)。在每種實驗條件下，取5 次實驗數據的平均值進行分析。

我們用MANOVA(LSD)對3 種跨越方式(跨越0厘米，跨越15 厘米和23 厘米的障礙)與2 組(太極練習組和健步走練習組)組間與組內的差異性進行檢驗。采用獨立T 檢驗對兩組受試者的基本特征(年齡，身高)和正常走的特征(步長，速度)進行統計學分析。采用SPSS 11(Chicago，IL，USA)進行統計學分析，P〈0.05 視為具有統計學差異。

3 結果

由見表1 可見，太極組的跨越步長(SL)明顯大于健步走組。在跨越15 厘米和23 厘米障礙物時，太極組的標準化的腳趾距離(Norm－TD)明顯大于健步走組(15 cm 障礙物:P=0.032; 23 cm 障礙物:P=0.042; 表1)。太極組的標準化的腳跟距離(Norm－HD)僅在跨越23 厘米障礙物時大于健步走組(P=0.028)。在跨越15 厘米和23 厘米時，太極組的跨越高度(FC)(15 cm 障礙物:P=0.005;23 cm 障礙物:P=0.037)、跨越速度(CV)(15 cm 障礙物:P〈0.001;23 cm 障礙物:P=0.006))明顯高于健步走組。兩組的最大跨越高度沒有顯著差異。

表1 太極組與健步走組運動學指標對比表

正常走，表示途中沒有障礙物;15 cm 與23 cm 分別表示途中設有高度為15 厘米和23 厘米的障礙物。

SL:跨越步長;TD:腳趾距離;Norm－TD:標準化后的腳趾距離;HD:腳跟距離;Norm－TD:標準化后的腳跟距離;MFC:跨越的最大高度;FC:跨越高度;CV:跨越速度;SLST:與步長標準化的單腳支撐時間。

如圖3 所示，與正常走相比，太極組在跨越障礙物時，支撐腿的負荷增大(如圖ABC 中深黑色曲線)(15厘米障礙，P=0.036;23 厘米障礙，P=0.044)。健步走組則無明顯變化。在跨越同一高度障礙物時，兩組之間著地時的地面反作用力有顯著性差異(如圖A 深色與淺色曲線，正常走，P=0.714;如圖B 深色與淺色曲線，15 厘米障礙，P=0.034; 如圖C 深色與淺色曲線，23 厘米障礙，P=0.022)。

圖3 支撐腿地面反作用力(vGRF) (A) 正常走;(B) 跨越15厘米障礙物;(C) 跨越23 厘米障礙物

如圖4 所示，正常走時，兩組間壓力－時間積分值無顯著差異。跨越障礙物時，健步走組的第1 ～4 跖骨區的壓力－時間積分值明顯大于太極組(p 范圍:P〈0.001－0.048);太極組腳跟內側的壓力－時間積分明顯高于健步走組(15 厘米 障礙:P=0.037;23 厘米 障礙:P=0.048)。

4 討論

本研究發現，長期進行太極拳鍛煉的老年女性和長期進行健步走鍛煉的老年女性在跨越障礙物過程中運動學和足底壓力分布方面有差異。

4.1 支撐腿跨越障礙策略

隨著障礙物高度的增加，太極組采用支撐腿腳趾距離增大，著地力增大的策略，而健步走組采用地面反作用力不變的策略(表1，圖3)。太極組支撐腿著地時地面反作用力的增大，從而增加了腿部肌肉的活性［28］，增加了太極組跨越速度，同時提供了步長與大腳趾距離加大所需要的力量。所以，太極組采用的著地力增大的方法減小了腳觸碰障礙物的可能性。

圖4 支撐腿足底各區壓力積分(PTI)，(A) 正常走; (B)跨越15 厘米障礙物;(C) 跨越23 厘米障礙物。GT=大腳趾;LT=2 ～5 腳趾;1 MTP=第1 跖骨區;2 MTP=第2 跖骨區;3 MTP=第3 跖骨區;4 MTP=第4 跖骨區;5 MTP=第5跖骨區;MF=足中部;MH=腳跟內側;LH=腳跟外側。

在跨越障礙過程中，兩組之間支撐腿部分區域的足底壓力也不同。健步走組壓力－時間積分的差異出現在前腳掌，而太極組則出現在腳跟內側(圖4)。兩組受試者踝關節的柔韌性可能是引起壓力分布不同的原因之一［29］。如果受試者踝關節柔韌性差，在跨越障礙時，就會受到背屈的限制，只能采用腳跟抬高的方法，導致腳前掌的負擔增大。太極拳練習能增加踝關節的柔韌性［12］，促進背屈度和踝關節的運動范圍，能適度減少跨越障礙物時身體的前沖性，從而增加身體的穩定性。

4.2 擺動腿跨越障礙策略

在跨越障礙時，太極組跨越速度較快，腳跟距離較大，而健步走組單腿支撐時間較長，跨越距離較小(表1)，與前人研究結果不同［17］。前人研究發現，太極練習者跨越障礙物時的單腿支撐時間長于非太極拳練習者。我們認為受試者的年齡差異可能是引起結果不一致的原因:前人研究中受試者平均年齡為46 歲，而本研究為66 歲。

跨越障礙物速度和單腳支撐時間的不同與長期鍛煉的項目有關。太極拳練習能增加身體維持平衡和在不同姿勢下保持穩定的能力［30］，太極拳練習，動作緩慢、舒展，其中有上跨步和蹬腿等動作，動作要求把擺動腳抬過支撐腿膝關節位置堅持數秒再像前下方伸腿并落地［30］，類似于跨越障礙物的動作。長期進行這種跨步練習能夠提高練習者在單腿支撐時對支撐腿及擺動腿的控制能力。本研究結果發現，太極組跨越障礙的速度比健步走組要快，這充分顯示太極組在跨越障礙時的信心和平衡控制能力。如果太極練習者在日常生活中能控制好節奏，就更能通過降低速度來減少摔倒的風險［31］。與此相反，健步走組較慢的跨越速度導致其較長的單腿支撐時間，要求有較大的腿部力量。因此，每個組的鍛煉策略能顯示出他們長期鍛煉該項目的優勢。

從跨越障礙來說，太極組FC 距離大于健步走組，但最大跨越高度(MFC)沒有顯著性差異(見表1)?？缭秸系K物時，太極組最大抬腳高度出現在擺動腳跨越到障礙物上方的時刻，增加了腳跟距離;健步走組出現在擺動腳到達障礙物之前，到達障礙物上方時FC 已經開始下降，增加了觸碰障礙物的風險。腳向前邁步時較長的腳跟距離能降低腳跟碰撞障礙物的危險［32］，所以太極組采用的大腳跟距離策略更為安全。

4.3 本研究的局限性

本研究盡管分析了不同鍛煉組在跨越障礙時運動學和動力學指標的差異，但是研究仍有一些局限性。例如:研究缺少肌電和下肢力量的數據。肌電能夠評價兩組之間的肌肉用力模式，提供更直觀運動控制策略。下肢力量作為受試者完成任務所需要力量的一個外在表現，在跨越障礙物的過程中扮演著重要角色［34］。眾多研究表明太極和健步走鍛煉都會增加人體下肢肌肉力量［9，10，12－14，16］，但不知是否增加相同的腿部力量。除了腿部力量之外，研究對練習強度也沒做細致的要求。兩組受試者不同的練習強度可能引起體質和下肢力量的不同，這可能也是解釋跨越障礙不同策略的一個原因。因此，為了更深入了解影響跨越障礙物策略的原因，下一步研究重點應該在肌肉的激活，下肢力量和身體平衡對于跨越障礙物策略的影響上。

5 結論

與長期練習健步走的老年女性相比，太極拳練習者采用了足底壓力均勻分布在支撐腿的腳前部和后部，支撐腿著地力大和擺動腿腳跟水平距離大的跨越策略，以減少接觸障礙物的可能性。由此可見，不同運動項目對老年女性跨越障礙物的策略會造成一定的影響，太極拳練習可能具有更好的身體姿態控制能力和跨越障礙物策略。

［1］Hausdorff JM，Rios DA，Edelberg HK.Gait variability and fall risk in community－living older adults:a 1－year prospective study［J］.Arch Phys Med Rehabil，2001，82(8):1050－6.

［2］Alexander BH，Rivara FP，Wolf ME.The cost and frequency of hospitalization for fall－related injuries in older adults［J］.Am J Public Health，1992，82(7):1020－3.

［3］Tinetti ME，Doucette J，Claus E，Marottoli R.Risk factors for serious injury during falls by older persons in the community［J］.J Am Geriatr Soc，1995，43(11):1214－21.

［4］Stelmach GE，Worringham CJ.Sensorimotor deficits related to postural stability.Implications for falling in the elderly［J］.Clin Geriatr Med，1985，1(3):679－94.

［5］Mohagheghi AA，Moraes R，Patla AE.The effects of distant and on－line visual information on the control of approach phase and step over an obstacle during locomotion［J］.Exp Brain Res，2004，155(4):459－68.

［6］St George RJ，Fitzpatrick RC，Rogers MW，Lord SR.Choice stepping response and transfer times:effects of age，fall risk，and secondary tasks［J］.J Gerontol A Biol Sci Med Sci，2007，62(5):537－42.

［7］Melzer I，Marx R，Kurz I.Regular exercise in the elderly is effective to preserve the speed of voluntary stepping under singletask condition but not under dual－task condition.A case－control study［J］.Gerontology，2009，55(1):49－57.

［8］Nelson ME，et al.Physical activity and public health in older adults: recommendation from the American College of Sports Medicine and the American Heart Association［J］.Circulation，2007，116(9):1094－105.

［9］Melzer I，Benjuya N，Kaplanski J.Effects of regular walking on postural stability in the elderly［J］.Gerontology，2003，49(4):240－5.

［10］Cheng SP，Tsai TI，Lii YK，Yu S，Chou CL，Chen IJ.The effects of a 12－week walking program on community－dwelling older adults［J］.Res Q Exerc Sport，2009，80(3):524－32.

［11］Low S，Ang LW，Goh KS，Chew SK.A systematic review of the effectiveness of Tai Chi on fall reduction among the elderly.Arch Gerontol Geriatr，2009，48(3):325－31.

［12］Hong Y，Li JX，Robinson PD.Balance control，flexibility，and cardiorespiratory fitness among older Tai Chi practitioners［J］.Br J Sports Med，2000，34(1):29－34.

［13］Wong AM，Pei YC，Lan C，Huang SC，Lin YC，Chou SW.Is Tai Chi Chuan effective in improving lower limb response time to prevent backward falls in the elderly?［J］.Age(Dordr)，2009，31(2):163－70.

［14］Li JX，Xu DQ，Hong Y.Effects of 16－week Tai Chi intervention on postural stability and proprioception of knee and ankle in older people［J］.Age Aging，2008，37(5):575－8.

［15］Li JX，Xu DQ，Hong Y.Changes in muscle strength，endurance，and reaction of the lower extremities with Tai Chi intervention［J］.J Biomech，2009，42(8):967－71.

［16］Xu D，Hong Y，Li J，Chan K.Effect of Tai Chi exercise on proprioception of ankle and knee joints in old people［J］.Br J Sports Med，2004，38(1):50－4.

［17］Ramachandran AK，Rosengren KS，Yang Y，Hsiao －Wecksler ET.Effect of Tai Chi on gait and obstacle crossing behaviors in middle－aged adults［J］.Gait Posture，2007，26(2):248－55.

［18］Mao DW，Li JX，Hong Y.The duration and plantar pressure distribution during one－leg stance in Tai Chi exercise［J］.Clin Biomech(Bristol，Avon)，2006，21(6):640－5.

［19］Mak MK，Ng PL.Mediolateral sway in single－leg stance is the best discriminator of balance performance for Tai － Chi practitioners［J］.Arch Phys Med Rehabil，2003，84(5):683－6.

［20］Komatsu T，et al.Clinical factors as predictors of the risk of falls and 317 subsequent bone fractures due to osteoporosis in postmenopausal women［J］.J Bone Miner Metab，2006，24(5):419－24.

［21］Chen HC，Ashton－Miller JA，Alexander NB，Schultz AB.Stepping over obstacles: gait patterns of healthy young and old adults［J］.J Gerontol，1991，46(6):196－203.

［22］Chen HC，Ashton－Miller JA，Alexander NB，Schultz AB.Effects of age and available response time on ability to step over an obstacle［J］.J Gerontol，1994，49(5): M227－33.

［23］Begg RK，Sparrow WA.Gait characteristics of young and older individuals negotiating a raised surface: implications for the prevention of falls［J］.J Gerontol A Biol Sci，Med Sci，2000; 55(3):M147－54.

［24］Berard JR，Vallis LA.Characteristics of single and double obstacle avoidance strategies: a comparison between adults and children［J］.Exp Brain Res，2006，175(1):21－31.

［25］Cavanagh PR，Perry JE，Ulbrecht JS，Derr JA，Pammer SE.Neuropathic diabetic patients do not have reduced variability of plantar loading during gait［J］.Gait Posture，1998，7(3): 191－199.

［26］Tanaka T，Takeda H，Izumi T，Ino S，Ifukube T.Effects on the location of the centre of gravity and the foot pressure contribution to standing balance associated with ageing［J］.Ergonomics，1999，42(7):997－1010.

［27］Patla AE，Rietdyk S，Martin C，Prentice S.Locomotor Patterns of the Leading and the Trailing Limbs as Solid and Fragile Obstacles Are Stepped Over: Some Insights Into the Role of Vision During Locomotion［J］.J Mot Behav，1996，28(1):35－47.

［28］DeVita P，Hortobagyi T.Age causes a redistribution of joint torques and powers during gait［J］.J Appl Physiol，2000，88(5):1804－11.

［29］Kimmeskamp S，Hennig EM.Heel to toe motion characteristics in Parkinson patients during free walking［J］.Clin Biomech(Bristol，Avon)，2001，16(9):806－12.

［30］Wong AM，Lin YC，Chou SW，Tang FT，Wong PY.Coordination exercise and postural stability in elderly people:Effect of Tai Chi Chuan［J］.Arch Phys Med Rehabil，2001，82(5): 608－12.

［31］Kaya BK，Krebs DE，Riley PO.Dynamic stability in elders:momentum control in locomotor ADL［J］.J Gerontol A Biol Sci Med Sci，1998;53(2):126－34.

［32］Skelton DA，Dinan SM.Exercise for falls management:Rationale for an exercise programme aimed at reducing postural instability［J］.Physiotherapy Theory and Practice，1999，15(2):105－120.

［33］Rhea CK，Rietdyk S.Visual exteroceptive information provided during obstacle crossing did not modify the lower limb trajectory［J］.Neurosci Lett，2007，418(1):60－5.

［34］Lamoureux E，Sparrow WA，Murphy A，Newton RU.The effects of improved strength on obstacle negotiation in communityliving older adults［J］.Gait Posture，2003，17(3):273－83.