老年行動模擬服在步態穩定性研究中的應用

田 苗， 雷 燁， 王云儀， 李 俊， 張向輝

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051；2. 東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 200051)

隨著全球老齡化加劇，老年群體受到越來越多的關注。國家“十三五”規劃和“健康中國2030”規劃綱要明確，要研究制定應對人口老齡化的中長期規劃。在醫療教學中，通常采用老年行動模擬服等設備模擬老年人的生理狀態，培養醫護人員對老年人的共情能力[1]，有助于建立和諧的醫患關系，并促進老年患者的健康恢復[2]。老年行動模擬服作為共情工具，早期大都被用作醫護人員的教學用具[3]。醫學和設計學專業的學生利用模擬服體驗老年人的日常生活，加深對社會老齡化的認知[4]。設計師通過模擬服獲得共情體驗，開發更符合老年人需求的產品[5-6]。

早期對于老年人衰老特征的模擬僅針對身體局部[7]，老年行動模擬服則能夠模擬全身。日本、美國等國家均對老年行動模擬服的開發與應用進行不同程度的研究，對其使用效果的評估也從定性轉向定量[5，8-9]。美國麻省理工大學的學者開發了一套老年共情系統(AGNES)，并利用臨床實驗儀器進行了評估[5]。研究發現，穿著模擬服會使人體產生衰老的感覺，在超市購物等生活場景中感覺不便，并定量表征了老年模擬服帶給穿著者的共情感[1,9]。

與年輕人相比，老年人在日常生活中更易發生步態失穩并引發跌倒[10-11]，其步態穩定性問題受到關注。然而直接選用老年人參與此類研究存在一定的安全隱患，因此，本文期望通過定量研究，評估老年行動模擬服對老年人步態穩定性的模擬程度，判斷使用老年模擬服開展生物力學相關研究的可行性。通過姿勢平衡和步態分析實驗，論證以下2個假設：1)老年行動模擬服會降低人體的姿勢平衡和步態穩定性；2)老年行動模擬服可模擬老年人的姿勢平衡保持能力，以及步行期間的平衡表現。

1 實驗設計

1.1 實驗設備

1.1.1 老年行動模擬服

本文使用的老年行動模擬服由日本株式會社三和制作所開發，其結構如圖1[8]所示。

圖1 老年行動模擬服Fig.1 Age simulation suit

從力學角度解釋，該裝置通過改變穿著者的重心位置和支撐面的穩定性，模擬老年人平衡生理系統的衰老。從生物力學角度來看，施加給人體的力可模擬人體的感知系統、運動系統的衰退。基于此，將其中主要模擬運動系統衰退的部件稱為運動系統模擬部件，主要模擬感知系統衰退的部件稱為感知系統模擬部件。

老年行動模擬裝置的功能實現原理如圖2所示。運動系統模擬部件主要包括約束帶和關節負重沙袋。約束帶可調節長短和松緊，幫助穿著者體驗老年人關節不靈活和駝背狀態。關節負重沙袋可讓穿著者體驗老年人的肌力減退感。感知系統模擬部件主要通過耳塞和耳罩、體驗眼鏡實現。

圖2 老年行動模擬裝置功能實現原理Fig.2 Principle of function realization for age simulation equipment

由于人體的內部平衡系統包括神經系統、感知系統以及運動系統，人體的平衡情況最終會通過運動系統表現，且各系統之間互有聯系。本文將集中研究該套裝備中運動系統部件的作用效果。

1.1.2 足底壓力步態分析系統

人體姿勢平衡和步態分析采用Zebris FDM-T足底壓力步態分析跑臺(德國Zebris公司)完成。該系統集成了一套壓力分布測量系統，可測量和分析步行時的動態壓力分布，并進行步態分析。

1.2 受試者

性別、年齡、健康狀況、運動習慣等均是影響人體平衡穩定性的因素，本文僅考慮具有相近年齡、健康狀況和活動水平的受試者。由于老年女性的平衡能力弱于老年男性[12]，本文針對女性群體展開，包含老年女性和年輕女性2類受試者。根據相關研究的受試者數量，選取14名年輕女大學生，年齡為(24±3) 歲，身高為(160±5) cm；7名老年人，年齡為(61±3) 歲，身高為(160±5) cm。受試者的身體質量指數范圍(BMI)為18.5～25，能夠獨立自主活動，無影響穩定性的神經性疾病(腦卒中、失智癥)、骨折、肌肉損傷等。圖3示出參與實驗的年輕受試者、穿著模擬服的年輕受試者及老年受試者。

圖3 受試者Fig.3 Participants. (a) Younger adult; (b) Younger adult with age simulation suit; (c) Older adult

1.3 評估內容及指標

1.3.1 姿勢平衡測試

受試者裸足站在Zebris足底壓力分布測量平板上，依據實驗員指示完成4組動作，各保持45 s，每個動作重復3次。為避免動作次序影響實驗結果，實驗員隨機分配動作，各動作間休息1 min。具體要求如表1所示。記錄保持時間，如能保持至45 s，實驗結束。測試指標為人體中心移動參數(COP)，包括95%置信橢圓區域、COP路徑長度、COP平均速度。

表1 姿勢平衡測試Tab.1 Posture balance test

1.3.2 步態分析實驗

受試者以3.9 km/h的速度在Zebris跑步儀上步行1 min，重復3次。實驗員采集步幅、步寬、足角、單步時間、步頻以及雙支撐相等步態參數。

1.4 統計學分析方法

利用SPSS 22.0軟件處理和分析姿勢平衡和步態數據。利用配對樣本T檢驗分析年輕受試者穿著模擬服前后的差異；利用獨立樣本T檢驗分析穿著模擬服的年輕受試者與老年人的平衡表現。顯著性水平為P<0.05。

2 實驗結果與分析

2.1 姿勢平衡測試結果與討論

2.1.1 保持時長

圖4示出受試者在不同姿勢下的保持時長。可知，在雙足站立情況下，3組受試者均能達到45 s的保持時長。在單足站立條件下，3組受試者保持時長有所不同。相比年輕受試者，穿著老年行動模擬服的年輕受試者在睜眼單足站立條件下的保持時長降低了4.04%，在閉眼單足站立的條件下降低了24.85%。配對T檢驗結果表明，是否穿著老年行動模擬服對睜眼單足站立的保持時長無顯著影響(P=0.459)；而閉眼單足站立時差異顯著(P=0.017)。分析其原因為，閉眼單足站立時，起主要作用的平衡系統為運動系統中下肢肌肉。老年行動模擬服中的運動系統的模擬部件(束縛帶、負重沙袋等)，能夠模擬老年人下肢肌力衰退、關節活動受限的特征，因此，穿著老年行動模擬服可降低年輕受試者的平衡保持能力。

圖4 站立保持時長Fig.4 Standing duration

與老年受試者相比，穿著老年行動模擬服的年輕受試者在睜眼單足站立的條件下保持時長降低了1.84%，但無顯著差異(P=0.466)。在閉眼單足站立的保持時長增加了11.67%，也無顯著差異(P=0.361)。表明穿著老年行動模擬服的年輕人能在一定程度上表征老年人的平衡能力。

2.1.2 人體中心移動

雙足站立條件下，感知系統起主要的保持平衡作用。由于3組受試者在雙足站立時均能達到45 s的保持時長，因此，引入COP指標，其值越大，表明人越不穩定。3組受試者睜閉眼單足站立測試結果如表2、 3所示。配對樣本T檢驗結果表明，年輕受試者穿著老年行動模擬服后，閉眼雙足站立的95%置信橢圓區域顯著增加60.67%(P=0.035)。表明穿著老年行動模擬服的受試者相比年輕受試者更不穩定。由于此時起主要平衡保持作用的為人體的感知系統，而應用于該研究的老年行動模擬服為其模擬運動系統部件。由于感知系統會向運動系統傳遞運動指令，而運動系統會將姿勢控制的方位和速度信息提供給感知系統，因此，老年行動模擬服可通過運動系統模擬部件模擬感知系統作用。

表2 睜眼雙足站立COP參數Tab.2 COP parameters with eyes open and two feet standing

表3 閉眼雙足站立COP參數Tab.3 COP parameters with eyes close and two feet standing

利用獨立樣本T檢驗，分析穿著老年行動模擬服的年輕人與老年受試者之間的指標，未發現顯著差異。觀察COP參數的變化規律，以參數間變化率最大的指標為判斷標準。閉眼雙足站立時的95%置信橢圓區域變化率最大，相比老年受試者，穿著老年行動模擬服的年輕受試者95%置信橢圓區域增加了87.32%。表明穿著老年行動模擬服的年輕受試者靜態平衡保持能力弱于老年受試者。

通過分析4種站立條件下的實驗結果，驗證老年行動模擬服中運動系統模擬部件的作用效果。雙足站立時的結果反映其對老年人感知系統的模擬，單足站立時的結果反映其對老年人運動系統的模擬。通過分析發現，穿著老年行動模擬服的年輕受試者可通過服裝中運動系統的模擬部件，達到對老年人感知及運動系統衰退的模擬，表現為穿著模擬服后年輕受試者的平衡保持能力減弱。

2.2 步態分析實驗結果與討論

姿勢平衡反映的是人體的平衡能力，而步態分析則是評估人體在步行過程中平衡的保持能力，同時可反映外力作用的影響。表4示出3組受試者步態時空參數的變化。通過配對樣本T檢驗發現，穿著老年行動模擬服時，年輕受試者的雙支撐相顯著減小(P<0.001)，步寬明顯較大(P<0.001)。Price等認為步行時雙支撐相的減少表明人體穩定性降低[14]；Demura等發現當人體不穩定時，會加大步寬作為保持穩定的運動補償策略[15]。由此認為，穿著老年行動模擬服顯著降低了年輕受試者的平衡穩定性。

表4 步態時空參數Tab.4 Gait spatiotemporal parameters

通過獨立樣本T檢驗發現，穿著老年行動模擬服的年輕受試者與老年受試者相比，雙支撐相顯著減小(P=0.003)，步寬顯著增加(P<0.001)。表明其保持平衡的能力比老年受試者差。研究表明老年人的平衡能力在60歲后每10年平均至少降低16%[15]，可認為本文中采用的老年行動模擬服可模擬比本文老年受試者年紀更大或平衡能力更差的老年人。

3 結 論

本文通過姿勢平衡和步態分析實驗，以年輕人、穿著模擬服的年輕人和老年人為研究對象，探究了老年行動模擬服對人體感知系統和運動系統的模擬效果。通過姿勢平衡和步態分析實驗，論證了老年行動模擬服可模擬人體運動系統、感知系統的衰退，降低人體的姿勢平衡和步態穩定性；穿著老年模擬服的年輕人能夠模擬老年人的姿勢平衡保持能力，以及步行期間的平衡表現。

另外，穿著老年行動模擬服的年輕受試者比老年人具有更小的雙支撐相(P=0.003)和更大的步寬(P<0.001)，表明其保持平衡的能力弱于老年人。由于平衡與年齡間具有相關性，可認為該服裝能夠模擬比本文選用的受試者年齡更大或平衡能力更差的老年人，但具體關系仍需進一步研究。

總之，穿著老年行動模擬服的年輕人能夠反映老年人步行期間的平衡能力，未來有望替代老年人進行步態穩定性相關的實驗研究，避免老年人直接參與帶來的安全隱患。