增齡對健康女性樓梯行走時身體穩定性的影響

馬剛 王疆娜 宋祺鵬 張翠 孫威

(1中國人民武裝警察部隊后勤學院衛生勤務系，天津 300309;2山東體育學院;3山東省體育科學研究中心)

增齡能夠導致肌肉含量和骨質流失、姿勢控制能力下降等問題，并由此引發步態參數異常與變異性增加〔2〕，成為導致老年人跌倒的重要原因之一〔3〕。樓梯行走是日常生活中最常見的活動。與平地行走相比，樓梯行走具有更大的挑戰性，因為它需要更大的下肢關節活動度與關節力矩〔4〕。有超過一半的跌倒發生在斜坡和樓梯行走過程中〔5〕，而發生在樓梯行走中的跌倒次數占總跌倒次數的26%〔6〕。樓梯行走過程中跌倒已成為老年人跌倒致殘甚至死亡的重要原因之一。由于樓梯行走需要更好的姿勢控制能力及更大的關節活動度，因此較平地行走更具有危險性〔7〕。然而伴隨增齡，神經控制能力〔8〕及肌肉骨骼系統〔9〕功能下降，使得樓梯行走跌倒風險進一步增加。本研究旨在探究增齡對健康女性樓梯行走時姿勢控制能力的影響。

1 對象與方法

1.1研究對象 通過微信宣傳、現場招募等方式從學校和社區隨機選取青年女性(青年組)和老年女性(老年組)受試者各20名。納入標準：青年組20～30歲，老年組60～75歲；無規律鍛煉習慣；近半年內無跌倒史；能夠獨立完成樓梯行走。排除標準：患有心腦血管疾病，呼吸系統疾病，肌肉骨骼系統疾病及視覺、前庭覺功能異常等影響姿勢控制能力的疾病或服用影響姿勢控制能力的藥物者。所有受試者了解實驗目的、實驗流程和潛在風險并簽署知情同意書。兩組除年齡外，身高、體重和體重指數(BMI)均無顯著差異(P>0.05)。見表1。

表1 兩組基本情況比較

1.2儀器設備 (1)模擬樓梯：選用由厚度約為1 cm的鋼板焊接而成的模擬樓梯模擬日常上下樓梯活動。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°，符合日常生活中的樓梯標準〔10〕。(2)Vicon紅外運動捕捉系統(Vicon Motion System，英國Oxford Metrics Limited公司)：采用8顆紅外攝像頭的Vicon紅外運動捕捉系統對樓梯行走的運動學數據進行采集，同時配有14 mm直徑的反光Mark點及配套的Vicon Nexus1.7.1數據采集處理軟件。將采集頻率設為100 Hz。(3)Kistler三維測力臺(Kistler-9287BA，瑞士奇石樂公司)：采用瑞士KISTLER三維測力臺對樓梯行走的動力學數據進行采集。將測力臺置于第三階樓梯的凹槽內并固定。采集頻率設置為1 000 Hz。

1.3測試流程 受試者身著統一的測試衣褲與測試鞋，并進行身體形態學測量與優勢腿測試。通過測試發現，所有受試者的優勢側均為右側。進行正式測試前，工作人員按照Visual 3D提供的貼點模型將41個Mark點粘貼于受試者頭部、軀干、骨盆、左右上肢、左右下肢與足的骨性標志點上。為確保受試者優勢腿踏上測力臺，受試者在樓梯行走過程中，優勢腿先邁步踏上臺階，且采用“一步一臺階”的方式上下樓梯。受試者優勢腿完全踏上測力臺且測試過程無停頓、Mark點無掉落時為有效測試，每名受試者均重復5次有效測試。

1.4數據處理 原始的運動學數據采用Vicon Nexus1.7.1軟件進行Mark點的重命名、補點、截取操作。完成后將導出的C3D文件導入Visual 3D軟件，進行濾波、百分化、標準化等處理。采用Butter Worth四階數字低通濾波對運動學和動力學數據進行濾波處理，截止頻率為運動學6 Hz〔11，12〕，動力學50 Hz〔12〕。在一個完整的步態周期中，將從右腳跟著地到右腳跟再次著地時的水平距離定義為步長〔13〕；將雙支撐期左右腳跟之間的水平距離定義為步寬〔13〕；而質心在前后方向的位移與產生此段位移所需時間的比值為步速〔14〕；抬腳高度〔15〕為受試者優勢腳腳尖跨過樓梯邊緣瞬時時刻腳尖與樓梯邊緣的垂直距離；將髖、膝、踝關節在矢狀面繞額狀軸的屈伸力矩定義為關節力矩〔16〕。將測力臺測得Z軸上的地面反作用力F≥20 N〔17〕定義為優勢腳成功踏上測力臺。

動態穩度(MoS)〔18〕為支撐面最遠邊界(Bmax)到外推質心位置(CM)的距離；關節剛度〔19，20〕為關節力矩與關節角度變化的比值。MoS(1)(2)(3)公式計算得出；而關節剛度由公式(4)計算得出：

(1)

CM=DCoM+VCoM/ω0，

(2)

MoS=Bmax-CM，

(3)

(4)

其中，g為重力加速度，l為質心到地面的垂直距離，ω0則為人體固有的倒鐘擺頻率；DCoM為人體的質心位置，VCoM為質心速度。研究表明〔18，21〕，由單支撐階段過渡到雙支撐階段的瞬時時刻最不穩定，因此選取樓梯行走左單支撐瞬時時刻作為MoS比較分析。

1.5統計學分析 采用SPSS19.0軟件進行t檢驗。

2 結 果

2.1兩組動態穩度參數比較 在上樓梯過程中，與青年組相比，老年組的步速、步寬和抬腳高度明顯下降(均P<0.05)；在下樓梯過程中，與青年組相比，老年組的步速和步寬明顯減小(P<0.05)，步長明顯增加(P<0.05)。

在上樓梯過程中，與青年組相比，老年組VCoM和支撐面前邊界(BmaxA)明顯減小(均P<0.05)；在下樓梯過程中，與青年組相比，老年組DCoM、CM、BmaxA和支撐面后邊界(BmaxP)明顯增加(均P=0.000)；VCoM和后方向的MoS(MoSp)明顯下降(P=0.001，P=0.000)，前方向的MoS(MoSa)增加，但組間比較無顯著差異(P>0.05)。見表2。

表2 兩組樓梯行走動態穩度參數比較

2.2兩組力矩參數比較 在上樓梯過程中，與青年組相比，老年組伸髖力矩峰值、伸膝力矩峰值、屈膝力矩峰值和跖屈力矩峰值明顯下降(P<0.05，P<0.001)；在下樓梯過程中，與青年組相比，老年組屈髖力矩峰值減小，但無顯著差異(P>0.05)，伸髖力矩峰值明顯增加(P<0.001)，伸膝力矩第一峰值、伸膝力矩第二峰值和跖屈力矩第一峰值明顯下降(P<0.005，P<0.01)，跖屈力矩第二峰值增加，但無顯著差異(P>0.05)。見表3。

表3 兩組上下樓梯動力學參數比較

關節力矩隨單支撐相時間變化曲線見圖1，兩組在樓梯行走過程中，髖、膝、踝3個關節的關節力矩在一個支撐相內的變化規律基本趨于一致。在上樓梯過程中，髖關節伸展力矩和踝關節跖屈力矩均呈現雙峰趨勢，且均在單支撐初期和末期前后達到峰值；而膝關節的伸展力矩先增加后減小，青年組和老年組分別在支撐相的50%和55%處轉化為屈曲力矩。在下樓梯過程中，膝關節伸展和踝關節跖屈力矩呈現雙峰趨勢，且峰值均在單支撐階段的初期和末期前后；髖關節力矩先是伸展力矩在單支撐階段初期到達峰值然后逐漸減小，青年組和老年組分別在支撐相的40%和70%左右處轉變為屈髖力矩。

圖1 兩組髖、膝、踝關節力矩隨單支撐相時間變化曲線

2.3兩組關節剛度參數比較 在上樓梯過程中，與青年組相比，老年組膝關節和踝關節關節剛度較小，但組間無顯著差異(P>0.05)，膝關節關節剛度老年組顯著小于青年組(P<0.001)；在下樓梯過程中，與青年組相比，老年組髖關節關節剛度顯著較大，膝關節和踝關節關節剛度顯著較小(P<0.05，P<0.001)。見表4。

表4 兩組樓梯行走關節剛度參數比較

3 討 論

衰老易導致老年人身體功能衰退〔22〕，主要表現在視力〔23〕、認知能力〔24〕下降，肌肉與骨質流失〔9〕等方面，從而引發步態異常，增加跌倒風險。Busch等〔25〕證實，衰老會導致平地行走時的步態表現下降。本研究表明增齡降低了樓梯行走的步態表現。Laroche等〔26〕研究發現，老年女性由于下肢力量逐漸衰退，快速行走時容易引發步態不穩，因此形成慢走的習慣。然而本研究中步長指標在兩組間并無顯著性差異，這與Mian等〔27〕研究結果一致，可能樓梯本身的空間約束對受試者樓梯行走時的步長造成了限制，因而掩蓋了增齡對步長的影響。研究表明〔28〕，在樓梯行走中，下肢髖、膝、踝關節的運動幅度是影響抬腳高度的重要因素，尤其是膝關節的屈伸和踝關節的跖屈背伸。本研究結果顯示，在樓梯行走過程中，老年組的抬腳高度低于青年組。伴隨增齡，老年人下肢肌肉質量流失〔29〕、柔韌性〔30〕和協調性〔31〕下降，導致抬腳高度不足，在樓梯行走時容易發生因腳觸碰樓梯臺階邊緣而引發“絆倒”現象〔15，27〕。上述結果提示，老年人可通過抗阻訓練增強下肢肌肉力量，增大關節運動幅度，進而增加跨越臺階時的抬腳高度，降低因“絆倒”引發的跌倒風險。

傳統靜態穩定性評價方法認為，判斷一個物體是否處于穩定狀態，主要看其質心或重心在水平面的投影與其支撐面的關系〔32〕。然而在正常行走或是上下樓梯等動態活動中，應同時考慮質心的速度對質心位置的影響。由于將上樓梯的方向定義為正方向，則下樓梯的方向為負方向，因此在下樓梯過程中位置參數的絕對值越大，代表位置更加靠后(速度的負號僅代表方向)。

本研究結果與Novak等〔33〕研究結果不同。靠前的DCoM產生較大的軀干前傾角，導致老年人下樓梯過程中無法很好的控制身體穩定性，因此推測老年人為了提高重心穩態、降低向前跌倒風險，主動采取“重心后移”的策略進行下樓梯活動。張帆等〔34〕的研究同樣指出，老年人常采取保守的策略進行下樓梯，以防止因身體不穩導致的意外發生。本研究進一步印證了Pijnappels等〔28〕平地行走模型的研究結果，提示隨著年齡增長，老年人下肢關節逐漸僵硬，關節運動幅度明顯減小，導致支撐面隨之降低。由于MoS為Bmax與CM的差值，因此MoS越小跌倒的風險越大。本研究說明在上樓梯過程中，無論向前還是向后，老年人的身體穩定性均低于青年人。同時，在下樓梯過程中，與青年組相比，老年組MoSa增加，而MoSp下降，這是由于受DCoM影響，老年人主動采取“重心后移”的策略進行下樓梯活動，以降低樓梯行走跌倒的風險。

前人的研究表明〔35〕，多數的跌倒與下肢肌力衰退有關。下肢關節的力學特征則是影響姿勢控制能力的重要因素〔36〕，下肢關節力矩與姿勢控制能力呈現高度的正向相關性〔37〕。與平地行走相比，樓梯行走更具有挑戰性。本研究結果在Paul等〔38〕平地行走的研究中得到印證。他們選取12名老年人和14名青年人，通過對比兩組正常行走時的下肢力學特征發現，增齡降低了下肢關節力矩〔38〕。本研究與俞捷等〔39〕研究結果相似。由于增齡導致肌力下降并伴隨下肢關節力學特征異常，因此老年人在下樓梯過程中下肢肌肉無法提供足夠的力量完成向前邁步動作，同時導致抬腳高度過低，從而引發下樓梯“滑倒”現象發生。因此老年人進行規律抗阻訓練將有助于延緩肌力流失速率、改善下肢肌肉力量、提高肌肉收縮的協調性和肌肉控制能力〔40〕，從而降低跌倒的風險。

剛度是指物體在受載時抵抗形變的能力，剛度越大變形越小。當人體姿勢改變時，最先啟動的便是下肢剛度的調節〔41〕，它通過關節力與位移的動態配合完成調節過程。本研究結果與Gajdosik等〔42〕研究結果相似，他們通過對比青年女性與老年女性的被動彈性剛度發現，老年人的彈性剛度顯著小于年青人，即年齡與剛度之間存在負相關性。而髖關節的關節剛度在上樓梯與下樓梯兩個過程中有著不同的結果。在上樓梯過程中，髖關節關節剛度老年組略小于青年組；下樓梯過程中，髖關節的關節剛度老年組顯著大于青年組。這可能與下樓梯的髖關節關節力矩的變化有關。本研究的力矩結果顯示，老年組伸髖力矩峰值較青年組增加，可能是在下樓梯過程老年人將重心放在支撐腳上，采取“緩沖觸地”的策略試探性的向前邁步，以減少足部觸地時的沖擊。Chesworth等〔43〕對青年人、中年人與老年人的被動關節剛度進行研究，結果顯示三組受試者被動關節剛度無顯著性差異。這與本研究結果不同，這可能與動作的選取有關，他們選用的是在6°/s的恒定角速度下的關節被動運動，而本研究選取的是樓梯行走活動，老年人在下樓梯種可能采取不同于青年人的下樓梯策略以彌補運動神經功能的不足。

本研究尚存在一定的局限性。首先，招募的受試者均為女性，不能排除性別因素對研究結果產生的影響，其結論亦不能直接應用于男性；其次，對于動態穩度的研究僅為前、后兩個方向、優勢腳腳跟著地瞬時時刻的動態穩度，今后可對左、右方向及一個完整步態周期的動態穩度進行深入的探究分析。

綜上，建議老年人強化下肢訓練，改善關節活動度，提高下肢肌肉力量、協調性與控制能力，同時在樓梯行走中適當采取“重心后移”的策略以降低向前跌倒的風險。