三維步態分析在衰弱老年人中的應用進展

【摘要】 衰弱是一種在老年人中普遍存在的狀態，隨著社會老齡化的快速進展，老年人衰弱的相關研究逐漸成了國內外關注的熱點。三維步態分析（three-dimensional gait analysis，3DGA）作為步態常用的檢測方法，可通過精密的儀器測量，量化運動學、動力學及表面肌電等指標。使用3DGA可以為臨床中預測或評估衰弱狀態提供新途徑，從而進行早期篩查與康復指導。本文就近年來針對衰弱老年人所進行的步態分析研究成果進行整理與介紹，旨在增強對衰弱老年人運動過程的認識，為后續研究提供參考。

【關鍵詞】 衰弱老年人 步態 三維步態分析 應用進展

Advances in the Application of Three-dimensional Gait Analysis in Frail Elderly/LIU Xiaoling， JIANG Cai， ZHANG Chen， ZONG Huachen， TU Xueling， LIN Zhonghua. //Medical Innovation of China， 2024， 21（29）： -178

[Abstract] Frailty is a common condition in the elderly. With the rapid development of the aging society， the related research on frailty of the elderly has gradually become a hot topic at home and abroad. Three-dimensional gait analysis （3DGA）， as a common method for gait detection， can measure kinematics， dynamics， and surface electromyography by precise instruments. The use of 3DGA can provide a new way to predict or evaluate frailty in the clinic， so as to guide early screening and rehabilitation. In this paper， we summarize and introduce the results of gait analysis on the frail elderly in recent years， aiming to enhance the understanding of the movement process of the frail elderly and provide reference for the follow-up research.

[Key words] Frail elderly Gait Three-dimensional gait analysis Application progress

First-author's address： Provincial School of Clinical Medicine， Fujian Medical University， Fuzhou 350001， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2024.29.039

中國人口正在迅速老齡化，根據第七次全國人口普查結果顯示，全國人口中60歲及以上人口為2.46億人，占18.7%[1]。據報道，我國社區老年人的衰弱發生率為12.7%，衰弱前期的發生率為47.3%，而且患病率隨年齡增長而增加[2]。衰弱是一種多種原因和誘因所致的醫學綜合征，其特征是力量、耐力和生理功能下降，這增加個人的脆弱性，從而增加依賴性甚至導致死亡[3]。盡管衰弱的潛在機制尚未達成共識，但人們認為衰弱不僅是一種生物或生理狀態，更是一個多維概念。隨著年齡的增長，衰弱被認為是非常普遍的，是導致不良結果的重要危險因素，例如死亡、跌倒、住院治療和殘疾等[4-7]，加重了家庭成員和社會醫療的負擔。

衰弱的發展是一個動態、可逆的過程，因此有效的干預措施可以阻礙其進一步發展，從而阻止不良事件的發生，而準確的衰弱評估篩查可以致力于識別可能的衰弱前期人群，以盡早采取防治措施[8]。目前，對于衰弱狀態的評估尚無統一的金標準。國內學者將衰弱的評估工具大致分為4大類：自我報告式的問卷；準則定義為基礎的測量；累積指數類評估工具；生物學標記物評估法[9]。Fried衰弱表型是目前最被廣泛接受和使用的衰弱診斷標準之一，它需要存在以下5個組成部分中的3個或更多：體力活動少、步行速度慢、精力差、感覺筋疲、握力低及無意的體重減輕[10]。另一種使用較廣的是由Mitnitski等[11]提出的衰弱指數模型，也被稱作累積赤字（癥狀、體征、功能障礙和實驗室異常）的比例。它作為一個個體狀態變量，反映了疾病的嚴重程度和接近死亡的程度。綜合虛弱評估工具（CFAI）是由學者De Witte等[12]開發，我國社區老年人采用了漢化版CFAI進行衰弱的評估，其有較好的信度和效度[13]。

相較上述臨床常用的衰弱老年人評分量表評估，步態分析的量化程度高，評價參數指標詳細全面，且不容易受主觀因素的影響。因此，本文就近年來針對衰弱老年人所進行的步態分析研究成果做一綜述，旨在提供全面的對衰弱老年人步態的認識及分析方法，總結其臨床應用價值，并提出步態分析在衰弱老年人中應用的展望。

1 衰弱老年人的跌倒風險和步態異常機制

研究表明衰弱的老年人跌倒的風險最高[5]。老年人衰弱增加了跌倒的風險，而跌倒會進一步加重衰弱程度[14]。老年人跌倒后往往產生恐懼和焦慮心理，從而減少活動范圍和活動量，這都會促進衰弱的發生。平衡和步態障礙是衰弱的典型特征，也是跌倒的主要危險因素[15]。

步行作為日常生活活動的一個組成部分，是老年人活動能力和生活質量的重要指標[16]。步行通常被認為是一項不復雜的自動化運動任務，但事實上保持正常步態是一個非常復雜的過程，需要整合多生理系統功能和協調[17]。隨著年齡增長，受到體重、骨礦物質密度及較小程度上的脂肪量減少等生理因素影響，老年人的步態特征（即速度、步幅和擺動時間等）會發生改變，導致異常步態的發生[18-19]。同時，衰弱老年人的肌肉骨骼系統老化等原因通常會導致肌肉萎縮，肌肉纖維被脂肪所替代，最終機體組成改變，直接引起肌肉力量下降或無力、耐力下降，這將引起衰弱老年人的步速減緩和活動減少[20]，他們往往會采用步長減小這種更謹慎的步態來防止跌倒的發生。

2 三維步態分析（three-dimensional gait analysis，3DGA）概述

2.1 步態及步態周期

步態是人體結構和功能、神經運動系統、行為及心理活動在行走時的外在表現[21]。步行中一側腳跟著地至同側腳跟再次著地的過程稱為一個步態周期。步態周期由擺動相和站立相組成，站立相占步態周期的60%，擺動相占步態周期的40%[22]。支撐相是指腳與地面相接的時期，包括初始著地、預承重期、支撐中期、支撐末期、擺動前期；擺動相為腳離開地面的時期，由擺動初期、擺動中期、擺動末期構成。

2.2 步態分析

步態分析是綜合人體解剖學、生理學與力學相關知識對人體行走功能和狀態進行分析的一種生物力學研究方法。步態研究從所用的測量儀器由最初的卷尺、秒表、電子角度計等簡單的工具，演變為各種二維或三維的步態分析系統。根據臨床及科研的各種需要，目前臨床上常用的步態分析方法有以下幾種：足印法、目測步態分析法（定性分析法）、應用關節角度計、應用便攜式步態分析儀、三維動態分析[23]。如今更先進更準確的步態分析還可分為可穿戴系統和非可穿戴系統：非可穿戴系統基于光電感應系統、測力平臺；可穿戴系統包括力傳感器、肌電圖和慣性傳感器或慣性測量單元（IMU）[24-25]。

2.3 3DGA

3DGA借助光學運動捕捉系統通過攝像機、閃光燈、LED標記及計算機等設備的組合對步行運動時軀干各個特定部位的標記體進行三維重建和數據處理。3DGA通過各項時空參數、運動學參數、動力學參數及表面肌電準確鑒別并分析異常運動，被廣泛用于各種疾病所致異常步態模式的分析。早期發現步態參數的改變可能有助于對衰弱老年人采取及時的干預措施，如步態訓練，以保持健康和改善生活質量[26]。3DGA系統近年來在兒童神經科、康復科、骨科等多有應用[27]。目前臨床上常用量表和問卷來評估衰弱老年人，其有較強的主觀性，而3DGA可定量來支持臨床診斷，監測疾病進展，并提供有關干預措施療效的信息，可以有效彌補功能評分主觀性強和影像學評估靜態性的不足。

3 3DGA在監測衰弱老年人步態異常中的應用

3.1 衰弱老年人行走過程中時空參數的異常

時空參數屬于步態參數的一般類別，被認為是客觀步態評估的基礎。利用時空參數可以增強衰弱風險預測和不同衰弱表型分類的敏感性和特異性。吳夢余等[28]發現時空參數如跨步時間、步長、步速和步頻在不同衰弱狀態下存在差異，認為以上參數可能是早期診斷衰弱綜合征的指標，這與許多研究一致。由于衰弱導致身體惡化和行動不便，衰弱患者有比健康人更長的雙腿支撐時間、步長和步幅時間，且步速低于年輕的患者[29]。Hoogendijk等[30]表明步速降低是老年人身體衰弱的主要指標。雙重支撐是在快速行走時區分衰弱和衰弱的效應大小最高的參數，而衰弱老年人雙腿支撐時間的增加，表明衰弱老年人平衡控制不足[31]，往往通過增加支撐時間來代償因衰弱所致的姿勢控制能力下降等問題。

步態變異性反映了復雜的生理調節過程，如神經控制、肌肉功能、姿勢控制和心血管功能。步態變異與老年人衰弱有關，即步態變異性增加與衰弱的進展相關。老年人從健康狀態到衰弱狀態的變化可以通過關節變異性的改變及早發現[32]。先前研究表明據報道，在衰弱的老年女性中，時空參數（步幅時間、步幅、步寬和站立時間百分比）的變異性可能會增加[33-34]。步態變異性增加是步態復雜化及調節功能喪失的重要標志[35]。

3.2 衰弱老年人行走過程中運動學參數的異常

步態的運動學分析依賴于對每個身體段瞬時位置的了解，從而描述的是在行走過程中的運動范圍和形態。因此可以確定關節和身體部分的線性和角位移、速度和加速度。測量關節運動時間和分段角速度來計算能量，可分為吸收能（離心收縮）或產出能（向心收縮）。

Kong等[36]通過計時起步測試、30 s椅子站立測試和運動數據分析得出衰弱老年人的髖關節內收、髖膝屈曲、膝踝內旋峰值角顯著低于其他老年人，年老衰弱者下肢肌力不足，直接導致膝關節內旋功能減退，進而導致膝關節屈曲角度下降。Muaidi等[37]發現衰弱患者傾向于表現出較小的骨盆前部和水平面運動、髖關節伸展、膝關節屈曲和踝跖屈曲角度。Tsuchida等[33]通過3DGA系統所獲得的行走數據和主成分分析得出結論，在衰弱的老年婦女中，矢狀面時膝關節和踝關節角度有著更大的變化。

3.3 衰弱老年人行走過程中動力學參數的異常

動力學參數包括關節力矩和關節功率等，對這些參數進行客觀量化和評估對于監測衰弱老年人至關重要。李海鵬等[38]發現肌少癥的老年人髖、膝、踝關節伸肌和屈肌在峰值功率平均值和做功平均值這兩項指標上有顯著性下降。Devita等[39]發現與年輕人相比，老年人下肢的關節扭矩和力量下降，這些差異可能是實際的步態限制因素，或者僅僅隨著年齡的增加，有意識地選擇產生較慢步態的運動模式。一項薈萃分析指出老年人的髖關節和踝關節運動、踝關節峰值力矩和地面反作用力減少[40]。

足底壓力測試是一種分析和測量足底壓力及步態的工具。近年來，這種迅捷、客觀、無損害性的足底壓力測試已被證實能夠有效量化下肢生物力學負荷。何媛媛等[41]利用足底壓力檢測系統，發現老年肌肉減少患者的部分足底區域壓力值下降，如大拇趾、第三跖骨區域，代償性引起其他區域壓力值升高，如第四跖骨，足底受力點的改變，進一步引發步態改變，隨著年齡的增長，前足局部存在更高的峰值壓力。Scott等[42]比較了50名年輕和50名老年參與者在步態期間的腳底壓力，進而指出與年輕人相比，老年參與者的腳跟、前足外側和拇指的壓力顯著降低。Pinloche等[43]及其團隊的實驗也表明，衰弱前人群的拇指壓力往往較高。上述結論可能與衰弱老年人肌肉力量下降，難以維持平衡，使得雙足底著力點受壓不均勻有關。

垂直地面反作用力（vGRF）參數已成為社區居住老年人下肢功能的指標[44]。Hirano等[44]報道，在體力較低的老年婦女中，垂直地面反作用力峰值降低，這可能與衰弱老年人行走速度減慢有關，使她們面臨步行受限、健康不佳和喪失獨立性的危險。

3.4 衰弱老年人行走過程中表面肌電參數的異常

表面肌電圖（sEMG）是一種臨床研究工具，用于記錄不同狀態下的肌肉活動[45]。衰弱老年人隨著年齡增長會出現肌肉無力和肌肉萎縮，可以用表面肌電圖在老年人即將發生身體衰退、功能表現下降和衰弱前識別與年齡相關的肌肉功能變化[46]。

廖華龍等[47]利用表面肌電技術發現，老年男性肌少癥患者在站立時，脛骨前肌的平均功率頻率明顯低于正常人，患者無法讓脛骨前肌保持高收縮力來支撐身體，這體現出衰弱老年人的肌肉功能減退。Roland等[45]研究表明衰弱女性暴發持續時間增加，肌肉靜止期減少，肌肉恢復時間縮短，這可能導致早期疲勞并最終導致衰弱。Theou等[48]使用肌電圖評估量化也得出了同樣的結論，與非虛弱女性相比，虛弱女性的肌肉暴發時間更長。Blaszczyszyn等[49]通過對10名衰弱老年女性進行表面肌電圖檢查，發現衰弱老年人在脛骨前肌、足底屈肌、外側腓腸肌和腓骨長肌中產生更高的肌電圖激活值，從而增加肌肉共激活以抵消相對力量的減少并保持穩定。Watanabe等[50]也進行了相應的研究表明老年人肌肉力量的個體間差異與表面肌電圖的幅值有關，衰弱和健康老年人在多通道表面肌電圖參數中具有不同的表現。

4 小結與展望

綜上所述，衰弱老年人的異常步態常表現為步速降低和步幅、雙腿支撐時間增加，以及下肢肌肉激活程度的降低。這些參數的改變可以從生物力學的角度為衰弱老年人的監測提供新的方向。隨著步態分析理論深入研究、監測技術及傳感器技術的發展，對衰弱老年人步行功能的評定已經從主觀的量表逐漸轉化為客觀的、可量化的步態檢測。3DGA系統可動態監測運動過程中的生物力學特征，及時準確的評估衰弱狀態，進一步進行針對性的干預，從而延緩衰弱的進展。但是也存在一些問題：首先目前關于衰弱老年人步態分析的高質量研究尚少；其次，國內缺乏正常及衰弱老年人的大樣本數據庫。今后需要更多臨床研究來進一步探討衰弱老年人的生物力學特點。此外，對所獲取的衰弱老年人行走過程中的生物力學步態數據也需要進行簡化處理及解讀。

參考文獻

[1]國家統計局.第七次全國人口普查公報（第五號）：人口年齡構成情況[EB/OL]（2021-05-11）.http：//www.stats.gov.cn/sj/tjgb/rkpcgb/qgrkpcgb/202302/t20230206_1902005.html.

[2]廖春霞，馬紅梅，徐旭，等.中國社區老年人衰弱發生率的meta分析[J].職業與健康，2017，33（20）：2767-2770.

[3] MORLEY J E，VELLAS B，VAN KAN G A，et al.Frailty consensus： a call to action[J].Journal of the American Medical Directors Association，2013，14（6）：392-397.

[4] KOJIMA G，ILIFFE S，WALTERS K.Frailty index as a predictor of mortality： a systematic review and meta-analysis[J].Age and Ageing，2018，47（2）：193-200.

[5] CHENG M H，CHANG S F.Frailty as a risk factor for falls among community dwelling people： evidence from a meta-analysis[J].Journal of Nursing Scholarship： an Official Publication of Sigma Theta Tau International Honor Society of Nursing，2017，49（5）：529-536.

[6] KOJIMA G.Frailty as a predictor of hospitalisation among community-dwelling older people： a systematic review and meta-analysis[J].Journal of Epidemiology and Community Health，2016，70（7）：722-729.

[7] KOJIMA G.Frailty as a predictor of disabilities among community-dwelling older people： a systematic review and meta-analysis[J].Disability and Rehabilitation，2017，39（19）：1897-1908.

[8]薛夢婷，姜榮榮，徐桂華，等.老年人衰弱的研究進展[J].中國老年學雜志，2021，41（8）：1761-1765.

[9]奚興，郭桂芳，孫靜.老年人衰弱評估工具及其應用研究進展[J].中國老年學雜志，2015，35（20）：5993-5996.

[10] FRIED L P，TANGEN C M，WALSTON J，et al.Frailty in older adults： evidence for a phenotype[J].The Journals of Gerontology Series A， Biological Sciences and Medical Sciences，2001，56（3）：M146-156.

[11] MITNITSKI A B，MOGILNER A J，ROCKWOOD K.Accumulation of deficits as a proxy measure of aging[J].The Scientific World Journal，2001，1：323-336.

[12] DE WITTE N，GOBBENS R，DE DONDER L，et al.The comprehensive frailty assessment instrument： development， validity and reliability[J].Geriatric nursing （New York， NY），2013，34（4）：274-281.

[13]王坤，陳長香，李淑杏.衰弱綜合評估工具的漢化及信效度檢驗[J].中國康復理論與實踐，2017，23（1）：72-76.

[14]吳躍迪，劉臘梅，王珍珠，等.老年人衰弱和跌倒相關性研究進展[J].全科護理，2021，19（24）：3377-3380.

[15] CLEGG A，YOUNG J，ILIFFE S，et al.Frailty in elderly people[J].Lancet （London， England），2013，381（9868）：752-762.

[16] TAYLOR J L，PARKER L J，SZANTON S L，et al.The association of pain， race and slow gait speed in older adults[J].Geriatr Nurs，2018，39（5）：580-583.

[17] PIRKER W，KATZENSCHLAGER R.Gait disorders in adults and the elderly： a clinical guide[J].Wiener Klinische Wochenschrift，2017，129（3-4）：81-95.

[18] GUYONNET S，SECHER M，VELLAS B.Nutrition， frailty， cognitive frailty and prevention of disabilities with aging[J].Nestle Nutrition Institute Workshop Series，2015，82：143-152.

[19] CAPURSO C，BELLANTII F，LO BUGLIO A，et al.The mediterranean diet slows down the progression of aging and helps to prevent the onset of frailty：a narrative review[J].Nutrients，2019，12（1）：35.

[20]奚興，郭桂芳，孫靜.衰弱的內涵及其概念框架[J].實用老年醫學，2013，27（8）：687-690.

[21]黃萍，鐘慧敏，陳博，等.正常青年人三維步態：時空及運動學和運動力學參數分析[J].中國組織工程研究，2015，19（24）：3882-3888.

[22] SETHI D，BHARTI S，PRAKASH C.A comprehensive survey on gait analysis：history，parameters，approaches，pose estimation，and future work[J].Artificial Intelligence in Medicine，2022，129：102314.

[23]周萌，黃強，蔣協遠，等.步態分析在骨科與物理康復領域的應用進展[J].骨科臨床與研究雜志，2021，6（4）：243-249.

[24]唐翔宇，劉玉杰，齊瑋，等.醫學步態分析工具的應用進展[J].世界最新醫學信息文摘，2017，17（26）：33-36.

[25] MURO-DE-LA-URO-DE-LA-HERRAN A，GARCIA-ZAPIRAIN B，MENDEZ-ZORRILLA A.Gait analysis methods： an overview of wearable and non-wearable systems，highlighting clinical applications[J].Sensors （Basel， Switzerland），2014，14（2）：3362-3394.

[26] LINDEMANN U.Spatiotemporal gait analysis of older persons in clinical practice and research： which parameters are relevant？[J].

Z Gerontol Geriatr，2020，53（2）：171-178.

[27]張文倩，陳玉霞，肖農.三維步態分析在兒童異常步態中的應用進展[J].保健醫學研究與實踐，2022，19（6）：156-160.

[28]吳夢余，于衛華，戈倩，等.社區老年人不同衰弱狀態下雙重任務行走步態特征的研究[J].護理學雜志，2019，34（1）：16-19.

[29] RUIZ-RUIZ L，JIMENEZ A R，GARCIA-VILLAMIL G，et al.

Detecting fall risk and frailty in elders with inertial motion sensors：a survey of significant gait parameters[J].Sensors （Basel， Switzerland），2021，21（20）：6918.

[30] HOOGENDIJK E O，VAN KAN G A，GUYONNET S，et al.

Components of the frailty phenotype in relation to the frailty index： results from the toulouse frailty platform[J].Journal of the American Medical Directors Association，2015，16（10）：855-859.

[31] WOOLLACOTT M H，TANG P F.Balance control during walking in the older adult： research and its implications[J].Physical Therapy，1997，77（6）：646-660.

[32] LORD S，HOWE T，GREENLAND J，et al.Gait variability in older adults： a structured review of testing protocol and clinimetric properties[J].Gait amp; Posture，2011，34（4）：443-450.

[33] TSUCHIDA W，KOBAYASHI Y，INOUE K，et al.Kinematic characteristics during gait in frail older women identified by principal component analysis[J].Scientific Reports，2022，12（1）：1676.

[34] RITT M，SCHULEIN S，LUBRICH H，et al.High-technology based gait assessment in frail people： associations between spatio-temporal and three-dimensional gait characteristics with frailty status across four different frailty measures[J].The Journal of Nutrition， Health amp; Aging，2017，21（3）：346-353.

[35] MONTERO-ODASSO M，MUIR S W，HALL M，et al.Gait variability is associated with frailty in community-dwelling older adults[J].The Journals of Gerontology Series A， Biological Sciences and Medical Sciences，2011，66（5）：568-576.

[36] KONG L，WANG W，ZHU X，et al.Effect of frailty on kinematic characteristics of walking in community-dwelling elders[J].Z Gerontol Geriatr，2022，55（8）：689-695.

[37] MUAIDI Q I，NICHOLSON L L，REFSHAUGE K M.

Proprioceptive acuity in active rotation movements in healthy knees[J].Archives of Physical Medicine and Rehabilitation，2008，89（2）：371-376.

[38]李海鵬，劉宇，楊東升.老年人肌肉衰減癥的生物力學特征[C].第十二屆全國體育科學大會，日照，2022：2.

[39] DEVITA P，HORTOBAGYI T.Age causes a redistribution of joint torques and powers during gait[J].J Appl Physiol（1985），2000，88（5）：1804-1811.

[40] BOYER K A，JOHNSON R T，BANKS J J，et al.Systematic review and meta-analysis of gait mechanics in young and older adults[J].Experimental Gerontology，2017，95：63-70.

[41]何媛媛，丁呈彪，張薇薇，等.老年肌肉減少癥患者的足底壓力變化[J].中國組織工程研究，2020，24（14）：2223-2228.

[42] SCOTT G，MENZ H B，NEWCOMBE L.Age-related differences in foot structure and function[J].Gait amp; Posture，2007，26（1）：68-75.

[43] PINLOCHE L，ZHANG Q，BERTHOUZE S E，et al.Physical ability， cervical function， and walking plantar pressure in frail and pre-frail older adults： an attentional focus approach[J].Frontiers in Aging，2022，3：1063320.

[44] HIRANO Y，MATSUI Y，NEMOTO T，et al.Change in ground reaction force parameters according to the frailty level of older women in the timed up and go test[J].Nagoya Journal of Medical Science，2022，84（2）：418-432.

[45] ROLAND K P，JONES G R，JAKOBI J M.Daily electromyography in females with Parkinson's disease： a potential indicator of frailty[J].Archives of Gerontology and Geriatrics，2014，58（1）：80-87.

[46] JONES G R，NEUBAUER N A，OCONNOR B，et al.EMG functional tasks recordings determines frailty phenotypes in males and females[J].Experimental Gerontology，2016，77：12-18.

[47]廖華龍，黃麗，岳冀蓉，等.基于表面肌電信號的老年肌少癥患者下肢生物力學研究[J].醫用生物力學，2021，36（S1）：123.

[48] THEOU O，JONES G R，VANDERVOORT A A，et al.Daily muscle activity and quiescence in non-frail，pre-frail，and frail older women[J].Experimental Gerontology，2010，45（12）：909-917.

[49] BLASZCZYSZYN M，SZCZESNA A，PIECHOTA K.sEMG activation of the flexor muscles in the foot during balance tasks by young and older women： a pilot study[J].International Journal of Environmental Research and Public Health，2019，16（22）：4307.

[50] WATANABE K，KOUZAKI M，OGAWA M，et al.

Relationships between muscle strength and multi-channel surface EMG parameters in eighty-eight elderly[J].Eur Rev Aging Phys Act，2018，15：3.

（收稿日期：2024-02-19） （本文編輯：馬嬌）