不同負重方式對老年人行走影響的比較分析

張騰宇 張靜莎 季潤 ，2，4 呂澤平 ，3 李增勇 ，3

1國家康復輔具研究中心（北京 100176）

2北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院（北京 100191）

3北京市老年功能障礙康復輔助技術重點實驗室（北京 100176）

4民政部人體運動分析與康復技術重點實驗室（北京 100176）

跌倒是老年人失能的重要拐點，是傷殘和致死的重要原因[1，2]。國內(nèi)外很多研究表明，負重是影響步行穩(wěn)定性的一項重要因素[3]，因而也是引發(fā)跌倒的一個重要危險因素[4]。一些文獻通過對負重條件下的步態(tài)參數(shù)進行研究，證明負重會導致步態(tài)參數(shù)的變化[5-10]，并且與動態(tài)穩(wěn)定性下降有關[11，12]。因此，老年人應盡可能減少負重出行。但是，在必要的負重情況下，不同的負重方式對老年人行走步態(tài)和穩(wěn)定性的影響是否存在差異，相比之下老年人以哪種方式負重行走更為安全，尚須進一步研究。本研究通過對日常生活中常見的幾種不同負重方式下，老年人的行走步態(tài)參數(shù)進行對比分析，探討不同負重方式對老年人行走穩(wěn)定性影響的差異。

1 研究方法

1.1 受試者

選取15名健康老年人（依據(jù)中國健康老年人標準[2013]）[13]作為被試，其中男性8名，年齡64～80歲，平均71.43± 4.72歲，體重60.6～80.5 kg，平均70.21±6.10 kg；女性7名，年齡65～70歲，平均67.80 ± 1.72歲，體重50.5～76.0 kg，平均61.02 ± 9.47 kg，無運動障礙相關疾病，近一年內(nèi)無跌倒史。

1.2 測試設備與方法

在無負重以及雙手提、單手提、肩背、懷抱四種負重方式下分別進行步態(tài)測試，負重量為體重的10%，幾種負重方式如圖1所示，其中，單手提的動作右利手被試由右手完成，左利手被試由左手完成。步態(tài)測試采用VICON三維運動捕捉系統(tǒng)，共8個紅外攝像頭，采樣頻率均為100 Hz。同時利用兩塊AMTI的三維力臺同步測試被試行走過程中的地面反力，采樣頻率1000 Hz。

圖1 幾種負重方式行走示意圖

測試過程中被試下身著實驗專用緊身短褲和統(tǒng)一款型的運動鞋，下肢按照VICON系統(tǒng)的Plug-in-Gait下肢模型規(guī)定位置粘貼反光標記點，按要求在規(guī)定區(qū)域內(nèi)以自然步態(tài)和步速行走，同步記錄各標記點的三維運動數(shù)據(jù)，每種負重方式采集不少于15個步態(tài)周期的有效數(shù)據(jù)。每位被試均首先采集無負重行走的數(shù)據(jù)，然后采集其他幾種負重方式數(shù)據(jù)，每種負重方式的數(shù)據(jù)全部采集完之后，令被試休息2分鐘，進行下一種方式的數(shù)據(jù)采集，幾種不同負重方式的執(zhí)行順序隨機，以消除因某種負重方式造成的肢體疲勞對后續(xù)負重方式可能產(chǎn)生的影響。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計學分析

使用VICON系統(tǒng)自帶的NEXUS1.8.5軟件，根據(jù)被試足部標記點標記行走過程中的足跟著地點和足尖離地點，以一次足跟著地作為步態(tài)周期的開始，同側足跟再次著地作為步態(tài)周期的結束，劃分步態(tài)周期。軟件根據(jù)步態(tài)標記自動計算步頻、步速、步長、步態(tài)周期、支撐期、單足支撐期、雙足支撐期等步態(tài)參數(shù)。其中，支撐期、單支撐期和雙支撐期均以該步態(tài)時相的時間在一個步態(tài)周期中所占的百分比表示。由于步長與身高有關，因此本研究中步長通過身高進行標準化。另外，早期的很多研究表明，步與步之間步長、步速、步態(tài)周期、雙支撐時間等步態(tài)參數(shù)的變化與跌倒相關，比單純的步態(tài)參數(shù)值更加敏感，可將步態(tài)參數(shù)變異率作為預測跌倒的指標[14-18]。其中，平均步態(tài)周期變異系數(shù)（stride-to-stride variablitily of stride time，STV）是老年人步態(tài)研究中一個較常用的評價指標[19]，定義為：

其中，Tstd為同一被試多個步態(tài)周期的標準差，Tmean為步態(tài)周期均值。

行走過程中的壓力中心（center of pressure，COP）偏移量也在一定程度上反映行走的動態(tài)穩(wěn)定性[20，21]。因此，本研究中選用了COP前后方向和內(nèi)外方向的最大偏移量作為一項反映穩(wěn)定性的指標，定義：

其中，COPml為內(nèi)外方向壓力中心偏移量，COPap為前后方向壓力中心偏移量，LCOPx為一個步態(tài)周期中左腳COP在內(nèi)外方向上的最大偏移量，RCOPx為右腳COP在內(nèi)外方向上的最大偏移量，RCOPy為一個步態(tài)周期中左腳COP在前后方向上的最大偏移量，LCOPy為右腳COP在前后方向上的最大偏移量。

每位被試在不同負重條件下各取15個步態(tài)周期的數(shù)據(jù)，對同一條件下所有被試的數(shù)據(jù)求均值。利用SPSS16.0軟件對相關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，計量資料以均值±標準差表示，顯著性水平均取P＜0.05。以負重方式和性別為自變量，各種步態(tài)參數(shù)為因變量，通過雙因素方差分析分別對比負重方式和性別兩種因素對各種步態(tài)參數(shù)的影響，并分析兩種因素之間的交互作用。進而，采用Bonferroni校正檢驗水平進行后繼t檢驗，兩兩比較幾種不同負重方式間的差異。

2 結果與分析

2.1 不同負重方式下男性和女性老年人的步態(tài)參數(shù)

表1列出了不同負重方式下男性和女性老年人的各種步態(tài)參數(shù)。統(tǒng)計結果分析顯示，負重方式與性別因素無交互作用（P＞0.05），說明負重方式對不同性別老人的影響趨勢是一致的。步速、支撐期、單支撐期、雙支撐期、STV、COPml和 COPap在不同負重方式間均無顯著性差異（P＞0.05）。在不同負重方式間步態(tài)周期、步長身高比及步頻的差異如圖2所示。

表1 男性和女性老年人在不同負重方式下的步態(tài)參數(shù)對比

（續(xù)表1）

由圖2A可見，在單手提（P＜0.01）、肩背（P＜0.05）和懷抱（P＜0.01）幾種負重方式下，步態(tài)周期較無負重情況均顯著減小。對于幾種不同的負重方式，懷抱和單手提的負重方式下步態(tài)周期較小，并且顯著小于雙手提（P＜0.01）和肩背（P＜0.05）的情況。由圖2B可見，標準化的步長（步長/身高）在懷抱負重方式下顯著小于無負重和雙手提的情況（P＜0.01），其他負重方式間的步長身高比均無顯著性差異（P＞0.05）。由圖2C可見，在單手提（P＜0.01）、肩背（P＜0.05）和懷抱（P＜0.01）幾種負重方式下，步頻較無負重情況均顯著增大。對于幾種不同的負重方式，懷抱負重方式下步頻顯著大于雙手提（P＜0.01）和肩背（P＜0.05）的情況，其他負重方式間步頻無顯著性差異（P＞0.05）。單手提的負重方式下步頻顯著大于雙手提的情況（P＜0.01）。不同負重方式下，步頻和步態(tài)周期的變化規(guī)律大致呈相反的趨勢。

圖2 不同負重方式間步態(tài)參數(shù)的差異

不同性別間步態(tài)參數(shù)的差異性如圖3所示，支撐期和單支撐期在步態(tài)周期中的占比具有非常顯著的性別差異（P＜0.01）。男性支撐期占比顯著高于女性，而單支撐期占比顯著低于女性。其他步態(tài)參數(shù)在不同性別間均不存在顯著性差異（P＞0.05）。

2.2 個體之間的步態(tài)參數(shù)對比

從統(tǒng)計結果來看，個體之間的步態(tài)參數(shù)差異較大，且在不同負重方式下的變化不存在一致性規(guī)律。如：圖4為各被試在不同負重方式下的STV值。由圖4可見，不同被試的STV值個體差異較大，且在不同負重方式下的STV差異性無固定規(guī)律。

3 討論

3.1 不同負重方式對行走步態(tài)的影響

本研究中，10%體重的負重條件下行走，單手提、肩背、懷抱負重方式下的步頻均顯著高于無負重的情況，步態(tài)周期顯著低于無負重的情況，步速在有無負重的情況下無顯著性差異，而另外一些研究[10，22]的結果顯示，在10%～20%負重的情況下，步速降低、步態(tài)周期增加，與本研究結果不一致。分析原因，可能是由于10%體重的負重對行走步態(tài)產(chǎn)生的影響較小，不足以造成行走策略的變化，但被試由于負重勞累，急于完成行走任務，因此自然的增加了步頻，從而縮短了步態(tài)周期。雙手提的負重方式下，各種步態(tài)參數(shù)與無負重情況均無顯著性差異，說明雙手提的負重方式對步態(tài)影響較小。

圖3 不同性別間步態(tài)參數(shù)的差異

圖4 各被試在不同負重方式下的STV值

與重心平衡和步態(tài)穩(wěn)定性相關的STV和壓力中心偏移量（COPml和COPap）在有無負重以及不同負重方式間均無顯著性差異，進一步說明10%體重的負重量不足以對步態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響[23，24]。不同被試在不同負重方式下的步態(tài)參數(shù)變化無固定規(guī)律，說明對于不同個體，可能應對不同負重方式的步態(tài)調(diào)整策略各不相同。

3.2 負重對男性和女性行走穩(wěn)定性影響的差異

一般來說，單足支撐時間縮短，提示下肢負重能力的下降。而步行障礙時往往首先表現(xiàn)為支撐時間延長，以增加步行穩(wěn)定性[25]。在行走不穩(wěn)定條件下，為了保持穩(wěn)定性，一般人會主動減少單足支撐時間，延長雙足支撐時間[26-28]。本研究中男性支撐期占比顯著高于女性，而單支撐期占比顯著低于女性，說明在負重條件下，男性主動變化步態(tài)以保持行走穩(wěn)定性的能力優(yōu)于女性，女性負重行走的跌倒風險更高，這與其他研究中的結果吻合[10，14]。

4 結論

本研究針對老年人不同負重方式下的步態(tài)參數(shù)進行了對比研究，初步分析了老年人負重對行走穩(wěn)定性的影響。結果表明，10%體重之內(nèi)的負重對老年人來說是可以接受的，雙手提的負重方式對行走步態(tài)影響較小。女性負重行走的跌倒風險較男性更高，因此女性老年人負重行走時應更加小心。本研究只是針對該問題進行了小樣本的探索性研究，得到了一些初步發(fā)現(xiàn)，下一步將繼續(xù)增加樣本量并設置不同負重等級，同時增加肢體運動及地面反力等參數(shù)的分析，以得到更多對于老年人負重行走具有指導意義的結論。