老年人標(biāo)準(zhǔn)化單腿直立起踵測試與平衡能力特征參數(shù)的關(guān)系

徐 菁，陳 浩，王國宇，馬國東，陳 佑，徐 飛

(1. 杭州師范大學(xué)體育與健康學(xué)院，浙江 杭州 311121; 2. 吉林體育學(xué)院運動人體科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130022)

0 前言

平衡能力隨年齡增加、肌力表現(xiàn)(muscle performance)下降而逐漸降低[1-3].美國疾病預(yù)防與控制中心(CDC)公布的數(shù)據(jù)表明，老年人因為平衡能力下降而導(dǎo)致的損傷逐年增加，65歲以上老年人有1/3會出現(xiàn)跌倒情況，其中20%—30%的跌倒者會出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，涉及的醫(yī)療支出高達(dá)每年上百億美元，這已成為一個重要的公共健康問題[1,4].

平衡能力是指當(dāng)出現(xiàn)姿勢威脅時，身體保持穩(wěn)定和控制身體質(zhì)心(center of mass，CoM)與支撐面(BOS)相對關(guān)系的能力[3,5-7].有研究初步發(fā)現(xiàn)老年人跖屈肌的肌力表現(xiàn)(力量、耐力)與步態(tài)參數(shù)存在顯著的線性關(guān)系[8]，當(dāng)老年女性踝關(guān)節(jié)跖屈和膝關(guān)節(jié)伸肌疲勞時平衡能力顯著降低[8].健康老年人和年輕人遇到姿勢干擾(perturbation)時，跖屈肌疲勞程度和平衡穩(wěn)定的耗時(從姿勢干擾出現(xiàn)到重建平衡的時間)存在顯著相關(guān)[9]，提示踝關(guān)節(jié)跖屈肌力量對平衡能力有重要影響[3,7].所以，通過評估下肢遠(yuǎn)端(踝關(guān)節(jié))肌肉力量、耐力與平衡的關(guān)系有可能具有臨床應(yīng)用價值.

有人提出通過評價踝關(guān)節(jié)跖屈肌力量與耐力來預(yù)測平衡能力的設(shè)想[10]，但目前評價踝關(guān)節(jié)肌力表現(xiàn)的兩種方法(徒手和等速肌力測試)有一定的局限性，前者主要是根據(jù)施測者對受試者完成踝關(guān)節(jié)最大自主收縮的肌力進(jìn)行分級，由施測者評價踝關(guān)節(jié)肌力，量化和精確化程度不高.而踝關(guān)節(jié)等速肌力測試雖然準(zhǔn)確，但因儀器昂貴而難以普及和推廣[11].所以，建立一種安全、便捷、有效的評價老年人踝關(guān)節(jié)跖屈肌力的方法，對評價、預(yù)測老年人跌倒風(fēng)險有很好的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值.單腿直立起踵測試(single leg standing heel rise test，HRT)可作為評價踝關(guān)節(jié)跖屈肌力量和耐力的替代性指標(biāo)[12].基于此，本研究通過標(biāo)準(zhǔn)化單腿直立起踵測試(HRT)評價踝關(guān)節(jié)跖屈肌的肌力表現(xiàn)，考察老年人HRT結(jié)果與平衡特征參數(shù)的關(guān)系，以期為通過科學(xué)化鍛煉預(yù)防老年人跌倒、探索運動防護(hù)手段提供參考.

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

通過社區(qū)、街道居委會招募受試者，共278人報名參與.在口頭問詢國際體力活動量表(International Physical Activity Questionnaire-Short Form，IPAQ-SF)[13]后，依據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)納入受試者：(1)≥65歲的健康老者；(2)無嚴(yán)重心血管系統(tǒng)疾病、無體重偏輕和肥胖(18.5

1.2 研究方法與測試指標(biāo)

1.2.1 單腿直立起踵(HRT)標(biāo)準(zhǔn)化測試

據(jù)前人研究[14-16]和預(yù)實驗結(jié)果，修改并制定本研究的標(biāo)準(zhǔn)化HRT測試方案：用反光膠帶標(biāo)記足跟最低處，在確認(rèn)受試者單腿直立最大提踵距離后，通過參考尺在70%最大提踵距離處留置標(biāo)記.受試者充分休息后以優(yōu)勢腿赤足單腿直立、前腳掌置于25 kg杠鈴片上，雙手指尖觸墻以保持平衡，聽口令后按要求跟隨電子節(jié)拍器完成連續(xù)起踵(節(jié)奏30次/min).起踵后下落時要求腳跟最低處達(dá)到或低于杠鈴片上沿水平面.測試時保持測試腿直立、不能屈膝，當(dāng)經(jīng)口頭鼓勵后連續(xù)3次起踵未能達(dá)到70%最大起踵高度或無法堅持則終止測試，回放錄像確認(rèn)有效HRT次數(shù).HRT在相同環(huán)境獨立測試兩次，兩次測試間至少間隔48 h.

1.2.2 平衡能力特征參數(shù)測試

踝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)傾角峰值(peak medial-lateral inclination angle，PML)：粘貼反光標(biāo)記點以建立身體節(jié)段三維坐標(biāo).受試者以正常步速行走3 m完成步態(tài)分析，6臺攝像機拍攝反光球位置以捕捉步態(tài)(采樣頻率60 Hz)，T-Wand校正攝像機(390 mm)、L-Frame建立空間坐標(biāo)，Qualisys動作捕捉分析系統(tǒng)(Gothenburg，Sweden)進(jìn)行解析.通過Visual 3D vertion4軟件(C-Motion Inc，USA)濾波后建立標(biāo)準(zhǔn)化人體模型，用Lee等[17]建立的方法確定受試者優(yōu)勢腿在步態(tài)支撐相時身體質(zhì)心-壓力中心(CoM-CoP)踝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)方向傾角峰值(PML).

CoP位移參數(shù)：CoP由地面反作用力(Ground Reaction Force，GRF)決定，測2次取均值.GRF通過OR6-7型AMTI測力臺(Watertown，USA)測量，采樣頻率1 500 Hz.通過受試者步態(tài)周期中測試腳支撐期CoM、CoP的連線，參照通過CoP的垂線，計算額狀面(frontal plane)內(nèi)外側(cè)傾角峰值(PML).研究證實，步態(tài)穩(wěn)定性較差的老年人CoP內(nèi)外側(cè)傾角增大[17].受試者雙臂放松置于體側(cè)，雙腳自然開立站立于測力臺上，分別完成睜眼(eyes open，EO)、閉眼(eyes close，EC)條件下的平衡測試.測試時，受試者集中精力，聽口令后，盡力保持身體穩(wěn)定至少30 s(圖1A).計算CoP位移參數(shù)以評價靜態(tài)平衡能力[18]：CoP位移(displacement)的平均偏差(mean deviation of CoP，MDCoP)，CoP在ML、AL方向位移的均方根值(root mean square，RMSML和RMSAP)，CoP位移的總均方根值(RMST).CoP平均偏差(MDCoP)為所有數(shù)據(jù)點偏離CoP中心點的平均位移.各平衡特征參數(shù)取兩次有效測試值的均值納入分析.

A:測試示意圖；B:CoP位移軌跡；C:測試時間內(nèi)CoP位移幅值.

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

結(jié)果用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(x±s)表示.連續(xù)型變量經(jīng)K-S檢驗符合正態(tài)分布，兩次有效測試結(jié)果的重測信度用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intra-class correlation coefficient，ICC)表示.睜眼、閉眼條件下CoP特征參數(shù)的比較采用配對t檢驗.HRT計數(shù)與CoP特征參數(shù)的關(guān)系用Pearson相關(guān)進(jìn)行統(tǒng)計，顯著性差異臨界值置為α=0.05(P<0.05).計算效應(yīng)量d，d=0.8、0.5、0.2分別對應(yīng)大、中、小的效應(yīng)量.

2 研究結(jié)果

2.1 單腿直立起踵和平衡能力測試的重測信度

兩次HRT測試的ICC=0.96，PML(ICC=0.82)和睜眼、閉眼條件下靜態(tài)平衡特征參數(shù)的ICC=0.81～0.91，見表1.

表1 單腿直立起踵和平衡能力測試的重測信度Tab.1 The test-retest reliability of HRT and balance parameters

2.2 單腿直立起踵與內(nèi)外側(cè)傾角峰值的關(guān)系

受試者優(yōu)勢腿踝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)傾角峰值為3.3±2.06°，HRT與PML呈中度負(fù)相關(guān)(r=-0.505，P<0.05，見圖2).

注：較小的PML傾角提示更好的平衡能力.ML方向傾斜度峰；單腿直立起踵.下圖同.

2.3 單腿直立起踵與靜態(tài)平衡特征參數(shù)的關(guān)系

2.3.1 睜眼和閉眼條件下靜態(tài)平衡特征參數(shù)的差異

受試者睜眼條件下CoP位移的各參數(shù)(CoP MD、RMSML、RMSAP和RMST)均低于閉眼對應(yīng)值，僅CoP前后位移的均方根值(RMSAP)有顯著差異且具有大效應(yīng)量(P<0.01，d=1.10>0.8)，見表2.提示閉眼條件下，CoP前后方向的控制能力是評價平衡、預(yù)測跌倒的重要指標(biāo).

2.3.2 單腿直立起踵與睜眼條件下靜態(tài)平衡特征參數(shù)的關(guān)系

睜眼條件下靜態(tài)平衡測試發(fā)現(xiàn)(見圖3)：HRT分別與MD(r=-0.571，P<0.01)、RMSML(r=-0.443，P<0.05)、RMST(r=-0.528，P<0.05)呈中度負(fù)相關(guān)，與RMSAP(r=-0.301，P>0.05)無顯著相關(guān)性.

表2 睜眼、閉眼條件下靜態(tài)平衡特征參數(shù)的差異Tab.2 The differences of static balance parameters in EO and EC condition

注：CoP位移幅值小，提示靜態(tài)平衡能力更好.

2.3.3 單腿直立起踵與閉眼條件下靜態(tài)平衡特征參數(shù)的關(guān)系

閉眼條件下靜態(tài)平衡測試發(fā)現(xiàn)(見圖4)：HRT分別與MD(r=-0.445，P<0.05)、RMSAP(r=-0.554，P<0.01)、RMST(r=-0.516，P<0.05)呈中度負(fù)相關(guān)；與RMSML(r=-0.402，P>0.05)無顯著相關(guān)性.

圖4 單腿直立起踵次數(shù)與閉眼條件下靜態(tài)平衡的相關(guān)性Fig.4 The pearson correlation coefficient of HRT and static balance parameters in eyes closed condition

3 討論

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化單腿直立起踵測試評價踝關(guān)節(jié)肌力表現(xiàn)

本研究HRT的ICC=0.96，與近期研究發(fā)現(xiàn)HRT的ICC=0.92～0.98[19]和0.95～0.99[12]的結(jié)果一致，說明本研究采用的標(biāo)準(zhǔn)化HRT信度高，評價踝關(guān)節(jié)跖屈肌的肌力表現(xiàn)有很好的一致性，這為考察HRT與平衡能力的關(guān)系提供了可靠基礎(chǔ).本研究還發(fā)現(xiàn)，老年人標(biāo)準(zhǔn)化HRT平均為21±6.15次，低于前人匯報的平均25次[14]、27次[15]的結(jié)果.雖然各項研究結(jié)果因受試者年齡、鍛煉習(xí)慣和種族差異等原因不宜進(jìn)行直接比較，但筆者認(rèn)為本結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映受試者踝關(guān)節(jié)跖屈肌的肌力表現(xiàn)：因為本研究受試者同質(zhì)性(年齡跨度較小67.3±4.5歲)高于國外研究(20—59歲)[14]，且HRT測試標(biāo)準(zhǔn)高于前人研究[14-15]：本研究不僅要求受試者每次起踵達(dá)到70%最大起踵高度，還對起踵頻率進(jìn)行了界定，并要求起踵時足跟達(dá)到或低于腳掌平面，這對踝關(guān)節(jié)跖屈(比目魚肌、腓腸肌)和背屈(脛骨前肌)都提出了明確要求，較大程度上保證研究方案的可重復(fù)性和研究結(jié)果的效度.

3.2 單腿直立起踵與踝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)傾角峰值的關(guān)系

行走過程中，踝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)傾角反映踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性[10].當(dāng)?shù)拱l(fā)生時，人體首先采用踝關(guān)節(jié)策略進(jìn)行平衡的控制和調(diào)整，當(dāng)踝策略無法控制時程序性地啟動髖策略調(diào)整[20].而平衡機能障礙的老年人在無障步態(tài)和越障步態(tài)時踝關(guān)節(jié)傾角顯著大于健康老人，所以他們認(rèn)為踝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)傾角峰值(PML)是評價老年人步態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)平衡能力的敏感指標(biāo)[20]，但該項描述性對比研究并未建立踝關(guān)節(jié)肌力表現(xiàn)與平衡控制能力的關(guān)系.本研究發(fā)現(xiàn)，老年人踝關(guān)節(jié)PML與HRT呈中度負(fù)相關(guān)(圖1)，提示踝關(guān)節(jié)跖屈肌的力量與耐力是影響老年人步態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)平衡能力的重要指標(biāo).有研究證實，PML能夠反映身體質(zhì)心(CoM)的位移，而不受身高、步速的影響[10,17].所以，PML與HRT呈中度相關(guān)提示，HRT一定程度上可作為評價老年人跌倒風(fēng)險的應(yīng)用指標(biāo).但仍需研究HRT與平衡能力特征參數(shù)的關(guān)系，以確認(rèn)上述推測.

3.3 睜眼和閉眼條件下老年人平衡特征參數(shù)的差異

通過控制視覺輸入條件，分析安靜站立時CoP-CoM、CoP-CoG的幅值與頻率變化(計算平均偏差和均方根振幅)，是研究平衡能力的經(jīng)典方法[6-7,18,21].因為視覺系統(tǒng)提供周圍環(huán)境和身體運動的方向信息，是人體保持平衡時感覺輸入的第一步[5,22].Blaszczyk等[23]發(fā)現(xiàn)屏蔽視覺通道會顯著影響老年人下肢的非對稱負(fù)荷表現(xiàn)，本研究發(fā)現(xiàn)老年人睜眼時CoP位移特征參數(shù)(CoP MD、RMSML、RMSAP和RMST)均低于閉眼對應(yīng)值(見表1)，與Blaszczyk的研究一致.Hasan等的系列研究[18,21]也證實人體安靜站立時CoP與CoG呈高度正相關(guān)(r=0.935，P<0.001)，說明老年人在保持平衡時對視覺信息的依賴程度高于前庭和肌肉本體感覺功能，而在開放視覺通道時，CoP位移特征參數(shù)(MD和RMS)是評價平衡控制能力的有效指標(biāo).

老年人閉眼狀態(tài)下CoP在ML和AP方向的位移參數(shù)顯著高于睜眼狀態(tài)對應(yīng)值[23].有意思的是，本研究僅發(fā)現(xiàn)老年人閉眼站立時CoP在AP方向位移的均方根值(RMSAP)顯著高于睜眼對應(yīng)值(P<0.01)且具有大效應(yīng)量(d=1.10，表2)，說明屏蔽視覺通道后，肌肉本體感覺主導(dǎo)的平衡控制能力在CoP前后位移上呈現(xiàn)出顯著差異.這與Kurz等(2018)[24]近期的研究結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)老年人單腿站立時CoP在AP方向位移程度顯著大于ML方向.分析認(rèn)為，人體前后方向平衡的精細(xì)調(diào)節(jié)，主要由踝關(guān)節(jié)跖屈與背屈動作模式實現(xiàn)[25]，結(jié)合踝關(guān)節(jié)跖屈肌疲勞后老年人平衡能力顯著降低[8]和年輕人重建平衡穩(wěn)態(tài)的耗時顯著增加[9]的證據(jù)，提示RMSAP在評價老年人平衡能力和預(yù)測跌倒風(fēng)險方面很可能是敏感指標(biāo).

3.4 單腿直立起踵與睜、閉眼狀態(tài)下平衡特征參數(shù)的關(guān)系

機體主要通過視覺、前庭覺和本體感覺等三通道整合輸入信息(integration sensory input)后輸出運動指令而保持平衡[2,5-6,22]，睜、閉眼是研究中樞系統(tǒng)整合和運動控制的重要途徑[5,22].有描述性研究發(fā)現(xiàn)，較小的CoP位移幅值與老年人較好的靜態(tài)平衡能力有關(guān)[18,21]，但上述研究并未探討跖屈肌力表現(xiàn)和平衡特征參數(shù)的關(guān)系.本研究發(fā)現(xiàn)，HRT與平衡特征參數(shù)呈中度負(fù)相關(guān)(圖3、圖4)，這印證了前人的研究[18].有意思的是，睜、閉眼條件下HRT與CoP參數(shù)呈現(xiàn)不同的特征，提示不同視覺條件下中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)對平衡能力不同的運動控制調(diào)節(jié)機制[1].睜眼時，機體在三通道整合信息調(diào)控下，HRT與反映CoP位移總體水平的MD、RMST的相關(guān)性更高(分別為r=-0.571，r=-0.528)，此時，老年人CoP位移在ML、AP方向的隨機擾動和反饋控制相對均衡，并無顯著的位移差異，體現(xiàn)出老年人根據(jù)視覺信息反饋，通過肌肉效應(yīng)器努力將CoP維持在中心點，以最大程度彌補肌力增齡性下降的平衡調(diào)節(jié)策略[5,22].這也說明老年人保持平衡時對視覺信息的依賴程度高于前庭和肌肉本體感覺功能[1,12].

閉眼狀態(tài)時屏蔽了視覺通道，此時肌肉本體感覺對平衡保持能力的作用凸顯[26].研究發(fā)現(xiàn)HRT與CoP RMSAP呈中度負(fù)相關(guān)(r=-0.554，圖4)，結(jié)合睜、閉眼時僅CoP RMSAP出現(xiàn)顯著差異的結(jié)果(表1)，有理由認(rèn)為，老年人閉眼狀態(tài)下RMSAP顯著下降，有可能是CNS激活踝關(guān)節(jié)跖屈肌以調(diào)節(jié)靜態(tài)平衡能力的重要表現(xiàn).運動控制的有關(guān)研究證實，CNS參與調(diào)節(jié)踝關(guān)節(jié)不同方向肌肉的特異性激活，踝關(guān)節(jié)肌肉激活與平衡能力顯著相關(guān)[24,27-28]：通過平衡板(wobble board)研究平衡控制的研究發(fā)現(xiàn)，CNS調(diào)控平衡策略主要是通過主導(dǎo)前后方向(AP direction)平衡策略的選擇[27].De Ridder等[28]也證實，健康人群站立于萬向單軸平衡板時其踝關(guān)節(jié)肌肉激活呈現(xiàn)出特定的方向性特征.而老年人的CoP在AP方向位移程度顯著大于ML方向，同時踝關(guān)節(jié)跖屈肌的sEMG振幅和肌肉共激活程度顯著增加[24,26].綜上，CoP RMSAP有可能是反映老年人踝關(guān)節(jié)肌力出現(xiàn)增齡性下降時平衡控制能力降低的敏感指標(biāo)，而HRT與RMSAP呈中度負(fù)相關(guān)，提示標(biāo)準(zhǔn)化HRT結(jié)果可考慮作為評價老年人平衡能力，尤其是靜態(tài)平衡能力的參考指標(biāo).

4 結(jié)論

標(biāo)準(zhǔn)化HRT評價老年人踝關(guān)節(jié)跖屈肌力量和耐力有很好的一致性，具有高信度.HRT與老年人睜眼、閉眼狀態(tài)下的平衡能力特征參數(shù)呈顯著中度負(fù)相關(guān)，考慮到平衡能力的復(fù)雜機制和測評的必要性，可考慮將標(biāo)準(zhǔn)化HRT測試作為評價老年人踝關(guān)節(jié)跖屈肌肌力表現(xiàn)的場地測試方法.將來的研究需擴大樣本量，進(jìn)一步明確老年人標(biāo)準(zhǔn)化HRT與平衡能力的量化關(guān)系及可能的調(diào)控機制.