双任务介入下楼梯行走对人体关节力矩和身体动态稳定性的影响

【作者】 曹传宝； 马刚； 马敏卿； 史东林；

【机构】 河北体育学院； 武警后勤学院；

【摘要】 研究目的:与平地行走相比,楼梯行走表现出更易跌倒的风险,而下楼梯跌倒的风险是上楼梯3倍以上。若在楼梯行走中发生跌倒,易造成组织损伤、骨折,甚至危及生命。与平地行走相比,楼梯行走需要更大的下肢关节力矩及关节运动幅度,因此需要更大的"机能消耗"。在日常生活中,完成单一的楼梯行走任务较为简单,然而在楼梯行走的中经常伴随着脑力活动或其他肢体动任务。在楼梯行走中,与单任务相比,双任务的介入会导致注意力分散,影响人体系统的信息整合能力及动作控制能力,进而影响对身体的姿势控制能力,引发跌倒的风险。前人研究多应用传统静态稳定性理论评价人体在楼梯行走的稳定性。然而,楼梯行走属于动态运动,不得不考虑CoM的速度与位置对人体动态稳定性的共同影响。动态稳度(MoS)为量化人体动态稳定性的较为客观的指标。这种方法在行走、跑等研究中已经得到应用,但应用动态稳定性理论评价人体在楼梯行走中的稳定性较为少见。本研究旨在利用生物力学手段,探究在下楼梯行走中认知与动作任务介入对人体的姿势控制和动态稳定性的差异性,丰富楼梯行走的防跌倒理论。研究方法:随机招募符合筛选条件的青年女性受试者20名(年龄:24.6±3.2岁、身高:162.5±4.6cm、体重:57.6±6.5kg、BMI:22.3±2.5)。所有受试者均了解实验流程和潜在风险并签署知情同意书。选用由厚度约为1 cm的钢板焊接而成的模拟楼梯,楼梯共有6级台阶,每级梯高0.17 m,每一步踏深为0.3m,踏宽为1.5 m,楼梯倾斜角为29.4°。采用Kistler三维测力台(Kistler-9287BA, CH)采集动力学数据,采集频率为1000Hz。采用具有8台红外摄像头的Vicon红外运动捕捉系统(Vicon Motion System, UK),以及配套的红外反光的Marker点(d=14 mm,UK)和Vicon Nexus(Nexus 1.7.1,UK)数据采集处理软件,采集运动学数据,采集频率设为100 Hz。本研究中,单任务(ST)的执行方式为只进行楼梯行走,无附加其他动作和条件。认知任务(CT)的执行方式为受试者下楼梯前听见200-999之间随机的某一个数字,在楼梯行走过程中同时进行该数字连续减3计算,直至本次走到楼梯底部则计算结束。动作任务(MT)的执行方式为受试者在下楼梯行走中,右手持装满水的水杯,直至走到楼梯底部。正式测试时,受试者在ST、CT、MT三种条件下分别进行下楼梯行走,在楼梯行走过程中,采用一步一阶的方式下楼梯,每名受试者进行3次有效测试。选取步态周期的优势腿支撑相进行分析,运动学指标以时间标准化,动力学指标以体重标准化。每名受试者取三次有效数据取平均值,以均值±标准差(`X±SD)进行统计分析,应用SPSS 20.0对因变量进行正态分布和同质性检验,应用单因素重复性方差分析对受试者下楼梯的步态参数、力学参数及动态稳度进行组间比较。显著性水平设置为P<0.05。研究结果:受试者在下楼梯过程中,与ST相比,CT与MT两种类型的双任务介入步长、步宽均未见显著性差异(P>0.05);而步速显著减小(P<0.05)。受试者三种双任务介入下的髋、膝、踝三个关节的关节力矩在一个支撑相内的变化规律基本趋于一致,峰值存在一定的差异。髋关节力矩在支撑相前期以伸力矩为主,在支撑相后期以屈力矩为主;膝关节力矩主要以伸力矩为主;踝关节力矩主要以跖屈力矩为主。与ST相比,CT与MT两种双任务介入下的屈髋力矩峰值、伸髋力矩峰值、伸膝力矩第二峰值指标出现不同程度的降低,但均无显著性差异(P>0.05);伸膝力矩第一峰值(P<0.05)、跖屈力矩第一峰值(P<0.05)及跖屈力矩第二峰值(P<0.05)显著较大;在两种类型的双任务介入中,与CT相比,MT介入下的伸膝力矩第一峰值显著较小(P<0.05)。受试者下楼梯过程中,CT与MT双任务介入下分别与ST相比,CoM位置(Dcom)显著后移(P<0.05、P<0.05),CoM速度显著降低(P<0.05、P<0.05),动态稳度(MoS)显著减小(P<0.05、P<0.05),且为负值,支撑面边界的最大值无显著性差异(P>0.05、P>0.05)。在受试者下楼梯行走中CT与MT两种类型的双任务介入相比较,CoM位置、CoM速度、支撑面边界的最大值、MoS均无显著差异性(P>0.05)。研究结论:与单任务相比,认知任务与动作任务分别介入后受试者在下楼梯行走过程中均表现出步速降低;伸膝力矩峰值和跖屈力矩峰值降低;动态稳度减小的特征,第二任务的增加对人体下楼梯身体动态稳定性产生明显的不利影响,人体呈现出不稳定的状态。为了保持身体的稳定性,人体采取降低步速、降低地面反作用力的自我保护策略进行下楼梯行走。认知任务与动作任务对人体步态指标、身体姿势控制能力、动态稳定性影响相似。因此,建议在楼梯行走中尽量避免执行其他任务,如若必要执行多种任务时,降低步速、轻踏台阶也是可选择的较为科学的楼梯行走策略。更多还原