老齡化對健康女性下樓梯腿剛度與關節剛度的影響

馬剛 何海燕 鄭國兵 何瑞波 白少玄 曹傳寶

(1武警后勤學院,天津 300309;2河北體育學院)

研究發現,老齡化導致的老年人肌力流失〔1〕、本體感覺降低〔2〕、姿勢控制能力下降〔3〕都是造成老年人跌倒的原因。流行病學數據顯示,在跌倒的老年人中女性占比高達70.6%〔4〕,因其特殊的生理特征,老年女性更容易跌倒。另外,老年人因跌倒經歷造成的恐懼心理可能會加劇其再次跌倒的風險〔5〕。由于樓梯行走需要更高的姿勢控制能力〔6〕,因此,樓梯是老年人常發生跌倒的環境。調查顯示,約26%的跌倒發生在樓梯行走中〔4〕,而下樓梯跌倒約占樓梯行走跌倒的3/4〔7〕。老年人一旦發生跌倒,可能帶來嚴重的損傷。從運動控制的角度出發,穩定性是指身體受到干擾后保持直立姿勢而不跌倒的能力〔8〕。當外界環境突然改變后,人體會依據感知覺系統反饋的信息調節下肢肌肉活動,并通過改變下肢關節的運動表現調節平衡〔9〕。有研究顯示,當人體姿勢改變時,最先啟動的是下肢剛度調節〔10〕。剛度是指物體在受載時抵抗形變的能力,它通過關節力與位移的動態配合完成調節過程。諸多學者已將腿剛度與關節剛度應用于步態行走中的研究〔11,12〕。腿剛度與關節剛度都是觀察下肢或關節所抵抗的外力與關節角位移之間關系的指標〔13〕。研究顯示,腿剛度是評估走或跑過程中整個下肢動態特性最合適的方法〔14〕。但如果需要了解下肢關節的具體情況,則需要使用關節剛度指標。Nadeau等〔15〕研究發現,膝關節在樓梯行走過程中起到主要動力作用。Brughelli等〔13〕研究發現,相比于踝關節剛度,膝關節剛度在控制腿剛度方面更為重要。Jin等〔16〕和Kim等〔17〕研究表明,為了量化每個關節剛度對腿剛度的貢獻,研究腿剛度和關節剛度之間的關系十分重要〔16,17〕。腿剛度與關節剛度已應用于走〔18〕、跑〔11,16〕等運動中,但應用于老年人下樓梯活動較為少見。本研究運用生物力學手段,對比老齡化對健康女性下樓梯時腿剛度和關節剛度的差異,探究腿剛度與關節剛度之間的相關性。

1 對象和方法

1.1研究對象 應用GPower計算樣本量,根據文獻〔11〕,設置power為0.8,α為0.05,效應量為0.84,兩組受試者計算出所需樣本量為19例,本研究選取樣本量為每組20例。通過現場招募、微信宣傳的方式隨機選取青年女性與老年女性各20例。要求受試者無規律鍛煉習慣、近6個月無跌倒史、能夠獨立完成樓梯行走。排除心腦血管疾病、神經肌肉骨骼系統疾病、服用影響姿勢控制能力的藥物及認知功能障礙者。每例受試者均熟悉測試流程并簽署知情同意書。除年齡外兩組其他基本資料無統計學差異(P>0.05)。見表1。

表1 兩組基本資料

1.2儀器設備 選用一臺模擬樓梯模擬日常的下樓梯活動,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度,符合日常生活中的樓梯標準。選用8個紅外攝像頭的Vicon紅外運動捕捉系統(Vicon Motion System,UK,Oxford Metrics Limited)進行運動學數據的采集,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,采集頻率設為100 Hz。采用Kistler三維測力臺(Kistler-9287BA,CH,Kistler)對動力學數據進行采集。將三維測力臺置于樓梯第3階臺階的凹槽內并固定,采集頻率設置為1 000 Hz。

1.3測試流程 受試者身著緊身測試衣褲和測試鞋,先進行身體形態學指標測量及優勢腿的測試,經測試受試者優勢側均為右側。然后由工作人員按照Visual 3D提供的模型將直徑為14 mm的反光Marker點粘貼于人體骨性標志點上。正式測試開始后,受試者在工作人員的指令下進行下樓梯行走,為保證優勢腿踏上測力臺,受試者需要優勢腿先邁步并采用一步一個臺階的方式下樓梯行走。將下樓梯過程中無停頓、Marker點無掉落記為1次有效測試,每名受試者保留5次有效測試并隨機選取3次進行數據分析,每次測試間隔1 min。

1.4數據處理 原始的運動學與動力學數據利用Vicon Nexus1.7.1軟件進行Marker點的重命名、截取操作。并將數據導入Visual 3D進行濾波、標準化、百分化操作。采用巴特沃斯四階數字低通濾波器進行濾波處理,截止頻率運動學數據6 Hz〔20〕、動力學數據50 Hz〔19〕,運動學數據以身高標準化,動力學數據以體質量標準化。將下樓梯時的一個步態周期定義為右腳著地到右腳再次著地,則第一雙支撐階段(FDS)為右腳在模擬樓梯第三階觸地開始,到左腳在第四階離地結束,單支撐階段(SSP)為左腳在第四階離地開始,到左腳在第二階觸地結束,第二雙支撐階段(SDS)為左腳在第二階觸地地開始,到右腳在第三階離地結束。采用逆向動力學方法計算下肢各關節周圍由肌肉所產生的凈力矩〔20〕。腿剛度〔21〕定義為支撐期內垂直地面反作用力峰值與腿部位移量的比值,由公式(1)與(2)計算得出;關節剛度〔22〕定義為支撐期內關節力矩與關節角度變化的比值,由公式(3)計算得出。

(1)

(2)

(3)

其中,KLeg表示腿剛度,vGRFpeak表示垂直地面反作用力峰值,△L表示腿部位移垂直變化量,L0表示下肢初始長度,V表示平均速度,tc表示足部撞擊時間,△yc表示觸地期間質心的垂直位移,△M表示關節力矩的變化量,△θ表示關節角度的變化量,KHip表示髖關節剛度,KKnee表示膝關節剛度,KAnkle表示踝關節剛度。

1.5統計學分析 采用SPSS19.0軟件進行獨立樣本t檢驗,應用偏相關分析分析腿剛度與髖、膝、踝關節剛度的相關性。

2 結 果

2.1兩組下樓梯KLeg對比 與青年組相比,老年組vGRFpeak、KLeg顯著降低(P<0.05),△L未見顯著性差異(P>0.05),見表2。

表2 青年組與老年組下樓梯腿剛度對比

2.2兩組下樓梯下肢關節剛度對比 與青年組相比,老年組△θKnee、△MHip、KHip顯著增大,△MKnee、△MAnkle、KKnee、KAnkle顯著較小(P<0.05)。見表3。

表3 兩組下樓梯下肢關節剛度對比

2.3兩組下樓梯KLeg與關節剛度對比 KKnee與KAnkle呈顯著負相關(r=-0.507,P=0.001),而KLeg與KHip(r=-0.106,P=0.508)、KLeg與KKnee(r=-0.026,P=0.870)、KLeg與KAnkle(r=0.354,P=0.023)、KHip與KKnee(r=0.096,P=0.550)、KHip與KAnkle均無明顯相關性(r=-0.097,P=0.545)。

2.4兩組下樓梯優勢腿支撐相內關節角度與力矩變化曲線 在優勢腿支撐階段,青年組與老年組關節角度和關節力矩變化趨勢基本一致,但幅度有一定差異。髖關節角度先減小后增大,膝關節角持續增加,而踝關節角先增大,在SSP末期逐漸減小;關節力矩,支撐相內前半段的髖關節主要表現為伸髖力矩,然后轉變為屈髖力矩,膝關節主要是伸膝力矩,踝關節主要是跖屈力矩,膝關節和踝關節力矩均明顯呈現雙峰趨勢,均在SSP初期達到第1個峰值,在SSP末期達到第2個峰值。見圖1。

圖1 兩組關節角度與力矩變化曲線

3 討 論

隨著年齡增長,老年人身體穩定性逐漸下降。相比于水平行走,樓梯行走時跌倒所具有的勢能更高,因此受傷更為嚴重〔15〕。研究表明,下樓梯時需要精確的感知覺系統和視覺系統反饋,同時需要主動肌和拮抗肌間的良好協調〔23,24〕。KLeg的最佳水平對促進運動表現和降低損傷十分必要,但肌肉優化剛度能力取決于肌肉力量及產生力的速率〔25〕。由于肌肉力量和感知覺系統反饋都會隨年齡的增加而減弱,因此老年人可能會采用不同于青年人的控制策略調節KLeg〔26〕。研究表明,為了降低跌倒的風險,老年人通常通過增加共收縮補償身體平衡〔27〕。有研究顯示,共收縮是老年人增加剛度的一種機制〔27〕。剛度的增加有助于提高身體穩定性。Tibor等〔28〕研究顯示,青年女性與老年女性采用不同下樓梯運動策略,老年女性下肢關節屈曲程度減小,這導致KLeg增加了約60%。但Millett等〔29〕研究表明,較小的KLeg有利于降低下肢損傷。KLeg的降低通常與下肢位移增加和vGRFpeak降低有關,較大的垂直地面反作用力會使骨損傷的風險增加,如膝骨關節炎、應力性骨折等〔30〕。本研究結果顯示,與青年組相比,老年組在下樓梯時表現出較小的KLeg。這可能是老年人采取降低KLeg的策略以降低骨損傷風險,但同時也降低了身體穩定性,增加了下樓梯跌倒風險。

人體在運動過程中,下肢可簡化為一個多關節系統。Millett等〔29〕研究表明,KLeg調節受關節剛度及腳觸地時的幾何結構等多種因素影響。關節剛度定義為關節角度隨關節外力矩的變化程度,主要取決于肌肉激活、反射和關節角度的變化〔31〕。如果下肢關節較硬,則在觸地時關節會經歷較小的角位移,從而降低下肢彈簧模型的壓縮,提高下肢剛度〔31〕。研究表明,關節剛度可能與身體傳遞負荷的衰減有關〔32〕。因此,關節剛度可以間接反映下肢損傷風險〔32〕。有研究〔32〕表明,足部觸地時的能量吸收主要依靠膝關節與踝關節。因此,本研究中老年人主動降低Kknee、KAnkle是為了更好地吸收能量而主動采取的一種下樓梯策略。由公式3可知,下肢關節剛度的差異受關節角度和力矩變化影響。膝關節角度變化的差異不足以改變力矩變化對膝關節剛度的影響。本研究發現,老年人在下樓梯時表現出較大的KHip,這可能是由于老年人較大的髖關節力矩所致。研究表明,髖關節力矩與軀干姿勢控制有關〔33〕。在樓梯行走中,較大的軀干前傾角導致身體重心過度前移,向前跌倒的風險增加〔34〕。本研究發現,老年人利用較大的髖關節力矩控制軀干,積極降低KKnee和KAnkle,以緩沖地面沖擊力,并有效降低下樓梯時向前跌倒的風險。

KLeg和關節剛度之間的關系是復雜的。Jin等〔16〕和Kim等〔17〕研究指出,為了量化每個下肢關節剛度對KLeg的貢獻度,進一步探討KLeg與關節剛度之間的關系十分必要。Brughelli等〔13〕和Kuitunen等〔35〕研究表明,KKnee對KLeg的控制作用明顯大于KAnkle。但本研究結果顯示,在下樓梯過程中,受試者的KLeg與下肢關節剛度之間并未見顯著的相關性,而KAnkle與KKnee呈現出顯著的負相關性。Nadeau等〔15〕研究指出,在樓梯行走過程中,膝關節起到了主要的動力作用,其次是踝關節。KAnkle、KKnee的負相關性可能表明了兩關節之間的代償關系。由于老年人的運動神經系統功能下降,相比于青年人,老年人可能更依賴于下肢關節的代償機制〔36〕。Robbins等〔37〕研究顯示,老年人的姿勢控制能力受下肢伸膝肌力影響較大。較大伸膝力矩可以有效抵制軀干前傾,降低樓梯行走時向前跌倒的風險。隨著年齡增加,老年人下肢肌肉力量尤其是膝關節伸肌力量下降,難以完成下樓梯時支撐腿支撐、擺動腿向前邁步的動作,繼而增加跌倒風險〔38〕。老年人可能通過踝關節的代償作用彌補膝關節伸肌力量不足,進而降低下樓梯時的跌倒風險。

綜上,在下樓梯過程中,老年人主動減小KLeg以降低骨損傷的風險,較小的KKnee、KAnkle有助于緩沖地面沖擊力,較大的KHip有助于控制軀干姿勢,提高下樓梯的身體穩定性。KLeg與下肢關節剛度未見顯著相關性,但KKnee與KAnkle呈現顯著負相關性,可能是膝、踝關節之間存在代償性關系。因此,老年人的運動項目的選擇或運動康復的重點應同時注重發展膝、踝關節力量。