老年人下楼梯行走的生物力学分析

任占兵，韩格格，杜兴兰，赖勇泉



老年人下楼梯行走的生物力学分析

任占兵，韩格格，杜兴兰，赖勇泉

目的：探索老年人下楼梯过程踝关节和膝关节的关节活动度、地面反作用力以及肌肉表面肌电表现。方法：选择10名男性老年人，年龄(68.5±3.8)岁，身高(1.71±0.25)米，体重(70.2±13.5)千克，10名青年人，年龄(22.5±2.7)岁，身高(1.75±0.14)米，体重(65.9±11.3)千克。通过运动生物力学专业设备和软件，采集到老年人下楼梯行走过程的运动学、动力学和表面肌电信号。结果：老年人和青年人的运动学、动力学和表面肌电的曲线图变化趋势趋于一致；踝关节最大背屈角度、踝关节最大跖屈角度、地面反作用力垂直方向第1峰值、地面反作用力垂直方向第2峰值等指标方面，老年人和青年人之间差异具有显著性；在支撑阶段，老年人股外侧肌、腓肠肌外侧肌肉的激活水平都要略高于青年人。结论：老年人与青年人下楼梯过程的动作差异可能归因于肌肉力量的差异，因此，对于老年人来说，发展下肢肌肉力量对下楼梯行走的身体姿势稳定性具有重要的意义。

老年人；下楼梯；运动学；动力学；表面肌电

摔倒是老年人随着年龄增长机体逐渐衰老后所面临的主要威胁，摔倒事件中有10.7%与登楼梯有关[1]。在所有致命的摔倒事件中，有超过10%的老年人在楼梯上摔倒过[2]。美国CDC(2007)[3]报道指出，有超过一半的摔倒致伤事件归因于斜坡和楼梯行走。英国的研究发现[4]，有23万的受伤人口和497件死亡人口是由于在楼梯摔倒造成。人常说，“上山容易下山难”。楼梯行走主要分上楼梯和下楼梯，那么，老年人下楼梯行走过程动作表现会呈现出什么样的特点？这是本研究关注的重点。研究发现，老年人和青年人在下楼梯过程的运动学表现出相似的趋势[5]，但老年人和青年人在下楼梯过程关节活动范围仍然不清。

最新研究发现，老年人上、下楼梯时认知任务介入对下肢协调性可能存在影响[6]，肌肉协调是上楼梯行走相关摔倒预防的重要指标[7]，但是，下楼梯过程关键肌肉活动的时间过程仍然不清。本研究重点探索老年人下楼梯过程踝关节和膝关节的关节活动度、地面反作用力以及下肢肌肉表面肌电表现，研究成果对进一步认识老年人楼梯行走摔倒风险的运动生物力学机制具有重要价值，对进一步从运动训练和动作控制的角度预防老年人行走摔倒风险具有一定的应用价值。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选择10名男性老年人，年龄(68.5±3.8)岁，身高(1.71±0.25)米，体重(70.2±13.5)千克，10名青年人，年龄(22.5±2.7)岁，身高(1.75±0.14)米，体重(65.9±11.3)千克；所有受试者都签订了知情同意书，测试前，详细讲解测试流程，并告知注意事项。老年受试者主要来自城市社区，所有老年人均能独立行走且没有行走障碍，日常活动主要是步行。年轻受试者主要来自高校大学生和研究生，且未受过专业的体育训练，受试者均没有膝关节相关疾病。

1.2 研究方法

台阶共计5个，2个测力台(Kistler)分别安置在地面和倒数第2个台阶(高度175mm，深度280mm和宽度1000mm)，台阶一侧设置1个扶手。受试者从最顶端开始，按照自己选择且相对舒适的速度下楼梯。在测试前，先通过示范讲解动作，然后所有的受试者均给予充分的试走准备，使其达到自信的进行下台阶行走。

运动学数据运用1台JVC摄像机垂直拍摄和采集，采集频率为50Hz，运用Simi Motion配置软件分析数据，采用双面胶将反光标志点直接黏贴在髋关节(股骨大转子)、膝关节(股骨外上髁)、踝关节外侧、跟骨外侧、第五跖趾关节。膝关节角度界定为髋关节中心和膝关节中心的连线的延长线与膝关节中心和踝关节中心连线的夹角；踝关节角度界定为膝关节中心和踝关节中心连线与跟骨外侧和第五跖趾关节连线的夹角。

运用2台Kistler测力台采集地面反作用力数据，采集频率为1000Hz，沿着行走的方向为X轴的正方向，Y轴在水平面上垂直于X轴并指向左侧，Z轴正方向竖直向上。表面肌电测试选择的肌肉主要是膝关节和踝关节屈伸肌群(股外侧肌、股二头肌、腓肠肌外侧和胫骨前肌)，电极片顺着肌纤维的走向，平行粘贴在所测肌肉的肌腹上。贴电极前，先用剃须刀去毛并砂纸打磨，然后用酒精擦拭至挥发干，电极片两中心点相距2cm，测试系统采用Cometa系统。

1.3 数据处理方法

足触地和离地是划分步态周期的2个重要时刻，本研究重点观察同一只脚从足触地到再一次触地过程。运动学数据采用FFT滤波器进行平滑处理，截断频率为10Hz；表面肌电原始数据先经过全波整流，然后经过Butterworth低通滤波处理(截取频率15Hz)，得到线形图，所有数据做了标准化处理；运动学、动力学和表面肌电数据运用Origin对数据采用三次样条函数方法，选取100个数据点，进行插值计算。为了消除体重的差异对地面反作用力数据的影响，用地面反作用力数据值除以体重，即：地面反作用力数据(N/kg)=地面反作用力峰值(N)÷体重(kg)。用SPSS软件求出各变量的平均数(Mean)和标准差(SD)，数据之间差异的显著性水平为0.05，差异性检验采用T检验。

2 研究结果

2.1 老年人下楼梯行走过程下肢关节活动度表现特征

图1-(1)和图1-(2)纵坐标代表关节屈伸角度，横坐标代表步态周期，从两个图中可以发现，老年人在下楼梯行走过程下肢膝关节和踝关节的运动学表现趋势和青年人具有类似的特点。

图1 下楼梯行走过程下肢关节角度运动曲线图Figure1 The joint angle curves of the lower extremity during stair descent

进一步从表1可以发现，膝关节最大屈曲角度和膝关节最大伸展角度，老年人和青年人之间差异不具有显著性；踝关节最大背屈角度和踝关节最大跖屈角，老年人和青年人之间差异具有显著性。

表1 下楼梯行走过程下肢关节角度相关参数测定结果Table 1 The joint angle test results of the lower extremity during stair descent

2.2 老年人下楼梯行走过程地面反作用力表现特征

图2-(1)、图2-(2)和图2-(3)分别是垂直方向、前后方向和内外方向地面反作用力，从图中我们可以发现，老年人和青年人地面反作用力的变化趋势趋于一致。图2-(1)中，足刚触地到最大缓冲的过程，老年人地面反作用力垂直方向第1峰值略高于青年人；老年人地面反作用力垂直方向第2峰值略高于青年人。

进一步通过统计分析发现，老年人和青年人地面反作用力垂直方向第1峰值差异具有显著性(P<0.05)；老年人和青年人地面反作用力垂直方向第2峰值差异具有显著性(P<0.05)；老年人和青年人前后方向以及内外方向地面反作用力差异不具有显著性。

表2 老年人下楼梯行走过程地面反作用力相关参数测定结果Table2 The ground reaction force test results of the lower extremity during stair descent

图2 下楼梯行走过程地面反作用力曲线图Figure 2 The ground reaction force curves of the lower extremity during stair descent

2.3 老年人下楼梯行走过程表面肌电表现特征

图3(1)-(4)分别是股外侧肌、股二头肌、腓肠肌外侧和胫骨前肌表面肌电的变化曲线图。进一步对肌电信号进行标准化处理，即纵轴是EMG信号幅度与EMG峰值(选取老年人和青年人中的EMG最大幅度)比值的平均值，横轴是EMG时间占下楼梯行走周期的百分比；从图中可以发现，青年人和老年人在下楼梯过程表面肌电表现出相似的趋势。在支撑阶段，老年人股外侧肌、腓肠肌外侧肌肉的激活水平都要略高于青年人。

图3 下楼梯行走过程人体下肢肌肉相关参数曲线图Figure 3 The EMG curves of the lower extremity muscle during stair descent

3 分析与讨论

3.1 老年人下楼梯行走的运动学分析

研究发现，有超过32%的老年人摔倒事件是由于绊倒造成的[8]，老年人可以通过踝关节背屈增加摆动腿足尖离地高度避免绊倒[9]，因此，测量运动学时空变量、比较受试者之间的差异可以有效的预测老年人在楼梯或者斜坡行走摔倒风险的大小。本研究的结果与前人的研究趋于一致[9]，本研究发现，老年人最大标准化背屈角度显著大于青年人，可以认为这是老年人预防摔倒的一种本能体现，即通过踝关节背屈增加摆动腿足尖离地高度从而避免绊倒。静止站立时，两脚支撑人体质心的平衡主要依赖于中枢神经系统的调控，然而，当人体产生运动时，中枢神经系统的调控会随着身体质心的前移而发生变化。在自然节奏的行走步态周期的80%左右，身体处于单支撑，此时，人体质心已经超过了支撑面[10]。唯一的稳定阶段是人体处于双支撑阶段，但是，即使在此刻，整个身体的体重也仅仅局限在两脚上，也不是绝对的稳定，因此，在行走的整个步态周期，人体都处于不稳定的状态。前人的研究认为，平地走与楼梯行走的区别主要体现在：(1)前后稳定性[11]；(2)内外稳定性；(3)摆动腿足尖离地高度[12]。这些研究进一步验证了本研究老年人踝关节背屈峰值增加的主要原因可能是为了增加摆动腿足尖离地的高度避免绊倒。

3.2 老年人下楼梯行走的动力学分析

地面垂直反作用力在步态研究中具有相当长的历史了。然而，老年人下楼梯行走过程地面垂直反作用力表现变化仍然不清。本研究通过地面垂直反作用力来评价下楼梯行走过程中的力学特征，研究发现老年人和青年人在地面反作用力第1和第2峰值的差异均呈现出显著性，这与前人的观点趋于一致，即老年人下楼梯过程的地面反作用力要显著大于青年人[13]。老年人行走需要具备良好的身体姿势稳定性，身体姿势稳定性是基于感知觉信息的整合以及身体肌肉发力控制身体运动的能力，因此，身体姿势稳定性需要肌肉骨骼系统和感知觉系统能够协同工作。另外，这些系统以及他们下属的子系统对身体动作变化非常敏感，同时也会随着年龄的增长在功能上逐渐衰退[14]。因此，老年人在下楼梯行走过程的垂直方向地面反作用力大于青年人，这可能归因于老年人维持身体姿势稳定性的整体系统功能衰退，进而动用了更多的神经肌肉控制下楼梯的动作任务。

3.3 老年人下楼梯行走的表面肌电分析

在下楼梯过程中，下肢肌肉被预先激活后，迅速进行离心收缩，紧接着迅速转为向心收缩的工作方式被称为“拉长—缩短周期”收缩(Stretch-shortening cycle,SSC)。[15]在下楼梯的拉长和缩短周期，青年人和老年人表现出相似的趋势，研究认为，胫骨前肌是踝关节背屈的主要肌肉，直接影响着摆动腿足尖离地高度[16-17]，是老年人楼梯行走的关键肌肉。逐渐下降的肌肉力量是老年人摔倒风险因素之一。本研究发现，在支撑阶段，老年人股外侧肌、腓肠肌外侧肌肉的激活水平都要略高于青年人，说明了老年人与青年人相比要动用更大的运动幅度和力量去完成下楼梯动作，进一步说明了老年人与年轻人相比表现出更大的努力从而克服外力限制[18]。最新研究发现[6]，老年人和年轻人会根据任务难度来选择是否专注于认知任务上，老年人趋向选择较保守的策略来维持下肢关节协调稳定度。尽管肌肉力量会随年龄增长而下降，但研究发现力量训练可以有效的提高老年人的肌肉力量，力量训练已经被认为对老年人的肌肉功能具有明显益处[19]。因此，建议老年人通过强化下肢肌肉力量训练来延迟肌肉衰老，预防下楼梯过程的伤害发生几率。

3.4 预防老年人下楼梯行走摔倒的策略分析

老年人下楼梯过程的动作表现主要体现在踝关节背屈增加摆动腿足尖离地高度，本研究重点建议老年人通过强化下肢肌肉力量来预防下楼梯行走摔倒。长期坚持规律性的运动锻炼，有助于中老年人保持体重，降低体脂率；改善各项身体素质，尤其上下肢肌力增强显著，有氧能力有所提高，维持正常的骨密度水平[21]。因此，建议老年人在长期坚持有氧运动的同时，增加抗阻力量训练的内容。可穿戴设备将成为体育科学领域研究的主导地位，未来可以考虑通过可穿戴设备，获取老年人日常活动中移动性活动的大数据，连续性对老年人的步态及平衡进行系统评价，对跌倒风险进行预测，并提出针对性的体疗方案进行干预，不断提高老年人的抗跌倒能力，提升老年人的健康生活质量。[22]进入老年期后，人体的肌力继续随年龄的增长而下降[20]，老年人与常人相比，处于较高的跌倒风险，主要归结于两个原因：外周-运动控制能力下降，骨骼肌肉系统逐渐衰退[23]。因此，本研究提出的通过强化老年人下肢肌肉力量来预防老年人下楼梯行走摔倒具有一定的科学意义。

4 结论

该研究发现，老年人下楼梯过程的动作有其自身的规律性，老年人在下楼梯过程仍然要通过踝关节背屈增加摆动腿足尖离地高度从而避免绊倒，老年人下楼梯过程支撑阶段主要肌群激活水平较高，运动幅度和力量幅度均比较大，因此，对于老年人来说，发展下肢肌肉力量对下楼梯行走的身体姿势稳定性具有重要的意义。

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(编辑 孙君志)

Biomechanical Analysis of Stair Descent in Older Adults

REN Zhanbing，HAN Gege，DU Xinglan，LAI Yongquan

Objective: To explore the ankle joint and knee joint movement, the ground reaction force and the muscle surface electromyography (EMG) of elderly people during stair descent. Methods: Ten elderly males (68.5±3.8 years old, 1.71±0.25 meters high, 70.2±13.5 kg weight) and ten young people (22.5±2.7 years old, 1.75±0.14 meters high, 65.9±11.3 kg weight) participated in the test. The kinematic, dynamic and surface EMG signals of the walking process of the elderly were collected through the equipment and software specific to sports biomechanics. Results: The kinematic, dynamic and surface EMG curves of both the old and young people are identical. The maximum ankle flexion angle, the maximum ankle plantar flexion angle, the first peak value of the ground reaction force and the second peak value of the ground reaction force were significantly different between the young and the elderly. During the support ting phase, the femoral lateral muscle and the activation level of gastrocnemius lateralis muscle of the elderly are slightly higher than those of the young. Conclusion: The difference in motion performance between the elderly and the young may be attributed to the difference in their muscle strength. Therefore, it is of great importance for the elderly to develop their lower extremity muscle strength to enhance their body stability during stair descent.

TheElderly;StairDescent;Kinematics;Dynamics;SurfaceEMG

G804.6 Document code：A Article ID：1001-9154(2016)02-0093-05

国家自然科学基金青年科学基金项目(11002036)；广东省高等学校优秀青年教师培养计划资助项目(Yq2013105)；2015年度广东大学生科技创新培育项目(51021147)。

任占兵，博士，副教授，研究方向：体育教育训练学，E-mail：zb.ren@163.com。

广州体育学院，广东 广州 510500 Guangzhou Sport University, Guangzhou Guangdong 510500

2015-09-29

2016-01-25

G804.6

A

1001-9154(2016)02-0093-05