双任务模式下楼梯时步态速度对动态步态稳定性的影响

陈贞祥 吕雅君 赵德峰 韩冬

摘 要：背景：发生在在步行楼梯行走过程的跌倒是人们意外死亡的主要原因之一。认知或身体任务的双任务范式对动态步态稳定性的影响仍不确定，步态的动态稳定性受步态速度的影响程度也还不清楚。方法：16名健康年轻女性在三种不同的任务状态下楼梯：下楼梯（单任务）、边计算减法边下楼梯（认知双任务）、端着一杯水下楼梯（身体双任务）。采用八摄像头的Vicon运动分析系统和Kistler测力台同步采集运动学和动力学数据。结果：在认知和身体双任务状态下，步态速度降低，步态动态稳定性增加。随着步态速度的增加，质心—压心倾角增大，与单任务相比，身体双任务状态倾角减小。结论：双任务引起的步态速度变化可以部分解释步态速度对双任务动态步态稳定性的影响。在双任务效果评估中，应考虑步态速度的影响。

关键词：身体任务;认知任务;动态平衡;姿势控制;楼梯交谈

中图分类号：G804.6   文献标识码：A  文章编号：1006-2076（2021）02-0095-07

Abstract： Background： Falls during stair negotiation have become one of the leading causes of accidental death， the effects of a concurrent cognitive or manual dual-task paradigm on dynamic gait stability remain uncertain， and how much dynamic gait stability is influenced by gait velocity is also not clear. Methods： A total of 16 healthy young females descend a staircase under three different walking conditions：descend stairs only （single task）; descend stairs while performing subtraction （cognitive dual-task）， and descend stairs while carrying a glass of water （manual dual-task）. An eight-camera Vicon motion analysis system and a Kistler force plate embedded into the third step of a staircase were used synchronously to collect kinematic and kinetic data. Results：Gait velocity decreased and dynamic gait stability increased， with both cognitive and manual dual-task conditions. The center of mass-center of pressure inclination angle increased with gait velocity but decreased with the manual dual-task condition compared to the single task condition. Conclusions：Changes in gait velocity， caused by the dual-task paradigm， can partially explain the effects of dual-task dynamic gait stability. The influence of gait velocity should be considered in the assessment of dual-task effects.

Key words：manual task; cognitive task; dynamic balance; posture control; stair negotiation

步行上下楼梯是日常生活中一项具有跌倒风险的活动。在所有已经报告的引起跌倒的因素中，上下楼梯引发的跌倒[1]占所有跌倒因素的26 [2]，并且是导致意外死亡的主要原因之一[3-4]，与上楼梯和水平行走过程相比，下楼梯过程占楼梯间摔伤几率的75 [5]，并且需要更大的下肢关节活动度[6]和肌肉力量[7]。下楼梯对所有年龄段的人的动态步态稳定性都是较大的挑战[2， 8]。

双任务范式，包括在下楼梯的过程中的双任务[9]，在日常中是必不可少的生活场景[10]，同时执行额外的任务常常导致与跌倒相关的步态模式变化[11]。双任务是在执行一项运动任务（如步行或爬楼）时，同时执行认知任务或身体任务。当运动任务具有挑战性时，如下楼梯任务，步态的变化和第二任务就具有很大相关性[12]。有些研究显示了不同双任务对动态步态稳定性的不同影响，其中一些研究认为额外的认知任务或身体任务对身体稳定性有不利影响[13-14]，另一些研究则认为认知任务或身体任务可能有助于稳定步态[15-17]。

造成不一致结果的一个可能的解释是用于衡量动态步态稳定性的指标不同，包括质心位移、压心位移、质心-压心偏离。质心位移表示身体在不同方向上的摇摆程度[18]，压心位移由地面反作用力[19]点的位置变化计算得出，代表步态策略和身体稳定性[20-21]，而质心-压心偏离则表示在运动中控制身体质心在足底压心适当范围内运动的能力[22]。质心、压心位移的增加和质心-压心偏离都被解释为动态步态稳定性的下降[18， 20， 22]。其中，质心-压心倾角，即在足底压心的垂直线和质心与压心连线的矢量线在矢状面和额状面投影形成的夹角[23]，比单纯的质心和压心数据能提供更全面的动态步态稳定性评估，因为质心或压心数据不一定表明不稳定[24]且质心-压心偏离没有标准化腿长或身体高度[25]。但倾角同时考虑了质心和压心，因此提供了对理解身体和支撑面之间关系有帮助的描述[24]。较大的倾角导致力臂的增加，运动中为了恢复身体平衡，进一步导致身体惯性和动量的增加[24]。倾角越大，质心-压心偏离就越大，将质心恢复到压心上方就越困难[26]。如果质心和压心偏离较大，下肢关节便不能维持直立姿势，就会发生跌倒[27]。倾角还被广泛用于衡量水平行走[28-30]、跑步机行走[25， 29， 31]、窄根鞋行走[26]、穿越障碍[28， 32]、高尔夫挥杆[33]等运动中的动态步态稳定性，并被认为是动态步态稳定性的有效表征[25]。然而，它却很少被用于最危险的跌倒事故發生情境之一[34-35]下楼梯的动态步态稳定性检验。

双任务引起的步态速度变化可能是造成动态步态稳定性差异的另一个原因。有些研究在探究双任务对动态步态稳定性的影响时考虑了速度因素，有些则没有，甚至一些考虑了速度的研究也得出了相互矛盾的结果。其中一些研究认为，在年轻人群中运动速度的增加可能导致倾角的显著增加[23]，而另外一些研究则认为步态速度无法对倾角给出一个限定性的解释[26]。尽管倾角可能随着步态速度和双任务表现的变化而变化，但很少有研究证明步态速度、双任务表现和倾角之间的关联。

在双任务范式如认知或身体任务中引入第二任务可能会导致可用注意力资源之间的竞争[36]或整合[16]。在双任务条件下保持平衡的能力依赖于注意力资源的分配效率，注意力资源的分配效率影响着在同时执行的认知任务或身体任务下的运动步态和表现。因此，在双任务范式下进行的研究可以为认知和步态控制之间的交互作用提供重要的见解。此外，理解双任务和步态速度之间的交互作用对动态步态稳定性的影响可能为动态姿态控制机制提供新的见解。本研究的目标是研究在双任务下楼梯的过程中步态速度和动态步态稳定性之间的关系。本研究为了探究在双任务过程中步态速度的重要性，假设双任务状态下的步态速度会降低，同时执行的第二任务会对下楼梯时的动态步态稳定性产生不利影响;并且在双任务模式下，下楼梯时的动态步态稳定性会随着步态速度的增加而降低。

1 材料与方法

1.1 参与者

效能检验（G*Power Version 3.1）表明，在80 的统计效能下的样本量要求为11。因此，我们招募了16名健康年轻女性参与了本研究（年龄：21.6±2.19岁;身高：162.4±4.7 cm;体重：53.4±6.7 kg），排除标准包括心脏状况不稳定，下肢做过关节置换术，关节炎，糖尿病，视力缺陷，前庭缺陷或任何其他神经肌肉问题，上述情况可能使参与者无法安全有效地执行实验方案。研究对象在过去6个月里没有任何用药史，在过去3年里也没有跌倒或步态异常的报告。所有参与者的优势脚均为右脚，定义为首先踢球的脚[37]。所有参与者在正式实验前都签署了书面知情同意书。根据《赫尔辛基宣言》，山东体育学院评审委员会批准了该项目（20180026）。

1.2 所用仪器

研究中铸造了一个具有6个台阶的楼梯用于数据采集。每个台阶的高度和宽度尺寸均为17 cm×29 cm。一块测力台（Kistler， 9287BA， Switzerland）嵌入楼梯的第三级台阶中，用来采集地面反作用力数据，采集频率为1000 Hz。一套八摄像头的红外运动分析系统（Vicon， Oxford Metrics Ltd.， England）用于采集运动学数据，采集频率为100 Hz。动力学和运动学数据使用Vicon系统进行同步采集。更多细节描述可以在之前的报告中找到[38]。

1.3 研究方案和数据收集

所有的参与者被要求在三种状态下逐级走下楼梯：（1）单任务：只下楼梯;（2）认知双任务：在下楼梯的过程中把一个随机三位数连续减三;（3）身体双任务：在下楼梯的过程中右手端着一个装有350毫升水的玻璃杯。所有测试的顺序是随机的。参与者在正式数据采集前对每种情况进行了练习以熟悉过程。每个参与者在每种状态下共收集5次成功测试的数据，并选取其中3个测试数据进行进一步分析。当参与者从楼梯的最高处连续下到底部，然后继续不间断地向前走10米时，才会被认为是一次成功的测试。每两次测试之间有1分钟的休息时间。

1.4 数据分析

所有动力学和运动学数据均来自右脚单支撑阶段，数据范围从左脚趾离开第四级台阶始到左脚趾接触第二级台阶止（图1a）。每个单支撑阶段被标准化为100个相等的时间段。质心是通过Vicon步态模型插件把人体整体划分为13个节段来获得的。步態速度的计算为Δx/Δt，其中Δx为质心的位移，Δt为两个标准化时间间隔的时间。速度峰值由单支撑阶段步态速度的最大绝对值表示。压心的位置通过测力台测得的力来计算得出。质心和压心的前（+）/后（-）位置与前进方向平行。质心和压心的内（左）/外（右）位置相对于前进方向线进行描述[39]（图1b）。倾角由穿过压心[28]的垂线与质心与压心的连线确定，分别计算出前/后和内/外侧的倾角（见下图）。本研究检测了单支撑阶段的最大倾角，单支撑阶段是一个不稳定的阶段，在此阶段中人们很容易跌倒[27]。质心和压心数据采用四通道巴特沃思滤波器（Butterworth filter）滤波，截取频率分别为7 Hz[40]和50 Hz[41]。

3 讨 论

本研究是第一个已知的调查在下楼梯的过程中同时执行第二任务对步态速度和以倾角为代表的动态步态稳定性的影响的研究。本研究的主要实验结果是，在认知双任务和身体双任务状态下，步态速度峰值下降;同时执行的第二任务会对动态步态稳定性产生不利影响;倾角与步态速度呈正相关，与同时执行的身体任务呈负相关。

与之前的研究一致，本实验的结果发现在双任务下楼梯过程中单支撑时相下的最大运动速度下降。之前对楼梯行走过程中与他人进行交流的双任务研究，用质心的运动范围对动态步态稳定性进行评估，结果显示年轻男性在双任务上/下楼梯过程中的运动速度下降[12]。也有研究称，在双任务状态下，年轻人[1， 42]和老年人[10， 13]参与者在水平行走时的步态速度都会下降。本研究中单任务状态下的最大运动速度大于认知双任务和身体双任务状态下的最大运动速度。

人们曾经认为步态是无意识的，不涉及诸如注意力等的高级大脑功能，然而，现在人们一致认为认知任务和身体任务都需要注意力资源的参与[12， 36， 43-45]。在双任务状态下，注意力资源被分配到每个任务中，同时执行的第二任务会从步态中分配注意力资源[12]，双任务似乎会导致两个任务中的至少一个任务的表现下降。以往的研究表明，双任务状态下步态的变化可能是由于步态的注意力需求与伴随的第二任务需求之间的竞争[38， 46]。本研究进一步证实了以前的发现，即步态速度受双任务的影响。

虽然双任务被发现对步态速度有不利影响，但这并不意味着它们会对用倾角评估的动态步态稳定性有不利影响。推测与单任务相比，认知/身体双任务对倾角有不利影响。然而，前后和内外方向的结果都未能支持第二个假设;减少的倾角表明受试者在认知双任务或身体双任务状态下楼梯时身体的动态步态稳定性有所改善。这些结果与之前大多数受试者为年轻人的研究结果一致，在双任务状态下身体稳定性得到了额外的增强而不是增加了姿势的不稳定性[15， 16， 45， 47， 48]。一项对年轻男性的研究认为，在双任务状态下，通过测量质心在内/外侧的移动范围，可以代表受试者的动态步态稳定性[12]。本研究和其他研究的不同源于对动态步态稳定性的衡量标准。其他研究的因变量是质心的移动范围，但这并不一定表明不稳定[24]。

在不考虑步态速度影响的情况下双任务对动态步态稳定性的独特影响也应该被研究。因此，本研究采用逐步消元法进行多元回归分析，确定并比较了速度、双任务和动态步态稳定性之间的关系。第三个假设是被支持的，因为结果显示，在身体双任务和认知双任务状态下，动态步态稳定性随步态速度的增加而降低。本课题组之前发表的两项研究指出，在地面[23]和跑步机[25]两种速度相对较快的场景下运动时，倾角增加。

回归分析还表明，同时执行的身体任务降低了身体前/后方向的倾角，幅度达到0.768°，即同时执行的身体任务增加了动态步态稳定性。研究的结果与之前的一些研究一致[15-16]，说明了注意力资源之间的整合效应。值得一提的是，一项有类似结果的研究推测，更高要求的双任务所带来的约束与原来只下楼梯的任务相互作用，從而提高了身体稳定性[16]。这一构想进一步的证据已通过神经生理学的测量提供，证据显示在双任务状态下大脑的辅助运动区和主要感觉运动区的活动增加[49]。进行双任务所用到的辅助运动区和主要感觉运动区，需要在未来的项目中进一步研究。既然提高身体稳定性是使手中的玻璃杯保持稳定的先决条件，那么受试者在下楼梯任务上的表现得到提升也是有道理的[16]。这些结果被解释为姿势控制与双任务范式的功能整合。具体来说，下楼梯和身体任务之间的功能整合并不是作为两个分开的控制单元，而是作为一个协同任务中的独立单元来实现的。这一理论模型也有助于解释为什么动态步态稳定性与身体任务相关，而与认知任务无关。由于身体任务和下楼梯都是与运动相关的任务，它们很容易集成为一个单元，而在认知双任务中集成认知任务和下楼梯任务则困难得多。值得一提的是，谨慎的步态策略可能被用来避免杯中的水溢出，而不是防止跌倒。

研究建议，未来的双任务范式研究应考虑并区分步态速度对身体双任务和认知双任务的影响，因为它们可能对同时执行的双任务产生不同的影响。为了证明这一构想，本研究选取的受试者为一群年轻的女性。未来的研究应该集中在老年人身上，因为与年轻人相比，老年人会有更多的跌倒经历[50]，并且在楼梯间行走时需要更多的注意力资源[51]。

本项研究存在如下局限性。首先，如果能够测量不同步态速度（如常速和快速）下的动态步态稳定性，将是一个很好的选择，因为本项研究旨在检验下楼梯过程中步态速度对动态步态稳定性的影响，然而，当参与者被要求同时执行一个认知任务时，就很难保持较快的步态速度。当他们开始计算减法时，步态速度会明显下降，这将影响他们在下楼梯过程中的步态。其次，研究中只用倾角来代表动态步态稳定性，但是其他潜在的指标，如最大李亚普诺夫（Lyapunov）指数或稳定界限，也可以评估下楼梯的动态步态稳定性。认识到倾角是许多评估指标中的一种是十分重要的。最后，在实验参与者手端一个装有350毫升水的玻璃杯下楼梯时，参与者们为了防止水溢出，而不是防止跌倒，必须采取谨慎的步态策略来提高动态步态稳定性。也许换成盒子或托盘会是一个更好的选择。

4 结 论

本研究探讨了在下楼梯时同时执行认知或身体任务对步态速度和动态步态稳定性的影响。在同时执行认知任务或身体任务时，步态速度下降;下楼梯时，动态步态稳定性随步态速度的增加而降低。最后，在评估双任务运动效果时应考虑步态速度的影响。

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