老年行动模拟服在步态稳定性研究中的应用

田 苗， 雷 烨， 王云仪， 李 俊， 张向辉

(1. 东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051；2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051)

随着全球老龄化加剧，老年群体受到越来越多的关注。国家“十三五”规划和“健康中国2030”规划纲要明确，要研究制定应对人口老龄化的中长期规划。在医疗教学中，通常采用老年行动模拟服等设备模拟老年人的生理状态，培养医护人员对老年人的共情能力[1]，有助于建立和谐的医患关系，并促进老年患者的健康恢复[2]。老年行动模拟服作为共情工具，早期大都被用作医护人员的教学用具[3]。医学和设计学专业的学生利用模拟服体验老年人的日常生活，加深对社会老龄化的认知[4]。设计师通过模拟服获得共情体验，开发更符合老年人需求的产品[5-6]。

早期对于老年人衰老特征的模拟仅针对身体局部[7]，老年行动模拟服则能够模拟全身。日本、美国等国家均对老年行动模拟服的开发与应用进行不同程度的研究，对其使用效果的评估也从定性转向定量[5，8-9]。美国麻省理工大学的学者开发了一套老年共情系统(AGNES)，并利用临床实验仪器进行了评估[5]。研究发现，穿着模拟服会使人体产生衰老的感觉，在超市购物等生活场景中感觉不便，并定量表征了老年模拟服带给穿着者的共情感[1,9]。

与年轻人相比，老年人在日常生活中更易发生步态失稳并引发跌倒[10-11]，其步态稳定性问题受到关注。然而直接选用老年人参与此类研究存在一定的安全隐患，因此，本文期望通过定量研究，评估老年行动模拟服对老年人步态稳定性的模拟程度，判断使用老年模拟服开展生物力学相关研究的可行性。通过姿势平衡和步态分析实验，论证以下2个假设：1)老年行动模拟服会降低人体的姿势平衡和步态稳定性；2)老年行动模拟服可模拟老年人的姿势平衡保持能力，以及步行期间的平衡表现。

1 实验设计

1.1 实验设备

1.1.1 老年行动模拟服

本文使用的老年行动模拟服由日本株式会社三和制作所开发，其结构如图1[8]所示。

图1 老年行动模拟服Fig.1 Age simulation suit

从力学角度解释，该装置通过改变穿着者的重心位置和支撑面的稳定性，模拟老年人平衡生理系统的衰老。从生物力学角度来看，施加给人体的力可模拟人体的感知系统、运动系统的衰退。基于此，将其中主要模拟运动系统衰退的部件称为运动系统模拟部件，主要模拟感知系统衰退的部件称为感知系统模拟部件。

老年行动模拟装置的功能实现原理如图2所示。运动系统模拟部件主要包括约束带和关节负重沙袋。约束带可调节长短和松紧，帮助穿着者体验老年人关节不灵活和驼背状态。关节负重沙袋可让穿着者体验老年人的肌力减退感。感知系统模拟部件主要通过耳塞和耳罩、体验眼镜实现。

图2 老年行动模拟装置功能实现原理Fig.2 Principle of function realization for age simulation equipment

由于人体的内部平衡系统包括神经系统、感知系统以及运动系统，人体的平衡情况最终会通过运动系统表现，且各系统之间互有联系。本文将集中研究该套装备中运动系统部件的作用效果。

1.1.2 足底压力步态分析系统

人体姿势平衡和步态分析采用Zebris FDM-T足底压力步态分析跑台(德国Zebris公司)完成。该系统集成了一套压力分布测量系统，可测量和分析步行时的动态压力分布，并进行步态分析。

1.2 受试者

性别、年龄、健康状况、运动习惯等均是影响人体平衡稳定性的因素，本文仅考虑具有相近年龄、健康状况和活动水平的受试者。由于老年女性的平衡能力弱于老年男性[12]，本文针对女性群体展开，包含老年女性和年轻女性2类受试者。根据相关研究的受试者数量，选取14名年轻女大学生，年龄为(24±3) 岁，身高为(160±5) cm；7名老年人，年龄为(61±3) 岁，身高为(160±5) cm。受试者的身体质量指数范围(BMI)为18.5～25，能够独立自主活动，无影响稳定性的神经性疾病(脑卒中、失智症)、骨折、肌肉损伤等。图3示出参与实验的年轻受试者、穿着模拟服的年轻受试者及老年受试者。

图3 受试者Fig.3 Participants. (a) Younger adult; (b) Younger adult with age simulation suit; (c) Older adult

1.3 评估内容及指标

1.3.1 姿势平衡测试

受试者裸足站在Zebris足底压力分布测量平板上，依据实验员指示完成4组动作，各保持45 s，每个动作重复3次。为避免动作次序影响实验结果，实验员随机分配动作，各动作间休息1 min。具体要求如表1所示。记录保持时间，如能保持至45 s，实验结束。测试指标为人体中心移动参数(COP)，包括95%置信椭圆区域、COP路径长度、COP平均速度。

表1 姿势平衡测试Tab.1 Posture balance test

1.3.2 步态分析实验

受试者以3.9 km/h的速度在Zebris跑步仪上步行1 min，重复3次。实验员采集步幅、步宽、足角、单步时间、步频以及双支撑相等步态参数。

1.4 统计学分析方法

利用SPSS 22.0软件处理和分析姿势平衡和步态数据。利用配对样本T检验分析年轻受试者穿着模拟服前后的差异；利用独立样本T检验分析穿着模拟服的年轻受试者与老年人的平衡表现。显著性水平为P<0.05。

2 实验结果与分析

2.1 姿势平衡测试结果与讨论

2.1.1 保持时长

图4示出受试者在不同姿势下的保持时长。可知，在双足站立情况下，3组受试者均能达到45 s的保持时长。在单足站立条件下，3组受试者保持时长有所不同。相比年轻受试者，穿着老年行动模拟服的年轻受试者在睁眼单足站立条件下的保持时长降低了4.04%，在闭眼单足站立的条件下降低了24.85%。配对T检验结果表明，是否穿着老年行动模拟服对睁眼单足站立的保持时长无显著影响(P=0.459)；而闭眼单足站立时差异显著(P=0.017)。分析其原因为，闭眼单足站立时，起主要作用的平衡系统为运动系统中下肢肌肉。老年行动模拟服中的运动系统的模拟部件(束缚带、负重沙袋等)，能够模拟老年人下肢肌力衰退、关节活动受限的特征，因此，穿着老年行动模拟服可降低年轻受试者的平衡保持能力。

图4 站立保持时长Fig.4 Standing duration

与老年受试者相比，穿着老年行动模拟服的年轻受试者在睁眼单足站立的条件下保持时长降低了1.84%，但无显著差异(P=0.466)。在闭眼单足站立的保持时长增加了11.67%，也无显著差异(P=0.361)。表明穿着老年行动模拟服的年轻人能在一定程度上表征老年人的平衡能力。

2.1.2 人体中心移动

双足站立条件下，感知系统起主要的保持平衡作用。由于3组受试者在双足站立时均能达到45 s的保持时长，因此，引入COP指标，其值越大，表明人越不稳定。3组受试者睁闭眼单足站立测试结果如表2、 3所示。配对样本T检验结果表明，年轻受试者穿着老年行动模拟服后，闭眼双足站立的95%置信椭圆区域显著增加60.67%(P=0.035)。表明穿着老年行动模拟服的受试者相比年轻受试者更不稳定。由于此时起主要平衡保持作用的为人体的感知系统，而应用于该研究的老年行动模拟服为其模拟运动系统部件。由于感知系统会向运动系统传递运动指令，而运动系统会将姿势控制的方位和速度信息提供给感知系统，因此，老年行动模拟服可通过运动系统模拟部件模拟感知系统作用。

表2 睁眼双足站立COP参数Tab.2 COP parameters with eyes open and two feet standing

表3 闭眼双足站立COP参数Tab.3 COP parameters with eyes close and two feet standing

利用独立样本T检验，分析穿着老年行动模拟服的年轻人与老年受试者之间的指标，未发现显著差异。观察COP参数的变化规律，以参数间变化率最大的指标为判断标准。闭眼双足站立时的95%置信椭圆区域变化率最大，相比老年受试者，穿着老年行动模拟服的年轻受试者95%置信椭圆区域增加了87.32%。表明穿着老年行动模拟服的年轻受试者静态平衡保持能力弱于老年受试者。

通过分析4种站立条件下的实验结果，验证老年行动模拟服中运动系统模拟部件的作用效果。双足站立时的结果反映其对老年人感知系统的模拟，单足站立时的结果反映其对老年人运动系统的模拟。通过分析发现，穿着老年行动模拟服的年轻受试者可通过服装中运动系统的模拟部件，达到对老年人感知及运动系统衰退的模拟，表现为穿着模拟服后年轻受试者的平衡保持能力减弱。

2.2 步态分析实验结果与讨论

姿势平衡反映的是人体的平衡能力，而步态分析则是评估人体在步行过程中平衡的保持能力，同时可反映外力作用的影响。表4示出3组受试者步态时空参数的变化。通过配对样本T检验发现，穿着老年行动模拟服时，年轻受试者的双支撑相显著减小(P<0.001)，步宽明显较大(P<0.001)。Price等认为步行时双支撑相的减少表明人体稳定性降低[14]；Demura等发现当人体不稳定时，会加大步宽作为保持稳定的运动补偿策略[15]。由此认为，穿着老年行动模拟服显著降低了年轻受试者的平衡稳定性。

表4 步态时空参数Tab.4 Gait spatiotemporal parameters

通过独立样本T检验发现，穿着老年行动模拟服的年轻受试者与老年受试者相比，双支撑相显著减小(P=0.003)，步宽显著增加(P<0.001)。表明其保持平衡的能力比老年受试者差。研究表明老年人的平衡能力在60岁后每10年平均至少降低16%[15]，可认为本文中采用的老年行动模拟服可模拟比本文老年受试者年纪更大或平衡能力更差的老年人。

3 结 论

本文通过姿势平衡和步态分析实验，以年轻人、穿着模拟服的年轻人和老年人为研究对象，探究了老年行动模拟服对人体感知系统和运动系统的模拟效果。通过姿势平衡和步态分析实验，论证了老年行动模拟服可模拟人体运动系统、感知系统的衰退，降低人体的姿势平衡和步态稳定性；穿着老年模拟服的年轻人能够模拟老年人的姿势平衡保持能力，以及步行期间的平衡表现。

另外，穿着老年行动模拟服的年轻受试者比老年人具有更小的双支撑相(P=0.003)和更大的步宽(P<0.001)，表明其保持平衡的能力弱于老年人。由于平衡与年龄间具有相关性，可认为该服装能够模拟比本文选用的受试者年龄更大或平衡能力更差的老年人，但具体关系仍需进一步研究。

总之，穿着老年行动模拟服的年轻人能够反映老年人步行期间的平衡能力，未来有望替代老年人进行步态稳定性相关的实验研究，避免老年人直接参与带来的安全隐患。