手机任务介入对下楼梯行走动态稳定性的影响

郑慧芬 孙威 宋祺鹏 张翠 王疆娜 毛德伟

1 山东体育学院研究生教育学院（山东济南250100）

2 长治医学院附属和平医院康复医学科（山西长治046000）

3 山东体育学院运动与健康学院（山东济南250100）

4 山东省体育科学研究中心（山东济南250100）

据报道，每年大约有100万例楼梯跌倒事件发生，造成了严重的软组织损伤、骨折甚至颅脑外伤[1]。下楼梯行走是较为日常的功能活动，但与平地、上楼梯行走相比，因其对躯体稳定性的要求更高，故更具挑战性[2]。下楼梯行走时的稳定性变化是一个三维的动态过程，而与楼梯相关的跌倒、损伤大多是发生于矢状面和冠状面，因此下楼梯过程中前-后方向和内-外侧方向上身体稳定性的变化亟待探索。

研究发现，双任务的介入会对步态产生不利影响[3]，然而其对稳定性的影响尚未达成一致。部分研究认为执行双任务使稳定性变差[4-6]，而有研究则得出相反结论[7-9]。造成结果不一致的原因可能是选取的评估稳定性的指标不同。在前人的研究中，质心（center of mass，CoM）位移[4]、压力中心（center of pressure，CoP）位移[10]、质心-压心的差值（CoM-CoP separation）[11]是常用的评估身体稳定性的指标，但是这些指标均未考虑速度对动态稳定性的影响。动态稳度（margin of stability，MoS）是一种能够综合量化支撑面（base of support，BoS）、CoM 的速度和位置这3 个因素对身体稳定性影响的指标[12]。使用MoS 指标来探索稳定性变化的方法已经应用在跑步机行走[13]和转弯行走[14]的研究中。此外，足触地和足离地时刻是稳定性较差的时刻[15，16]，但目前很少有研究使用MoS指标来探究双任务范式下下楼梯行走中这些时刻动态稳定性的变化。

双任务的类型不同可能是造成动态稳定性结果不一致的另一原因。在双任务研究范式中，有的研究使用认知任务[17-19]，而有的研究使用动作任务[20]。动态稳定性的控制也需要认知资源的参与，尤其是注意力资源。认知资源的共享理论认为同时执行的认知任务势必会与行走等运动任务竞争认知资源，进而造成运动表现下降[17]。而认知资源整合理论则认为同时执行的动作任务与运动任务占用同一种认知资源，进而形成功能整合，相互促进，提高运动表现[21]。但在下楼梯过程中，执行认知-动作组合任务时，究竟是存在认知资源的竞争还是整合关系尚不清楚。

当今信息时代，智能手机已经成为人们联系外界、获取信息不可或缺的工具。在楼梯行走中使用手机已成为常见的双任务，因此本实验设置基于手机使用行为的算术任务（手机任务）作为认知-动作组合任务来模拟现实情境。其中算术任务是典型的认知任务，占用大脑的认知资源。双手持手机输入信息的手机使用行为是典型的动作任务。尽管该任务已经被用于楼梯行走的双任务研究范式中[22]，但Hashish 等仅探索了步态运动学的变化。研究表明，在探究双任务效应时，应充分考虑由双任务范式引起的步速变化的影响[23]，然而Hashish等人的研究并未将其考虑在内。

因此，本研究旨在探究手机任务介入对下楼梯行走中动态稳定性的影响，并且考虑速度对稳定性的影响。此外，还为下楼梯行走中执行认知-动作组合任务时究竟是认知资源的竞争还是整合关系占主导提供依据。本研究假设：与单任务相比，手机任务使矢状面和冠状面的动态稳定性均下降。

1 对象与方法

1.1 研究对象

根据以往的研究[9]，应用G-power 3.1 软件计算出所需样本量为16 人。本研究通过微信、电话、张贴海报等方式，在大学校园内招募了26 名受试者（13 名男性，13 名女性，年龄22.0 ± 2.1 岁，身高170.2 ± 10.2 cm，体重62.2 ± 12.1 kg，体质指数（BMI）21.3 ± 2.6 kg/m2。纳入标准：（1）年龄18～25 周岁；（2）持有一部5.5～6.0 英寸的触屏手机超过3 个月，并且习惯使用“QWERTY”键盘输入法。排除标准：（1）有任何神经系统和肌肉骨骼系统损伤导致的步态异常或平衡障碍者；（2）有下肢骨折史。所有受试者均自愿参加本实验并签署知情同意书。本研究获得山东体育学院伦理委员会批准。

1.2 实验设备与数据收集

1.2.1 模拟楼梯

模拟楼梯（图1）由1 cm厚的钢板焊接而成，共有6阶台阶，重约1.5 t。每阶台阶高17 cm，深29 cm，长150 cm，坡度约30°[10]，符合我国住宅标准。

1.2.2 三维测力台

在楼梯的第3 阶和第4 阶（从楼梯的底部数起）嵌入两块Kistler三维测力台（型号：9287BA和9281CA，瑞士）采集动力学数据，采样频率为1000 Hz（图1）。

图1 模拟楼梯及受试者体表反光marker的放置

1.2.3 Vicon红外运动捕捉系统

采用8 个高速红外摄像头（Vicon Motion System，英国）采集运动学数据，采样频率为100 Hz。实验过程中通过Vicon Nexus 软件实现运动学和动力学数据的同步采集。

1.3 实验流程

在实验正式测试之前，要求受试者换上由实验室提供的紧身衣和鞋子。随后进行形态学数据的测量和优势腿的测试[24]。经测试，所有受试者的优势腿均为右腿。随后由实验人员为受试者粘贴反光marker 球（图1）。前期准备工作完成后，要求受试者做5 min左右的热身运动并且充分熟悉实验环境。测试开始时，受试者在距离第6阶边缘15 cm[25]处等候，听到“开始”的口令后，先迈右脚，按自己的舒适速度一步一阶下楼梯，直至距离第1阶1 m处停止。

实验测试包含两个任务条件：1）单任务：即无手机任务，受试者进行单一下楼梯行走测试；2）手机任务：受试者在下楼梯的过程中同时双手握手机执行发短信和算术任务，即在下楼梯行走测试之前，受试者在微信界面会收到一个介于“50～99”之间的随机两位数，随后实验人员下达“开始”的口令后，受试者一边下楼梯，一边进行“减7”的数学运算，随即将每次的结果发送给实验人员。如受试者收到一个两位数“78”，他将完成“78-7=71，71-7=64，64-7=57，57-7=50……”的运算，并且需要将结果“71，64，57，50”分别发送到指定的微信界面。

在每个任务条件下，受试者需要进行3 次有效测试，每次测试之后休息1 min。任务条件顺序完全随机，测试期间不允许有任何停顿，两只脚不允许踩在同一阶上，在未收到数字或者未听到“开始”口令前不能开始下楼梯行走，否则需要重新采集实验数据，直至每个任务条件下采集到3次有效测试。

1.4 数据处理与测试指标

三维运动学和动力学数据在Vicon Nexus 和Visu⁃al 3D 软件（C-Motion，Inc）中进行数据处理。对运动学和动力学数据进行巴特沃斯四阶数字低通滤波处理，截止频率分别为6 Hz[26]和10 Hz[27]。截取优势腿的支撑相进行动态稳度的分析，并在OriginPro 9.1 软件中对数据进行百分化处理。将每个受试者的3次有效数据取均值后进行比较分析。

本研究中的一个步态周期包括右双支撑相（右脚在第3 阶触地时刻开始到左脚在第4 阶离地时刻为止）、右单支撑相（左脚在第4 阶的离地时刻开始到左脚在第2阶的触地时刻为止）、左双支撑相（左脚在第2阶的触地时刻开始到右脚在第3阶的离地时刻为止）、左单支撑相（右脚在第3 阶的离地时刻开始到右脚在第1阶的触地时刻为止）等4个时相。触地时刻定义为测力台垂直方向上的地面反作用力F≥20 N[28]。

右支撑相定义为右脚在第3阶触地时刻开始到右脚在第3阶的离地时刻为止，其中包括右脚触地、左脚离地、左脚触地和右脚离地等4个关键时刻。

在双支撑相站立时，左脚和右脚足跟marker 坐标的前后距离定义为步长，内外侧的距离定义为步宽，步长和步宽均以身高作标准化处理。

双支撑比定义为右双支撑相和左双支撑相之和占步态周期的百分比。

步频为1分钟内所迈的步数。

根据Hof等[12]的研究，动态稳度的计算公式如下：

其中，BoSm是最大支撑边界，在本研究中由CoP表示[28]。CM 表示在速度影响下外推质心的位置。pCoM和νCoM 分别代表质心在前-后方向和内-外侧方向上的位置和速度，g为重力加速度，l为CoM与踝关节中点的垂直距离。

在矢状面上，正值代表CoM的速度向后，外推质心的位置位于CoP 的前面；在冠状面上则代表向外的速度，外推质心的位置位于CoP 的内侧。负值则刚好相反。MoS的值越大，表示外推质心与CoP之间的距离越长，稳定性则越差（图2）。

图2 下楼梯时的动态稳度图示

1.5 统计学分析

使用Shapiro-Wilk 检验对不同时刻的动态稳度及其相关变量作正态性检验。本研究采用重复性测量的协方差分析（repeated measures ANCOVA），并将步速作为协变量。本研究的统计学分析在R 3.5.0 中进行。因变量的结果采用均值±标准差的形式表示，显著性水平设为P＜0.05。

2 结果

2.1 步态参数

如表1所示，与单任务相比，执行手机任务时步频（P＜0.001）和双支撑比（P＜0.001）均显著降低，然而步长和步宽均无显著性变化。执行手机任务时，左脚离地时刻提前，左脚触地时刻延迟，在右支撑相内，手机任务的介入使得右双支撑时相（P=0.000）和左双支撑时相（P=0.005）所占的比例显著降低，右单支撑时相（P=0.000）所占的比例显著增加（图3）。

表1 青年人在两种任务条件下下楼梯的步态参数一览表

图3 两种任务条件下各时相在右支撑相内所占百分比

2.2 矢状面的动态稳度

图4显示，与单任务相比，手机任务的介入并未改变矢状面MoS 的变化趋势，从负值开始不断增加至正值后持续增加。与单任务相比，执行手机任务时的MoS 在右脚触地时刻显著增大（P＜0.001），且均为负值；然而在其他3 个时刻，执行手机任务时前-后方向的MoS 显著减小（P＜0.001），且均为正值；在4 个时刻，前-后方向的速度均显著降低（P＜0.001），外推质心的位置显著靠后（P＜0.001）（表2）。

2.3 冠状面的动态稳度

由图4 可知，冠状面的MoS 值均为正值，在左脚触地之前，执行手机任务时内-外侧方向的MoS值整体低于单任务时的MoS值，但在左脚触地时刻之后，手机任务介入下内-外侧方向的MoS 值反而高于单任务时的MoS值。在右脚离地时刻，手机任务的介入使内-外侧方向的MoS 值显著增加（P=0.041），然而在其他3 个时刻无显著变化。与单任务相比，执行手机任务时内-外侧方向的速度均显著增加（表2）。

表2 青年人在两种任务条件下的动态稳度参数比较

图4 不同任务条件下矢状面和冠状面的动态稳度在右支撑相内随时间的变化曲线

3 讨论

本研究探讨了手机任务对下楼梯行走时一个步态周期中4个关键时刻矢状面和冠状面动态稳定性的影响，同时考虑了步速对动态稳定性的影响。在手机任务的介入下，下楼梯行走时矢状面的稳定性在右脚触地时刻显著降低，冠状面的稳定性在右脚离地时刻显著降低，本研究的结果部分支持我们的研究假设。

身体的动态稳定性是指人体在运动过程中抵抗外部干扰、保持身体稳定不倒的能力[12]。手机任务的干扰使下楼梯行走时前-后方向的稳定性在右脚触地时刻显著降低。Je等[18]的研究认为，同时执行的认知任务降低了行走时矢状面的稳定性。然而有些研究[7，26，30]则认为，第2 任务的介入增加了身体的稳定性。造成这种不一致结果的原因可能是由于用来评估身体稳定性的指标不同。本研究使用MoS 来评估身体的稳定性，而以往的研究多使用CoP 和CoM 在前-后方向的位移来表示身体的稳定性。而这些指标的本质区别在于是否考虑了速度对稳定性的影响。CoP和CoM的位移仅能够反映在某一阶段内稳定性的变化，而不能评估瞬时时刻的动态稳定性。因此，MoS 是一种更科学的综合评估、量化双任务范式下下楼梯行走中瞬时时刻动态稳定性的黄金指标。

在本研究中，前-后方向的动态稳度由右脚触地时刻的负值逐渐增加为右脚离地时刻的正值，表明外推质心的位置从CoP的后面，逐渐移动到CoP的前面。在右脚触地时刻，手机任务的介入使前-后方向的MoS值增大，意味着外推质心的位置相对于CoP 的位置更靠后，进而使得外推质心与CoP之间的距离增大，降低了前-后方向的稳定性。Hof 等[29]的研究表明，在平地行走时足跟触地时刻的动态稳度最小。本研究结果显示，下楼梯时执行手机任务时使得右脚触地时刻的动态稳定性降低，同时也在一定程度上支持了Hof等的研究，即在下楼梯的双任务范式中，前-后方向稳定性在右脚触地时刻降低。双支撑相有两个典型的足跟触地时刻，即左脚触地和右脚触地时刻。然而在本研究中，手机任务的介入使左脚触地时刻的动态稳定性提高。这意味着在执行手机任务时，下楼梯行走中触地时刻的稳定性并非均降低。在左脚触地时刻，右腿作为支撑承重腿，承担身体大部分重量。而在右脚触地时刻，身体的重量大部分由左腿承担。研究[31]表明，优势腿在运动中主要起到稳定身体的作用。而本研究中受试者的优势腿均为右腿，这可能是造成手机任务的干扰并未降低左脚触地时刻动态稳定性的原因之一。

人体在下楼梯行走过程中是一系列失去平衡和恢复平衡的动态过程，CoM 始终处于三维动态变化过程。本研究发现，在手机任务的干扰下，冠状面的MoS均为正值，表明外推质心的位置虽然不断发生变化但始终位于CoP的内侧。手机任务的介入使右脚离地时刻的内-外侧方向的动态稳定性显著降低，然而并未引起其他3个时刻冠状面动态稳定性的显著变化。这与Zhang等[9]的研究结果不一致，他们的研究结果显示，同时执行的双任务使内-外侧方向的稳定性增加。执行的双任务类型不同可能是造成这两个研究结果不一致的原因之一。本研究使用的是基于手机使用行为的认知-动作的组合任务，而Zhang 等的研究使用单一的认知任务。此外，右脚的离地标志着单支撑相的开始，此时BoS 显著减少，这对稳定性的控制提出了较大挑战。有研究[32]表明，增大步宽能够增加内-外侧方向上的稳定性。而在本研究中，手机任务的介入并未引起步宽发生显著变化。右脚离地时刻是左单支撑相的开始，在单支撑相，髋关节周围软组织对冠状面稳定性的维持发挥重要作用[33]。因此手机任务的干预可能削弱了非优势侧髋关节周围软组织对冠状面稳定性的控制能力，进而降低了此刻内-外侧方向上身体的稳定性。

在足跟触地时刻，人体需要精准控制向前的冲量，此刻的稳定性控制难度较大[16]。而足尖离地时刻由于BoS的急剧减少使得动态稳定性降低[15]。因此，足跟触地和足尖离地时刻的动态稳定性控制变得尤为困难。以往的研究大多只选取了其中一个时刻[34，35]或两个时刻[9，36]进行分析，即右脚触地和左脚离地这两个时刻，很少有研究对后两个时刻（左脚触地和右脚离地时刻）进行分析。这些研究仅选用前两个时刻进行分析可能是基于肢体的对称性[37]。然而在手机任务的干扰下，下楼梯行走时的动态稳定性并未呈现对称性变化。手机任务的介入使右脚触地时刻的矢状面稳定性和右脚离地时刻的冠状面稳定性均降低，该结果在一定程度上支持“足触地和足离地时刻是动态稳定性降低的两个时刻”的观点。此外，在右脚触地和右脚离地这两个时刻，身体的重量大部分由非优势腿承担，这可能是造成这两个时刻稳定性下降而左脚着地和左脚离地时刻的稳定性并未下降的原因之一。后续研究在探索动态稳定时或许应将优势腿这一影响因素考虑进去，从而能够更好地揭示双任务范式下动态稳定性的变化特征。

与以往研究结果一致[20]，在双任务的干扰下，步频和双支撑比显著减少。双支撑比的减少提示身体的稳定性降低[38]。BoS 的大小对身体稳定性发挥重要作用。步长的增加有利于增大BoS，进而提高前-后方向的稳定性[32]。由于步长受楼梯固有尺寸的限制，在本研究中步长在两种任务条件下无显著变化。此外，手机任务的介入使下楼梯行走中单支撑相所占的比例显著增加，这与金成敏等[39]的研究结果一致，即执行双任务增加了下楼梯行走时的单支撑相时间。因此尽管在双任务的干预下，青年人仍会找寻最佳的下楼梯行走方式，表现出减慢步频的步态特征。

在下楼梯行走中执行认知-动作组合任务时，究竟是认知资源间的竞争关系还是整合关系占主导，我们的研究结果倾向于支持前者。下楼梯是一项复杂的动作任务，现已被证明需要更多的认知资源参与[7]。双手持手机编辑信息的动作任务和下楼梯均占用大脑控制动作任务的认知域，因此这两者之间可能形成认知资源的整合单元，相互促进，进而提高运动表现[40]。由于数学计算和动作任务并非占用同一认知域的资源，因此这三者之间很难形成认知资源的整合，最终导致矢状面和冠状面的动态稳定性下降。在本研究中，认知资源的竞争理论可能为下楼梯行走中执行手机任务时动态稳定性的降低提供理论支撑。

4 不足与展望

本研究存在一定的局限性。首先，本研究仅对青年人在下楼梯行走中执行复杂任务时的步态特征具有参考价值，而探索认知-动作的组合任务稳定控制评估对于老年人特别是有跌倒经历的老年人可能更有价值。其次，不同的楼梯尺寸对于动态稳定性具有很大的影响[15]。本研究仅选用楼梯的国标尺寸（符合我国居民住宅标准），因此后续研究可以使用不同的楼梯尺寸进行双任务的探索。第三，本研究仅选取了一种形式的手机使用行为，后续研究可以探讨不同类型手机使用行为对楼梯行走身体动态稳定性的影响，如编辑短信、语音通话、阅读文本等。

5 总结

执行手机任务使青年人在下楼梯行走时矢状面和冠状面的动态稳度下降。在手机任务的介入下，优势脚触地和优势脚离地时刻是两个稳定性较差的时刻，此时青年人表现出低步频、低动态稳定性的下楼梯步态特征。本研究动态稳度的评价方法与结果对于青年人下楼梯行走中执行复杂任务时的步态特征和稳定性变化具有一定的参考价值。在下楼梯行走中执行基于手机使用行为的认知-动作组合任务时，认知资源间的竞争关系可能占主导作用。因此，应尽量避免使用手机，从而将更多的认知资源分配到下楼梯行走的动态稳定性控制中。