老龄化对健康女性下楼梯腿刚度与关节刚度的影响

马刚 何海燕 郑国兵 何瑞波 白少玄 曹传宝

(1武警后勤学院,天津 300309;2河北体育学院)

研究发现,老龄化导致的老年人肌力流失〔1〕、本体感觉降低〔2〕、姿势控制能力下降〔3〕都是造成老年人跌倒的原因。流行病学数据显示,在跌倒的老年人中女性占比高达70.6%〔4〕,因其特殊的生理特征,老年女性更容易跌倒。另外,老年人因跌倒经历造成的恐惧心理可能会加剧其再次跌倒的风险〔5〕。由于楼梯行走需要更高的姿势控制能力〔6〕,因此,楼梯是老年人常发生跌倒的环境。调查显示,约26%的跌倒发生在楼梯行走中〔4〕,而下楼梯跌倒约占楼梯行走跌倒的3/4〔7〕。老年人一旦发生跌倒,可能带来严重的损伤。从运动控制的角度出发,稳定性是指身体受到干扰后保持直立姿势而不跌倒的能力〔8〕。当外界环境突然改变后,人体会依据感知觉系统反馈的信息调节下肢肌肉活动,并通过改变下肢关节的运动表现调节平衡〔9〕。有研究显示,当人体姿势改变时,最先启动的是下肢刚度调节〔10〕。刚度是指物体在受载时抵抗形变的能力,它通过关节力与位移的动态配合完成调节过程。诸多学者已将腿刚度与关节刚度应用于步态行走中的研究〔11,12〕。腿刚度与关节刚度都是观察下肢或关节所抵抗的外力与关节角位移之间关系的指标〔13〕。研究显示,腿刚度是评估走或跑过程中整个下肢动态特性最合适的方法〔14〕。但如果需要了解下肢关节的具体情况,则需要使用关节刚度指标。Nadeau等〔15〕研究发现,膝关节在楼梯行走过程中起到主要动力作用。Brughelli等〔13〕研究发现,相比于踝关节刚度,膝关节刚度在控制腿刚度方面更为重要。Jin等〔16〕和Kim等〔17〕研究表明,为了量化每个关节刚度对腿刚度的贡献,研究腿刚度和关节刚度之间的关系十分重要〔16,17〕。腿刚度与关节刚度已应用于走〔18〕、跑〔11,16〕等运动中,但应用于老年人下楼梯活动较为少见。本研究运用生物力学手段,对比老龄化对健康女性下楼梯时腿刚度和关节刚度的差异,探究腿刚度与关节刚度之间的相关性。

1 对象和方法

1.1研究对象 应用GPower计算样本量,根据文献〔11〕,设置power为0.8,α为0.05,效应量为0.84,两组受试者计算出所需样本量为19例,本研究选取样本量为每组20例。通过现场招募、微信宣传的方式随机选取青年女性与老年女性各20例。要求受试者无规律锻炼习惯、近6个月无跌倒史、能够独立完成楼梯行走。排除心脑血管疾病、神经肌肉骨骼系统疾病、服用影响姿势控制能力的药物及认知功能障碍者。每例受试者均熟悉测试流程并签署知情同意书。除年龄外两组其他基本资料无统计学差异(P>0.05)。见表1。

表1 两组基本资料

1.2仪器设备 选用一台模拟楼梯模拟日常的下楼梯活动,楼梯由6级台阶组成,每一级高0.17 m,台阶宽度为1.5 m,台阶长度为0.3 m,楼梯倾斜角为29.4度,符合日常生活中的楼梯标准。选用8个红外摄像头的Vicon红外运动捕捉系统(Vicon Motion System,UK,Oxford Metrics Limited)进行运动学数据的采集,同时配有14 mm直径的反光Mark点及配套的Vicon Nexus1.7.1数据采集处理软件,采集频率设为100 Hz。采用Kistler三维测力台(Kistler-9287BA,CH,Kistler)对动力学数据进行采集。将三维测力台置于楼梯第3阶台阶的凹槽内并固定,采集频率设置为1 000 Hz。

1.3测试流程 受试者身着紧身测试衣裤和测试鞋,先进行身体形态学指标测量及优势腿的测试,经测试受试者优势侧均为右侧。然后由工作人员按照Visual 3D提供的模型将直径为14 mm的反光Marker点粘贴于人体骨性标志点上。正式测试开始后,受试者在工作人员的指令下进行下楼梯行走,为保证优势腿踏上测力台,受试者需要优势腿先迈步并采用一步一个台阶的方式下楼梯行走。将下楼梯过程中无停顿、Marker点无掉落记为1次有效测试,每名受试者保留5次有效测试并随机选取3次进行数据分析,每次测试间隔1 min。

1.4数据处理 原始的运动学与动力学数据利用Vicon Nexus1.7.1软件进行Marker点的重命名、截取操作。并将数据导入Visual 3D进行滤波、标准化、百分化操作。采用巴特沃斯四阶数字低通滤波器进行滤波处理,截止频率运动学数据6 Hz〔20〕、动力学数据50 Hz〔19〕,运动学数据以身高标准化,动力学数据以体质量标准化。将下楼梯时的一个步态周期定义为右脚着地到右脚再次着地,则第一双支撑阶段(FDS)为右脚在模拟楼梯第三阶触地开始,到左脚在第四阶离地结束,单支撑阶段(SSP)为左脚在第四阶离地开始,到左脚在第二阶触地结束,第二双支撑阶段(SDS)为左脚在第二阶触地地开始,到右脚在第三阶离地结束。采用逆向动力学方法计算下肢各关节周围由肌肉所产生的净力矩〔20〕。腿刚度〔21〕定义为支撑期内垂直地面反作用力峰值与腿部位移量的比值,由公式(1)与(2)计算得出;关节刚度〔22〕定义为支撑期内关节力矩与关节角度变化的比值,由公式(3)计算得出。

(1)

(2)

(3)

其中,KLeg表示腿刚度,vGRFpeak表示垂直地面反作用力峰值,△L表示腿部位移垂直变化量,L0表示下肢初始长度,V表示平均速度,tc表示足部撞击时间,△yc表示触地期间质心的垂直位移,△M表示关节力矩的变化量,△θ表示关节角度的变化量,KHip表示髋关节刚度,KKnee表示膝关节刚度,KAnkle表示踝关节刚度。

1.5统计学分析 采用SPSS19.0软件进行独立样本t检验,应用偏相关分析分析腿刚度与髋、膝、踝关节刚度的相关性。

2 结 果

2.1两组下楼梯KLeg对比 与青年组相比,老年组vGRFpeak、KLeg显著降低(P<0.05),△L未见显著性差异(P>0.05),见表2。

表2 青年组与老年组下楼梯腿刚度对比

2.2两组下楼梯下肢关节刚度对比 与青年组相比,老年组△θKnee、△MHip、KHip显著增大,△MKnee、△MAnkle、KKnee、KAnkle显著较小(P<0.05)。见表3。

表3 两组下楼梯下肢关节刚度对比

2.3两组下楼梯KLeg与关节刚度对比 KKnee与KAnkle呈显著负相关(r=-0.507,P=0.001),而KLeg与KHip(r=-0.106,P=0.508)、KLeg与KKnee(r=-0.026,P=0.870)、KLeg与KAnkle(r=0.354,P=0.023)、KHip与KKnee(r=0.096,P=0.550)、KHip与KAnkle均无明显相关性(r=-0.097,P=0.545)。

2.4两组下楼梯优势腿支撑相内关节角度与力矩变化曲线 在优势腿支撑阶段,青年组与老年组关节角度和关节力矩变化趋势基本一致,但幅度有一定差异。髋关节角度先减小后增大,膝关节角持续增加,而踝关节角先增大,在SSP末期逐渐减小;关节力矩,支撑相内前半段的髋关节主要表现为伸髋力矩,然后转变为屈髋力矩,膝关节主要是伸膝力矩,踝关节主要是跖屈力矩,膝关节和踝关节力矩均明显呈现双峰趋势,均在SSP初期达到第1个峰值,在SSP末期达到第2个峰值。见图1。

图1 两组关节角度与力矩变化曲线

3 讨 论

随着年龄增长,老年人身体稳定性逐渐下降。相比于水平行走,楼梯行走时跌倒所具有的势能更高,因此受伤更为严重〔15〕。研究表明,下楼梯时需要精确的感知觉系统和视觉系统反馈,同时需要主动肌和拮抗肌间的良好协调〔23,24〕。KLeg的最佳水平对促进运动表现和降低损伤十分必要,但肌肉优化刚度能力取决于肌肉力量及产生力的速率〔25〕。由于肌肉力量和感知觉系统反馈都会随年龄的增加而减弱,因此老年人可能会采用不同于青年人的控制策略调节KLeg〔26〕。研究表明,为了降低跌倒的风险,老年人通常通过增加共收缩补偿身体平衡〔27〕。有研究显示,共收缩是老年人增加刚度的一种机制〔27〕。刚度的增加有助于提高身体稳定性。Tibor等〔28〕研究显示,青年女性与老年女性采用不同下楼梯运动策略,老年女性下肢关节屈曲程度减小,这导致KLeg增加了约60%。但Millett等〔29〕研究表明,较小的KLeg有利于降低下肢损伤。KLeg的降低通常与下肢位移增加和vGRFpeak降低有关,较大的垂直地面反作用力会使骨损伤的风险增加,如膝骨关节炎、应力性骨折等〔30〕。本研究结果显示,与青年组相比,老年组在下楼梯时表现出较小的KLeg。这可能是老年人采取降低KLeg的策略以降低骨损伤风险,但同时也降低了身体稳定性,增加了下楼梯跌倒风险。

人体在运动过程中,下肢可简化为一个多关节系统。Millett等〔29〕研究表明,KLeg调节受关节刚度及脚触地时的几何结构等多种因素影响。关节刚度定义为关节角度随关节外力矩的变化程度,主要取决于肌肉激活、反射和关节角度的变化〔31〕。如果下肢关节较硬,则在触地时关节会经历较小的角位移,从而降低下肢弹簧模型的压缩,提高下肢刚度〔31〕。研究表明,关节刚度可能与身体传递负荷的衰减有关〔32〕。因此,关节刚度可以间接反映下肢损伤风险〔32〕。有研究〔32〕表明,足部触地时的能量吸收主要依靠膝关节与踝关节。因此,本研究中老年人主动降低Kknee、KAnkle是为了更好地吸收能量而主动采取的一种下楼梯策略。由公式3可知,下肢关节刚度的差异受关节角度和力矩变化影响。膝关节角度变化的差异不足以改变力矩变化对膝关节刚度的影响。本研究发现,老年人在下楼梯时表现出较大的KHip,这可能是由于老年人较大的髋关节力矩所致。研究表明,髋关节力矩与躯干姿势控制有关〔33〕。在楼梯行走中,较大的躯干前倾角导致身体重心过度前移,向前跌倒的风险增加〔34〕。本研究发现,老年人利用较大的髋关节力矩控制躯干,积极降低KKnee和KAnkle,以缓冲地面冲击力,并有效降低下楼梯时向前跌倒的风险。

KLeg和关节刚度之间的关系是复杂的。Jin等〔16〕和Kim等〔17〕研究指出,为了量化每个下肢关节刚度对KLeg的贡献度,进一步探讨KLeg与关节刚度之间的关系十分必要。Brughelli等〔13〕和Kuitunen等〔35〕研究表明,KKnee对KLeg的控制作用明显大于KAnkle。但本研究结果显示,在下楼梯过程中,受试者的KLeg与下肢关节刚度之间并未见显著的相关性,而KAnkle与KKnee呈现出显著的负相关性。Nadeau等〔15〕研究指出,在楼梯行走过程中,膝关节起到了主要的动力作用,其次是踝关节。KAnkle、KKnee的负相关性可能表明了两关节之间的代偿关系。由于老年人的运动神经系统功能下降,相比于青年人,老年人可能更依赖于下肢关节的代偿机制〔36〕。Robbins等〔37〕研究显示,老年人的姿势控制能力受下肢伸膝肌力影响较大。较大伸膝力矩可以有效抵制躯干前倾,降低楼梯行走时向前跌倒的风险。随着年龄增加,老年人下肢肌肉力量尤其是膝关节伸肌力量下降,难以完成下楼梯时支撑腿支撑、摆动腿向前迈步的动作,继而增加跌倒风险〔38〕。老年人可能通过踝关节的代偿作用弥补膝关节伸肌力量不足,进而降低下楼梯时的跌倒风险。

综上,在下楼梯过程中,老年人主动减小KLeg以降低骨损伤的风险,较小的KKnee、KAnkle有助于缓冲地面冲击力,较大的KHip有助于控制躯干姿势,提高下楼梯的身体稳定性。KLeg与下肢关节刚度未见显著相关性,但KKnee与KAnkle呈现显著负相关性,可能是膝、踝关节之间存在代偿性关系。因此,老年人的运动项目的选择或运动康复的重点应同时注重发展膝、踝关节力量。