不同負重方式對老年人行走影響的比較分析

張騰宇 張靜莎 季潤 ，2，4 呂澤平 ，3 李增勇 ，3

1國家康復輔具研究中心（北京 100176）

2北京航空航天大學生物與醫學工程學院（北京 100191）

3北京市老年功能障礙康復輔助技術重點實驗室（北京 100176）

4民政部人體運動分析與康復技術重點實驗室（北京 100176）

跌倒是老年人失能的重要拐點，是傷殘和致死的重要原因[1，2]。國內外很多研究表明，負重是影響步行穩定性的一項重要因素[3]，因而也是引發跌倒的一個重要危險因素[4]。一些文獻通過對負重條件下的步態參數進行研究，證明負重會導致步態參數的變化[5-10]，并且與動態穩定性下降有關[11，12]。因此，老年人應盡可能減少負重出行。但是，在必要的負重情況下，不同的負重方式對老年人行走步態和穩定性的影響是否存在差異，相比之下老年人以哪種方式負重行走更為安全，尚須進一步研究。本研究通過對日常生活中常見的幾種不同負重方式下，老年人的行走步態參數進行對比分析，探討不同負重方式對老年人行走穩定性影響的差異。

1 研究方法

1.1 受試者

選取15名健康老年人（依據中國健康老年人標準[2013]）[13]作為被試，其中男性8名，年齡64～80歲，平均71.43± 4.72歲，體重60.6～80.5 kg，平均70.21±6.10 kg；女性7名，年齡65～70歲，平均67.80 ± 1.72歲，體重50.5～76.0 kg，平均61.02 ± 9.47 kg，無運動障礙相關疾病，近一年內無跌倒史。

1.2 測試設備與方法

在無負重以及雙手提、單手提、肩背、懷抱四種負重方式下分別進行步態測試，負重量為體重的10%，幾種負重方式如圖1所示，其中，單手提的動作右利手被試由右手完成，左利手被試由左手完成。步態測試采用VICON三維運動捕捉系統，共8個紅外攝像頭，采樣頻率均為100 Hz。同時利用兩塊AMTI的三維力臺同步測試被試行走過程中的地面反力，采樣頻率1000 Hz。

圖1 幾種負重方式行走示意圖

測試過程中被試下身著實驗專用緊身短褲和統一款型的運動鞋，下肢按照VICON系統的Plug-in-Gait下肢模型規定位置粘貼反光標記點，按要求在規定區域內以自然步態和步速行走，同步記錄各標記點的三維運動數據，每種負重方式采集不少于15個步態周期的有效數據。每位被試均首先采集無負重行走的數據，然后采集其他幾種負重方式數據，每種負重方式的數據全部采集完之后，令被試休息2分鐘，進行下一種方式的數據采集，幾種不同負重方式的執行順序隨機，以消除因某種負重方式造成的肢體疲勞對后續負重方式可能產生的影響。

1.3 數據處理與統計學分析

使用VICON系統自帶的NEXUS1.8.5軟件，根據被試足部標記點標記行走過程中的足跟著地點和足尖離地點，以一次足跟著地作為步態周期的開始，同側足跟再次著地作為步態周期的結束，劃分步態周期。軟件根據步態標記自動計算步頻、步速、步長、步態周期、支撐期、單足支撐期、雙足支撐期等步態參數。其中，支撐期、單支撐期和雙支撐期均以該步態時相的時間在一個步態周期中所占的百分比表示。由于步長與身高有關，因此本研究中步長通過身高進行標準化。另外，早期的很多研究表明，步與步之間步長、步速、步態周期、雙支撐時間等步態參數的變化與跌倒相關，比單純的步態參數值更加敏感，可將步態參數變異率作為預測跌倒的指標[14-18]。其中，平均步態周期變異系數（stride-to-stride variablitily of stride time，STV）是老年人步態研究中一個較常用的評價指標[19]，定義為：

其中，Tstd為同一被試多個步態周期的標準差，Tmean為步態周期均值。

行走過程中的壓力中心（center of pressure，COP）偏移量也在一定程度上反映行走的動態穩定性[20，21]。因此，本研究中選用了COP前后方向和內外方向的最大偏移量作為一項反映穩定性的指標，定義：

其中，COPml為內外方向壓力中心偏移量，COPap為前后方向壓力中心偏移量，LCOPx為一個步態周期中左腳COP在內外方向上的最大偏移量，RCOPx為右腳COP在內外方向上的最大偏移量，RCOPy為一個步態周期中左腳COP在前后方向上的最大偏移量，LCOPy為右腳COP在前后方向上的最大偏移量。

每位被試在不同負重條件下各取15個步態周期的數據，對同一條件下所有被試的數據求均值。利用SPSS16.0軟件對相關數據進行統計學分析，計量資料以均值±標準差表示，顯著性水平均取P＜0.05。以負重方式和性別為自變量，各種步態參數為因變量，通過雙因素方差分析分別對比負重方式和性別兩種因素對各種步態參數的影響，并分析兩種因素之間的交互作用。進而，采用Bonferroni校正檢驗水平進行后繼t檢驗，兩兩比較幾種不同負重方式間的差異。

2 結果與分析

2.1 不同負重方式下男性和女性老年人的步態參數

表1列出了不同負重方式下男性和女性老年人的各種步態參數。統計結果分析顯示，負重方式與性別因素無交互作用（P＞0.05），說明負重方式對不同性別老人的影響趨勢是一致的。步速、支撐期、單支撐期、雙支撐期、STV、COPml和 COPap在不同負重方式間均無顯著性差異（P＞0.05）。在不同負重方式間步態周期、步長身高比及步頻的差異如圖2所示。

表1 男性和女性老年人在不同負重方式下的步態參數對比

（續表1）

由圖2A可見，在單手提（P＜0.01）、肩背（P＜0.05）和懷抱（P＜0.01）幾種負重方式下，步態周期較無負重情況均顯著減小。對于幾種不同的負重方式，懷抱和單手提的負重方式下步態周期較小，并且顯著小于雙手提（P＜0.01）和肩背（P＜0.05）的情況。由圖2B可見，標準化的步長（步長/身高）在懷抱負重方式下顯著小于無負重和雙手提的情況（P＜0.01），其他負重方式間的步長身高比均無顯著性差異（P＞0.05）。由圖2C可見，在單手提（P＜0.01）、肩背（P＜0.05）和懷抱（P＜0.01）幾種負重方式下，步頻較無負重情況均顯著增大。對于幾種不同的負重方式，懷抱負重方式下步頻顯著大于雙手提（P＜0.01）和肩背（P＜0.05）的情況，其他負重方式間步頻無顯著性差異（P＞0.05）。單手提的負重方式下步頻顯著大于雙手提的情況（P＜0.01）。不同負重方式下，步頻和步態周期的變化規律大致呈相反的趨勢。

圖2 不同負重方式間步態參數的差異

不同性別間步態參數的差異性如圖3所示，支撐期和單支撐期在步態周期中的占比具有非常顯著的性別差異（P＜0.01）。男性支撐期占比顯著高于女性，而單支撐期占比顯著低于女性。其他步態參數在不同性別間均不存在顯著性差異（P＞0.05）。

2.2 個體之間的步態參數對比

從統計結果來看，個體之間的步態參數差異較大，且在不同負重方式下的變化不存在一致性規律。如：圖4為各被試在不同負重方式下的STV值。由圖4可見，不同被試的STV值個體差異較大，且在不同負重方式下的STV差異性無固定規律。

3 討論

3.1 不同負重方式對行走步態的影響

本研究中，10%體重的負重條件下行走，單手提、肩背、懷抱負重方式下的步頻均顯著高于無負重的情況，步態周期顯著低于無負重的情況，步速在有無負重的情況下無顯著性差異，而另外一些研究[10，22]的結果顯示，在10%～20%負重的情況下，步速降低、步態周期增加，與本研究結果不一致。分析原因，可能是由于10%體重的負重對行走步態產生的影響較小，不足以造成行走策略的變化，但被試由于負重勞累，急于完成行走任務，因此自然的增加了步頻，從而縮短了步態周期。雙手提的負重方式下，各種步態參數與無負重情況均無顯著性差異，說明雙手提的負重方式對步態影響較小。

圖3 不同性別間步態參數的差異

圖4 各被試在不同負重方式下的STV值

與重心平衡和步態穩定性相關的STV和壓力中心偏移量（COPml和COPap）在有無負重以及不同負重方式間均無顯著性差異，進一步說明10%體重的負重量不足以對步態穩定性產生顯著影響[23，24]。不同被試在不同負重方式下的步態參數變化無固定規律，說明對于不同個體，可能應對不同負重方式的步態調整策略各不相同。

3.2 負重對男性和女性行走穩定性影響的差異

一般來說，單足支撐時間縮短，提示下肢負重能力的下降。而步行障礙時往往首先表現為支撐時間延長，以增加步行穩定性[25]。在行走不穩定條件下，為了保持穩定性，一般人會主動減少單足支撐時間，延長雙足支撐時間[26-28]。本研究中男性支撐期占比顯著高于女性，而單支撐期占比顯著低于女性，說明在負重條件下，男性主動變化步態以保持行走穩定性的能力優于女性，女性負重行走的跌倒風險更高，這與其他研究中的結果吻合[10，14]。

4 結論

本研究針對老年人不同負重方式下的步態參數進行了對比研究，初步分析了老年人負重對行走穩定性的影響。結果表明，10%體重之內的負重對老年人來說是可以接受的，雙手提的負重方式對行走步態影響較小。女性負重行走的跌倒風險較男性更高，因此女性老年人負重行走時應更加小心。本研究只是針對該問題進行了小樣本的探索性研究，得到了一些初步發現，下一步將繼續增加樣本量并設置不同負重等級，同時增加肢體運動及地面反力等參數的分析，以得到更多對于老年人負重行走具有指導意義的結論。