摘 要：目的：探討認(rèn)知任務(wù)和動(dòng)作任務(wù)對(duì)下樓梯過(guò)程中運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的影響。方法：選取37名受試者在單任務(wù)、認(rèn)知任務(wù)及動(dòng)作任務(wù)條件進(jìn)行下樓梯行走，并采集運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。結(jié)果：兩種雙任務(wù)狀態(tài)下的步態(tài)特征、負(fù)載率、下肢關(guān)節(jié)力矩和功率與單任務(wù)狀態(tài)相比顯著降低。與認(rèn)知任務(wù)相比，受試者在動(dòng)作任務(wù)下有較低的膝關(guān)節(jié)屈/伸范圍、負(fù)載率、髖屈曲力矩峰值、伸膝力矩第一峰值、踝跖屈力矩第一峰值、膝關(guān)節(jié)功率緩沖第一峰值和較小的步寬。結(jié)論：雙重任務(wù)對(duì)下樓梯行走的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)有顯著影響，進(jìn)一步的研究可以關(guān)注于雙任務(wù)的復(fù)雜程度對(duì)樓梯行走過(guò)程中生物力學(xué)參數(shù)的影響。

關(guān)鍵詞：雙任務(wù);關(guān)節(jié)力矩;步態(tài);樓梯行走

中圖分類(lèi)號(hào)：G804.6? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1009-9840（2020）06-0053-04

Kinematic and kinetic analysis of downstair walking during dual task paradigm

HE Peidong

（Shandong Sport University， Jinan 250102， Shandong， China）

Abstract：Objective： To investigate the effects of cognitive tasks and action tasks on the kinematics and dynamics of the stairs. Methods： 37 subjects were selected to walk down stairs under single task， cognitive task and action task condition， and the kinematics and dynamics data were collected. Results： The gait characteristics， load rate， lower limb joint torque and power were significantly lower than that of single task state. Compared with cognitive tasks， subjects had lower knee flexion/extension range， load rate， peak hip flexion moment， first peak knee extension moment， first peak ankle plantar flexion moment， first peak of knee power buffer and smaller step width. Conclusion： The double task has a significant influence on the kinematic and dynamic parameters of the stairs. Further research can focus on the influence of the complexity of the two tasks on the biomechanical parameters of the stairs.

Key words：dual task; joint moment; gait; stair walking

收稿日期：2020-08-10

作者簡(jiǎn)介：何培東（1974- ），男，山東濟(jì)南人，碩士，講師，研究方向運(yùn)動(dòng)與健康促進(jìn)。

樓梯行走是一項(xiàng)危險(xiǎn)且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)活動(dòng)[1]，大約有75%的樓梯墜落事件發(fā)生在下樓梯過(guò)程中[2]。雙任務(wù)范例常用于研究主要任務(wù)和次要任務(wù)之間的干擾，如走路（主要任務(wù)）同時(shí)說(shuō)話(huà)（次要任務(wù)）。這種干擾是由于注意力的能力或資源有限而造成的[3]。根據(jù)能力共享理論，認(rèn)知資源的容量是有限的。如果同時(shí)執(zhí)行的兩項(xiàng)任務(wù)超過(guò)了可用的認(rèn)知資源，任務(wù)完成的能效就會(huì)下降[3]。

在雙重任務(wù)的范例研究中，兩種不同類(lèi)型的雙重任務(wù)，即認(rèn)知任務(wù)（如計(jì)數(shù)/算術(shù)/Stroop測(cè)試）和手動(dòng)任務(wù)（如拿著一個(gè)球/盒子/一杯水）被用作次要任務(wù)[3-5]。部分研究表明，認(rèn)知和動(dòng)作任務(wù)會(huì)對(duì)水平行走時(shí)的步態(tài)表現(xiàn)產(chǎn)生消極影[6-7]，減小步行時(shí)雙腳足間距和髖屈曲角度[8]。部分研究則顯示了與之不一致的結(jié)果，即在站立過(guò)程中，動(dòng)作任務(wù)可以減少姿勢(shì)的搖擺，增加姿勢(shì)的穩(wěn)定性[9-10]。此外，雙任務(wù)的相關(guān)研究多數(shù)集中在平地行走或上樓梯動(dòng)作分析，但下樓梯較少受到關(guān)注。本研究旨在探討不同雙任務(wù)類(lèi)型對(duì)下樓梯過(guò)程中運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征的影響。本研究假設(shè)：1）下樓梯時(shí)，與單任務(wù)狀態(tài)相比，在認(rèn)知和動(dòng)作任務(wù)條件下步態(tài)特征、下肢關(guān)節(jié)屈曲/伸展活動(dòng)度、負(fù)載率、下肢關(guān)節(jié)力矩和下肢肌力顯著降低;2）兩種任務(wù)條件下樓梯行走運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)差異不顯著。

1 研究方法

1.1 受試者

37名受試者（男性19名，女性18名;年齡：21.6±2.2歲;高度：1.72±0.47 m）自愿參加本研究，且簽署山東體育學(xué)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)的知情同意書(shū)。納入標(biāo)準(zhǔn)為：年齡在20～30歲之間，無(wú)異常步態(tài)的病史并能夠在不使用扶手的情況下下樓梯行走。排除標(biāo)準(zhǔn)包括任何認(rèn)知障礙的病史，心血管、視覺(jué)和前庭功能缺陷，下肢關(guān)節(jié)置換或任何類(lèi)型的神經(jīng)肌肉控制障礙。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，所有受試者被要求穿著不反光的緊身服裝和運(yùn)動(dòng)鞋。所有受試者的右腿被確定為優(yōu)勢(shì)腿[11]。在測(cè)試前，研究人員向受試者解釋測(cè)試方案，以確保他們能準(zhǔn)確理解。受試者站在最上面的臺(tái)階上，腳趾放置距最高臺(tái)階邊緣15 cm處，雙眼直視前方。在每次試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，受試者在收到研究人員“開(kāi)始”命令后，優(yōu)勢(shì)腿首先邁步進(jìn)行下樓梯行走，三種不同任務(wù)的測(cè)試順序按照隨機(jī)化原則。

1.3 任務(wù)條件

1）單任務(wù)條件：受試者在無(wú)干擾情況下以自選舒適速度下樓梯;2）認(rèn)知任務(wù)條件：在下樓梯行走的同時(shí)進(jìn)行隨機(jī)三位數(shù)減3的運(yùn)算;3）動(dòng)作任務(wù)條件：優(yōu)勢(shì)側(cè)手持一杯水（0.63 kg）下樓梯行走。

1.4 數(shù)據(jù)采集

為了收集本研究的數(shù)據(jù)，我們搭建了一個(gè)六級(jí)的模擬樓梯（每級(jí)臺(tái)階高17 cm，深29 cm）[12]。在樓梯第三級(jí)臺(tái)階上鑲嵌測(cè)力平臺(tái)（Kistler， 9287BA，瑞士）收集動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，采集頻率為1000 Hz。8個(gè)攝像頭的Vicon系統(tǒng)（Vicon運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，Ltd.，牛津，英國(guó)）被用來(lái)捕捉運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，采集頻率設(shè)置為100 Hz。用雙面膠布在皮膚或緊身衣的解剖標(biāo)志上放置40個(gè)反光Marker點(diǎn)。經(jīng)過(guò)三次練習(xí)后，在三種條件下分別進(jìn)行了三次成功的數(shù)據(jù)采集。

1.5 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)被導(dǎo)出到Visual 3D軟件中（C-motion， Inc.， Germantown， MD， US）。構(gòu)建15個(gè)靜態(tài)剛體節(jié)段模型：頭、軀干、骨盆、右/左大腿左右小腿、左右足、左右上臂、左右前臂和左右手。運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采用二階巴特沃思低通濾波器進(jìn)行濾波，截止頻率分別為6 Hz、8 Hz[13]。步態(tài)周期被定義為從右腳碰觸到第三臺(tái)階到右腳落于第一臺(tái)階。腳著地定義為測(cè)力臺(tái)垂直方向的地面反作用力大于20 N時(shí)[14-15]。

1.6 測(cè)試指標(biāo)

1）運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)：步態(tài)周期時(shí)間、步速、步頻、步寬、雙支撐時(shí)相時(shí)間、下肢髖膝踝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)幅度;2）動(dòng)力學(xué)參數(shù)：負(fù)載率、髖膝踝關(guān)節(jié)屈伸力矩峰值及功率峰值。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用SPSS 17.0軟件（IBM， Armonk， NY， USA）單因素重復(fù)測(cè)量方差分析，探討單任務(wù)、認(rèn)知任務(wù)和動(dòng)作任務(wù)條件下的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)指標(biāo)間差異的顯著程度，采用Bonferroni校正進(jìn)行兩兩比較。顯著性水平設(shè)為0.05。

2 結(jié)果

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)

表1顯示，三種下樓梯任務(wù)在步速（F=31.42，P<0.001）、步寬（F=7.39，P<0.001）、步頻（F=31.72，P<0.001）、步行時(shí)間（F=17.22，P<0.001）、雙支撐（F=25.00，P<0.001）、髖關(guān)節(jié)屈/伸活動(dòng)度（F=0.194，P=0.825）、膝關(guān)節(jié)屈/伸活動(dòng)度（F=8.036，P=0.001）和踝關(guān)節(jié)屈/伸活動(dòng)度（F=2.097，P=0.139）存在顯著差異。

事后比較顯示，與對(duì)照組相比，認(rèn)知任務(wù)條件下的受試者有19%的步速變慢（P<0.001），19%的步頻變慢（P<0.001），27%的步行時(shí)間變長(zhǎng)（P=0.007）和8.2%的雙支撐時(shí)長(zhǎng)占比變高（P=0.013）。與對(duì)照組相比，動(dòng)作任務(wù)條件下的受試者有20%的步速變慢（P<0.001），23%的步寬變窄（P=0.012），19%的步頻減少（P< 0.001）， 25%的步行時(shí)間變長(zhǎng)（P<0.001），10%雙支撐時(shí)長(zhǎng)占比變高（P=0.011）和3.7%的膝關(guān)節(jié)屈/伸活動(dòng)度減少 （P=0.022）。與認(rèn)知任務(wù)組相比，動(dòng)作任務(wù)組的步寬減少24%（P=0.012），膝關(guān)節(jié)屈/伸活動(dòng)度減少5.2% （P=0.022）。

2.2 動(dòng)力學(xué)參數(shù)

表2顯示，在三種下樓梯任務(wù)中負(fù)載率（F=31.67，P<0.001）、髖關(guān)節(jié)屈曲力矩峰值（F=12.23，P< 0.001）、伸膝力矩第一峰值（F=14.95，P< 0.001）、踝跖屈力矩第一峰值（F=3.64，P=0.020）、踝跖屈力矩第二峰值（F=9.53，P< 0.001）、髖部力量產(chǎn)生第二峰值（F=9.93，P<0.001）、膝關(guān)節(jié)功率緩沖第一峰值（F=19.02，P< 0.001）、膝關(guān)節(jié)功率緩沖第二峰值（F=17.66，P<0.001）、踝關(guān)節(jié)功率緩沖峰值（F=18.68，P<0.001）和踝關(guān)節(jié)功率產(chǎn)生峰值（F=3.22，P=0.030）之間存在顯著差異。

認(rèn)知任務(wù)條件下的受試者比對(duì)照組的負(fù)重率降低24% （P<0.001），髖部功率產(chǎn)生第二峰值低26%（P=0.012），膝關(guān)節(jié)功率緩沖第二峰值減少15%（P=0.039），踝關(guān)節(jié)功率緩沖峰值少21%（P=0.044）。動(dòng)作任務(wù)條件下的受試者比對(duì)照組的負(fù)重率低64%（P<0.001），髖關(guān)節(jié)屈曲力矩峰值低29%（P=0.001），膝伸膝力矩第一峰值下降34%（P<0.001），踝跖屈力矩第一峰值低13%（P=0.008），踝關(guān)節(jié)跖屈力矩第二峰值高19%（P=0.009）， 髖關(guān)節(jié)功率產(chǎn)生第二峰值減少38%（P=0.007），髖關(guān)節(jié)功率產(chǎn)生第二峰值少62%（P= 0.001），膝關(guān)節(jié)功率緩沖減少23%（P<0.001），踝關(guān)節(jié)功率緩沖峰值減少37%（P< 0.001）與認(rèn)知任務(wù)組相比，動(dòng)作任務(wù)組的負(fù)重率降低了32%（P<0.001），髖部屈曲峰值降低了24%（P=0.001），伸膝力矩第一峰值降低了23%（P=0.037），踝跖屈第二峰值力矩降低了19%（P< 0.001），膝關(guān)節(jié)功率緩沖降低了54%（P= 0.002）。

3 討論

本研究旨在確定認(rèn)知和動(dòng)作任務(wù)對(duì)年輕人下樓梯過(guò)程中運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)影響。我們的研究結(jié)果支持第一條假設(shè)。研究結(jié)果表明，受試者采用了一種“謹(jǐn)慎策略”，相比于單任務(wù)行走，雙任務(wù)范式中人體均采用較慢的速度、較小的步頻和較長(zhǎng)的跨步時(shí)間。這兩項(xiàng)任務(wù)對(duì)步態(tài)特征均產(chǎn)生不利影響，造成步態(tài)“消耗”，并可能增加步態(tài)中斷的潛在風(fēng)險(xiǎn)，這與先前的研究在雙任務(wù)條件下采用相對(duì)緩慢速度和步頻的步態(tài)模式結(jié)果一致[16-18]。本研究發(fā)現(xiàn)，雙支撐相位百分比的增加作為一種步態(tài)補(bǔ)償策略，以對(duì)抗認(rèn)知和動(dòng)作任務(wù)的干擾。雙支撐階段的支撐面積比單支撐階段更大，因此可能在樓梯行走過(guò)程中提供額外的穩(wěn)定性。

與單任務(wù)條件相比，雙任務(wù)條件下的受試者在下樓梯過(guò)程中的垂直地面反作用力負(fù)重率更低。較低的負(fù)重率可能是對(duì)雙任務(wù)干擾相關(guān)的下樓梯活動(dòng)適應(yīng)性的表現(xiàn)。下樓梯過(guò)程中身體在人體三個(gè)解剖面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)[19]。當(dāng)身體控制重心下移運(yùn)動(dòng)中，下肢肌肉須收縮發(fā)立控制身體穩(wěn)定性，導(dǎo)致下肢關(guān)節(jié)負(fù)載增加[10]。雙重任務(wù)干擾會(huì)占用部分大腦認(rèn)知資源，為確保行走安全性，受試者會(huì)降低行走速度，減少下肢關(guān)節(jié)及整體受力，進(jìn)而表現(xiàn)出下肢“軟著陸”的現(xiàn)象，降低負(fù)重率。動(dòng)力學(xué)結(jié)果還顯示，在認(rèn)知和動(dòng)作任務(wù)下，受試者可以通過(guò)降低下肢關(guān)節(jié)力矩和功率能力來(lái)改變下樓梯的生物力學(xué)模式。在樓梯行走過(guò)程中，下肢的力矩和力量對(duì)穩(wěn)定身體和降低跌倒風(fēng)險(xiǎn)起著重要的作用[20]。下樓梯要求下肢關(guān)節(jié)承受大范圍的運(yùn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)承受較高力矩和功率[19]。認(rèn)知任務(wù)和動(dòng)作任務(wù)下下肢關(guān)節(jié)力矩和功率的減少表明，認(rèn)知或動(dòng)作任務(wù)可能會(huì)從神經(jīng)肌肉控制中分散一些認(rèn)知資源，降低肌肉能力，重新分配下肢關(guān)節(jié)力矩和功率[21]。上述現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致下樓梯不穩(wěn)定，造成跌倒高風(fēng)險(xiǎn)。

本研究不支持第二條假設(shè)。運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果表明，與認(rèn)知任務(wù)相比，動(dòng)作任務(wù)條件下的步寬明顯減小，從而可能導(dǎo)致下樓梯過(guò)程中內(nèi)外支撐面減小。Borelly的理論表明，支撐面越小，姿態(tài)控制的穩(wěn)定性越差[22]。因此，在動(dòng)作任務(wù)條件下，減小步寬會(huì)增加下降過(guò)程中側(cè)向跌倒的潛在風(fēng)險(xiǎn)。動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明，動(dòng)作任務(wù)對(duì)關(guān)節(jié)力學(xué)的負(fù)面影響比認(rèn)知任務(wù)更嚴(yán)重。在早期站立階段，負(fù)荷率、伸膝力矩第一峰值、膝關(guān)節(jié)吸收功率降低，而與認(rèn)知任務(wù)相比在動(dòng)作任務(wù)條件下，在站立末期，髖關(guān)節(jié)屈曲力矩和踝跖屈力矩第二峰值也降低。在下樓梯過(guò)程中，身體下降到下一個(gè)臺(tái)階，踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)吸收能量，從而減少落地沖擊，提高穩(wěn)定性[23]。站立腿的力矩對(duì)保持姿勢(shì)穩(wěn)定性也起著重要作用[23]。髖關(guān)節(jié)/膝關(guān)節(jié)/踝關(guān)節(jié)有足夠的支撐力，可提高身體穩(wěn)定性，減少跌倒發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[24]。

認(rèn)知任務(wù)條件和動(dòng)作任務(wù)條件在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)上的差異可以用多資源模型理論來(lái)解釋。也就是說(shuō)，如果兩個(gè)任務(wù)共享相同的認(rèn)知資源，則第二個(gè)任務(wù)的干擾會(huì)造成第一個(gè)任務(wù)效能降低[25]。在本研究中，下樓梯和動(dòng)作任務(wù)屬于運(yùn)動(dòng)任務(wù)，它們共用前額葉皮層、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)和前額葉區(qū)等神經(jīng)元區(qū)域[26]。功能神經(jīng)影像學(xué)研究表明，這些區(qū)域可能在人類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制中發(fā)揮重要的作用[27]。因此，與認(rèn)知任務(wù)相比，受試者在動(dòng)作任務(wù)中減少了他們的關(guān)節(jié)力矩和力量。

4 結(jié)論

綜上所述，雙任務(wù)的執(zhí)行降低下樓梯行走時(shí)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)及下肢動(dòng)力學(xué)特征，可能導(dǎo)致跌倒風(fēng)險(xiǎn)增大，特別是動(dòng)作任務(wù)影響更加顯著。因此，為避免下樓梯跌倒的發(fā)生，應(yīng)減少行走過(guò)程中外界干擾，同時(shí)增加外界支撐提高身體穩(wěn)定性。

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