不同运动项目对老年女性跨越障碍物策略影响的研究

于 宁，张 翠，逄 峰

(1.山东建筑大学，山东 济南 250101;2 山东省体育科学研究中心，山东 济南 250102;3.山东轻工业学院，山东 济南250100)

1 前言

由于跌倒导致老年人受伤的情况相当普遍，在65岁以上老年人群中，有过跌倒经历的占30%［1］，其中有20%～30%受重伤，行动不便［2］。跨越障碍时步态的不平衡是造成老年人跌倒的最主要的原因，几乎一半的跌倒是由此造成的［3］。

成功地跨越障碍物需要满足三个条件:1)仔细观察环境中的障碍物;2)及时处理关于障碍物的相关信息;3)适当执行有关信息并及时做出运动反应［4，5］。随着年龄的增长，人们执行这些任务的能力会下降，跌倒的可能性也逐渐增加［6］。研究表明，经常参加体育锻炼的老年人跌倒的风险较低［7］。

健步走和太极拳练习是增强体质和减少跌倒风险的两种锻炼方式［8］。健步走对老年人的姿态稳定［9］和肌肉力量［10］有积极的影响;太极拳能提高下肢肌肉力量［11］、增强灵活性［12］、提高姿态稳定性［13－15］和本体感觉等［12，14，16］，有助于减少跌倒的风险［11］。

Ramachandran［17］发现:长期练习太极拳的人在跨越障碍时采取更为保险的策略，如步速放慢等，分析认为此种策略是源于太极拳练习者对自己单脚支撑能力的自信，因为太极拳练习过程中会经常重复演练单脚支撑的动作。其他研究也得到了相似的结果:太极拳练习增加了单脚站立时间［18－19］，从而减少跌倒［20］。

另外，前人还对人体跨越障碍物时的速度，双脚间垂直和水平距离，身体重心，下肢关节角度，步长，步幅和步频等进行了测试和分析［21－24］，到目前为止，尚未发现对老年人跨越障碍物时足底压力的研究。而足底压力是一种微控制的表现［25］，足底压力分布的研究可以为姿势控制研究提供理论支持［26］。

因此本研究的目的是，探究长期进行健步走锻炼和太极拳锻炼，是否对老年女性跨越障碍物的策略造成影响。通过了解跨越障碍物时的步态及足底压力分布特征，为老年人预防跌倒提供一些姿势控制和运动方法等方面的建议。

2 方法

2.1 受试者

30 位健康老年女性参加此项实验，分为太极组(15 名，年龄:65.8±5.6 岁;身高:156.6±4.8 厘米;体重:62.3±8.4 千克;腿长:75.3±3.6 厘米;太极拳练习年限:8.2±2.9 年;强度:平均每天1 小时)和健步走组(15 名，年龄:65.6±4.2 岁;身高:155.4±3.7厘米;体重:67.1±9.7 千克;腿长:75.3±3.2 厘米;健步走年限:8.8±2.6 年;强度:平均每天1 小时)。

所有受试者在参加测试之前都已知情且签署同意书，在过去3 年内，没有摔倒和步态异常的经历，右脚为主动脚，没有心脏病、糖尿病，下肢关节病，视力、听力问题，神经肌肉健康。经过SPSS 检验，两组受试者的年龄(P=0.913)、身高(P=0.453)、体重(P=0.162)和腿长(P=0.99)均无显著性差异。

2.2 测试方案

如图1 所示，在测试路径中央放置一块足底压力测试平板(2 米，Rsscan，比利时)，测试平板前后各放置两块橡胶垫，橡胶垫长度为5 米，宽度和厚度均与测力平板一致。受试者在障碍物前约4 米处开始行走，跨越障碍后至少继续走3 ～4 米［21］。摄像机(JVC9800，美国)放置在测力板前后和右方各5 米处。使用APAS 动作捕捉系统(Ariel Dynamic Inc，美国)，拍摄频率25 帧/秒。在测力板中部正上方放置障碍物，障碍物为一根2 厘米×100 厘米(宽×长)的木条。为避免受试者被障碍物绊倒，木条轻轻放在两侧的支柱上，轻触即掉。受试者选择自己日常步速跨越障碍物［21］。当受试者跨越障碍物时，障碍物在视线范围之内。工作人员站在一旁，保护受试者。

图1 测试路径及仪器摆放图

在受试者双腿的大转子、跖骨和跟骨处共贴有6个标志点。要求受试者跨越3 个高度的障碍物:1)0厘米障碍(正常行走);2)15 厘米障碍物(约20%腿长);3)23 厘米障碍(约30%腿长)［17，21］。每个受试者顺利跨越7 次，选其中最成功的5 次进行数据分析。障碍物高度设置的顺序由受试者抽签决定。正式测试之前，受试者先进行3 分钟快走热身，然后进行3 个高度障碍物试跨各1 次。

运动学测试指标的选取［21，27］:

2.2.1 跨越步长(SL):当摆动腿跨越障碍物时，摆动腿和支撑腿双足后跟之间的距离。

2.2.2 跨越高度(FC):当跨越障碍正上方时，摆动腿最低点与障碍物之间的垂直距离。

2.2.3 跨越的最大高度(MFC):当跨越障碍时，摆动腿最低点与障碍物的最大垂直距离。

2.2.4 脚趾距离(TD):在跨越障碍过程中，支撑腿的足尖与障碍物之间的水平距离。

2.2.5 脚跟距离(HD):跨越障碍后，摆动腿落地时足跟与障碍物之间的水平距离。

2.2.6 跨越速度(CV):跨越障碍时，摆动腿足跟和足尖的平均速度。

用测力板的数据来分析地面反作用力(vGRF)和支撑腿跨越障碍时脚底各个区域的压力分布。地面反作用力按照受试者体重进行标准化计算(%体重)。

脚底划分为10 个压力区，分别为:大脚趾区，其余脚趾区，第一跖骨区，第二跖骨区，第三跖骨区，第四跖骨区，第五跖骨区，脚中部区域，脚跟内侧，脚跟外侧(如图2 所示)。使用相关软件，确定并计算每个区域的压力－时间积分值。

图2 足底分区图

单脚支撑时间定义为:摆动脚离地瞬间到跨过障碍着地瞬间所用时间的总和。

2.3 统计学分析

采用MANOVA(多元方差分析)对多个变量进行分析(如足底压力和跨越障碍时的运动学指标)。在每种实验条件下，取5 次实验数据的平均值进行分析。

我们用MANOVA(LSD)对3 种跨越方式(跨越0厘米，跨越15 厘米和23 厘米的障碍)与2 组(太极练习组和健步走练习组)组间与组内的差异性进行检验。采用独立T 检验对两组受试者的基本特征(年龄，身高)和正常走的特征(步长，速度)进行统计学分析。采用SPSS 11(Chicago，IL，USA)进行统计学分析，P〈0.05 视为具有统计学差异。

3 结果

由见表1 可见，太极组的跨越步长(SL)明显大于健步走组。在跨越15 厘米和23 厘米障碍物时，太极组的标准化的脚趾距离(Norm－TD)明显大于健步走组(15 cm 障碍物:P=0.032; 23 cm 障碍物:P=0.042; 表1)。太极组的标准化的脚跟距离(Norm－HD)仅在跨越23 厘米障碍物时大于健步走组(P=0.028)。在跨越15 厘米和23 厘米时，太极组的跨越高度(FC)(15 cm 障碍物:P=0.005;23 cm 障碍物:P=0.037)、跨越速度(CV)(15 cm 障碍物:P〈0.001;23 cm 障碍物:P=0.006))明显高于健步走组。两组的最大跨越高度没有显著差异。

表1 太极组与健步走组运动学指标对比表

正常走，表示途中没有障碍物;15 cm 与23 cm 分别表示途中设有高度为15 厘米和23 厘米的障碍物。

SL:跨越步长;TD:脚趾距离;Norm－TD:标准化后的脚趾距离;HD:脚跟距离;Norm－TD:标准化后的脚跟距离;MFC:跨越的最大高度;FC:跨越高度;CV:跨越速度;SLST:与步长标准化的单脚支撑时间。

如图3 所示，与正常走相比，太极组在跨越障碍物时，支撑腿的负荷增大(如图ABC 中深黑色曲线)(15厘米障碍，P=0.036;23 厘米障碍，P=0.044)。健步走组则无明显变化。在跨越同一高度障碍物时，两组之间着地时的地面反作用力有显著性差异(如图A 深色与浅色曲线，正常走，P=0.714;如图B 深色与浅色曲线，15 厘米障碍，P=0.034; 如图C 深色与浅色曲线，23 厘米障碍，P=0.022)。

图3 支撑腿地面反作用力(vGRF) (A) 正常走;(B) 跨越15厘米障碍物;(C) 跨越23 厘米障碍物

如图4 所示，正常走时，两组间压力－时间积分值无显著差异。跨越障碍物时，健步走组的第1 ～4 跖骨区的压力－时间积分值明显大于太极组(p 范围:P〈0.001－0.048);太极组脚跟内侧的压力－时间积分明显高于健步走组(15 厘米 障碍:P=0.037;23 厘米 障碍:P=0.048)。

4 讨论

本研究发现，长期进行太极拳锻炼的老年女性和长期进行健步走锻炼的老年女性在跨越障碍物过程中运动学和足底压力分布方面有差异。

4.1 支撑腿跨越障碍策略

随着障碍物高度的增加，太极组采用支撑腿脚趾距离增大，着地力增大的策略，而健步走组采用地面反作用力不变的策略(表1，图3)。太极组支撑腿着地时地面反作用力的增大，从而增加了腿部肌肉的活性［28］，增加了太极组跨越速度，同时提供了步长与大脚趾距离加大所需要的力量。所以，太极组采用的着地力增大的方法减小了脚触碰障碍物的可能性。

图4 支撑腿足底各区压力积分(PTI)，(A) 正常走; (B)跨越15 厘米障碍物;(C) 跨越23 厘米障碍物。GT=大脚趾;LT=2 ～5 脚趾;1 MTP=第1 跖骨区;2 MTP=第2 跖骨区;3 MTP=第3 跖骨区;4 MTP=第4 跖骨区;5 MTP=第5跖骨区;MF=足中部;MH=脚跟内侧;LH=脚跟外侧。

在跨越障碍过程中，两组之间支撑腿部分区域的足底压力也不同。健步走组压力－时间积分的差异出现在前脚掌，而太极组则出现在脚跟内侧(图4)。两组受试者踝关节的柔韧性可能是引起压力分布不同的原因之一［29］。如果受试者踝关节柔韧性差，在跨越障碍时，就会受到背屈的限制，只能采用脚跟抬高的方法，导致脚前掌的负担增大。太极拳练习能增加踝关节的柔韧性［12］，促进背屈度和踝关节的运动范围，能适度减少跨越障碍物时身体的前冲性，从而增加身体的稳定性。

4.2 摆动腿跨越障碍策略

在跨越障碍时，太极组跨越速度较快，脚跟距离较大，而健步走组单腿支撑时间较长，跨越距离较小(表1)，与前人研究结果不同［17］。前人研究发现，太极练习者跨越障碍物时的单腿支撑时间长于非太极拳练习者。我们认为受试者的年龄差异可能是引起结果不一致的原因:前人研究中受试者平均年龄为46 岁，而本研究为66 岁。

跨越障碍物速度和单脚支撑时间的不同与长期锻炼的项目有关。太极拳练习能增加身体维持平衡和在不同姿势下保持稳定的能力［30］，太极拳练习，动作缓慢、舒展，其中有上跨步和蹬腿等动作，动作要求把摆动脚抬过支撑腿膝关节位置坚持数秒再像前下方伸腿并落地［30］，类似于跨越障碍物的动作。长期进行这种跨步练习能够提高练习者在单腿支撑时对支撑腿及摆动腿的控制能力。本研究结果发现，太极组跨越障碍的速度比健步走组要快，这充分显示太极组在跨越障碍时的信心和平衡控制能力。如果太极练习者在日常生活中能控制好节奏，就更能通过降低速度来减少摔倒的风险［31］。与此相反，健步走组较慢的跨越速度导致其较长的单腿支撑时间，要求有较大的腿部力量。因此，每个组的锻炼策略能显示出他们长期锻炼该项目的优势。

从跨越障碍来说，太极组FC 距离大于健步走组，但最大跨越高度(MFC)没有显著性差异(见表1)。跨越障碍物时，太极组最大抬脚高度出现在摆动脚跨越到障碍物上方的时刻，增加了脚跟距离;健步走组出现在摆动脚到达障碍物之前，到达障碍物上方时FC 已经开始下降，增加了触碰障碍物的风险。脚向前迈步时较长的脚跟距离能降低脚跟碰撞障碍物的危险［32］，所以太极组采用的大脚跟距离策略更为安全。

4.3 本研究的局限性

本研究尽管分析了不同锻炼组在跨越障碍时运动学和动力学指标的差异，但是研究仍有一些局限性。例如:研究缺少肌电和下肢力量的数据。肌电能够评价两组之间的肌肉用力模式，提供更直观运动控制策略。下肢力量作为受试者完成任务所需要力量的一个外在表现，在跨越障碍物的过程中扮演着重要角色［34］。众多研究表明太极和健步走锻炼都会增加人体下肢肌肉力量［9，10，12－14，16］，但不知是否增加相同的腿部力量。除了腿部力量之外，研究对练习强度也没做细致的要求。两组受试者不同的练习强度可能引起体质和下肢力量的不同，这可能也是解释跨越障碍不同策略的一个原因。因此，为了更深入了解影响跨越障碍物策略的原因，下一步研究重点应该在肌肉的激活，下肢力量和身体平衡对于跨越障碍物策略的影响上。

5 结论

与长期练习健步走的老年女性相比，太极拳练习者采用了足底压力均匀分布在支撑腿的脚前部和后部，支撑腿着地力大和摆动腿脚跟水平距离大的跨越策略，以减少接触障碍物的可能性。由此可见，不同运动项目对老年女性跨越障碍物的策略会造成一定的影响，太极拳练习可能具有更好的身体姿态控制能力和跨越障碍物策略。

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