双任务下楼梯行走时对下肢肌肉活动表现及加速度近似熵指数的影响

金成敏，曲 峰，赵享楠，杨 辰

行走作为基本的运动形式之一，是人类行为中最简单但又体系复杂的动作，通过双脚重复不断地运动使身体重心向前方移动而实现向前行走[1]。最常见的是平地行走，再者，楼梯行走作为日常生活中常见的行为动作同样很重要[2]。楼梯行走时，身体重心向前方移动的同时还会向上、下方向移动，对人体下肢关节角度、关节力矩、身体质心及肌肉激活等动作控制能力要求较高[3-4]。在所有事故中，10%是因为摔倒，其中占比最大的是在楼梯行走时摔倒。而且，下楼梯较平地和上楼梯行走摔倒的风险更大[4]，需要老年人、肥胖者和孕妇等人群注意[5-6]。

L.SVANSTROM[7]和J.G.BUCKLEY等[8]认为，下楼梯的动作表现比上楼梯危险3倍以上。J.E.ZACHAZEWSKI等[9]发现上、下楼梯时下肢单支撑期所占百分比分别为31%、39%，双支撑期分别为34%、29%。下楼梯时，单侧下肢支撑时相明显高于上楼梯时，因为下楼梯时足趾先接触地面，与一般行走和上楼梯时下肢的屈、伸不同，地面反作用力峰值更早出现[3，10]，而缓冲作用不充分[11]，因而表现较低的稳定性。因此，下楼梯时为了减少受伤的风险并且提高身体稳定性，姿势控制和重力的负荷有关[12]。因为对身体施加重复的负荷，下肢肌肉发生疲劳而减少对肌肉的控制能力，神经肌肉控制能力下降[13-15]。而且P.PARIJAT等[16]发现，因肌骨系统的损伤会降低膝关节位置的感觉能力和骨头的弹性[17-19]。因此，需要正确认识人体下楼梯时进行速度变化特征及肌肉活动表现，从而减小摔倒风险[4]。

近来有较多研究分析下楼梯过程中人体动作的变化。在下楼梯时，由于人体运动的局限性可能发生摔倒，但是随着社会快速发展，人们生活方式也有变化，如越来越频繁地使用手机，如此一来，因进行其他行为注意力不集中也会发生摔倒。目前，有关摔倒的研究不仅关注运动生物力学因素，还有关于额外任务的干扰。如此，下楼梯时进行其他任务会直接影响姿势控制，造成注意力分散[4]。而且，持续变化的动作使动作控制的能力逐渐下降而有可能突然失去平衡。因为认知任务和动作任务同时进行时，是在2个任务之间发生干扰因素[20-21]。因此，在下楼梯时要求较高的肌肉激活水平，但在进行双任务时肌肉活动会减少甚至发生障碍，与摔倒风险因素有关[22]。如在双任务情形下行走时，步速、频率、步幅、双侧下肢支撑时间与肌肉激活等都减少，行走方式改变且缺乏注意力与集中力[21]。

最近，为了预防慢性病，鼓励大家用楼梯行走代替电梯，提倡利用楼梯行走进行身体锻炼。之前研究也推荐，利用楼梯时对身体有积极的效果，且对卡路里消耗有许多好处。但是对身体的肌骨系统有何影响或连续下多层楼梯的分析不够充分，针对日常层数较多的下楼梯研究相对较少，人们具体如何表现还不清楚。现有的大部分研究主要利用红外运动捕捉系统和三维测力台测试短距离的行走[23]。虽然通过实验室模拟下楼梯的试验可对下肢运动进行分析，但本文认为在实际楼梯行走时会产生其他的变化，希望能够进行实时有效的试验研究。由于无法采用三维红外捕捉动作的方法研究长距离楼梯行走，因此选用加速度数值计算近似熵指数（approximate entropy，ApEn）分析行走方式。近似熵指数是由S.PINCUS[24]最先开发的非线性分析方法，适合处理用时较长的动作，在处理加速度、压力中心等数据中广泛使用。本研究的假设：（1）进行双任务时行走的时间逐渐增加；（2）2组间肌肉激活与同步收缩的差异较大；（3）行走方式进行双任务时近似熵指数较高而出现不规则的方式。因此，本文的研究目的是分析青年男性进行双任务下楼梯时加速度及肌肉活动变化，以期了解下楼梯的步行方式和肌肉表现。

1 研究对象与方法

1.1 试验对象

受试者为24名青年男性大学生，年龄（27.0±1.8）岁，身高（1.72±0.05）m，体重（65.8±9.9）kg，身体健康状况良好，试验前48 h未从事剧烈运动，确认其下肢及足部半年内无明显损伤，所有受试者优势脚均为右脚。测试前，受试者在了解详细的试验流程后，签署知情同意书。

1.2 试验设备

1.2.1 试验用楼梯 本研究采用7层楼梯，楼梯每级高180 mm、深260 mm、长1 370 mm，楼梯坡度为34.69°。由于前人并未进行长距离的楼梯测试研究，因此正式试验前，询问3位受试者在楼梯行走过程中何时感觉疲倦，，整合意见后决定从7层下行开始试验，每层有22级楼梯，共计22×6=132级楼梯。

1.2.2 试验仪器 采用加速度计（Delsys wireless EMG，USA，148.15 Hz）与表面肌电仪（Delsys wireless EMG，USA，2 000 Hz）对受试者下楼梯行走过程进行数据采集。受试者为了定义特征时刻在受试者左脚后跟处贴有1个加速度计，另在髂后上棘处（Posterior superior iliac spine，PSIS）贴有1个加速度计，因为髂后上棘大致与人体重心位置相近[25]。表面肌电测试选择右侧下肢膝关节和踝关节屈伸肌群（股直肌、股二头肌、腓肠肌内侧头和胫骨前肌），肌电信号采集盒顺着肌纤维的走向，粘贴在所测肌肉最隆起的肌腹上。

进行双任务测试时，选用的手机型号为SM-N9005（SAMSUNG Galaxy Note 3 neo），大小为151.2×79.2×8.3 mm，屏幕尺寸为5.68英寸，重量为168 g。正式试验时，选择的手机游戏是RollingBall APP，规则是行走时倾斜手机使蓝色球处于白色圆圈范围内即可得分，尽可能保持在中央最小圆圈位置可获得高分，受试者之前从未接触过此游戏（见图1）。

图1 测试用手机（左）和游戏界面（右）Figure1 Smartphone（left）and Android Application（right）Used in This Study

1.3 试验过程

所有受试者自第7层逐级下楼梯至第1层，统一规定右脚开始下楼梯，并按照自己选择且相对舒适的速度下楼梯，要求测试全程不借助楼梯扶手。进行双任务时，游戏的分数必须达到80分以上视为一次有效测试。受试者充分热身后按随机顺序测试，每人各进行3次有效测试。

1.4 数据处理

1.4.1 阶段划分 本研究中，数据分析以每层楼梯为单位，每层自右脚触地为开始下楼梯时刻，至本层行走最后脚离地时为结束下楼梯时刻，将加速度信号中出现峰值的时刻定义为右脚触地的特征时刻[15]，完成每11级楼梯行走会出现6次加速度峰值时刻，即完成每层行走共6×2=12个分析阶段。在每层行走期间定义4个特征时刻：（1）第1次出现峰值的时刻定义为本层前11级楼梯行走右脚初次触地时刻；（2）第6次出现峰值的时刻定义为完成本层前11级楼梯行走右脚离地时刻；（3）第8次出现的峰值定义为本层后11级楼梯行走右脚初次触地时刻；（4）第13次出现峰值的时刻定义为本层行走右脚最后一次离地时刻。第7次峰值为平地行走阶段，不参与分析（见图2）。

1次有效测试分为6个阶段：下楼梯行走P1阶段为第7层～第6层；P2阶段为第6层～第5层；P3阶段为第5层～第4层；P4阶段为第4层～第3层；P5阶段为第3层～第2层；P6阶段为第2层～第1层。

图2 下楼梯时加速度分析阶段Figure2 Acceleration Signal Analysis Phase during Stair Descent

1.4.2 数据分析 （1）行走时间（walking time）。通过加速度计计算每层楼梯行走时间，即从第1峰值～第6峰值所用时间，与第9峰值～第13峰值所用时间之和。采集的所有加速度原始数据采用6阶Butterworth低通滤波法进行平滑，截断频率为3 Hz[26]。

（2）积分肌电（integral electromyography，iEMG）。积分肌电是指，一定时间内肌肉中参与活动的运动单位放电总量，肌电的原始信号采用带通滤波进行处理，滤波范围为30～500 Hz，计算移动平均的窗口宽度设置为110～200 ms，计算均方根振幅。肌电信号标准化采用峰值标准化处理，所有肌肉的iEMG值的计算方法为：

式中，iEMGA表示各肌肉的积分肌电；EMGA表示各肌肉的信号。

（3）同步收缩指数（Co-contraction index）。为了量化行走的稳定程度，采用同步收缩指数进行描述。同步收缩指数是指，主动肌兴奋时，拮抗肌也同时产生收缩（在正常情况下应该放松），对动作技能的贡献难以产生效果[27]。可见，下楼梯时，同步收缩提供单支撑期间的下肢关节的稳定性[28]。该指数常被认为与关节稳定性有关，是动作效率的重要影响因素之一[11]。本研究同步收缩指数是对所采集表面肌电的积分肌电信号加以分析。同步收缩指数的计算方法为：

式中，%C.CA.B表示A肌肉跟B肌肉的同步收缩指数；CommonareaA＆B表示主动肌和拮抗肌的共同领域；areaA表示肌电信号的领域。

（4）近似熵指数（approximate entropy index，ApEn）。近似熵指数是非线型动力学分析方法之一，是可变性的复杂性计算理论，通过这一概念，S.M.PINCUS[29]将预料性和规则性加以数值化。近似熵指数是一种对脑电信号的负责性进行评价和分析的方法，通常记作ApEn。由于在计算过程中无需将数据做过度粗粒化处理，因此近年来应用较广。通常，在计算过程中，以一个非负数来表征数据序列的负责程度，近似熵指数越大，说明序列越复杂。此外，在大多数研究中，广泛采用的长度为1 000的数据序列就能够计算出可靠而稳定的近似熵指数，因而特别适用于脑电这种不稳定生物电信号的分析。近似熵指数的推导过程如下。

（1）对N点序列{xi}(i=1，2，……N)，按序列连续顺序组成 一 组m维 矢 量 ：

（2）定义X(i)，X(j)之间的距离为两者对应元素中差值最大的一个：此时，X(i)，X(j)中的其他对应元素间差值自然都＜d，并对每一个i值计算X(i)与其余矢量间的距离

（3）给定阈值r，对每一个i值统计d[X(i)，X(j)]小于r的数目，及此数目与距离总数N-m的比值，记做即

（5）再把维数加 1，变成m+1维，重复步骤（1）～（4），得和

一般而言，此极限值以概率1存在，实际工作中，N不可能为∞。当N为有限值时，按上述步骤得出的是序列长度为N时ApEn的估计值，记做：En值显然与m、r的取值有关。S.M.PINCUS建议，取m=2，r=0.1～0.2SDx，SDx是原始序列{xi}，i=1，2，…，N的标准差。

近似熵指数是一种条件概率，因而有非常严谨和深刻的理论支持，但数据序列的规模足够大时，计算的结果是非常稳定和可信的。

近似熵指数的特点总结为：（1）对数据的需求量相对较小，不用较长的数据序列也能计算出稳定的目标值，一般来说，仅需要大约100～5 000个数据的序列即可，通常使用1 000左右的窗口值；（2）抗干扰能力较强，尤其对随机的瞬间干扰有非常强的屏蔽，即使干扰较强仍能适应；（3）不仅可以应用于随机信号，也可以用于稳定的确定信号或混合信号，但是，2种信号的混合比例不同会导致近似熵指数的数值有所不同。这些特性使得近似熵指数非常适用于脑电的研究，因为作为一种生物电，脑电信号往往既包含随机信号，也包含确定信号。

本研究近似熵指数是采集加速度信号并加以分析，定义X轴为上下方向，Y轴为左右方向，Z轴为前后方向。

1.5 统计分析

采用混合设计的双因素方差分析，验证双任务与单任务对各层的进行时间、肌肉激活、行走方式的影响。2个任务与各层存在交互作用，然后采用独立样本T检验分析同一层对双任务和单任务的影响，采用单因素重复测量方差分析验证同一任务对各层的影响。使用LSD法进行后续检验。

统计显著性定为一类误差概率不大于0.05，所有统计分析应用SPSS19.0（IBM，Armonk，NY，USA）完成。

2 研究结果

2.1 下楼梯行走时，不同任务对所需时间的影响

双因素方差分析显示，进行单任务和双任务对时间的交互作用显著（P=0.006）。后继单因素方差分析表明，进行双任务时，e、i、l、n、o阶段的时间存在显著差异（P=0.003），进行单任务时各阶段的时间则无显著差异（P=0.535）。独立样本T检验表明，P1（P=0.011）、P2（P=0.013）、P3（P=0.028）、P5（P=0.044）、P6（P=0.047）情况下，2种方式下楼梯每个阶段所用时间存在差异（见表1）。

表1 下楼梯时各层行走时间/sTable2 According to Dual Task and Floor Compare to Walking Time During Stair Descent/s

2.2 下肢肌群表面肌电特征比较

下楼梯行走时，单任务和双任务在各层的肌肉活动中，对股直肌（p=0.657）、股二头肌（p=0.142）、胫骨前肌（p=0.772）和腓肠肌（p=0.474）的积分肌电值均无显著影响（见表2）。

表2 下楼梯时各层行走的下肢肌肉积分肌电值/%peak×secTable3 According to Dual Task and Floor Compare to iEMG During Stair Descent

2.3 下肢肌群同步收缩指数比较

双因素方差分析显示，单任务和双任务对各层的胫骨前肌和腓肠肌的同步收缩指数的交互作用显著（P=0.006）。后继双因素方差分析表明，双任务胫骨前肌和腓肠肌的同步收缩指数存在显著差异（P=0.039），单任务则无显著差异（P=0.671）。独立样本T检验表明，组间无显著差异（P1=0.214、P2=0.231、P3=0.104、P4=378、P5=419、P6=0.465）。下楼梯行走时，单任务和双任务各层的股直肌和股二头肌的同步收缩指数无显著差异（P=0.709）（见表3）。

表3 下楼梯时各层同步收缩指数/%Table4 According to Dual Task and Floor Compare to Co-contraction During Stair Descent/%

2.4 近似熵指数指数比较

双因素方差分析显示，单任务和双任务对X轴（前后方向）的交互作用显著（P=0.000）。后继双因素方差分析表明，2种下楼梯情况都存在显著差异（单：P=0.000，双：P=0.000）。独立样本T检验表明，P1（P=0.030）、P4（P=0.008）、P5（P=0.026）情况下存在差异，且单任务和双任务对Y轴（前后方向）的交互作用显著（P=0.043）。后继双因素方差分析表明，2种下楼梯情况都不存在显著差异（单：P=0.244，双：P=0.203）。独立样本T检验表明，P6（P=0.027）情况下存在差异，Z轴（上下方向）无显著交互作用（P=0.663）（见表4）。

表4 下楼梯时各层近似熵指数（ApEn）的差异比较Table5 According to Dual Task and Floor Compare to ApEn during Stair Descent

3 分析与讨论

本研究选取40名普通男性大学生探索下楼梯时双任务与单任务对行走方式与肌肉激活有何影响。在行走时，对受试者不进行提示，以完成手机游戏进行双任务，2种方式顺序随机，探索下楼梯时手机使用的风险性。

3.1 不同行走方式对进行时间的影响

双任务下楼梯行走时，行走时间增加，行走速度减慢，2任务间存在显著差异。行走分析的指标中最基本的指标是行走速度，对下肢关节活动的运动学与动力学因素都有影响[30-31]。先前的研究也通过行走速度判断行走能力，M.YAMADA等[32]研究认为，进行双任务时，受试者出现2个特征：（1）为了任务的成功集中注意力；（2）为了稳定的行走开始保持平衡[32]。行走时，受试者因外部环境的改变开始减慢速度提高注意力，同时控制身体重心[33]。因此，为了增加注意力和完成任务行走时间增多。而且，2个任务出现不同的结果是因为本研究使用的楼梯行走距离较之前研究的更长，随着下楼行走，2种方式的行走时间差距越来越大。随着下楼层数的增加，行走速度减慢的原因是动作不稳定性的增加，受试者会感到和先前支撑阶段的差异[34]。尤其是为了完成双任务减少下肢的缓冲难以集中发力。受试者考虑力量的变化会限制行走速度。

3.2 不同行走方式对肌肉激活的影响

进行单任务与双任务时，所测下肢肌肉的激活交互作用不显著。之前研究发现，下楼梯时的肌肉激活程度比上楼梯低[4]，本文假设与之前研究呈现不同的结果，但是各层的4个肌肉激活与之前研究差异不大。R.RIENER等[10]发现，刚开始上楼梯时，下肢大腿肌群肌肉激活程度高，而且膝关节功率增加，但是在整个下楼梯行走周期中不需要膝关节表现出大功率，即在身体重心向重力方向移动情况下，尽管肌肉激活程度有限，个体仍会自然地控制身体重心，而不是出现差异较大的负荷。因此，本研究下楼梯时与行走方式无关，对肌肉激活的大小没有影响。

3.3 不同行走方式对下肢肌群同步收缩的影响

同步收缩指数，通过主动肌和拮抗肌的同时收缩可以判断关节稳定性。2个行走方式间，胫骨前肌和腓肠肌的同步收缩交互作用显著，尤其进行双任务时每层都存在差异。踝关节为了足接触地面先进行跖屈，后开始支撑期（足趾触地），因为身体重心向前方向移动进行被动的背屈，较之大腿肌肉的同步收缩程度更大[11]。O.BEAUCHET等[22]认为，2个任务之间的同步收缩指数有差异，在于双任务时小腿肌肉为了寻找平衡进行适当的收缩，身体重心下降时行走速度逐渐减慢，下肢肌肉同步收缩的时间更长[35]。因此，胫骨前肌和腓肠肌此时共同收缩以完成下楼梯动作，同步收缩指数逐渐增加。与此相反，进行单任务时，初期踝关节先发生同步收缩，后期膝关节发生同步收缩，按照情况进行其他关节的同步收缩。所以，虽然注意力逐渐分散，但是为了保持平衡会在其他关节处出现同步收缩的策略[36]。而且，进行双任务时，持续用踝关节的同步收缩意味着如果外部环境突然有障碍，不可能采取适当的肌肉激活的策略。分散关节的压力会减少疼痛，但是因为踝关节容易疲劳，摔倒的风险增加[2]。B.J.MCFADYEN等[3]发现，受试者的视觉方向从发生同步收缩时有向下的趋势，会出现增加上肢动作以持续保持平衡。进行双任务时，由于上身不进行保持平衡的动作而不确认在地面接触的时期，难以分散关节的压力。因此，在长距离下楼梯的情况下，需要通过膝关节和踝关节的同步收缩保持平衡。

3.4 不同行走方式对近似熵指数指的影响

本研究下楼梯时，用加速度信号计算加速度近似熵指数，分析行走方式探索各方向（前后、左右、上下）的行走规律，近似熵指数越高代表动作规则性越强，指数越低代表动作规则性弱。进行双任务时，所有方向的行走较单任务更规则，前后和左右方向有显著性差异。J.E.ZACHAZEWSKI等[9]发现，下楼梯时因为身体重心向重力方向移动，有可能前后和左右方向的动作多。而且身体重心下降时发生冲击，且进行双任务时因追加任务，需要控制身体平衡[33]，会出现不稳定的动作。且在下楼过程中，下肢会受到大概3倍体重以上的冲击，脚接触地面时因进行双任务增加踝关节额状面的动作。因此，进行双任务时，身体出现不规则的左右、前后动作。

但是，本研究的结果是进行双任务时因追加任务，使得下行速度减慢，双任务的行走方式较单任务更规则，出现和之前研究不同的结果。虽然，行走时因外部的抵抗会改变行走的方式，但是如果个体增加身体的动作或改变动作方式，本能地还是会适应。尽管有双任务的妨碍，受试者仍要寻找最佳的行走方式。但是，进行双任务时，因追加任务单支撑的时间增加行走速度减慢，有可能持续进行同步收缩[37]。因任务分数的影响与心理不安因素，胫骨前肌和腓肠肌尽量调整身体重心的移动速度会出现规则性的行走方式。也就是说，如果外界条件发生改变动作产生障碍也可能有应对的策略，出现一系列相同的行走方式，反而出现不稳定的动作。P6阶段的前后与左右方向的近似熵指数较其他阶段更大，持续下楼梯时对外部环境有影响，发生冲击等预想不到的情况，发生摔倒的风险更大。

4 结论及建议

双任务时，下楼梯行走速度较单任务慢，因速度慢出现规则性的行走方式。双任务下楼梯增加单支撑的时间，提高胫骨前肌和腓肠肌的同步收缩指数以保持平衡，身体重心摇动对外部环境的应对没有单任务稳定。因此，进行双任务时，摔倒的概率比单任务大，相比进行其他任务，需要集中于下楼梯行走的任务。今后希望能进一步对性别、年龄、其他双任务等各种因素进行上下楼梯的分析，为预防摔倒进行更多更充分的研究。