不同负重方式对老年人行走影响的比较分析

张腾宇 张静莎 季润 ，2，4 吕泽平 ，3 李增勇 ，3

1国家康复辅具研究中心（北京 100176）

2北京航空航天大学生物与医学工程学院（北京 100191）

3北京市老年功能障碍康复辅助技术重点实验室（北京 100176）

4民政部人体运动分析与康复技术重点实验室（北京 100176）

跌倒是老年人失能的重要拐点，是伤残和致死的重要原因[1，2]。国内外很多研究表明，负重是影响步行稳定性的一项重要因素[3]，因而也是引发跌倒的一个重要危险因素[4]。一些文献通过对负重条件下的步态参数进行研究，证明负重会导致步态参数的变化[5-10]，并且与动态稳定性下降有关[11，12]。因此，老年人应尽可能减少负重出行。但是，在必要的负重情况下，不同的负重方式对老年人行走步态和稳定性的影响是否存在差异，相比之下老年人以哪种方式负重行走更为安全，尚须进一步研究。本研究通过对日常生活中常见的几种不同负重方式下，老年人的行走步态参数进行对比分析，探讨不同负重方式对老年人行走稳定性影响的差异。

1 研究方法

1.1 受试者

选取15名健康老年人（依据中国健康老年人标准[2013]）[13]作为被试，其中男性8名，年龄64～80岁，平均71.43± 4.72岁，体重60.6～80.5 kg，平均70.21±6.10 kg；女性7名，年龄65～70岁，平均67.80 ± 1.72岁，体重50.5～76.0 kg，平均61.02 ± 9.47 kg，无运动障碍相关疾病，近一年内无跌倒史。

1.2 测试设备与方法

在无负重以及双手提、单手提、肩背、怀抱四种负重方式下分别进行步态测试，负重量为体重的10%，几种负重方式如图1所示，其中，单手提的动作右利手被试由右手完成，左利手被试由左手完成。步态测试采用VICON三维运动捕捉系统，共8个红外摄像头，采样频率均为100 Hz。同时利用两块AMTI的三维力台同步测试被试行走过程中的地面反力，采样频率1000 Hz。

图1 几种负重方式行走示意图

测试过程中被试下身着实验专用紧身短裤和统一款型的运动鞋，下肢按照VICON系统的Plug-in-Gait下肢模型规定位置粘贴反光标记点，按要求在规定区域内以自然步态和步速行走，同步记录各标记点的三维运动数据，每种负重方式采集不少于15个步态周期的有效数据。每位被试均首先采集无负重行走的数据，然后采集其他几种负重方式数据，每种负重方式的数据全部采集完之后，令被试休息2分钟，进行下一种方式的数据采集，几种不同负重方式的执行顺序随机，以消除因某种负重方式造成的肢体疲劳对后续负重方式可能产生的影响。

1.3 数据处理与统计学分析

使用VICON系统自带的NEXUS1.8.5软件，根据被试足部标记点标记行走过程中的足跟着地点和足尖离地点，以一次足跟着地作为步态周期的开始，同侧足跟再次着地作为步态周期的结束，划分步态周期。软件根据步态标记自动计算步频、步速、步长、步态周期、支撑期、单足支撑期、双足支撑期等步态参数。其中，支撑期、单支撑期和双支撑期均以该步态时相的时间在一个步态周期中所占的百分比表示。由于步长与身高有关，因此本研究中步长通过身高进行标准化。另外，早期的很多研究表明，步与步之间步长、步速、步态周期、双支撑时间等步态参数的变化与跌倒相关，比单纯的步态参数值更加敏感，可将步态参数变异率作为预测跌倒的指标[14-18]。其中，平均步态周期变异系数（stride-to-stride variablitily of stride time，STV）是老年人步态研究中一个较常用的评价指标[19]，定义为：

其中，Tstd为同一被试多个步态周期的标准差，Tmean为步态周期均值。

行走过程中的压力中心（center of pressure，COP）偏移量也在一定程度上反映行走的动态稳定性[20，21]。因此，本研究中选用了COP前后方向和内外方向的最大偏移量作为一项反映稳定性的指标，定义：

其中，COPml为内外方向压力中心偏移量，COPap为前后方向压力中心偏移量，LCOPx为一个步态周期中左脚COP在内外方向上的最大偏移量，RCOPx为右脚COP在内外方向上的最大偏移量，RCOPy为一个步态周期中左脚COP在前后方向上的最大偏移量，LCOPy为右脚COP在前后方向上的最大偏移量。

每位被试在不同负重条件下各取15个步态周期的数据，对同一条件下所有被试的数据求均值。利用SPSS16.0软件对相关数据进行统计学分析，计量资料以均值±标准差表示，显著性水平均取P＜0.05。以负重方式和性别为自变量，各种步态参数为因变量，通过双因素方差分析分别对比负重方式和性别两种因素对各种步态参数的影响，并分析两种因素之间的交互作用。进而，采用Bonferroni校正检验水平进行后继t检验，两两比较几种不同负重方式间的差异。

2 结果与分析

2.1 不同负重方式下男性和女性老年人的步态参数

表1列出了不同负重方式下男性和女性老年人的各种步态参数。统计结果分析显示，负重方式与性别因素无交互作用（P＞0.05），说明负重方式对不同性别老人的影响趋势是一致的。步速、支撑期、单支撑期、双支撑期、STV、COPml和 COPap在不同负重方式间均无显著性差异（P＞0.05）。在不同负重方式间步态周期、步长身高比及步频的差异如图2所示。

表1 男性和女性老年人在不同负重方式下的步态参数对比

（续表1）

由图2A可见，在单手提（P＜0.01）、肩背（P＜0.05）和怀抱（P＜0.01）几种负重方式下，步态周期较无负重情况均显著减小。对于几种不同的负重方式，怀抱和单手提的负重方式下步态周期较小，并且显著小于双手提（P＜0.01）和肩背（P＜0.05）的情况。由图2B可见，标准化的步长（步长/身高）在怀抱负重方式下显著小于无负重和双手提的情况（P＜0.01），其他负重方式间的步长身高比均无显著性差异（P＞0.05）。由图2C可见，在单手提（P＜0.01）、肩背（P＜0.05）和怀抱（P＜0.01）几种负重方式下，步频较无负重情况均显著增大。对于几种不同的负重方式，怀抱负重方式下步频显著大于双手提（P＜0.01）和肩背（P＜0.05）的情况，其他负重方式间步频无显著性差异（P＞0.05）。单手提的负重方式下步频显著大于双手提的情况（P＜0.01）。不同负重方式下，步频和步态周期的变化规律大致呈相反的趋势。

图2 不同负重方式间步态参数的差异

不同性别间步态参数的差异性如图3所示，支撑期和单支撑期在步态周期中的占比具有非常显著的性别差异（P＜0.01）。男性支撑期占比显著高于女性，而单支撑期占比显著低于女性。其他步态参数在不同性别间均不存在显著性差异（P＞0.05）。

2.2 个体之间的步态参数对比

从统计结果来看，个体之间的步态参数差异较大，且在不同负重方式下的变化不存在一致性规律。如：图4为各被试在不同负重方式下的STV值。由图4可见，不同被试的STV值个体差异较大，且在不同负重方式下的STV差异性无固定规律。

3 讨论

3.1 不同负重方式对行走步态的影响

本研究中，10%体重的负重条件下行走，单手提、肩背、怀抱负重方式下的步频均显著高于无负重的情况，步态周期显著低于无负重的情况，步速在有无负重的情况下无显著性差异，而另外一些研究[10，22]的结果显示，在10%～20%负重的情况下，步速降低、步态周期增加，与本研究结果不一致。分析原因，可能是由于10%体重的负重对行走步态产生的影响较小，不足以造成行走策略的变化，但被试由于负重劳累，急于完成行走任务，因此自然的增加了步频，从而缩短了步态周期。双手提的负重方式下，各种步态参数与无负重情况均无显著性差异，说明双手提的负重方式对步态影响较小。

图3 不同性别间步态参数的差异

图4 各被试在不同负重方式下的STV值

与重心平衡和步态稳定性相关的STV和压力中心偏移量（COPml和COPap）在有无负重以及不同负重方式间均无显著性差异，进一步说明10%体重的负重量不足以对步态稳定性产生显著影响[23，24]。不同被试在不同负重方式下的步态参数变化无固定规律，说明对于不同个体，可能应对不同负重方式的步态调整策略各不相同。

3.2 负重对男性和女性行走稳定性影响的差异

一般来说，单足支撑时间缩短，提示下肢负重能力的下降。而步行障碍时往往首先表现为支撑时间延长，以增加步行稳定性[25]。在行走不稳定条件下，为了保持稳定性，一般人会主动减少单足支撑时间，延长双足支撑时间[26-28]。本研究中男性支撑期占比显著高于女性，而单支撑期占比显著低于女性，说明在负重条件下，男性主动变化步态以保持行走稳定性的能力优于女性，女性负重行走的跌倒风险更高，这与其他研究中的结果吻合[10，14]。

4 结论

本研究针对老年人不同负重方式下的步态参数进行了对比研究，初步分析了老年人负重对行走稳定性的影响。结果表明，10%体重之内的负重对老年人来说是可以接受的，双手提的负重方式对行走步态影响较小。女性负重行走的跌倒风险较男性更高，因此女性老年人负重行走时应更加小心。本研究只是针对该问题进行了小样本的探索性研究，得到了一些初步发现，下一步将继续增加样本量并设置不同负重等级，同时增加肢体运动及地面反力等参数的分析，以得到更多对于老年人负重行走具有指导意义的结论。