基于双任务范式下楼梯行走运动学与动力学特征研究

摘 要：目的：探讨认知任务和动作任务对下楼梯过程中运动学和动力学的影响。方法：选取37名受试者在单任务、认知任务及动作任务条件进行下楼梯行走，并采集运动学和动力学数据。结果：两种双任务状态下的步态特征、负载率、下肢关节力矩和功率与单任务状态相比显著降低。与认知任务相比，受试者在动作任务下有较低的膝关节屈/伸范围、负载率、髋屈曲力矩峰值、伸膝力矩第一峰值、踝跖屈力矩第一峰值、膝关节功率缓冲第一峰值和较小的步宽。结论：双重任务对下楼梯行走的运动学和动力学参数有显著影响，进一步的研究可以关注于双任务的复杂程度对楼梯行走过程中生物力学参数的影响。

关键词：双任务;关节力矩;步态;楼梯行走

中图分类号：G804.6  文献标识码：A  文章编号：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

作者简介：何培东（1974- ），男，山东济南人，硕士，讲师，研究方向运动与健康促进。

楼梯行走是一项危险且具有挑战性的任务活动[1]，大约有75%的楼梯坠落事件发生在下楼梯过程中[2]。双任务范例常用于研究主要任务和次要任务之间的干扰，如走路（主要任务）同时说话（次要任务）。这种干扰是由于注意力的能力或资源有限而造成的[3]。根据能力共享理论，认知资源的容量是有限的。如果同时执行的两项任务超过了可用的认知资源，任务完成的能效就会下降[3]。

在双重任务的范例研究中，两种不同类型的双重任务，即认知任务（如计数/算术/Stroop测试）和手动任务（如拿著一个球/盒子/一杯水）被用作次要任务[3-5]。部分研究表明，认知和动作任务会对水平行走时的步态表现产生消极影[6-7]，减小步行时双脚足间距和髋屈曲角度[8]。部分研究则显示了与之不一致的结果，即在站立过程中，动作任务可以减少姿势的摇摆，增加姿势的稳定性[9-10]。此外，双任务的相关研究多数集中在平地行走或上楼梯动作分析，但下楼梯较少受到关注。本研究旨在探讨不同双任务类型对下楼梯过程中运动学和动力学特征的影响。本研究假设：1）下楼梯时，与单任务状态相比，在认知和动作任务条件下步态特征、下肢关节屈曲/伸展活动度、负载率、下肢关节力矩和下肢肌力显著降低;2）两种任务条件下楼梯行走运动学和动力学参数差异不显著。

1 研究方法

1.1 受试者

37名受试者（男性19名，女性18名;年龄：21.6±2.2岁;高度：1.72±0.47 m）自愿参加本研究，且签署山东体育学院伦理委员会批准的知情同意书。纳入标准为：年龄在20～30岁之间，无异常步态的病史并能够在不使用扶手的情况下下楼梯行走。排除标准包括任何认知障碍的病史，心血管、视觉和前庭功能缺陷，下肢关节置换或任何类型的神经肌肉控制障碍。

1.2 实验方案

在数据采集过程中，所有受试者被要求穿着不反光的紧身服装和运动鞋。所有受试者的右腿被确定为优势腿[11]。在测试前，研究人员向受试者解释测试方案，以确保他们能准确理解。受试者站在最上面的台阶上，脚趾放置距最高台阶边缘15 cm处，双眼直视前方。在每次试验开始时，受试者在收到研究人员“开始”命令后，优势腿首先迈步进行下楼梯行走，三种不同任务的测试顺序按照随机化原则。

1.3 任务条件

1）单任务条件：受试者在无干扰情况下以自选舒适速度下楼梯;2）认知任务条件：在下楼梯行走的同时进行随机三位数减3的运算;3）动作任务条件：优势侧手持一杯水（0.63 kg）下楼梯行走。

1.4 数据采集

为了收集本研究的数据，我们搭建了一个六级的模拟楼梯（每级台阶高17 cm，深29 cm）[12]。在楼梯第三级台阶上镶嵌测力平台（Kistler， 9287BA，瑞士）收集动力学数据，采集频率为1000 Hz。8个摄像头的Vicon系统（Vicon运动系统，Ltd.，牛津，英国）被用来捕捉运动学数据，采集频率设置为100 Hz。用双面胶布在皮肤或紧身衣的解剖标志上放置40个反光Marker点。经过三次练习后，在三种条件下分别进行了三次成功的数据采集。

1.5 数据处理

原始数据被导出到Visual 3D软件中（C-motion， Inc.， Germantown， MD， US）。构建15个静态刚体节段模型：头、躯干、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。运动学和动力学数据采用二阶巴特沃思低通滤波器进行滤波，截止频率分别为6 Hz、8 Hz[13]。步态周期被定义为从右脚碰触到第三台阶到右脚落于第一台阶。脚着地定义为测力台垂直方向的地面反作用力大于20 N时[14-15]。

1.6 测试指标

1）运动学参数：步态周期时间、步速、步频、步宽、双支撑时相时间、下肢髋膝踝关节屈伸运动幅度;2）动力学参数：负载率、髋膝踝关节屈伸力矩峰值及功率峰值。

1.7 统计学分析

应用SPSS 17.0软件（IBM， Armonk， NY， USA）单因素重复测量方差分析，探讨单任务、认知任务和动作任务条件下的运动学和动力学指标间差异的显著程度，采用Bonferroni校正进行两两比较。显著性水平设为0.05。

2 结果

2.1 运动学参数

表1显示，三种下楼梯任务在步速（F=31.42，P<0.001）、步宽（F=7.39，P<0.001）、步频（F=31.72，P<0.001）、步行时间（F=17.22，P<0.001）、双支撑（F=25.00，P<0.001）、髋关节屈/伸活动度（F=0.194，P=0.825）、膝关节屈/伸活动度（F=8.036，P=0.001）和踝关节屈/伸活动度（F=2.097，P=0.139）存在显著差异。

事后比较显示，与对照组相比，认知任务条件下的受试者有19%的步速变慢（P<0.001），19%的步频变慢（P<0.001），27%的步行时间变长（P=0.007）和8.2%的双支撑时长占比变高（P=0.013）。与对照组相比，动作任务条件下的受试者有20%的步速变慢（P<0.001），23%的步宽变窄（P=0.012），19%的步频减少（P< 0.001）， 25%的步行时间变长（P<0.001），10%双支撑时长占比变高（P=0.011）和3.7%的膝关节屈/伸活动度减少 （P=0.022）。与认知任务组相比，动作任务组的步宽减少24%（P=0.012），膝关节屈/伸活动度减少5.2% （P=0.022）。

2.2 动力学参数

表2显示，在三种下楼梯任务中负载率（F=31.67，P<0.001）、髋关节屈曲力矩峰值（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）、髋部力量产生第二峰值（F=9.93，P<0.001）、膝关节功率缓冲第一峰值（F=19.02，P< 0.001）、膝关节功率缓冲第二峰值（F=17.66，P<0.001）、踝关节功率缓冲峰值（F=18.68，P<0.001）和踝关节功率产生峰值（F=3.22，P=0.030）之间存在显著差异。

认知任务条件下的受试者比对照组的负重率降低24% （P<0.001），髋部功率产生第二峰值低26%（P=0.012），膝關节功率缓冲第二峰值减少15%（P=0.039），踝关节功率缓冲峰值少21%（P=0.044）。动作任务条件下的受试者比对照组的负重率低64%（P<0.001），髋关节屈曲力矩峰值低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），踝关节跖屈力矩第二峰值高19%（P=0.009）， 髋关节功率产生第二峰值减少38%（P=0.007），髋关节功率产生第二峰值少62%（P= 0.001），膝关节功率缓冲减少23%（P<0.001），踝关节功率缓冲峰值减少37%（P< 0.001）与认知任务组相比，动作任务组的负重率降低了32%（P<0.001），髋部屈曲峰值降低了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），膝关节功率缓冲降低了54%（P= 0.002）。

3 讨论

本研究旨在确定认知和动作任务对年轻人下楼梯过程中运动学和动力学影响。我们的研究结果支持第一条假设。研究结果表明，受试者采用了一种“谨慎策略”，相比于单任务行走，双任务范式中人体均采用较慢的速度、较小的步频和较长的跨步时间。这两项任务对步态特征均产生不利影响，造成步态“消耗”，并可能增加步态中断的潜在风险，这与先前的研究在双任务条件下采用相对缓慢速度和步频的步态模式结果一致[16-18]。本研究发现，双支撑相位百分比的增加作为一种步态补偿策略，以对抗认知和动作任务的干扰。双支撑阶段的支撑面积比单支撑阶段更大，因此可能在楼梯行走过程中提供额外的稳定性。

与单任务条件相比，双任务条件下的受试者在下楼梯过程中的垂直地面反作用力负重率更低。较低的负重率可能是对双任务干扰相关的下楼梯活动适应性的表现。下楼梯过程中身体在人体三个解剖面进行运动[19]。当身体控制重心下移运动中，下肢肌肉须收缩发立控制身体稳定性，导致下肢关节负载增加[10]。双重任务干扰会占用部分大脑认知资源，为确保行走安全性，受试者会降低行走速度，减少下肢关节及整体受力，進而表现出下肢“软着陆”的现象，降低负重率。动力学结果还显示，在认知和动作任务下，受试者可以通过降低下肢关节力矩和功率能力来改变下楼梯的生物力学模式。在楼梯行走过程中，下肢的力矩和力量对稳定身体和降低跌倒风险起着重要的作用[20]。下楼梯要求下肢关节承受大范围的运动，膝关节和踝关节承受较高力矩和功率[19]。认知任务和动作任务下下肢关节力矩和功率的减少表明，认知或动作任务可能会从神经肌肉控制中分散一些认知资源，降低肌肉能力，重新分配下肢关节力矩和功率[21]。上述现象可能会导致下楼梯不稳定，造成跌倒高风险。

本研究不支持第二条假设。运动学结果表明，与认知任务相比，动作任务条件下的步宽明显减小，从而可能导致下楼梯过程中内外支撑面减小。Borelly的理论表明，支撑面越小，姿态控制的稳定性越差[22]。因此，在动作任务条件下，减小步宽会增加下降过程中侧向跌倒的潜在风险。动力学结果表明，动作任务对关节力学的负面影响比认知任务更严重。在早期站立阶段，负荷率、伸膝力矩第一峰值、膝关节吸收功率降低，而与认知任务相比在动作任务条件下，在站立末期，髋关节屈曲力矩和踝跖屈力矩第二峰值也降低。在下楼梯过程中，身体下降到下一个台阶，踝关节和膝关节吸收能量，从而减少落地冲击，提高稳定性[23]。站立腿的力矩对保持姿势稳定性也起着重要作用[23]。髋关节/膝关节/踝关节有足够的支撑力，可提高身体稳定性，减少跌倒发生的风险[24]。

认知任务条件和动作任务条件在运动学和动力学上的差异可以用多资源模型理论来解释。也就是说，如果两个任务共享相同的认知资源，则第二个任务的干扰会造成第一个任务效能降低[25]。在本研究中，下楼梯和动作任务属于运动任务，它们共用前额叶皮层、辅助运动区和前额叶区等神经元区域[26]。功能神经影像学研究表明，这些区域可能在人类运动控制中发挥重要的作用[27]。因此，与认知任务相比，受试者在动作任务中减少了他们的关节力矩和力量。

4 结论

综上所述，双任务的执行降低下楼梯行走时运动表现及下肢动力学特征，可能导致跌倒风险增大，特别是动作任务影响更加显著。因此，为避免下楼梯跌倒的发生，应减少行走过程中外界干扰，同时增加外界支撑提高身体稳定性。

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