老年女性双任务范式楼梯行走下肢运动学与动力学参数重测信度研究

胡 秀，王疆娜，宋祺鹏，张 翠，孙 威，曹传宝，刘 芳

楼梯是造成老年人跌倒的主要外部因素之一，老年人群跌倒数据显示，楼梯行走过程中跌倒次数占比高达30%[1]。楼梯行走作为一种高危动作，对动作控制有更高的要求，需要调动更多的肌骨系统“功能余额”来维持行走稳定性[2]。双任务干扰，是造成老年人楼梯行走动作变异，跌倒风险增大的内部因素之一。双重任务被描述为人体同时执行2 种不同的任务，通常涉及注意力、工作记忆、执行能力等认知能力。随着年龄的增长，身体姿势控制能力和认知功能会不断下降，从而增加老年人楼梯行走的跌倒风险[3]。研究发现，老年人受到双任务干扰时，上楼梯身体质心与足底中心晃动幅度显著增大，行走稳定性显著降低[4]。下楼梯行走表现出步速、足间隙显著减小，步宽显著增加的步态特征[5]。

双任务范式被广泛应用在认知神经科学与姿势控制研究交叉领域，但是关于楼梯行走重测信度研究多集中在单任务，即无干扰的楼梯行走评估，尚缺乏双任务范式楼梯行走重测信度研究。重测信度[6]指，针对特定测试对象采用相同的测试方法来完成2次测试的过程，然后对这2 次测试结果的关系系数进行计算，因此也将其称为稳定性系数。重测信度评估多被应用于单一任务的楼梯行走步态分析研究中，如运动学测试、动力学测试和肌电测试等[7]。研究发现，老年人在单任务条件上楼梯过程中垂直地面反力的重测信度较好[8]。S.SAXER[9]等研究发现，不同速度条件楼梯行走过程中，运动学与动力学参数的重测信度良好。

楼梯行走是日常生活中常见步态动作之一，且姿势控制难度较大，是导致跌倒的主要原因之一。双任务情景中的姿势控制研究越来越受到关注，特别是在高风险环境-楼梯行走的姿势控制研究。但是对于该类研究的重测信度研究较少有涉及。重测信度研究具有重要意义，是科学准确的临床检测与健康评估的前提。目前研究已经证实双任务平地行走测试具有较好的重测信度[10]，但是很少有研究涉及双任务范式楼梯行走重测性分析。本文主要应用生物力学研究手段，采集双任务范式中楼梯行走运动学与动力学数据，通过对相关指标进行重测信度分析，以探讨不同范式中楼梯行走测试的重测可信度。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

招募山东体育学院附近小区（建大花园、雪山和苑）的老年女性受试者18 名，年龄（66.3±2.6）岁，身高（1.63±0.04）m，体重（57.3±8.2）kg，BMI（20.7±2.1）kg/m2。纳入标准：65~70 周岁、具有独立生活能力、无认知功能障碍、BMI 在正常范围内；排除标准：认知功能障碍、视力障碍、骨折病史、骨质疏松症、病理性晕厥和服用强心药等。受试者均完全了解试验流程，并签署知情同意书。

1.2 试验仪器

1.2.1 Vicon 运动捕捉系统 Vicon 三维运动捕捉系统总体划分为多个部分，软件部分主要由Vicon Nex‐us 1.7.1完成，硬件部分主要有红外摄像头和红外反光Mark球，属于整个系统的基础。通过二者的配合可以完成捕捉系统的功能，再将所有数据导入Visual3D（CMotion）计算运动学数据，包括步速、步长、步宽、步频、步态周期、单双支撑时长和单双支撑时长百分比，采集频率为100 Hz。

1.2.2 三维测力台 2 台三维测力台（Kistler，9287BA，9281CA）进行数据采集，计算楼梯行走过程中下肢动力学数据，采样频率为1 000 Hz。动力学数据包括F1：垂直地面反作用力的第1 峰值（first peak of the vertical ground reaction force）；F2：垂直地面反作用力曲线的波谷（trough of the vertical plantar pres‐sure curve）；F3：垂直地面反作用力的第2 峰值（sec‐ond peak of the vertical ground reaction force）。

1.2.3 模拟楼梯 根据现行国家标准《建筑设计防火规范》（GBJ16）模拟楼梯，共6 级台阶，梯高为17 cm，踏面深度为30 cm，踏宽为150 cm，并且在第3 与第4台阶分别镶嵌2台测力台[11]。

1.3 试验步骤

受试者分别在间隔1 周的时间内完成2 次相同楼梯行走测试。具体流程：测试时，受试者更换测试专用短裤、短袖和专用鞋，并进行身高体重测量。研究人员讲解试验过程，并确保每名受试者均完全理解。根据Visual3D 模型，研究人员将41 个反光mark 球黏贴在头部、躯干、骨盆和四肢等标准位置（见图1）。受试者分别在2种不同任务范式，从距离第1台阶15 cm处以最自然舒适速度进行上楼梯与下楼梯行走5 次，全程禁止越级跨越台阶，2 次间隔3 min。2 种任务范式：认知任务范式，即受试者在上下楼梯过程中进行100~999 随机三位数连续减3 的运算；动作任务范式，即受试者在楼梯行走的同时优势手持一盛水的水杯，重0.53 kg。

图1 Mark放置位置图Figure1 Mark Dot Location Map

1.4 数据处理

1.4.1 步态周期的划分 第1 双支撑相：右下肢首次着地（足跟着地）至左下肢足趾离地，即发生在步态周期的前10%；单支撑相：主要表示左脚离开地面到再次接触地面；第2双支撑相：主要表示左脚接触地面到右脚离开地面，一般处于步态周期的50%~60%范围内；摆动相：右脚离地到右脚着地[12]。

图2 步态周期划分图Figure2 Gait Cycle Division Chart

1.4.2 运动学及动力学数据的处理 采用Vicon Nex‐us，对mark球进行命名、删补运动轨迹，并根据步态周期的定义进行截取动作帧数，将截取后的数据重新命名并导出C3d 文件，再导入Visual3D 软件对静态及动态的C3d 文件进行深入处理及指标提取。首先，打开Visual3D 软 件，Model→create（Add static Calibration File）→Visual3D Hybrid Model 建立静态模型。采用Model-assign model to motion files，将静态模型与动态数据连接起来，选取完数据之后对运动学及动力学信号采用Pipline进行低通滤波，截止频率为6 Hz[13]。

1.5 分析指标

1.5.1 运动学指标 步速：表示质心在单个步态周期内移动的距离，即距离与步态周期时间的比值（m/s）；步长：表示右脚连续2次着地时踝关节中心的长度（m）；步宽：双支撑期左右脚踝关节中心点之间的距离（m）；步频：1 min内单步数（步/min）；步态周期：右脚着地至再次着地期间的时长（s）；单支撑时长：从一只脚离地到该脚再次着地的时长（s）；双支撑时长：一只脚着地到对侧脚离地时长（s）；单支撑时长百分比：1 个步态周期内单支撑时间占总步态周期的百分比（%）；双支撑时长百分比：1 个步态周期内双支撑时间占总步态周期的百分比（%）[14-15]。

1.5.2 动力学指标F1：垂直地面反作用力的第1 峰值；F2：垂直地面反作用力的波谷；F3：垂直地面反作用力的第2峰值[11]

1.6 统计学方法

所有参数表示为平均值±标准差。采用ICC评估2次数据组内相关系数，ICC值在0.00~0.39 表示重测信度差，0.40~0.59表示重测信度一般，0.60~0.74表示重测信度好，0.75~1.00表示重测信度非常好[16]。采用Bland-Altman 图描述2 次测试数据均值与差值的分布。

2 试验结果

上楼梯过程中，认知任务条件下，步长ICC=0.35，重测性差，步宽ICC=0.66，重测性好，其他指标ICC均在0.75~1.0 之间，重测信度非常好；动作任务条件下，步长ICC=0.24，重测性差，步宽ICC=0.46，重测性一般，其他指标ICC均在0.75~1.0之间，重测信度非常好（见表1）。下楼梯过程中，认知任务条件下，步长ICC=0.33，重测性差，步宽ICC=0.61，重测性好，单支撑百分比和双支撑百分比ICC=0.55，重测性一般，其他指标ICC均在0.75~1.0 之间，重测信度非常好；动作任务条件下，步长ICC=0.24，重测性差，F2、单支撑百分比和双支撑百分比ICC=0.57，重测性一般，其他指标ICC均在0.82~0.96 之间，重测性非常好（见表2）。认知任务和动作任务上下楼梯过程中，各指标2次测试差值的零值均落在95%置信区间内，2次测试差值均匀分布均值两侧，这种测量结果的差异位于一致性界限内，在临床上是可以接受的，因此2次测试具有较好的一致性（见图3~图4）。

表1 上楼梯认知任务和动作任务参数重测信度分析（M±SD）Table1 Retest Reliability Analysis Results of Walking up Stairs for Cognitive Tasks and Motor tasks

表2 下楼梯认知任务和动作任务参数重测信度分析（M±SD）Table2 Retest Reliability Analysis Results of Walking Down Stairs for Cognitive Tasks and Motor Tasks

图3 动作任务条件下楼梯行走下肢运动学和动力学参数的Bland-Altman图Figure3 Two Indicators of Lower Limb Kinematics and Dynamics Tested by Motor Task Conditions Bland-Altman

图4 认知任务条件下楼梯行走下肢运动学和动力学参数的Bland-AltmanFigure4 Two Indicators of Lower Limb Kinematics and Dynamics Tested by Cognitive Task Conditions Bland-Altman

3 讨 论

目前，针对楼梯行走重测信度的研究，主要集中在单任务条件下，而鲜有双任务重测信度的研究。因此，本研究旨在探讨老年女性在执行不同任务楼梯行走下肢运动学与动力学的重测信度，为双任务测试的重测信度提供数据支持。本研究间隔1 周，采用组内相关分析ICC进行测试分析，结果数据分布状态由Bland-Altman 图呈现。前人研究已证实，这种测量方法对于间隔1 周的重测性试验具有良好的可靠性[17]。在双任务范式条件下，步长ICC重测信度较差，步宽ICC重测信度一般，其他指标ICC均在0.80~0.99之间，重测信度非常好。

3.1 双任务范式相关参数重测信度分析

除步长，在双任务条件下楼梯行走过程中全部动力学及运动学数据ICC均较好，重测信度良好，与研究假设一致。在本研究中，步长重测信度较差，与C.STROUWEN 等[18]研究结果相反，原因可能是测试人群不同。C.STROUWEN 等[18]通过对帕金森病人在双任务条件下进行参数重测信度发现，步长的重测信度较好。因为帕金森病人在行走时患肢拖拉，多表现为小碎步，步态变异性较小，而正常人步态变异性较大，数据一致性较差，因此测试结果会出现偏差。在双任务条件下，步频[19]，步长，步速[18]，F1、F3[20]重测信度较高，这些指标可以用在双任务楼梯行走步态评估。此外还发现，步态周期、F2、单支撑时长、单支撑百分比、双支撑百分比等重测性也较高。前人研究认为，双任务模式中，运动功能的表现会受到第2任务的影响，第2 任务的出现将需要更多的认知资源，进而影响姿势稳定性以及相关参数的变异性[21]。同时，第2 任务的执行会占用部分大脑认知资源[22]。随着动作难度的增大，人体会将更多的注意力认知资源分配给姿势控制，从而确保安全。L.UFFE 等[23]发现，受试者在受到姿势干扰时会用预期姿势控制调整策略来减少干扰，而在双任务条件下预期姿势调整会增强，说明受试者在双任务条件下会首先确保姿势的稳定性。本研究选取的楼梯行走相比平地行走，其动作难度较大，测试对象往往需要对楼梯行走时的动作控制提供较多的认知资源，受此影响导致其重测信度偏高。

3.2 实际应用价值

很多研究者在双任务范式中姿势控制领域进行了研究，并得到了较多的研究成果，以此可以解释人脑的认知资源分配机制。本文针对上述问题进行研究，致力于通过双任务类型验证楼梯行走动力学与运动学参数的重测信度可靠。其中，双任务分别是动作任务与认知任务，二者分别为手持水杯、三位数减3，这2 个任务分别对应大脑的视觉-空间认知与执行功能需求。本试验结果证实认知任务和动作任务干扰下，楼梯行走参数的重测信度可靠。在基础和临床研究领域，研究人员进行楼梯行走双任务范式试验研究时，可以参考本研究结果选择步速、步宽、步频、支撑时长及其百分比等运动学参数以评价步行功能；选取三维方向的地面反作用力峰值以评价楼梯行走下肢受力特征。同时，本文提示研究人员在评价双任务范式中楼梯行走步长参数应保持谨慎选择态度。

本研究测试对象均为健康老年女性，且样本量有限，得到的数据信息比较片面，可能导致研究结果可靠性降低，因此后续研究可以设计不同程度患病的老年人进行对比，以获取更加准确的结果。

4 结 论

除步长指标，老年人在认知与动作任务状态所表现出的运动学、动力学参数重测信度及重测相关性较好，数据重测可信度较高。