老年人标准化单腿直立起踵测试与平衡能力特征参数的关系

徐 菁，陈 浩，王国宇，马国东，陈 佑，徐 飞

(1. 杭州师范大学体育与健康学院，浙江 杭州 311121; 2. 吉林体育学院运动人体科学学院，吉林 长春 130022)

0 前言

平衡能力随年龄增加、肌力表现(muscle performance)下降而逐渐降低[1-3].美国疾病预防与控制中心(CDC)公布的数据表明，老年人因为平衡能力下降而导致的损伤逐年增加，65岁以上老年人有1/3会出现跌倒情况，其中20%—30%的跌倒者会出现严重损伤，涉及的医疗支出高达每年上百亿美元，这已成为一个重要的公共健康问题[1,4].

平衡能力是指当出现姿势威胁时，身体保持稳定和控制身体质心(center of mass，CoM)与支撑面(BOS)相对关系的能力[3,5-7].有研究初步发现老年人跖屈肌的肌力表现(力量、耐力)与步态参数存在显著的线性关系[8]，当老年女性踝关节跖屈和膝关节伸肌疲劳时平衡能力显著降低[8].健康老年人和年轻人遇到姿势干扰(perturbation)时，跖屈肌疲劳程度和平衡稳定的耗时(从姿势干扰出现到重建平衡的时间)存在显著相关[9]，提示踝关节跖屈肌力量对平衡能力有重要影响[3,7].所以，通过评估下肢远端(踝关节)肌肉力量、耐力与平衡的关系有可能具有临床应用价值.

有人提出通过评价踝关节跖屈肌力量与耐力来预测平衡能力的设想[10]，但目前评价踝关节肌力表现的两种方法(徒手和等速肌力测试)有一定的局限性，前者主要是根据施测者对受试者完成踝关节最大自主收缩的肌力进行分级，由施测者评价踝关节肌力，量化和精确化程度不高.而踝关节等速肌力测试虽然准确，但因仪器昂贵而难以普及和推广[11].所以，建立一种安全、便捷、有效的评价老年人踝关节跖屈肌力的方法，对评价、预测老年人跌倒风险有很好的现实意义和应用价值.单腿直立起踵测试(single leg standing heel rise test，HRT)可作为评价踝关节跖屈肌力量和耐力的替代性指标[12].基于此，本研究通过标准化单腿直立起踵测试(HRT)评价踝关节跖屈肌的肌力表现，考察老年人HRT结果与平衡特征参数的关系，以期为通过科学化锻炼预防老年人跌倒、探索运动防护手段提供参考.

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

通过社区、街道居委会招募受试者，共278人报名参与.在口头问询国际体力活动量表(International Physical Activity Questionnaire-Short Form，IPAQ-SF)[13]后，依据以下标准纳入受试者：(1)≥65岁的健康老者；(2)无严重心血管系统疾病、无体重偏轻和肥胖(18.5

1.2 研究方法与测试指标

1.2.1 单腿直立起踵(HRT)标准化测试

据前人研究[14-16]和预实验结果，修改并制定本研究的标准化HRT测试方案：用反光胶带标记足跟最低处，在确认受试者单腿直立最大提踵距离后，通过参考尺在70%最大提踵距离处留置标记.受试者充分休息后以优势腿赤足单腿直立、前脚掌置于25 kg杠铃片上，双手指尖触墙以保持平衡，听口令后按要求跟随电子节拍器完成连续起踵(节奏30次/min).起踵后下落时要求脚跟最低处达到或低于杠铃片上沿水平面.测试时保持测试腿直立、不能屈膝，当经口头鼓励后连续3次起踵未能达到70%最大起踵高度或无法坚持则终止测试，回放录像确认有效HRT次数.HRT在相同环境独立测试两次，两次测试间至少间隔48 h.

1.2.2 平衡能力特征参数测试

踝关节内外侧倾角峰值(peak medial-lateral inclination angle，PML)：粘贴反光标记点以建立身体节段三维坐标.受试者以正常步速行走3 m完成步态分析，6台摄像机拍摄反光球位置以捕捉步态(采样频率60 Hz)，T-Wand校正摄像机(390 mm)、L-Frame建立空间坐标，Qualisys动作捕捉分析系统(Gothenburg，Sweden)进行解析.通过Visual 3D vertion4软件(C-Motion Inc，USA)滤波后建立标准化人体模型，用Lee等[17]建立的方法确定受试者优势腿在步态支撑相时身体质心-压力中心(CoM-CoP)踝关节内外侧方向倾角峰值(PML).

CoP位移参数：CoP由地面反作用力(Ground Reaction Force，GRF)决定，测2次取均值.GRF通过OR6-7型AMTI测力台(Watertown，USA)测量，采样频率1 500 Hz.通过受试者步态周期中测试脚支撑期CoM、CoP的连线，参照通过CoP的垂线，计算额状面(frontal plane)内外侧倾角峰值(PML).研究证实，步态稳定性较差的老年人CoP内外侧倾角增大[17].受试者双臂放松置于体侧，双脚自然开立站立于测力台上，分别完成睁眼(eyes open，EO)、闭眼(eyes close，EC)条件下的平衡测试.测试时，受试者集中精力，听口令后，尽力保持身体稳定至少30 s(图1A).计算CoP位移参数以评价静态平衡能力[18]：CoP位移(displacement)的平均偏差(mean deviation of CoP，MDCoP)，CoP在ML、AL方向位移的均方根值(root mean square，RMSML和RMSAP)，CoP位移的总均方根值(RMST).CoP平均偏差(MDCoP)为所有数据点偏离CoP中心点的平均位移.各平衡特征参数取两次有效测试值的均值纳入分析.

A:测试示意图；B:CoP位移轨迹；C:测试时间内CoP位移幅值.

1.3 数据统计

结果用均数±标准差(x±s)表示.连续型变量经K-S检验符合正态分布，两次有效测试结果的重测信度用组内相关系数(intra-class correlation coefficient，ICC)表示.睁眼、闭眼条件下CoP特征参数的比较采用配对t检验.HRT计数与CoP特征参数的关系用Pearson相关进行统计，显著性差异临界值置为α=0.05(P<0.05).计算效应量d，d=0.8、0.5、0.2分别对应大、中、小的效应量.

2 研究结果

2.1 单腿直立起踵和平衡能力测试的重测信度

两次HRT测试的ICC=0.96，PML(ICC=0.82)和睁眼、闭眼条件下静态平衡特征参数的ICC=0.81～0.91，见表1.

表1 单腿直立起踵和平衡能力测试的重测信度Tab.1 The test-retest reliability of HRT and balance parameters

2.2 单腿直立起踵与内外侧倾角峰值的关系

受试者优势腿踝关节内外侧倾角峰值为3.3±2.06°，HRT与PML呈中度负相关(r=-0.505，P<0.05，见图2).

注：较小的PML倾角提示更好的平衡能力.ML方向倾斜度峰；单腿直立起踵.下图同.

2.3 单腿直立起踵与静态平衡特征参数的关系

2.3.1 睁眼和闭眼条件下静态平衡特征参数的差异

受试者睁眼条件下CoP位移的各参数(CoP MD、RMSML、RMSAP和RMST)均低于闭眼对应值，仅CoP前后位移的均方根值(RMSAP)有显著差异且具有大效应量(P<0.01，d=1.10>0.8)，见表2.提示闭眼条件下，CoP前后方向的控制能力是评价平衡、预测跌倒的重要指标.

2.3.2 单腿直立起踵与睁眼条件下静态平衡特征参数的关系

睁眼条件下静态平衡测试发现(见图3)：HRT分别与MD(r=-0.571，P<0.01)、RMSML(r=-0.443，P<0.05)、RMST(r=-0.528，P<0.05)呈中度负相关，与RMSAP(r=-0.301，P>0.05)无显著相关性.

表2 睁眼、闭眼条件下静态平衡特征参数的差异Tab.2 The differences of static balance parameters in EO and EC condition

注：CoP位移幅值小，提示静态平衡能力更好.

2.3.3 单腿直立起踵与闭眼条件下静态平衡特征参数的关系

闭眼条件下静态平衡测试发现(见图4)：HRT分别与MD(r=-0.445，P<0.05)、RMSAP(r=-0.554，P<0.01)、RMST(r=-0.516，P<0.05)呈中度负相关；与RMSML(r=-0.402，P>0.05)无显著相关性.

图4 单腿直立起踵次数与闭眼条件下静态平衡的相关性Fig.4 The pearson correlation coefficient of HRT and static balance parameters in eyes closed condition

3 讨论

3.1 标准化单腿直立起踵测试评价踝关节肌力表现

本研究HRT的ICC=0.96，与近期研究发现HRT的ICC=0.92～0.98[19]和0.95～0.99[12]的结果一致，说明本研究采用的标准化HRT信度高，评价踝关节跖屈肌的肌力表现有很好的一致性，这为考察HRT与平衡能力的关系提供了可靠基础.本研究还发现，老年人标准化HRT平均为21±6.15次，低于前人汇报的平均25次[14]、27次[15]的结果.虽然各项研究结果因受试者年龄、锻炼习惯和种族差异等原因不宜进行直接比较，但笔者认为本结果能够准确反映受试者踝关节跖屈肌的肌力表现：因为本研究受试者同质性(年龄跨度较小67.3±4.5岁)高于国外研究(20—59岁)[14]，且HRT测试标准高于前人研究[14-15]：本研究不仅要求受试者每次起踵达到70%最大起踵高度，还对起踵频率进行了界定，并要求起踵时足跟达到或低于脚掌平面，这对踝关节跖屈(比目鱼肌、腓肠肌)和背屈(胫骨前肌)都提出了明确要求，较大程度上保证研究方案的可重复性和研究结果的效度.

3.2 单腿直立起踵与踝关节内外侧倾角峰值的关系

行走过程中，踝关节内外侧倾角反映踝关节的稳定性[10].当跌倒发生时，人体首先采用踝关节策略进行平衡的控制和调整，当踝策略无法控制时程序性地启动髋策略调整[20].而平衡机能障碍的老年人在无障步态和越障步态时踝关节倾角显著大于健康老人，所以他们认为踝关节内外侧倾角峰值(PML)是评价老年人步态稳定性和动态平衡能力的敏感指标[20]，但该项描述性对比研究并未建立踝关节肌力表现与平衡控制能力的关系.本研究发现，老年人踝关节PML与HRT呈中度负相关(图1)，提示踝关节跖屈肌的力量与耐力是影响老年人步态稳定和动态平衡能力的重要指标.有研究证实，PML能够反映身体质心(CoM)的位移，而不受身高、步速的影响[10,17].所以，PML与HRT呈中度相关提示，HRT一定程度上可作为评价老年人跌倒风险的应用指标.但仍需研究HRT与平衡能力特征参数的关系，以确认上述推测.

3.3 睁眼和闭眼条件下老年人平衡特征参数的差异

通过控制视觉输入条件，分析安静站立时CoP-CoM、CoP-CoG的幅值与频率变化(计算平均偏差和均方根振幅)，是研究平衡能力的经典方法[6-7,18,21].因为视觉系统提供周围环境和身体运动的方向信息，是人体保持平衡时感觉输入的第一步[5,22].Blaszczyk等[23]发现屏蔽视觉通道会显著影响老年人下肢的非对称负荷表现，本研究发现老年人睁眼时CoP位移特征参数(CoP MD、RMSML、RMSAP和RMST)均低于闭眼对应值(见表1)，与Blaszczyk的研究一致.Hasan等的系列研究[18,21]也证实人体安静站立时CoP与CoG呈高度正相关(r=0.935，P<0.001)，说明老年人在保持平衡时对视觉信息的依赖程度高于前庭和肌肉本体感觉功能，而在开放视觉通道时，CoP位移特征参数(MD和RMS)是评价平衡控制能力的有效指标.

老年人闭眼状态下CoP在ML和AP方向的位移参数显著高于睁眼状态对应值[23].有意思的是，本研究仅发现老年人闭眼站立时CoP在AP方向位移的均方根值(RMSAP)显著高于睁眼对应值(P<0.01)且具有大效应量(d=1.10，表2)，说明屏蔽视觉通道后，肌肉本体感觉主导的平衡控制能力在CoP前后位移上呈现出显著差异.这与Kurz等(2018)[24]近期的研究结果一致，他们发现老年人单腿站立时CoP在AP方向位移程度显著大于ML方向.分析认为，人体前后方向平衡的精细调节，主要由踝关节跖屈与背屈动作模式实现[25]，结合踝关节跖屈肌疲劳后老年人平衡能力显著降低[8]和年轻人重建平衡稳态的耗时显著增加[9]的证据，提示RMSAP在评价老年人平衡能力和预测跌倒风险方面很可能是敏感指标.

3.4 单腿直立起踵与睁、闭眼状态下平衡特征参数的关系

机体主要通过视觉、前庭觉和本体感觉等三通道整合输入信息(integration sensory input)后输出运动指令而保持平衡[2,5-6,22]，睁、闭眼是研究中枢系统整合和运动控制的重要途径[5,22].有描述性研究发现，较小的CoP位移幅值与老年人较好的静态平衡能力有关[18,21]，但上述研究并未探讨跖屈肌力表现和平衡特征参数的关系.本研究发现，HRT与平衡特征参数呈中度负相关(图3、图4)，这印证了前人的研究[18].有意思的是，睁、闭眼条件下HRT与CoP参数呈现不同的特征，提示不同视觉条件下中枢神经系统(CNS)对平衡能力不同的运动控制调节机制[1].睁眼时，机体在三通道整合信息调控下，HRT与反映CoP位移总体水平的MD、RMST的相关性更高(分别为r=-0.571，r=-0.528)，此时，老年人CoP位移在ML、AP方向的随机扰动和反馈控制相对均衡，并无显著的位移差异，体现出老年人根据视觉信息反馈，通过肌肉效应器努力将CoP维持在中心点，以最大程度弥补肌力增龄性下降的平衡调节策略[5,22].这也说明老年人保持平衡时对视觉信息的依赖程度高于前庭和肌肉本体感觉功能[1,12].

闭眼状态时屏蔽了视觉通道，此时肌肉本体感觉对平衡保持能力的作用凸显[26].研究发现HRT与CoP RMSAP呈中度负相关(r=-0.554，图4)，结合睁、闭眼时仅CoP RMSAP出现显著差异的结果(表1)，有理由认为，老年人闭眼状态下RMSAP显著下降，有可能是CNS激活踝关节跖屈肌以调节静态平衡能力的重要表现.运动控制的有关研究证实，CNS参与调节踝关节不同方向肌肉的特异性激活，踝关节肌肉激活与平衡能力显著相关[24,27-28]：通过平衡板(wobble board)研究平衡控制的研究发现，CNS调控平衡策略主要是通过主导前后方向(AP direction)平衡策略的选择[27].De Ridder等[28]也证实，健康人群站立于万向单轴平衡板时其踝关节肌肉激活呈现出特定的方向性特征.而老年人的CoP在AP方向位移程度显著大于ML方向，同时踝关节跖屈肌的sEMG振幅和肌肉共激活程度显著增加[24,26].综上，CoP RMSAP有可能是反映老年人踝关节肌力出现增龄性下降时平衡控制能力降低的敏感指标，而HRT与RMSAP呈中度负相关，提示标准化HRT结果可考虑作为评价老年人平衡能力，尤其是静态平衡能力的参考指标.

4 结论

标准化HRT评价老年人踝关节跖屈肌力量和耐力有很好的一致性，具有高信度.HRT与老年人睁眼、闭眼状态下的平衡能力特征参数呈显著中度负相关，考虑到平衡能力的复杂机制和测评的必要性，可考虑将标准化HRT测试作为评价老年人踝关节跖屈肌肌力表现的场地测试方法.将来的研究需扩大样本量，进一步明确老年人标准化HRT与平衡能力的量化关系及可能的调控机制.