胡 秀，王疆娜，宋祺鵬，張 翠，孫 威，曹傳寶，劉 芳

樓梯是造成老年人跌倒的主要外部因素之一，老年人群跌倒數(shù)據(jù)顯示，樓梯行走過程中跌倒次數(shù)占比高達(dá)30%[1]。樓梯行走作為一種高危動作，對動作控制有更高的要求，需要調(diào)動更多的肌骨系統(tǒng)“功能余額”來維持行走穩(wěn)定性[2]。雙任務(wù)干擾，是造成老年人樓梯行走動作變異，跌倒風(fēng)險增大的內(nèi)部因素之一。雙重任務(wù)被描述為人體同時執(zhí)行2 種不同的任務(wù)，通常涉及注意力、工作記憶、執(zhí)行能力等認(rèn)知能力。隨著年齡的增長，身體姿勢控制能力和認(rèn)知功能會不斷下降，從而增加老年人樓梯行走的跌倒風(fēng)險[3]。研究發(fā)現(xiàn)，老年人受到雙任務(wù)干擾時，上樓梯身體質(zhì)心與足底中心晃動幅度顯著增大，行走穩(wěn)定性顯著降低[4]。下樓梯行走表現(xiàn)出步速、足間隙顯著減小，步寬顯著增加的步態(tài)特征[5]。

雙任務(wù)范式被廣泛應(yīng)用在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與姿勢控制研究交叉領(lǐng)域，但是關(guān)于樓梯行走重測信度研究多集中在單任務(wù)，即無干擾的樓梯行走評估，尚缺乏雙任務(wù)范式樓梯行走重測信度研究。重測信度[6]指，針對特定測試對象采用相同的測試方法來完成2次測試的過程，然后對這2 次測試結(jié)果的關(guān)系系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，因此也將其稱為穩(wěn)定性系數(shù)。重測信度評估多被應(yīng)用于單一任務(wù)的樓梯行走步態(tài)分析研究中，如運(yùn)動學(xué)測試、動力學(xué)測試和肌電測試等[7]。研究發(fā)現(xiàn)，老年人在單任務(wù)條件上樓梯過程中垂直地面反力的重測信度較好[8]。S.SAXER[9]等研究發(fā)現(xiàn)，不同速度條件樓梯行走過程中，運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)參數(shù)的重測信度良好。

樓梯行走是日常生活中常見步態(tài)動作之一，且姿勢控制難度較大，是導(dǎo)致跌倒的主要原因之一。雙任務(wù)情景中的姿勢控制研究越來越受到關(guān)注，特別是在高風(fēng)險環(huán)境-樓梯行走的姿勢控制研究。但是對于該類研究的重測信度研究較少有涉及。重測信度研究具有重要意義，是科學(xué)準(zhǔn)確的臨床檢測與健康評估的前提。目前研究已經(jīng)證實(shí)雙任務(wù)平地行走測試具有較好的重測信度[10]，但是很少有研究涉及雙任務(wù)范式樓梯行走重測性分析。本文主要應(yīng)用生物力學(xué)研究手段，采集雙任務(wù)范式中樓梯行走運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)數(shù)據(jù)，通過對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行重測信度分析，以探討不同范式中樓梯行走測試的重測可信度。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

招募山東體育學(xué)院附近小區(qū)（建大花園、雪山和苑）的老年女性受試者18 名，年齡（66.3±2.6）歲，身高（1.63±0.04）m，體重（57.3±8.2）kg，BMI（20.7±2.1）kg/m2。納入標(biāo)準(zhǔn)：65~70 周歲、具有獨(dú)立生活能力、無認(rèn)知功能障礙、BMI 在正常范圍內(nèi)；排除標(biāo)準(zhǔn)：認(rèn)知功能障礙、視力障礙、骨折病史、骨質(zhì)疏松癥、病理性暈厥和服用強(qiáng)心藥等。受試者均完全了解試驗(yàn)流程，并簽署知情同意書。

1.2 試驗(yàn)儀器

1.2.1 Vicon 運(yùn)動捕捉系統(tǒng) Vicon 三維運(yùn)動捕捉系統(tǒng)總體劃分為多個部分，軟件部分主要由Vicon Nex‐us 1.7.1完成，硬件部分主要有紅外攝像頭和紅外反光Mark球，屬于整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通過二者的配合可以完成捕捉系統(tǒng)的功能，再將所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入Visual3D（CMotion）計(jì)算運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)，包括步速、步長、步寬、步頻、步態(tài)周期、單雙支撐時長和單雙支撐時長百分比，采集頻率為100 Hz。

1.2.2 三維測力臺 2 臺三維測力臺（Kistler，9287BA，9281CA）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，計(jì)算樓梯行走過程中下肢動力學(xué)數(shù)據(jù)，采樣頻率為1 000 Hz。動力學(xué)數(shù)據(jù)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線的波谷（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 模擬樓梯 根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GBJ16）模擬樓梯，共6 級臺階，梯高為17 cm，踏面深度為30 cm，踏寬為150 cm，并且在第3 與第4臺階分別鑲嵌2臺測力臺[11]。

1.3 試驗(yàn)步驟

受試者分別在間隔1 周的時間內(nèi)完成2 次相同樓梯行走測試。具體流程：測試時，受試者更換測試專用短褲、短袖和專用鞋，并進(jìn)行身高體重測量。研究人員講解試驗(yàn)過程，并確保每名受試者均完全理解。根據(jù)Visual3D 模型，研究人員將41 個反光mark 球黏貼在頭部、軀干、骨盆和四肢等標(biāo)準(zhǔn)位置（見圖1）。受試者分別在2種不同任務(wù)范式，從距離第1臺階15 cm處以最自然舒適速度進(jìn)行上樓梯與下樓梯行走5 次，全程禁止越級跨越臺階，2 次間隔3 min。2 種任務(wù)范式：認(rèn)知任務(wù)范式，即受試者在上下樓梯過程中進(jìn)行100~999 隨機(jī)三位數(shù)連續(xù)減3 的運(yùn)算；動作任務(wù)范式，即受試者在樓梯行走的同時優(yōu)勢手持一盛水的水杯，重0.53 kg。

圖1 Mark放置位置圖Figure1 Mark Dot Location Map

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 步態(tài)周期的劃分 第1 雙支撐相：右下肢首次著地（足跟著地）至左下肢足趾離地，即發(fā)生在步態(tài)周期的前10%；單支撐相：主要表示左腳離開地面到再次接觸地面；第2雙支撐相：主要表示左腳接觸地面到右腳離開地面，一般處于步態(tài)周期的50%~60%范圍內(nèi)；擺動相：右腳離地到右腳著地[12]。

圖2 步態(tài)周期劃分圖Figure2 Gait Cycle Division Chart

1.4.2 運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)數(shù)據(jù)的處理 采用Vicon Nex‐us，對mark球進(jìn)行命名、刪補(bǔ)運(yùn)動軌跡，并根據(jù)步態(tài)周期的定義進(jìn)行截取動作幀數(shù)，將截取后的數(shù)據(jù)重新命名并導(dǎo)出C3d 文件，再導(dǎo)入Visual3D 軟件對靜態(tài)及動態(tài)的C3d 文件進(jìn)行深入處理及指標(biāo)提取。首先，打開Visual3D 軟 件，Model→create（Add static Calibration File）→Visual3D Hybrid Model 建立靜態(tài)模型。采用Model-assign model to motion files，將靜態(tài)模型與動態(tài)數(shù)據(jù)連接起來，選取完數(shù)據(jù)之后對運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)信號采用Pipline進(jìn)行低通濾波，截止頻率為6 Hz[13]。

1.5 分析指標(biāo)

1.5.1 運(yùn)動學(xué)指標(biāo) 步速：表示質(zhì)心在單個步態(tài)周期內(nèi)移動的距離，即距離與步態(tài)周期時間的比值（m/s）；步長：表示右腳連續(xù)2次著地時踝關(guān)節(jié)中心的長度（m）；步寬：雙支撐期左右腳踝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)之間的距離（m）；步頻：1 min內(nèi)單步數(shù)（步/min）；步態(tài)周期：右腳著地至再次著地期間的時長（s）；單支撐時長：從一只腳離地到該腳再次著地的時長（s）；雙支撐時長：一只腳著地到對側(cè)腳離地時長（s）；單支撐時長百分比：1 個步態(tài)周期內(nèi)單支撐時間占總步態(tài)周期的百分比（%）；雙支撐時長百分比：1 個步態(tài)周期內(nèi)雙支撐時間占總步態(tài)周期的百分比（%）[14-15]。

1.5.2 動力學(xué)指標(biāo)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 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

所有參數(shù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。采用ICC評估2次數(shù)據(jù)組內(nèi)相關(guān)系數(shù)，ICC值在0.00~0.39 表示重測信度差，0.40~0.59表示重測信度一般，0.60~0.74表示重測信度好，0.75~1.00表示重測信度非常好[16]。采用Bland-Altman 圖描述2 次測試數(shù)據(jù)均值與差值的分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果

上樓梯過程中，認(rèn)知任務(wù)條件下，步長ICC=0.35，重測性差，步寬ICC=0.66，重測性好，其他指標(biāo)ICC均在0.75~1.0 之間，重測信度非常好；動作任務(wù)條件下，步長ICC=0.24，重測性差，步寬ICC=0.46，重測性一般，其他指標(biāo)ICC均在0.75~1.0之間，重測信度非常好（見表1）。下樓梯過程中，認(rèn)知任務(wù)條件下，步長ICC=0.33，重測性差，步寬ICC=0.61，重測性好，單支撐百分比和雙支撐百分比ICC=0.55，重測性一般，其他指標(biāo)ICC均在0.75~1.0 之間，重測信度非常好；動作任務(wù)條件下，步長ICC=0.24，重測性差，F(xiàn)2、單支撐百分比和雙支撐百分比ICC=0.57，重測性一般，其他指標(biāo)ICC均在0.82~0.96 之間，重測性非常好（見表2）。認(rèn)知任務(wù)和動作任務(wù)上下樓梯過程中，各指標(biāo)2次測試差值的零值均落在95%置信區(qū)間內(nèi)，2次測試差值均勻分布均值兩側(cè)，這種測量結(jié)果的差異位于一致性界限內(nèi)，在臨床上是可以接受的，因此2次測試具有較好的一致性（見圖3~圖4）。

表1 上樓梯認(rèn)知任務(wù)和動作任務(wù)參數(shù)重測信度分析（M±SD）Table1 Retest Reliability Analysis Results of Walking up Stairs for Cognitive Tasks and Motor tasks

表2 下樓梯認(rèn)知任務(wù)和動作任務(wù)參數(shù)重測信度分析（M±SD）Table2 Retest Reliability Analysis Results of Walking Down Stairs for Cognitive Tasks and Motor Tasks

圖3 動作任務(wù)條件下樓梯行走下肢運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)的Bland-Altman圖Figure3 Two Indicators of Lower Limb Kinematics and Dynamics Tested by Motor Task Conditions Bland-Altman

圖4 認(rèn)知任務(wù)條件下樓梯行走下肢運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)的Bland-AltmanFigure4 Two Indicators of Lower Limb Kinematics and Dynamics Tested by Cognitive Task Conditions Bland-Altman

3 討 論

目前，針對樓梯行走重測信度的研究，主要集中在單任務(wù)條件下，而鮮有雙任務(wù)重測信度的研究。因此，本研究旨在探討老年女性在執(zhí)行不同任務(wù)樓梯行走下肢運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)的重測信度，為雙任務(wù)測試的重測信度提供數(shù)據(jù)支持。本研究間隔1 周，采用組內(nèi)相關(guān)分析ICC進(jìn)行測試分析，結(jié)果數(shù)據(jù)分布狀態(tài)由Bland-Altman 圖呈現(xiàn)。前人研究已證實(shí)，這種測量方法對于間隔1 周的重測性試驗(yàn)具有良好的可靠性[17]。在雙任務(wù)范式條件下，步長ICC重測信度較差，步寬ICC重測信度一般，其他指標(biāo)ICC均在0.80~0.99之間，重測信度非常好。

3.1 雙任務(wù)范式相關(guān)參數(shù)重測信度分析

除步長，在雙任務(wù)條件下樓梯行走過程中全部動力學(xué)及運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)ICC均較好，重測信度良好，與研究假設(shè)一致。在本研究中，步長重測信度較差，與C.STROUWEN 等[18]研究結(jié)果相反，原因可能是測試人群不同。C.STROUWEN 等[18]通過對帕金森病人在雙任務(wù)條件下進(jìn)行參數(shù)重測信度發(fā)現(xiàn)，步長的重測信度較好。因?yàn)榕两鹕∪嗽谛凶邥r患肢拖拉，多表現(xiàn)為小碎步，步態(tài)變異性較小，而正常人步態(tài)變異性較大，數(shù)據(jù)一致性較差，因此測試結(jié)果會出現(xiàn)偏差。在雙任務(wù)條件下，步頻[19]，步長，步速[18]，F(xiàn)1、F3[20]重測信度較高，這些指標(biāo)可以用在雙任務(wù)樓梯行走步態(tài)評估。此外還發(fā)現(xiàn)，步態(tài)周期、F2、單支撐時長、單支撐百分比、雙支撐百分比等重測性也較高。前人研究認(rèn)為，雙任務(wù)模式中，運(yùn)動功能的表現(xiàn)會受到第2任務(wù)的影響，第2 任務(wù)的出現(xiàn)將需要更多的認(rèn)知資源，進(jìn)而影響姿勢穩(wěn)定性以及相關(guān)參數(shù)的變異性[21]。同時，第2 任務(wù)的執(zhí)行會占用部分大腦認(rèn)知資源[22]。隨著動作難度的增大，人體會將更多的注意力認(rèn)知資源分配給姿勢控制，從而確保安全。L.UFFE 等[23]發(fā)現(xiàn)，受試者在受到姿勢干擾時會用預(yù)期姿勢控制調(diào)整策略來減少干擾，而在雙任務(wù)條件下預(yù)期姿勢調(diào)整會增強(qiáng)，說明受試者在雙任務(wù)條件下會首先確保姿勢的穩(wěn)定性。本研究選取的樓梯行走相比平地行走，其動作難度較大，測試對象往往需要對樓梯行走時的動作控制提供較多的認(rèn)知資源，受此影響導(dǎo)致其重測信度偏高。

3.2 實(shí)際應(yīng)用價值

很多研究者在雙任務(wù)范式中姿勢控制領(lǐng)域進(jìn)行了研究，并得到了較多的研究成果，以此可以解釋人腦的認(rèn)知資源分配機(jī)制。本文針對上述問題進(jìn)行研究，致力于通過雙任務(wù)類型驗(yàn)證樓梯行走動力學(xué)與運(yùn)動學(xué)參數(shù)的重測信度可靠。其中，雙任務(wù)分別是動作任務(wù)與認(rèn)知任務(wù)，二者分別為手持水杯、三位數(shù)減3，這2 個任務(wù)分別對應(yīng)大腦的視覺-空間認(rèn)知與執(zhí)行功能需求。本試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)認(rèn)知任務(wù)和動作任務(wù)干擾下，樓梯行走參數(shù)的重測信度可靠。在基礎(chǔ)和臨床研究領(lǐng)域，研究人員進(jìn)行樓梯行走雙任務(wù)范式試驗(yàn)研究時，可以參考本研究結(jié)果選擇步速、步寬、步頻、支撐時長及其百分比等運(yùn)動學(xué)參數(shù)以評價步行功能；選取三維方向的地面反作用力峰值以評價樓梯行走下肢受力特征。同時，本文提示研究人員在評價雙任務(wù)范式中樓梯行走步長參數(shù)應(yīng)保持謹(jǐn)慎選擇態(tài)度。

本研究測試對象均為健康老年女性，且樣本量有限，得到的數(shù)據(jù)信息比較片面，可能導(dǎo)致研究結(jié)果可靠性降低，因此后續(xù)研究可以設(shè)計(jì)不同程度患病的老年人進(jìn)行對比，以獲取更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

4 結(jié) 論

除步長指標(biāo)，老年人在認(rèn)知與動作任務(wù)狀態(tài)所表現(xiàn)出的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)重測信度及重測相關(guān)性較好，數(shù)據(jù)重測可信度較高。