视觉剥夺前后老年人步态平衡调节机制

丁金娜 张孝权

(大连理工大学体育与健康学院盘锦分院，辽宁 盘锦 124221)

目前中国正面临老龄化问题，且人口老龄化程度正在逐年加深。根据第七次全国人口普查公报——人口年龄构成情况显示，60岁及以上人口数约为两亿六千万，占总人口的比例为18.70%，其中65 岁及以上人口数高达一亿九千万，占总人口的13.50%〔1〕。相比2010年，60岁以上老年人比重上升近6%，这给医疗、经济等方面带来了空前的压力。老年人由于年龄增长引发肌肉力量、维持平衡的能力下降及视力减退，这极大地增加了老年人跌倒的概率。跌倒会导致骨折、感染，甚至引起突发心血管疾病等，由于衰老的个体系统难以去修复和康复。由此可见，研究在视觉剥夺前后老年人步行过程中的平衡调节机制对预防老年人跌倒具有十分重要的意义。平衡能力指人体维持自身稳定性的能力，是人体重要的生理功能之一。平衡能力的维持主要依赖于视觉、前庭、本体感受系统的信息输入和中枢神经系统对所有信息的整合与对运动效应器的控制〔2〕。有步态平衡的研究显示，当支撑面相对稳定时主要依靠踝关节调节模式，当人体处于不稳定状态时则变成向髋关节调节模式，当外力干扰过大，使身体的重心超过其稳定极限时，采用跨步调节的方式维持平衡〔3〕。Hof等〔4〕对动态平衡进行研究，认为将步行中的人体比作是倒钟摆，通过比较质心在地面垂直投影位置加上质心速度与固有频率ω0的比值与双足支撑面的边界进行比较，从而衡量步行中的动态稳定度。已有诸多学者对包含健康、脑卒中偏瘫、膝骨关节炎等老年群体的步态平衡方式进行研究〔5～12〕，但是对视觉信号受阻情况下的老年人步态平衡调节机制研究较少。一些研究者将健康成年人视觉剥夺前后步态的上肢加速度、步速、步长、步宽等指标进行对比。也有学者比较老年人与年轻人在跑步机上步行时的步长与落地位置，研究表明视觉剥夺后老年人采用更加谨慎的步态模式，通常于迈步前期使用足部进行触觉探索〔13～16〕。利用Vicon红外高速运动捕捉系统对受试者视觉剥夺前后步态周期内的运动学数据和 Noraxon表面肌电测试仪对下肢肌肉力学指标进行同步采集，并进行比较分析，旨在探究视觉剥夺前后老年人步态平衡调节机制，从而降低跌倒损伤的风险，为老年人预防跌倒和科学锻炼提供有效的指导。

1 资料与方法

1.1研究对象 选取正常健康无损伤的老年女性受试者8例，年龄(68±1.6)岁，身高(160±3.1)cm，体重(53±6.2)kg。实验前对所有受试者进行问卷调查，保证其身体各方面功能良好，1年内无脊柱及下肢损伤，且在实验前24 h内未进行大强度运动。

1.2实验仪器 本实验使用英国产Vicon三维运动捕捉分析系统，包括8台MX-F40型号红外摄像头、Vicon Giganet专用主机、PC主机和标准配件等，收集频率为150 Hz，收集受试者视觉剥夺前后下肢髋、膝、踝关节运动学数据。根据系统中Plug-in Full body建立人体全身模型，将Marker点准确地粘贴在受试者全身。肌肉力学指标的采集使用Noraxon表面肌电测试仪，采样频率为1 500 Hz，腿部肌电贴片肌肉为股二头肌、股外侧肌、股直肌、股内侧肌、两侧胫骨前肌、腓肠肌。经数模转换器与Vicon三维运动捕捉分析系统同步。

1.3实验流程

1.3.1测试方法 受试者统一身穿实验室提供运动鞋、紧身上衣和短裤，保持站立位，双脚分开与肩同宽，使用游标卡尺对受试者的身高、体重、肘宽、膝宽、踝宽、腿长等身体形态指标参数进行采集。测试前在跑步机上步行5 min左右从而达到热身的目的，随后进行5 min静态拉伸活动。为减少实验环境变化对受试者步行动作的影响，热身拉伸后要求受试者在长约5 m的地面试走几次，直至可以正常测试。(1)视觉剥夺前步态测试：在日光源照射强度下，受试者目视前方，步速自选，在实验测试区域直线行走约5 m。每名受试者按照要求做3次规定动作，每次动作间隔3 min。(2)视觉剥夺后步态测试：确保无任何外界光源和视觉信号传入(使用不透光眼罩遮住受试者眼部)进行视觉剥夺后步态数据采集，受试者以自选速度在同一实验区域直线行走约5 m。每名受试者按照要求做3次规定动作，每次动作间隔3 min。

1.3.2研究阶段定义 本研究所有相关参数的采集与分析均来自步态周期中的支撑相和摆动相。本研究截取步态周期定义为从受试者左脚着地开始直至再次着地为止。同侧足跟着地的双支撑时相、同侧单支撑时相、对侧足跟着地双支撑时相分别定义为左足着地开始到右足离地为止、右足离地开始到右足再次着地为止、右足着地开始到左足离地为止；同侧摆动相定义为左足离地开始到左足再次触地为止。

1.3.3指标选取 步态周期需要全身各关节和周围肌肉联合运动的支持。其中，行走过程中活动幅度较为显著的关节是下肢的髋、膝、踝关节。(1)运动学指标为髋、膝、踝关节在矢状面内的角度。包括同侧足跟着地的双支撑时相、同侧单支撑时相、对侧足跟着地双支撑时相、同侧摆动相期间髋、膝、踝关节角度变化值；踝关节最大背伸角度；膝关节最大屈曲角度；髋关节最大屈伸角度。(2)肌电测试系统自带分析软件对肌电数据进行处理，对采集得到肌肉放电量进行整流、带通滤波，求得积分肌电值。

1.4统计学方法 采用SPSS17.0软件进行t检验。

2 结 果

2.1视觉剥夺前后老年人步态周期内运动学特征 视觉剥夺前后支撑相关节角度变化，同侧足跟着地的双支撑时相，视觉剥夺前后髋、膝、踝关节运动幅度变化差异无统计学意义(P>0.05)；在同侧单支撑时相，视觉剥夺前后髋关节均显著大于膝、踝关节(P<0.05)，且视觉剥夺前后髋、膝、踝关节运动幅度变化差异无统计学意义(P>0.05)；在对侧足跟着地的双支撑时相中，视觉剥夺后髋关节和膝关节运动幅度显著大于视觉剥夺前(P<0.05)；在同侧摆动相，视觉剥夺后踝关节和髋关节的运动范围与视觉剥夺前相比显著减小(P<0.05)。同侧足跟着地的双支撑时相，视觉剥夺前后髋关节和膝关节最大角度差异无统计学意义(P>0.05)，视觉剥夺后踝关节最大角度显著大于视觉剥夺前(P<0.05)；在同侧单支撑时相中，视觉剥夺后髋关节和膝关节最大角度与视觉剥夺前差异无统计学意义(P>0.05)，视觉剥夺后踝关节最大角度显著大于视觉剥夺前(P<0.05)；在对侧足跟着地的双支撑时相期间，下肢髋、膝、踝关节最大角度在视觉剥夺后均显著变大(P<0.05)；摆动相期间，髋、膝、踝关节的最大角度在视觉剥夺前后并无明显差异(P>0.05)。见表1。

表1 视觉剥夺前后关节角度变化及关节角度最大值比较

2.2视觉剥夺前后老年人步态支撑期的肌肉力学特征 视觉剥夺前后老年人步态支撑相下肢各肌肉积分肌电值如表2、3所示，其中左侧足跟着地时的双支撑相期间，右股二头肌、右胫前肌、左腓肠肌积分肌电值明显高于其他肌肉，但视觉剥夺前后下肢肌肉积分肌电值差异均无统计学意义(P>0.05)；在左侧单支撑相各肌肉积分肌电值中，右胫前肌、右股二头肌、右腓肠肌、左胫前肌明显高于其他肌肉，且视觉剥夺后右股直肌和右股外侧肌积分肌电值显著大于视觉剥夺前(P<0.05)；右侧足跟着地时的双支撑相中，左胫前肌、右股二头肌、右腓肠肌积分肌电数值明显高于其他肌肉，且视觉剥夺后左股直肌、右股直肌、右股外侧肌积分肌电值显著大于视觉剥夺前(P<0.05)；左侧摆动相时期，视觉剥夺后左股直肌和左股外斜肌的积分肌电值明显大于视觉剥夺前(P<0.05)。

表2 左侧足跟着地时双支撑相及单支撑相各肌肉积分肌电值比较

表3 右侧足跟着地时的双支撑相及左侧摆动相各肌肉积分肌电值比较

续表3 右侧足跟着地时的双支撑相及左侧摆动相各肌肉积分肌电值比较

3 讨 论

在步态周期中，人体会利用五个关键的运动功能来保证人体安全行走，包括维持人体站立稳定和机体平衡，调控足的运动轨迹，产生机械能提供人体前进的速度，吸收机械能来减少震动和维持稳定〔17〕。但老年人由于身体功能逐渐退化，在行走过程中不能有效地完成这五个运动功能，因此老年人跌倒的风险通常高于年轻人。同时，视觉是十分敏感的感觉功能，在人体还没有熟练掌握运动动作技能时，起着主导运动作用的是视觉〔18〕。人体行走过程是由中枢系统下达命令、机体平衡机制作用和协调机制调节所共同控制的复杂过程，由视觉、前庭感觉(位觉)和本体感觉相互联系、相互作用，经过大脑皮质的综合分析功能控制骨骼肌的活动来完成〔19～23〕。如果视觉发生障碍或缺失时，人体对方向的分辨能力和对平衡的维持能力均会减弱或丧失，给运动过程带来重要的影响。

本研究结果表明老年人通过增加踝关节背屈的程度来调控行走过程中姿态的不稳定状态，从而保持支撑期步态平衡。在对侧足跟着地的双支撑时相，失去视觉信号后，髋、膝关节的活动幅度与下肢三个关节的最大角度均表现出非常显著差异，即明显的受到了视觉信号传输受阻的影响老年人在这个时相内会采取减少髋关节伸展角度、增加膝关节屈曲角度、增加踝关节的背屈角度的步态模式的同时，增加髋关节与膝关节活动范围来维持步态正常。

本研究发现不同的骨骼肌在不同的步态支撑时相中担任相应的功能，视觉剥夺后行走过程中，肌肉必须做出改变以调控各个功能来弥补视觉信号的缺失带来的影响。在左侧下肢单支撑相中，视觉剥夺后行走时，右侧的股直肌和股外侧肌的激活程度明显高于视觉剥夺前，即非支撑侧的股直肌与股外侧肌会通过增加放电量、增强激活程度来代偿视觉信号的缺失。视觉信号的缺失使受试者双侧股直肌和右侧股外侧肌的激活程度明显增加，并以此来维持行走过程中机体的稳定和平衡。在足跟开始着地的双支撑相中，落地侧的胫前肌迅速激活进行离心运动限制踝关节跖屈的速度，实现足跟轴效应，启动膝关节屈曲完成承重反应期的震荡吸收。随后出现的单支撑相中，控制下肢的主要任务被转移到了踝关节伸肌群，与摆动腿协同作用共同维持身体平衡，由此可见，胫前肌是上述两个时相中被主要激活的肌肉。其次，在摆动相前的双侧支撑相中，股直肌、股内侧肌和股外侧肌提高激活程度抑制膝关节的屈曲，身体质量迅速转移到另一侧腿，以维持支撑期步态平衡，防止跌倒。

在摆动相期间，老年人通过减小摆动侧下肢髋关节和踝关节运动范围的同时维持膝关节的运动来尽量减少视觉信号缺失对平衡功能的影响。由于视觉信号被剥夺，老年人在行走过程中会通过增加支撑时期本体感觉信号的输入和减少摆动时期下肢运动幅度来保持步态的平衡和稳定，保证足部安全着地和重心的安全转移，从而缓解由视觉剥夺产生的紧张和不安。同时，采用这种谨慎的步态模式，还可以降低跌倒的风险。

由摆动相期间的下肢肌肉激活程度得出，髋关节屈曲，膝关节屈曲，踝关节背屈的协同活动使摆动腿股直肌、股二头肌、胫骨前肌激活程度明显较高。因为单足支撑相又可看作为右侧下肢的摆动相，因此可以得出，在人体两侧的单足支撑期中，视觉剥夺后摆动腿的股直肌和股外侧肌的积分肌电数值均明显大于视觉剥夺前。下肢由支撑相过渡到摆动相后，支撑相的平衡稳定性被打破，引起股直肌、股外侧肌激活程度升高，目的在于抑制膝关节的屈曲，视觉信号的缺失使得股直肌的激活程度明显增加。股直肌除了屈髋功能外，还具有充当膝关节屈曲时拮抗肌作用，起到在屈曲速度过快时的减速作用，因此视觉剥夺后，股直肌的放电量增加，来增加对膝关节角度的锁定。除此之外，股直肌和股外侧肌肌肉放电量增加的也提高了本体感觉信号的接收能力，从而进一步维持摆动相期间的步态平衡。

老年人主要依靠踝关节调节维持步态平衡，视觉剥夺前后老年人步态运动学和肌肉力学指标存在差异性。在视觉信号传入不足或缺失时，为达到维持平衡的目的，老年人会采用以踝关节调节为主，膝关节调节为辅的步态模式。视觉剥夺后摆动相膝关节的活动度明显增大，发生跌倒的风险高于视觉剥夺前。为防止跌倒和运动损伤的发生，建议老年人增强或维持下肢运动系统和平衡维持能力，通过合理的锻炼，加强踝关节和膝关节肌群的力量。