刘敏 李玉茹 王健 王涛

(1北京大学人口研究所，北京 100871；天津体育学院 2体育教育与教育科学学院；3社会体育与健康科学学院)

到2050年，中国将成为全球最大的高龄老年群体国家〔1〕。中国老年人超重肥胖率在2014年已过半，跌倒在65岁以上老年人群中已是第一意外伤害死因〔2,3〕。超重肥胖及跌倒问题已严重影响中国老年人群的健康生活，超重肥胖老年人行走时的安全问题更是当今社会高度关注的问题。行走是老年人维持日常生活的基本能力，步速会因为日常情境和年龄的改变而发生变化，步态也会发生调整〔4〕。但对于超重肥胖老年人来说，由于体重过大、下肢负担过重、跌倒风险会高于正常体重老年人。已有研究表明，走路时老年人的跌倒风险增加〔5,6〕；老年人体重过大与行走时跌倒的发生关系密切〔7,8〕，是发生跌倒的主要危险因素〔9〕。因此，对不同步速下超重肥胖老年人的步态特征进行分析至关重要。

跌倒与步态密切相关〔10〕。中国对于步态的研究起于1982年〔11〕，虽然起步较晚，但关注度高，研究内容丰富。近年针对步行过程中的步态特征一直是国内外研究的热点〔12～14〕。本研究通过对超重肥胖老年人在不同速度行走时的步态运动学参数进行分析，探讨体重过大是否会影响老年人在不同步速行走时的步态特征。

1 对象与方法

1.1研究对象 选取天津市康宁津园养老院及附近社区老年人42名，根据中国人肥胖标准〔2〕，体重指数(BMI)>24 kg/m2的老年人为超重(O)组(20名)，18 kg/m218 kg/m2的老年人，近1年内无跌倒史、无运动功能障碍，在知情同意的基础上自愿参加此项研究，并填写知情同意书。排除标准：①患有影响行走的骨关节及肌肉性疾病或损伤；②患有严重高血压、心脏病；③患有精神疾病和认知语言听力功能障碍者。两组体重、BMI和体脂率有统计学差异(P<0.01)，而身高和年龄无统计学差异(P>0.05)。见表1。

表1 两组一般资料比较

1.2实验设备：采用德国BTS公司研发的SMART-DX系统中的动作实时撷取与评价分析模块(Motion Capture Model)进行数据采集。此模块又称为三维动作捕捉分析系统，包括红外高速摄像机、测力台和5 m步行台等硬件设施及SMART Analyzer和SMART Clinic等分析软件。SMART-DX系统以光学技术为基础，步行台和测力台组成的行走步道作为行走测试场地，通过红外高速摄像机对贴在受试者身上mark点(反光标记点)的运动轨迹进行三维重建，完成数据采集。

1.3测试方法 3种步速下的对比试验。于2019年4～7月在天津体育学院新校区运动技术诊断与优化实验室完成。实验室内平均温度24.37℃，平均湿度53.84%，均符合实验仪器所要求的实验环境。为了更好控制变量，并模仿日常行走状态，本研究采用节拍器控制与反复练习相结合的方法来控制步速。根据健康人的步长正常范围〔15〕，设定节拍器的速度分别是80、105、130次/min。为消除个人差异，以身高标准化下的平均速度作为速度划分依据，分别是1.05、1.41、1.74 m/s对应常速、快速及急行3种行走状态。在实验之前对受试者进行简单的培训，通过反复的练习，使受试者按照节拍器所控制的速度自然的行走。正式实验时，两组老年人均身穿紧身衣裤和受试者用鞋，依据节拍器节奏在步道上自然行走，收集3种步速下的时-空参数及下肢关节角度参数。

1.4主要观察指标 不同步速下O组及C组老年人行走时的步态运动学参数，包括时-空参数及1个步态周期中着地和离地瞬间下肢关节角度。其中时间参数包括站立相及摆动相百分比、单支撑相及双支撑相百分比、1 min走步数及1个步态周期时长6个指标；空间参数包括步宽、步长及1个步态周期长度3个指标；下肢关节角度是指髋膝踝关节在三维层面活动度。其中，以1个步态周期中优先落地的下肢为步态运动学参数观察侧。

1.5统计学分析 采用SPSS26.0软件，受试者基线资料分析使用独立样本t检验，两因素重复测量方差分析用于组内效应、组间效应和交互效应分析，其中组内因素为步速，组间因素为肥胖程度，使用单因素方差分析对肥胖组老年人的步态特征进行分析。

2 结 果

2.1两组老年人时-空参数比较 时间参数重复测量方差分析结果显示，步速的组内效应的步态周期时长、双支撑相百分比和1 min走步数差异有统计学意义(F组内效应=34.889，P=0.000、F组内效应=3.963，P=0.029、F组内效应=91.408，P=0.000)；组间效应及交互效应时间参数差异无统计学意义(均P>0.05)。组内因素多重比较结果显示，与两组步速1.05 m/s比较，1.41 m/s和1.74 m/s的步态周期时长、双支撑相百分比均显著降低，1 min走步数显著增加(均P<0.05)；与步速1.41 m/s比较，1.74 m/s的步态周期时长显著降低，1 min走步数显著增加(均P<0.05)。与C组比较，O组的时间参数无显著性差异(P>0.05)。空间参数重复测量方差分析结果显示，步速的组内效应在步态周期长度、步长、步宽方面差异有统计学意义(F组内效应=19.645，P=0.000、F组内效应=10.183，P=0.000、F组内效应=4.561，P=0.015)；步速和肥胖程度在步长方面差异有统计学意义(F交互效应=3.504，P=0.037)；组间效应在空间参数上无统计学意义(均P>0.05)。组内因素多重比较结果显示，与两组步速1.05 m/s比较，1.41 m/s和1.71 m/s的步态周期长度和步长显著升高，1.41 m/s的步宽显著降低(均P<0.05)。与C组比较，O组的空间参数无显著性差异(P>0.05)。见表2。

表2 两组老年人不同步速下时-空参数比较

2.2两组老年人下肢关节角度比较 着地瞬间下肢关节角度重复测量方差分析结果显示，步速组内效应的膝屈伸角度差异有统计学意义(F组内效应=17.289，P=0.000)；组间效应及交互效应的着地瞬间关节角度差异无统计学意义(均P>0.05)。组内因素多重比较结果显示，与两组步速1.05 m/s比较，1.41 m/s和1.74 m/s的膝屈伸角度显著增加(均P<0.05)。与C组相比，O组的关节角度均无显著性差异(P>0.05)。离地瞬间下肢关节角度重复测量方差分析结果显示，步速组内效应的髋屈伸、踝背屈跖屈、膝内外旋和膝内收外展角度差异有统计学意义(F组内效应=9.367，P=0.000、F组内效应=8.557，P=0.001、F组内效应=13.399，P=0.000、F组内效应=9.971，P=0.000)；组间效应及交互效应的着地瞬间关节角度差异无统计学意义(均P>0.05)。组内因素多重比较结果显示，与两组步速1.05 m/s相比，1.41 m/s和1.74 m/s的髋屈伸和膝内收外展角度显著降低(均P<0.05)；与步速1.41 m/s相比，1.05 m/s和1.74 m/s的踝背屈跖屈角度显著降低，膝内外旋角度显著增加(均P<0.05)。与C组相比，O组的关节角度均无显著性差异(均P>0.05)。见表3。

表3 两组老年人不同步速下着地瞬间和离地瞬间下肢关节角度比较

3 讨 论

步态是人类步行时的行为特征，具有周期性和方向性。正常步态是人体自然状态下行进时的步态，是保障身体平稳的重要条件〔16〕。但由于老年人神经、肌肉、骨骼等身体机能协调控制能力及应对突发事件反应力下降，使老年人步态在应对各类行走情境时出现变化，引发跌倒风险。步态分析是目前应用于预测跌倒风险、指导跌倒预防和评价干预效果的客观测量方法。步态周期是指同侧脚跟离地跨出到再次着地时的行进过程，分为支撑相和摆动相两个阶段，共同完成步态在时间和空间的改变。支撑相又分为双支撑和单支撑相，双支撑时，一侧下肢支撑重量的同时，另一侧下肢的脚没有抬离地面，身体重心位于两腿之间，身体的重量均由两腿承担。而单支撑时，一侧脚离地，重心偏移到支撑腿上，身体全部重量由一侧下肢承担。重心由两腿承担的时间比例越大，身体越稳定；反之，重心偏离时间比例越大，身体稳定性越低，跌倒概率越大〔17〕。

三维步态分析系统是目前国际上科技含量高且能够客观、定量、全面地评定人体行走功能的现代化步态分析系统〔18〕。研究表明，BTS三维运动捕捉系统在步态时空参数和下肢髋膝踝关节角度等运动学参数上具有较高可信度〔19〕。本研究通过红外摄像捕捉，精准采集人体运行轨迹并三维成像，以此划分步态周期，得到的步态时间和空间参数精确度高。已有研究表明，步态的时间和空间参数是预测老年人跌倒的有效指标〔20～24〕。本研究与肖美痕〔25〕的研究结果基本一致，说明步速可显著影响老年人步态的时-空特征。老年人步行速度越快，平衡性越差，越容易发生跌倒。本研究说明超重肥胖的额外效应不具有显著性；但O组老年人的1 min走步数和双支撑相百分比在不同步速下均优于C组，站立相百分比和单支撑相百分比均低于C组。随着步速的增加，步态周期时长显著降低，而1 min走步数显著提高(P<0.05)，与戴昕等〔26〕研究结果基本一致。以上研究结果可知，随着年龄的增长，老年人身体机能退化，下肢肌肉力量和协调性下降，且对于超重或肥胖老年人来说，单腿支撑能力不能满足过高的体重负荷，为了尽力保持平衡不至跌倒，超重肥胖老年人会调整步态，增加步态周期时长和双支撑相，缩短单支撑相；但随着步速加快甚至急行时，1 min走步数增加、步频加快，双支撑相下降会使身体重心不稳，稳定性降低，容易发生跌倒。

下肢髋、膝、踝关节在三维层面的活动是行走运动的基础。在矢状面上，髋、膝、踝关节均做屈伸运动，髋屈伸完成大腿抬高动作，膝屈伸完成大小腿折叠动作，踝背屈跖屈完成脚背抬起落下动作。本研究结果显示，步速对着地瞬间的膝屈伸角度及离地瞬间的髋屈伸、踝背屈跖屈角度的组内影响显著，说明步速的改变会显著影响矢状面的髋、膝、踝关节活动。本研究结果显示，两组老年人着地瞬间的膝屈伸角度随步速增加而增加，说明步速越快，在着地瞬间，大腿抬高、小腿折叠的幅度越大。但O组老年人离地瞬间的髋屈伸角度随步速增加先减后增，这与步速加快导致身体前倾角度增大有关，加之肥胖超重老年人体重过大，一定范围内限制了髋关节的活动，但步速继续增加时，为了保持步速，大腿抬高、小腿折叠的幅度加大，髋屈伸角度增加；此外，两组老年人离地瞬间的踝背屈跖屈角度随步速增加先增后减，这与老年人肌力下降、机体反应力减弱及体重过大等原因有关，这些原因都有可能影响快速运动时踝关节屈曲活动，使老年人在快速运动状态下没有充分的时间做“勾脚”动作，这也是超重肥胖老年人在快速运动状态下容易跌倒的原因之一。在李旭鸿等〔27〕研究中，老年人的髋、膝和踝关节在离地瞬间也出现了类似的折线变化情况，说明老年人在支撑末期的下肢髋、膝、踝关节角度幅度变化均有差异。

在水平面上，髋、膝、踝关节均做内外旋运动，髋、膝关节旋转的目的是拓宽下肢支撑面，保持步态稳定，踝关节内外翻是髋、膝关节旋转所产生的效果，这是下肢关节链作用的必然结果，外在表现是“内外八字步”的步态特征。本研究结果说明步速对水平面上关节活动的显著影响只体现在离地瞬间的膝内外旋中，虽然着地瞬间的变化无显著性差异，但变化趋势同离地瞬间一致。尽管组间效应和交互效应不明显，但O组老年人的下肢髋、膝内外旋角度低于C组，说明超重肥胖老年人在不同步速下水平面上的下肢关节旋转幅度较小。

在冠状面上，髋和膝均做内收外展运动，其作用是降低肢体相对长度帮助实现“迈步”。本研究结果说明步速对冠状面上关节活动的显著影响只体现在离地瞬间的膝内收外展中；着地瞬间膝内收外展角度虽然无显著差异，但变化趋势是随步速增加而增加。超重肥胖老年人的髋内收外展角度在着地和离地瞬间均先增后减。说明随着步速变快，着地瞬间膝关节为实现迈步，会加大活动角度，而离地瞬间的膝内收外展角度减小说明步行速度越快，两腿之间的夹角减小，前后脚的横轴距离减小，此时身体稳定性变差，容易跌倒；而髋关节先增后减现象的产生可能与超重老年人体重负荷过大有关。在一定加速度下，髋关节变化幅度的增加使步速提高；但随着步速继续增加，由于体重对下肢的高度负荷，一定范围内限制了髋关节的活动，导致髋关节活动角度下降。但因为离地瞬间下肢大肌肉群做离心运动，需克服阻力做功，而超重老年人由于身体功能退化，下肢控制力下降，导致离地瞬间下肢角度的变化加大，更容易发生跌倒。