恒定速度向加速/减速过渡与连续速度变化中制动力的逐级调控差异研究

《Biomechanics》：Step-by-Step Modulation of Braking and Propulsive Forces During Treadmill-Imposed Velocity Transitions Versus Continuous Velocity Change

　　

背景：按需调节步行速度是日常活动能力的基础，其实现依赖于对前后方向地面反作用力（GRF）的调控。然而，速度变化起始时刻的动力学控制尚未从持续变化过程中的控制中分离出来，也未排除瞬时速度的混杂影响。本研究旨在表征外部施加的速度过渡与连续速度变化过程中，制动峰值力（BF）与推进峰值力（PF）的逐级调控特征。方法：19名健康年轻成人在装有测力板的双带跑步机上行走，跑带速度按正弦模式调制。将恒定速度向加速过渡（CtoA）或向减速过渡（CtoD）分别与连续加速（ACC）和连续减速（DEC）进行比较。各结局变量均采用线性混合效应（LME）模型分析，以逐级跑带速度作为协变量。结果：在各条件配对中，BF和PF的条件×步级交互作用均显著（所有PFDR < 0.001；η²p = 0.042–0.223）。CtoA和CtoD中PF均在过渡步发生变化，而BF在CtoA中于过渡步变化、在CtoD中则延迟一步变化。这些变化不同于连续条件，且不能由瞬时跑带速度解释。垂直地面反作用力与时空参数未呈现与上述变化平行的改变。结论：跑步机施加的速度过渡诱发了与过渡起始相对应的制动力和推进力的逐级调控。然而，这些发现不能直接推广至平地行走中自主发起的速度变化。

研究背景：日常社区行走由短距离步行片段构成，其间频繁穿插启动、停止和步速改变，因此按需调节步行速度是功能性移动的基本要求，也是步态适应性评估的基础。从力学角度而言，调节速度比维持稳态步速更具挑战性，其实现依赖于对前后方向地面反作用力（GRF）的调控：加速时推进力增大，减速时制动力增大。理解这一动力学调控的组织方式，对于认识日常生活中的步态控制至关重要。步行速度是GRF的主要决定因素，稳态行走时垂直与前后方向力峰值随速度系统性增大，加减速过程中前后方向力冲量与速度正相关。然而，针对步行速度变化的动力学控制尚未得以阐明，主要原因有三：第一，从稳态行走向速度变化的过渡已有报道，但未在相同实验条件下与持续变化过程进行比较，状态过渡的控制可能具有独特性，正如步态启动不同于站立或稳态行走状态；第二，由于力随速度缩放，速度变化过程中的制动力或推进力改变可能仅反映该步的瞬时速度而非条件特异性调控，除非对瞬时速度加以控制；第三，自主发起的速度变化虽可被提示，但其幅度和加速度率可能仅被粗略指定，从而在受试者和试次间存在变异，既往研究中质心速度的变异系数从过渡前步到过渡步及过渡后步几乎翻倍，因此先前发现可能混杂了自主速度变化固有的不受控变异性。为分离过渡特异性控制，研究人员结合了三项要素：将每次速度过渡与同方向的连续速度变化进行比较；将每一步的瞬时跑带速度作为协变量纳入线性混合模型，以区分速度效应与个体间变异；速度变化通过装有测力板的跑步机以固定的时机、幅度和加速度率外部施加，使响应反映 imposed 变化而非自主发起的变化。本研究旨在表征健康年轻成人在外部施加的速度过渡中制动峰值力与推进峰值力如何逐级调控，并确定该调控是否不同于连续速度变化中的调控。研究人员预期，向加速的过渡会诱发制动峰值力立即下降和推进峰值力立即升高，而向减速的过渡则诱发相反变化；并进一步假设过渡步的这些变化不同于连续速度变化过程，且不能由瞬时速度解释。

研究方法：研究人员招募21名健康年轻成人（最终分析19名，女13名、男6名；年龄24.5 ± 1.8岁，身高164.4 ± 7.4 cm，体重59.8 ± 12.1 kg），纳入标准为年龄18–40岁且能完成3.5 min连续行走不疲劳，排除标准为体质指数超过30 kg/m²或存在可能影响步态的骨科或神经科疾病；基线跑带速度为1.09 ± 0.12 m/s，相当于由10米步行时间（4.60 ± 0.53 s）计算的最大平地步行速度的50%。研究经Kanagawa Rehabilitation Hospital机构审查委员会批准（批准号krh-2024-019），遵循赫尔辛基宣言，所有受试者签署书面知情同意。关键技术方法包括：（1）采用嵌入式测力板的双带跑步机（M-Gait, Motek Force Link）同步采集双侧跑带GRF与跑带速度，采样率300 Hz，GRF低于15 N置零、15 Hz低通滤波，跑带速度经50 ms移动平均平滑；（2）步行方案先以50%最大速度恒定行走30 s，取最后10步为基线期，随后3 min方案在恒定速度背景中间歇、不规则地施加5个正向和5个负向正弦速度调制周期，峰峰值幅度为最大速度的80%、周期为2π s，三种预设程序版本随机分配；（3）以线性混合效应（LME）模型分析主要结局（制动峰值力Peak BF、推进峰值力Peak PF）和次要结局（第一、第二垂直GRF峰值、步长、步时），分别对CtoA vs. ACC和CtoD vs. DEC配对拟合，以每步平均跑带速度和条件内周期序号为连续协变量，条件为二水平固定因子、步级为三水平有序因子（?1、0、+1），受试者为随机截距，条件×步级交互作用为主要关注项，采用Type III平方和与Satterthwaite自由度近似，事后连续步比较采用Kenward–Roger近似并以Bonferroni校正，条件×步级交互作用的原始p值以Benjamini–Hochberg（BH）法分别跨四个主要模型和八个次要模型校正错误发现率（FDR），并以受试者层面聚类自助法（2000次重复）进行敏感性分析。

研究结果：（1）跑带速度程序使各条件配对内步行速度与步级标签解耦：连续条件下跑带速度在Step ?1至Step 0间明显变化（ACC：1.10→1.37 m/s；DEC：1.11→0.78 m/s），过渡条件下同区间变化较小（CtoA：1.09→1.12 m/s；CtoD：1.09→1.06 m/s），较大变化出现在Step +1（CtoA：1.31 m/s；CtoD：0.81 m/s）；配对两条件在各步的跑带速度范围均有重叠，Step ?1跑带速度与恒速基线在各条件下均高度匹配（组内平均差异≤0.021 m/s）。（2）主要结局的条件×步级交互作用：在两个条件配对中，Peak BF和Peak PF的条件×步级交互作用均显著（所有PFDR < 0.001），效应量η²p从0.042（Peak BF，CtoA–ACC）至0.223（Peak PF，CtoD–DEC），表明各过渡条件下制动与推进力的逐级轨迹偏离相应连续条件。（3）制动峰值力的步级变化：CtoA中Peak BF在Step ?1较高（17.43%BW），至Step 0显著下降（16.51%BW；p = 0.020），至Step +1无显著变化（15.66%BW；p = 0.156）；ACC中Step ?1至Step 0无显著变化（14.12与14.10%BW；p > 0.999），至Step +1亦无显著变化（15.31%BW；p = 0.051）。DEC中Peak BF从Step ?1至Step 0显著下降（14.45→13.30%BW；p = 0.036），至Step +1无进一步显著变化（12.38%BW；p = 0.086）；CtoD中Step ?1与Step 0无差异（12.07与12.39%BW；p = 0.617），但Step +1显著升高（13.74%BW；p = 0.003）。因此CtoD–DEC的Peak BF交互作用反映的是两条件相反的逐级轨迹——DEC中Step ?1至Step 0下降、CtoD中Step 0至Step +1升高——而非仅CtoD本身的变化。（4）推进峰值力的步级变化：CtoA中Peak PF在每个连续步均显著升高（22.10→23.21%BW at Step 0，p = 0.004；→24.88%BW at Step +1，p = 0.001）；ACC中Step ?1与Step 0无差异（24.36与24.12%BW；p > 0.999），Step 0与Step +1亦无显著差异（22.94%BW；p = 0.060）。CtoD中Peak PF在每个连续步均显著下降（17.57→16.01%BW，p < 0.001；→13.56%BW，p < 0.001）；DEC中Step ?1与Step 0无差异（15.43与14.42%BW；p = 0.096），但Step +1显著升高（17.36%BW；p < 0.001），此升高与跑带速度在Step +2方向再加速（于Step +1步幅窗口内采样）相吻合。（5）次要结局：垂直GRF峰值的显著变化主要见于连续条件，唯CtoD中第二垂直GRF峰值在Step +1下降；第一垂直GRF峰值在ACC中Step +1显著升高（106.46与106.97%BW at Steps ?1和0 [p > 0.99]，升至111.76%BW；p < 0.001），在DEC中Step ?1至Step 0显著下降（107.02→103.71%BW；p = 0.002），CtoA与CtoD中无显著变化；第二垂直GRF峰值的CtoA–ACC交互作用经FDR校正后不显著（pFDR = 0.059），CtoD–DEC交互作用反映DEC中Step +1显著升高（101.67→106.13%BW；p < 0.001）与CtoD中Step +1显著下降（104.12→102.11%BW；p = 0.012）。步长仅在CtoA–ACC配对中交互作用显著（pFDR < 0.001），表现为ACC逐渐下降而CtoA逐渐上升的分离轨迹，但两条件均无相邻步比较显著；CtoD–DEC配对中步长交互作用不显著（pFDR = 0.387）。步时仅在CtoD–DEC配对中交互作用显著（pFDR < 0.001），DEC中步时从Step ?1至Step 0显著缩短（0.73→0.65 s；p < 0.001）、从Step 0至Step +1显著延长（0.65→0.71 s；p < 0.001），而CtoD中无相邻步显著变化。（6）稳健性与变异：各LME残差偏离正态（W = 0.921–0.993），但受试者层面聚类自助法确认全部四个主要交互作用（pFDR < 0.001）；组内相关系数（ICC）为0.35–0.71，表明未由固定效应解释的方差中35–71%归因于受试者间差异；所有模型收敛无警告且无奇异拟合，模拟功效分析确认四个主要模型在α = 0.05时功效≥99.5%、在多重校正α = 0.0125时≥97.7%；四个条件中Peak BF均表现为后期周期高于早期周期（ACC：pFDR = 0.004；CtoA：pFDR < 0.001；DEC：pFDR = 0.002；CtoD：pFDR < 0.001），Peak PF的早期至后期显著升高仅见于ACC，条件内周期序号（1–5）作为连续协变量纳入所有主要与次要模型以校正该系统性变化。

讨论部分总结：本研究在控制每一步跑带速度的条件下，表征了从恒定速度向速度过渡相对于连续速度变化过程中制动与推进力的逐级调控方式。两个条件配对中两种力的条件×步级交互作用均显著，支持了研究假设。过渡条件下前后方向力的调控始于过渡发生的那一步：推进力在加速和减速过渡中均于过渡步变化，而制动力变化的步级不同——加速过渡中于过渡步变化、减速过渡中于其后一步变化。鉴于Step 0的平均跑带速度较Step ?1仅有微小增减且分析以跑带速度作协变量，这些动力学响应不能完全由瞬时速度解释，而是与过渡起始在时间上相关联。CtoA中Step ?1的Peak BF低于ACC、CtoD中Step ?1的Peak BF高于DEC，与正弦周期中该步所处的连续加速或减速背景一致。制动力调控步级在CtoA与CtoD间的差异需谨慎解读：CtoD中Step 0无显著变化并不证明过渡步制动力未受影响，CtoD–DEC交互作用亦反映DEC中Step 0的下降；因此CtoD中的延迟变化应理解为首次检测到制动力显著变化的步级。据此，在减速过渡中，支撑后期推进力的降低是首个显著响应，尽管Step 0的支撑后期推进与Step +1的支撑早期制动发生于同一双支撑相内。与既往研究相比，本研究中加速与减速过渡时制动力的下降与升高分别与平地速度过渡步态的研究发现大体一致，但不同于本研究及既往研究中连续加速或减速过程的模式；尽管既往两项研究均未将速度作为协变量，比较仍提示连续加减速与过渡过程中制动力控制存在差异。推进力调控与既往研究一致，但本研究结果亦揭示重要差异：加速和减速过渡中推进力的升高与降低在速度校正后仍显著，而在连续加减速过程中不显著；此外，CtoD中首个动力学响应——Step 0推进力下降——与既往报道的提示减速过渡中支撑早期后向力升高的发现不同，这一差异可能反映外部施加的速度变化发生于步态周期中的时相不同，而自主减速可能始于步态周期起点。前后方向GRF的变化与垂直GRF及时空变量的变化并不一致：CtoA中第一、第二垂直GRF峰值均无显著变化，提示垂直GRF随瞬时跑带速度变化；CtoD中Step +1同一支撑后期内Peak PF下降伴随第二垂直GRF峰值下降；DEC中Step 0的Peak BF与第一垂直GRF峰值同时下降。鉴于垂直与前后方向GRF峰值随速度增大而耦合的既有证据，减速过渡的首个响应——Step 0的Peak PF与Step +1的Peak BF——与垂直力变化解耦，似乎为过渡所特有。CtoA与ACC比较中步长交互作用显著但逐级比较不显著、步时交互作用不显著，CtoA中步长逐渐增加可能与Peak PF增大相关，后肢角度是推进力增加的主要贡献因素并与步长显著相关，跑步机上步态周期内的时间性加速可增大后肢角度、步长和推进力。DEC中步时于Step 0缩短、Step +1再延长，CtoD中无显著相邻步变化；Step 0的缩短可能反映对外部施加减速时身体相对跑带前移、需减小前向相对速度以维持位置的需求作出更早足触地的反应，Step +1的再延长提示该缩短是短暂的，但本研究未测量质心或身体节段在跑步机上的位置以证实此解释。研究局限性包括：速度变化由跑带外部施加，不同于受试者自主速度控制，结果不应直接推广至典型平地步态；结果仅源于嵌入式测力板，无法识别力产生的来源或其他运动学变化，亦无法区分观察到的调控反映主动神经控制还是被动机械响应；步态程序可能存在学习效应，后期周期各条件Peak BF均升高提示对重复正弦速度变化的适应，虽以周期序号作协变量校正，但学习效应不能完全排除，尤其条件顺序未完全平衡；分析中以步的平均跑带速度作协变量而步内速度连续变化，步内速度变化效应无法校正，参考步（Step ?1）仅依据平均跑带速度匹配恒速基线而未在各条件间完全等效，且跑带速度以线性协变量纳入，不能排除速度与结局间非线性关系所致的残余混杂；所有受试者行走时轻握扶手而用于标准化的体重在无扶手支撑下测量，扶手力未测量，部分减重可能降低以%BW表示的GRF值，虽各条件指令相同，但不能排除减重程度随跑带速度或条件变化；受试者为年轻健全成人，老年人和临床人群可能表现不同响应，且受试者性别不平衡（女13名、男6名）及样本量限制，未以性别为因素分析，速度过渡中力调整的性别差异尚未检验。

研究结论（译）：本研究比较了步态速度向加速或减速过渡时的制动峰值力与推进峰值力同连续加速或减速时的差异，并以平均跑带速度作为协变量。在加速与减速情境中，制动力和推进力均呈现显著的条件×步级交互作用，意味着各过渡前后的逐级动力学调控不同于连续条件下的调控。推进力在加速和减速中均于过渡步受到调控；制动力的首次显著变化在加速中发生于过渡步、在减速中发生于其后一步。因此，外部施加的跑带速度变化即使在平均跑带速度校正后仍诱发制动与推进力的逐级响应。这些发现提示，跑步机施加的速度过渡诱发了与过渡起始相对应的动力学调控，区别于连续速度变化过程中的调控。