健康年轻人下楼梯时运动协调的速度依赖性：基于无约束流形分析的见解

《Journal of Biomechanics》：Speed dependence in motor coordination during stair descent in healthy young adults: insights from uncontrolled manifold analysis

　　

摘要：本研究采用无约束流形（UCM）分析，探讨健康年轻人在不同速度下楼梯过程中，参与质心（COM）内侧-外侧和垂直方向稳定的节段角协变结构。二十九名个体参与了本研究。在下楼梯任务中收集了时空和运动学数据。摆动期被分为前半摆动期和后半摆动期，并进行UCM分析以确定稳定内侧-外侧和垂直方向COM的节段角协变结构。结果表明，在摆动前一半期间，稳定垂直方向COM的变异性增强。在摆动后一半期间，稳定内侧-外侧COM的变异性增强的同时，破坏垂直方向COM稳定性的变异性也增强。总之，研究结果表明，根据下楼梯的阶段和速度，采用了不同的运动策略来实现COM稳定。这些结果有助于从COM坐标的角度更好地理解下楼梯过程。

**论文解读：健康年轻人下楼梯时运动协调的速度依赖性——基于无约束流形分析**

**1. 研究背景与目的**

下楼梯是老年人和膝关节疾病患者日常生活中常见的困难活动，部分原因在于胫股关节负荷可达体重的3.41倍，且运动恐惧和疼痛加剧了这种困难。此外，下楼梯涉及质心（COM）向前下方的位移，以往研究主要关注垂直和前后方向上的COM控制。在膝骨关节炎（KOA）患者中，矢状面和额状面的全身角动量变化范围大于无症状个体，提示关节角活动范围增加以稳定COM。因此，为减轻膝关节机械应力并维持COM稳定，下楼梯过程中可能出现关节协调的改变。

与健康年轻人相比，老年人下楼梯速度较慢，双肢支撑时间延长，以增加稳定性并减轻跌倒恐惧。在单肢支撑阶段，特别是控制性下降阶段，老年人表现出更大的膝关节外展力矩和膝关节内侧间室更高的机械应力。此外，站立相期间膝关节和踝关节周围肌肉共收缩时间延长，同时COM下降速度减慢。

在早期KOA患者中，下楼梯承重阶段膝屈曲角、膝内伸力矩及髋膝关节负功率显著降低。踝关节跖屈肌的离心收缩减缓了COM向下运动，表明踝关节可能代偿负荷接受和冲击吸收。此外，更大的踝背屈角和踝内跖屈力矩促进COM向前过渡，使下楼梯具有更大的稳定性极限。减少膝关节外展力矩的策略包括增加躯干向站立侧侧屈、增加足外展角或降低下楼梯速度。

无约束流形（UCM）分析通过分析元素变量变化如何影响特定性能变量来定量评估运动协调。UCM分析将变异性分为两部分：不影响性能变量的V_UCM和直接导致性能变量偏差的V_ORT。此外，UCM分析采用“协同”概念——一种跨多个元素变量组织任务特定模式的神经机制——以试验间协变作为指标来捕捉变异模式。以往利用UCM分析的研究报道，在慢速下楼梯时，控制摆动足前后方向的下肢节段协调性增加；同时，破坏垂直方向COM稳定性的节段变异性也增强。尽管已有研究涉及下楼梯过程中的矢状面和前后方向COM控制以及减速对额状面运动学和动力学参数的影响，但很少有研究关注下楼梯过程中稳定内侧-外侧COM的多节段协变结构及其速度依赖性。因此，本研究首次证明下楼梯过程中内侧-外侧COM由多节段协变结构稳定，且该协变结构具有速度依赖性。

本研究旨在阐明无骨科疾病史的年轻人在不同运动速度下楼梯时内侧-外侧和垂直方向COM稳定的差异。研究假设：降低下楼梯速度会降低垂直方向COM稳定的协同性，同时增加内侧-外侧COM稳定的协同性，以维持COM在支撑面内。

**2. 研究内容与主要结论**

本研究招募了29名健康年轻人（14名男性，15名女性），平均年龄20.93±0.84岁，平均身高1.57±0.08 m，平均体重53.20±7.02 kg。受试者在无扶手条件下完成四阶梯（台阶高17 cm，踏面深30 cm）的逐级下楼梯任务，分为自选速度的正常条件和节拍器固定为60步/分钟的慢速条件。通过三维运动捕捉系统（100 Hz）和八块测力台（1,000 Hz）同步采集运动学和动力学数据。分析周期定义为左腿摆动期，并按时间归一化为100%，再分为前半摆动期（FH）和后半摆动期（SH）。

研究结果表明，在FH期间，慢速条件下内侧-外侧和垂直方向的COM变化均显著增加。慢速条件下髋屈曲角和膝屈曲角显著减小。在SH期间，慢速条件下内侧-外侧和垂直方向的COM变化均显著增加。UCM分析显示，在FH垂直方向上，V_UCM显著大于V_ORT，表明存在运动协同；慢速条件下ΔV_z显著高于正常条件，表明稳定垂直方向COM的协同增强。在SH内侧-外侧方向上，两种速度条件下V_UCM均显著大于V_ORT，且ΔV_z超过0.45的协同阈值；慢速条件下V_UCM和ΔV_z均显著增加，表明稳定内侧-外侧COM的协同增强。相反，在SH垂直方向上，V_ORT显著大于V_UCM，慢速条件下V_ORT显著增加而ΔV_z显著降低，表明破坏垂直方向COM稳定性的变异性增加。

研究发现，降低下楼梯速度在FH期间增强了稳定垂直方向COM的协同性。在SH期间，稳定内侧-外侧COM的协同性增强，但破坏垂直方向COM稳定性的协同性也同时增加。FH期间的结果与假设相反，而SH期间的结果支持假设。因此，下楼梯速度降低可能诱导COM调节运动控制策略的方向特异性改变。

**3. 关键技术方法**

本研究采用的关键技术方法包括：（1）三维运动捕捉系统（Vicon Motion Systems，10摄像头，100 Hz）结合八块测力台（AMTI，1,000 Hz）同步采集运动学和动力学数据；（2）基于51个反光标记构建九节段刚体模型（头、躯干、骨盆及双侧大腿、小腿、足），计算关节角度（Cardan角）和COM坐标（基于Okada等人报道的节段惯性参数）；（3）UCM分析：以COM内侧-外侧（COM_x）和垂直（COM_z）分量为性能变量，以节段角为元素变量，通过雅可比矩阵（J）及其零空间计算V_UCM和V_ORT，并计算协同指数ΔV（经Fisher z变换为ΔV_z）；（4）统计方法：采用双因素重复测量方差分析比较V_UCM和V_ORT，配对t检验或Wilcoxon符号秩检验比较速度条件间的参数差异，计算效应量（Cohen's d、偏η2、r）。样本量基于G*Power（3.1.9.7版）以重复测量方差分析计算，效应量0.65、α=0.05（双尾）、功效（1?β）=0.8，最小所需样本约21人。本研究经大分大学福利与健康科学学院伦理委员会批准（批准号F240036）。

**4. 研究结果**

**4.1 时空数据**：慢速条件下楼梯速度（0.37±0.02 m/s）和步频（62.77±2.29步/分钟）均显著低于正常条件（0.59±0.07 m/s，99.50±9.55步/分钟），但步宽在两种条件间无显著差异。

**4.2 运动学参数**：慢速条件下FH内侧-外侧（p<0.001）和垂直（p=0.011）方向COM变化均显著增加；SH期间内侧-外侧（p<0.001）和垂直（p<0.001）方向COM变化也显著增加。慢速条件下髋屈曲角（p<0.001）和膝屈曲角（p<0.001）显著减小。

**4.3 节段角试验间变异性**：FH期间，慢速条件下矢状面站立侧小腿节段角变异性显著降低（p=0.003）。SH期间，慢速条件下矢状面站立侧小腿节段角（p<0.001）和额状面站立侧大腿节段角（p=0.011）变异性显著增加。

**4.4 UCM数据**：FH垂直方向上，V_UCM显著大于V_ORT，存在运动协同；慢速条件下ΔV_z显著增加（p<0.001, d=0.84）。SH内侧-外侧方向上，两种速度条件均显示V_UCM>V_ORT；慢速条件下V_UCM（p=0.012, η2p=0.203）和ΔV_z（p<0.001, d=0.86）均显著增加。SH垂直方向上，慢速条件下V_ORT显著增加（p<0.001, η2p=0.609）而ΔV_z显著降低（p<0.001, d=1.00）。

**5. 讨论与结论**

讨论部分指出，FH对应前向转移阶段，COM向站立侧移动且内侧-外侧位移达到最大。慢速条件下尽管内侧-外侧和垂直方向COM变化均增加，但垂直方向协同指数ΔV_z显著增加，表明稳定垂直方向COM的运动协同增强。由于V_UCM和V_ORT在条件间无显著差异，垂直方向COM稳定可能通过节段间协变结构的调整实现，而非个体节段试验间变异幅度的变化。FH期间站立侧小腿节段在矢状面的试验间变异性显著降低，提示慢速条件可能加强了以踝关节为中心的控制策略。

SH期间，COM向摆动侧向下移动，与足触地准备相吻合。两种速度条件下，内侧-外侧方向的V_UCM均显著大于V_ORT，且ΔV_z超过协同阈值，表明内侧-外侧COM轨迹由涉及多个节段角的协变结构稳定。慢速条件下额状面站立侧大腿节段角变异性增加，系统可能利用大腿节段在额状面的变异性来调节内侧-外侧COM轨迹。相反，在垂直方向上，两种条件下V_ORT均显著大于V_UCM，未观察到稳定COM的协变结构。慢速条件下V_ORT增加导致垂直方向COM不稳定，但这一增加可能反映速度依赖的运动变异性重新分布，而非年龄相关的协调能力下降。

慢速条件下髋膝屈曲角减小，与老年人下楼梯时减少髋膝屈曲以代偿肌力和关节稳定性不足的模式相似。由于躯干位置影响下肢力矩，研究人员认为关节运动学调整是降低下楼梯速度时确保姿势稳定的运动策略，可能反映独立于老年人常见肌无力的运动学适应。此外，运动控制中关注某一元素的调节有时可导致另一元素的不稳定。尽管内侧-外侧COM稳定的协同增强，但垂直方向COM稳定的协同缺失且V_ORT增加。虽然慢速下楼梯被视为保护性策略，但本研究发现优先考虑内侧-外侧COM稳定可能损害垂直方向COM控制。

研究局限性包括：固定台阶尺寸限制普适性；讨论限于运动学分析；采用节段角而非关节角作为UCM分析的元素变量，节段角通过运动链几何耦合，可能影响UCM方差分量的绝对值；九节段模型排除上肢，可能忽略手臂摆动的影响；慢速条件标准化为60步/分钟，可能混淆速度相关差异与个体偏好步频差异；研究对象限于健康年轻人，未来需纳入老年人和膝关节疾病患者以阐明与老龄化和病理相关的代偿策略。

结论：降低下楼梯速度在FH期间增加了稳定垂直方向COM的协同性。在SH期间，虽然稳定内侧-外侧COM的协同性增强，但破坏垂直方向COM稳定性的协同性也同时增加。此外，髋关节和膝关节屈曲角可能是慢速下楼梯时影响COM稳定性的关键因素。因此，降低速度下楼梯可能反映代偿策略而非单纯的保护性策略。具体而言，COM稳定性从垂直方向转向内侧-外侧方向，导致垂直方向失稳。对于下楼梯速度降低的患者，干预措施应聚焦于髋关节和膝关节功能以稳定垂直方向COM。