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山东体育学院生物力学团队成员研究生郑慧芬(18级研究生)，毛德伟，宋祺鹏，张翠，孙威，马刚，联合北卡罗莱纳大学毛敏，肯尼索州立大学张新燕，拉夫堡大学朱修齐等人，在生物力学权威期刊Journal ofBiomechanics (IF=2.57) 发文，对基于手机使用行为的算术任务对下楼梯行走时动态稳定性控制的影响进行了深入探索。

处在信息飞速发展的时代，智能手机成为青年人联系外界、获取信息不可或缺的工具。手机的普及给人们日常生活带来了极大便利的同时，也带来了安全隐患，甚至危及生命。然而手机使用行为是如何影响我们的身体稳定性，我们的身体又是如何应对的呢？接下来由山东体育学院生物力学团队为大家解锁其中的奥妙。

每年大约有100万例楼梯跌倒事件发生，造成了严重的软组织损伤、骨折甚至颅脑外伤，其中20多岁的青年人占很大比例。下楼梯是一项普遍的日常生活活动，但与平地、上楼梯行走相比，因其对下肢关节角度、关节力矩和躯体稳定性的要求更高，故更具挑战性。

在下楼梯行走中执行双任务是很常见的。那么何为双任务？双任务是指在完成一项基本运动任务的同时执行一项其他的认知或者动作任务，如提重物下楼、下楼时打电话或发短信等，这些都是我们日常生活中常见的一些双任务。双任务已经被证明会对步态造成不利的影响，然而对于下楼梯行走时动态稳定性的影响却尚无定论。有的研究认为双任务的介入降低了步态稳定性，而有的研究则认为双任务使步态减慢，进而提高了动态稳定性。

那么究竟双任务对动态稳定性到底是利大于弊还是弊大于利？是什么原因导致了研究得出相反的结果呢？综合前人的研究，造成研究结果不一致可能有以下两个原因：

其一，用来评估动态稳定性的指标不一致。质心(center of mass, CoM)位移，压力中心(center of pressure, CoP)位移，质心—压心的差值(CoM-CoP separation)是常用来评估身体稳定性的指标，但是这些指标均未考虑速度对动态稳定性的影响。动态稳度(margin ofstability, MoS)是一种能够综合量化支撑面(base of support,BoS)、CoM的速度和位置这三个因素对身体稳定性影响的指标。使用MoS指标来探索稳定性变化的方法已经充分应用在跑步机行走和转弯行走的研究中。此外，足触地和足离地时刻是稳定性较差的时刻，但目前很少有研究使用MoS指标来探究双任务范式下下楼梯行走中这些时刻动态稳定性的变化。

其二，使用的双任务类型不同。双任务主要包括认知任务、动作任务和认知-动作组合任务三种类型。在前人研究中使用的双任务研究范式中，有的使用认知任务，而有的使用动作任务。研究表明，动态稳定性的控制也需要认知资源的参与，尤其是注意力资源。认知资源的共享理论认为同时执行的认知任务势必会与行走等运动任务竞争认知资源，进而造成运动表现下降。而认知资源整合理论则认为同时执行的动作任务与运动任务占用同一种认知资源，进而形成功能整合，相互促进提高运动表现。但在下楼梯过程中执行认知-动作组合任务时，究竟是认知资源的竞争还是整合理论占优势尚不明确。

双任务对动态稳定性的影响在较危险的环境中可能会更显著。基于此，本团队使用基于手机使用行为的算术任务作为认知-动作组合任务，同时考虑速度对动态稳定性的影响，进一步探索其对下楼梯行走中动态稳定性控制的影响。本研究假设：1)在执行手机任务时，矢状面和冠状面的稳定性均下降；2)与单任务相比，使用手机时，步态表现、关节角度、关节力矩会代偿性的发生变化，即：步频、步长、关节力矩和冠状面的关节角度均降低，然而步宽、双支撑比和矢状面的关节角度均增加。

研究方法

受试者

通过微信、电话、张贴海报等方式，在大学校园内招募受试者。根据纳入和排除标准最终纳入26名受试者(13名男性，13名女性)。

实验设置

实验测试包含两个任务条件：

1)单任务：即无手机任务，受试者进行单一下楼梯行走测试；

2)手机任务：受试者在下楼梯的过程中同时双手握手机执行发短信和算术任务，即在下楼梯行走测试之前，受试者在微信界面会收到一个介于“50-99”之间的随机两位数，随后实验人员下达“开始”的口令后，受试者一边下楼梯，一边进行“减7”的数学运算，随即将每次的结果发送给实验人员。如受试者收到一个两位数“78”，他将完成“78-7=71，71-7=64，64-7=57，57-7=50……”的运算，并且需要将结果“71，64，57，50”分别发送到指定的微信界面。

实验流程

1. 1.嘱受试者换上合适尺码的紧身衣服和鞋子，并收集和记录受试者的基本信息；

2. 2.为受试者黏贴41个球形反光点；

3. 3.使用红外动作捕捉系统和三维测力台进行两种任务条件下下楼梯行走时的数据采集；

数据处理

将三维运动学和动力学数据导入Visual 3D软件(C-Motion,Inc)中进行进一步的数据处理。运动学数据用来计算步态参数、关节角度、MoS。动力学数据用来计算关节力矩和确定步态分期。步态周期定义为右脚在第三阶触地时刻开始到右脚在第一阶触地时刻为止所用的时间。

统计分析

使用Shapiro-Wilk检验对所有因变量作正态检验。符合正态分布的因变量采用重复性测量的协方差分析(repeatedmeasures ANCOVA)，将步速作为协变量，否则使用Wilcoxon秩和检验。本研究的统计学分析在R3.5.0中进行。因变量的结果采用均值±标准差表示，显著性水平设为P<0.05。

结果

Shapiro-Wilk检验结果显示，大部分因变量服从正态分布(p＞0.05)，不符合正态分布的因变量在表中用^*标注。

• 步态参数

如表1所示，与单任务相比，执行手机任务时步频和双支撑比均显著降低。

如表2所示，在右脚着地时刻，与单任务相比，执行手机任务时CoM速度显著降低，CoM的位置和外推质心的位置显著更靠后，矢状面MoS增加，同时膝关节的屈曲力矩降低；在左脚离地时刻，执行手机任务时的CoM速度显著降低，CoM的位置和外推质心的位置显著更靠后，矢状面MoS减小，膝关节的屈曲角度减小，踝关节跖屈角度增加，同时膝关节伸展力矩和踝关节跖屈力矩均降低(表3，图1)。

图1两种任务条件下下肢关节力矩的变化曲线

• 冠状面动态稳定性控制

如表2所示，两种任务条件下冠状面的MoS无显著性差异。与单任务相比，执行手机任务时在两个时刻的冠状面的质心速度显著增加。在左脚离地时刻，执行手机任务时，髋关节外展角度和外展力矩显著减少(表3，图1)。

讨论

本研究将手机使用行为的算术任务作为认知-动作组合任务，进一步探索了下楼梯行走中矢状面和冠状面的动态稳定性控制。研究发现，执行手机任务时：1)矢状面的MoS在右脚着地时刻显著增加，然而冠状面的MoS无显著性变化；2)步频、双支撑比、关节力矩以及冠状面的关节角度显著降低，然而步长和步宽均无显著性差异。

执行手机任务时，矢状面的稳定性在右脚着地时刻降低，然而在左脚离地时刻提高。本研究使用MoS进行动态稳定性的评估，同时考虑了速度对稳定性的影响，因此是较能准确反映个体在运动过程中的瞬时稳定性如何，而CoM位移、CoP位移以及CoM-CoP差值仅能反映一段时间内的变化量。右脚着地时刻是承重反应期的开始，此时膝关节屈肌进行离心收缩控制膝关节的伸展。而手机任务介入使得膝关节屈曲力矩显著降低。左脚离地时刻刚好是右侧下肢的承重反应期，此时下肢伸肌是主要的抗重力伸展肌。手机任务的介入使得此刻膝关节伸展力矩和踝关节跖屈力矩输出显著减少，同时此刻膝关节屈曲角度减少。在下楼梯行走中，增加膝关节的屈曲角度通常被认为是一种安全的承重策略。此外还发现踝关节的跖屈角度显著增加，这意味着采用了安全系数较低的前足支撑策略，进而使支撑面减少，稳定性更差。因此矢状面的稳定性控制显著被手机任务的干扰而削弱。

冠状面的动态稳定性似乎并未受到手机任务的影响。然而髋关节的外展力矩在左脚离地时刻显著降低，因此冠状面的稳定性控制受手机任务的干扰变差。左脚离地时刻是右单支撑相的开始，此刻髋关节周围的组织对维持冠状面的稳定性起着至关重要的作用。本研究还发现，执行手机任务时，在右脚着地时刻倾向增加的髋关节内收角度和在左脚离地时刻倾向减少的髋关节外展角度表明个体采用了髋关节的调整策略减少质心在冠状面的晃动。有趣的是，我们还发现在左脚离地时刻，膝关节的屈曲角度增加，这与削弱的髋关节冠状面控制有关。因此手机任务的介入削弱了下楼梯行走中冠状面的控制，并可能进一步影响矢状面的控制。

在手机任务的干扰下，步频和双支撑比显著下降。步态并不是一种自发的运动，而是需要占用大脑的认知资源。因此认知资源的竞争理论可能会帮助从侧面阐述步态表现变差的原因。双支撑比下降意味着动态稳定性变差，因此减慢的步频可能是由于手机任务介入后造成大脑认知资源的减少而采取的代偿策略。

动作任务和步态任务均占用动作域的认知资源，因此他们之间很容易形成认知资源的整合进而称为一个单元。而认知任务、动作任务以及步态任务三者之间很难形成认知资源的整合。因此本研究也从一定程度上揭示了在下楼梯行走中执行认知-动作组合任务时，可能是认知资源的竞争理论占优势。

展望与建议

本研究证实在下楼梯行走中执行手机任务时，尽管减慢了步频，矢状面和冠状面的动态稳定性控制能力皆被削弱。在矢状面和冠状面青年人采用了不同的调整策略，在矢状面主要采用膝关节和踝关节策略，而在冠状面则采用髋关节的调整策略。遗憾的是本研究未同步采集肌电学数据，因此不能够很好的反应其中枢控制机制，未来的研究可以通过肌电学、脑电学的数据进一步探索执行认知-动作组合任务时中枢神经的调控机制。

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山体生物力学团队

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