儿童下肢生物力学特征在视觉剥夺及双重任务时的变化

doi:10.12307/2022.504

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (12): 1834-1842.doi: 10.12307/2022.504

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

儿童下肢生物力学特征在视觉剥夺及双重任务时的变化

欧阳一毅1，彭杰2，王坤3，张庭然3，罗炯3

1重庆邮电大学体育学院，重庆市 400065；2六盘水师范学院体育学院，贵州省六盘水市 553000；3西南大学体育学院，重庆市 400715

收稿日期:2019-12-24 修回日期:2020-03-03 接受日期:2021-09-29 出版日期:2022-04-28 发布日期:2021-12-14
通讯作者: 罗炯，教授，博士，博士生导师，西南大学体育学院，重庆市 400715
作者简介:欧阳一毅，男，1993年生，湖南省永州市人，2020年西南大学毕业，硕士，助教，主要从事运动技术诊断与全民健身方面的研究。
基金资助:
中央高校基金项目(SWU1809386)，项目负责人：欧阳一毅

Changes in biomechanical characteristics of children’s lower limbs during visual deprivation and dual tasks

Ouyang Yiyi1, Peng Jie2, Wang Kun3, Zhang Tingran3, Luo Jiong3

1Institute of Physical Education, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China; 2Institute of Physical Education, Liupanshui Normal University, Liupanshui 553000, Guizhou Province, China; 3Institute of Physical Education, Southwest University, Chongqing 400715, China

Received:2019-12-24 Revised:2020-03-03 Accepted:2021-09-29 Online:2022-04-28 Published:2021-12-14
Contact: Luo Jiong, Professor, MD, Doctoral supervisor, Institute of Physical Education, Southwest University, Chongqing 400715, China
About author:Ouyang Yiyi, Master, Assistant, Institute of Physical Education, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China
Supported by:
Central University Fund Project, No. SWU1809386 (to OYY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
平衡控制：是指维持身体质量中心的垂直投射点在支撑底面积内或是让身体质量中心不断追踪新的支撑底面积。
压力中心：身体与支撑面接触区域所有力量分布的中心点。若只有一只脚踩在支撑面上，净压力中心就位在此脚区域中；若两脚踩在支撑面上，净压力中心会位在两脚之间。

背景：人体平衡与控制有赖于内耳前庭系统、本体感受器及视觉系统的协调及中枢神经系统等共同配合才能完成，但人在视觉剥夺或双重认知任务时会引发神经控制与感觉统合的变化，进而改变下肢平衡控制能力及动作控制策略。
目的：探讨儿童在不同视觉输入及执行不同认知任务时下阶梯时下肢生物力学特征的变化规律，从而揭示其作用机制，为预防及减少儿童下阶梯时的跌倒伤害提供一些有益参考。
方法：共招募20名西南大学附属小学3-6年级的小学生志愿者，每个年级5名。运用运动学(JVC9800高速摄像机)、动力学(BIOFORCEN动态平衡训练评估系统)及肌电(JE-TB0810八通道肌电测试仪)等测试工具，同步采集受试者在不同视觉输入及执行不同认知任务时下阶梯动作的生物力学参数。
结果与结论：①闭眼及双重任务下阶梯着阶瞬间的膝、踝关节角度显著大于睁眼及单一任务时的角度(P < 0.05)，但在身体重心处于最低瞬间时仅踝关节角度展现出闭眼及双重任务下显著大于睁眼及单一任务(P < 0.05)；②睁眼及双重任务下的压力中心前后方向位移均方根、左右方向位移均方根、摆动的轨迹总长及轨迹包络面积皆显著小于闭眼时(P < 0.05)；③闭眼及双重任务下阶梯着阶前200 ms股二头肌、股直肌、胫骨前肌及内侧腓肠肌的平均肌电振幅标准化参数值和肌肉激活时长皆显著小于睁眼及单一任务(P < 0.05)；但在缓冲期仅胫骨前肌及内侧腓肠肌的平均肌电振幅标准化参数值展现出闭眼及双重任务下显著小于睁眼及单一任务的趋势(P < 0.01)；④提示视觉剥夺、双重任务下阶梯皆会阻碍中枢神经系统信息的传递，使得身体的预期姿势调节下降，影响下阶梯时下肢肌肉的预先激活状况，进而影响儿童对平衡的控制及步态稳定性，增加了儿童跌倒风险，但视觉剥夺对儿童平衡控制的影响显著高于双重任务；视觉剥夺引起平衡控制的改变，表明提供给中枢神经系统信息的下降会影响儿童认知作业选择，使儿童闭眼下阶梯时更加专注于执行步行动作而弱化了认知作业。

https://orcid.org/0000-0003-0216-0510 (欧阳一毅)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 视觉剥夺, 认知任务, 运动学, 平衡控制, 肌电

Abstract: BACKGROUND: Human balance and control depend on the coordination of the inner ear vestibular system, proprioceptors and visual system, and the central nervous system. However, when a person is visually deprived or dual cognitive tasks, it will cause changes in neural control and sensory integration, and then change lower limb balance control ability and movement control strategy.
OBJECTIVE: To explore the biomechanical changes of the legs in stair descendent of different visual inputs and cognitive tasks so as to reveal action mechanism, thus preventing and avoiding accidents of children falling off stairs in descending stairs.
METHODS: Twenty students from grades 3-6 of the Primary School Attached to Southwest University were volunteered to participate in the research (n=5 for each grade). The biomechanical parameters of participants in stair descendent of different visual inputs and cognitive tasks were collected with such test tools as JVC9800 high-speed video camera of kinematics, BIOFORCEN dynamic balance training assessment system of dynamics, and JE-TB0810 eight-channel electromyogram tester of surface electromyography.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The angle of the knee joint and the ankle joint with eyes closed and double tasks was obviously larger than that with eyes open and single task (P < 0.05), while the center of gravity was in the lowest level, the angle of the ankle joint with eyes closed and double tasks was obviously larger than that with eyes open and single task (P < 0.05). (2) The lengthways displacement root mean square of center of pressure, transverse displacement root mean square of center of pressure, length of swing trajectory of center of pressure and the enveloping surface of center of pressure with eyes open and double tasks were all smaller than those with eyes closed (P < 0.05). (3) The average electromyogram amplitude standardization parameter and activation length of the biceps femoris, rectus femoris, tibialis anterior and medial head of gastrocnemius with eyes closed and double tasks were significantly smaller than those with eyes open and single task during the first 200 ms prior to touching the steps (P < 0.05); while the average electromyogram amplitude standardization parameter of the tibialis anterior and medial head of gastrocnemius during the buffer period with eyes closed and double tasks were significantly smaller than those with eyes open and single task (P < 0.01). (4) It is concluded that the visual deprivation and double tasks in stair descendent will both block the information transmission of the central nervous system, influence the adjustment of body position and the activation of leg muscles, and further affect children’s balance control and gait steadily and increase their risk of falling off the stairs. However, the influence of visual deprivation to children’s balance control is significantly higher than that of the double tasks. The changes on balance control are caused by visual deprivation. The block of information transmission in the central nervous system will influence children’s cognitive choice, making them pay more attention on walking behaviors instead of cognitive operations.

Key words: visual deprivation, cognitive tasks, kinematics, balance control, electromyography

中图分类号:

欧阳一毅, 彭杰, 王坤, 张庭然, 罗炯. 儿童下肢生物力学特征在视觉剥夺及双重任务时的变化[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(12): 1834-1842.

Ouyang Yiyi, Peng Jie, Wang Kun, Zhang Tingran, Luo Jiong. Changes in biomechanical characteristics of children’s lower limbs during visual deprivation and dual tasks[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(12): 1834-1842.

图/表（结果） 8

2.1 参与者数量分析纳入20名受试者，试验过程中无脱落，全部进入结果分析。
2.2 试验流程图见图3。

2.3 不同视觉输入及执行不同认知任务时下阶梯动作的运动学特征比较
2.3.1 触板瞬刻着板腿膝、踝角度特征比较不同视觉输入及不同认知任务下阶梯显著影响着阶瞬间膝角、踝角大小(均P < 0.05)。关联效应η2值表明，视觉的影响力大于认知任务的影响力(0.47 > 0.23，0.40 > 0.37)。进一步经独立样本t检验发现，睁眼状况下的膝角、踝角显著小于闭眼状况下的膝角、踝角(t=-3.48，-4.11，均P < 0.01)，单一任务下的膝角、踝角显著小于双重任务下的膝角、踝角(t=-2.11，-3.33，均P < 0.05)。不同视觉输入及不同认知任务对着阶瞬间膝角、踝角不存在交互影响作用(P > 0.05)，详见表2。

2.3.2 触板缓冲过程中人体重心达最低瞬刻着板腿关节角度特征比较不同视觉输入及不同认知任务下阶梯不会影响着阶身体最低重心瞬间膝角大小(P > 0.05)，但会对着阶身体最低重心瞬间踝角大小产生显著影响(均P < 0.05)。关联效应η2值表明，视觉的影响力大于认知任务的影响力(0.70 > 0.47)。进一步经独立样本t检验发现，睁眼状况下的踝角显著小于闭眼状况下的踝角(t=-4.36，P < 0.01)，单一任务下的踝角显著小于双重任务下的踝角(t=-2.50，P < 0.05)。不同视觉输入及不同认知任务对着阶身体最低重心瞬间踝角不存在交互影响作用(P > 0.05)，详见表3。

2.4 不同视觉输入及不同认知任务下阶梯人体稳定性比较不同视觉输入及不同认知任务下阶梯显著影响支撑期压力中心左右向位移均方根大小(F=229.90，18.97，均P < 0.05)，且不同视觉输入及不同认知任务对支撑期压力中心左右向位移均方根存在交互影响作用(F=5.76，P < 0.05)。关联效应η2值表明，视觉的影响力大于认知任务的影响力(0.92 > 0.49)。进一步进行多重比较发现(F=97.29，P < 0.05)，睁眼单一任务状态下的压力中心左右向位移均方根显著低于睁眼双重任务、闭眼单一任务和闭眼双重任务状态下的压力中心左右向位移均方根，详见表4。

不同视觉输入及不同认知任务下阶梯显著影响支撑期压力中心前后向位移均方根、摆动总轨迹长度、95%置信椭圆面积(均P < 0.05)。关联效应η2值表明，视觉的影响力大于认知任务的影响力(0.71 > 0.40，0.44 > 0.20，0.76 > 0.51)。进一步经独立样本t检验发现，睁眼状况下的压力中心前后向位移均方根、摆动总轨迹长度、95%置信椭圆面积显著小于闭眼状况下的压力中心前后向位移均方根、摆动总轨迹长度、95%置信椭圆面积(t=-5.92， -3.69， -5.63，均P < 0.01)，单一任务下的压力中心前后向位移均方根、摆动总轨迹长度、95%置信椭圆面积显著小于双重任务下的压力中心前后向位移均方根、摆动总轨迹长度、95%置信椭圆面积(t=-2.45，
-2.27，-3.17，均P < 0.05)。不同视觉及不同认知任务对支撑期压力中心前后向位移均方根、摆动总轨迹长度、95%置信椭圆面积不存在交互影响作用(P > 0.05)，详见表4。
2.5 不同视觉输入及不同认知任务下阶梯着板腿肌电特征比较
2.5.1 前脚掌触板前下肢主要肌群预激活时间特征比较不同视觉输入及不同认知任务下阶梯显著影响股二头肌、股直肌、胫骨前肌、内侧腓肠肌预激活时间长短(均P < 0.05)。关联效应η2值表明，视觉的影响力大于认知任务的影响力(0.42 > 0.39，0.32 > 0.24，0.48 > 0.25，0.50 > 0.31)。进一步经独立样本t检验发现，睁眼状况下的股二头肌、股直肌、胫骨前肌、内侧腓肠肌预激活时间显著大于闭眼状况下的股二头肌、股直肌、胫骨前肌、内侧腓肠肌预激活时间(t=3.72，3.06，3.23，3.19，均P < 0.05)，单一任务下的股二头肌、股直肌、胫骨前肌、内侧腓肠肌预激活时间显著大于双重任务下的股二头肌、股直肌、胫骨前肌、内侧腓肠肌预激活时间(t=3.14，2.23，2.48，2.74，均P < 0.05)。不同视觉及不同认知任务对股二头肌、股直肌、胫骨前肌、内侧腓肠肌预激活时间不存在交互影响作用(P > 0.05)，详见表5。

2.5.2 触板前200 ms至前脚掌触板瞬间着板腿主要肌群肌电特征比较不同视觉输入及不同认知任务下阶梯显著影响触板前200 ms至前脚掌触板瞬间股二头肌、股直肌、胫骨前肌、内侧腓肠肌平均肌电振幅大小(均P < 0.05)。关联效应η2值表明，视觉的影响力大于认知任务的影响力(0.52 > 0.42，0.29 > 0.21，0.44 > 0.32，0.43 > 0.31)。进一步经独立样本t检验发现，睁眼状况下的股二头肌、股直肌、胫骨前肌、内侧腓肠肌平均肌电振幅显著大于闭眼状况下的股二头肌平均、股直肌、胫骨前肌、内侧腓肠肌肌电振幅(t=3.67，2.45，2.92，2.73，均P < 0.05)，单一任务下的股二头肌、股直肌、胫骨前肌、内侧腓肠肌平均肌电振幅显著大于双重任务下的股二头肌、股直肌、胫骨前肌、内侧腓肠肌平均肌电振幅(t=3.02，2.17，2.40，2.34，均P < 0.05)。不同视觉及不同认知任务对触板前200 ms至前脚掌触板瞬间股二头肌、股直肌、胫骨前肌、内侧腓肠肌平均肌电振幅不存在交互影响作用(P > 0.05)，详见表6。

2.5.3 着板腿从前脚掌触板瞬刻至全脚掌触板过程中主要肌群肌电特征比较不同视觉输入及不同认知任务下阶梯不会影响缓冲期股二头肌、股直肌平均肌电振幅大小(P > 0.05)，但会对缓冲期胫骨前肌、内侧腓肠肌平均肌电振幅大小产生显著影响(均P < 0.05)。关联效应η2值表明，视觉的影响力大于认知任务的影响力(0.74 > 0.48，0.68 > 0.41)。进一步经独立样本t检验发现，睁眼状况下胫骨前肌、内侧腓肠肌平均肌电振幅显著大于闭眼状况下胫骨前肌、内侧腓肠肌平均肌电振幅(t=8.55，t=7.39，均P < 0.05)，单一任务下的胫骨前肌、内侧腓肠肌平均肌电振幅显著大于双重任务下的胫骨前肌、内侧腓肠肌平均肌电振幅(t=4.07，3.22，均P < 0.05)。不同视觉及不同认知任务对缓冲期胫骨前肌、内侧腓肠肌平均肌电振幅不存在交互影响作用(P > 0.05)，详见表7。

2.6 不良事件受试者在试验过程中无运动损伤，无不良事件发生。

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引言

跌倒对于儿童来说是最常见的意外事件之一。据相关报道显示，儿童意外损伤排名前3位的原因分别是意外坠落、意外跌伤和交通事故，因此儿童跌倒造成的伤害已经成为全球性重要的公共卫生问题[1-2]。为了降低孩子成长中跌倒损伤风险，并顺利完成各式各样的身体活动，提升其平衡控制能力非常重要。
平衡控制是指维持身体质量中心的垂直投射点在支撑底面积内或是让身体质量中心不断追踪新的支撑底面积。平衡控制是通过中枢和外周神经系统的协同支配下，需要视觉、听觉、本体感觉、前庭觉、触觉等各种感觉信息的整合以及全身各部位肌肉协同活动来完成对身体的控制[3]。早期研究主要集中在不同视觉输入对平衡控制的影响，视觉是唯一可预先得知周围环境信息的感觉系统，个体可以通过视觉输入周围环境信息预先协助维持身体稳定[4]。视觉输入也是平衡控制重要的调节因素，当平衡稳定性降低时，认知功能会提示视觉和前庭觉来维持身体平衡[5]。再加上人在睁眼时激活的是注意力和动眼神经系统，而闭眼时激活的是感觉皮质，因此，视觉输入会对平衡控制产生影响[6-7]。而儿童在保持身体平衡时对视觉的依赖远远高于成年人，因为儿童主要依赖视觉来维持平衡，成人则是依赖本体感觉输入来维持平衡，一旦在不稳平面或较困难的站姿，成人才会依赖视觉保持身体稳定[8]。D’HONDT等[9]学者研究发现，儿童的平衡控制会受到视觉输入的影响，当儿童闭眼时，身体摇晃的范围和速度与频率会增加，因此视觉输入对儿童平衡控显得尤其重要。过去关于平衡控制方面的研究主要以平衡板测量足底压力中心以量化身体摇晃程度、测定静态身体稳定度及肌肉放电情况为主。
近年来，亦有学者提出，除了视觉、本体感觉、前庭觉三大感觉系统是维持平衡功能的重要因素外，认知任务也会对平衡控制产生影响，人在双重任务下平衡控制会较单一任务差[10-13]。人在执行双重任务时，会减弱对身体平衡的控制，从而使得本体感觉、前庭觉和视觉维持平衡的所占比例有所减少，进而使得肌肉收缩和肌肉紧张的增加，同时也降低稳定肌的共同作用，以至于跌倒风险的增加[14-16]。而儿童相较于成人来说，头部比例较大，身体质量中心较高、神经肌肉发展及动作策略不成熟、知觉、认知以及经验的不足等因素，使得儿童平衡控制显得更加重要。然而儿童在生活中也容易触到高处，例如上下楼梯、站在椅子上拿东西等等，因此认知任务会对儿童平衡控制产生影响。有学者研究亦认为，人执行双重任务行走时会分散对行走的注意力，再加上感觉功能、中枢神经功能下降，行走任务与认知任务之间相互竞争注意力资源，并进行重新调整分配，将全部用于行走的注意力资源分配一部分到完成计算任务，随着分配到行走任务的有效注意力资源减少，从而降低平衡控制能力，进而增加了跌倒风险[17-20]。就目前大多数学者都是通过跨领域地在康复和运动员训练中引入以双重任务操作为训练的原则，对病理性老年患者平衡进行训练(如脑卒中康复方面)具有了一定的进展。但很少通过运动学角度和肌肉预激活角度的变化进行探讨，且几乎没有学者针对认知任务对儿童的平衡能力进行研究。
此次研究希冀通过运动学及肌电同步测试手段，探讨儿童在不同视觉及不同认知任务双因素作用下阶梯相应的平衡控制规律，并为预防及减少儿童下阶梯时的跌倒伤害、设计适宜训练方法提升儿童平衡控制能力提供一些有益参考。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计运动学横断面试验，运动学及肌电参数进行配对样本t检验、单因素方差分析、双因素方差分析。
1.2 时间及地点试验于2019 年5月至2020年10月在西南大学体育学院运动生物力学实验室完成。
1.3 对象受试对象以西南大学附属小学20名3-6年级的健康小学生为受试者，每个年级5名。
纳入标准：每位受试者在试验前需填写受试者身体健康情况调查表，显示身体状况良好且愿意参加此次研究；直系家长需填写受试者须知和自愿同意书；受试者必须四肢健全，无关节疾病，1年之内无受伤且无骨骼神经肌肉疾病。
排除标准：近1周出现运动损伤者，偏平足者，认知任务准确率不足83%者。
20名受试者中男生10名，女生10名，平均年龄(10.50±1.15)岁，平均身高(145.80±9.81) cm，平均体质量(43.80±7.33) kg，平均体质量指数(20.48±1.23) kg/m2，平均足长(21.07±2.29) cm，平均足宽(8.14±1.47) cm。且受试者基本信息不受性别因素的影响，见表1。

1.4 方法
1.4.1 器材架设 ①用五合板自制五阶阶梯，其台阶长度
90 cm、宽度28 cm、高度18 cm，最高一阶延伸为长28 cm的平台。②架设一部日本胜利公司高速摄像机(JVC9800)，拍摄频率设定为100帧/s，摄像机架设与受试者距离3 m远，机高1.25 m。镜头中心沿受试者矢状面拍摄并覆盖试验动作，在高速摄像机正前面架设一台同步灯，同时摄像机镜头正对BIOFORCEN动态平衡训练评估系统位置。再采用北京体育大学研发的视讯图像解析系统对受试者从平衡仪板上一级阶梯惯用腿后跟离开阶梯作为开始至踏上平衡仪板后至离开双足站立在平衡仪板下一级阶梯整个过程的运动图像进行解析以获取相关运动学参数。③放置一台国产埃力智能科技有限公司研发BIOFORCEN(BTA-200DP)动态平衡训练评估系统(在试验中该仪器嵌入第三阶梯，该设备长60 cm、宽40 cm、高3.5 cm)，设置截取频率为100 Hz，数据通过数据采集盒，传入电脑导入配套软件进行足底压力参数的截取与分析。④佩戴一台国产埃力智能科技有限公司研发的JE-TB0810表面肌电仪(在试验中该仪器固定在髋关节位置，见图1)，采集受试者试验动作中的下肢四块主要肌肉的肌电讯号，设置截取频率为1 000 Hz，数据通过无线接收器将肌电仪与电脑连接，为了确定试验数据接收的可靠性，每次试验后将上传数据保存在肌电数据分析软件中便于进一步的截取并分析。⑤将高速摄像机，表面肌电仪同步设置，受试者佩戴好肌电仪后，在固定摄像机位置和拍摄的范围，同时把无线传感器放置规定范围内，通过触发遥控装置进行操控。最后放置在摄像机前的同步器接受到信号后触发同步灯，同步灯亮后摄像机捕捉到信息才有效，同时表面肌电仪开始采集数据。⑥通过同步收集4种状况：睁眼状态下单一任务下阶梯、睁眼状态下双重任务下阶梯、闭眼状态(闭眼同时用眼罩遮挡眼睛，保证无视觉输入)下单一任务下阶梯和闭眼状态下双重任务下阶梯相应的下肢关节角度、压力中心和表面肌电变化特征。

1.4.2 单一任务下楼梯测试试验前受试者练习若干次，以熟悉动作过程。受试者赤脚立于第4阶梯处，听到“开始”口令后，受试者以自然的动作和速度完成一步下楼梯动作，共测试3次。
1.4.3 双重任务下楼梯测试下楼梯过程同单一任务。测试者随机报出一个50-10之间的数字，在下楼梯过程中同时完成连续减3的算数，且用嘴说出正确结果，则算测试有效。且受试者认知任务的准确率均大于83%。
1.4.4 时相阶段划分
(1)同步参数：因此次同步试验测试过程中，运动学采样100帧/s、动态平衡训练评估系统采样频率为100帧/s、肌电采样为1 000帧/s。针对3类参数采用传统方法进行标准化处理，选择受试者下阶梯惯用腿离开台阶瞬刻至惯用腿再次触及阶梯并保持站立状态瞬刻，整个动作过程按0-100%进行标准化，从而实现完整动作的同步，见图2。

(2)肌电阶段划分：依据前人的研究，设定着阶前200 ms至着阶瞬间肌肉的肌电状况作为肌肉预激活比较范围[21-23]。缓冲期的划分，试验者设定为着阶瞬间至着阶身体最低重心肌肉的肌电状况作为缓冲期比较范围[21-22]。
1.4.5 数据处理
(1)移动总距离：将前后方向(AP)与左右方向(ML)后一个时间点的坐标减去目前的坐标求得单位时间内移动的距离，将该AP单位时间内移动的距离与ML单位时间内移动的距离平方后相加后再开根号，并将所有距离加总即为移动总距离。

N为取样数，xi为瞬时ML-压力中心，yi为瞬时AP-压力中心。
(2)均方根距离：计算AP与ML离原点的距离RD，接着将RD平方后求平均并且开根号即为均方根距离。

(3)左右方向均方根距离\前后方向均方根距离：将左右方向晃动ML\AP平方后求平均并且开根号即可求得。

xi\yi为 AP-压力中心或 ML-压力中心的位置，x\y为压力中心的平均位置。
(4)平均距离：计算AP与ML离原点的距离为RD，接着计算RD的平均值即为平均距离，其中N为资料总长度。

(5)95%置信椭圆面积：利用常态分配求得Z0.95为1.645，将均方根距离平方后减去平均距离的平方并开根号求得SRD，接着将平均距离与Z0.95和SRD的乘积加总并平方，最后乘上圆周率π即可求得95%置信椭圆面积。

(6)肌电参数获取：原始肌电信号经全波整流后，用低通滤波器进行平滑处理(截断频率10 Hz)，从而获得不同视觉输入与不同认知任务下阶梯，下肢4块肌肉的肌电信号值；再采用传统方法确定肌电爆发和结束的时相以及各肌肉放电相对百分比，以便获得更多的有关肌肉活动的信息。主要参数包括：下阶梯习惯腿着板瞬刻前200 ms及着板缓冲阶段胫骨前肌、股二头肌、股直肌、内侧腓肠肌等四块肌肉平均肌电振幅标准化值和肌肉预激活时间。具体计算原理：
平均肌电振幅换算公式如下：
平均肌电振幅=积分肌电值(µV)/积分时间(s)
(7)平均肌电振幅标准化值：由于人与人的皮下组织、脂肪以及电极贴片都会有所差异，造成个体之间的肌电讯号无法直接进行比较，因此在进行资料分析时必须排除个体的差异性，方法是利用个人肌群的最大电位值为基础，与试验中所搜集的讯号比较，计算试验中的讯号占个人肌群的最大电位值的百分比。其换算公式如下：
平均肌电振幅标准化=平均肌电振幅(µV)/肌肉最大电位值(µV)×100%。
1.5 主要观察指标 ①不同视觉输入时下阶梯动作的运动学、肌电特征变化；②不同认知任务时下阶梯动作的运动学、肌电特征变化；③不同视觉输入及执行不同认知任务时下阶梯动作的运动学、肌电特征变化。
1.6 统计学分析使用数据分析软件SPSS 23.0对下阶梯截取的运动学及肌电参数进行配对样本t检验、单因素方差分析、双因素方差分析，所有参数显著性水平设定为α=0.05。通过双因素方差分析，探讨不同视觉输入及执行不同认知任务时下阶梯动作的运动学、肌电特征主效应、交互效应是否存在；主效应存在再进一步用独立样本t检验发现，不同视觉输入或执行不同认知任务时下阶梯动作的运动学、肌电特征变化；交互效应存在再进一步用单因素方差分析发现，不同视觉输入及执行不同认知任务时下阶梯动作的运动学、肌电特征变化。

讨论

3.1 不同视觉输入及认知任务下阶梯下肢关节角度的特性分析此次研究发现，着阶瞬间正常视觉输入下肢关节角度低于视觉输入受阻下肢关节角度。从视动协调相关理论来看[24]，视觉和身体移动与人的协调能力有相关，一旦视觉输入受阻，视觉神经无法把外部环境的信息反馈给大脑的中枢神经系统，就会导致视动协调能力的下降。同时彭远秋[25]的研究指出，蒙眼组在下阶梯过程中，由于视觉神经无法提供信息给中枢神经系统，进而导致下阶梯着阶瞬间蒙眼组膝关节、踝关节角度均大于不蒙眼组。此次研究亦发现，着阶瞬间单任务下肢关节角度低于双任务下肢关节角度。人们在日常功能性动作时，额外认知任务会造成注意力分散，同时也会影响功能性动作控制和感觉系统信息整合的能力[26]。有研究发现，双重任务会分散人的注意力，引起下阶梯膝关节和踝关节屈度减少，从而导致膝关节和踝关节角度大于单一任务，提高了跌倒的风险[27-28]。此次研究还发现，着阶身体最低重心瞬间正常视觉输入和单任务踝关节角度低于视觉输入受阻和双任务踝关节角度。人在细微控制时，是采用踝关节稳定来维持身体平衡，再加上闭眼、双重任务状态下阶梯缓冲期时间少于睁眼、单一任务时缓冲期时间，进而使得关节活动范围小于睁眼、单一任务时[29-31]。
3.2 不同视觉输入及认知任务下阶梯足底压力的特性分析此次研究发现，儿童正常视觉输入下的平衡控制优于视觉输入受阻下的平衡控制。视觉输入对躯体直立、空间位置觉都有补偿作用。视觉中枢位于大脑枕叶，也是维持认知功能的主要大脑中枢，视觉的传入可以短时间内快速纠正身体的稳定性，一旦视觉剥夺，会导致人体平衡功能降低[32-33]。目前平衡控制相关的研究主要利用压力中心参数指标进行评估，且压力中心晃动与平衡控制能力呈反向相关[34]。
CARPENTER等[35]、SINGH等[36]和JEON等[37]学者发现，人在缺乏视觉输入时，身体的摇晃振幅就会增加，从而使得压力中心前后向与左右向位移均方根、摆动的总轨迹长度、轨迹包络面积也会随之增加。此次研究亦发现，儿童单任务下的平衡控制优于双任务下的平衡控制。从神经环路重叠的原则来看，当认知和运动任务占用相同的神经环路时，双重任务中两个单一任务之间也会出现较为严重的干扰[38]。从注意力的分配来看，注意力的分配是影响平衡控制的重要因素，人在执行双重任务时，注意力会分配一部分给认知任务，随之分配给完成动作的注意力就会减少，平衡控制能力也会减弱[39-40]。因此，人在完成双重认知任务下阶梯时机体维持平衡的能力明显降低，压力中心前后向位移均方根、左右向位移均方根、摆动的总轨迹长度及95%置信椭圆面积也会随之增加。此次研究还发现，视觉输入及认知任务对压力中心左右向位移均方根具有交互效应。视觉、前庭觉和认知功能都是影响身体维持平衡的重要因素，而人在执行双重任务时会对身体平衡控制能力产生一定的干扰[41-42]。同时，视觉输入状况对平衡控制的影响会大于认知任务[13，32]。因此，人在闭眼双重任务下阶梯身体左右的摆动程度要大于闭眼单一任务、睁眼双重任务、睁眼单一任务时。
3.3 不同视觉输入及认知任务下阶梯肌电的特性分析
3.3.1 不同视觉输入及认知任务下阶梯着阶前200 ms至触板瞬间表面肌电特性分析此次研究发现，正常视觉输入下的肌肉预激活优于视觉输入受阻下的肌肉预激活。一些学者认为，胫骨前肌、股二头肌、股直肌、内侧腓肠肌着阶前的预先激活会对膝关节和踝关节稳定起重要作用[43-46]。人在着阶前相关肌肉会出现预激活，正常视觉输入能够增加相关肌肉预激活发生率，而视觉输入受阻就会减少相关肌肉预激活发生率[25，47-48]。彭远秋[25]和黄韵静等[49]也一致发现，人在没有视觉回馈时，外界讯息无法较好提供给中枢神经系统，就会导致着阶前期的肌肉的预先激活发生率偏小，进而降低身体的稳定性。同时亦有研究认为，肌肉预激活时间可以较好地反映肌肉预激活发生率，正常视觉输入能够提前肌肉预激活时间以及提高相关肌肉预激活发生率，反之视觉输入受阻时，肌肉预激活时间和肌肉预激活发生率会出现明显的下降[48，50]。
此次研究亦发现，单任务下的肌肉预激活优于双任务下的肌肉预激活。一些学者认为，人体在通过预期性姿势调节过程中其相关肌肉会出现预激活现象，同时身体的稳定性与相应肌肉预激活进行了调节有关，较高的肌肉预激活可以提升身体的稳定性[50-52]。人若在完成双重任务时其预期姿势调节会下降，外界讯息无法较好提供给中枢神经系统，则会造成肌肉预激活和肌肉预激活时间减少的现象，进而导致身体的平衡控制能力下降[53-56]。因此，视觉输入和认知任务是影响肌肉预激活和肌肉预激活时间的重要因素，同时肌肉预激活和肌肉的预激活时间对关节稳定和身体稳定起决定性作用。
3.3.2 不同视觉输入及认知任务下阶梯下肢缓冲期肌电的特性分析此次研究亦发现，缓冲期正常视觉输入下的小腿肌肉群放电优于视觉输入受阻下的小腿肌肉群放电。有研究显示，人在用力对抗外力时，更大的关节角度变化使得该部位肌群伸展幅度加大，肌电反应也因此增大[57-58]。同时彭远秋[25]和黄韵静等[49]的研究也一致认为，视觉剥夺者下阶梯缓冲期胫骨前肌、内侧腓肠肌平均肌电振幅标准化参数均小于正常视觉者[25，49]。此次研究亦发现，缓冲期单任务下小腿肌肉群的放电优于双任务下小腿肌肉群的放电。双重任务会影响人的前馈调节，没有较多的信息传输给中枢神经系统，就会使得踝关节的缓冲不如单一任务，从而导致双重任务下阶梯下肢关节的活动范围小于单一任务下，进而造成肌电活动减少现象，因此可以推测踝关节策略是下阶梯人维持身体平衡和关节稳定的关键。
3.4 不同视觉及不同认知任务下阶梯大脑反射功能及对儿童平衡控制的相应机制良好的肌肉预激活可以增加着阶缓冲阶段的肌肉活化，从而提升膝、踝关节稳定性，减少支撑期身体的晃动[59-60]。正常状态下阶梯有着良好的前馈调节和着阶前下肢肌肉活化，人体就会通过增加膝屈、背屈的角度方式，来增长缓冲阶段的时间，进而更好地维持膝、踝关节稳定性。再加上踝关节策略是减少身体晃动的关键，且踝关节是着阶的第一关节部位，小腿相关肌肉活化越高，就可以更好地缓冲地面反作用力，有助于着阶踝关节稳定，从而提升身体的平衡控制能力，降低身体的晃动[21，43-44]。反之，视觉剥夺、双重任务状态下阶梯下肢相关肌肉的预激活就会减少，就会降低关节调节能力和肌肉激活水平，从而使得肌骨系统不得不承受更大的冲击力[22]，进而增加膝关节和踝关节不稳定和跌倒的风险[23，61]。此外，视觉剥夺对下阶梯的影响要大于双重任务对下阶梯的影响，且肌肉预激活视觉剥夺要小于双重任务。因此可以推断，肌肉预激活对膝、踝关节屈曲度和身体的平衡控制能力具有正向预测作用，同时肌肉预激活也可以反向预测外界干扰的强弱。
3.5 结论 ①不同视觉输入及双重任务皆对正常儿童下阶梯平衡稳定性产生负面影响作用，但由于视觉剥夺直接影响到中枢神经系统信息的传递，使得身体的预期姿势调节下降，故视觉对儿童平衡控制的影响显著高于双重任务；②下阶梯时肌肉预先激活对着阶稳定性有正向效益，故通过视觉剥夺下的双重任务下阶梯，观察受试者肌肉预先激活状况，可作为儿童平衡能力发展的潜在指标，亦可作为儿童跌倒风险的潜在指标；③不同视觉输入所引起平衡控制能力的改变，表明视觉给中枢神经系统的信息刺激对儿童的认知作业有显著正向影响力，视觉剥夺可能会促使儿童下阶梯时更加专注于步态动作而弱化认知作业。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

儿童下肢生物力学特征在视觉剥夺及双重任务时的变化

Changes in biomechanical characteristics of children’s lower limbs during visual deprivation and dual tasks

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