认知-运动双任务下老年人步态终止阶段的控制策略

doi:10.12307/2026.214

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (17): 4390-4399.doi: 10.12307/2026.214

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认知-运动双任务下老年人步态终止阶段的控制策略

梁天琦，张孝权

沈阳师范大学体育科学学院，辽宁省沈阳市 110034

收稿日期:2025-08-18 接受日期:2025-09-11 出版日期:2026-06-18 发布日期:2025-12-01
通讯作者: 张孝权，博士，教授，沈阳师范大学体育科学学院，辽宁省沈阳市 110034
作者简介:梁天琦，男，2000年生，内蒙古自治区通辽市人，汉族，沈阳师范大学在读硕士，主要从事生物力学研究。
基金资助:
国家社科基金项目(24BTY038)，项目负责人：张孝权

Control strategies during gait termination in older adults under cognitive-motor dual-task conditions

Liang Tianqi, Zhang Xiaoquan

College of Sports Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, Liaoning Province, China

Received:2025-08-18 Accepted:2025-09-11 Online:2026-06-18 Published:2025-12-01
Contact: Zhang Xiaoquan, PhD, Professor, College of Sports Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, Liaoning Province, China
About author:Liang Tianqi, MS candidate, College of Sports Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, Liaoning Province, China
Supported by:
National Social Science Foundation Project, No.24BTY038 (to ZXQ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
双任务：被定义为“2个可以独立执行、单独测量且具有不同目标的任务”，通常用来研究不同的心理过程彼此之间的独立程度或不同任务对认知资源的共享程度，也可用于探究认知与神经肌肉控制之间的相互作用。
步态终止：是步行过程中的一个阶段，要求身体向前的动能和动量均为零。步态终止是动态平衡向静态平衡的一个过渡阶段，从时间特点和空间特点来讲，步态终止时要求双足停止向前移动，身体不再发生水平位移且处于静止状态。步态终止包括有计划停止和急停。

背景：伴随着年龄的增加，老年人的步态终止表现下降，后续可能会在双任务情景下带来姿势控制和平衡控制能力的下降，进一步增加跌倒的风险。
目的：探究老年人在认知-运动双任务下步态终止阶段的控制策略。
方法：纳入10名老年人作为研究对象，男女各5名，年龄(60.70±0.64)岁。试验的双任务设计为认知任务与步行过程中步态终止任务相结合，采用n-back经典范式进行老年人步态终止过程中的认知干预，使用Vicon红外运动捕捉系统和Noraxon表面肌电分别采集10名受试者的下肢运动学和肌电指标，比较不同认知负荷下(0倍认知负荷、1倍认知负荷和2倍认知负荷)老年人步态终止阶段(有计划停止、急停)的运动学指标和肌电指标的差异。
结果与结论：①双因素重复测量方差分析显示，认知负荷对踝关节角度的主效应显著(P < 0.05)，双因素交互作用不显著；停止方式对膝关节角度的主效应显著(P < 0.001)，双因素交互作用不显著；停止方式对髋关节角度的主效应显著(P < 0.05)，认知负荷对髋关节角度的主效应显著(P < 0.001)，双因素交互作用显著(P < 0.05)。有计划停止和急停时，2倍认知负荷组踝关节跖屈角度显著大于0倍认知负荷组(P < 0.05)，不同认知负荷组间膝关节屈曲角度比较差异无显著性意义(P > 0.05)；急停时，1，2倍认知负荷组髋关节屈曲角度大于0倍认知负荷组(P < 0.05)。②双因素重复测量方差分析显示，停止方式对腓肠肌、股二头肌、臀大肌、股直肌和胫前肌积分肌电的主效应显著(P <
0.05)，认知负荷对股外侧肌和胫前肌积分肌电的主效应显著(P < 0.05)，认知负荷与停止方式对胫前肌积分肌电存在显著的交互作用(P < 0.001)。急停时，2倍认知负荷组股外侧肌积分肌电值大于0倍认知负荷组(P < 0.05)，胫前肌积分肌电值小于0倍认知负荷组(P < 0.05)。③结果表明，执行双任务时，老年人急停所表现出的停止策略与有计划停止相类似，主要表现为：随着认知负荷的增加，通过增加下肢踝关节跖屈角度以及膝关节、髋关节屈曲角度来进行缓冲并完成步态终止，并且急停时的踝关节跖屈角度和膝关节、髋关节屈曲角度均大于有计划停止时。

https://orcid.org/0000-0002-6770-6505 (梁天琦)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

关键词: 老年人, 双任务, 步态终止, 生物力学, 认知负荷, 肌电, 关节角度, 下肢关节

Abstract: BACKGROUND: With advancing age older adults often experience a decline in gait termination ability. This may lead to reduced postural and balance control under dual-task conditions, further increasing the risk of falls.
OBJECTIVE: To explore the control strategies during gait termination in older adults under cognitive-motor dural-task conditions.
METHODS: A total of 10 older adults were enrolled in this study, comprising 5 males and 5 females, with a mean age of (60.70±0.64) years. A dual-task paradigm integrating a cognitive task with a gait termination task during walking was adopted. The n-back classic paradigm was used to implement cognitive interventions during gait termination. The lower extremity kinematics and electromyography indicators of 10 subjects were collected using the Vicon infrared motion capture system and Noraxon surface electromyography. Differences in kinematic and electromyography indicators during gait termination (including planned and sudden stopping) under different cognitive loads (0 cognitive load, 1 cognitive load and 2 cognitive load) were compared.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) A two-way repeated measures analysis of variance revealed that cognitive load had a significant main effect on ankle angle (P < 0.05), while the two-way interaction was not significant. Stop condition showed a significant main effect on knee angle (P < 0.001), with no significant two-way interaction. For hip angle, both stop condition (P < 0.05) and cognitive load (P < 0.001) exhibited significant main effects, and their two-way interaction was also significant (P < 0.05). During both planned and sudden stops, the ankle plantar flexion angle increased significantly under 2 cognitive load compared with 0 cognitive load (P < 0.05). while, the knee flexion angles showed no significant differences under different cognitive loads (P > 0.05). Compared with 0 cognitive load, the hip flexion angles under 1 and 2 cognitive loads during sudden stop were significantly increased (P < 0.05). (2) A two-way repeated measures analysis of variance revealed that the stopping condition had a significant main effect on the integrated electromyography of the gastrocnemius, biceps femoris, gluteus maximus, rectus femoris and tibialis anterior (P < 0.05). Cognitive load exhibited a significant main effect on the integrated electromyography of the vastus lateralis and tibialis anterior (P < 0.05). A significant interaction effect was observed between cognitive load and stopping condition for the integrated electromyography of the tibialis anterior (P < 0.001). During sudden stop, the integrated electromyography value of the lateral femoris muscle under 2 cognitive load was significantly increased compared with 0 cognitive load (P < 0.05), and the integrated electromyography value of the anterior tibial muscle was significantly decreased compared with 0 cognitive load (P < 0.05). These results indicate that under dual-task condition, the strategy for gait termination exhibited by older adults in sudden stops is similar to that in planned stops: with cognitive load increasing, gait termination is achieved by greater ankle plantar flexion, knee flexion, and hip flexion angles to absorb impact forces. Moreover, during sudden stop, the angles of ankle plantar flexion, knee flexion, and hip flexion are all larger than those during planned stop.

Key words: older adults, dual tasks, gait termination, biomechanics, cognitive load, electromyography, joint angle, lower limb joint

中图分类号:

梁天琦, 张孝权. 认知-运动双任务下老年人步态终止阶段的控制策略[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(17): 4390-4399.

Liang Tianqi, Zhang Xiaoquan. Control strategies during gait termination in older adults under cognitive-motor dual-task conditions [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(17): 4390-4399.

图/表（结果） 8

2.1 参与者数量分析 10名受试者均顺利完成试验，未发生不良事件，全部进入结果分析。
2.2 试验流程见图5。

2.3 受试者下肢关节角度变化该部分将比较单任务(0倍认知负荷，只进行步态终止)与1倍认知负荷和2倍认知负荷的下肢关节角度变化。由于步态终止下肢3个关节主要表现为矢状面内的屈曲和伸展，并且步态终止中起主要作用的为制动腿，因此，研究只对比制动腿的关节角度变化。为了将不同受试者之间进行比较，研究将所有受试者的步态周期数据进行了标准化处理，将步态周期归一化到0%-100%之间[1]。有计划停止和急停动作阶段划分为第一双支撑相、左脚单支撑相、第二双支撑相、摆动相、第三双支撑相及停止阶段。
2.3.1 有计划停止时受试者下肢关节角度变化见图6。

下肢踝、膝和髋关节在整个步态周期中的角度变化趋势较为一致，踝关节角度在停止阶段发生轻微变化，具体变现为：在第二双支撑相之前，0倍认知负荷、1倍认知负荷和2倍认知负荷下受试者踝关节角度变化趋势基本一致；在第二双支撑相达到跖屈极值后，在步态终止后期的并拢阶段踝关节开始逐渐背屈并停止，此时3种认知负荷下受试者的踝关节角度稍有波动，波动幅度主要表现为0倍认知负荷> 1倍认知负荷> 2倍认知负荷，并且与0倍认知负荷组相比，2倍认知负荷组踝关节跖屈角度显著增大(P < 0.05)，见表1-3。

2.3.2 急停时受试者下肢关节角度变化见图7。

由图7A和表1可以看出，踝关节在步态周期的25%左右出现明显波动。在第一双支撑相的初期，0认知负荷、1倍认知负荷和2倍认知负荷下受试者的踝关节角度达到第一跖屈极值，主要表现为0倍认知负荷> 1倍认知负荷> 2倍认知负荷。由此踝关节角度开始逐渐上升，由跖屈逐渐变为背屈，3种认知负荷下受试者踝关节角度上升变化趋势基本一致。在左脚单支撑相达到背屈峰值，并且3种认知负荷下受试者的踝关节角度均值产生了明显差异，主要表现为0倍认知负荷> 1倍认知负荷> 2倍认知负荷。2倍认知负荷组踝关节跖屈角度明显大于0倍认知负荷组(P < 0.05)。
由图7B和表2可以看出，3种认知负荷下受试者的膝关节角度变化趋于一致。在第二双支撑相摆动相达到峰值57°，随后膝关节角度迅速下降转变为伸展状态进入摆动相。在步态周期的急停阶段，3种认知负荷下受试者的膝关节角度变化出现轻微波动，波动幅度表现为0倍认知负荷> 1倍认知负荷> 2倍认知负荷。受试者膝关节平均角度随着认知负荷的增加而增大，但是并未达到显著水平。
由图7C和表3可以看出，在步态周期的急停阶段，3种认知负荷下受试者的髋关节角度变化趋势有明显波动，髋关节角度由屈曲状态变为伸展状态，髋关节波动幅度表现为0倍认知负荷> 1倍认知负荷> 2倍认知负荷。随着认知负荷的增加，受试者的髋关节角度增大。1，2倍认知负荷组髋关节角度大于0倍认知负荷组(P < 0.05)。
双因素(认知负荷×停止方式)重复测量方差分析显示，认知负荷对踝关节角度的主效应显著(P < 0.05)，双因素交互作用不显著；停止方式对膝关节角度的主效应显著(P < 0.001)，双因素交互作用不显著；停止方式对髋关节角度的主效应显著(P < 0.05)，认知负荷主对髋关节角度的效应显著(P < 0.001)，双因素交互作用显著(P < 0.05)。
由于髋关节角度存在交互效应，进一步进行简单效应分析。停止方式的简单效应检验结果显示：0倍认知负荷下，停止方式的简单效应不显著(F=0.01，P=0.91)；1倍认知负荷下，停止方式的简单效应不显著(F=1.98，P=0.18)；2倍认知负荷下，停止方式的简单效应显著(F=8.79，P=0.01)，表明在2倍认知负荷下有计划停止和急停两种停止方式之间髋关节角度的存在显著差异。认知负荷的简单效应检验结果显示，有计划停止时，认知负荷的主效应不显著(F=0.64，P=0.55)；急停时，认知负荷的主效应显著(F=10.72，P=0.002)。
2.4 受试者下肢积分肌电变化采用双因素(认知负荷×停止方式)重复测量方差分析对下肢制动腿6块肌肉的积分肌电进行分析，见表4。结果显示，对于腓肠肌、股二头肌、臀大肌、股直肌和胫前肌，停止方式的主效应显著(P < 0.05)；对于股外侧肌和胫前肌，认知负荷的主效应显著(P < 0.05)；对于胫前肌，存在显著的交互作用(P < 0.001)。由于上述主效应和交互效应作用均为整体方差分析结果，故无需进行Bonferroni校正，仅在后续配对比较中采用校正。
有计划停止时，随着认知负荷的增加，受试者下肢6块肌肉的积分肌电值并无显著变化。进一步的成对比较结果显示，仅股外侧肌和胫前肌的积分肌电值在某些认知负荷条件下呈现出显著差异(P < 0.05)，因此，为了降低假阳性风险，对股外侧肌和胫前肌的积分肌电值采用Bonferroni校正，校正后的显著性阈值设定为α=0.05/3≈0.0167，结果显示：急停时，2倍认知负荷组股外侧肌积分肌电值大于0倍认知负荷组(P < 0.016 7)，不同认知负荷组胫前肌肌积分肌电值比较差异有显著性意义(P < 0.016 7)，见表5，6。

参考文献

[1] 王新亭,吴永红,王鸥,等.老年人手提重物时不同停止方式对步态稳定性的影响[J].医用生物力学,2021,36(2):297-303.
[2] 莫仕围,徐冬青,李静先.步态终止对身体姿势稳定性影响研究[J].中国运动医学杂志,2011,30(1):94-99.
[3] SPARROW WA, TIROSH O. Gait termination: a review of experimental methods and the effects of ageing and gait pathologies. J Gait Posture. 2005;22(4):362-371.
[4] JIAN Y, WINTER DA, ISHAC MG, et al. Trajectory of the body COG and COP during initiation and termination of gait. J Gait Posture. 1993;1(1):9-22.
[5] KOO DK, KWON JW. Biomechanical Analysis of Unplanned Gait Termination According to a Stop-Signal Task Performance: A Preliminary Study. Brain Sci. 2023;13(2):304.
[6] ZHANG X, WANG Q, LI Q, et al. Comparative effects of arithmetic, speech, and motor dual-task walking on gait in stroke survivors: a cross-sectional study. Front Hum Neurosci. 2025;19:1587153.
[7] BECH SR, KJELDGAARD-MAN L, SIRBAUGH MC, et al. Attentional Capacity during Dual-task Balance Performance Deteriorates with Age before the Sixties. Exp Aging Res. 2022;48(1):86-98.
[8] HALL CD, ECHT KV, WOLF SL, et al. Cognitive and motor mechanisms underlying older adults’ ability to divide attention while walking. Phys Ther. 2011;91(7):1039-1050.
[9] KLINE PW, SHAIKH FD, TENNANT JE, et al. Global Cognition, Gender, and Level of Education Predict Dual-Task Gait Speed Variability Metrics in Older Adults. Gerontology. 2024;70(7):724-731.
[10] 刘鑫玥,邢新阳,霍洪峰.不同认知负荷行走时人体动态稳定性的差异[J].中国组织工程研究,2023,27(9):1335-1339.
[11] OMANA H, MADOU E, MONTERO-ODASSO M, et al. The effect of dual-task testing on the balance and gait of people with lower limb amputations: A systematic review. PM R. 2023;15(1):94-128.
[12] JOHNSON RS, SCOTT KH, LYNALL RC. A proposal for complex gait evaluation using dual-task gait termination time. J Sport Rehabil. 2020;30(4):525-530.
[13] AZADIAN E, TORBATI HRT, KAKHKI ARS, et al. The effect of dual task and executive training on pattern of gait in older adults with balance impairment: A Randomized controlled trial. Arch Gerontol Geriatr. 2016; 62:83-89.
[14] SCHAEFER S, JAGENOW D, VERREL J, et al. The influence of cognitive load and walking speed on gait regularity in children and young adults. J Gait Posture. 2015;41(1):258-262.
[15] 庄薇. 经颅交流电刺激对工作记忆及上肢双任务动作控制的影响研究[D].上海:上海体育学院,2021.
[16] MENANT JC, STEELE JR, MENZ HB, et al. Rapid gait termination: effects of age, walking surfaces and footwear characteristics. J Gait Posture. 2009; 30(1):65-70.
[17] ALJAWAEE M, WILLIAMS JM, JONES MD. Informing wobble-board training and assessment through an investigation of the effect of biological-sex, anthropometrics, footwear and dual-tasking in young adults. J Back Musculoskelet Rehabil. 2024;37(2):305-315.
[18] HOMMEL B. Dual-task performance: Theoretical analysis and an event-coding account. J Cogn. 2020;3(1):29.
[19] OH C, LAPOINTE LL. Changes in cognitive load and effects on parameters of gait. Cogent Psychology. 2017;4(1):1372872.
[20] BEAUCHET O, DUBOST V, HERRMANN FR, et al. Stride-to-stride variability while backward counting among healthy young adults. J Neuroeng Rehabil. 2005;2(1):1-8.
[21] MONTERO-ODASSO M, MUIR SW, SPEECHLEY M. Dual-task complexity affects gait in people with mild cognitive impairment: the interplay between gait variability, dual tasking, and risk of falls. Arch Phys Med Rehabil. 2012; 93(2):293-299.
[22] SILSUPADOL P, SHUMWAY-COOK A, LUGADE V, et al. Effects of single- and dual-task conditions on executive function in walking. Arch Phys Med Rehabil. 2009;90(2):293-299.
[23] OWEN AM, MCMILLAN KM, LAIRD AR, et al. N‐back working memory paradigm: A meta‐analysis of normative functional neuroimaging studies. Hum Brain Mapp. 2005;25(1):46-59.
[24] WOLLESEN B, WANSTRATH M, VAN SCHOOTEN KS, et al. A taxonomy of cognitive tasks to evaluate cognitive-motor interference on spatiotemoporal gait parameters in older people: a systematic review and meta-analysis. Eur Rev Aging Phys Act. 2019;16(1):1-27.
[25] 张肃.基于表面肌电技术对人体上肢肌肉疲劳过程中中枢共驱动的研究[J].中国运动医学杂志,2017,36(4):290-295.
[26] TUENA C, MANCUSO V, BENZI I MA, et al. Executive functions are associated with fall risk but not balance in chronic cerebrovascular disease. J Clin Med. 2020;9(11):3405.
[27] YUN SH, JANG TS, KWON JW. Cortical Activity and Spatiotemporal Parameters during Gait Termination and Walking: A Preliminary Study. Behav Brain Res. 2024; 456:114701.
[28] NAGEL IE, PREUSCHHOF C, LI SC, et al. Load modulation of BOLD response and connectivity predicts working memory performance in younger and older adults. J Cogn Neurosci. 2011;23(8):2030-2045.
[29] ROSS D, WAGSHUL ME, IZZETOGLU M, et al. Prefrontal cortex activation during dual-task walking in older adults is moderated by thickness of several cortical regions. Geroscience. 2021;(4):1959-1974.
[30] RIDGE ST, HENLEY J, MANAL K, et al. Kinematic and kinetic analysis of planned and unplanned gait termination in children. J Gait Posture. 2013; 37(2):178-182.
[31] CEN X, LU Z, BAKER JS, et al. A comparative biomechanical analysis during planned and unplanned gait termination in individuals with different arch Stiffnesses. Appl Sci. 2021;11(4):1871.
[32] TIROSH O, SPARROW WA. Gait termination in young and older adults: effects of stopping stimulus probability and stimulus delay. J Gait Posture. 2004;19(3):243-251.
[33] SHEN X, CEN X, SONG Y. Investigating Temporal Kinematic Differences Caused by Unexpected Stimulation during Gait Termination through the Waveform‐Level Variance Equality Test. Biomed Res Int. 2022;2022(1):4043426.
[34] ZHOU H, CEN X, SONG Y, et al. Lower-limb biomechanical characteristics associated with unplanned gait termination under different walking speeds. J Vis Exp. 2020;(162):e61558.
[35] HASE K, STEIN RB. Analysis of rapid stopping during human walking. J Neurophysiol. 1998;80(1):255-261.

引言

步行一直以来是运动生物力学研究的热点话题，它的基本准则是在保持身体平衡的情况下完成位置移动。广义上来说，步行可分为3个连续的功能阶段，分别是运动启动阶段、节律行进阶段和运动终止阶段[1]，3个阶段中任何一个阶段受到影响都会导致身体失衡[2-3]。其中，步态终止阶段是由动态平衡到静态平衡的过渡阶段，它要求在停止过程中前方制动腿增加制动力，而后方的尾随腿减小推进力，从而使得身体的动能和向前的动量均为零[2，4]。目前相关研究将步态终止划分为2种方式，分别是有计划终止和计划外终止(急停)[2]。有计划终止是指在不受外界干扰下步行至预先指定的位置或达到预先指定的目标，是自发完成的；而急停是指在突发情况下为了保持身体平衡而做出的快速停止[5]。与正常步行(双足交替行走阶段)相比，步态终止需要更好的姿势控制能力以及更强大的神经肌肉系统的整合能力[6]。在老年人群中，步态终止表现和平衡功能会随着年龄的增长而下降[7]。在提重物的情况下，老年人急停比有计划停止表现出更大的不稳定性，并且需要通过增加踝关节跖屈活动来改善身体稳定性[1]。伴随着老年人年龄增加而带来的步态终止表现下降，后续可能会在双任务情景下带来姿势控制和平衡控制能力的下降，进一步增加跌倒的风险[8-9]。
认知负荷对步行的姿势控制影响可用双任务范式进行评估[10]，在双任务中，人脑的资源是有限的，而不同任务会争夺有限的资源，从而导致平衡控制功能[11]、姿势控制[6]、步行表现的下降[12-14]。尤其在认知与运动叠加的双任务情况下，认知的负荷越高，完成运动任务的控制能力和步行表现都会随之发生改变[15]。目前关于对步态终止的研究大多数是探究外部的干扰对于步态终止的影响，如负重[1-2]、行走的路面光滑程度及不同的鞋履等[16-17]。而对于内部的干扰，如内心思考、回忆等认知功能领域的研究，大多研究集中在对双足交替行走阶段或步行效应[18-19]，缺乏单双任务之间的对比。既往研究通常将运动-认知双任务(认知任务为词语回忆、倒背数字)与单任务条件进行比较，揭示了双任务对步态稳定性(步速和变异性)的损害[20-21]，但并不能充分展示同一认知任务类型内部负荷的变化对运动控制的影响。虽然部分研究尝试引入不同复杂程度的认知任务[22]，但往往因为不同认知任务类型异质性限制了结果的可比性。多级的认知负荷范式主要研究反应时和电生理等指标[23]，它们在老年人步态运动控制领域的相关探索仍然匮乏。因此，在同一认知任务类型下，老年群体中不同认知负荷强度如何影响步态控制机制这一关键问题有待深入研究。
由于认知任务与步行整个过程所需要的大脑区域有共享的神经网络，而对认知任务难度或负荷的增加会干扰这神经网络，进而干扰步态终止[24]。在全国人口老龄化的背景下，随着年龄的增加，老年人的认知功能和维持平衡能力会下降，那么老年群体在认知-运动双任务这样一个贴近日常生活的情景下，步态终止特征以及神经肌肉控制能力是否会受不同认知负荷存在而产生不同的影响？此次研究主要探讨该问题。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

材料方法

1 对象和方法 Subjects and methods
1.1 设计认知-步态终止双任务试验。
1.2 时间及地点试验于2024年12月在大连理工大学生物力学实验室完成。
1.3 对象研究纳入10名老年人，男女各5名，年龄(60.70±0.64)岁，身高(166.28±2.11) cm，体质量(71.13±1.21) kg。所有受试者均了解试验内容并签署了试验知情同意书。研究方案已通过大连理工大学生物与医学伦理委员批准(批准号：DUTSKHP250727-01)。
样本量计算：采用G-power 3.1.9.7软件估算样本量，在Test Family中选择F-tests选项，在Statistical test中选择ANOVA：Repeated measures、within factors选项，power=0.8，效应量=0.4，组数=1，测量数量=5，Corr among rep measures=0.5，计算得出最小样本量为8名。考虑到误差因素等影响，增加30%样本量，8×30%≈2。因此，此次研究所纳入的总样本量为10名。
纳入标准：①年龄60-62岁；②无神经肌肉、骨骼和平衡功能的损伤；③意识清楚，无任何认知障碍；④半年内下肢关节无损伤。
排除标准：①下肢存在损伤，不能独立行走；②存在认知障碍，意识不清楚，无法沟通交流；③存在心肺功能不全或其他严重疾病。
1.4 试验仪器随机数列生成软件；8个Vicon红外摄像头(英国Vicon Motion Systems Ltd.)；Noraxon无线表面肌电；反光标记点。图1是反光标记点示意图，由于此次研究只针对下肢，因此16个反光标记点分别粘贴在如下位置。
1.5 方法
1.5.1 认知-步态终止双任务研究的双任务设计为认知任务与步行过程中步态终止任务相结合。认知任务为n-back范式，运动任务为步行过程中的步态终止。单独执行步态终止(0倍认知负荷)时，称为单任务；同时执行步态终止和认知任务时称为双任务。
1.5.2 n-back认知任务研究采用n-back经典范式进行老年人步态终止过程中的认知干预。运用随机数字生成软件随机生成10个不同的数字，试验人员任意依次念出并且随机停止，要求试验人员所念的长度至少要大于5个。0倍认知负荷时，受试者只需要完成步态终止任务即可；1倍认知负荷时，要求受试者说出该数列的倒数第一个数字；2倍认知负荷时，要求受试者说出倒数第二个数字。
1.5.3 步态终止任务研究中为了统一变量，要求受试者在步行开始时统一先迈左脚，在步态终止时，左腿为制动腿，右腿为尾随腿。由于在步态终止中起主要作用的是制动腿，所以只对制动腿进行研究。
有计划终止：事先告诉受试者需要停止的位置，受试者以平常行走速度步行到达该位置后自动停下来(图2)。
计划外终止(急停)：在不知道停止位置的情况下，受试者以平常速度行走。受试者需要观看步道尽头的信号灯，当看到信号灯亮起时要求受试者立刻停止，终止信号的发出要控制在左足足跟着地的瞬间。左足停止后，对右足采用前后停止策略(图3)并保持此姿势3 s。终止信号出现的概率为10%。

1.5.4 试验流程试验开始之前，为消除受试者间生理差异对肌电数据可比性的影响，标准化处理是试验设计的必要环节。将表面肌电电极按照规范贴附于目标肌肉解剖位点，随后引导受试者完成最大随意收缩测试。选取股直肌、股外侧肌、臀大肌、股二头肌、胫前肌、腓肠肌为测试肌肉，图4是下肢

6块肌肉表面电极所贴部位示意图。最大随意收缩测试具体方法：①大腿前侧肌肉，膝关节90°固定位置尽力伸膝；②大腿后侧肌肉，膝关节90°固定位置尽力屈膝；③小腿前侧肌肉，踝关节90°固定位置尽力背屈；④小腿后侧肌肉，踝关节90°固定位置尽力跖屈。为避免受试者肌肉产生疲劳，最大随意收缩测试和正式试验均给予5 min休息时间。

单任务有计划停止：在试验人员发出“开始”的指令时，受试者要沿着步道进行行走，准确地停在事先确定好的位置上。
单任务急停：试验人员发出“开始”的指令时，受试者要沿着步道进行行走，信号灯亮起时立即停止。
双任务有计划停止：提前告诉受试者需要停止的位置以及关于这次试验的认知负荷倍数。在试验人员开始念出随机数列时受试者就开始行走。试验人员在念诵随机数列停止后，受试者根据被提前告知的认知负荷倍数回答出正确的答案。
双任务急停：会提前告诉需要执行认知负荷的倍数，试验人员开始念出随机数列时受试者开始行走。试验人员在念诵随机数列停止以后，受试者需要根据提前告知的认知负荷倍数说出答案。如果步道尽头的信号灯亮起，受试者要立刻停止步行；如果信号灯没有亮起，受试者不需停止并且不进行数据采集。
以上试验流程中在完全没有认知任务介入下，有计划停止和急停单独进行；在双任务下，1倍认知负荷有计划停止和急停单独进行试验；2倍认知负荷有计划停止和急停单独进行试验。在执行急停终止时，终止信号出现的概率控制在10%，以此来防止受试者在试验过程中产生预期效应。每次试验选择3次有效数据，不同认知负荷间歇3 min。
1.6 主要观察指标将处理好的数据输出C3D的格式至Visual 3D软件中，通过Visual 3D软件计算踝、膝、髋关节三维运动角度，对肌电信号依次进行带通滤波、全波整流和肌电数据信号的包络线处理。
运动学数据：下肢踝、膝和髋关节角度。髋关节屈曲角度为正值，伸展角度为负值；膝关节屈曲角度为正值，伸展角度为负值；踝关节背屈角度为正值，跖屈角度为负值。
积分肌电：是指某一块肌肉在单位时间内产生的电活动的总量，也就是肌电曲线与时间轴围成的面积，可反映支配某一块肌肉的一群运动单位在一段时间内的电活动情况[25-26]。
1.7 统计学分析采用统计软件 SPSS 25.0(IBMS，NY，USA)进行分析，所得参数值以x±s表示。采用双因素重复测量方差分析(停止方式×认知负荷)对比单任务步态终止(n=0)与双任务(n=1/2)步态终止的步态运动学参数和肌电测试指标差异。在分析之前，需要进行球形度检验，检验显著性是否小于0.05，若通过球形度检验则用球形度下的假设分析；若不通过球形度检验，则用Greenhouse-Geisser矫正假设下的方差分析。该文统计学方法已经得到沈阳师范大学统计学专家审核。

讨论

3.1 双任务对受试者关节角度的影响此次研究发现，执行双任务会对受试者下肢关节角度产生影响。有计划停止时，受试者倾向于将双腿并拢稳定地站立在停止位置之前，表现出更早和更多的髋关节和膝关节屈曲以及踝关节跖屈。与0倍认知负荷相比，1，2倍认知负荷下受试者踝关节跖屈角度显著增大。双任务时，受试者通过减少制动腿踝关节波动幅度来维持身体平衡以及完成步态终止。双任务与单任务下的受试者膝关节角度并无明显变化。有计划停止时，与0倍认知负荷下相比，1，2倍认知负荷下受试者会通过增大髋关节屈曲角度策略来增加身体的稳定性。2023年，YUN等[27]对健康年轻人中功能近红外光谱的研究表明，步态终止期间激活右背外侧前额叶皮质。OWEN等[23]基于年轻群体的元分析表明，n-back任务主要激活背外侧前额皮质、顶叶皮质等区域。尽管老年群体可能表现出相关的神经代偿机制，如背外侧前额叶皮质激活减弱而运动皮质代偿性增强[28]，但核心网络仍与年轻人相似[29]。根据资源共享理论模型推测，步态终止与n-back需要相同的脑区与神经通路，而在同时执行这两项任务时，由于大脑资源有限就会导致一项任务或两项任务的表现下降，而受试者为了自我保护不摔倒，就会采取一种更为谨慎与小心的步态来抵消因为注意力分散而带来的影响，这种更为谨慎的步态就主要表现在踝关节背屈角度减小、踝关节跖屈角度增大。
与有计划停止时相比，急停时受试者下肢髋、膝和踝关节都出现了明显波动，这种波动往往发生于步态终止的后期阶段，表明在步态终止后期阶段，急停往往比有计划停止更难停下来。急停时，与完成单一停止动作(0倍认知负荷下)相比，随着认知负荷的增加，受试者在完成双任务时会通过增加踝关节跖屈角度、膝关节屈曲角度以及增加髋关节屈曲角度来维持身体的平衡。RIDGE等[30]的研究发现，急停时，受试者的髋关节往往会采取两种调节策略：停止时先屈髋，然后维持髋关节在接近屈曲峰值的位置并保持稳定；髋关节先伸展再快速弯曲，最后回到相对伸展的位置并维持平衡。此次研究中急停时受试者髋关节角度变化图与RIDGE等[30]研究的第二种髋关节策略一致，与单一急停任务(0倍认知负荷)相比，认知负荷的增加会引起受试者步态终止后期髋关节角度的波动，主要原因在于：在步态终止后期，受试者既要兼顾终止信号还要回忆认知任务，导致在停止时髋关节要更加屈曲才能保持稳定，即大多数受试者会更多地采用屈髋和屈膝策略来完成急停。
此次研究发现，无论是0倍、1倍还是2倍认知负荷下，受试者有计划停止时的踝、膝和髋关节角度始终小于急停时，并且不同停止方式对膝关节和髋关节角度的主效应都显著，分析主要原因为有计划停止和急停两种方式的差别。步态终止需要增加向前的制动力以及减小后方的推进力，从而使得身体的动能和向前的动量均为零[2，4]。在急停时，由于人体遇到突然的意外需要停止，此时需要身体产生净制动冲量(制动冲量减前进冲量)才能维持平
衡[4]。而与急停不同，有计划停止会提前告知受试者停止位置，这就使得受试者在达到指定位置之前有足够的缓冲时间以及调整下肢关节的时间。相关研究发现，受试者有计划停止时的步速要比急停时慢10%，并且踝关节表现出更小的背屈角度，受试者有充足的缓冲时间通过减小背屈角度来减缓前进[31-33]。而步速的下降也意味着有计划终止会比急停更早减少推进力。此外，由于急停相对于有计划停止而言缺少充足的缓冲时间，这也就导致急停时的速度比有计划停止时的速度要快，而速度越快则需要更大的关节角度产生制动力使步态停止。对于膝关节和髋关节而言，更大的膝关节屈曲角度和更大的髋关节屈曲角度会产生更大的制动力[3，34]。此次研究中，由于急停时受试者需要面对突如其来的终止信号，所以急停时就会产生比有计划停止时更大的膝关节和髋关节屈曲角度。
3.2 双任务对受试者肌肉积分肌电的影响此次研究发现，有计划停止或急停时，与0倍认知负荷相比，1，2倍认知负荷下受试者腓肠肌、臀大肌和股外侧肌的积分肌电值增大，股二头肌、股直肌和胫前肌的积分肌电值减小。急停时，2倍认知负荷组受试者股外侧肌积分肌电值大于0倍认知负荷组，胫前肌积分肌电值小于0倍认知负荷组。正如前文所论述，有计划停止和急停时都需要踝关节跖屈、髋关节和膝关节屈曲来维持身体平衡并完成步态终止。HASE等[35]研究显示，步态终止时需要制动腿的腓肠肌和比目鱼肌产生强大的爆发力来控制踝关节跖屈以及胫前肌活动，进而减少踝关节的背屈，这与此次研究发现一致。此次研究结果表明，随着认知负荷的增加，受试者身体由于外部认知的干扰越来越不稳定，在停止时需要腓肠肌更强的激活程度使踝关节跖屈以及胫前肌更小的激活程度来抑制踝关节背屈，完成步态终止，保持平衡。急停时由于速度略快，受试者身体更加不稳定，所以在停止时需要腓肠肌更大的激活程度以及胫前肌激活程度的抑制，这是急停时胫前肌积分肌电值显著减小的原因。在执行双任务时，由于急停相比有计划停止缺少充足的缓冲时间，所以受试者下肢肌肉会表现出更大的积分肌电值。
尽管有计划停止和急停时受试者股二头肌和股直肌的积分肌电值并不存在显著差异，但是也能反映出股二头肌和股直肌对膝关节的影响。股直肌积分肌电值的降低表明膝关节伸展不够充分，而股二头肌和股直肌作为一对拮抗肌，股直肌积分肌电值的降低程度小于股二头肌，所以双任务下有计划停止和急停时下肢膝关节还是以屈膝为主。此外，此次研究还观察到随着认知负荷的增加，有计划停止和急停时股外侧肌积分肌电值显著增加，股外侧肌激活增强可能通过增大膝关节屈曲刚度来提升矢状面的稳定性，但它在冠状面的生物力学效应(如外展)需要进一步验证。
3.3 结论 ①随着认知负荷的增加，老年人在步态终止阶段会通过增加踝关节跖屈角度以及膝、髋关节屈曲角度来完成停止。②有计划停止时，老年人在到达指定位置之前提前减速并做出姿势调整；随着认知负荷的增加，相关肌肉激活程度会发生改变，踝关节波动幅度减小，踝关节跖屈角度以及髋关节和膝关节屈曲角度增大。③在执行双任务急停时，老年人所表现出的停止策略与有计划停止相类似，主要表现为：随着认知负荷的增加，老年人会增大下肢踝关节跖屈角度以及膝、髋关节屈曲角度来完成急停。双任务急停时踝关节跖屈角度以及膝、髋关节屈曲角度均大于双任务有计划停止。
3.4 该研究的局限性由于受实验室客观条件限制，只针对制动腿进行了研究，并未考虑尾随腿的生物力学特征变化；虽然研究对认知负荷和停止方式进行了统计学的交互分析，但由于客观条件并未对认知任务的正确率进行监测；关节角度等并未排除受试者身高及腿长等生理学上的差异。未来的研究应该以多种干扰因素进行探究。
此次研究设定急停信号仅在左足足跟着地时触发，虽提高了试验控制性，但忽略了其他步态时相下的神经肌肉调控特征，未来研究可进一步引入多时相急停范式，以更全面评估不同步态状态下的步态终止策略。尽管整个研究对不同变量进行了控制，但由于研究在实验室内进行，不确定实验室的环境是否能够客观真实地反映现实生活环境。研究的人群针对的只是健康老年人，样本量也并不大，也并未将性别作为独立变量纳入统计分析以考察其主效应，未来研究需在更大样本量的基础上深入探究性别因素对双任务步态终止策略的潜在影响。此外，未来的研究可以扩大人群，比如特殊人群，如糖尿病患者、帕金森患者、高龄、亚健康和慢性踝关节不稳患者等来进一步探究不同人群双任务下步态终止的策略。试验指标方面，研究未采集步态终止过程的足底压力中心及地面反作用力，因此无法排除跖屈角度变化可能源于动力学变化的直接影响，未来研究应纳入多种动力学指标以更全面解释运动控制机制；还可以纳入下肢肌肉的激活时序和关节功率等来反映受试者的生物力学特征。年龄对神经机制存在潜在的影响，未来可结合功能近红外光谱技术同步监测高龄人群双任务步态终止的皮质活动。
研究为横向设计，虽揭示了认知负荷与步态终止策略直接的关系，但并未有足够证据推断认知负荷如何引发步态终止控制能力的变化。此次研究中的受试者仅为老年人群，并未设置年轻对照组，后续研究可以设置年轻对照组来区分年龄和双任务的干扰效应。由于n-back任务与老年人现实生活情景存在差异，未来研究将结合更仿真的情景认知任务，如交谈、决策、不规则的路面和突发干扰等以提高试验设计的生活适配性，并结合跌倒风险评估工具和日常生活能力评估，以更全面地评估认知-运动双任务对老年人的影响。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

认知-运动双任务下老年人步态终止阶段的控制策略

Control strategies during gait termination in older adults under cognitive-motor dual-task conditions

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[1]	张楠, 孟庆华, 鲍春雨. 踝关节有限元模型的特性及临床应用[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2343-2349.
[2]	曾轩, 翁汭, 叶仕成, 唐佳栋, 莫凌, 李文超. 两种腰椎旋扳手法治疗腰椎间盘突出症：生物力学差异的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2153-2161.
[3]	武泓序, 刘轩宇, 王韬宇, 王诗尧, 程靖祎, 张鸣文, 张银霞, 刘治华, 王晓洁. 引入肌肉单元的脊柱侧弯有限元仿真：双向载荷的矫形效果验证[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2172-2181.
[4]	刘佳富, 任茹霞, 廖州伟, 周夏丽, 吴益宏, 张少群. 颈性眩晕模型大鼠颈椎生物力学特性的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2182-2190.
[5]	郑汪杨, 费冀, 杨砥, 赵浪, 王伶俐, 刘鹏, 李海洋. 有限元分析肱骨外展与前屈运动中冈上肌腱及盂肱关节的受力变化[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2199-2207.
[6]	蔡其锐, 戴小玮, 郑晓斌, 简思莉, 卢绍平, 刘特熹, 刘国科, 林远方. 龙氏牵引下正骨法对颈椎功能单元的力学影响：头颈生物力学模型定量分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2208-2216.
[7]	饶敬澄, 李豫皖, 郑红兵, 徐志, 朱爱祥, 史册, 王冰, 杨春, 孔祥如, 朱大伟. 新型股骨近端稳定髓内钉与传统髓内钉生物力学的差异[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2217-2225.
[8]	陈龙, 王小阵, 席金涛, 鲁齐林. 短节段置钉联合可扩张聚醚醚酮置换体在骨质疏松椎体中的生物力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2226-2235.
[9]	闫相宁, 陈雷, 陈永欢, 王超, 李小生. 下蹲动作中不同深度和负荷对膝关节力学和周围肌肉力量特征的影响[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2236-2247.
[10]	周道斌, 王科豪, 谢洋, 宁仁德. 掌侧锁定钢板与联合背侧钢板固定桡骨远端骨折尺背侧骨折块的生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2255-2261.
[11]	张先绪, 马忠, 刘欣, 黄磊, 沈文翔, 罗志强. 腰椎融合联合单侧固定治疗腰椎退行性疾病：生物力学、技术演化及临床应用[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2334-2342.
[12]	张子华. 从坐到站动作老年下肢肌群仿真及用力特征分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1407-1416.
[13]	钟彩红, 肖晓歌, 李明, 林剑虹, 洪靖. 运动相关髌腱炎发病的生物力学机制[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1417-1423.
[14]	余新林, 陈辉宇, 王盈盈, 郭卫中, 冯彬, 林成寿, 林旺 . 新型股骨外髁逆行髓内针内固定治疗股骨远端A2 型骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(3): 546-552.
[15]	赵金港, 刘利平, 陈建伟, . 腰椎融合与人工椎间盘置换比较的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(3): 553-560.