不同任务干扰对儿童早期步态特征和任务成本的影响

赵盼超， 纪仲秋， 姜桂萍， 文蕊香

1.中国地质大学（北京）体育部，北京市 100083；2.北京师范大学体育与运动学院，北京市100875

0 前言

步态是人类特有的、最基本的运动形式，大多数儿童在3.5岁时，步态特征接近成人模式[1]；但步态和平衡能力直到7 岁甚至更大年龄才能得到充分发展[2]；7 岁以下儿童的步态特征仍然存在很大变异性，很容易受双重任务干扰[3-4]。步态过程受到外界因素干扰是生活中经常发生的事情，需要将注意力资源合理分配给运动、认知或感觉刺激[5]。

干扰对儿童步态的影响研究主要包括双重任务干扰、负重行走和避障策略等范式。“步态-搬运箱子”双重任务研究发现，4～6 岁儿童双向协调能力较低，执行双重任务的能力仍处于发展阶段[6]。Abbruzzese等[7]让7～10 岁儿童在4 种任务下行走，包括两个简单任务和两个复杂任务，在4 种任务下，儿童均出现步速减慢、步频减小、双支撑时间延长，复杂任务对步态稳定性的影响更大。人的注意力资源有限，当并行任务需求超过执行者处理能力时，就会产生干扰效应[8]。儿童行走时执行第二项任务的“成本”使步速、步频降低，双支撑时间延长。

双重任务或并行任务影响儿童早期步态特征和稳定性，与儿童的年龄、任务的难度以及注意力资源有关。本研究采用“姿势-认知”双重任务和越障任务范式研究不同干扰任务对儿童步态稳定性的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2021 年4 月至8 月，在河北沧州市第二幼儿园和沧州市回民小学方便抽取3～8岁儿童200例。

纳入标准：①认知功能正常，理解能力良好；②运动能力正常，能独立平地步行；③监护人充分了解本课题研究内容并自愿签署知情同意书。

排除标准：①身体发育障碍和骨骼肌肉协调性障碍；②不能配合完成研究所需动作。

剔除与脱落标准：①中途要求退出研究；②数据捕捉不完整。

试验前召开家长会，向家长和老师详细讲解试验目的和流程，儿童自愿加入，监护人签署知情同意书。

本研究已经北京师范大学伦理委员会审批(No.201910210061)。

最终得到182 例数据结果，按年龄分为3 岁组、4岁组、5 岁组、6 岁组、7 岁组和8 岁组。受试者基本情况见表1。

1.2 方法

采用SMART DX 700 红外动作捕捉系统(意大利BTS BIOENGINEERING 公司)采集运动学数据，采集频率100 Hz。采用Davis 模型和Anybody 仿真模型进行Marker点粘贴，具体位置见表2。

体质量指数/(kg·m-2)16.37±2.09 15.95±1.34 16.02±1.94 16.88±2.36 16.43±2.82 18.34±3.54a,b,c 4.116 0.001组别3岁组4岁组5岁组6岁组7岁组8岁组F值P值n 30 32 30 30 30 30年龄/岁3.80±0.15 4.53±0.31 5.53±0.32 6.60±0.32 7.52±0.26 8.40±0.23 1263.063＜ 0.001身高/cm 103.30±4.70 108.78±4.39a 116.28±5.08a,b 122.93±4.60a,b,c 126.33±6.03a,b,c 132.65±5.23a,b,c,d,e 147.790＜ 0.001体质量/kg 17.46±2.38 18.89±2.01 21.70±3.18a 25.58±4.43a,b,c 26.49±6.51a,b,c 32.39±6.87a,b,c,d,e 44.023＜ 0.001

采用3台便携式Kistler三维测力台(瑞士KISTLER公司，型号9286AA/9286BA/9286BA)采集动力学数据，测力台0.6 m×0.4 m×0.2 m，采集频率1 kHz，测量范围为0～20 kN。采用BTS FREE EMG 300 表面肌电测试系统(意大利BTS BIOENGINEERING 公司)采集肌电数据，采集频率1 kHz，用于仿真数据验证。红外数据、测力台数据和肌电数据同步采集。

Davis模型第七颈椎左/右肩峰左/右髂前上棘两侧髂后上棘中点左/右股骨大转子左/右大腿中点左/右胫骨外侧髁左/右腓骨小头左/右小腿中点左/右外踝左/右足跟左/右第五跖骨Anybody模型左/右头前点左/右头后点锁骨中点第十胸椎胸骨剑突左/右髂前上棘左/右髂后上棘左/右大腿下1/3左/右胫骨外侧髁左/右小腿下1/3左/右外踝左/右足跟左/右第二跖骨左/右第五跖骨

1.2.1 标准步态测试

测试步道长8 m。受试者听到“开始”指令后，以最自然的方式从步道起点走到终点。测2 次，选取捕捉完整、动作自然的数据。

1.2.2 认知步态测试

受试者在完成标准步态测试时，同时执行一项认知任务。认知任务以提问的方式进行。

试验前向受试者详细讲解流程，要求受试者在行走过程中，边走边回答问题，不能停下脚步。测试前充分了解各年龄段儿童的认知发展水平，与幼儿园带班老师和小学班主任老师商讨确定认知问题的合理性。测2 次，选取捕捉完整、运动过程中未停步的数据。

1.2.3 越障步态测试

障碍物设置在第1 块和第2 块测力台之间，障碍物高为儿童身高的5%[9]。测2 次，选取捕捉完整、运动过程中未停步的数据。

测试分别在幼儿园和小学中进行。将Kistler 三维测力台放置于场地中心，周围环形放置8 个红外摄像头，测试前使用三维标定框架对测试场地进行扫描，排除其他反光物干扰。在选定肌肉处粘贴肌电电极，为受试者穿上干净且紧身的测试服装。两套粘贴模型分别测试。

1.3 数据处理

1.3.1 步态时空参数

采用BTS Clinic步态分析软件计算步态时空参数。输入受试者的身高、体质量、骨盆宽、膝宽、踝宽等参数。记录步态周期、双支撑期百分比、单支撑期百分比、步幅、步长、步宽、步频和步速，其中步幅采用步幅/身高百分比表示。进一步计算步速和步幅的变异系数(coefficient of variation, CV)[10]和任务成本(taskcost, TC)[11]：

1.3.2 运动学数据

选取运动学矢状面指标进行分析。采用SMART Analyzer 软件计算髋关节活动度、膝关节活动度、踝关节活动度、髋关节最大角速度、膝关节最大角速度和踝关节最大角速度。

1.3.3 动力学数据

采用BTS SMART Tracker 软件，将截取的运动学和地面反作用力数据以C3D 格式导出，导入Anybody 7.0 软件(德国ANYBODY TECHNOLOGY 公司)进行仿真建模。先进行运动学计算，计算过程中模型Marker逐渐与粘贴Marker吻合；然后进行逆向动力学计算，根据牛顿定律和物体动量矩定理列出运动方程，从肢体远侧开始逐步计算关节力矩和肌力。人体肌肉数量庞大，容易出现肌肉冗余问题，采用仿真软件逆向动力学的肌肉募集确定哪些肌肉参与平衡外载[12-13]。

Anybody 仿真系统根据人体关节局部坐标系和人体骨骼肌总体坐标系进行定义[14]。首先在两个相邻环节之间建立一个直角坐标系，坐标方向根据发生在关节处的线性位移相对于初始中间位置的方向确定。根据国际生物力学学会的建议，仿真计算以右侧环节定义坐标系。

记录所确定的肌肉及其相对肌力。

1.4 统计学分析

采用SPSS 23.0 进行统计学分析。各指标符合正态分布，以(xˉ±s)表示。采用双因素重复测量方差分析，组内变量为步态干扰方式，组间变量为年龄，采用Bonferroni 法进行指标间的差异检验。显著性水平α= 0.05。

2 结果

2.1 时空参数

不同年龄和任务下步态的时空参数见表3。任务和年龄对步态周期、双支撑期百分比、单支撑期百分比、步幅、步长、步频的主效应显著(P＜ 0.05)；任务对步宽、步速的主效应显著(P＜ 0.05)；任务×年龄对双支撑期百分比、单支撑期百分比、步长的交互效应显著(P＜ 0.05)。见表4。

多重比较显示，随年龄增长，总体趋势为步态周期增加，双支撑期百分比减小，单支撑期百分比增大，步幅、步长增大，步频减小。总体来说，认知和越障步态周期、双支撑期百分比、步宽大于标准步态(P＜ 0.05)，单支撑期百分比、步频、步速小于标准步态(P＜ 0.05)；认知步态步幅小于标准步态(P＜ 0.05)，步长小于其他两项任务(P＜ 0.05)。见表3。

2.2 运动学参数

不同年龄和任务下步态的运动学参数见表5。任务和年龄对髋、踝关节活动度和髋、膝关节最大角速度的主效应显著(P＜ 0.05)；任务对膝关节活动度和踝关节最大角速度的主效应显著(P＜ 0.05)；任务×年龄对膝、踝关节活动度和髋、膝、踝关节最大角速度的交互效应显著(P＜ 0.05)。见表6。

多重比较显示，总体而言，髋关节活动度在认知步态中最小，越障步态最大；膝、踝关节活动度均为越障步态最大；髋关节角速度认知步态中最小，越障步态最大；膝、踝关节角速度均为越障步态最大。儿童一般要到7 岁以上，运动学参数才有可能与3 岁时有显著性差异。见表5。

2.3 动力学参数

不同年龄和任务下步态的动力学参数见表7。共确定8 块肌肉：外侧比目鱼肌、内侧比目鱼肌、外侧腓肠肌、内侧腓肠肌、胫骨前肌、股二头肌、股直肌和臀大肌上束。任务和年龄对所有8 块肌肉相对肌力的主效应均显著(P＜ 0.05)；任务×年龄对外侧比目鱼肌、股二头肌、股直肌和臀大肌上束的交互效应显著(P＜ 0.05)。见表8。

多重比较显示，随年龄增长，外侧比目鱼肌、外侧腓肠肌、内侧腓肠肌、股二头肌和臀大肌上束的肌力呈减小趋势；胫骨前肌、股直肌的肌力呈增大趋势。内侧比目鱼肌、外侧腓肠肌、内侧腓肠肌、胫骨前肌的肌力认知步态最小；股二头肌肌力越障步态最大；股直肌肌力4、5 岁组标准步态最大，6、7、8 岁组认知步态最小；臀大肌上束肌力认知步态最小。见表7。

2.4 稳定性

标准步态CV 最小，认知步态最大；随年龄增长，CV整体上呈减小趋势。见表9。

不同年龄和任务下步态的TC 见表10。任务和年龄对TC 的主效应显著(P＜ 0.05)。见表11。多重比较显示，总体来说，步速和步幅TC 的认知任务大于越障任务；步速TC在越障任务下出现年龄差异，3岁组最大；步幅TC在认知任务下出现年龄差异，3岁组最大。见表10。

3 讨论

行走是人类特有的直立移动性动作，是跑、跳等其他基本动作技能的基础。儿童早期步态模式还未发展成熟，在行走过程中同时进行另一项任务，对他们的姿势控制系统提出更多要求。

在步态的时间参数方面，干扰任务的影响表现为步态周期增加、单支撑期百分比减小和双支撑期百分比的增加。步态周期能直观反映步行速度，单支撑期百分比指的是步态周期中单足支撑的比率，这一时期要保持膝关节稳定，对人体平衡能力提出更高要求[15]；减小单支撑时间，增大双支撑时间，是儿童提高步态稳定性的常用策略。

干扰任务对步态空间参数的影响表现为不稳定的运动特征。其中认知任务对步态空间参数影响较大，儿童的步幅、步长、步频和步速均出现最小值。Huang 等[16]发现，听觉任务对5～7 岁儿童步速、步频和步长的干扰最大，而记忆任务的干扰最小，仅在步速和步频上体现，任务对步态的影响还与任务类型和难度有关。步宽是反映步态横向平衡能力的指标，步宽越小，步态稳定性越好[17-18]。本研究显示，干扰任务下步宽增大。年龄特征差异更多体现在标准步态上，与前人研究结果一致[19]。

关节角度表示各关节运动幅度，角速度是关节角度的变化速度，角速度越大，关节运动越快[20]。本研究显示，儿童关节角度和角速度特征为：踝关节 ＞ 膝关节 ＞ 髋关节，而成年人的角速度特征为：膝关节 ＞踝关节 ＞ 髋关节[21]，说明踝关节在儿童行走中起更大作用。Kao等[22]发现，成年人在手机认知任务干扰下，踝关节活动度减小；执行数字符号模拟任务时，膝关节活动度减小；使用手机或其他具有视觉成分的认知任务时，可能会采用踝关节控制策略，确保足够的动态稳定性。认知任务中出现更多年龄差异，随年龄增长，髋关节和踝关节活动度减小，髋关节和膝关节角速度减小。角速度与步速和步频有关[21]。本研究未发现步速的年龄差异，而步频随年龄增长而有减小的趋势，提示这一年龄段儿童关节角速度的减小主要因为步频减小，这可能与他们的关节运动策略有关。幼年儿童在移动过程中维持身体稳定的能力较弱，往往会采用快速移动的运动策略进行姿势调控；随年龄的增长，关节运动变得平稳而协调[23]。

因变量步态周期主效应/交互效应自由度ηp 2值25 10双支撑期百分比10 25单支撑期百分比2 5 10步幅2 5 10步长2 5 10步宽2 5 10步频2 5 10步速任务年龄任务×年龄任务年龄任务×年龄任务年龄任务×年龄任务年龄任务×年龄任务年龄任务×年龄任务年龄任务×年龄任务年龄任务×年龄任务年龄任务×年龄25 10 F值68.746 5.206 1.646 185.595 2.321 10.221 197.589 2.509 9.902 62.824 2.642 2.025 71.044 26.922 3.040 5.167 0.969 1.362 71.164 8.396 1.502 86.575 1.383 1.546 P值＜ 0.001＜ 0.001 0.092＜ 0.001 0.045＜ 0.001＜ 0.001 0.032＜ 0.001＜ 0.001 0.025 0.077＜ 0.001＜ 0.001 0.001 0.006 0.438 0.196＜ 0.001＜ 0.001 0.137＜ 0.001 0.233 0.122 0.281 0.129 0.045 0.513 0.062 0.225 0.529 0.067 0.220 0.263 0.070 0.054 0.288 0.433 0.080 0.029 0.027 0.037 0.288 0.193 0.041 0.330 0.038 0.042

肌肉在步态中提供垂直支撑力，并保持身体质量中心的稳定移动[24]。本研究显示，所有肌力均在认知任务中出现最小值。

随年龄增长，内外侧比目鱼肌和内外侧腓肠肌肌力出现非线性减小趋势。在步行过程中，踝关节跖屈肌群的主要作用是在着地时进行缓冲，并在离地之前有效蹬伸，提供前进动力；腓肠肌和比目鱼肌是最主要的两块肌肉，理论上产生93%的跖屈力矩[25]。

随年龄增长，胫骨前肌和股直肌肌力出现增大趋势。胫骨前肌是主要的背屈肌，肌力峰值出现在足跟初始着地时，强烈的离心收缩减小跟骨后侧由体重造成的被动跖屈，使踝关节进行积极的缓冲和减震[26]。

随年龄增长，股二头肌和臀大肌上束肌力减小。股二头肌在前进时进行离心收缩，配合臀大肌收缩，使小腿向前摆动减速，作为膝屈肌，在足跟着地时达到峰值[27]。

合计(n = 182)40.29±6.24 35.08±6.64①52.03±6.33①②58.65±7.23 56.29±6.60 83.45±12.03 101.30±11.07 91.90±16.21 123.55±16.26 3.45±0.71 2.84±0.75 4.16±0.88 6.24±1.33 5.59±1.47 8.64±1.76 10.58±2.42 8.98±2.52 12.77±4.05参数髋关节活动度/°膝关节活动度/°踝关节活动度/°髋关节最大角速度/(rad·s-1)膝关节最大角速度/(rad·s-1)踝关节最大角速度/(rad·s-1)任务标准认知越障标准认知越障标准认知越障标准认知越障标准认知越障标准认知越障3岁组(n = 30)38.24±5.49 36.14±7.30 49.64±5.95 60.93±5.71 56.85±5.13①80.56±9.95①②97.53±10.79 94.82±14.47 116.47±16.09①②3.72±0.89 3.16±0.88①3.89±1.12②6.83±1.46 6.27±1.76 8.22±2.23①②11.49±2.78 10.31±3.03①11.94±2.82 4岁组(n = 32)39.70±7.70 35.93±6.67 52.53±6.73 58.30±7.40 57.01±6.13 85.24±13.27①②100.50±10.68 94.75±14.20 129.06±17.64a①②3.61±0.69 3.04±0.75①4.22±0.81①②6.54±1.46 5.98±1.76 8.35±1.53①②10.32±2.83 9.96±2.78 12.97±4.54①②5岁组(n = 30)40.33±6.39 36.65±7.49 53.01±7.41 58.61±7.11 57.74±6.00 87.14±14.18①②103.78±8.88 94.78±18.97①131.8±14.11a①②3.46±0.73 3.03±0.78①4.18±0.83①②6.61±1.23 6.12±1.52 9.01±1.84①②10.78±1.92 9.03±2.69①13.74±4.14①②6岁组(n = 30)41.72±6.05 36.52±6.17 54.15±6.35 58.32±7.10 57.82±8.68 83.34±12.24①②106.73±13.05 95.73±14.75①123.03±15.92①②3.31±0.66 2.86±0.71①4.16±0.81①②5.85±1.28 5.40±1.39 8.38±1.62①②10.49±2.26 8.82±1.88①12.34±3.34②7岁组(n = 30)41.38±5.44 33.59±5.24 51.80±5.57 56.38±5.47 55.19±5.74 79.34±12.11①②101.03±9.48 89.38±12.87①118.03±14.69c①②3.31±0.66 2.58±0.45a①4.35±0.69①②5.75±1.14 4.90±0.62a,b,c①8.66±1.57①②10.60±2.33 8.25±1.76①12.91±4.59①②8岁组(n = 30)38.31±5.40 31.54±5.58a,b,c,d 51.02±5.21 59.40±9.66 53.10±6.67①84.94±8.54①②98.25±11.23 81.65±17.75a,b,c①122.55±14.19①②3.20±0.58a 2.35±0.57a,b,c①4.16±0.97①②5.86±1.01 4.86±0.72a,b,c①9.25±1.60①②9.80±2.10 7.48±1.57①12.69±4.57①②

整体上，臀部、小腿和大腿后侧肌力随年龄增长呈减小趋势，而小腿和大腿前侧肌力呈增大趋势。

儿童的步态特征在步行开始后半年内表现出最显著的发展[28]，然而有些步态特征要到7岁或8岁[29]，甚至在青春期中期才达到成人水平[30]。步态参数的变异性可以反应步态的稳定性，步幅、步速的CV 是最常用的评估步态稳定性的指标[31]。本研究发现，步速和步幅CV 在认知任务中出现最大值，说明3～8 岁儿童步态稳定性受认知任务的干扰最大，与步态时空特征观察的结果相符。

TC 用来描述标准步态的附加负荷，正值代表具有TC，值越大，TC 越高。资源共享理论指出，人体的注意力资源有限，同时执行多项任务时，它们将争夺资源；当所要求的资源总量超过总供应量时，任务间相互干扰，出现TC[32]。复杂的外部环境对人体姿势稳定性产生干扰，需要一系列动作控制和姿势反应以维持稳定状态[33]。研究者提出任务优先级的概念，即步行时采用任务优先还是动作优先的步态策略。不同人群有不同的选择，老年人可能更倾向于维持步态，采用动作优先策略，忽略任务的完成情况；年轻人则倾向于处理任务[34-35]，采用任务优先策略。本研究显示，认知和越障任务都存在TC，认知TC 大于越障TC，儿童在面对不同干扰任务时，均采用任务优先策略，而具体的关节肌肉策略不同：面对认知任务时，儿童关节活动减少，下肢肌力下降，降低动作完成度；面对越障任务时，儿童关节活动增加，下肢肌力增大。

因变量外侧比目鱼肌主效应/交互效应自由度F值4.032 16.779 2.727 19.582 11.581 1.841 24.041 13.637 0.463 34.243 5.181 2.076 11.809 20.673 1.720 110.932 12.696 2.189 26.014 4.705 3.476 46.110 14.362 3.287 ηp P值0.019＜ 0.001 0.003＜ 0.001＜ 0.001 0.054＜ 0.001＜ 0.001 0.913＜ 0.001＜ 0.001 0.073＜ 0.001＜ 0.001 0.077＜ 0.001＜ 0.001 0.019＜ 0.001 0.001＜ 0.001＜ 0.001＜ 0.001 0.001 2值10 25内侧比目鱼肌25 10 10内侧腓肠肌外侧腓肠肌25 25 10胫骨前肌2 5 10股二头肌2 5 10股直肌2 5 10臀大肌上束任务年龄任务×年龄任务年龄任务×年龄任务年龄任务×年龄任务年龄任务×年龄任务年龄任务×年龄任务年龄任务×年龄任务年龄任务×年龄任务年龄任务×年龄0.031 0.404 0.099 0.136 0.318 0.069 0.162 0.355 0.018 0.216 0.173 0.077 0.087 0.455 0.065 0.472 0.339 0.081 0.173 0.159 0.123 0.271 0.367 0.117 25 10

4 结论

儿童早期的步态特征受干扰任务和年龄因素的双重影响。在干扰任务下，3～8 岁儿童步态周期增加，单支撑期百分比减小，步幅、步频和步速减小，TC增加，整体步态稳定性下降；认知任务对步态的影响大于越障任务。在年龄方面，步态特征呈现非线性的发展趋势，相邻年龄组出现一定程度的反复，变异性较大。儿童早期阶段，可以采用认知任务干扰范式作为干预手段，促进儿童早期动作发展。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。