扰动强度对裂带跑步机后向滑倒的影响

　　

探究扰动强度对分带式跑步机诱发后向滑倒影响的研究解读

韩国首尔国立大学体育教育系的 Chihyeong Lee、Jooeun Ahn 等人在Scientific Reports期刊上发表了题为 “The effects of perturbation intensities on backward slip-falls induced by a split-belt treadmill” 的论文。该研究意义重大，通过探究分带式跑步机不同扰动强度对后向滑倒的影响，为理解跌倒生物力学、制定跌倒预防训练计划以及设计步态扰动实验提供了关键依据，对降低跌倒风险、提升个体平衡能力和减少跌倒相关伤害具有重要的理论和实践价值。

一、研究背景

跌倒在各年龄段人群中均会发生，严重影响生活质量，甚至导致骨折、脑震荡和死亡。滑倒和绊倒占跌倒原因的大部分，其中向后滑倒风险极高，常引发严重损伤。虽然跌倒风险受多种因素影响，但步态扰动后快速恢复身体稳定的能力对预防跌倒至关重要。

以往研究多采用机械障碍物、可移动平台等方法诱发步态扰动，以探究跌倒的生物力学机制，且基于扰动的训练也被证明对预防跌倒有效。然而，这些传统方法无法定量控制扰动，难以满足实际需求。仪器化跑步机系统虽能解决这一问题，但之前使用单带跑步机的研究存在局限性，且未充分探究分带式跑步机不同扰动强度对后向滑倒的影响。确定合适的扰动强度对研究跌倒生物力学和进行有效训练十分关键，强度过高或过低都无法准确反映实际情况，因此本研究旨在填补这一空白。

二、研究材料与方法

（一）滑倒诱发系统及扰动强度设置

研究团队基于之前的研究对滑倒诱发系统的硬件和软件进行了优化。硬件包括带有力板的分带式仪器化跑步机和连接安全带与固定行走轨道的负荷传感器。定制软件用 C++ 开发，以 100Hz 的频率实时采集垂直地面反作用力、跑步机皮带速度和负荷传感器的加载力等数据，并通过低通滤波处理消除高频噪声。

研究选取了三种速度（0.5×PWS、1×PWS、2×PWS，PWS 为参与者的首选步行速度）和两种持续时间（300ms、500ms）组合成六种扰动强度。根据前人研究，当脚的滑动速度小于或等于首选步行速度时，个体通常能成功恢复平衡，而当速度约达到 2 倍首选步行速度时易跌倒，因此选择这三种速度。考虑到补偿肢体在滑倒后约 300ms 内做出反应，以及前人研究中滑倒距离对应的时间范围，确定了两种持续时间。实验中，随机选择一只脚施加滑倒扰动，通过自动计算皮带加速度实现目标速度，加速度和持续时间因速度不同而有所差异 。

（二）参与者

招募了 24 名健康年轻成年人（12 名男性和 12 名女性），年龄 23.25 ± 2.47 岁，身高 170.17 ± 6.78cm，体重 65.82 ± 10.50kg。排除有肌肉骨骼功能障碍、外周感觉疾病、神经系统疾病或影响平衡和步态的手术史的潜在参与者，且参与者均为右利脚，对研究目的不知情，并签署了知情同意书。研究方案经首尔国立大学机构审查委员会批准，符合赫尔辛基宣言。

（三）实验方案

实验前不进行滑倒扰动练习，参与者对滑倒强度、扰动脚、扰动开始时间和恢复方式均不知情。实验开始前确定每位参与者在跑步机上的首选步行速度，让参与者佩戴降噪耳机和安全带，将安全带佩戴时坐姿的垂直髋部高度设置为身高的 37% ，以减少安全带影响并确保负荷传感器标准的有效性。

实验共包含 16 次随机试验，其中 12 次为扰动试验（六种扰动强度分别应用于左右脚），4 次为无扰动的假试验，假试验随机插入连续三次扰动试验序列中，以减少学习效应。在 12 次扰动试验中，滑倒扰动在第 26 至 50 步之间随机施加，以降低参与者预测滑倒发生的可能性。实验过程中，参与者需正常行走，注视前方 3m 处与眼睛水平的 “X” 标记，不得抓住安全带，耳机播放白噪声消除环境噪音。若负荷传感器记录的加载力超过体重的 30%，则判定为跌倒，停止跑步机；否则，参与者在扰动后以扰动前速度继续行走 20 步，每次试验持续时间小于 90s，连续试验间隔 30s 休息。

（四）数据和统计分析

使用 SPSS 软件分析实验结果，包括跌倒和未跌倒的次数、发生率、12 次试验中的跌倒情况以及跌倒时的最大加载力。采用广义估计方程（GEE）进行初步分析，评估性别、扰动脚的侧别和扰动试验重复次数等因素对跌倒发生和最大加载力的影响。后续 GEE 分析聚焦于三种速度、两种持续时间及其交互作用的主效应。通过最小显著差异法进行多重两两比较，计算优势比（OR）、95% 置信区间（CI）和相对风险（RR）评估跌倒发生与扰动强度的关联，以双侧 p 值小于 0.05 为具有统计学意义。

（五）样本量确定

基于 10 名参与者的数据进行初步重复测量方差分析，使用 G*Power 3.1 估计样本量。结果显示扰动强度与跌倒结果（跌倒发生和最大加载力）之间的关系具有中等效应量（Cohen's f = 0.25）。假设功效水平为 0.80，α 水平为 0.05，重复测量之间的相关性为 0.5，计算得出至少需要 22 名参与者以获得足够的统计功效。为应对潜在的脱落情况，最终招募了 24 名参与者。

三、研究结果

（一）跌倒和未跌倒的次数及发生率

所有参与者首选步行速度的平均值为 1.00m/s，标准差为 0.11m/s。总体跌倒发生率为 76%，且随着速度和持续时间的增加，跌倒发生率呈上升趋势。0.5×PWS、1×PWS、2×PWS 时，从滑倒开始到跌倒的时间分别为 0.43 ± 0.21s、0.36 ± 0.19s、0.35 ± 0.14s。

GEE 分析表明，三种速度和两种持续时间对跌倒发生的主效应显著（p<0.0001 和 p = 0.026），但交互作用不显著（p = 0.407）。对于 300ms 持续时间，0.5×PWS 的跌倒发生率显著低于 1×PWS 和 2×PWS；对于 500ms 持续时间，0.5×PWS 的跌倒发生率显著低于 1×PWS 和 2×PWS，且 1×PWS 的跌倒发生率显著低于 2×PWS。在速度比较中，仅 2×PWS 时，300ms 的跌倒发生率显著低于 500ms。

（二）跌倒时的最大加载力

GEE 分析显示，三种速度对跌倒时最大加载力的主效应显著（p<0.0001），两种持续时间的主效应不显著（p = 0.810），交互作用也不显著（p = 0.403）。300ms 持续时间时，2×PWS 的最大加载力显著高于 0.5×PWS；500ms 持续时间时，0.5×PWS 的最大加载力显著低于 1×PWS 和 2×PWS，且 1×PWS 的最大加载力显著低于 2×PWS。

四、研究结论与讨论

（一）研究结论

本研究首次系统评估了分带式跑步机扰动强度对后向滑倒的影响。研究发现，除 2×PWS 且持续时间为 500ms 的情况外，滑倒速度增加时跌倒发生率显著上升；当滑倒速度为 2 倍首选步行速度时，500ms 持续时间的跌倒发生率高于 300ms。跌倒时的最大加载力随滑倒速度增加而增加，而滑倒持续时间对其无显著影响。这表明在分带式跑步机环境中，扰动速度和滑倒距离等因素会影响跌倒的可能性。

（二）讨论

跌倒带来的高昂成本凸显了设计有效跌倒预防训练计划和深入理解跌倒生物力学的重要性。本研究通过分带式跑步机系统，精确控制扰动强度，研究了六种不同扰动强度对滑倒后跌倒发生和发生率的影响，并量化了跌倒时的最大加载力。研究结果与之前关于地面滑倒的研究一致，证实了跌倒与滑倒脚的速度、持续时间和距离之间的相关性，同时表明调整速度和持续时间可改变滑倒距离，进而影响跌倒可能性。

相对风险分析表明，滑倒速度增加时跌倒风险显著增加，仅 2×PWS 时，持续时间从 300ms 增加到 500ms 会使跌倒风险显著上升，这主要是因为两种持续时间下的滑倒距离差异较大。此外，最大加载力也随滑倒速度增加而显著增加，而滑倒持续时间对其无明显影响。

然而，本研究存在一定局限性。缺乏对全身运动学的全面测量，未详细分析受扰动和未受扰动肢体的反应，如着地位置和时间等；未明确研究后脚（未受扰动脚）的补偿运动；参与者均为健康年轻成年人，样本同质性较高；未考虑低于 0.5×PWS 的速度、更多持续时间条件以及白噪声对运动表现的潜在影响；滑倒扰动波形基于前人研究设计为方形，与三角形波形可能产生不同结果；同时，地面行走和跑步机行走存在固有差异。

针对这些局限性，未来研究可整合运动捕捉系统，全面评估不同强度滑倒扰动后的全身运动学，分析未受扰动肢体的恢复反应和潜在学习效应；纳入高跌倒风险人群，研究更低速度、更多持续时间和不同扰动波形对跌倒和非跌倒情况的影响；进一步优化现有系统，更好地模拟实际滑倒条件。

本研究为使用分带式跑步机设计步态扰动的标准提供了初步依据，有助于通过控制诱发跌倒的扰动来研究跌倒生物力学，以及设计逐步调整扰动的训练方案以促进平衡恢复，对未来研究跌倒机制和预防具有重要的参考价值。