雪后路滑，如何运用生物力学方法降低老人的跌倒风险？

随着气温的逐渐降低，雪季也随之到来。对于老人而言，雪天可能不仅意味着寒冷的气温和别样的风景，更多的是安全隐患。据荔枝新闻报道，近日，南京一名60多岁的男子在雪天不慎摔倒，造成膝关节损伤，需要进行手术。仅在南京浦口人民医院，降雪后骨科的摔伤病人比平日多了约20%，其中大多是老年人。^[1]

人到老年，身体机能明显下降，跌倒事故可能造成骨折、颅脑损伤、内出血等严重后果，甚至危及生命。老人跌倒不仅危害大，发生的可能性也不低。根据《中国城乡老年人生活状况调查报告（ 2018 ）》的研究，中国老年人的跌倒率达到了16.0% ，在中国，有超过20% 的老年人跌倒后成了重伤，即使是平时健康状况非常好的老人，仍然有 17.7% 的老人摔倒后会成重伤。^[2]

因此，预防老人跌伤是一项重要的任务，特别是在雨雪等特殊天气下。而基于扰动的平衡训练（Perturbation-based balance  training ，PBT）是一种有效的新方法，可以训练神经肌肉对姿势扰动的反应，帮助改善老人的动态平衡能力，降低跌倒的风险。PBT提供了一种任务特定的训练方式，它能够模拟常见的跌倒场景——如滑倒或绊倒，利用运动学习原理，在安全、可控的环境中让参与者进行练习，加强反应能力。

此前，弗吉尼亚理工大学和骨科医学院爱德华通过学院联合发表了一项研究，他们探索评估了PBT对实验室诱发滑倒和绊倒的影响，并在BMC老年医学（BMC Geriatrics）上发表了他们的研究成果。^[3] 在实验中，他们分别探索了PBT对实验室诱发滑倒及绊倒动作的影响，PBT是否能改善老年人的反应平衡能力和跌倒的发生率，并使用动作捕捉系统和三维测力台监测参与者的生理数据。

 

实验方法

 

本实验共招募了34位居住在社区的健康老年人（61-75岁，19位女性），并随机分配到对照组和PBT组中。研究人员对于滑倒和绊倒分别进行了独立的统计分析，对反应平衡能力和跌倒发生率进行评估。每个分析涉及三组之间的比较：（1）基线组的参与者在任一干预前都曾滑倒或绊倒（2）对照组的参与者在对照干预后曾滑倒或绊倒（3）PBT组的参与者在接受PBT后曾滑倒或绊倒。基线组和PBT组之间的差异将提供PBT能增强反应平衡能力和降低跌倒率疗效证据，而对照组和PBT组之间的差异将提供PBT比对照干预方法疗效更强的证据。基线组、对照组和PBT组的评估需要完成一系列测试。评估平衡和行动能力的测试包括定时起立-走-坐测试、单腿站立时间、以行动为导向的运动能力评估（POMA）和使用跌倒效能量表评估的平衡信心。随后，研究者再对参与者在行走时的反应平衡能力进行评估。

图1：流程图显示了参与者登记、分配和排除的情况。中灰色代表滑倒组的比较，而浅灰色代表绊倒组的比较。

 

PBT组的参与者需要完成滑倒训练和跌倒训练。在滑倒训练中，参与者需要反复踏上低摩擦力界面（放有尼龙织物的0.9×0.9m聚碳酸酯板）练习控制/减速并迈向正确位置建立稳定的步态。训练从参与者单脚踏上织物开始，诱导短暂、缓慢的滑倒，逐渐变为走数步再踏上织物以诱导较长、较快的滑倒，模拟类似行走时的滑倒。在绊倒训练中，参与者需站在跑步机上，跑步机在随机时间快速向后加速到研究者选择的速度，大约在40毫秒内引起向前失衡，模拟类似于行走时的跌倒。参与者需要通过迈步来恢复平衡，并在跑步机上建立稳定的步态，之后跑步机速度逐渐减缓到零。两种训练都将根据参与者的能力进行个性化定制，随着参与者表现的改善渐进地增加难度。

图2：上：PBT滑倒训练和绊倒训练的人行道自顶向下视图。中：用于对PBT进行滑倒训练的延时照片。下：PBT的绊倒训练的延时照片。参与者在滑倒和绊倒训练中佩戴了一个安全带，附近还有一个研究员在进行指导和支持。PBT的绊倒训练中，在每次扰动之前，一个泡沫块被放置在参与者的脚前，以改善参与者对障碍的步态反应平衡能力。

 

在实验中，研究者需要获取参与者的生物力学数据、地面反作用力和安全带施加的力。研究者使用了13个Qualisys光学三维运动捕捉系统对35个反光标记点和5个刚性标记点进行采样。同时，在步道中嵌入了0.9％×0.9m的Bertec三维测力台测量地面反作用力，并使用称重传感器测量安全带施加的力。同时，该实验还需要监测步态特征。这些特征包括步速、步长、最小足尖间隙和所需摩擦系数（RCOF）。后两个指标分别是绊倒和滑倒的风险指标，与步速和步长一起测量，来分析可能与跌倒相关的步态情况。

 

结果分析

 

研究者在所有参与者完成干预后，对数据进行了分析。三个滑倒组中，滑行速度峰值、最小髋关节高度、稳定裕度以及非滑行足触地时相对于支撑基座的COM速度均表现出组间差异。对于滑倒，基线组与对照组相比，PBT组的几项反应平衡指标得到了改善，PBT组（18%）的跌倒发生率低于基线组（80%）。对于绊倒，组间的反应平衡指标和跌倒发生率均无差异。

图3：所有三组参与者的实验室诱发滑倒（左）和绊倒（右）的结果。滑倒后，与基线组相比，PBT组的跌倒发生率（黑色）降低了62%（p=.027）

 

研究结论

 

结果显示，PBT显著改善了实验室诱导滑倒后参与者的反应平衡能力和跌倒发生率。因此，特定任务的扰动训练可以作为一种独立的方法使用，也可以与传统的运动方法结合使用，提高跌倒预防干预措施的有效性。PBT还可以应用于许多领域。比如用于运动员的训练，帮助他们提高身体控制、反应能力和平衡能力。用于康复治疗，帮助患者恢复运动功能和身体平衡能力。Bertec独特的扰动训练模块可针对有神经、骨科、运动损伤的患者，如中风后、帕金森病、创伤性脑损伤、前交叉韧带重建后、脑震荡等，从而帮助他们控制姿势，预防跌倒。

身临其境的虚拟现实环境是Bertec扰动训练模块所独有的，它允许建立复杂场景、旋转和运动变化，以引起参与者的姿势调整。该模块可引入视觉冲突，提供向左或向右的倾斜场景，让参与者倾斜头部以纠正主观的视觉垂直，迫使参与者减少对视觉平衡的依赖。同时，增加测力台的扰动可进一步增加参与者的反应能力和姿势控制能力的要求。^[4]

总的来说，扰动训练在多个领域都有应用前景，研究者可使用动作捕捉系统、测力台、测力跑台等设备进行研究和应用，其潜在的益处和效果值得进一步探索。

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参考文献

[1]荔枝新闻.《避免二次伤害！医生提醒摔倒后别硬撑爬起》[2]中国老龄科学研究中心与社会科学文献出版社.《老龄蓝皮书：中国城乡老年人生活状况调查报告（ 2018 ）》[3]Allin, L.J., Brolinson, P.G., Beach, B.M. et al. Perturbation-based balance training targeting both slip- and trip-induced falls among older adults: a randomized controlled trial. BMC Geriatr 20, 205 (2020). https://doi.org/10.1186/s12877-020-01605-9[4]Bertec.Perturbation Training & Fall Prevention, Part II: Case Studies