MOT双任务对步态复杂性的影响
作者单位：苏州大学体育学院
会议名称：《第十三届全国体育科学大会》
会议日期：2023年
学科分类：0403[教育学-体育学] 040302[教育学-运动人体科学(可授教育学、理学、医学学位)] 04[教育学]
摘 要：研究目的:步行是人类在空间中移动身体的主要方式,是人类最基本的运动之一。传统观念认为,步行是一个自发性的行为,需要很少的注意力资源进行控制。随着双任务实验范式的广泛使用,步态和注意力之间的联系正在被逐渐揭示。多目标追踪(MOT)范式作为一种需要工作记忆能力、空间注意力等参与的复杂认知任务,与人们生活中的某些场景高度相似(如过马路时一边行走一边观察车辆与行人)。步态复杂性即步态参数在时间序列上的规律性和可预测性,在一定程度上反映了步行过程中的动态稳定和神经控制。SampEn是条件概率的负自然对数,即在给定的时间序列中(N),对于一定长度(m)的序列信号在下一个点(m+1)保持相似的概率,用于检测时间序列的相似性。已有众多学者使用SampEn对步态进行分析,但在双任务步态研究方面还比较少,特别是MOT双任务步态,这对更加深入了解人类运动控制机制具有重要意义。本研究使用非线性分析方法样本熵(SampEn),对多目标追踪任务(MOT)双任务时下肢关节和质心的运动学复杂性进行分析,探讨MOT双任务对步行时神经肌肉控制的影响。研究方法:本实验招募20名健康男性青年受试者。受试者符合以下标准:下肢在近半年内无损伤、测试前24小时之内无剧烈的体育运动、前庭功能正常、无视力问题或视力校正后可达正常水平、无色盲等疾病。所有受试者均自愿参与,并在实验前签署知情同意书。实验时受试者先以自身偏好速度热身5分钟,随后使用踢球法分辨其优势侧下肢,最后在跑台上进行单任务步行测试和步行加MOT双任务测试,两种测试随机进行以避免学习效应,两次测试间隔5分钟。通过Vicon三维红外动作捕捉系统采集受试者在单任务(跑步机上仅步行)和MOT双任务(跑步机上步行时执行多目标追踪任务)情况下的运动学数据。数据分析时通过足跟撞击地面的时刻判断步态周期,截取每次动作中间固定数量的步态进行数据分析,参考前人的方法用双侧髂前上棘和髂后上棘的四个点三维坐标的平均值代表人体质心的大致位置。随后使用自编的MatLab脚本对数据进行以下处理:1)通过足跟与地面撞击识别步态周期;2)截取6个步态周期并使用三次样条插值将截取动作的数据点数统一为1000;3)将所有数据标准化(COM数据标准化为-1到1之间,角度数据标准化为0到1之间);4)使用SampEn的方法对质心和下肢三关节各方向(前后AP、中外侧ML、垂直V)的移动轨迹和角度变化进行计算。样本熵计算参照Richman和Moorman提出的方法,样本熵越大表示数据复杂性越高。公式表示为SampEn(N,m,r)=-ln[Am+1(r)/Bm(r)],其中N代表时间序列中的数据数量,m代表模板向量长度,r代表样本之间的容差,A为匹配相对容差限内的相似向量(m+1)的概率,B为匹配容差限内的相似向量(m)的概率。根据先前的研究,本次实验处理中设置m为2,r为0.2倍数据序列的标准差。本研究的数据使用SPSS软件进行统计学分析,采用S-W方法检验单任务和MOT双任务两种任务条件下各变量差值的正态性,如果差值为正态分布则使用配对样本T检验,如果差值为非正态分布则使用非参数Wilcoxon符号秩检验,显著性水平为P0.05。研究结果:通过计算双侧下肢三关节角度变化样本熵发现,MOT双任务对双侧下肢关节运动的复杂性影响不同。与单任务时相比,非优势侧髋关节AP方向和V方向的角度变化复杂性无显著性差异(P=0.686、P=0.633)、非优势侧膝关节三个方向(AP、ML、V)的角度变化复杂性无显著性差异(P=0.694、P=0.720、P=0.204)、非优势侧踝关节三个方向(AP、ML、V)的角度变化复杂性无显著性差异(P=0.072、P=0.985、P=0.470)。双任务时非优势侧髋关节ML方向关节角度变化复杂性大于单任务时且有显著性差异(P=0.011)。MOT双任务对优势侧的影响与非优势侧不同,体现为优势侧髋关节三个方向(AP、ML、V)的角度变化复杂性不受双任务影响(P=0.536、P=0.563、P=0.551)、优势侧膝关节三个方向(AP、ML、V)的角度变化复杂性在两种条件下无显著性差异(P=0.126、P=0.852、P=0.605)、优势侧踝关节V方向在不同任务情况下的关节角度变化复杂性无显著性差异(P=0.118)。优势侧踝关节AP方向角度变化复杂性(P=0.047)和ML方向角度变化复杂性(P=0.006)在MOT双任务时较高。对质心运动的连续数据分析表明,AP方向(p=0.749)和V方向(p=0.407)的运动复杂性在两种情况下无显著性差异,表明其不受MOT双任务的影响。ML方向的表现不同于其它两个方向,MOT双任务降低了其运动复杂性(p=0.025)。研究结论:MOT双任务能够增加下肢关节角度变化的复杂性,并且对非优势