溫子星，祁奇,2，危小焰，瞿強(qiáng)，李劍華，朱勝群

姿勢(shì)穩(wěn)定性也可稱為平衡能力，是人體進(jìn)行一切身體活動(dòng)的基礎(chǔ)。從力學(xué)角度來講，姿勢(shì)穩(wěn)定性指的是控制身體質(zhì)心(Center of Mass, CoM)與支撐面(Boundary of Stability, BoS)位置關(guān)系的能力[1]，當(dāng)身體質(zhì)心投影位于支撐面范圍內(nèi)，可通過自身的調(diào)節(jié)來控制穩(wěn)定性，否則，人體將要通過邁步或借助外力才能使身體重新回到平衡狀態(tài)，并將有跌倒的可能[2]。研究中，通常會(huì)模仿生活中的一些情景[3-4]，例如使用站立平臺(tái)的突然前移或后移來模仿公交車的突然加速或減速情況[5]，測(cè)試姿勢(shì)控制過程中各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)[6]及相關(guān)肌肉的動(dòng)員情況[7]。但前人關(guān)注點(diǎn)更多集中于不同干擾條件對(duì)人體姿勢(shì)調(diào)節(jié)過程影響的研究，如干擾強(qiáng)度的不同、控制受試者某種感覺信息的傳入等[8]。而對(duì)人體受到前、后方向水平干擾刺激后，姿勢(shì)穩(wěn)定性控制過程還缺少整體的描述性分析，對(duì)于相關(guān)肌肉的動(dòng)員及肌群間的協(xié)調(diào)控制還缺少相關(guān)研究，以此，本文將在前人研究基礎(chǔ)上，對(duì)人體在受到前、后兩個(gè)方向擾動(dòng)后的平衡反應(yīng)進(jìn)行描述分析，試圖發(fā)現(xiàn)并解釋兩方向水平干擾刺激對(duì)平衡恢復(fù)過程中的運(yùn)動(dòng)模式以及主要肌肉動(dòng)員情況是否存在差異，為今后姿勢(shì)穩(wěn)定性的進(jìn)一步細(xì)化研究奠定基礎(chǔ)，為平衡障礙人群的康復(fù)提供理論指導(dǎo)。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2016年5月～2016年6月上海體育學(xué)院男性在校大學(xué)生13名，平均年齡為(22.1±2.0)歲，平均身高為(174.7±3.7)cm，平均體重為(69.4±7.3)kg，要求受試者無神經(jīng)系統(tǒng)疾病，無肌肉骨骼損傷，并要求實(shí)驗(yàn)前24h內(nèi)未進(jìn)行劇烈體力活動(dòng)，實(shí)驗(yàn)前告知受試者本實(shí)驗(yàn)研究目的，并簽署知情同意書。

1.2 方法 水平擾動(dòng)的產(chǎn)生使用自制水平擾動(dòng)平臺(tái)(如圖1所示)，根據(jù)任務(wù)的需要可產(chǎn)生站立平臺(tái)前移、后移兩個(gè)方向及不同強(qiáng)度的擾動(dòng)，為統(tǒng)一擾動(dòng)強(qiáng)度本研究中將受試者體重匹配為80kg，并將擺臂固定于同一位置釋放。本研究中，站立平臺(tái)的位移速度為：前移0.43m/s，后移0.38m/s，強(qiáng)度設(shè)施參考相關(guān)研究及預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9]。本研究中同步采集受試者姿勢(shì)控制過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)及肌電數(shù)據(jù)。運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的采集使用VICON三維紅外運(yùn)動(dòng)捕捉與分析系統(tǒng)，采樣頻率100Hz。肌電數(shù)據(jù)的采集使用Delsys無線肌電采集與分析系統(tǒng)，采樣頻率4000Hz，選取肌肉為腹直肌、股直肌、脛骨前肌、腰段豎脊肌、股二頭肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、腓腸肌外側(cè)頭七塊肌肉，采集受試者優(yōu)勢(shì)腿側(cè)肌電信號(hào)，優(yōu)勢(shì)腿判斷方法為受試者單腳起跳時(shí)習(xí)慣性發(fā)力側(cè)。所有受試者均進(jìn)行站立平臺(tái)前移和后移兩個(gè)方向擾動(dòng)下的平衡擾動(dòng)測(cè)試，受試者以自然姿勢(shì)站立在擾動(dòng)平臺(tái)上，雙上肢自然放于身體兩側(cè)，雙腳開立自然分開約10cm，眼睛平視前方，要求受試者全身放松，在每一次測(cè)試時(shí)，研究人員在受試者無意識(shí)情況下釋放重錘，使站立平臺(tái)出現(xiàn)突然的水平移動(dòng)，擾動(dòng)發(fā)生后，要求受試者快速做出反應(yīng)，進(jìn)行身體姿勢(shì)的控制及平衡的恢復(fù)，并要求受試者在實(shí)驗(yàn)過程中雙腳不能離開平臺(tái)，除非是為了防止摔倒而不得不采取邁步行為。為了防止受試者跌倒受傷，使用安全帶綁在受試者腰部給予保護(hù)，但不影響受試者的正?；顒?dòng)。

1.3 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)使用Visual3D分析軟件進(jìn)行處理分析，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行6Hz的Butterworth低通濾波處理，計(jì)算得出本研究所需的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)：CoM在前后方向的位移，踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)及軀干在矢狀面內(nèi)的角度變化。肌電數(shù)據(jù)的處理使用sEMG works信號(hào)采集分析軟件進(jìn) 行 處 理 分 析，對(duì) 原 始 信 號(hào) 進(jìn) 行 整 流、10～400Hz的 Butterworth 2階 帶通濾波處理[10]。本研究選取的肌電指標(biāo)為每塊肌肉從開始激活至激活后200ms的平均肌電積分肌電值；每塊肌肉的激活延遲時(shí)間，即從擾動(dòng)開始至肌肉激活時(shí)刻的時(shí)間，激活時(shí)刻的定義為：肌電幅值變化大于兩倍靜止站立肌電幅值標(biāo)準(zhǔn)差值的時(shí)刻，靜止站立肌電信號(hào)為擾動(dòng)開始前受試者靜止站立時(shí)的肌電信號(hào)1s[11]。

圖1 自制水平方向干擾裝置示意圖

2 結(jié)果

當(dāng)人體分別受到站立平臺(tái)前、后方向突然移動(dòng)的擾動(dòng)時(shí)，CoM的位置表現(xiàn)出相反的位移方向，由圖2可以看出，當(dāng)人體受到站立平臺(tái)后移的擾動(dòng)時(shí)，CoM會(huì)向人體前方移動(dòng)，而當(dāng)人體受到站立平臺(tái)前移的擾動(dòng)時(shí)，CoM會(huì)移向后方。踝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)及軀干在姿勢(shì)控制過程中的角度變化也表現(xiàn)出了與CoM移動(dòng)方向相似的結(jié)果，如表1所示，各關(guān)節(jié)在被動(dòng)運(yùn)動(dòng)階段表現(xiàn)出了方向相反的角度變化，在受到站立平臺(tái)后移的擾動(dòng)時(shí)，踝關(guān)節(jié)表現(xiàn)為跖屈、髖關(guān)節(jié)屈和軀干前傾，而受到站立前移的擾動(dòng)時(shí)，表現(xiàn)為踝關(guān)節(jié)背屈、髖關(guān)節(jié)伸和軀干后仰。

圖2 CoM位置變化示意圖

站立平臺(tái)后移站立平臺(tái)前移踝關(guān)節(jié)-11．02±7．2815．55±2．77髖關(guān)節(jié)16．89±11．37-4．53±2．24軀干 25．75±16．83-15．29±7．78

注：踝關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)中負(fù)值表示踝關(guān)節(jié)背屈，正值表示踝關(guān)節(jié)跖屈；髖關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)中正值表示髖關(guān)節(jié)屈，負(fù)值表示髖關(guān)節(jié)伸；軀干數(shù)據(jù)中正值表示軀干前傾，負(fù)值表示軀干后仰

表2和表3分別表示了擾動(dòng)發(fā)生后200ms內(nèi)主要肌肉的平均積分肌電值，以及受試者在受到兩個(gè)方向的擾動(dòng)后各肌肉激活時(shí)間。站立平臺(tái)后移時(shí)，腓腸肌的動(dòng)員強(qiáng)度顯著大于站立平臺(tái)前移時(shí)(均P<0.05)，而股直肌、脛骨前肌和腰段豎脊肌的肌電活動(dòng)則表現(xiàn)為站立平臺(tái)前移時(shí)顯著較大(均P<0.05)。對(duì)于肌肉激活時(shí)間的分析發(fā)現(xiàn)，站立平臺(tái)后移時(shí)腹直肌激活時(shí)間顯著早于前移擾動(dòng)時(shí)(P<0.05)，而豎脊肌則表現(xiàn)為站立平臺(tái)前移時(shí)激活時(shí)間顯著較早(P<0.05)。其他肌肉的激活時(shí)間對(duì)比，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

肌肉站立平臺(tái)后移站立平臺(tái)前移Z值P腹直肌10．94±12．688．45±11．68-1．330．182股直肌5．89±4．3710．46±6．34-2．120．034脛骨前肌8．63±5．2843．61±13．11-3．060．002豎脊肌3．29±1．296．86±3．34-3．060．002股二頭肌4．68±3．876．87±6．00-1．800．071腓腸肌內(nèi)側(cè)頭17．66±12．418．22±7．94-3．060．02腓腸肌外側(cè)頭11．16±7．234．86±2．91-2．590．01

肌肉站立平臺(tái)后移站立平臺(tái)前移Z值P腹直肌97．5±26．6159．5±79．9-2．280．023股直肌115．0±31．1103．7±29．7-1．260．209脛骨前肌67．4±41．574．8±20．4-1．020．308豎脊肌150．7±34．8111．9±32．8-2．490．013股二頭肌124．9±34．4121．5±37．1-0．6280．530腓腸肌內(nèi)側(cè)頭43．1±24．863．0±79．9-0．6220．534腓腸肌外側(cè)頭49．6±18．248．8±29．60．0001

3 討論

平衡姿勢(shì)在受到外力的干擾時(shí)，為了防止跌倒的發(fā)生，機(jī)體會(huì)通過自動(dòng)的姿勢(shì)響應(yīng)來進(jìn)行穩(wěn)定性的控制及平衡的恢復(fù)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)可以通過前庭覺、視覺、軀體感覺等信息的傳入進(jìn)行整合，并判斷出擾動(dòng)的類型、方向及擾動(dòng)強(qiáng)度等信息，根據(jù)此，調(diào)節(jié)肌肉的動(dòng)員[12]，通過環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來控制身體質(zhì)心的移動(dòng)，將人體質(zhì)心投影保持在支撐面范圍內(nèi)[13]。

3.1 CoM位移方向?qū)ψ藙?shì)控制策略的影響 人體平衡控制最終將會(huì)體現(xiàn)在身體質(zhì)心的偏移上[14]，即CoM與支撐面的關(guān)系決定了人體是否會(huì)出現(xiàn)跌倒，控制CoM的偏移是人體進(jìn)行站立姿勢(shì)控制的首要目標(biāo)[15]，當(dāng)人體受到站立平臺(tái)前移的擾動(dòng)時(shí)，腳會(huì)隨著平臺(tái)的移動(dòng)而發(fā)生被動(dòng)移動(dòng)，由于慣性作用，以踝關(guān)節(jié)為軸，身體其他部位會(huì)有停留著原位置的趨勢(shì)，使得質(zhì)心移向支撐面的后方，同樣，當(dāng)人體受到站立平臺(tái)后移的擾動(dòng)時(shí)，身體質(zhì)心會(huì)移向身體的前方[16]，本研究結(jié)果也證實(shí)了此觀點(diǎn)。CoM位置偏移方向的不同也決定了人體在平衡姿勢(shì)的控制及平衡恢復(fù)過程中將會(huì)使用不同的姿勢(shì)控制策略。

3.2 各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)表現(xiàn) 人體的平衡控制過程即通過各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)使質(zhì)心重新回到平衡位置，外部干擾方向的不同也決定了姿勢(shì)控制過程中各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向的差異，并表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)模式[17]。當(dāng)站立平臺(tái)后移時(shí)，被動(dòng)運(yùn)動(dòng)階段，踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為背屈，髖關(guān)節(jié)為伸，軀干為后仰；而當(dāng)站立平臺(tái)前移時(shí)，各關(guān)節(jié)表現(xiàn)出相反的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。各關(guān)節(jié)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向的差異也造成了主動(dòng)運(yùn)動(dòng)階段各關(guān)節(jié)主動(dòng)控制策略的不同，在受到站立面后移干擾時(shí)，為控制踝關(guān)節(jié)的被動(dòng)背屈、髖關(guān)節(jié)被動(dòng)伸及軀干的被動(dòng)后仰，將出現(xiàn)踝關(guān)節(jié)主動(dòng)跖屈、髖關(guān)節(jié)主動(dòng)屈、軀干主動(dòng)前傾的趨勢(shì)，在站立面前移時(shí)，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方向則相反，說明在人體受到方向不同的外部干擾刺激時(shí)，為了維持平衡狀態(tài)，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模式并不相同，在平衡障礙人群的康復(fù)訓(xùn)練過程中，僅進(jìn)行單一方式的訓(xùn)練，并不能全面促進(jìn)患者在日常生活中抗跌倒能力的提升。軀干控制在此過程中發(fā)揮了重要的作用[18]，軀干質(zhì)量在人體總質(zhì)量中占很大比重，軀干的位置在很大程度上影響了CoM的偏移，在受到擾動(dòng)后，由于慣性作用，軀干有停留在原位置的趨勢(shì)，即受到站立平臺(tái)前移擾動(dòng)時(shí)，軀干會(huì)留在支撐面后方，站立平臺(tái)后移擾動(dòng)時(shí)，會(huì)留在支撐面前方，結(jié)合CoM位置變化，可以看出軀干的位置是導(dǎo)致CoM偏移的重要原因，故通過相關(guān)肌肉的動(dòng)員及時(shí)控制軀干的運(yùn)動(dòng)可以減小CoM的偏移，增加姿勢(shì)穩(wěn)定性。

3.3 肌肉動(dòng)員情況 中樞神經(jīng)系統(tǒng)通過相關(guān)肌群的協(xié)調(diào)動(dòng)員來控制各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)[19]，通過對(duì)姿勢(shì)控制過程中主要肌肉的肌電信號(hào)的采集分析，有助于發(fā)現(xiàn)神經(jīng)控制方面的一些信息[20-21]，肌肉動(dòng)員的作用主要為控制由于站立平臺(tái)移動(dòng)帶來的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，以擾動(dòng)平臺(tái)后移時(shí)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)為例，在擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，腳會(huì)隨著平臺(tái)的移關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)由于踝關(guān)節(jié)周圍肌肉還未收縮緊張，踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生背屈，腓腸肌受到牽拉被激活，以此來控制踝關(guān)節(jié)的進(jìn)一步背屈。而當(dāng)人體受到的外部擾動(dòng)方向不同時(shí)，各關(guān)節(jié)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向的不同也導(dǎo)致了姿勢(shì)控制過程中主要?jiǎng)訂T肌肉的不同，同樣以踝關(guān)節(jié)為例，本研究結(jié)果顯示，站立面后移時(shí)，腓腸肌動(dòng)員程度顯著大于脛骨前肌，而站立面前移時(shí)，則表現(xiàn)為脛骨前肌的動(dòng)員程度顯著較大，也證實(shí)了以上的理論推斷。

相關(guān)肌群間的協(xié)調(diào)性在姿勢(shì)控制中具有重要的作用[22]，本研究中由肌肉激活時(shí)間可以看出，下肢三關(guān)節(jié)主要肌肉的激活時(shí)間并無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，即主動(dòng)肌與拮抗肌幾乎同時(shí)激活，以踝關(guān)節(jié)為例，腓腸肌的動(dòng)員可以控制踝關(guān)節(jié)的背屈，但腓腸肌持續(xù)收縮導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)過度跖屈，過度的跖屈會(huì)導(dǎo)致人體的再次失衡，而脛骨前肌的動(dòng)員可以有效地控制踝關(guān)節(jié)的過度跖屈，即腓腸肌與脛骨前肌的協(xié)調(diào)配合可以更加的高效地進(jìn)行姿勢(shì)穩(wěn)定性的控制。人體在受到不同方向的平衡擾動(dòng)后，姿勢(shì)控制過程表現(xiàn)出不同的肌肉募集方式及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模式，中樞神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同方向擾動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)人體的響應(yīng)，通過協(xié)調(diào)主動(dòng)肌與拮抗強(qiáng)度的活動(dòng)，控制人體各主要環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，從而將人體質(zhì)心控制在支撐面內(nèi)，維持機(jī)體的穩(wěn)定。這提示我們，在進(jìn)行由肌力不足或活動(dòng)度受限導(dǎo)致的平衡障礙患者康復(fù)過程中，可以根據(jù)具體問題進(jìn)行有針對(duì)性的康復(fù)訓(xùn)練，并根據(jù)病情指導(dǎo)患者進(jìn)行日常生活中的跌倒預(yù)防。

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