蘆芳芳，張峻霞

(天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

平衡能力是人體的一項重要生理功能，是維持人體日常行走、站立等靜態(tài)或動態(tài)姿勢的基本條件[1].老年人在衰老過程中，平衡功能明顯減弱，平衡能力下降會增加跌倒風險[2]，研究表明步態(tài)平衡失調導致跌倒風險上升了3 倍[3–4]，跌倒是造成老年傷害的頭號殺手，也是老年人慢性致殘的第三大原因[5].對平衡能力進行準確評估是預防老年人跌倒的有效手段之一[6].目前有關平衡能力評估的方案已經(jīng)逐漸規(guī)范，但相關派生指標不斷衍生，存在指標重疊和冗余的現(xiàn)象[7]，導致平衡試驗和后期的平衡評估變得繁雜困難，因此建立一套簡單易行準確度較高的老年人平衡能力檢測標準至關重要.

在人體靜態(tài)站姿平衡研究領域中，平衡的測試研究已經(jīng)經(jīng)歷了多年的積累，基于壓力中心(COP)對平衡能力或跌倒風險的評估方法研究中，Greene 等[8]采用支持向量機(support vector machine，SVM)對120名受試者的COP 幅度、擺動距離及其方根、擺動速度、包絡面積和前后方向的頻率等參數(shù)進行收集，用來預測跌倒風險.Kimura 等[9]通過對步態(tài)參數(shù)和平衡能力的臨床測試表現(xiàn)來獲得相關運動參數(shù)以評估人體的平衡能力；Kang 等[10]研究發(fā)現(xiàn)平衡能力的分水嶺在60 歲，60 歲以前平衡能力恒定性較強，60 歲以后每10 年下降16%或更多；Sturnieks 等[11]通過老年人重心平衡研究發(fā)現(xiàn)，隨著年齡增大，老年人平衡能力下降，摔倒次數(shù)逐漸增多，這些研究對人體平衡功能評估及臨床平衡測驗都做出了卓越的貢獻，為后續(xù)平衡的研究提供了科學的指導與參考.但是，在以上這些平衡能力測試實驗中，所采用的方法多為主觀性的量表工具，尚缺乏客觀、定量的平衡能力綜合評價方法.Sibley 等[12]對1986—2014 年的相關研究分析后認為，平衡能力評估缺乏維度分析會限制評估結果的準確性.

本文將運用多指標綜合分析方法，對老年人靜態(tài)平衡能力進行綜合評價，建立老年人靜態(tài)站姿平衡能力評價體系.通過分析靜態(tài)站姿平衡的各項指標數(shù)據(jù)，篩選出對年齡因素較為敏感的平衡指標，根據(jù)指標自身的作用和影響確定權數(shù)，構建綜合評價模型，給出老年受試者平衡能力的評分公式，根據(jù)綜合得分制定出評價等級標準.

1 實驗方案

1.1 實驗對象

為排除性別因素的影響，實驗只選取男性作為研究對象.實驗選取了46 名60＜年齡≤70 周歲的老年受試者，受試者的平均年齡、身高、體重分別為(65.77±2.86)歲、(169.50±4.92)cm、(70.19±8.02)kg.實驗要求受試者在過去6 個月無下肢外傷史，沒有從事過系統(tǒng)的體育訓練，身體形態(tài)正常、無神經(jīng)肌肉疾病、無明顯平衡障礙癥狀，如帕金森病、腦卒中等.在實驗開始前24 h 內(nèi)沒有進行劇烈運動，所有受試者均被告知具體實驗過程及要求.所有受試者均自愿參加這項研究，實驗在征得受試者同意后進行.

1.2 實驗設計

平衡能力測試采用COGNI 平衡評估訓練系統(tǒng)，采集7 項數(shù)據(jù)指標，即：包絡面積、X 方向偏倚、單位時間軌跡長、單位面積軌跡長、X 方向最大動搖徑、Y方向最大動搖徑、Y 方向偏倚.受試者被要求睜/閉眼、雙腳靜立于壓力感應板上，雙足平行置于壓力平板兩側的線框內(nèi)，雙手叉腰，雙目平視前方設定的標識物，測試時間10 s；受試者睜/閉眼、左/右腳靜立于壓力感應板上，右/左腳屈膝抬起，置于壓力平板上方約20～30 cm，雙手叉腰，雙目平視前方設定的標識物，測試時間10 s.在每一組平衡實驗結束后，要求受試者休息2 min 以避免疲勞影響.

1.3 數(shù)據(jù)處理

實驗所收集的原始數(shù)據(jù)使用 Microsoft Excel 2016 進行整理，數(shù)據(jù)處理使用SPSS 20.0 軟件，將受試者以5 歲為段劃分為兩個年齡區(qū)間，區(qū)間1(60＜年齡≤65 周歲，共計24 名)；區(qū)間2(65＜年齡≤70周歲，共計22 名)，分別對兩個區(qū)間的各變量(指標)數(shù)據(jù)進行方差齊性檢驗，方差齊性檢驗值Sig＞0.05，然后對實驗數(shù)據(jù)以年齡區(qū)間為影響因素進行單因素方差分析，篩選出顯著性P＜0.05 的指標，這些指標適用于對60＜年齡≤65 周歲老年人平衡能力的評估.對篩選出的指標進行主成分分析，將原來變量重新組合成一組新的互相無關的幾個主成分(綜合變量)，而且這些主成分在反映數(shù)據(jù)的信息方面盡可能保持原有的信息.對這些主成分進行加權處理后，建立老年人平衡能力評分公式，由評分公式計算出平衡得分，再對評分進行標準化處理，劃分平衡能力評估等級.

2 實驗結果分析

2.1 數(shù)據(jù)分析

以年齡為影響因素對實驗所收集的42 個指標進行單因素方差分析，篩選顯著性P＜0.05 的指標結果見表1.表中：AE 表示包絡面積；DE 表示單位面積軌跡長；FX 表示X 方向偏倚；FY 表示Y 方向偏倚；IE 表示單位時間軌跡長；MX 表示X 方向最大動搖徑；MY 表示Y 方向最大動搖徑；O 表示睜眼；C 表示閉眼；DF 表示雙腳站立姿勢；RF 表示右腳站立姿勢；LF 表示左腳站立姿勢.

表1 各指標的顯著性水平Tab. 1 Levels of significant indicators

表1 共計篩選出19 個對年齡因素較敏感的指標，對其進行主成分分析，結果見表2.

表2 主成分特征值Tab. 2 Feature values of principal components

分析表2 的數(shù)據(jù)，篩選初始特征值 νi大于1 的主成分因子，發(fā)現(xiàn)前5 個主成分因子的方差貢獻率累計達到89.237%，這說明在一定程度上這5 個主成分因子可以用來描述老年受試者的大部分數(shù)據(jù)信息.

根據(jù)因子載荷0.5 原則，為了能夠更好地解釋各項因子的意義，應選擇因子載荷較高的指標，結果見表3.

表3 平衡能力綜合評價指標Tab. 3 Comprehensive evaluation index of balance ability

對表3 通過歸類，挑選因子載荷αλ較大的指標作為主成分因子的代表指標，代表指標作為評價靜態(tài)平衡能力的綜合評價指標，也稱為靜態(tài)平衡能力的主導因素，能對靜態(tài)平衡能力做出較全面的評價.

2.2 建立老年受試者的平衡能力評分公式

各主成分按式(1)計算

式中：Zi代表各主成分；x 代表指標數(shù)據(jù)的實際值；αλ為因子載荷.

依據(jù)表2 中5 個主成分的初始特征值，按式(2)計算出各主成分的加權系數(shù)ia .

求得：a1=0.436；a2=0.244；a3=0.154；a4=0.095；a5=0.071.

各主成分加權后的得分總和即為老年受試者平衡能力得分G.

2.3 制定平衡評估等級

將靜態(tài)平衡能力綜合評價指標中各主成分實測值代入式(1)求出各指標得分，然后根據(jù)式(2)求得各主成分的權重系數(shù)，再根據(jù)式(3)求各主成分加權后的得分總和即為老年受試者平衡能力得分，該總分即是靜態(tài)平衡能力的綜合得分.對綜合得分進行頻數(shù)分析，對老年受試者的平衡得分采用20 分制，共設立5 個標準化的等級，使每個級別的人數(shù)占受試者總人數(shù)的20%，按得分由高到低依次定為優(yōu)、良、中、中下、差，各級別對應的評分范圍見表4.評估老年人平衡能力根據(jù)評分公式(式(3))及評分標準(表4)便可確定老年人靜態(tài)平衡能力所在的等級.

表4 老年人靜態(tài)平衡能力評分標準Tab. 4 Evaluation criteria of the static balance ability of the elderly

2.4 評價體系的驗證

平衡能力較好的受試者其相應步態(tài)穩(wěn)定性也較好.文中對平衡評價體系的驗證通過結合步態(tài)測試來進行，實驗儀器使用Zebris 足底壓力跑臺，收集受試者在2 min 內(nèi)以日常步速赤腳行走時的各項指標數(shù)據(jù).該步態(tài)實驗與平衡實驗選用的是相同的受試者，將平衡得分與步態(tài)參數(shù)進行相關性分析，結果見表5.表5 中數(shù)據(jù)顯示：平衡得分與左、右腳支撐相占比表現(xiàn)出了較強的負相關，而與左、右腳擺動相占比則表現(xiàn)出了較強的正相關，從統(tǒng)計學角度說明了隨著平衡得分增加受試者在行走過程中左右腳擺動相占整個步態(tài)周期的比例會相應增加，而支撐相占整個步態(tài)周期的比例相應降低.此外，平衡得分高的受試者行走時會有相對較大的步寬，其步長對稱比值也更接近于1.這些步態(tài)參數(shù)是表征步態(tài)穩(wěn)定性的重要參考指標，由此可以證明該評價系統(tǒng)與步態(tài)測試結果具有相應的一致性，也說明該評價體系能相對準確地反映老年受試者的靜態(tài)站姿平衡能力.

表5 平衡得分與步態(tài)參數(shù)的相關性水平Tab. 5 Correlation of balance score and gait parameters

3 討 論

本文在平衡能力測試方法、平衡指標篩選、評價體系構建及應用的內(nèi)容上均進行了優(yōu)化.首先平衡能力測試采用COGNI 平衡評估訓練系統(tǒng)可定量準確地測試出各項平衡指標值.目前臨床使用較多的有Berg 平衡量表、Tinetti 平衡及步態(tài)量表、平衡信心量表等評估法，這些平衡評估法會受到評估者主觀因素的影響，文中基于實測數(shù)據(jù)獲得的評價體系在一定程度上彌補了這些應用主觀性量表工具進行平衡評估的不足.應用單因素方差分析法對6 種平衡姿勢下測得的平衡指標進行篩選，避免了由指標重疊和派生指標的衍生導致的平衡評估不準確、評價標準繁雜的問題.本文構建的評價體系可方便有效地評估老年人靜態(tài)平衡能力水平，為平衡能力的評估提供了一種評價方法.該評價方法也可應用于康復訓練，實驗收集的人體平衡參數(shù)可用于指導平衡康復訓練器械的設計研發(fā).

回顧整個研究過程，還存在一些不足之處需要完善.實驗只選取了60～70 周歲這個年齡段的男性受試者，樣本類別不夠全面，后續(xù)研究可在此實驗基礎上豐富樣本類別，不斷完善該評價體系.人體維持平衡的過程是一個極其復雜敏感的階段，極易受到自身或外來擾動因素的影響，受試者心理狀況、測試環(huán)境等因素對于所測數(shù)據(jù)會有直接的影響[13]，如何盡量降低這些擾動因子的影響，是今后需要研究的重點.有關人體平衡能力的研究多數(shù)單以人體靜態(tài)平衡、動態(tài)平衡或是步態(tài)研究范疇展開，而將人體靜態(tài)平衡同動態(tài)平衡或步態(tài)研究相結合討論的文獻非常少.相關文獻[14–15]已指出基于步態(tài)的定量測試可以反映平衡系統(tǒng)在運動過程中調控身體姿態(tài)穩(wěn)定性的能力，因此后續(xù)研究可在老年人平衡評價體系的基礎上，結合步態(tài)參數(shù)進行多維度分析.將平衡評價體系應用于老年人跌倒風險的評估中，尋找平衡能力與跌倒風險之間的聯(lián)系.

當前平衡測量設備所給出的測試結果多為平衡指標的實時數(shù)據(jù)，對于受試者的平衡能力總體水平并未給出具體評價.評價體系若能應用于相關平衡測量軟件系統(tǒng)，在測量時生成相應的平衡評估報告，則可更直觀地表明受試者的平衡能力狀況.

4 結 語

本文建立了老年男性的站姿平衡能力評價體系.首先完成對平衡能力評價指標的篩選，通過對指標的篩選從而簡化平衡測試的過程，基本解決了由指標重疊和冗余現(xiàn)象所導致的評價標準繁雜、平衡評估困難的問題.然后依據(jù)所選指標建立老年人的平衡能力評分公式 =∑iiGa Z (i=1，2，…，5)，通過評分公式可以計算出受試者的平衡得分，再根據(jù)分值判別平衡能力等級.評分公式和評估等級標準可以進一步表明受試者的平衡能力狀況.該評價體系可應用于康復領域，指導平衡康復訓練器材的設計研發(fā).