【作 者】夏明莉，郭帥，楊堅，王葳

1 上海大學工程訓練國家級實驗教學示范中心，上海市，200444

2 上海市徐匯區(qū)中心醫(yī)院，上海市，200031

3 上海市醫(yī)療器械檢驗研究院，上海市，201318

0 引言

臨床研究表明，腦卒中、腦外傷、帕金森病等患者的下肢都存在行走與平衡功能障礙的問題，平衡功能失調會直接導致跌倒風險的增加，威脅人體的基本安全。在下肢障礙的相關臨床治療及醫(yī)師助健過程中，對平衡障礙患者的平衡能力進行準確的評估意義重大，通過評估能夠準確地掌握這些患者平衡能力喪失的嚴重程度，從而針對性地給出康復方案，保證在進行康復治療的同時同步評價患者的康復效果，循序漸進地促進平衡障礙患者的康復[1]。

評估人體平衡能力的方法有：臨床觀察法、量表評估法、儀器測量法[2]。其中，臨床觀察法是：醫(yī)生或康復師直接通過觀察受試者在不同條件下的平衡表現作出評定[3]。這種方法的優(yōu)點是應用簡單，無需借助儀器就能粗篩患者，缺點是過于主觀，沒有將標準定量化；量表評估法是根據平衡量表作出評定，例如Berg平衡量表、Tinetti步態(tài)和平衡量表、Fugl-Meyer平衡功能量表、Brunel平衡量表等[4-5]。量表評估法這種方法的優(yōu)點是操作簡便、無需借助儀器，缺點是每一項評分標準存在界限模糊，容易產生天花板效應，從而影響患者平衡評估的精準度；儀器測量法是隨著計算機技術、傳感技術和電子技術等的發(fā)展，定量測定儀器被應用于平衡能力的評測。Terekhov在1976年最早開始使用壓力傳感器采集人體壓力中心COP（center of pressure）位置進行人體平衡能力分析[6]?，F在，有學者使用任天堂Wii平衡板提取的COP軌跡進行人體靜平衡測評[7]，也有學者使用德國Technobody平衡測試訓練儀，Tetrax平衡訓練系統(tǒng)等平衡儀直接進行人體平衡測定；或是學者任研研等基于壓力傳感器的基礎上設計平衡訓練儀[8]，學者宋桂蕓等[9]采用Active Balancer EAB-100平衡檢測儀對提取的平衡參數進行權重分配建立綜合評價值去評價下肢功能障礙者平衡情況。目前學者大多采用壓力傳感器獲取COP，并提取COP相關參數：軌跡長度、擺幅、重心分布、動搖比等來區(qū)別平衡能力好壞程度。壓力傳感器的優(yōu)點是能準確獲取人體壓力中心的位置和軌跡，但是缺少了人體冠狀面的平衡參數。故本研究首次采用最大傾斜角作為冠狀面的平衡參數。為準確有效地評估人體靜態(tài)平衡能力，本研究設計對照實驗，借助康復機器人iReGo獲得人體骨盆中心的軌跡變化，采用平衡算法計算出平衡參數，參數包括平均擺幅、平均擺速、最大擺幅、軌跡長度、包絡面積、最大傾斜角。用SPSS統(tǒng)計學軟件對這些參數進行主成分分析建立綜合評價指標，進而對平衡能力量化評定。

1 方法

1.1 系統(tǒng)設計

本研究的實驗設備為下肢康復助行機器人iReGo[10]，如圖1所示?？祻蜋C器人iReGo骨盆減重機構，如圖2所示。力傳感器和電位計分別取得機器人x、y、z向（分別對應人體橫面、矢狀面、冠狀面）上的位移、角度變化數據。

圖1 下肢康復助行機器人iReGoFig.1 Pelvic lower limb rehabilitation walking robot iReGo

圖2 骨盆減重機構Fig.2 Pelvic weight reduction mechanism

通過對傳感器、電位計輸出的信號進行處理，可得骨盆中心的實時位置。骨盆中心點為（X,Y），骨盆中心初始點為（X0,Y0）。

y向位移變化量：

其中，F1為骨盆減重機構左邊力傳感器輸出數據；F2為骨盆減重機構右邊力傳感器輸出數據；K為骨盆減重機構傳感器旁的彈簧，兩傳感器使用同一剛度線性彈簧。

x向位移變化量：

其中，θ為x向電位計輸出數據，l為骨盆機構四桿機構固定短邊長度。

z向角度變化量：

其中，θ為z向電位計輸出數據。

1.2 系統(tǒng)驗證

為驗證康復機器人iReGo骨盆減重機構上的傳感器獲取的參數有效性，現利用動作捕捉系統(tǒng)進行驗證分析。實驗采取對照實驗，康復機器人置于動作捕捉系統(tǒng)的視野范圍內，受試者首先穿戴康復機器人上的腰帶，隨后將剛體佩戴在左右腰部外側上，動作捕捉系統(tǒng)根據兩剛體位置關系算出骨盆中心位置。

在30 s內動作捕捉系統(tǒng)與康復機器人同時采集數據，如圖3所示。通過對比兩組數據間的相關性和差異性驗證康復機器人骨盆機構上傳感器獲取的數據是否有效。

圖3 動作捕捉系統(tǒng)驗證方法Fig.3 Method for validation of motion capture systems

1.3 實驗方案

人體靜態(tài)平衡能力測定實驗采取對照實驗。實驗組患有中風、偏癱等下肢功能障礙，患者均來自上海岳陽醫(yī)院康復科：男性12例，年齡（50±10）歲，體質量（70±10）kg，身高（170±8）cm；女性8例，年齡（50±8）歲，體質量（55±10）kg，身高（160±6）cm，患者生命體征穩(wěn)定，無顯著認知障礙，能獨立站立一分鐘。對照組為下肢運動功能健康者20名。

實驗內容為受試者成功穿戴iReGo腰帶后，雙手自然垂下，雙腳分開45°～60°站立，雙眼目視前方，如圖4所示。準備工作完成后，點擊屏幕上iReGo平衡系統(tǒng)軟件上的開始按鈕，啟動軟件采集骨盆中心軌跡數據，iReGo平衡系統(tǒng)軟件實時顯示受試者的骨盆中心位置，如圖5所示。整個實驗過程為30 s。實驗過程中不可與人交談，不可被外力因素打擾，否則將重新進行實驗。采集結束后，受試者解開腰帶。

圖4 患者實驗過程Fig.4 Patient experiment process

圖5 骨盆中心軌跡Fig.5 The trajectory of the center of the pelvis

1.4 評價參數

根據骨盆中心軌跡分析，取以下9個參數為人體靜態(tài)平衡評價參數。

（1）平均擺幅 ：骨盆中心距離骨盆中心初始點的平均距離。

本研究將平均擺幅分為x、y向：

其中，(Xi,Xi)為骨盆中心實時點；(X0,X0)為骨盆中心初始點；Sa,x為x向平均擺幅；Sa,y為y向平均擺幅。

（2）最大擺幅：骨盆中心距離骨盆中心初始點最大距離。

本研究將最大擺幅分為x、y向：

其中，Sx為x向擺幅；Sy為y向擺幅；Sm,x為x向最大擺幅；Sm,y為y向最大擺幅。

（3）軌跡長度：骨盆中心移動軌跡的長度，即相鄰骨盆中心點距離的總和。

（4）包絡面積：骨盆中心軌跡點所包圍的面積。

包絡面積算法采用學者周文科凸包點計算方法[11]：先將點集（整個實驗過程中的點的集合）中各點按與x軸的夾角大小進行排序，再通過矢量叉積法去除凹點，得到任意簡單多邊形凸包，最后通過組合三角法計算包絡面積。T為凹凸點判別變量，T>0，則（xi+1,yi+1)為凸點；T<0，則（xi+1,yi+1）為凹點；T=0，則視為中性點，刪去。計算面積，組合三角法累加S面積即為包絡面積。

（5）平均擺速：單位時間內骨盆中心擺動的速度，表示身體擺動的快慢。

本研究將平均擺速分為x、y向：

其中，Va,x為x向平均擺速；Va,y為y向平均擺速；T為人體靜態(tài)平衡實驗時長。

（6）最大傾斜角：身體傾斜時與人體橫斷面的最大夾角。

2 結果

2.1 系統(tǒng)設計信度分析

康復機器人z向與動作捕捉系統(tǒng)同時采集的數據，通過Matlab計算兩者間的相關性R=99.98%，差異性P=0，最大誤差為0.4o，數據高度相關。機器人x向相關性R=99.98%，差異性P=0，最大誤差為3.8 mm，數據高度相關。機器人y向相關性R=98.57%，差異性P=0，最大誤差為2.5 mm，數據高度相關。如圖6～圖8所示。

圖6 數據對比（x向）Fig.6 Data comparison x direction)

圖7 數據對比（y向）Fig.7 Data comparison (y direction)

通過與動作捕捉系統(tǒng)獲取的數據對比證明基于iReGo骨盆減重機構中的傳感器獲取的參數具有很高的可靠性和有效性。

2.2 評價參數及差異性分析

在研究中，不同的儀器和不同的平衡姿態(tài)下有不同的平衡指標。任何單一的評價參數都不能完全表達一個人的靜態(tài)平衡，理論上，參數越多，更能客觀描述一個人的平衡情況。但是，參數越多，信息冗余的可能性越大，信息混合越多，計算成本就越高。因此，我們需要一個方法，用一個綜合值來表示所有參數。首先，分析上述平衡參數在對照組和試驗組之間的差異，剔除對平衡評價無效的參數。本研究現基于SPSSAU平臺，采用獨立樣本t檢驗分析方法，比較對照組與病例組各參數的差異。得出差異結果，如表1所示。

從表1可知，利用t檢驗去研究實驗組和對照組關于軌跡長度L，包絡面積S，平均擺幅Sa,x，平均擺幅Sa,y，最大擺幅Sm,x，最大擺幅Sm,y，平均擺速Va,x，平均擺速Va,y，最大傾斜角θ共9項的差異性，從表1可以看出：不同組別樣本對于這9項參數均呈現出顯著性差異（P<0.05），意味著這9項評價參數評估人體靜態(tài)平衡能力有效，同時也可以區(qū)分下肢功能好壞。

表1 對照組和實驗組評價參數差異性分析Tab.1 The difference of evaluation parameters between control group and experimental group was analyzed

2.3 綜合評價值

上述平衡參數之間存在著一定的信息雜糅，需要建立一個綜合評價值代替原來多個參數，來評價人體靜態(tài)平衡能力，使參數結果量化。本研究選用主成分的分析法對有差異性的平衡參數進行主成分分析：去除信息冗余的因子，根據各參數的權重提煉成新的因子，對新的因子線性加權建立綜合評價值作為評價指標。

通過上小節(jié)的差異性分析可知，9項參數在實驗組和對照組具有明顯的差異性。基于此，使用SPSSAU平臺的主成分分析法建立綜合評價值以代替上述9個參數評價人體靜平衡能力。

以對照組為例，將表中數據整理成標準歸一化后的矩陣進行主成分分析，表2為對照組主成分分析后的方差解釋率表，表3為成分得分系數矩陣，即提取的各因子所占的權重。

表2 方差解釋率Tab.2 Interpretation rate of variance

表3 成分得分系數矩陣Tab.3 Component score coefficient matrix

由表3可知，主成分分析共提取了三個主成分，且特征根值均大于1。這三個主成分的方差解釋率分別為42.874%、28.815%和13.244%，累積方差解釋率為84.933%，其對應的加權方差解釋率，即權重分別為：42.874/84.933=50.48%；28.815/84.933=33.93%；13.244/84.933=15.59%。

根據表中各組分1(C1)、2(C2)、3(C3)，計算公式如下：

因此，綜合評價值的計算公式為：

實驗組的綜合評價值計算方法同上，對照組綜合評價值為0.383±0.038，實驗組綜合評價值為0.875±0.136。

3 討論

衡量人體靜態(tài)平衡能力的方法有很多。除了傳統(tǒng)的Berg量表評定，目前大多數學者采用足底壓力傳感器來檢測足底壓力分布。通過傳感器獲得壓力中心位置(x,y)后，根據壓力中心的變化計算出壓力中心的相關參數，從而評價人體的平衡能力。但是由于足底壓力傳感器的限制，只能計算出x、y平面（人體橫斷面位移）的參數，提取的COP相關參數包括重心軌跡長度、單位面積軌跡長度、平均擺動幅度、重心分布比等。然而，人體靜平衡是一個三維的整體平衡，因此利用人體冠狀面平衡數據來評價人體靜平衡能力是非常必要的。在本研究中，iReGo骨盆減重機制的三個傳感器可以測量人體三個平面的數據。本研究將人體在冠狀面上的最大傾斜角作為平衡參數之一，更全面地對人體平衡能力進行評價。平衡參數的選擇是平衡能力評價的基礎。由表1可以看出，本研究選擇的參數在對照組與病例組間均存在顯著性差異（P<0.05）。因此采用最大傾斜角作為評價指標是正確的，實驗結果為該指標的應用提供了客觀依據。本研究嘗試運用主成分分析法計算綜合評價值，得到的綜合評價值與人體平衡功能的特征相一致，能夠正確反映被測試者主體平衡功能的強弱。

4 結論

本研究討論了一種基于骨盆中心的人體靜態(tài)平衡能力評價方法。選取軌跡長度、包絡面積、平均擺幅（x方向、y方向）、平均擺速（x方向、y方向）、最大擺幅（x方向、y方向）、傾斜角作為平衡能力的評價參數。分析了對照組與實驗組參數存在差異后，利用主成分分析方法對選定的評價參數進行融合，得到獨立的主成分因子。最后，根據各主成分因子的方差貢獻率確定各主成分因子的權重，從而得到評價人體靜態(tài)平衡能力的綜合評價值。通過對實驗組與對照組的平衡功能進行測定和評估，對照組綜合評價值為0.383±0.038，實驗組綜合評價值為0.875±0.136。結果說明，基于骨盆中心的靜態(tài)平衡評價方法能夠定量客觀地去評價人體靜態(tài)平衡能力，當被測試者綜合評價值在實驗組范圍（0.739～1.011）內時，則說明受試者存在平衡功能障礙，須進一步進行平衡康復訓練，在對照組（0.345～0.421）范圍內時，則說明受試者下肢平衡狀態(tài)正常。本方法在檢測患者是否存在平衡功能障礙、明確患者下肢平衡康復情況以及預防跌倒等方面具有較好的臨床應用潛力。

本研究有效地解決了觀察法和量表評價法無法定量分析的問題。但仍有很多進一步的研究工作：首先，研究與人類靜態(tài)平衡有關的視覺和前庭感覺帶來的影響；其次，找到更客觀有效的評價指標，使平衡功能障礙的檢測更加科學和有效，更正確地對平衡能力進行評估；最后是擴大樣本量，使區(qū)分對照組和病例組的綜合評價值范圍更加有效跟精準，并促進其評價標準的建立，從而使靜態(tài)平衡功能的評價更加科學有效。