趙盼超，田佳鑫，紀仲秋，姜桂萍，吳升扣

姿勢控制是指人體遇到各種內(nèi)外部干擾時，中樞神經(jīng)系統(tǒng)有效整合感官信息（視覺、前庭覺及本體感覺），調(diào)控神經(jīng)肌肉系統(tǒng)維持身體穩(wěn)定的能力［1］134-137。它涉及復(fù)雜的神經(jīng)調(diào)控過程，是人體保持體位、完成各項生命活動的基本保障。有研究者發(fā)現(xiàn)：學(xué)齡前期是姿勢控制發(fā)展的關(guān)鍵期［2］，7 歲后出現(xiàn)與成人相似的姿勢控制調(diào)節(jié)方式［3］。兒童早期的姿勢控制系統(tǒng)未發(fā)育成熟，應(yīng)對突發(fā)干擾的姿勢控制能力較弱，所以容易出現(xiàn)跌倒事件。德國1 項流行病學(xué)研究表明：意外跌倒是造成兒童損傷和死亡的主要原因，不僅會影響未來孩子們對體育活動的態(tài)度，還會使兒童的體育活動受到限制［4-5］。

在日常生活中，人體沒有絕對的靜止?fàn)顟B(tài)，往往處于動態(tài)或干擾環(huán)境中，其中的干擾分為內(nèi)部干擾和外部干擾。內(nèi)部干擾指的是自身肢體產(chǎn)生的力量和加速度對身體穩(wěn)定性的影響，身體各個節(jié)段的自主活動都可以被看作為內(nèi)部干擾［6］。外部干擾指的是外部因素對人體姿勢穩(wěn)定性的影響，例如在人體的關(guān)節(jié)或區(qū)域上施加一個推或拉的外力、突然移動支撐平面、不穩(wěn)定的運動環(huán)境等［7］。目前，內(nèi)部干擾對姿勢控制的影響研究主要針對特殊兒童，因為內(nèi)部干擾往往涉及日常生活中常見的功能性活動，這些活動的完成水平直接影響他們的生活質(zhì)量。外部干擾對姿勢控制的影響主要集中在預(yù)期性姿勢調(diào)節(jié)方面，并與某些神經(jīng)調(diào)控疾病相關(guān)，有關(guān)研究者將不同的干擾范式進行對比研究，受試者年齡主要集中在成年人群。國內(nèi)外對兒童姿勢控制的干擾研究還不夠深入和全面，而干擾研究在兒童早期階段十分必要。兒童早期的姿勢控制干擾效應(yīng)特征和年齡特征有待進一步明確。因此，本文采用內(nèi)外部干擾范式，設(shè)置不同的感官信息條件，系統(tǒng)地探究了3～8 歲兒童在不同干擾條件下的姿勢控制特征和年齡特征，旨在完善兒童早期姿勢控制干擾研究的理論內(nèi)容。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

實驗在華北某市的公立幼兒園和小學(xué)中進行，采用隨機抽樣方法，抽取3～8 歲兒童200 人。納入標(biāo)準：1）年齡為3～8 歲；2）認知功能正常，具有良好的理解能力；3）運動能力正常；4）監(jiān)護人自愿簽署知情同意書。

排除標(biāo)準：1）有身體發(fā)育障礙疾病和骨骼肌肉協(xié)調(diào)性疾病的兒童；2）有認知功能障礙疾病的兒童；3）不能配合完成研究所需動作的兒童。

實驗前召開家長會，向家長和班主任詳細講解實驗?zāi)康募傲鞒?，兒童自愿加入，監(jiān)護人簽署知情同意書。實驗已通過北京師范大學(xué)倫理委員會的審批（No.201910210061）。最終得到182 人的數(shù)據(jù)，受試者基本情況見表1。

表1 受試者基本情況

1.2 測試方法

1.2.1 測試工具

使用三維測力臺（KISTLER 公司，瑞士，型號：928 6AA）采集動力學(xué)數(shù)據(jù)，采集頻率為1 000 Hz。采用BTS表面肌電測試系統(tǒng)（BTS FREE EMG 300）采集肌電數(shù)據(jù)，采集頻率為1 000 Hz。使用紅外動作捕捉系統(tǒng)（SMART DX 700,BTS Bioengineering 公司，意大利）采集運動學(xué)數(shù)據(jù)，采樣頻率為100 Hz，選取Davis 模型進行Marker 點的粘貼，具體位置見表2。

表2 Davis 模型粘貼位置

1.2.2 測試方案

采用內(nèi)部干擾范式（快速舉臂范式）和外部干擾范式（落球試驗）進行測試。本文借鑒臨床感官相互測試（CTSIB）的原理［8］，在2 種干擾范式下，分別進行4種感官測試。CTSIB1 為睜眼站立的基線測試；CTSIB2為閉眼站立測試；CTSIB3 為睜眼振動測試，采用踝關(guān)節(jié)振動裝置作為干擾條件，振動裝置的尺寸為（3.5×5.5）cm2，頻率為350 Hz，如圖1 所示；CTSIB4 為閉眼振動測試。

圖1 踝關(guān)節(jié)振動裝置

每種感官條件下做3 次測試，選取實驗數(shù)據(jù)捕捉完整的最佳一次測試結(jié)果進行處理與分析，具體干擾范式測試如下。

1）內(nèi)部干擾范式：以快速舉臂測試進行內(nèi)部干擾的研究，受試者站立到測力臺的中心，雙臂自然下垂，放于身體兩側(cè)，以最快的速度完成手臂前舉任務(wù)，手臂前舉高度為與肩膀等高。以三角肌中束激活時間確定姿勢干擾的起始點，受試者靜止直立站立時，選取肌肉靜息態(tài)時100 ms 的積分肌電值作為基線值，當(dāng)計算到肌肉在某一點連續(xù)50 ms 內(nèi)平均反應(yīng)強度大于基線平均值2 個基線標(biāo)準差時，則該點作為突發(fā)姿勢干擾的起始點（T0）［9］。

2）外部干擾范式：以落球試驗范式模擬外部干擾，受試者站到測力臺的中心位置，雙手握住一個金屬托盤，要求受試者的大臂與地面垂直，小臂與大臂呈90°夾角，測試人員將重量為0.4 kg 的沙包從受試者視線水平位置釋放，使其落入托盤。在受試者腕關(guān)節(jié)粘貼一個Marker 點，用來記錄外部干擾發(fā)生的起始時間，受試者靜止直立站立時，選取Marker 點100 ms 內(nèi)線速度平均值作為基線值，當(dāng)線速度在某一點連續(xù)50 ms 內(nèi)的值大于基線平均值2 個基線標(biāo)準差，則該點作為突發(fā)姿勢干擾的起始點（T0）［9］。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

姿勢控制數(shù)據(jù)處理：本研究使用“BTS Bio Sway”軟件對動力學(xué)數(shù)據(jù)（COP）進行處理。選取的參數(shù)包括：COP 在左右方向（Rx）和前后方向（Ry）的位移、路徑總長度（TL）、移動速度（S）、等效面積（EA）、等效半徑（ER）。在內(nèi)部干擾和外部干擾范式中，數(shù)據(jù)處理均以干擾開始瞬間（T0）為基準，截?。═0-1 000 ms）到（T0+1 000 ms）的數(shù)據(jù)片段計算COP 相關(guān)指標(biāo)。將Rx、Ry、TL、EA、ER 數(shù)據(jù)與身高（BH）相除進行標(biāo)準化處理，用（%BH）表示，S 的單位為mm/s。

肌電數(shù)據(jù)處理：本研究選取的肌肉為三角肌中束（D）、肱三頭肌長頭（TB）、腹直?。≧A）、豎脊?。‥S）、脛骨前肌（TA）和外側(cè)腓腸?。℅L）。三角肌中束、肱三頭肌長頭、脛骨前肌和外側(cè)腓腸肌的肌電電極在肌腹處進行粘貼，由于腹直肌和豎脊肌很長，為保證數(shù)據(jù)采集的統(tǒng)一性，選取腹直肌和豎脊肌中部位置進行粘貼，即腹直肌的位置為第6 肋軟骨前側(cè)，豎脊肌位置為第6 肋軟骨的后側(cè)。粘貼之前清潔皮膚，兩電極貼圓心的距離為2 cm，平行粘貼在肌腹處。在“BTS SMART Analyzer”軟件中對原始肌電信號進行濾波（40～200 Hz）、整流（100 ms）和積分計算，計算各指標(biāo)的積分肌電值。APAs 強度和補償性姿勢調(diào)節(jié)（CPAs）強度的計算公式如下［10］：

其中，APAs 階段為（-100～+50）ms，CPAs 階段為（50～200）ms，基線階段為（-600～-450）ms。

1.3 數(shù)理統(tǒng)計

采用SPSS23.0 對本研究的實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，各指標(biāo)以（M±SD）的形式表示。統(tǒng)計分析前進行正態(tài)分布檢驗，刪除極端值和奇異值。采用重復(fù)測量方差分析法比較不同干擾條件下站立姿勢控制指標(biāo)的差異，組內(nèi)變量為不同干擾方式，組間變量為年齡，主效應(yīng)、交互效應(yīng)、簡單效應(yīng)檢驗均采用Bonferroni 法進行比較，以p＜0.05 表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 內(nèi)部干擾下兒童姿勢控制特征

2.1.1 COP 位移

在快速舉臂范式下，COP 指標(biāo)具有任務(wù)和年齡主效應(yīng)（p＜0.05），未出現(xiàn)交互效應(yīng)，見表3。任務(wù)主效應(yīng)結(jié)果見圖2，COP 在閉眼振動條件下出現(xiàn)了最大的數(shù)值（p＜0.05），年齡主效應(yīng)檢驗結(jié)果如圖3 所示，整體上隨年齡增長呈非線性的減小趨勢。

圖2 內(nèi)部干擾下不同感官條件的COP 指標(biāo)

圖3 內(nèi)部干擾下COP 指標(biāo)的年齡主效應(yīng)檢驗結(jié)果

表3 內(nèi)部干擾下COP 指標(biāo)的主效應(yīng)及交互效應(yīng)檢驗結(jié)果

2.1.2 預(yù)期性和補償性姿勢調(diào)節(jié)

APAs 強度和CPAs 強度出現(xiàn)任務(wù)和年齡主效應(yīng)（p＜0.05），未出現(xiàn)交互效應(yīng)，見表4。APAs 強度和CPAs 強度任務(wù)主效應(yīng)檢驗結(jié)果見表5，APAs 強度年齡主效應(yīng)檢驗結(jié)果見表6，CPAs 強度年齡主效應(yīng)檢驗結(jié)果見表7。

表4 快速舉臂APAs 強度和CPAs 強度的主效應(yīng)及交互效應(yīng)檢驗結(jié)果

表5 快速舉臂時APAs 強度和CPAs 強度任務(wù)主效應(yīng)檢驗結(jié)果

表6 快速舉臂時肌肉APAs 強度的年齡主效應(yīng)檢驗結(jié)果

表7 快速舉臂時肌肉CPAs 強度的年齡主效應(yīng)檢驗結(jié)果

2.2 外部干擾下兒童姿勢控制特征

2.2.1 COP 位移

在外部干擾范式下，COP 指標(biāo)具有任務(wù)和年齡主效應(yīng)（p＜0.05），未出現(xiàn)交互效應(yīng)，見表8。任務(wù)主效應(yīng)檢驗結(jié)果如圖4 所示，COP 指標(biāo)在閉眼條件下表現(xiàn)出較大的位移（p＜0.05）。年齡主效應(yīng)檢驗結(jié)果見表9，隨年齡增長，COP 位移整體上呈非線性減小趨勢。

圖4 外部干擾下不同感官條件的COP 指標(biāo)

表8 外部干擾下COP 指標(biāo)的主效應(yīng)及交互效應(yīng)檢驗結(jié)果

表9 外部干擾下COP 指標(biāo)的年齡主效應(yīng)檢驗結(jié)果（%BH）

2.2.2 預(yù)期和補償姿勢控制特征

APAs 強度和CPAs 強度具有任務(wù)和年齡主效應(yīng)（p＜0.05），未出現(xiàn)交互效應(yīng)，結(jié)果見表10。APAs 強度和CPAs 強度任務(wù)主效應(yīng)檢驗結(jié)果見表11，APAs 強度年齡主效應(yīng)檢驗結(jié)果見表12，CPAs 強度年齡主效應(yīng)檢結(jié)果見表13。

表10 落球試驗時肌肉APAs 強度和CPAs 強度的主效應(yīng)及交互效應(yīng)檢驗結(jié)果

表11 落球試驗肌肉APAs 和CPAs 強度的任務(wù)主效應(yīng)檢驗結(jié)果

表12 落球試驗時肌肉APAs 強度的年齡主效應(yīng)檢驗結(jié)果

表13 落球試驗時肌肉CPAs 強度的年齡主效應(yīng)檢驗結(jié)果

3 分析與討論

本研究的主要目的是探討內(nèi)外部干擾范式和年齡對兒童站立姿勢控制能力的影響，主要從COP 位移特征、預(yù)期性和補償性姿勢調(diào)節(jié)特征進行分析。

3.1 兒童站立姿勢控制的干擾效應(yīng)特征

姿勢控制能力往往采用COP 指標(biāo)反映，即COP指標(biāo)越小，人體穩(wěn)定性越好［11］。以往的研究發(fā)現(xiàn)，兒童姿勢控制能力隨年齡的增長而改善，2～4 歲兒童的COP 指標(biāo)往往有更多的運動位移和更快速的姿勢修正，而8～9 歲的兒童則表現(xiàn)出更少的位移和更精準的姿勢控制［12］。在干擾任務(wù)下，中樞神經(jīng)系統(tǒng)需要感覺信息的代償來平衡姿勢穩(wěn)定，以最低的能量消耗完成姿勢任務(wù)［13］，這種感覺信息代償策略在兒童早期階段并不成熟，而是在發(fā)育過程中逐漸發(fā)展完善［14］。有研究表明，7.5 歲以下的健康兒童在干擾環(huán)境下無法適應(yīng)他們的運動反應(yīng)［15］。因此，為了安全性考慮，筆者選取了兒童易于接受的快速舉臂和落球試驗進行研究。

兒童在2 種干擾范式下的COP 指標(biāo)均受到不同感官信息的影響。人體的姿勢控制系統(tǒng)主要采用視覺、前庭覺和本體感覺進行平衡調(diào)控，視覺系統(tǒng)能提供環(huán)境中頭部位置和相對位置定位信息，前庭系統(tǒng)能提供頭部的角速度、頭部平移的合力及重力加速度，本體感受系統(tǒng)能提供骨骼、肌肉和皮膚的感覺信息［16］。為了查明某一感官信息對姿勢穩(wěn)定的影響，往往采用信息阻斷的方式進行研究，例如，閉眼條件可研究視覺信息對身體擺動的影響［17］，干擾踝關(guān)節(jié)本體感覺可以反映本體感覺對姿勢控制的影響［1］147-152，而以同時閉眼和干擾踝關(guān)節(jié)的方式能反映前庭覺對姿勢控制的影響［18］。本研究借鑒了上述原理，采用閉眼、干擾踝關(guān)節(jié)及兩者同時出現(xiàn)的方式反映不同感官條件對身體穩(wěn)定性的影響。在內(nèi)部干擾下，閉眼振動站立時出現(xiàn)最大的COP 指標(biāo)，說明在此感官條件下身體位移出現(xiàn)最大晃動，而此時是前庭信息為主導(dǎo)的感官系統(tǒng)在維持平衡。因此，在內(nèi)部干擾下，兒童以前庭信息為主導(dǎo)的姿勢控制能力較弱，或者說，前庭系統(tǒng)在這個年齡階段還未發(fā)展成熟。Sa 等的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，前庭系統(tǒng)在9 歲時才能達到功能成熟［8］，為上述觀點提供了依據(jù)。在外部干擾下，2項閉眼測試都顯示出較大的COP 位移和速度，此時，視覺對兒童姿勢控制影響較大。對比2 種干擾范式，可以發(fā)現(xiàn)：睜眼站立和睜眼振動在內(nèi)部干擾下無顯著性差異，說明本體感覺對內(nèi)部干擾無顯著作用，前庭覺對內(nèi)部干擾的作用較大；而閉眼站立和閉眼振動在外部干擾下無顯著差異，說明前庭覺對外部干擾無顯著作用，視覺對外部干擾的作用較大。

當(dāng)姿勢平衡受到干擾時，無論是內(nèi)部干擾還是外部干擾，中樞神經(jīng)系統(tǒng)都會使用2 種主要的姿勢調(diào)節(jié)方式，分別為APAs 和CPAs。APAs 由前饋控制驅(qū)動，其目的是提前減少干擾對姿勢平衡的不利影響［19］，并且在嬰兒出生后的第1 年就出現(xiàn)了［20］，2～4 歲的兒童在舉起物體過程中能夠表現(xiàn)出對重量的預(yù)期［21］。CPAs由反饋控制調(diào)節(jié)，處理擾動本身需要將姿勢肌肉激活和使運動策略形成耦合，以在身體擾動發(fā)生后恢復(fù)姿勢平衡。與CPAs 相比，APAs 具有更重要的生理意義，它能夠診斷腦發(fā)育疾病患兒、發(fā)育性協(xié)調(diào)障礙兒童及腦癱患兒［22］。

在本文的干擾范式下，三角肌中束、肱三頭肌為動作肌，主要用來完成動作，而腹肌、豎脊肌、脛骨前肌和外側(cè)腓腸肌為姿勢肌，主要用來調(diào)節(jié)姿勢的穩(wěn)定性。在內(nèi)部干擾時，動作肌在以前庭信息為主要感官條件下出現(xiàn)較大的APAs，原因是肱三頭肌提前激活為了防止肩關(guān)節(jié)過度屈曲，以及維持肩關(guān)節(jié)穩(wěn)定，而姿勢肌在此感官條件下出現(xiàn)了最小值，說明CPAs 強度與APAs 強度出現(xiàn)了一致性規(guī)律。在外部干擾時，腹肌在本體感覺為主導(dǎo)的感官條件下出現(xiàn)最大的APAs強度，而外側(cè)腓腸肌在以視覺信息為主導(dǎo)的感官條件下出現(xiàn)了最大值。

3.2 兒童站立姿勢控制的年齡特征

COP 位移的年齡特征在內(nèi)外部干擾下均呈現(xiàn)減小趨勢。需要注意的是，這種減小趨勢是非線性的，也就是說在相鄰年齡組之間出現(xiàn)一定程度的增長和減小。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因主要有2 個：1）兒童早期是動作發(fā)展的高峰期和敏感期［23］，動作的學(xué)習(xí)過程本身就存在反復(fù)的特性；2）4～6 歲是兒童身體不成比例的生長階段［1］171-173，當(dāng)身高發(fā)生的改變超出了姿勢控制系統(tǒng)穩(wěn)定時，身體就會經(jīng)歷一段不穩(wěn)定的過渡期，之后再達到更高一層的穩(wěn)定平臺期。

無論是在內(nèi)部干擾還是外部干擾下，APAs 強度和CPAs 強度均呈現(xiàn)隨年齡增長的線性發(fā)展趨勢。在內(nèi)部干擾下，6 歲以上各組之間的姿勢調(diào)節(jié)模式不具有顯著性差異，在6 歲以上出現(xiàn)一個明顯的差異，也就是說，兒童在上小學(xué)以后，預(yù)期性姿勢調(diào)節(jié)能力會出現(xiàn)大幅度的提高，補償性姿勢調(diào)節(jié)能力變化與其出現(xiàn)一致性規(guī)律。在外部干擾下，APAs 強度呈現(xiàn)隨年齡增長的線性增大趨勢，而CPAs 強度呈現(xiàn)隨年齡增長而減小的線性發(fā)展趨勢。有研究顯示，外部干擾下的APAs 強度和CPAs 強度的互補方式表現(xiàn)為成熟的姿勢控制調(diào)節(jié)方式［24］，說明在本研究設(shè)置的外部干擾范式下3～8 歲兒童的姿勢控制方式趨于成熟。

APAs 涉及復(fù)雜的腦功能網(wǎng)絡(luò)，分別是帶狀蓋網(wǎng)絡(luò)、額頂葉網(wǎng)絡(luò)和體感-運動網(wǎng)絡(luò)。發(fā)育成熟的APAs的帶狀蓋網(wǎng)絡(luò)和體感-運動網(wǎng)絡(luò)之間的信息交流呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，而未發(fā)育成熟的APAs 難以將有關(guān)的信號轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)倪\動命令，將其轉(zhuǎn)化為動作激活模式的能力要更晚一些，在兒童后期仍有發(fā)展的空間［25］。Dosenbach 等［26-27］的研究表明，在執(zhí)行任務(wù)時，帶狀蓋網(wǎng)絡(luò)和額頂葉網(wǎng)絡(luò)實施自上而下地控制，整合了傳入反饋信號和基于內(nèi)部狀態(tài)（例如來自以往經(jīng)驗、期望、目標(biāo)等）的動作執(zhí)行策略。有證據(jù)表明，這2 個網(wǎng)絡(luò)在生命的第1 年就已經(jīng)起了作用［28］，并在兒童成長后期（7～9 歲）達到相對成熟的狀態(tài)［29］。本研究發(fā)現(xiàn)，不管是內(nèi)部干擾還是外部干擾范式，APAs 強度均呈現(xiàn)隨年齡增長的線性發(fā)展趨勢，但何時發(fā)育成熟，需要進一步分析成年人數(shù)據(jù)才能得出，未來的研究可以增加成年人相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析。

4 結(jié)論

3～8 歲兒童的姿勢控制能力受到不同干擾條件和年齡的影響。其中：前庭覺受內(nèi)部干擾較大，而本體感覺較小，在內(nèi)部干擾下，姿勢穩(wěn)定需要動作肌和姿勢肌的共同調(diào)節(jié)。視覺受外部干擾較大，而前庭覺受外部干擾較小，在外部干擾下，僅有姿勢肌對姿勢進行穩(wěn)定調(diào)節(jié)，二者的內(nèi)在肌肉調(diào)控方式存在差異。隨著年齡增長，姿勢控制能力出現(xiàn)非線性提高的發(fā)展趨勢，外部干擾范式下會出現(xiàn)較成熟的肌肉預(yù)期和補償調(diào)節(jié)模式。