最大重心-壓力中心傾角法評估不同年齡人群靜態平衡的研究

王尹芝，顧冬云，戴尅戎

最大重心-壓力中心傾角法評估不同年齡人群靜態平衡的研究

王尹芝1，顧冬云2，戴尅戎1

目的 應用最大重心-壓力中心傾角法比較青、中、老年人群靜態平衡能力差異及特征。方法 使用三維運動捕捉系統及測力臺，采集15名青年人(18～40歲)、10名中年人(41～65歲)及12名老年人(＞65歲)在睜眼雙足站立、閉眼雙足站立、睜眼單足站立及閉眼單足站立4種狀態下的重心及壓力中心數據，計算其在矢、冠狀面上的重心-壓力中心傾角，以各組平均峰值進行統計分析。結果 在睜眼雙足站立及閉眼單、雙足站立3種狀態下，不同年齡段人群在矢、冠狀面的傾角均無顯著性差異(P＞0.05)；而在睜眼單足站立時，青、中年組與老年組間，在矢、冠狀面的傾角均有顯著性差異(P＜0.05)。結論 睜眼單足站立下的最大重心-壓力中心傾角可以敏感地檢測出老年人群的平衡功能衰退，有望為臨床靜態平衡提供一種新的靜態平衡評估指標。

靜態平衡；重心；壓力中心；傾角

[本文著錄格式] 王尹芝，顧冬云，戴尅戎.最大重心-壓力中心傾角法評估不同年齡人群靜態平衡的研究[J].中國康復理論與實踐,2015,21(8):967-973.

CITED AS:Wang YZ,Gu DY,Dai KR.Static balance evaluated bymaximum angle of center ofmass-center of pressure in people of differentages[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2015,21(8):967-973.

靜態平衡是姿勢控制能力的重要機能，隨年齡的增長平衡功能衰退[1-3]，是老年跌倒風險升高的重要內因之一。平衡能力受損或下降所導致的摔倒，是中老年人致死或致殘的一大主因[4-5]。

現階段國內外在臨床上對人體靜態平衡的評估多采用量表評定法，如單足直立時間評估法及加強Romberg檢查法，但這些方法都存在一個共同的問題，即難以進行精確的量化，過于粗略，判斷也存在一定的主觀影響，且當量表評估項目過多時，在實際操作中較為繁瑣[6-7]。相比量表法，使用數字化的動態捕捉系統記錄人體重心與壓力中心，能將結果更為準確地進行量化，并且能排除記錄者的主觀影響，使得到的結果更為客觀[1,8-9]。

應用重心(center ofmass,COM)及壓力中心(centerof pressure,COP)參數評估人體靜態平衡的原理為：當人體平衡被干擾時，人體控制系統提供一系列的反應和前饋校正，通過肌肉骨骼系統，不斷保持重心的軌跡靠近壓力中心[10]。COM-COP參數既往的具體評估指標有：①重心及壓力中心軌跡包絡面積，即人體重心動搖軌跡所覆蓋的區域面積，其能夠反映人體在保持平衡時重心的搖擺程度，即反映人體平衡障礙的程度，但其缺點是計算較為復雜；②COM-COP分離距離即重心和壓力中心同一時刻在水平面位置的分離距離，它與重心水平加速度具相關性，反映了靜態平衡控制系統的 “誤差”。人體COM-COP分離距離與人體身高參數有關，其結果為個體身高差異所影響，相同平衡能力的高矮兩人，身材高者COM-COP分離距離大，易被誤認為晃動幅度大[10]。見圖1。

圖1 身高對COM-COP分離距離的影響

因此本研究采用COM-COP傾角評估法。過去運用COM-COP傾角法的實驗尚少，目前該方法在國內還未被使用。計算重心與壓力中心在矢狀面及冠狀面上的傾角評估平衡能力，不僅能夠避免身材高者COM-COP分離距離大所帶來的誤差[11]，還能將結果進行歸一化處理。本實驗計算人體在不同站立狀態維持平衡時的最大COM-COP傾角，以比較評估上海地區青、中、老年人群靜態平衡能力的差異，并計算不同年齡人群靜態平衡時的重心及壓力中心軌跡包絡面積結果，并比較。

1 對象與方法

1.1 研究對象

2013年3月～2014年12月，于上海交大徐匯校區招募的無特殊心腦血管及骨科疾病的不同年齡志愿者共37名，包括在校生、校工、校務工作者和退休教師等。其中男性17名，女性20名。

排除標準：①體質過敏；②嚴重心血管、肺、肝、腎和造血系統疾病、精神病、自制力差、語言或智力障礙；③其他疾病可能禁忌運動練習。

受試者確認自愿參加實驗并知情實驗內容，簽署知情同意書，且根據實驗要求做好準備工作。實驗過程由專人完成，嚴格按照實驗要求進行實驗，完成實驗內容。

按年齡分組。青年組(n=15)：18～40歲，平均年齡(23.3±1.6)歲，平均身高(1.68±0.09)m，平均體重(60.37±11.7)kg。中年組(n=10)：41～65歲，平均年齡(52.1±2.3)歲，平均身高(1.65±0.09)m，平均體重(66.43±12.691)kg。老年組(n=12)：＞65歲，平均年齡(74.8±3.3)歲，平均身高(1.58±0.08)m，平均體重(61.82±9.98)kg。

1.2 實驗器材

實驗場地為交通大學數字醫學教育部工程研究中心三維步態實驗室。設備為VICON T40三維運動捕捉系統(英國VICON公司生產，100Hz)，該系統包括10 個400萬像素的紅外攝像頭和一個高速攝像頭，39個熒光反射標記點(直徑14mm)一套，兩塊平行放置的測力平臺(AMTIOR6-7-1000 specifications,463.6508 mm,1000 Hz)，以及裝載配套的Vicon Nexus 1.7.1軟件電腦一臺(Dell Inspiron 560)。

1.3 實驗方法

受試者均穿緊身運動衣褲，赤足，由專業人員依據VICON Plug-in-Gait標準，將39個熒光反射標記點貼于骨性標志上，在三維運動學采集實驗室內使用VICON T40三維運動捕捉系統采集其重心以及壓力中心數據。具體粘貼熒光反射標記點的骨性標志見表1。

表1 粘貼熒光反射標記點的骨性標志點

1.3.1 實驗內容

受試者粘貼熒光反射標記點后，于試驗場地中以不同站立狀態維持平衡。

①睜眼雙足站立(naturalstanding,NS)：受試者雙手自然下垂，目視前方，兩足同時踩在一塊測力臺上。

②閉眼雙足站立(close eyesstanding,CS)：受試者雙手自然下垂，閉眼，兩足同時踩在一塊測力臺上。

③睜眼單足站立(single leg standing,SS)：受試者雙手自然下垂，目視前方，自選一條足單足站立，抬起的那只足可以抬高或者放低，但不能與支撐足接觸。

④閉眼單足站立(single leg standing with eyes closed,CSS)：受試者雙手自然下垂，閉眼，自選一條足單足站立，另抬起的那只足可以抬高或者放低，但不能與支撐足接觸。

每種站立狀態測試時間為30 s，重復測量3次，每次測量之間休息30 s，供受試者恢復體力。整個實驗過程中，受試者接觸測力臺的支撐足不允許移動或離開測力臺。

1.3.2 數據與處理計算方法

COM-COP傾角的定義為同一時刻重心和壓力中心連線與壓力中心在冠狀面及矢狀面的垂直線之間的夾角，分別記為θ1與θ2。見圖2。

圖2 COM-COP傾角在冠狀面及矢狀面上示意圖

使用三維運動捕捉軟件Vicon Nexus1.7.1直接取得受試者重心及壓力中心數據[8]，并由軟件計算得到受試者在各種站立狀態下的軌跡包絡面積與每個時刻的COM-COP傾角。

各組每個受試者有4種站立狀態(睜眼雙足站立、閉眼雙足站立、睜眼單足站立及閉眼單足站立)，4種站立狀態各自重復3次，一次記錄30 s，每秒100幀，一次站立得到3000個θ1、θ2傾角數據及1組包絡面積數據，傾角數據取其峰值。每種狀態共站立3次，即得到3個傾角峰值及3組包絡面積數據，傾角取其平均峰值進行統計分析[10]；包絡面積取其均值進行統計分析。根據以上的方法處理每個受試者實驗數據。

1.4 統計學分析

2 結果

2.1 COM-COP傾角

本實驗在測試三組于各種站立狀態下維持姿勢平衡時發現，在3種狀態下(睜眼雙足站立、閉眼雙足站立、閉眼單足站立)，不同年齡段人群在矢、冠狀面的COM-COP傾角無顯著性差異(P＞0.05)。在睜眼單足站立時，青、老年組之間及中、老年組之間，在矢、冠狀面，最大COM-COP傾角有顯著性差異(P＜0.05)；青年組與中年組之間則無顯著性差異(P＞0.05)。見圖3～圖4。

圖3 三組于各種站立狀態下冠狀面COM-COP傾角

圖4 三組于各種站立狀態下矢狀面COM-COP傾角

不考慮年齡因素，在睜眼狀態下，維持單足站立及雙足站立時，冠狀面最大COM-COP傾角有非常高度顯著性差異(P＜0.001)；在雙足站立姿勢時，睜眼與閉眼狀態之間則無顯著性差異(P＞0.05)。見表2。

表2 不同站立狀態下冠狀面COM-COP傾角(°)

2.2 重心、壓力軌跡包絡面積

各組重心軌跡包絡面積在各種站立狀態下均無顯著性差異(P＞0.05)；而壓力中心軌跡包絡面積僅在睜眼單足站立時，在青/老年組、中/老年組之間有顯著性差異(P＜0.05)，在青/中年組之間無顯著性差異(P＞0.05)。見表3～表4。

表3 不同站立狀態下重心軌跡包絡面積(cm2)

表4 不同站立狀態下壓力中心軌跡包絡面積(cm2)

2.3 閉眼單足站立維持時間

實驗還發現，閉眼單足站立時，全體老年組閉眼單足站立的維持時間少于20 s，提示閉眼單足站立測試對大部分老年志愿來說較為困難。見表5。

表5 三組閉眼單足站立維持時間的人數百分比(%)

3 討論

靜態平衡是人體一項重要的功能，其維持依靠視覺、前庭和本體感覺等共同作用，隨年齡增長，功能逐漸下降[12]。許多研究提示，老年人群的平衡能力較青年人群衰退、下降是導致老年人跌倒以致殘、死亡的原因[13]。本研究顯示，老年組與青、中年組相比，維持靜態平衡的能力有所下降。

當大部分實驗關注于老年人時，作為銜接青、老年的時段，中年人被指出也承受高跌倒風險，但目前只有少數關于中年人平衡能力的研究。相較老年人，中年人群逐漸表現出生理上的改變和靜態穩定性下降。在既往的研究中，中老年受試者在平衡測試中表現出相似的軀干角擺動，提示中年人也應該注意調整自身以適應更嚴峻的機體老化[14-15]。但在本實驗中，并沒有發現中年與青年人群之間在平衡能力上的統計學差異，提示平衡能力的明顯下降可能開始于中年以后。

本研究評估年齡對平衡能力的影響，比較最大COM-COP傾角，結果顯示，在閉眼時，無論是雙足還是單足站立，三組均無顯著性差異；在睜眼時，雙足站立三組無顯著性差異，而單足站立時，青、老年組之間，中、老年組之間，在矢狀面及冠狀面，最大COM-COP傾角均有顯著性差異(P＜0.05)。提示睜眼單足站立情況下，老年人群的穩定性較青、中年人群差。而青中年人群之間無顯著性差異提示，相較于青年人群，中年人群的平衡能力下降可能不如老年人群明顯。

在睜眼視覺輔助下，老年人與中、青年人之間，在雙足站立時，最大COM-COP傾角無顯著性差異；而在單足站立時，老年組的平均最大COM-COP傾角比青、中年組大(P＜0.05)。說明當老年人維持單足靜態平衡時，其軀干搖晃幅度比青、中年人大，平衡不如青、中年人群穩定。壓力中心軌跡包絡面積的結果也反映了只有在單足站立的情況下，青、老年之間，中、老年之間有顯著性差異。

老年人維持單足靜態平衡不如青、中年人群穩定，可能與年齡增加導致的前庭及本體感覺退化、骨骼系統功能下降，下肢肌肉力量下降而導致肌肉與關節功能減弱、移動功能下降等影響因素相關[16-17]。

實驗結果也顯示，所有受試者在維持雙足站立時，睜眼與閉眼下的最大COM-COP傾角無顯著性差異；而同樣睜眼狀態下，維持雙足站立和單足站立姿勢時的最大COM-COP傾角則有顯著性差異。提示在非視覺影響下，前庭感覺、本體感覺及下肢肌肉的強度及控制能力在維持平衡中也十分重要[18-19]。

在閉眼條件下，無論是單足還是雙足站立，青、中、老三各組之間在各方向維持靜態平衡時的平均最大COM-COP傾角均無顯著性差異，可能與去除視覺條件導致的平衡能力下降影響較大相關。

人體的靜態平衡由多方面共同維系，但主要依賴于視覺、前庭和本體感覺[2]。過去有研究顯示，視覺代償無論于老年人或是青年人、健康人或患者，在維持平衡方面中都十分重要[20]，視覺能于人體完成較為困難的動作時，提供從環境至自身位置等重要信息[21-23]。除去視覺輔助導致的平衡能力下降過大，以及閉目單腿站立動作的困難程度，也許是三組年齡段人群在閉目單足站立時的最大COM-COP傾角在統計學上沒有差異的原因。

在本研究中發現，睜眼單足站立下，老年組與青、中年組的COM-COP傾角有顯著性差異。提示老年人的平衡能力較青、中年人群有顯著性下降，壓力中心軌跡包絡面積的結果也支持該結論。然而比較最大COM-COP傾角的睜眼單足站立測試是否能作為一個較精確、直觀區分平衡能力的評估指標？當前臨床上尚無統一評定人體平衡能力的評估指標，既往臨床上常使用量表及閉眼單足站立時間測試，量表法雖然避免了儀器等要求，但是在評判尚較主觀，且當評判項目過多時操作也較為繁復。本研究中也發現，閉眼單足站立對大部分志愿來說相對困難，并且對老年受試者來說有一定危險性，測試閉眼單足站立時間得出的結果個體差異大，不建議作為臨床指標。

單足站立下比較最大COM-COP傾角尚不是一個用來評估平衡能力、預測跌倒的指標，但在許多研究靜態平衡的實驗中可以發現，單足站立測試被使用的歷史較久，并有許多研究提示其能更簡便及準確地評估老年人的平衡能力。

Wood等使用WOMAC(The Western Ontario and M cMaster Universities Arthritis Index)對單足站立時的情況評分，發現可以以簡單的測試區分出社區中有膝關節疼痛的老年人[24]。Chang等也在使用靜態平衡研究老年人跌倒的實驗及隨訪結果中發現，健康老年組與跌倒老年組單足站立的壓力中心軌跡有顯著性差異，單足站立時間小于平均單足站立時間的老年人跌倒的風險更大，也說明使用單足站立測試能更準確地預測老年人的跌倒危險[25]。

以往閉眼單足站立作為反映肌力與平衡能力的測試方法，在中國被作為評價成年人和老年人平衡能力的重要素質指標，有大量的測試工作；但由于測試中部分受試者會出現不能閉眼單足站立，或者站立時間過短，對于這一類人群，很難進一步區分其平衡能力；而睜眼單足站立增加了視覺補充，部分彌補平衡能力，其結果能較好地區分平衡能力[26]，從而避免動作難度過高而導致的差異無顯著性。

本研究中只比較不同年齡人靜態平衡時的平衡能力，尚不能全面地說明問題，今后還應加入動態平衡的評估。

既往調查指出，減少老年人摔倒要以預防為主。尋找可靠簡便的平衡評估指標能夠較好地幫助區別出失衡老年人群，為預防老年人群跌倒起到指導預測的作用。比較最大COM-COP傾角的單足站立測試是否能作為一個更直觀簡便的檢測目前尚待研究。實驗中發現，應用最大COM-COP傾角法可以精確地評估不同年齡段人群的靜態平衡特征，單足站立下的最大COM-COP傾角可以敏感地檢測出老年人群的平衡功能衰退。

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Static Balance Evaluated by M aximum Angle of Center ofM ass-Center of Pressure in People of DifferentAges

WANG Yin-zhi1,GU Dong-yun2,DAIKe-rong1
1.The Ninth People's Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200011,China;2. Shanghai Jiaotong University,Shanghai200030,China

Objective To compare the difference of static balance ability in differentaged people,with themaximum angle of center of mass(COM)and center of pressure(COP).Methods 37 healthy people without cardiovascular and cerebrovascular diseases including 15 young people(18～40 years old),10middle age people(41～65 years old)and 12 old people(＞65 years old)participated in this study.The maximum angle of COM-COPand the corresponding envelope areaswere recorded in 4 standing posture:naturalstanding,close eyes standing,single leg standing and single leg standing with eyes closed.Results There was no significant difference in themaximum angle of COM-COPamong 3 groups in 3 states(nature standing,close eyes standing,single leg standing with eyes closed)(P＞0.05),but therewas significantdifference in the state of single leg standing(P＜0.05)between the young and the old,and them iddle-aged and the old.Conclusion Themaximum angle of COM-COPin the stateof single leg standing can sensitively detect the deterioration of stability of older people. Itmay beanew index of static balance in clinic.

static balance;centerofmass;centerof pressure;angle

10.3969/j.issn.1006-9771.2015.08.020

R493

A

1006-9771(2015)08-0967-07

2015-02-02

2015-05-11)

1.國家自然科學基金項目(No.31170901)；2.上海市科學技術委員會科研計劃項目(No.13441902900)。

1.上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院骨科，上海市200011；2.上海交通大學生物醫學工程學院，數字醫學臨床轉化教育部工程研究中心，Med-X研究所，上海市200030。作者簡介：王尹芝(1988-)，女，漢族，臺灣高雄市人，碩士，醫師，主要研究方向：重心-壓力中心傾角法評估不同年齡人群靜態平衡能力。