前后方向水平姿勢擾動對人體站立平衡響應的影響

溫子星，祁奇,2，危小焰，瞿強，李劍華，朱勝群

姿勢穩定性也可稱為平衡能力，是人體進行一切身體活動的基礎。從力學角度來講，姿勢穩定性指的是控制身體質心(Center of Mass, CoM)與支撐面(Boundary of Stability, BoS)位置關系的能力[1]，當身體質心投影位于支撐面范圍內，可通過自身的調節來控制穩定性，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，并將有跌倒的可能[2]。研究中，通常會模仿生活中的一些情景[3-4]，例如使用站立平臺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]，測試姿勢控制過程中各關節的運動[6]及相關肌肉的動員情況[7]。但前人關注點更多集中于不同干擾條件對人體姿勢調節過程影響的研究，如干擾強度的不同、控制受試者某種感覺信息的傳入等[8]。而對人體受到前、后方向水平干擾刺激后，姿勢穩定性控制過程還缺少整體的描述性分析，對于相關肌肉的動員及肌群間的協調控制還缺少相關研究，以此，本文將在前人研究基礎上，對人體在受到前、后兩個方向擾動后的平衡反應進行描述分析，試圖發現并解釋兩方向水平干擾刺激對平衡恢復過程中的運動模式以及主要肌肉動員情況是否存在差異，為今后姿勢穩定性的進一步細化研究奠定基礎，為平衡障礙人群的康復提供理論指導。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2016年5月～2016年6月上海體育學院男性在校大學生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，要求受試者無神經系統疾病，無肌肉骨骼損傷，并要求實驗前24h內未進行劇烈體力活動，實驗前告知受試者本實驗研究目的，并簽署知情同意書。

1.2 方法 水平擾動的產生使用自制水平擾動平臺(如圖1所示)，根據任務的需要可產生站立平臺前移、后移兩個方向及不同強度的擾動，為統一擾動強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，站立平臺的位移速度為：前移0.43m/s，后移0.38m/s，強度設施參考相關研究及預實驗結果[9]。本研究中同步采集受試者姿勢控制過程中的運動學及肌電數據。運動學數據的采集使用VICON三維紅外運動捕捉與分析系統，采樣頻率100Hz。肌電數據的采集使用Delsys無線肌電采集與分析系統，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、腓腸肌內側頭、腓腸肌外側頭七塊肌肉，采集受試者優勢腿側肌電信號，優勢腿判斷方法為受試者單腳起跳時習慣性發力側。所有受試者均進行站立平臺前移和后移兩個方向擾動下的平衡擾動測試，受試者以自然姿勢站立在擾動平臺上，雙上肢自然放于身體兩側，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，在每一次測試時，研究人員在受試者無意識情況下釋放重錘，使站立平臺出現突然的水平移動，擾動發生后，要求受試者快速做出反應，進行身體姿勢的控制及平衡的恢復，并要求受試者在實驗過程中雙腳不能離開平臺，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，但不影響受試者的正常活動。

1.3 評定標準 運動學數據使用Visual3D分析軟件進行處理分析，對原始信號進行6Hz的Butterworth低通濾波處理，計算得出本研究所需的運動學數據：CoM在前后方向的位移，踝關節、膝關節、髖關節及軀干在矢狀面內的角度變化。肌電數據的處理使用sEMG works信號采集分析軟件進 行 處 理 分 析，對 原 始 信 號 進 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間，即從擾動開始至肌肉激活時刻的時間，激活時刻的定義為：肌電幅值變化大于兩倍靜止站立肌電幅值標準差值的時刻，靜止站立肌電信號為擾動開始前受試者靜止站立時的肌電信號1s[11]。

圖1 自制水平方向干擾裝置示意圖

2 結果

當人體分別受到站立平臺前、后方向突然移動的擾動時，CoM的位置表現出相反的位移方向，由圖2可以看出，當人體受到站立平臺后移的擾動時，CoM會向人體前方移動，而當人體受到站立平臺前移的擾動時，CoM會移向后方。踝關節、髖關節及軀干在姿勢控制過程中的角度變化也表現出了與CoM移動方向相似的結果，如表1所示，各關節在被動運動階段表現出了方向相反的角度變化，在受到站立平臺后移的擾動時，踝關節表現為跖屈、髖關節屈和軀干前傾，而受到站立前移的擾動時，表現為踝關節背屈、髖關節伸和軀干后仰。

圖2 CoM位置變化示意圖

站立平臺后移站立平臺前移踝關節-11．02±7．2815．55±2．77髖關節16．89±11．37-4．53±2．24軀干 25．75±16．83-15．29±7．78

注：踝關節數據中負值表示踝關節背屈，正值表示踝關節跖屈；髖關節數據中正值表示髖關節屈，負值表示髖關節伸；軀干數據中正值表示軀干前傾，負值表示軀干后仰

表2和表3分別表示了擾動發生后200ms內主要肌肉的平均積分肌電值，以及受試者在受到兩個方向的擾動后各肌肉激活時間。站立平臺后移時，腓腸肌的動員強度顯著大于站立平臺前移時(均P<0.05)，而股直肌、脛骨前肌和腰段豎脊肌的肌電活動則表現為站立平臺前移時顯著較大(均P<0.05)。對于肌肉激活時間的分析發現，站立平臺后移時腹直肌激活時間顯著早于前移擾動時(P<0.05)，而豎脊肌則表現為站立平臺前移時激活時間顯著較早(P<0.05)。其他肌肉的激活時間對比，差異均無統計學意義。

肌肉站立平臺后移站立平臺前移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腓腸肌內側頭17．66±12．418．22±7．94-3．060．02腓腸肌外側頭11．16±7．234．86±2．91-2．590．01

肌肉站立平臺后移站立平臺前移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腓腸肌內側頭43．1±24．863．0±79．9-0．6220．534腓腸肌外側頭49．6±18．248．8±29．60．0001

3 討論

平衡姿勢在受到外力的干擾時，為了防止跌倒的發生，機體會通過自動的姿勢響應來進行穩定性的控制及平衡的恢復，中樞神經系統可以通過前庭覺、視覺、軀體感覺等信息的傳入進行整合，并判斷出擾動的類型、方向及擾動強度等信息，根據此，調節肌肉的動員[12]，通過環節的運動來控制身體質心的移動，將人體質心投影保持在支撐面范圍內[13]。

3.1 CoM位移方向對姿勢控制策略的影響 人體平衡控制最終將會體現在身體質心的偏移上[14]，即CoM與支撐面的關系決定了人體是否會出現跌倒，控制CoM的偏移是人體進行站立姿勢控制的首要目標[15]，當人體受到站立平臺前移的擾動時，腳會隨著平臺的移動而發生被動移動，由于慣性作用，以踝關節為軸，身體其他部位會有停留著原位置的趨勢，使得質心移向支撐面的后方，同樣，當人體受到站立平臺后移的擾動時，身體質心會移向身體的前方[16]，本研究結果也證實了此觀點。CoM位置偏移方向的不同也決定了人體在平衡姿勢的控制及平衡恢復過程中將會使用不同的姿勢控制策略。

3.2 各關節的運動學表現 人體的平衡控制過程即通過各關節的轉動使質心重新回到平衡位置，外部干擾方向的不同也決定了姿勢控制過程中各關節運動方向的差異，并表現出不同的運動模式[17]。當站立平臺后移時，被動運動階段，踝關節運動表現為背屈，髖關節為伸，軀干為后仰；而當站立平臺前移時，各關節表現出相反的轉動方向。各關節被動運動方向的差異也造成了主動運動階段各關節主動控制策略的不同，在受到站立面后移干擾時，為控制踝關節的被動背屈、髖關節被動伸及軀干的被動后仰，將出現踝關節主動跖屈、髖關節主動屈、軀干主動前傾的趨勢，在站立面前移時，各關節的運動方向則相反，說明在人體受到方向不同的外部干擾刺激時，為了維持平衡狀態，關節運動模式并不相同，在平衡障礙人群的康復訓練過程中，僅進行單一方式的訓練，并不能全面促進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揮了重要的作用[18]，軀干質量在人體總質量中占很大比重，軀干的位置在很大程度上影響了CoM的偏移，在受到擾動后，由于慣性作用，軀干有停留在原位置的趨勢，即受到站立平臺前移擾動時，軀干會留在支撐面后方，站立平臺后移擾動時，會留在支撐面前方，結合CoM位置變化，可以看出軀干的位置是導致CoM偏移的重要原因，故通過相關肌肉的動員及時控制軀干的運動可以減小CoM的偏移，增加姿勢穩定性。

3.3 肌肉動員情況 中樞神經系統通過相關肌群的協調動員來控制各關節的運動[19]，通過對姿勢控制過程中主要肌肉的肌電信號的采集分析，有助于發現神經控制方面的一些信息[20-21]，肌肉動員的作用主要為控制由于站立平臺移動帶來的關節轉動，以擾動平臺后移時踝關節運動為例，在擾動發生時，腳會隨著平臺的移關節轉動，這時由于踝關節周圍肌肉還未收縮緊張，踝關節產生背屈，腓腸肌受到牽拉被激活，以此來控制踝關節的進一步背屈。而當人體受到的外部擾動方向不同時，各關節被動運動方向的不同也導致了姿勢控制過程中主要動員肌肉的不同，同樣以踝關節為例，本研究結果顯示，站立面后移時，腓腸肌動員程度顯著大于脛骨前肌，而站立面前移時，則表現為脛骨前肌的動員程度顯著較大，也證實了以上的理論推斷。

相關肌群間的協調性在姿勢控制中具有重要的作用[22]，本研究中由肌肉激活時間可以看出，下肢三關節主要肌肉的激活時間并無統計學差異，即主動肌與拮抗肌幾乎同時激活，以踝關節為例，腓腸肌的動員可以控制踝關節的背屈，但腓腸肌持續收縮導致踝關節過度跖屈，過度的跖屈會導致人體的再次失衡，而脛骨前肌的動員可以有效地控制踝關節的過度跖屈，即腓腸肌與脛骨前肌的協調配合可以更加的高效地進行姿勢穩定性的控制。人體在受到不同方向的平衡擾動后，姿勢控制過程表現出不同的肌肉募集方式及關節運動模式，中樞神經系統會根據不同方向擾動自動調節人體的響應，通過協調主動肌與拮抗強度的活動，控制人體各主要環節的運動，從而將人體質心控制在支撐面內，維持機體的穩定。這提示我們，在進行由肌力不足或活動度受限導致的平衡障礙患者康復過程中，可以根據具體問題進行有針對性的康復訓練，并根據病情指導患者進行日常生活中的跌倒預防。

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