3～6 歲幼兒單腿站立姿勢控制的動作發展特征

趙盼超，文蕊香，李嘉慧，梁 曉，姜桂萍，紀仲秋

人體姿勢控制能力是通過中樞神經系統 (CNS)整合視覺、本體感覺、前庭覺的多感官信息來維持身體重心在合理范圍內移動，從而保持身體穩定的能力［1］。單腿站立測試是評估姿勢控制能力常用且有效的方法，在《M-ABC 量表》中，單腿站立時長作為檢測靜態平衡能力的指標，可以精確地篩選出平衡能力發育障礙的幼兒［2］。一項馬蹄內翻足的研究表明，單腿站立測試可以有效評估骨嚴重受損幼兒的平衡能力［3］。長期單腿站立訓練能夠提高幼兒的平衡能力和姿勢控制能力［4］，很多研究將其作為姿勢控制障礙疾病的治療方案，例如：腦卒中［5］、髖關節疾病［6］等。還有研究表明，單腿站立時重心控制能力對于獨立行走十分重要［7］。單腿站立動作不僅與姿勢控制能力的發展密切相關，也是幼兒階段必須掌握的基本動作技能，如果幼兒沒有掌握好基礎的動作技能，在成年期完成復雜動作的能力將會降低［8］194-196，這就說明對該動作發展的研究十分必要。Condon 等［9］的研究提出，單腿站立動作的發展會隨年齡的增長而顯著提高，到10 歲左右才接近成人水平。目前的研究中，足底壓力中心相關指標作為評價姿勢穩定性的“金標準”［10］，很多學者對其展開了研究，但幾乎沒有人對單腿站立動作技能的發展階段進行劃分，而該研究可以清晰描述動作特征，發現動作成熟時間，進而促進動作發展。因此，本文利用定性分析和定量分析相結合的方法探討年齡、動作發展階段、性別對單腿站立動作中關節角度和下肢肌力的影響，采用回歸方程篩選出對該動作產生影響的運動學指標，以揭示3-6 歲幼兒單腿站立姿勢控制能力的發展規律并提出合理化建議。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本實驗在北京市2 所一級一類幼兒園中進行，分別在大、中、小班隨機抽取幼兒共135 人（男生為68人、女生為67 人）。按年齡將幼兒分為3 歲組(3≤X＜4)、4 歲組(4≤X＜5)、5 歲組(5≤X＜6)和 6 歲組(6≤X＜7)，受試者年齡＝測試當天的日期－出生日期。納入標準為：有良好的理解能力，身體健康，沒有身體發育障礙和認知功能障礙疾病，無骨骼肌肉協調性疾病，運動能力正常。實驗前向受試父母詳細解釋并簽署知情同意書。實驗已通過北京師范大學倫理委員會的審批(201910210061)。

1.2 測試方法

1.2.1 測試工具

采用 BTS（Elite，BioengineeringTechnologyand Systems,Milano,SMART DX 700,Italy）紅外動作捕捉系統采集運動學數據，系統中8 個攝像頭和Vixta 數字錄像機的拍攝頻率均為100 Hz，分辨率為640 dpi×480 dpi。測試在Kistler 三維測力臺（KISTLER 公司，瑞士，型號：kistler928E）上進行，尺寸為0.6 m×0.4 m×0.2 m，采樣頻率為250 Hz，靜態檢測誤差小于0.5%，BTS 系統具有良好的可靠性和有效性［11］。

選用“Anybody 7.0”(AnyBody Technology 公司，德國)軟件建立幼兒個性化的仿真模型，按照Anybody 人體標準下肢模型粘貼Marker 點，位置見表1。

表1 Marker 點位置

1.2.2 測試程序

Kistler 三維測力臺放置場地中心，周圍環形放置8 個紅外攝像頭，三維測力臺和動作捕捉系統同步采集數據。測試前使用三維標定框架對測試場地進行掃描，排除其他反光標志物對測試過程的干擾，測量受試者身高、體質量、骨盆寬、膝寬、踝寬、大腿長度和小腿長度等身體形態學指標，用于仿真建模。隨后為受試者穿上緊身測試服，粘貼Marker 點。

受試者赤腳并雙腳站立在測力臺（消毒后使用）中心，雙臂自然下垂于體側。通過詢問常用踢球腿確定幼兒有利腿，本文選取的均是右利腿（支撐腿）的幼兒，左腿抬起。隨后，根據測試人員發出的指令，進行3次睜眼單腿站立測試，幼兒可根據自身情況利用手臂抬起策略維持平衡，鼓勵幼兒盡最大可能保持長時間的單腿站立。由一名測試人員發出指令并記錄數據，另一名在旁邊保護受試者。測試完畢后在皮膚接觸反光點處用酒精棉球進行擦拭消毒。

1.2.3 發展階段劃分

測試結束后，反復觀察每個幼兒的測試視頻，選取最穩定的一次采集數據并進行分析。本文依據Seefeldt［8］197-200提出的整體序列法理論，從軀干傾斜、手臂位置與擺動、大腿抬起角度、支撐腿屈曲角度幾個方面，將單腿站立動作發展劃分為初級階段、中級階段和高級階段。

1.2.4 數據處理

運動學數據在“BTS Analyzer”軟件中處理，根據動作發展階段選取以下指標進行計算：1）脊柱傾斜角：兩肩峰中點與第十節胸椎連線在額狀面上的投影與垂直軸的夾角；2）骨盆傾斜角：左右髂前上棘的連線在額狀面上的投影與額狀軸的夾角；3）髖關節屈曲角：髂前上棘、股骨大轉子和大腿中點連線投影到矢狀面上的夾角；4）髖關節外展角：股骨大轉子與大腿中點連線在額狀面上的投影與垂直軸的夾角；5）膝關節屈曲角度：左大腿中點、股骨外側髁、小腿中點連線投影到矢狀面上的夾角；6）踝關節屈曲角度：小腿中點、足外踝與第五跖骨連線投影到矢狀面上的夾角；7）支撐腿膝關節屈曲角度：右大腿中點、股骨外側髁、小腿中點連線投影到矢狀面上的夾角。

動力學數據處理過程：1） 將紅外數據在“BTS Tracker”軟件中進行連點，隨后在“BTS Analyzer”軟件中進行數據的平滑處理。2）將數據以C3D 的格式導出軟件，并導入“Anybody 7.0”軟件中，將幼兒的身高、體質量、大腿長度、小腿長度和骨盆寬等主要形態學指標，輸入軟件的腳本文件中。3）C3D 文件中的Marker點驅動對應的人體骨骼系統,程序運行完畢后，呈現關節力、力矩、肌肉力等指標,本文僅選取幼兒下肢肌力相關數據。

1.3 數理統計

采用SPSS 19.0 對實驗數據進行統計分析，各指標以平均值和標準差（xˉ±s）的形式表示。本文所有連續型數值均滿足正態分布檢驗。以單因素方差分析比較站立時間差異；以三因素方差分析檢驗年齡、動作發展階段和性別對幼兒站立姿勢控制的主效應和交互效應；以逐步回歸法建立單腿站立時間與關節角度和人體形態學參數的線性回歸方程；以雙因素方差分析檢驗年齡和動作發展階段對幼兒肌力的影響；方差分析中，組間數據的兩兩比較均采用LSD 法；以p＜0.05 表示差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 受試基本情況

本研究中有135 名幼兒參加了實驗，男生為68人（3 歲組為 11 人、4 歲組為 22 人、5 歲組為 25 人、6歲組為 10 人），女生為 67 人（3 歲組為 9 人、4 歲組為26 人、5 歲組為 26 人、6 歲組為 6 人）。各年齡組幼兒的身高和體質量均具有非常顯著性差異（p＜0.01），BMI 不具有顯著性差異。大腿長度、小腿長度、骨盆寬度、膝寬度和踝寬度隨年齡增長而增大，具有顯著性差異（p＜0.05）（見表 2）。

2.2 錄像分析結果

對所有受試幼兒的測試視頻進行觀察和比較，將3～6 歲幼兒單腿站立動作技能分為3 個發展階段，各階段的動作表現為：初級階段，脊柱和骨盆產生較大的傾斜和扭轉，軀干向非支撐腿傾斜，身體前傾。手臂抬起較高的高度，類似于跑步時手臂的高位保護策略，并伴隨上下晃動。大腿產生較大的抬起高度，髖關節產生較大的外展角度和較大程度的屈曲，膝關節產生較大程度的屈曲，勾腳尖，支撐腿膝關節屈曲角度較大。中級階段，脊柱和骨盆產生較小的傾斜，軀干接近直立。手臂抬起的高度較小，仍會有輕微的晃動，大腿抬起高度減小，髖關節外展角度和屈曲角度減小，膝關節屈曲角度減小，踝關節背曲角度減小，支撐腿膝關節屈曲角度減小。高級階段，脊柱和骨盆接近直立狀態，身體直立或后傾。手臂抬起的高度較小，并且保持穩定在同一高度，髖關節呈現出最小的外展角度，大腿抬起高度和膝關節屈曲角度適中，踝關節自然下垂，支撐腿接近直立狀態。

圖1 為3～6 歲幼兒單腿站立動作發展階段的年齡分布比例圖，由圖1 可知，3 歲組分布在初級階段和中級階段，4 歲和5 歲組在3 個階段均有分布，6 歲組分布在中級階段和高級階段。

3 歲組處于初級階段的人數比例最高，男生人數占比為72.73%，女生人數占比為77.78%，中級階段男生人數占比為27.27%，女生人數占比為22.22%。4 歲組初級階段和中級階段的男生人數和女生人數的比例之和分別占該年齡段總人數的80%以上，中級階段的受試者人數比例最高，男生人數占比為45.45%，女生人數占比為53.85%。5 歲組中級階段和高級階段人數比例之和占該年齡段總人數的85%以上，男生中級階段的人數最多，占比為54.17%，而女生高級階段人數最多，占比為53.84%；6 歲組在高級階段的人數占比最多，男生為60%，女生為83.33%。3 個單腿站立動作發展階段中，初級階段人數隨年齡增大而減少，中級階段人數呈現年齡區間兩邊少，中間多的特點，高級階段人數隨年齡增大而增加。

表2 受試者基本信息

圖1 幼兒單腿站立動作發展階段的年齡分布比例

2.3 運動學結果

圖2 為不同年齡和不同動作發展階段幼兒單腿站立時長，從中可以看出，3～6 歲幼兒站立時間隨年齡增長和動作發展階段成熟而增加(p＜0.05)，不同性別表現出相同的趨勢。

圖2 不同年齡和不同動作發展階段幼兒單腿站立時間

采用 4（3 歲組、4 歲組、5 歲組、6 歲組）×3（初、中、高級階段）×2（男生、女生）的三因素方差分析，比較不同年齡、不同動作發展階段、不同性別的幼兒單腿站立動作的運動學參數之間的差異（見表3）。

表3 不同年齡、不同動作發展階段、不同性別的受試單腿站立動作技能運動學參數的方差分析

受試3～6 歲幼兒在膝關節屈曲角度上出現顯著階段主效應(F［2,106］=4.47，p=0.01＜0.05)和年齡×階段的交互效應(F［4,106］=2.91，p=0.03＜0.05)。踝關節屈曲角度出現顯著年齡×性別（F［3,105］=4.85，p=0.00＜0.01）的交互效應。髖關節屈曲角度出現顯著性別主效應（F［1,108］=7.61，p=0.01＜0.05）。支撐腿膝關節屈曲角度出現顯著的階段×性別交互效應（F［2,106］=4.84，p=0.01＜0.05）。髖外展角度出現顯著性別主效應（F［1,103］=5.09，p=0.03＜0.05）。

主效應結果表明：膝關節屈曲角度，初級階段顯著大于高級階段。受試男生髖關節屈曲角和髖外展角度均大于受試女生。簡單效應分析表明：5 歲組膝關節屈曲角度，初級階段顯著大于中、高級階段；3 歲組和6 歲組的踝關節屈曲角度產生性別差異，隨年齡增長，受試女生踝關節屈曲角度逐漸減小；在初級階段，支撐腿膝關節屈曲角度出現性別差異，隨年齡增長，受試女生支撐腿膝關節屈曲角度逐漸增加（見圖3）。

圖3 關節屈曲角度的主效應與交互效應

2.4 回歸分析與建模結果

單腿站立時間與人體形態學參數均具有非常顯著正相關關系，與支撐腿膝關節屈曲角度具有顯著正相關關系，與髖外展角度具有顯著負相關關系（見表4）。

選取顯著相關的8 個指標為自變量，站立時間為因變量，選擇逐步回歸法進行線性回歸分析。VIF 為方差膨脹系數，當其值大于3 時，說明存在共線性的問題，將所有數據導入自變量框中，發現大腿長度、小腿長度和腿的長度3 個指標的VIF 值＞3,說明出現共線性問題，因此將腿的長度剔除。當DW 值的范圍在（1.5～2.5）之間時，認為樣本之間無自我相關，樣本獨立。由表5 得到回歸方程：Y=-85.14+2.36x1+0.26x2,其中：Y表示站立時間，x1表示小腿長度，x2表示支撐腿膝關節屈曲角度。

表4 站立時間與人體形態學和運動學參數的相關性

表5 站立時間與人體形態學參數和關節角度的回歸分析

2.5 動力學指標統計結果

采用雙因素方差分析對29 名4～6 歲受試幼兒（4歲組為 14 人，5 歲組為 8 人，6 歲組為 7 人） 進行下肢肌力分析。為排除體質量的影響，下圖均是除以體質量后的標準化肌力數據。右腿（支撐腿）在長收肌AL（F［2,11］=5.97, p=0.02＜0.05）、閉孔外肌上束 OES（F［2,12］=4.16,p=0.04＜0.05）和髂肌中束 IM（F［2,13］=4.39,p=0.04＜0.05）肌力體現出了年齡的主效應（如圖4 所示）。左腿（非支撐腿）在半膜肌SB（F［2,11］=11.63,p=0.00＜0.01）、股二頭肌短頭 BFCB（F［2,20］=4.29, p=0.03＜0.05）、縫匠肌 Sartorius（F［2,20］=12.36,p=0.00＜0.01）、髂肌中束 IM（F［2,20］=5.03, p=0.02＜0.05）、臀中肌前束 GMEA（F［2,16］=4.83,p=0.04＜0.05）、闊筋膜張肌 TFL（F［2,20］=5.21,p=0.02＜0.05）肌力體現出動作技能發展階段主效應（如圖5 所示），AL（F［2,10］=5.76,p=0.02＜0.05）、閉孔內肌OI（F［1,13］=6.04,p=0.03＜0.05）體現出年齡×動作技能發展階段交互效應。

圖4 右腿（支撐腿）肌力年齡主效應

3 分析與討論

3.1 幼兒單腿站立姿勢控制能力的階段發展特征

本文依據整體序列法將3～6 歲受試幼兒單腿站立動作劃分為初級、中級和高級3 個發展階段，這是描述基本動作技能的常用方法，Seefeldt 等［12］和 Halverson 等［13］采用這種方法描述同時出現在兒童動作發展的一般特征和行為模式，為動作技能模式提供了一種快速分類方法。動作技能發展階段劃分可以幫助教師、家長及研究人員了解幼兒動作技能發展水平并發現瓶頸和關鍵期，進而促進幼兒動作技能良性發展。

圖5 左腿（非支撐腿）肌力階段主效應

整體序列法作為一種定性研究方法，能夠很好地評價幼兒動作技能的成熟程度。范雪等［14］采用該方法對我國3～6 歲幼兒跑步動作技能進行重新劃分，發現3 個發展階段更適合我國幼兒的基本特征。文蕊香等［15］依據整體序列法將806 名幼兒投擲動作劃分為5 個發展階段，發現第2 階段是學齡前幼兒投擲動作發展的瓶頸, 并提出了每個年齡段應注意的問題和動作技能發展的建議。張瑩［16］按照部分序列法對幼兒投擲動作進行階段劃分，細致地探討了投擲動作的發展水平，并提出，幼兒投擲動作的發展并非是隨年齡增長的線性增長模式，與投擲動作發展階段和投擲經驗密切相關。本文將睜眼單腿站立動作劃分為3 個發展階段，能夠清晰地了解不同年齡受試幼兒單腿站立動作技能的發展變化。

3 歲組受試幼兒僅存在初級階段、中級階段，且女生初級階段的人數比例大于中級階段。4 歲組包括3個發展階段，女生中級階段的人數占比大于男生。3～4 歲是幼兒從初級階段、中級階段向高級階段的過渡。5 歲組女生高級階段的人數占比大于男生。到了6 歲組，僅存在中、高級階段，且女生高級階段的人數占比大于男生。綜上所述，隨著年齡的增長，3～6 歲受試幼兒單腿站立動作逐漸發展成熟。初級階段的人數隨年齡增長而減少，中級階段出現在全部的年齡組，呈現3～6 歲年齡區間兩邊少、中間多的特征，高級階段的人數隨年齡增長而增加。女生的動作發展各階段人數逐漸多于男生，到了5～6 歲女生動作發展高級階段人數明顯高于男生。

3.2 幼兒單腿站立姿勢控制能力的運動學特征

本研究統計數據顯示出膝關節屈曲角度的階段主效應、髖關節屈曲角度和髖外展角度的性別主效應，呈現出更多的交互效應，表明3 個自變量中至少有兩者對因變量有顯著性的影響。幼兒單腿站立動作技能發展初級階段，幼兒為了保持身體的穩定，會讓自己的軀干貼近非支撐腿，因此，初級階段的幼兒膝關節角度較中級階段、高級階段大，在5 歲組最明顯。髖關節屈曲角度和外展角度均表現出男生大于女生，男生需要抬高肢體并借助額狀面運動才能維持身體的穩定［17］，這與年齡小的幼兒在跑步時，采用的手臂高位保護策略相似［8］。踝關節屈曲角度的簡單效應分析表明：女生隨年齡增長踝關節屈曲角度減小，3 歲和6 歲組均出現性別差異，但趨勢不同，可能是由于本文中6 歲組女生人數較少導致。支撐腿膝關節屈曲角度出現階段×性別的交互效應，隨動作技能發展階段的由初級到高級，女生支撐腿膝關節屈曲角度逐漸增大，說明支撐腿伸得越直。初級階段男生支撐腿膝關節屈曲角度顯著大于女生，推測可能與男女生下肢肌力特征的差異有關［18］。3～6 歲幼兒的單腿站立動作特征受年齡、動作技能發展階段和性別3 個因素的影響，主要在下肢髖、膝、踝關節角度上出現差異，而脊柱和骨盆傾斜角度沒有出現差異性特征，需要進一步用相關分析和回歸分析篩選出對站立時間產生影響的主要指標。

3.3 幼兒單腿站立姿勢控制能力的回歸方程建模分析

站立時長作為評價單腿站立姿勢控制能力發展的簡便易測指標，可以評價幼兒姿勢的穩定程度，是一個結果性評價指標［19-20］，同時，單腿平衡動作需要全身關節的調控才能維持，因此，關節角度是過程性評價指標。幼兒身體發育指標作為客觀條件，也會對其站立時間產生影響，因此，本文旨在建立運動學、人體形態學指標與單腿站立時長的回歸方程。統計數據分析結果表明，主要影響受試幼兒單腿站立時長的因素是小腿長度和支撐腿膝關節屈曲角度，小腿長度與年齡增長密切相關，隨年齡的增長逐漸增長，而3～6 歲也是幼兒生長發育的快速增長期。在高級階段，幼兒支撐腿幾乎完全伸直，膝關節屈曲接近180°，但年齡小的受試幼兒和初級階段的受試幼兒支撐腿膝關節屈曲角度都較大，因此，教師應該有意識地鍛煉受試幼兒膝關節伸肌群肌力，能夠促進該動作技能的發展。

3.4 幼兒單腿站立姿勢控制能力的動力學特征

本文采用“Anybody7.0”軟件計算下肢肌力，它可以針對不同尺寸的身體生成相應的骨胳肌模型，調用系統內置或自定義的縮放準則函數，對系統中的默認模型（25 bones and 500 muscles）進行縮放［21］。已有研究提出：下肢肌力與單腿站立時長具有很顯著的相關性［22］。由于肌肉與認知功能發育不成熟，年齡較小的幼兒無法到達30 s 的單腿站立時長［23］。從本文統計數據來看，支撐腿肌力大小主要受年齡的影響，長收肌、閉孔外肌上束、髂肌中束肌力均呈現出“高-低-高”的肌力特征，5 歲可能是肌力增長的分化階段。長收肌位于大腿內側，主要對髖關節的內收起作用。閉孔外肌是緊貼髖關節囊后部唯一的肌肉，主要對髖關節的旋外起作用，并維持髖關節穩定。髂肌主要對髖關節的屈曲和外旋起作用。Raffalt 等［24］的研究表明，年齡小的幼兒由于姿勢控制能力較差，肌肉發力不協調，會出現無法合理分配肌力和共收縮的現象，這可能是本研究中4 歲組表現出較大肌力的原因，而6 歲組的幼兒肌力分配合理，出現了肌力節省化現象。非支撐腿肌力更多地表現出階段主效應，6 塊肌肉肌力隨動作技能發展階段增大或減小。半膜肌和股二頭肌短頭都位于大腿后側，功能相似，在單腿站立動作中，主要在屈膝時起作用。隨著動作技能發展階段由初級到高級，股二頭肌短頭的肌力逐漸增長代替半膜肌成為主要的屈膝肌，兩者呈現出此消彼長的特征。縫匠肌是人體內最長的肌肉，闊筋膜張肌位于大腿外側，主要對髖外展、屈曲和穩定膝關節外側起作用，兩塊肌肉作為固定骨盆的吊索，在靜力和動力狀態下共同維持身體平衡，隨動作技能發展階段由初級到高級，肌力逐漸增大。髂肌主要在髖關節的屈曲和外旋時起作用，肌力逐漸增大。臀中肌前束在髖關節屈曲和內旋時起作用，隨單腿站立動作發展階段由初級到高級，肌力逐漸減小。

3.5 不足與展望

本文選取的運動學指標還不夠全面，選取的受試者人數較少，在肌力分析時未對3 歲組幼兒的肌力統計數據進行分析，未來應增加額狀面和水平面的關節角度指標，增加受試者人數，擴大年齡范圍。

4 結論

1）3～6 歲幼兒單腿站立動作可分為初級、中級和高級3 個發展階段，初級階段人數隨年齡增大而減少，中級階段人數呈現兩邊少、中間多的特征，高級階段人數隨年齡增大而增加。

2）3～6 歲幼兒單腿站立姿勢控制能力的運動學特征受年齡、性別與動作技能發展階段的顯著影響，存在較多的交互效應，主要體現在下肢髖、膝、踝關節角度的差異上，站立時長主要受到小腿長度和支撐腿膝關節屈曲角度的影響。

3）3～6 歲幼兒支撐腿肌力主要受年齡的影響，肌力變化呈現“高- 低- 高”的特征。5 歲可能是肌力發展的分化階段，非支撐腿肌力隨單腿站立動作技能發展階段由初級到高級，呈線性增大或減小的趨勢。