基于前庭覺的人體動態(tài)平衡能力測訓系統(tǒng)研制

宋蕾蕾李世明趙萬勝

（1.山東商務職業(yè)學院 山東 煙臺 246000；2.中國海洋大學 山東 青島 266100；3.魯東大學 山東 煙臺 246000）

維持身體平衡是人體一項重要的生理機能，是人們從事各種日常生活、工作的保障，平衡功能有障礙必然會影響到人們的日常生活、工作以及降低生活質(zhì)量，因此能夠科學、準確并且客觀的測評人體的動態(tài)平衡能力具有極其重要的臨床實踐意義。

近年來，國外的一些研究指出，擁有較好平衡能力的運動員或者大學生，在他們平時比賽或者運動中發(fā)生運動損傷的機率較低，這說明平衡能力的提高，確實有助于人體在運動過程中較好的控制身體，以降低傷害的發(fā)生率。

基于此，我們提出了人體動態(tài)平衡能力測訓系統(tǒng)的研制思路，根據(jù)人體前庭器官的適宜刺激方式，利用機電一體化技術(shù)可實現(xiàn)測試所需的水平直線加減速、水平轉(zhuǎn)動加減速以及二者組合的測試環(huán)境，既可以測評人體動態(tài)平衡功能，又可以在該環(huán)境下進行訓練以提高人體動態(tài)平衡能力，對于提高運動員動態(tài)平衡能力具有很大的實踐意義。

1、人體動態(tài)平衡能力測試系統(tǒng)的研制

1.1、測訓系統(tǒng)研制的生理基礎(chǔ)

一般認為，影響平衡功能的3大感覺系統(tǒng)為視覺、本體感覺以及前庭覺，其中，前庭覺是由前庭器官來完成的，由內(nèi)耳迷路中橢圓囊、球囊和三個半規(guī)管構(gòu)成，是專門的位覺與平衡器官，對保持人體平衡起著極為重要的作用。

提高人體前庭器官耐受刺激的閾值，就需要將人體置于一種直線或旋轉(zhuǎn)加減速（而不是勻速）的狀態(tài)下進行適應性訓練，在這種狀態(tài)下對人體的動態(tài)平衡功能進行測評也會更加有效、準確，也會更好地引導對動態(tài)平衡能力的訓練。

1.2、測訓系統(tǒng)的總體構(gòu)成

人體動態(tài)平衡能力測試系統(tǒng)主要由機械部分、電路部分、軟件部分組成，其中機械部分主要包括壓心監(jiān)測裝置、變速移動裝置、變速轉(zhuǎn)動裝置。變速轉(zhuǎn)動裝置安裝在變速移動裝置上，可隨變速移動裝置一起運動。壓心監(jiān)測裝置安裝在變速轉(zhuǎn)動裝置的測試臺轉(zhuǎn)動底座上，可隨變速轉(zhuǎn)動裝置一起轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)軸測圖如圖1所示。

圖1 人體動態(tài)平衡能力測試系統(tǒng)軸測圖

1.3、測訓系統(tǒng)的機械構(gòu)成

機械部分主要包括：變速移動裝置和變速轉(zhuǎn)動裝置，用于實現(xiàn)變速水平直線移動、變速水平轉(zhuǎn)動以及直線和轉(zhuǎn)動的合成運動，為人體動態(tài)平衡能力測試提供水平直線加減速、水平轉(zhuǎn)動加減速以及二者組合的多維動態(tài)測試環(huán)境。

1.4、測訓系統(tǒng)的可靠性檢驗

儀器可靠性檢測：選取8名大學生（男、女各4人）進行三次測驗，由于平衡受影響因素頗多，故而選取其中兩次穩(wěn)定狀態(tài)來分析。避免多次重復實驗引起受試者抵觸的情緒反應。由于實驗是通過5種運動狀態(tài)來完成，因此通過5個狀態(tài)分別來進行系統(tǒng)可靠性分析，結(jié)果顯示，兩種視覺條件下、5種運動形式下測試參數(shù)首次和重測的相關(guān)系數(shù)均達到了非常顯著性水平。說明了該設(shè)備測試系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)是很可信的，前后兩次測試的數(shù)據(jù)能夠保持一致性，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，可以用于各種組合狀態(tài)的人體平衡動態(tài)測試。

2、人體動態(tài)平衡能力測試實驗研究

2.1、測試對象

隨機選取60名（男生30名，女生30名）在校學生作為本次實驗的研究對象。參與測試的學生均是自愿參加實驗，并沒有受過任何平衡能力訓練。受試者均身體健康，無軀干和肢體上的損傷。測試前2h沒有參與任何體育活動。

2.2、測試系統(tǒng)

人體動態(tài)平衡能力測試數(shù)據(jù)采集主要由氣泵輸壓系統(tǒng)、測力臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、動態(tài)平衡儀操控系統(tǒng)完成。通過控制軟件運行狀態(tài)，氣泵輸壓推動儀器完成測試，數(shù)據(jù)由測力臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出、分析。實驗現(xiàn)場示意圖如圖2所示：

圖2 實驗現(xiàn)場示意圖

動態(tài)平衡測試儀是平動、轉(zhuǎn)動、平動+轉(zhuǎn)動相結(jié)合的系統(tǒng)裝置，測力臺安裝在儀器中心位置。動態(tài)平衡儀的動作都是在氣泵的強氣壓下通過控制開關(guān)控制完成所需的動作。整套裝備是通過氣壓的壓力帶動，開關(guān)控制來完成實驗的多個動態(tài)變化測試。

2.3、測試方法

實驗通過五個測試動靜狀態(tài)來完成，每個動靜態(tài)都包含睜眼、閉眼兩種狀態(tài)來進行實驗。

實驗一：靜態(tài)平衡；

圖3 受試者受試區(qū)域圖

實驗二：左右平動；

實驗三：前后平動；

實驗四：轉(zhuǎn)動；

實驗五：平動+轉(zhuǎn)動。

2.4、測試結(jié)果

（1）基于兩項平衡指標的雙因素方差分析。

通過完成五項測試，利用總軌跡長、外周面積2項平衡評價指標來分析動靜態(tài)、睜閉眼兩因素對人體平衡能力的影響程度。表1可以看出，動靜態(tài)的顯著性P=0.000＜0.01，這說明動態(tài)、靜態(tài)的不同，以及各個動作狀態(tài)的不同對自身平衡的影響都非常顯著；睜閉眼的顯著性P=0.000＜0.01，說明睜閉眼兩種不同的狀態(tài)對平衡的影響非常顯著；動靜態(tài)、睜閉眼兩種因素相結(jié)合的顯著性P=0.000＜0.01，說明動靜態(tài)*睜閉眼的交互作用對平衡的影響也非常顯著。

表1 總軌跡長指標下雙因素方差分析

（2）基于兩項平衡指標的動靜態(tài)多重比較。

動靜態(tài)有5個動作狀態(tài)，對5種動作狀態(tài)之間的相互比較例表2所示。

表2 總軌跡長指標的動靜態(tài)多重比較

通過表2可以看出，兩項指標均顯示平動+轉(zhuǎn)動狀態(tài)下的測試總軌跡長變化最大。其中平動+轉(zhuǎn)動狀態(tài)和靜止、轉(zhuǎn)動、左右平動、前后平動四個狀態(tài)作比較P＜0.01均具有非常顯著性差異；前后平動狀態(tài)和左右平動、轉(zhuǎn)動、靜止、平動+轉(zhuǎn)動四個狀態(tài)作比較P＜0.01均具有非常顯著性差異；左右平動狀態(tài)同靜止、轉(zhuǎn)動、前后平動、平動+轉(zhuǎn)動四個狀態(tài)P＜0.01均具有顯著性差異；轉(zhuǎn)動狀態(tài)同平動+轉(zhuǎn)動、前后平動、左右平動三個狀態(tài)相比較具有顯著性差異，但同靜止狀態(tài)相比P＞0.05不具有顯著性差異。

（3）基于兩項平衡指標的睜閉眼平衡能力比較。

通過實驗分析靜止、左右平動、前后平動、轉(zhuǎn)動、平動+轉(zhuǎn)動狀態(tài)在兩種視覺狀態(tài)下的比較。平動+轉(zhuǎn)動是3項測試中動作最為復雜的一項，因此，選取該狀態(tài)的測試數(shù)據(jù)為例，在這項測試中，視覺變化是否會影響平衡指標的變化，具體分析如表3所示。

表3 平動+轉(zhuǎn)動測試睜閉眼平衡能力比較

完成了平動+轉(zhuǎn)動測試，通過數(shù)據(jù)分析可以看出，視覺的變化對測試數(shù)據(jù)的影響是非常明顯的，說明視覺變化的確會對平衡能力產(chǎn)生非常顯著的影響。

2.5、討論

不同運動狀態(tài)，人體自身維持平衡能力表現(xiàn)不同，動作越復雜，人體維持平衡越艱難，身體重心穩(wěn)定性越差。通過數(shù)據(jù)可以看出，在變速運動中，存在位移變化的運動越不容易維持身體平衡。原因是自身的生理因素，當人體處于變速直線或變速旋轉(zhuǎn)運動時，內(nèi)淋巴由于慣性作用，其流動方向和速度發(fā)生變化，引起毛細胞興奮，經(jīng)前庭末梢傳至本體感覺器，反射性的引起肌張力的變化，來維持身體的平衡。同時設(shè)想是否長期訓練可以使人體動態(tài)平衡能力得到提升。

在無訓練的前提下，通過睜眼、閉眼兩個狀態(tài)分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)人體在靜止狀態(tài)下睜閉眼自身維持平衡能力差異不大，但在運動中睜閉眼有非常顯著性差異，睜眼狀態(tài)要比閉眼狀態(tài)維持平衡能力強。原因是影響平衡功能的3大感覺系統(tǒng)為視覺、本體感覺以及前庭覺，在本體感覺和前庭覺無變化的情況下，視覺可以影響人體平衡，通過感知四周的空間位置來控制身體。同樣設(shè)想經(jīng)過訓練，是否會提高閉眼情況下人體維持平衡能力。

3、人體動態(tài)平衡能力訓練實驗研究

3.1、訓練對象

選取8名在校大學生參與人體動態(tài)平衡訓練，參訓者均身體健康，無任何肢體缺陷或疾病。

3.2、訓練方案

為了提高人體處在多種運動狀態(tài)時自身調(diào)控穩(wěn)定身體姿勢的能力，選取左右平動、前后平動、平動+轉(zhuǎn)動三種狀態(tài)訓練為主,分別包含睜、閉眼兩種情況。訓練周期2周，每周3次。

3.3、訓練要求

為了避免訓練過程中，存在其他因素影響訓練結(jié)果。訓練開始前要求訓練者在為期15天的訓練計劃安排中，不參加任何形式的體育運動、平衡練習等。保證訓練后訓練者平衡成績的變化均受此次訓練影響。

3.4、訓練結(jié)果

（1）基于睜眼狀態(tài)訓練前后平衡能力的比較。

不同狀態(tài)睜眼測試訓練前后數(shù)據(jù)如表4所示，數(shù)據(jù)顯示訓練后除了轉(zhuǎn)動測試沒有顯著差異，在其他平動狀態(tài)下總軌跡長、外周面積指標均顯示有非常顯著性差異，訓練后重心波動明顯降低。雖然沒有進行專門的靜止練習，但訓練同樣提高了人體靜止狀態(tài)身體維持平衡的能力，總軌跡長指標也出現(xiàn)顯著性差異。

表4 睜眼狀態(tài)測試訓練前和訓練后平衡能力比較

（2）基于閉眼狀態(tài)訓練前后平衡能力的比較。

不同運動狀態(tài)閉眼測試訓練前后數(shù)據(jù)如表5所示，同樣沒有進行專門的靜止、轉(zhuǎn)動兩項狀態(tài)的訓練，訓練后的數(shù)據(jù)顯示，靜止狀態(tài)下總軌跡長、外周面積均顯示在P＜0.05基礎(chǔ)上有顯著性差異，說明訓練可以提高靜止閉眼狀態(tài)下的平衡能力。在其他平動狀態(tài)下的變速訓練后數(shù)據(jù)顯示，訓練前后在p＜0.01的基礎(chǔ)上有極其顯著的差異，說明訓練可以有效提高閉眼狀態(tài)下人體動態(tài)平衡能力。

3.5、討論

訓練前后實驗數(shù)據(jù)比對，說明一定時間的訓練對提高人體自身平衡能力有很大的幫助。訓練前后數(shù)據(jù)有非常顯著性差異，且平衡性明顯提高。雖然沒有加入靜止和轉(zhuǎn)動狀態(tài)的訓練練習，但通過其他三項訓練后在這兩項的數(shù)據(jù)同樣顯示也有顯著性差異，說明訓練動態(tài)平衡的同時也會增強自身靜止狀態(tài)時人體保持身體平衡的能力。原因是通過訓練前庭器官的不同部位接收到不同的適宜刺激，產(chǎn)生條件反射適應了刺激，進而更及時的調(diào)控身體平衡。

訓練前后五項平衡評價指標均有明顯的變化，尤其是在左右平動、前后平動、平動+轉(zhuǎn)動三個測試中，指標總軌跡長、單位時間軌跡長在p＜0.01基礎(chǔ)上有非常顯著性的差異，同時這兩個指標也是體現(xiàn)人體本體感覺系統(tǒng)功能指標，也說明人體本體感覺較訓練前有了非常顯著的差異，能力大大提高，證明了動態(tài)平衡的訓練確實可以提高人體在非靜止狀態(tài)時為維持身體姿勢保持平衡的能力。

4、結(jié)論與建議

（1）人體動態(tài)平衡能力測訓系統(tǒng)參照生理學基礎(chǔ)，結(jié)合人體前庭系統(tǒng)在感知人體加減速的基礎(chǔ)上調(diào)控身體平衡為依據(jù)，通過可靠性檢驗，證實測訓系統(tǒng)可以用于各種組合狀態(tài)的人體平衡動態(tài)測試和訓練；

（2）測訓系統(tǒng)選取在校大學生為實驗對象，數(shù)據(jù)表明不同運動狀態(tài)人體維持平衡能力不同。動靜態(tài)和睜閉眼均是引起平衡評價指標變化的關(guān)鍵因素；

（3）通過訓練實驗，結(jié)果顯示訓練前后數(shù)據(jù)有非常顯著性差異，訓練后自身維持平衡能力顯著提高，說明人體動態(tài)平衡能力測訓系統(tǒng)可用于平衡訓練。