人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性理論及防跌倒擾動(dòng)性訓(xùn)練進(jìn)展

李世明,Yi-Chung Pai,Feng Yang,Tanvi Bhatt

人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性理論及防跌倒擾動(dòng)性訓(xùn)練進(jìn)展

李世明1,Yi-Chung Pai2,Feng Yang2,Tanvi Bhatt2

穩(wěn)定性是人體活動(dòng)的基本要求之一。對(duì)于老年人及其他一些特殊人群如中風(fēng)病人、腦癱患者等,穩(wěn)定性具有特別重要的意義。因?yàn)?這些特殊人群在最基本的生活過(guò)程中都存在著嚴(yán)重的失去身體穩(wěn)定性的危險(xiǎn)。例如,他(她)們?cè)谛凶哌^(guò)程中不能保持身體平衡,尤其遇到路滑等外界環(huán)境的突然變化或外界干擾的情況容易發(fā)生跌倒、導(dǎo)致傷殘甚至死亡的現(xiàn)象經(jīng)?？梢姟?guó)內(nèi)、外有報(bào)道稱,跌倒是威脅老年人健康的重要危險(xiǎn)因素之一[5,26,62]。在美國(guó),2004年一年內(nèi)到急診室治療因跌倒產(chǎn)生損傷的老年人超過(guò)了185萬(wàn)[12]。每年大約有81%～98%的髖關(guān)節(jié)骨折是緣于跌倒[24,51]。跌倒會(huì)導(dǎo)致人體功能減退、獨(dú)立生活能力下降,甚至在骨折后的前3個(gè)月有較嚴(yán)重的死亡危險(xiǎn)[63]?？傊?跌倒成了威脅人類健康的大敵之一。在中國(guó),由于跌倒的防護(hù)意識(shí)、防護(hù)設(shè)施及防護(hù)措施等的滯后,后果顯得尤其嚴(yán)重。據(jù) WHO報(bào)告,中國(guó)已于2000年成為世界上因跌倒所致疾病負(fù)擔(dān)最重的國(guó)家[55]。

作者單位:1.魯東大學(xué)體育學(xué)院,山東煙臺(tái)264025;2.伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校應(yīng)用健康科學(xué)學(xué)院,伊利諾伊州芝加哥市,60612,美國(guó)

為了有效地預(yù)防跌倒事故的發(fā)生,探索人體穩(wěn)定性的神經(jīng)力學(xué)機(jī)制就顯得尤為重要。長(zhǎng)期以來(lái),人們對(duì)傳統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性理論了解較多,這對(duì)于人體處于靜態(tài)姿勢(shì)(如站立)時(shí)如何保持身體的穩(wěn)定性提供了理論支持。而現(xiàn)實(shí)中,多數(shù)情況下人體是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),如走步是人體的一種基本活動(dòng)形式,利用靜態(tài)的穩(wěn)定性理論則很難解釋清楚人體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)如何才能保持身體穩(wěn)定性的問(wèn)題。為此,近些年來(lái)人們以步態(tài)為載體在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性理論和防跌倒實(shí)踐方面進(jìn)行了大量的有益的探索,并取得了非常有價(jià)值的進(jìn)展。

1 傳統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性理論

穩(wěn)定性的概念與平衡緊密相連。定義人體穩(wěn)定性和定義平衡的方法類似,即人體對(duì)線加速度和角加速度的抵抗能力,或者在受到干擾后人體回到平衡或原來(lái)位置的能力[2]。根據(jù)牛頓力學(xué),如果作用于人體的合力和合力矩是零,那么,人體的線加速度和角加速度就是零,從而人體的線速度和角速度保持恒值或?yàn)榱?此時(shí)人體處于平衡狀態(tài),或者說(shuō)人體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

穩(wěn)定性包括靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。生物力學(xué)的創(chuàng)始人Borelli于1680年所提出的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法奠定了靜態(tài)穩(wěn)定性研究的理論基礎(chǔ)[13]。根據(jù)該穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法,要判定一個(gè)物體是否處于穩(wěn)定狀態(tài)主要看這個(gè)物體的質(zhì)心(COM)或重心(COG)與其支撐面之間的關(guān)系。這里的支撐面是指連接每個(gè)邊緣支撐點(diǎn)的線所包圍的內(nèi)部區(qū)域。從靜態(tài)的角度來(lái)看,當(dāng)人體質(zhì)心的投影落在支撐面內(nèi),人體就處于穩(wěn)定狀態(tài)。需要強(qiáng)調(diào)的是,此時(shí)人體質(zhì)心的水平速度相對(duì)于支撐面是可以忽略的[49],即人體質(zhì)心的水平速度不足以使人體質(zhì)心移動(dòng)到支撐面以外。因此,支撐面的面積就成為了影響穩(wěn)定性大小的一個(gè)重要因素。一般認(rèn)為,增加支撐面的面積通常會(huì)增加穩(wěn)定性。然而,穩(wěn)定性是有方向性的,例如,分開一個(gè)人的雙腳增大支撐面的面積,如果在額狀面被推動(dòng)這個(gè)人就很穩(wěn)定,分開雙腳這個(gè)動(dòng)作對(duì)矢狀面上的穩(wěn)定性是沒有幫助的。因此,要判斷穩(wěn)定性的大小要首先明確方向性。人體的穩(wěn)定性是指在某一方向上的穩(wěn)定性,可以由支撐面上重心之投影在該方向上到支撐面邊界的距離來(lái)確定,而不能籠統(tǒng)地說(shuō)人體的支撐面的面積大小以及穩(wěn)定性的大小。這個(gè)基礎(chǔ)理論至今還有一定的統(tǒng)治地位,在臨床檢測(cè)前庭系統(tǒng)平衡功能的Romberg測(cè)試還是根據(jù)這套原理來(lái)進(jìn)行的。

事實(shí)上,人體完全處于平衡狀態(tài)的情況是不存在的,即使靜止站立人體也無(wú)法保證處于持續(xù)的絕對(duì)平衡狀態(tài)或穩(wěn)定狀態(tài)。在人體靜態(tài)穩(wěn)定性大小的測(cè)量實(shí)踐中,有研究[59]用壓心(COP)相對(duì)于支撐面的位移來(lái)評(píng)價(jià)靜態(tài)站立時(shí)人體穩(wěn)定性的大小。壓心位移越小,穩(wěn)定性就越大;反之亦然。這種測(cè)法的主要依據(jù)是壓心的偏移是圍繞人體質(zhì)心的位置而振蕩[64],二者有一定程度的關(guān)聯(lián)。但是,從概念上要明確人體的壓心并不等同于人體質(zhì)心[56,60],人體質(zhì)心是三維空間中每個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)心的加權(quán)平均位置。假設(shè)所有人體接觸點(diǎn)都在測(cè)力臺(tái)上的話,壓心是來(lái)自一塊測(cè)力臺(tái)的垂直地面反作用力矢量的位置,而這個(gè)位置取決于足部的位置和踝部的肌肉運(yùn)動(dòng)。

壓心的位移是人體靜態(tài)穩(wěn)定性的較敏感指標(biāo)[18,67],但是,以此來(lái)預(yù)測(cè)人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性則不是最適合的指標(biāo)[35]。例如,利用靜態(tài)站立時(shí)壓心在前后左右方向上的位移而得出的穩(wěn)定性大小與一個(gè)人在走路過(guò)程中突然絆倒恢復(fù)平衡的能力相關(guān)程度較低[62]。人們?nèi)粘Ｉ钪?跌倒多數(shù)發(fā)生在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中[41]。而在人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,人體的質(zhì)心經(jīng)常不在支撐面以內(nèi),例如,人從坐到站離開椅子時(shí)刻人體質(zhì)心一般在腳跟的后面,人在行走過(guò)程中后腳離地時(shí)刻人體質(zhì)心也是落在前腳跟的后面。對(duì)于上述人體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的情況,靜態(tài)穩(wěn)定性理論已無(wú)法使用于人體的穩(wěn)定性問(wèn)題。而跌倒一般都是在人體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下發(fā)生的,所以,為了更好地預(yù)防跌倒事故的發(fā)生,對(duì)人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性理論的研究就顯得尤為重要。

2 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性理論進(jìn)展

2.1 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的概念

對(duì)于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性而言,目前并無(wú)完全、確切的概念,一般是指人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中抵制外部干擾并保持身體平衡的能力。在步態(tài)研究中,動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性則是指人在走步過(guò)程中抵制干擾保持身體直立姿勢(shì)而不跌倒的能力[45],或者是指不改變?cè)瓉?lái)或預(yù)期的支撐面而能保持身體直立姿勢(shì)的能力。從力學(xué)角度出發(fā),動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性仍然是人體質(zhì)心與支撐面之間的關(guān)系問(wèn)題。例如,人在走步過(guò)程中,擺動(dòng)腿剛離地時(shí),支撐面就完全移動(dòng)到了前面的支撐腿的腳下,此時(shí),人體質(zhì)心的投影落在支撐面的后面。從靜態(tài)穩(wěn)定性概念來(lái)看,顯然人體是處于一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài);而當(dāng)人體質(zhì)心向前移動(dòng)超過(guò)了支撐面,擺動(dòng)腿向前著地之前,人體質(zhì)心的投影也不在支撐面內(nèi),而是在支撐面的前面,這時(shí)從靜態(tài)穩(wěn)定性概念來(lái)看,人體也是處于一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)。其實(shí),此時(shí)的步態(tài)是穩(wěn)定的,人并沒有后倒的傾向。又比如,在站立起來(lái)剛離椅子這一瞬間,人體質(zhì)心往往還落在腳跟之后,但人卻也不會(huì)往后摔倒。由此可見,靜態(tài)的概念已不足以解釋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定控制。在這兩個(gè)例子中,盡管開始時(shí)人體質(zhì)心的投影不在支撐面內(nèi),看起來(lái)人體是不穩(wěn)定的,而由于質(zhì)心的速度較大其投影在運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)完全可以移進(jìn)支撐面,此時(shí)人體反而進(jìn)入了穩(wěn)定狀態(tài)。反之,如果開始時(shí)人體的質(zhì)心投影在支撐面內(nèi),看起來(lái)人體是穩(wěn)定的,但若質(zhì)心的速度較大其投影在運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)移出了支撐面,人體還會(huì)是穩(wěn)定的嗎?由此看來(lái),單純的人體質(zhì)心位置和支撐面之間的關(guān)系已無(wú)法說(shuō)明運(yùn)動(dòng)中的人體穩(wěn)定性大小,還需要考慮人體質(zhì)心的水平速度[43]。由此看來(lái),人體質(zhì)心位置和速度的組合是影響人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[45],反映了人體質(zhì)心所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),即人體質(zhì)心位置—速度的坐標(biāo)點(diǎn)。

2.2 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的研究方法

2.2.1 模擬法

開始利用的人體模型是一個(gè)簡(jiǎn)單的兩環(huán)節(jié)模型[45]。該模型是一個(gè)倒擺模型,包含的2個(gè)環(huán)節(jié)一個(gè)是足,另一個(gè)是身體的其余部分(簡(jiǎn)化為集中在一個(gè)點(diǎn)上)。之后又建立了4個(gè)環(huán)節(jié)的人體模型[30],包含足、小腿、大腿和頭—臂—軀干(HAT)4個(gè)環(huán)節(jié)。到目前,已經(jīng)建立了7個(gè)環(huán)節(jié)的人體模型[66],包括左右足、左右小腿、左右大腿和頭—臂—軀干(HAT)。在上述建立的人體模型的基礎(chǔ)上,可建立動(dòng)力學(xué)方程,對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),一個(gè)重要的環(huán)節(jié)是運(yùn)用優(yōu)化算法來(lái)尋找對(duì)應(yīng)于一個(gè)給定初始質(zhì)心位置的最優(yōu)初始質(zhì)心速度。運(yùn)用最優(yōu)化算法的目的是在所有可能的人體質(zhì)心位置—速度組合中,找出能夠滿足假設(shè)給定人體質(zhì)心位置,使人體質(zhì)心在速度降到0時(shí)其投影能夠達(dá)到支撐面內(nèi)部的邊界速度。這個(gè)邊界速度有2個(gè):1)最大可容忍速度,使人體質(zhì)心速度降為0時(shí)人體質(zhì)心的投影不超過(guò)支撐面前面的邊界;2)最小必須速度,使人體質(zhì)心速度降為0時(shí)人體質(zhì)心的投影達(dá)到支撐面后面的邊界。人體質(zhì)心速度在兩個(gè)邊界速度之間就能保證人體的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。事實(shí)上,從廣義上講,靜態(tài)穩(wěn)定性是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的一種特殊情況,就像直線從廣義上講是曲線的一種特殊情況一樣。對(duì)于給定位置的人體質(zhì)心,其速度在這兩個(gè)最大和最小邊界速度以外,人體就是不穩(wěn)定的,就容易失去平衡,甚至跌倒。假設(shè)給定人體質(zhì)心位置在支撐面的后面,人體質(zhì)心的速度超過(guò)最大邊界速度人體就容易向前跌倒,低于最小邊界速度人體則容易向后跌倒。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)法

為了獲取有關(guān)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的原始數(shù)據(jù),就需要建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?使人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到干擾,然后,再測(cè)試其恢復(fù)或失去平衡的過(guò)程。給人產(chǎn)生外界干擾的方法有很多,對(duì)于滑倒來(lái)講可以讓人走過(guò)冰面、油面等摩擦系數(shù)較低的地面而使人體產(chǎn)生滑倒,也可以使人踩上可移動(dòng)的物體使人產(chǎn)生滑倒。例如,當(dāng)人從坐的位置站起時(shí)(sit-to-stand)突然使腳下所踩的滑板釋放[44]或者在人正常走路時(shí)突然使腳下所踩的滑板釋放[8],都可以使人產(chǎn)生滑動(dòng)甚至滑倒。利用計(jì)算機(jī)控制的滑板來(lái)模擬路滑易跌倒的情況時(shí),可使受試者無(wú)法發(fā)現(xiàn)滑板是處于被鎖住(無(wú)滑)還是釋放(滑)狀態(tài)以模擬真實(shí)的生活場(chǎng)境。當(dāng)然,對(duì)于每一種實(shí)驗(yàn)干擾都需安裝安全保護(hù)裝置,以免受試者受傷。

在每種有外界干擾或無(wú)外界干擾的實(shí)驗(yàn)中,可采用攝像系統(tǒng)、測(cè)力系統(tǒng)以及肌電測(cè)試系統(tǒng)對(duì)人體分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和生理學(xué)測(cè)量,以取得人體保持身體平衡和失衡時(shí)的各項(xiàng)原始數(shù)據(jù),作為進(jìn)一步建立動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性理論模型的基礎(chǔ)。

2.3 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的理論模型

人在矢狀面內(nèi)從坐到站立或是向前行走,人體質(zhì)心往往落在支撐面的后面,對(duì)應(yīng)每一個(gè)給定的質(zhì)心位置,都可以確定一組最大和最小邊界速度。如果對(duì)一系列質(zhì)心位置都通過(guò)最優(yōu)化算法計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的最大和最小邊界速度,就可以在人體質(zhì)心的位置—速度坐標(biāo)系內(nèi)畫出人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域(dynamic stability region,DSR)或稱可保持穩(wěn)定的區(qū)域(feasible stability region,FSR)[49]。如果人體質(zhì)心的位置—速度坐標(biāo)落在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi),人體就是穩(wěn)定的,如果不在這個(gè)區(qū)域內(nèi),人體就會(huì)失去平衡。

2.3.1 無(wú)滑動(dòng)干擾的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域

圖1為根據(jù)對(duì)人體在矢狀面內(nèi)從坐到站立或是向前行走進(jìn)行測(cè)量所得數(shù)據(jù)而優(yōu)化繪制的無(wú)滑動(dòng)干擾情況下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域[45-47],這個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域是向后失衡邊界和向前失衡邊界所包圍的面積。圖中x軸代表在矢狀面內(nèi)(前后方向)的人體質(zhì)心位置,并除以單腿站立時(shí)支撐面的前后長(zhǎng)度即足長(zhǎng)進(jìn)行歸一化處理;y軸代表前后方向上相對(duì)于支撐面速度的人體質(zhì)心速度,并除以(g是重力加速度,h是身體高度)進(jìn)行歸一化處理。從圖1中可以看到,如果人體質(zhì)心的位置在腳跟的后面,其投影則不在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域(static stability region,SSR,即足跟與足尖之間的面積)之內(nèi),用靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域來(lái)預(yù)測(cè)此時(shí)的人體就處于不穩(wěn)定狀態(tài),人體會(huì)失去平衡;而此時(shí)的人體質(zhì)心投影卻可能在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域以內(nèi),用動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域來(lái)預(yù)測(cè)此時(shí)的人體則是穩(wěn)定的,不會(huì)失去平衡。因?yàn)榇藭r(shí)質(zhì)心的速度足夠大,其投影完全能夠進(jìn)入支撐面內(nèi),抵抗人體產(chǎn)生向后失去平衡甚至跌倒的趨勢(shì)。由此可見,動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域與靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域之間存在著顯著的差別,不僅在概念上,也包括操作層面。

圖1 無(wú)滑動(dòng)干擾的動(dòng)、靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域的比較示意圖(改自 Pai YC and Patton JL,1997)Figure 1. Comparison of Dynamic and Static Stability Region without Slip Perturbation

2.3.2 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)

前面只是根據(jù)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域來(lái)定性判斷一個(gè)質(zhì)心位置—速度狀態(tài)點(diǎn)是否處于穩(wěn)定區(qū)域。但當(dāng)要定量地計(jì)算某個(gè)給定質(zhì)心點(diǎn)的穩(wěn)定性大小,則需要給出一個(gè)明確統(tǒng)一的判定變量(圖2)[7]。人體從坐到站立或向前走時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)向后跌倒的情形,以此為例來(lái)說(shuō)明穩(wěn)度的定義,因此,圖2僅給出了人體向后失去平衡的邊界。人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)度(s)是指給定的質(zhì)心位置—速度狀態(tài)點(diǎn)到向后失衡邊界的最短距離。如果給定的質(zhì)心位置—速度狀態(tài)點(diǎn)在向后失衡邊界的上面,說(shuō)明是穩(wěn)定的,人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)度s＞0;而如果給定的質(zhì)心位置—速度狀態(tài)點(diǎn)在邊界的下面,說(shuō)明是不穩(wěn)定的,人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)度s＜0。人體質(zhì)心位置—速度狀態(tài)點(diǎn)在負(fù)方向上離向后失衡邊界越遠(yuǎn),說(shuō)明人體越容易向后跌倒;反之,人體質(zhì)心位置—速度狀態(tài)點(diǎn)在正方向上離向后失衡邊界越遠(yuǎn),說(shuō)明人體越不容易向后跌倒,但如果距離過(guò)大,超越了向前失衡邊界,則會(huì)產(chǎn)生向前跌倒的危險(xiǎn)。當(dāng)然,如果要計(jì)算人體向前失去平衡時(shí)的穩(wěn)度時(shí),穩(wěn)度的符號(hào)方向則相反,當(dāng)人體質(zhì)心位置—速度狀態(tài)點(diǎn)在向前失衡邊界的上面穩(wěn)度 s＜0,人體向前失衡;反之,則穩(wěn)度 s＞0,人體不會(huì)向前失衡。

圖2 人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)度的定義示意圖(改自 Pai YC,Wening JD,Runtz EF,et al,2003)Figure 2. Diagram of Human Body Dynamic Stability

2.3.3 有滑動(dòng)干擾的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域

在人體從坐到站或向前走時(shí)突然釋放受試者腳下所踩的滑動(dòng)板時(shí),給人體以滑動(dòng)的外界干擾,此時(shí)人體的滑動(dòng)腿就會(huì)向前滑動(dòng),人體的穩(wěn)定性就會(huì)更差,可能會(huì)產(chǎn)生向后失去平衡。圖3給出了有滑動(dòng)干擾時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域,并與無(wú)滑動(dòng)干擾時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行了比較[47,49]。有滑和無(wú)滑干擾相比,相同的人體質(zhì)心位置要求更大的質(zhì)心速度才能進(jìn)入動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域而不致人體向后失衡,反過(guò)來(lái),相同的質(zhì)心速度則要求質(zhì)心位置更加移前才不致人體向后失衡。有一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn),讓41名受試者完成從坐到站的動(dòng)作,他們的人體質(zhì)心在坐起時(shí)位于圖3中的1區(qū)域。在這時(shí),盡管這些人處于無(wú)滑狀態(tài)穩(wěn)定區(qū)域的中心位置,他們同時(shí)也非常接近有滑干擾條件下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域的向后失衡邊界。當(dāng)?shù)谝淮瓮蝗会尫攀茉囌吣_下所踩的滑板時(shí),結(jié)果所有人都向后失去了平衡。緊接著經(jīng)歷了幾次重復(fù)的滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)后,受試者為了保持身體平衡,在坐起時(shí)將人體質(zhì)心向前調(diào)整到了2區(qū)域。這時(shí)盡管這些人處于有滑狀態(tài)的穩(wěn)定區(qū)域,他們同時(shí)也非常接近無(wú)滑干擾條件下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域的向前失衡邊界但在其上。當(dāng)實(shí)驗(yàn)者突然又不釋放腳下的滑板了,人體沒有受到滑動(dòng)干擾,結(jié)果由于補(bǔ)償過(guò)量幾乎所有的人又都向前失去了平衡。此后,受試者又將人體質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(他的質(zhì)心位置及其速度)對(duì)最新經(jīng)歷過(guò)的有滑—無(wú)滑進(jìn)行重新調(diào)整,在坐起時(shí)由2區(qū)域移到了3區(qū)域,這樣,受試者不論遇到有滑還是無(wú)滑條件都不會(huì)失去身體平衡了[47,49]。這從力學(xué)數(shù)學(xué)模擬和預(yù)測(cè)上為預(yù)防身體失去平衡提供了理論和實(shí)踐的支持。

圖3 有滑動(dòng)和無(wú)滑動(dòng)干擾動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域的比較示意圖(改自 Pai YC,Wening JD,Runtz EF,et al,2003)Figure 3. Comparison of Dynamic and Static Stability Region with and without Slip Perturbation

2.4 影響動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域的因素

影響動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域形狀的因素分為外部因素和內(nèi)部因素。外部因素是指人所處的外界環(huán)境,如腳底與地面的摩擦系數(shù)大小,直接影響了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域的形狀。內(nèi)部因素是指受試者的自身身體條件,如一個(gè)人的解剖學(xué)特點(diǎn)、生理學(xué)極限包括肌肉力量大小和發(fā)力速度等,都直接影響著一個(gè)人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域的形狀,即動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域的邊界位置。這些邊界可通過(guò)數(shù)學(xué)模擬和優(yōu)化的方法確定[45,46,66]。

3 防跌倒的研究進(jìn)展

3.1 跌倒的生物力學(xué)機(jī)理

3.1.1 穩(wěn)度為負(fù)

在沒有滑動(dòng)干擾的情況下,人要完成從坐到站或向前行走的動(dòng)作應(yīng)當(dāng)是一件很容易的事,即使對(duì)健康的老年人也不是一件很困難的事。當(dāng)人體質(zhì)心在支撐面之后時(shí),人體質(zhì)心的向前速度可以將其投影帶到支撐面以內(nèi),保持人體的穩(wěn)定性;等人體質(zhì)心到達(dá)支撐面之前時(shí),人體向前邁步可以建立新的支撐面承載人體質(zhì)心的投影,也能保持人體的穩(wěn)定性。正常情況下,人體的質(zhì)心位置—速度狀態(tài)始終保持在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域以內(nèi)。當(dāng)滑動(dòng)干擾過(guò)大時(shí),人體質(zhì)心的向前速度不足以將質(zhì)心帶入支撐面內(nèi),人體質(zhì)心位置—速度狀態(tài)在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域的向后失衡邊界以下,穩(wěn)度＜0,因此,人體就會(huì)失去平衡狀態(tài)。看來(lái),人體質(zhì)心位置—速度狀態(tài)不在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域以內(nèi),穩(wěn)度＜0是人體向后跌倒的預(yù)警。

3.1.2 支撐不力

事實(shí)上,人體的穩(wěn)度＜0并不一定就意味著跌倒,如果滑動(dòng)腿能夠單腿支撐人體重力或能提供足夠的時(shí)間完成保護(hù)步,如在人體向后失衡時(shí)擺動(dòng)腿的腳向后著地,在幾百毫秒之內(nèi)人體穩(wěn)定性即可獲得恢復(fù)[8,37,58,65]。要保證人體不跌倒還需要單腿或雙腿能夠支撐身體的下降。無(wú)論是在絆倒還是滑倒時(shí),下肢不能夠提供適時(shí)和充分的人體支撐是跌倒的一個(gè)重要原因[48,52,54]。這與受到干擾之后下肢的神經(jīng)肌肉響應(yīng)有關(guān),而這些響應(yīng)受到來(lái)自脊髓或大腦皮層與任務(wù)相關(guān)的調(diào)節(jié)的影響[14,25,28,29]。人在受到突然干擾后的幾百毫秒之內(nèi)下肢肌肉的 EMG信號(hào)幅度最大,達(dá)到正常行走時(shí)4～9倍,并且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)[17,22,23,61]。但是,往往這樣的響應(yīng)仍不足以阻止人體的下降,或者可能是響應(yīng)的太遲了。下肢伸肌產(chǎn)生的強(qiáng)直控制(stiffness control)不足以補(bǔ)償滑動(dòng)帶來(lái)的重力的影響。

對(duì)于老年人,下肢的支撐不力是引起跌倒的一個(gè)非常重要的原因。而導(dǎo)致老年人下肢支撐不力的主要原因有:1)因肌力流失造成的肌力下降。肌力流失是指肌肉質(zhì)量、力量與品質(zhì)(包括結(jié)構(gòu)組成、神經(jīng)支配、收縮性、毛細(xì)血管密度、疲勞度與葡萄糖的代謝)流失的一個(gè)通稱[16]。一般情況下,50歲以上的人,其肌肉力量每10年就會(huì)下降12%～14%,肌肉質(zhì)量每 10年大約下降 6%[34],并且,老化對(duì)爆發(fā)力的影響更甚于對(duì)最大肌力的影響[3]。2)人體老化過(guò)程中神經(jīng)系統(tǒng)控制能力下降。老年人神經(jīng)傳導(dǎo)減慢,中樞整合能力削弱,反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng),中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)的控制能力下降導(dǎo)致平衡功能失調(diào)[1]。以上兩個(gè)原因決定了老年人具有速度慢、步幅短、抬不高、行不穩(wěn)、易跌倒的步態(tài)特點(diǎn)[38]。

接下來(lái)的問(wèn)題是:是否可以改變這樣的不穩(wěn)定和不足的支撐的狀況從而達(dá)到預(yù)防和避免摔倒的目的?

3.2 防跌倒的擾動(dòng)性訓(xùn)練方法

近些年來(lái),人們?cè)诓粩嗟靥剿饔行У姆赖褂?xùn)練方案,尤其是針對(duì)老年人的適宜訓(xùn)練方案。例如,通過(guò)不同組合的靜、動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)作來(lái)提高人體的平衡控制能力[15,20,57],甚至在水中進(jìn)行訓(xùn)練以保證安全性[31],利用不同組合的抗阻力量訓(xùn)練來(lái)提高下肢的肌肉力量[6,33],利用太極拳練習(xí)來(lái)綜合提高人體的防跌倒能力[27,32]等。上述從不同角度、采用不同方法對(duì)人體平衡能力進(jìn)行訓(xùn)練僅是對(duì)防跌倒的輔助的、間接的訓(xùn)練方法,還有一種更加直接的防跌倒適應(yīng)性訓(xùn)練法近些年來(lái)也取得了重要的研究進(jìn)展。簡(jiǎn)單地說(shuō),這種防跌倒的適應(yīng)性訓(xùn)練即是讓受試者在安全措施保護(hù)下直接進(jìn)行抗跌倒練習(xí),在對(duì)跌倒動(dòng)作的不斷適應(yīng)過(guò)程中提高人體對(duì)自身姿態(tài)的控制能力和對(duì)環(huán)境干擾迅速做出反應(yīng)的能力。

防跌倒的擾動(dòng)訓(xùn)練(perturbation training)屬于運(yùn)動(dòng)技能的學(xué)習(xí)和控制范疇,可以用來(lái)調(diào)動(dòng)受試者的適應(yīng)性。練習(xí)計(jì)劃顯著地影響著運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)(motor learning)的效果,特別是組合隨機(jī)練習(xí)將會(huì)顯著地延長(zhǎng)練習(xí)效果的保持時(shí)間[19]。研究證明,通過(guò)這種一次性強(qiáng)化練習(xí)(over learning)可以延長(zhǎng)步態(tài)穩(wěn)定性的保持時(shí)間到4～6個(gè)月以上,從而減少身體失衡甚至跌倒事件的發(fā)生[9]。已探索的練習(xí)計(jì)劃如下:第1步,讓受試者先完成 1組(10次)的正常行走;第2步,通過(guò)突然釋放受試者腳下所踩的滑板使受試者進(jìn)行沒有預(yù)期的1組(8次)滑動(dòng)測(cè)試;第3步,進(jìn)行1組(3次)無(wú)滑動(dòng)的正常行走;第4步,再進(jìn)行1組(8次)滑動(dòng)練習(xí);第5步 ,再進(jìn)行1組(3次)無(wú)滑動(dòng)練習(xí);第6步,最后進(jìn)行1組(15次)滑動(dòng)和不滑動(dòng)的隨機(jī)組合測(cè)試(其中滑動(dòng)練習(xí)8次)。從第一次滑動(dòng)練習(xí)開始,共計(jì)進(jìn)行了24次滑動(dòng)練習(xí),并根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)原理在滑動(dòng)練習(xí)期間安排了共計(jì)13次無(wú)滑練習(xí)。為了了解上述練習(xí)的效果,之后又安排了4次重測(cè)實(shí)驗(yàn),時(shí)間間隔依次為1周、2周,1個(gè)月和4個(gè)月。每次重測(cè)都是先讓受試者進(jìn)行8～13次的正常行走練習(xí),之后再進(jìn)行一次突然的受試者事先沒有預(yù)期的滑動(dòng)練習(xí)。在重測(cè)過(guò)程中,受試者只是意識(shí)到腳下的滑板有可能會(huì)突然被釋放產(chǎn)生滑動(dòng),但卻無(wú)法確定滑動(dòng)會(huì)在哪一次練習(xí)中發(fā)生。

為了評(píng)價(jià)練習(xí)效果,選測(cè)兩個(gè)參數(shù):滑前穩(wěn)度(滑動(dòng)腳踏上滑板時(shí)的人體穩(wěn)度)和滑后穩(wěn)度(擺動(dòng)腿離地時(shí)的人體穩(wěn)度)。前者反映了人對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的前饋反應(yīng),后者則反映了人對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生后的反饋?lái)憫?yīng)。研究結(jié)果[9]顯示:1)在練習(xí)期間受試者能夠很快地提高滑前和滑后的穩(wěn)度。滑前穩(wěn)度的提高是因?yàn)槭茉囌咭庾R(shí)到有滑倒的危險(xiǎn),及時(shí)調(diào)整身體姿態(tài)以使質(zhì)心位置—速度狀態(tài)不論滑動(dòng)是否產(chǎn)生都處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi),以減小對(duì)后續(xù)反饋?lái)憫?yīng)的依賴。但是,受試者只是意識(shí)到危險(xiǎn)還不足以避免身體失衡和滑倒,還必須親身經(jīng)歷滑動(dòng)過(guò)程才能抵制身體失衡甚至跌倒,意識(shí)滑動(dòng)危險(xiǎn)和實(shí)際體驗(yàn)滑動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生不同的適應(yīng)性,后者更加重要,在練習(xí)過(guò)程中可以改善本體感覺、提高人體神經(jīng)肌肉的響應(yīng)能力,從而提高了滑后的穩(wěn)度。2)一次性的初始練習(xí)期過(guò)后,練習(xí)期結(jié)束時(shí)的滑前穩(wěn)度在練習(xí)之后的測(cè)試期內(nèi)是可以完全保持的,而滑后穩(wěn)度有所下降,在練習(xí)期內(nèi)獲得的防跌倒能力在一定程度上可以保持至少4個(gè)月[10]。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)已能初步證明,同樣的訓(xùn)練運(yùn)用在老年人中效果至少可以達(dá)到6個(gè)月以上。

這種適應(yīng)性訓(xùn)練手段在不同項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行練習(xí)都會(huì)有效,實(shí)驗(yàn)表明,利用從坐到站動(dòng)作的加滑擾動(dòng)練習(xí)(sit-to-stand-slip)與利用行走時(shí)的加滑擾動(dòng)練習(xí)(gait-slip)可以取得同樣良好的練習(xí)效果[10]。而且,在實(shí)驗(yàn)室和診所內(nèi)通過(guò)擾動(dòng)訓(xùn)練而使人獲得的抗跌倒技能可以在不同于受訓(xùn)條件的實(shí)際生活場(chǎng)景中發(fā)揮作用。實(shí)驗(yàn)表明,經(jīng)過(guò)在滑板上隨機(jī)組合滑倒練習(xí)的受訓(xùn)者在油滑的地面上行走,相對(duì)于沒有經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的對(duì)照群體(control group),其穩(wěn)定性顯著提高、跌倒的幾率明顯減小[11]。那么,這些訓(xùn)練效果的神經(jīng)控制的機(jī)理是什么呢?

3.3 防跌倒的動(dòng)作控制原理

通過(guò)練習(xí)人能夠在不同的活動(dòng)中適應(yīng)外界環(huán)境突然和沒有預(yù)期的變化[40,42],而且,老年人這種適應(yīng)能力也完全存在[53]。這對(duì)開展防跌倒練習(xí)提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在防跌倒練習(xí)中,有兩方面的動(dòng)作控制原理在起著重要作用,即對(duì)動(dòng)作的前饋控制和反饋控制。

3.3.1 前饋控制

前饋控制是指在外界環(huán)境發(fā)生變化或干擾產(chǎn)生之前由于人對(duì)危險(xiǎn)的經(jīng)驗(yàn)、認(rèn)識(shí)和預(yù)期而使中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)包括它的運(yùn)動(dòng)皮層對(duì)運(yùn)動(dòng)指令根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修改后發(fā)出以達(dá)到對(duì)動(dòng)作進(jìn)行控制和對(duì)即將到來(lái)的干擾進(jìn)行事前調(diào)整的目的,屬于一種離線控制方式。在前饋控制階段,神經(jīng)系統(tǒng)有充分的時(shí)間來(lái)預(yù)計(jì)危險(xiǎn)的可能性及程度并對(duì)動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)環(huán)境的變化。在防跌倒的適應(yīng)性練習(xí)過(guò)程中,人已經(jīng)意識(shí)到了外界環(huán)境變化可能產(chǎn)生的危險(xiǎn),例如,腳下所踩的滑板、濕滑的地面等都會(huì)導(dǎo)致人的失衡和滑倒,神經(jīng)系統(tǒng)就會(huì)通過(guò)前饋控制對(duì)動(dòng)作進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)調(diào)整。這些預(yù)調(diào)整充分說(shuō)明了神經(jīng)系統(tǒng)在控制人體穩(wěn)定性上的預(yù)測(cè)作用[4]。

在防跌倒的適應(yīng)性練習(xí)過(guò)程中,神經(jīng)系統(tǒng)通過(guò)前饋控制不斷調(diào)整人體姿勢(shì),如通過(guò)減小步長(zhǎng)、平腳著地、加大膝屈等動(dòng)作使人體質(zhì)心的位置更加向前,提高了滑前穩(wěn)度。這些姿態(tài)的改變也可以直接減小人體對(duì)地面摩擦阻力的要求,對(duì)滑動(dòng)開始后人運(yùn)用“走過(guò)”(walkover)和“滑過(guò)”(skate-over)的動(dòng)作技巧來(lái)抵御跌倒有很大的影響。而這兩種技巧成功的運(yùn)用都會(huì)使擺動(dòng)腿向前邁步來(lái)防止人體跌倒。而且,前饋控制的運(yùn)用還會(huì)減小人對(duì)后續(xù)反饋控制的依賴。由此可知,提高前饋控制是運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)和適應(yīng)性訓(xùn)練的最主要的機(jī)制之一。

3.3.2 反饋控制

反饋控制是指人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)(PNS)對(duì)外界環(huán)境發(fā)生變化或干擾產(chǎn)生之后對(duì)動(dòng)作進(jìn)行的快速調(diào)整,屬于一種在線控制方式。這些調(diào)整的神經(jīng)機(jī)制包括調(diào)動(dòng)脊柱神經(jīng)反射(spinal reflexes)和超脊柱(supraspinal)姿態(tài)自動(dòng)保護(hù)性反應(yīng)(automatic posture response),前者往往不足以對(duì)抗大幅度或大強(qiáng)度的干擾,后者由于可以來(lái)自于腦干(brainstem)或者出自于大腦皮層的反射,這類反應(yīng)往往可以干擾到人體所有的四肢和軀干,反應(yīng)也表現(xiàn)的較為劇烈,因此,相對(duì)而言后者就更為有效。在防跌倒的適應(yīng)性練習(xí)中,盡管前饋控制可以減小對(duì)反饋控制的依賴,但卻無(wú)法達(dá)到完全替代的程度。因?yàn)橐庾R(shí)到滑動(dòng)的危險(xiǎn)只能改變滑動(dòng)腿著地時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),而只有經(jīng)過(guò)多次體驗(yàn)滑動(dòng)的過(guò)程才能改變滑前肌肉活動(dòng)和滑動(dòng)腳著地時(shí)與地面的相互作用力。同時(shí),適應(yīng)性練習(xí)還可以提高反饋控制的效能,主要表現(xiàn)有保護(hù)步的步長(zhǎng)減小、反應(yīng)時(shí)間縮短等。在提高重力支撐方面,適應(yīng)性練習(xí)主要是提高了膝關(guān)節(jié)伸肌完成向心收縮輸出正功的能力[49]。

根據(jù)外界環(huán)境發(fā)生變化和干擾產(chǎn)生的程度不同,反饋控制所發(fā)出的動(dòng)作信號(hào)強(qiáng)度也不同,表現(xiàn)出不同的動(dòng)作技巧。對(duì)于小幅度和慢速度的干擾主要是依靠踝關(guān)節(jié)的動(dòng)作技巧來(lái)抵制不穩(wěn)定,常稱為“踝技巧”(ankle strategy)[21,28];對(duì)于大幅度和快速的干擾,因其涉及軀干、髖、膝、踝等多個(gè)環(huán)節(jié)的相互協(xié)調(diào)動(dòng)作,其中髖關(guān)節(jié)起主導(dǎo)作用來(lái)抵抗不穩(wěn)定,常稱為“髖技巧”(hip strategy)[39];對(duì)于更大幅度、更大速度的干擾,以致需要通過(guò)擴(kuò)大或改變支撐面才能保持穩(wěn)定的情況,則需要向前或向后踏步才能抵御不穩(wěn)定,這樣的技巧常稱為“踏步技巧”(stepping strategy)[37]。因而,提高反饋控制是動(dòng)作學(xué)習(xí)的另一個(gè)重要機(jī)制。

4 小結(jié)

隨著世界范圍內(nèi)老齡化社會(huì)問(wèn)題的日益嚴(yán)重,以及一些有運(yùn)動(dòng)障礙的特殊群體的擴(kuò)大,跌倒已成為一個(gè)世界性的社會(huì)問(wèn)題。人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性理論是防跌倒研究的理論基礎(chǔ),目前已經(jīng)取得了有價(jià)值的進(jìn)展,但離實(shí)質(zhì)性地解決問(wèn)題還有相當(dāng)大的差距,將來(lái)仍需在以下幾個(gè)方面開展更加深入的研究:1)不同環(huán)境、不同狀態(tài)下的人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性理論的探索、總結(jié);2)人體跌倒及預(yù)防跌倒中的神經(jīng)力學(xué)機(jī)制研究;3)更加有效地預(yù)防跌倒的訓(xùn)練方法、程序的探索及推廣。隨著上述研究的逐步深入,預(yù)防跌倒問(wèn)題有望得到突破性解決。

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Development of Dynamic Stability Theory of Human Body and Perturbation Training for Fall Prevention

LI Shi-ming1,Yi-Chung Pai2,Feng Yang2,Tanvi Bhatt2

隨著世界范圍內(nèi)老齡化社會(huì)問(wèn)題的日益嚴(yán)重,以及一些有運(yùn)動(dòng)障礙的特殊群體的擴(kuò)大,致使跌倒成為了一個(gè)嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性理論是防跌倒研究的理論基礎(chǔ),目前已經(jīng)取得了有價(jià)值的進(jìn)展。人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性理論不同于靜態(tài)穩(wěn)定性理論,后者給出的是人體質(zhì)心位置與支撐面之間的相對(duì)位置關(guān)系,而前者增加了人體質(zhì)心速度的因素,給出的是人體質(zhì)心位置—速度狀態(tài)與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域之間的關(guān)系,可利用穩(wěn)度來(lái)判定人體所處的穩(wěn)定狀態(tài),甚至定量評(píng)價(jià)人體的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定程度。影響跌倒的主要因素有二:穩(wěn)度為負(fù)和支撐不力。在防跌倒的研究中進(jìn)行適應(yīng)性練習(xí)可顯著地提高滑前穩(wěn)度和滑后穩(wěn)度,分別體現(xiàn)了前饋控制和反饋控制對(duì)人體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的神經(jīng)生理影響。

動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性;防跌倒;擾動(dòng)性訓(xùn)練;人體質(zhì)心;位置—速度

Given the fact of the aging society across the world and the enlarging population with disability,fall is becoming a serious social problem.As the theoretical basis of fall prevention,the dynamic stability theory of human body has achieved an important improvement.Dynamic stability differs from static stability with the latter characterizing the relationship between the positions of center of mass(COM)of human body and its base of support.However,the former takes into consideration the factor of COM velocity besides the position;and describes the dynamic relationship between COM motion state(i.e.,the combination of position&velocity of COM of human)and dynamic stability region.Stability can be used to determine if the human body is in stable condition.Further,it can be employed to evaluate the degree of stability of human quantitatively.There are two contributing factors which cause falls:instability and weak weight support.Perturbation training in fall prevention can improve stability before and after slip,which represents the neurophysiology influences of feed-forward control and feedback control on dynamic stability of human body respectively.

dynamic stability;f all prevention;perturbation training;center of mass of human body;position-velocity

G804.6

A

1000-677X(2011)04-0067-08

2010-10-18;

2011-03-21

李世明(1969-),男,山東棲霞人,教授,博士,碩士研究生導(dǎo)師,研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制與健康促進(jìn),Tel:(0535)6681336,E-mail:leesm0503@sohu.com;Yi-Chung Pai(1952-),男,美籍華人,教授,博士,博士研究生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榕R床步態(tài)與運(yùn)動(dòng)分析,E-mail:cpai@uic.edu;Feng Yang(1976-),男,副教授,博士,研究方向?yàn)槿梭w運(yùn)動(dòng)分析和計(jì)算生物力學(xué),E-mail:yangf2050@yahoo.com;Tanvi Bhatt(1975-),女,美籍印度人,副教授,博士,研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制,E-mail:tanvib@yahoo.com。

1.School ofPhysicalEducation,Ludong University,Yantai 264025,China;2.College of Applied Health Sciences,University of Illinois at Chicago,Illinois Chicago 60612,USA.