最大重心-壓力中心傾角法評估不同年齡人群靜態(tài)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(tài)平衡的研究

王尹芝1，顧冬云2，戴尅戎1

目的 應(yīng)用最大重心-壓力中心傾角法比較青、中、老年人群靜態(tài)平衡能力差異及特征。方法 使用三維運(yùn)動捕捉系統(tǒng)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(tài)下的重心及壓力中心數(shù)據(jù)，計(jì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果 在睜眼雙足站立及閉眼單、雙足站立3種狀態(tài)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(shí)，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(jié)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(tài)平衡提供一種新的靜態(tài)平衡評估指標(biāo)。

靜態(tài)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(tài)平衡的研究[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐,2015,21(8):967-973.

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

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

應(yīng)用重心(center ofmass,COM)及壓力中心(centerof pressure,COP)參數(shù)評估人體靜態(tài)平衡的原理為：當(dāng)人體平衡被干擾時(shí)，人體控制系統(tǒng)提供一系列的反應(yīng)和前饋校正，通過肌肉骨骼系統(tǒng)，不斷保持重心的軌跡靠近壓力中心[10]。COM-COP參數(shù)既往的具體評估指標(biāo)有：①重心及壓力中心軌跡包絡(luò)面積，即人體重心動搖軌跡所覆蓋的區(qū)域面積，其能夠反映人體在保持平衡時(shí)重心的搖擺程度，即反映人體平衡障礙的程度，但其缺點(diǎn)是計(jì)算較為復(fù)雜；②COM-COP分離距離即重心和壓力中心同一時(shí)刻在水平面位置的分離距離，它與重心水平加速度具相關(guān)性，反映了靜態(tài)平衡控制系統(tǒng)的 “誤差”。人體COM-COP分離距離與人體身高參數(shù)有關(guān)，其結(jié)果為個(gè)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(rèn)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(yùn)用COM-COP傾角法的實(shí)驗(yàn)尚少，目前該方法在國內(nèi)還未被使用。計(jì)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(jié)果進(jìn)行歸一化處理。本實(shí)驗(yàn)計(jì)算人體在不同站立狀態(tài)維持平衡時(shí)的最大COM-COP傾角，以比較評估上海地區(qū)青、中、老年人群靜態(tài)平衡能力的差異，并計(jì)算不同年齡人群靜態(tài)平衡時(shí)的重心及壓力中心軌跡包絡(luò)面積結(jié)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(qū)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(wù)工作者和退休教師等。其中男性17名，女性20名。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①體質(zhì)過敏；②嚴(yán)重心血管、肺、肝、腎和造血系統(tǒng)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(yùn)動練習(xí)。

受試者確認(rèn)自愿參加實(shí)驗(yàn)并知情實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，簽署知情同意書，且根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求做好準(zhǔn)備工作。實(shí)驗(yàn)過程由專人完成，嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)場地為交通大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)教育部工程研究中心三維步態(tài)實(shí)驗(yàn)室。設(shè)備為VICON T40三維運(yùn)動捕捉系統(tǒng)(英國VICON公司生產(chǎn)，100Hz)，該系統(tǒng)包括10 個(gè)400萬像素的紅外攝像頭和一個(gè)高速攝像頭，39個(gè)熒光反射標(biāo)記點(diǎn)(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(shí)驗(yàn)方法

受試者均穿緊身運(yùn)動衣褲，赤足，由專業(yè)人員依據(jù)VICON Plug-in-Gait標(biāo)準(zhǔn)，將39個(gè)熒光反射標(biāo)記點(diǎn)貼于骨性標(biāo)志上，在三維運(yùn)動學(xué)采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用VICON T40三維運(yùn)動捕捉系統(tǒng)采集其重心以及壓力中心數(shù)據(jù)。具體粘貼熒光反射標(biāo)記點(diǎn)的骨性標(biāo)志見表1。

表1 粘貼熒光反射標(biāo)記點(diǎn)的骨性標(biāo)志點(diǎn)

1.3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

受試者粘貼熒光反射標(biāo)記點(diǎn)后，于試驗(yàn)場地中以不同站立狀態(tài)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(shí)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(shí)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(tài)測試時(shí)間為30 s，重復(fù)測量3次，每次測量之間休息30 s，供受試者恢復(fù)體力。整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)與處理計(jì)算方法

COM-COP傾角的定義為同一時(shí)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(yùn)動捕捉軟件Vicon Nexus1.7.1直接取得受試者重心及壓力中心數(shù)據(jù)[8]，并由軟件計(jì)算得到受試者在各種站立狀態(tài)下的軌跡包絡(luò)面積與每個(gè)時(shí)刻的COM-COP傾角。

各組每個(gè)受試者有4種站立狀態(tài)(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(tài)各自重復(fù)3次，一次記錄30 s，每秒100幀，一次站立得到3000個(gè)θ1、θ2傾角數(shù)據(jù)及1組包絡(luò)面積數(shù)據(jù)，傾角數(shù)據(jù)取其峰值。每種狀態(tài)共站立3次，即得到3個(gè)傾角峰值及3組包絡(luò)面積數(shù)據(jù)，傾角取其平均峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[10]；包絡(luò)面積取其均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)以上的方法處理每個(gè)受試者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 COM-COP傾角

本實(shí)驗(yàn)在測試三組于各種站立狀態(tài)下維持姿勢平衡時(shí)發(fā)現(xiàn)，在3種狀態(tài)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(shí)，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(tài)下冠狀面COM-COP傾角

圖4 三組于各種站立狀態(tài)下矢狀面COM-COP傾角

不考慮年齡因素，在睜眼狀態(tài)下，維持單足站立及雙足站立時(shí)，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(shí)，睜眼與閉眼狀態(tài)之間則無顯著性差異(P＞0.05)。見表2。

表2 不同站立狀態(tài)下冠狀面COM-COP傾角(°)

2.2 重心、壓力軌跡包絡(luò)面積

各組重心軌跡包絡(luò)面積在各種站立狀態(tài)下均無顯著性差異(P＞0.05)；而壓力中心軌跡包絡(luò)面積僅在睜眼單足站立時(shí)，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(tài)下重心軌跡包絡(luò)面積(cm2)

表4 不同站立狀態(tài)下壓力中心軌跡包絡(luò)面積(cm2)

2.3 閉眼單足站立維持時(shí)間

實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，閉眼單足站立時(shí)，全體老年組閉眼單足站立的維持時(shí)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(shí)間的人數(shù)百分比(%)

3 討論

靜態(tài)平衡是人體一項(xiàng)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(dǎo)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(tài)平衡的能力有所下降。

當(dāng)大部分實(shí)驗(yàn)關(guān)注于老年人時(shí)，作為銜接青、老年的時(shí)段，中年人被指出也承受高跌倒風(fēng)險(xiǎn)，但目前只有少數(shù)關(guān)于中年人平衡能力的研究。相較老年人，中年人群逐漸表現(xiàn)出生理上的改變和靜態(tài)穩(wěn)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(xiàn)出相似的軀干角擺動，提示中年人也應(yīng)該注意調(diào)整自身以適應(yīng)更嚴(yán)峻的機(jī)體老化[14-15]。但在本實(shí)驗(yàn)中，并沒有發(fā)現(xiàn)中年與青年人群之間在平衡能力上的統(tǒng)計(jì)學(xué)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(jié)果顯示，在閉眼時(shí)，無論是雙足還是單足站立，三組均無顯著性差異；在睜眼時(shí)，雙足站立三組無顯著性差異，而單足站立時(shí)，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(wěn)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(shí)，最大COM-COP傾角無顯著性差異；而在單足站立時(shí)，老年組的平均最大COM-COP傾角比青、中年組大(P＜0.05)。說明當(dāng)老年人維持單足靜態(tài)平衡時(shí)，其軀干搖晃幅度比青、中年人大，平衡不如青、中年人群穩(wěn)定。壓力中心軌跡包絡(luò)面積的結(jié)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(tài)平衡不如青、中年人群穩(wěn)定，可能與年齡增加導(dǎo)致的前庭及本體感覺退化、骨骼系統(tǒng)功能下降，下肢肌肉力量下降而導(dǎo)致肌肉與關(guān)節(jié)功能減弱、移動功能下降等影響因素相關(guān)[16-17]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示，所有受試者在維持雙足站立時(shí)，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(tài)下，維持雙足站立和單足站立姿勢時(shí)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(qiáng)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(tài)平衡時(shí)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(dǎo)致的平衡能力下降影響較大相關(guān)。

人體的靜態(tài)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(shí)，提供從環(huán)境至自身位置等重要信息[21-23]。除去視覺輔助導(dǎo)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(shí)的最大COM-COP傾角在統(tǒng)計(jì)學(xué)上沒有差異的原因。

在本研究中發(fā)現(xiàn)，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(luò)面積的結(jié)果也支持該結(jié)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(gè)較精確、直觀區(qū)分平衡能力的評估指標(biāo)？當(dāng)前臨床上尚無統(tǒng)一評定人體平衡能力的評估指標(biāo)，既往臨床上常使用量表及閉眼單足站立時(shí)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(dāng)評判項(xiàng)目過多時(shí)操作也較為繁復(fù)。本研究中也發(fā)現(xiàn)，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(xiǎn)性，測試閉眼單足站立時(shí)間得出的結(jié)果個(gè)體差異大，不建議作為臨床指標(biāo)。

單足站立下比較最大COM-COP傾角尚不是一個(gè)用來評估平衡能力、預(yù)測跌倒的指標(biāo)，但在許多研究靜態(tài)平衡的實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，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(zhǔn)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(shí)的情況評分，發(fā)現(xiàn)可以以簡單的測試區(qū)分出社區(qū)中有膝關(guān)節(jié)疼痛的老年人[24]。Chang等也在使用靜態(tài)平衡研究老年人跌倒的實(shí)驗(yàn)及隨訪結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，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(shí)間小于平均單足站立時(shí)間的老年人跌倒的風(fēng)險(xiǎn)更大，也說明使用單足站立測試能更準(zhǔn)確地預(yù)測老年人的跌倒危險(xiǎn)[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(jià)成年人和老年人平衡能力的重要素質(zhì)指標(biāo)，有大量的測試工作；但由于測試中部分受試者會出現(xiàn)不能閉眼單足站立，或者站立時(shí)間過短，對于這一類人群，很難進(jìn)一步區(qū)分其平衡能力；而睜眼單足站立增加了視覺補(bǔ)充，部分彌補(bǔ)平衡能力，其結(jié)果能較好地區(qū)分平衡能力[26]，從而避免動作難度過高而導(dǎo)致的差異無顯著性。

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

既往調(diào)查指出，減少老年人摔倒要以預(yù)防為主。尋找可靠簡便的平衡評估指標(biāo)能夠較好地幫助區(qū)別出失衡老年人群，為預(yù)防老年人群跌倒起到指導(dǎo)預(yù)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(gè)更直觀簡便的檢測目前尚待研究。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)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(tài)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(xué)基金項(xiàng)目(No.31170901)；2.上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計(jì)劃項(xiàng)目(No.13441902900)。

1.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院骨科，上海市200011；2.上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，數(shù)字醫(yī)學(xué)臨床轉(zhuǎn)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(yī)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(tài)平衡能力。