人體動態(tài)穩(wěn)定性控制理論在老年人防跌倒中的應用

徐欣，溫子星

人體動態(tài)穩(wěn)定性控制理論在老年人防跌倒中的應用

徐欣1，溫子星2

跌倒與人體穩(wěn)定性密切相關(guān)，在老年人中，穩(wěn)定性差是跌倒的主要原因。與靜態(tài)穩(wěn)定性控制理論相比，動態(tài)穩(wěn)定性控制理論更強調(diào)以人體質(zhì)心位置-速度的交互作用預測人體動態(tài)穩(wěn)定邊界，而非簡單地以質(zhì)心與支撐面的位置關(guān)系作為評價人體穩(wěn)定性的指標。利用動態(tài)穩(wěn)定性控制理論可更準確進行跌倒風險評估，在訓練中強調(diào)應從整體水平促進人體穩(wěn)定性的提高，促進中樞神經(jīng)對平衡干擾刺激的適應性改變。但訓練方案還需要進一步研究。

動態(tài)穩(wěn)定性；跌倒；姿勢控制；老年；康復；綜述

跌倒是指人體在受到自身或外界干擾刺激時，平衡狀態(tài)喪失，引發(fā)意外的體位改變，導致傾斜著地的突發(fā)事件[1-2]。跌倒可發(fā)生于各個年齡段。由于老年人神經(jīng)系統(tǒng)控制能力、感覺信息傳導統(tǒng)合能力、肌肉骨骼系統(tǒng)生理功能下降，以及疾病等因素的影響[3-4]，跌倒在老年人中發(fā)病率較高。相關(guān)流行病學研究顯示[5]，在65歲以上老年人中，跌倒發(fā)生率約為28%～35%；70歲以上老年人跌倒發(fā)生率達32%～42%。老年人跌倒后易發(fā)生骨折、心腦血管意外甚至死亡等較嚴重后果，且愈后較差，跌倒發(fā)生后機體運動能力下降，影響生活質(zhì)量[6]，且明顯加重社會醫(yī)療和經(jīng)濟負擔[7-9]。

一般認為，跌倒的發(fā)生和人體穩(wěn)定性控制能力有關(guān)，姿勢穩(wěn)定性控制能力較差者，跌倒的發(fā)生率較高。因此，人體穩(wěn)定性相關(guān)理論發(fā)展水平及訓練方法的創(chuàng)新和發(fā)展，對跌倒預防，尤其是老年人跌倒預防具有重要意義。近年來，運動控制及康復領域研究者在人體穩(wěn)定性控制機制方面進行了大量的探索研究，并取得非常有意義的進展，尤其是動態(tài)穩(wěn)定性控制理論的提出和發(fā)展，使我們對于人體姿勢穩(wěn)定性控制機制有了更為深入的認識，并對老年人跌倒風險評估、康復訓練方法的創(chuàng)新完善都有非常重要的指導意義。

1 人體穩(wěn)定性控制理論

穩(wěn)定性可定義為人體在支撐面不發(fā)生改變的情況下，抵抗平衡干擾，維持或恢復穩(wěn)定站立姿勢的能力[10]。傳統(tǒng)觀點認為，人體質(zhì)心(center of mass,CoM)的地面投影與支撐面(base of support,BoS)的位置關(guān)系是判定是否處于穩(wěn)定狀態(tài)的指標。當人體質(zhì)心投影處于支撐面范圍內(nèi)，人體將處于穩(wěn)定狀態(tài)，否則人體將不能維持站立姿勢，需要通過邁步重新回到穩(wěn)定狀態(tài)或發(fā)生跌倒[11-12]，也就是說，當質(zhì)心落在支撐面前方時，人體需要通過向前邁步來恢復平衡或發(fā)生向前跌倒，其他方向的穩(wěn)定性也一樣。需要指出的是，力學上的支撐面指的是足底壓力中心(center of pressure,CoP)所能到達的范圍[13]，可以簡單地理解為連接每個邊緣支撐點的線所包圍的區(qū)域內(nèi)部。

受人體生理活動、日常生活所處環(huán)境等多種因素影響，人體不會處于絕對靜止或平衡狀態(tài)，會時刻受到來自自身或外界的平衡干擾刺激。為防止跌倒，中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)需要通過視覺、本體覺、觸覺等多種感覺信息的整合，對質(zhì)心與支撐面的相對位置做出準確判斷，及時做出響應，支配相關(guān)肌肉協(xié)同收縮，使人體維持或重新恢復穩(wěn)定狀態(tài)。

傳統(tǒng)理論將質(zhì)心與支撐面的位置關(guān)系看作評價人體穩(wěn)定狀態(tài)的唯一指標。支撐面的大小是影響人體穩(wěn)定性一個很重要的因素，支撐面大則穩(wěn)定性提高，支撐面小則穩(wěn)定性較差。此觀點使我們對人體穩(wěn)定性控制機制有初步認識，迄今仍具有較強的生命力。此觀點可以很好地解釋單腿支撐時人體穩(wěn)定性差于雙腿支撐；而雙腿分開時，人體左右方向的穩(wěn)定性進一步獲得提高。老年人或肢體障礙患者通過使用拐杖增加穩(wěn)定性，也是通過增加支撐面積獲得的。質(zhì)心的偏移幅度也是評價人體穩(wěn)定性的重要指標，質(zhì)心偏移幅度越大表示越接近支撐面邊界，穩(wěn)定性越差。

需要指出，此觀點將人體質(zhì)心看作處于靜止狀態(tài)，并未將人體運動過程中質(zhì)心的移動性考慮在內(nèi)。這種靜態(tài)穩(wěn)定性觀點對人體運動中的一些現(xiàn)象很難做出解釋，如從坐位到站位的過程中，人體在離開椅子的瞬間，身體質(zhì)心處于支撐面后方，按靜態(tài)穩(wěn)定性觀點，人體是不穩(wěn)定的；但事實上，健康人可以平穩(wěn)地從坐位過渡到站立位。靜態(tài)穩(wěn)定性觀點在評估靜態(tài)平衡或人體運動速度相對較慢時適用，但在走、跑、坐-起等老年人較易出現(xiàn)跌倒的大范圍運動的動作分析及跌倒風險評估中，具有很大應用局限性。

2 動態(tài)穩(wěn)定性控制理論

基于靜態(tài)穩(wěn)定性控制理論的局限性，Pai等[14]提出質(zhì)心水平方向移動速度也是影響人體穩(wěn)定性的重要因素，將質(zhì)心位置-速度交互作用與支撐面的關(guān)系作為評價人體姿勢穩(wěn)定性的指標，而非單純考慮質(zhì)心與支撐面的位置關(guān)系。這一理論可以簡單描述為，當質(zhì)心移動速度較大時，即使質(zhì)心投影處于支撐面范圍內(nèi)，也有可能移動至支撐面外，此時人體將無法維持穩(wěn)定的站立姿勢；相反，若質(zhì)心投影處于支撐面外，但具有足夠的朝向支撐面方向的移動速度，人體也可能會維持穩(wěn)定的站立姿勢(無跌倒發(fā)生或通過邁步來恢復平衡)。在此基礎上，他們還定義了“穩(wěn)定界限(stability boundary)”的概念[15]，將人體質(zhì)心位置和速度相結(jié)合考慮人體的平衡穩(wěn)定區(qū)域。以人體質(zhì)心向前運動為例，如果質(zhì)心在地面投影到達支撐面范圍內(nèi)時，其速度已降為0，則人體處于不會出現(xiàn)跌倒或通過其他方式恢復平衡的狀態(tài)；如果到達支撐面最前端(足尖)時，其速度仍大于0，則是不穩(wěn)定的，將出現(xiàn)向前方向的失衡，或需通過向前邁步重新恢復平衡；若在到達支撐面最后端(足跟)之前速度已降為0，則會出現(xiàn)向后方向跌倒，或需通過向后方邁步重新恢復平衡。此后不斷有學者對此觀點進行完善補充，我國學者武明等[16]、李世明等[17]對此概念進行進一步闡述，并從工程學、生物力學等不同角度對人體動態(tài)穩(wěn)度的概念進行分析。

不同于傳統(tǒng)的靜態(tài)理論，動態(tài)穩(wěn)定性控制理論將質(zhì)心在水平方向的移動速度作為一項重要的因素加以考慮，即雖然在動作發(fā)生的某一瞬間，人體質(zhì)心可能并不在支撐面內(nèi)，但通過人體質(zhì)心的移動，可不斷調(diào)節(jié)其與支撐面的位置關(guān)系，使得動作在進行過程中，人體質(zhì)心可以重新回到支撐面內(nèi)，此時，人體仍會處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會發(fā)生失衡而導致跌倒狀況的發(fā)生。此觀點可以很好解釋為什么步行是人體不斷的失衡和再平衡的動態(tài)過程；也可以解釋坐位起立過程中，在動作發(fā)生的瞬間，人體質(zhì)心處于支撐面后方，但此時身體質(zhì)心具有向前的速度，使得在動作結(jié)束前，身體質(zhì)心可以回到并保持在支撐面范圍內(nèi)，人體將處于穩(wěn)定狀態(tài)。動態(tài)穩(wěn)定性控制理論也強調(diào)控制質(zhì)心移動速度的重要性，外界干擾刺激發(fā)生后，人體內(nèi)力(肌肉力量)在控制質(zhì)心移動速度中發(fā)揮主要作用。這也解釋了肌肉力量及神經(jīng)肌肉控制在人體穩(wěn)定性控制中的重要性。

3 動態(tài)姿勢穩(wěn)定性控制機制

姿勢控制能力是指當人體平衡狀態(tài)受到自身或外界的干擾刺激時，能夠維持或快速恢復至平衡狀態(tài)的能力[18]。人體姿勢穩(wěn)定性主要通過前饋控制和反饋控制加以維持。

前饋控制(feedforward control)是指在外界環(huán)境變化或干擾產(chǎn)生之前，由于人體對即將到來的危險刺激的認識和以往生活經(jīng)驗，CNS對姿勢控制相關(guān)肌肉做出提前的動員，對即將到來的干擾進行事前調(diào)整。此調(diào)節(jié)機制又稱預測性姿勢調(diào)節(jié)(anticipatory postural adjustments,APAs)，最早由蘇聯(lián)科學家提出[19]，此后不斷有學者對其作用機制和作用效果進行研究分析。大量研究證實，通過擾動發(fā)生前人體做出的提前動員，對即將到來的平衡干擾呈現(xiàn)出準備狀態(tài)，可有效降低干擾發(fā)生后身體的失衡程度，降低跌倒發(fā)生率[20-21]。

反饋控制(feedback control)是指在干擾刺激發(fā)生后，CNS根據(jù)干擾的類型和強度做出反應，快速調(diào)節(jié)身體姿勢，使人體重新回到平衡狀態(tài)。在干擾發(fā)生后，人體為了維持身體的穩(wěn)定性，會根據(jù)外部干擾的類型和強弱使用以下幾種平衡控制策略，即踝關(guān)節(jié)策略、膝關(guān)節(jié)策略、髖關(guān)節(jié)策略和邁步策略[22]。當外部干擾刺激較弱時，僅通過踝關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)就可以將人體質(zhì)心恢復到支撐面內(nèi)；刺激較強時，需要膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的調(diào)節(jié)才可以控制身體質(zhì)心的偏移；刺激強度繼續(xù)增加，則需要通過邁步來重新建立支撐面，防止跌倒[23]。

人體平衡調(diào)節(jié)即對質(zhì)心狀態(tài)(包括質(zhì)心位置與速度兩個因素)與支撐面位置關(guān)系的調(diào)節(jié)，平衡狀態(tài)下此兩者關(guān)系處于正確的穩(wěn)定狀態(tài)；當來自自身或外部平衡干擾刺激出現(xiàn)時，兩者的關(guān)系出現(xiàn)改變，質(zhì)心處于動態(tài)穩(wěn)定邊界之外，此時CNS需準確感知人體失衡類型及失衡程度，選擇適合的平衡恢復策略做出反應，調(diào)節(jié)人體質(zhì)心，使其恢復至平衡狀態(tài)。有兩點需要指出：①平衡調(diào)節(jié)過程為一連續(xù)動態(tài)調(diào)整過程，CNS需時刻根據(jù)質(zhì)心與支撐面的位置關(guān)系作出適當調(diào)整；②與靜態(tài)穩(wěn)定性控制理論不同，動態(tài)穩(wěn)定性控制理論認為，控制質(zhì)心移動速度也是姿勢穩(wěn)定性調(diào)節(jié)的重要組成部分，這對CNS、肌肉骨骼系統(tǒng)的功能提出更高要求，需要CNS快速感知人體質(zhì)心狀態(tài)的改變，并作出準確判斷，支配相關(guān)姿勢控制肌快速準確地協(xié)同收縮，有效控制人體質(zhì)心的偏移。隨著年齡增加，神經(jīng)系統(tǒng)及運動系統(tǒng)功能都將出現(xiàn)不同程度下降。王蕓等[24]對比青年人和老年人從靜止站立到向前邁步時的肌肉收縮特征，發(fā)現(xiàn)老年人在這一運動過程中，肌肉動員的潛伏時間要長于青年人，且肌肉收縮的協(xié)調(diào)性較差，認為較長的肌肉動員潛伏時間和較差的肌肉協(xié)同收縮能力，加之老年人肌力減退，是導致老年人平衡控制能力下降，易發(fā)生跌倒的重要原因。

4 在老年人跌倒風險評估中的應用

動態(tài)穩(wěn)定性控制理論在老年人跌倒預防中的應用主要體現(xiàn)在跌倒風險評估和動態(tài)穩(wěn)定性訓練兩個方面。

傳統(tǒng)平衡能力評定方法，通常將人體質(zhì)心的位置偏移看作衡量人體穩(wěn)定性的指標，一般認為當身體質(zhì)心的地面投影位于支撐面內(nèi)時，人體處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會發(fā)生跌倒或通過邁步等輔助方式即可恢復至平衡狀態(tài)；同時也將身體質(zhì)心的偏移幅度看作衡量人體穩(wěn)定性的參考指標，即較小的移動范圍代表穩(wěn)定性較好，反之穩(wěn)定性較差。這對一些情景的評價顯然是不合適的，如帕金森病患者站立姿勢下身體的移動幅度很小，但不穩(wěn)定。動態(tài)穩(wěn)定性控制理論將質(zhì)心與支撐面的相對移動速度這一要素加入跌倒風險評估中，即當質(zhì)心位置處于支撐面范圍內(nèi)的同時其移動速度降為0，人體才是穩(wěn)定的，不會發(fā)生跌倒。

與靜態(tài)穩(wěn)定性控制理論相比，動態(tài)理論在跌倒風險評估中表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。研究證明，將外部干擾發(fā)生時的質(zhì)心位置、移動速度等因素考慮在內(nèi)，利用仿真模擬計算可對跌倒風險及邁步發(fā)生率做出更為準確的判斷[2,15]。

穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵為調(diào)節(jié)人體質(zhì)心與支撐面的關(guān)系。傳統(tǒng)觀點認為，當質(zhì)心移動到支撐面范圍以外，必須通過邁步才能重新回到平衡狀態(tài)；而從動態(tài)穩(wěn)定性觀點出發(fā)，則要結(jié)合質(zhì)心位置、移動速度兩個因素對邁步發(fā)生的閾值進行重新定義：只要當人體質(zhì)心移動速度降為0時，質(zhì)心位置可以落在支撐面范圍內(nèi)，人體即處于平衡狀態(tài)，不需要通過邁步來恢復平衡或發(fā)生跌倒[15]。有研究證實，使用動態(tài)穩(wěn)定性預測方法，相比傳統(tǒng)只考慮質(zhì)心位置的預測方法，顯著提高對平衡干擾發(fā)生后邁步發(fā)生率和跌倒風險的預測，并發(fā)現(xiàn)老年人的邁步發(fā)生率及跌倒風險要顯著高于青年人[2,15]。

5 在老年人穩(wěn)定性訓練中的應用

傳統(tǒng)的肌力訓練、關(guān)節(jié)穩(wěn)定性訓練等在一定程度上可促進人體平衡能力提高[25-26]，但單方面能力的提高對預防跌倒有一定局限性。動態(tài)穩(wěn)定性訓練強調(diào)從整體水平促進人體平衡控制能力提高，訓練方法和訓練情景更接近生活中常見易發(fā)生跌倒的動作，從外界干擾刺激發(fā)生后人體反應出發(fā)，進行更有針對性的訓練。以下對特異性邁步訓練和擾動平衡訓練做簡單介紹。

生活中，平衡干擾刺激發(fā)生后，邁步策略是最常用的一種平衡恢復策略，在跌倒預防中具有重要作用[10]，其中失衡發(fā)生后的第一步是維持穩(wěn)定性的關(guān)鍵反應，影響整體平衡恢復結(jié)果[27]。老年人的邁步速度和邁步腿落地后產(chǎn)生的恢復力矩都明顯差于青年人，這也是老年人跌倒風險較高的重要原因。邁步的有效性與反應時間、邁步方向準確性、幅度等因素有關(guān)。Sawers等[28]通過對行走中發(fā)生滑動后，跌倒人群與非跌倒人群第一步發(fā)生時肌肉收縮策略分析發(fā)現(xiàn)，兩組的肌肉收縮策略有一定差異，相對于平衡恢復人群，跌倒人群在神經(jīng)肌肉控制方面存在一定不足。Arampatzis等[29]對老年人進行14周邁步訓練這一特異性姿勢控制動作練習，可以有效促進老年人在跌倒發(fā)生時支撐面的快速重建能力，并提高下肢肌肉力量，增加邁步腿落地后的恢復力矩，是老年人跌倒預防的重要措施。

擾動平衡訓練(perturbation training)是近年受到關(guān)注的一項新興訓練方法[30-31]，目的是提高人體抵抗外界平衡干擾的能力：通過外力(站立面的突然滑動或?qū)θ梭w意外外力撞擊等)對人體平衡狀態(tài)施加突然干擾，引起質(zhì)心與支撐面相對位置突然改變，以訓練神經(jīng)系統(tǒng)對失衡后平衡恢復的適應性改變[32-33]，提高身體質(zhì)心與支撐面相對穩(wěn)定性[34-35]。反復進行行走中的干擾訓練，可有效促進人體前饋控制和反饋控制能力，降低老年人生活中跌倒的發(fā)生[36-37]。與其他訓練法不同，擾動平衡訓練強調(diào)訓練CNS產(chǎn)生適應性改變，不斷改進CNS對質(zhì)心位置和速度變化的感知能力，并不斷優(yōu)化外界干擾刺激發(fā)生后的反應策略，促進最優(yōu)化動作反應的形成，而這種能力是人體面對不同干擾情景時的基礎能力[36,38-39]；某種干擾形式下訓練獲得的平衡能力的提高，可遷移至其他干擾形式，并可有效提高日常生活中常見跌倒的發(fā)生[31,36,38-39]。渡部和彥等[18]提出的“外部干擾-身體平衡適應理論”，強調(diào)通過在不穩(wěn)定條件下的適應性學習，增加人體對外界平衡干擾的適應性，從而促進人體前饋調(diào)節(jié)機制的建立和穩(wěn)定，提高身體平衡機能，預防跌倒發(fā)生，也表達出相似的觀點。

相對于傳統(tǒng)平衡能力訓練方法，邁步動作訓練和平衡擾動訓練等動態(tài)穩(wěn)定性訓練方法需要患者有一定的抗平衡干擾能力，且訓練具有一定危險性，應注意安全性防護；同時需要指出，作為一種新興訓練方法，其有效性已經(jīng)得到證實，但在訓練方案設置、訓練強度及訓練效果持續(xù)時間等方面還存在一定異議[28,32-33,40]，標準化的訓練方案還需進一步研究。

6 小結(jié)

相比于傳統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性控制理論，動態(tài)穩(wěn)定性控制理論將質(zhì)心位置-速度的交互作用與支撐面的關(guān)系看作衡量人體穩(wěn)定性的指標，加深了對人體姿勢穩(wěn)定性控制機制的認識，可以更好解釋人體運動過程中的失衡與再平衡問題，并可有效指導跌倒風險評估及跌倒預防康復訓練；動態(tài)穩(wěn)定性訓練方法更注重整體水平上姿勢穩(wěn)定性的提高，強調(diào)CNS對外界平衡干擾刺激的適應性反應，到達預防跌倒的目的。但具體訓練方案還需進一步研究。

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Concept of Dynamic Stability in Old People for Fall Prevention(review)

XU Xin1,WEN Zi-xing2
1.Shanghai Normal University Tianhua College,Shanghai 201815,China;2.Shanghai Sanda University School of International Medical Technology,Shanghai 201209,China

WEN Zi-xing.E-mail:wenzixing@hotmail.com

Fall down is related to stability of persons,especially in the aged.Poor stability usually results in fall down.Compared with the concept of static stability,dynamic stability theory emphasizes the velocity-position of center of mass(CoM)to predict feasible movements rather than CoM position only.Dynamic stability can help to estimate the risk of fall,and guide the exercise about fall prevention from improvements of adaption to regain balance.The training program still needs more studies.

dynamic stability;fall;postural control;aged;rehabilitation;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.11.004

R592

A

1006-9771(2017)11-1254-04

[本文著錄格式] 徐欣，溫子星.人體動態(tài)穩(wěn)定性控制理論在老年人防跌倒中的應用[J].中國康復理論與實踐,2017,23(11):1254-1257.

CITED AS:Xu X,Wen ZX.Concept of dynamic stability in old people for fall prevention(review)[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(11):1254-1257.

1.上海高校教師產(chǎn)學研踐習計劃(No.滬教委人〔2017〕32號)；2.上海杉達學院重點學科(護理學)(No.A-021304-17-001)。

1.上海師范大學天華學院，上海市201815；2.上海杉達學院國際醫(yī)學技術(shù)學院，上海市201209。作者簡介：徐欣(1990-)，女，漢族，山東泰安市人，碩士，助教，主要研究方向：人體運動學，康復學基礎研究。通訊作者：溫子星(1991-)，男，漢族，碩士，主要研究方向：運動生物力學，人體平衡控制機制。E-mail:wenzixing@hotmail.com。

2017-06-04

2017-08-24)