足底振動(dòng)刺激誘發(fā)人體特定方向姿勢(shì)調(diào)整的測(cè)試系統(tǒng)研究

李高峰，梅劍峰，張蒙，蔡紅波，曹萍，李陳娜，張小軍

1.北京社會(huì)管理職業(yè)學(xué)院（民政部培訓(xùn)中心）康復(fù)工程學(xué)院，北京市 101601；2.民政部肌骨生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市 101601；3.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京市 100124

人體的姿勢(shì)控制是保持身體姿勢(shì)穩(wěn)定性和方向性的能力[1]。不管是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)活動(dòng)時(shí)，人體保持穩(wěn)定的姿勢(shì)需要感覺系統(tǒng)、肌骨系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)間復(fù)雜的相互作用，一旦這些相互作用受到影響，將會(huì)出現(xiàn)平衡性欠佳和姿勢(shì)不良的狀況[2-3]。站姿是人類最重要的基本姿勢(shì)，人們每天都需要在雙足直立下從事各種日?；顒?dòng)。足底是身體和外界支撐面之間的接口，足底皮膚的感覺輸入對(duì)于人體姿勢(shì)的穩(wěn)定具有重要的作用，站立時(shí)人體姿勢(shì)的維持、動(dòng)作的協(xié)調(diào)離不開足底皮膚感覺的貢獻(xiàn)[4-6]。有研究表明[7]，足底不同的皮膚感受器可以反映出“足底壓力分布圖”，足底特定區(qū)域的振動(dòng)會(huì)通過足底皮膚感受器向中樞系統(tǒng)傳入該區(qū)域下方壓力增加的感覺，從而引起身體向足底刺激區(qū)的反方向傾斜來調(diào)整身體的壓力中心(center of pressure,COP)，如足底后部施加振動(dòng)刺激會(huì)引起身體的前傾[8]。

在已經(jīng)開展的相關(guān)研究中，有研究采用較大的圓形、橢圓形振動(dòng)探頭[7]或扁平超薄型馬達(dá)[9]作為振子提供振動(dòng)刺激，該類型振動(dòng)探頭的位置不易調(diào)整，而且不同振子間存在著電壓-頻率特性和振幅的差異。近年來，有研究者提出采用激振器提供振動(dòng)刺激[10-11]，很好地解決了不同受試者足底刺激位置的調(diào)整。但是，相關(guān)研究采用的測(cè)試裝置存在站立板高度過高增加立于其上受試者的不安全感，以及激振板(含探頭)的質(zhì)量較大加重激振器的負(fù)載，從而影響振動(dòng)幅值的可調(diào)整范圍?；谏鲜鲈?，民政部肌骨生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種采用激振器作為振源的閉環(huán)控制足底振動(dòng)刺激測(cè)試系統(tǒng)，可以在足底不同位置施加不同幅值和不同頻率的振動(dòng)刺激，通過對(duì)健康大學(xué)師生進(jìn)行測(cè)試分析以探索該系統(tǒng)誘發(fā)身體特定方向姿勢(shì)調(diào)整的效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2019 年10 月2 日至6 日，在民政部肌骨生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，從北京社會(huì)管理職業(yè)學(xué)院(民政部培訓(xùn)中心)康復(fù)工程學(xué)院招募青年教師和大學(xué)生健康志愿者25 例，其中男性10 例，女性15 例；平均年齡(21.34±3.11)歲；平均體質(zhì)量(58.14±10.93)kg；平均身高(166.05±8.06)cm；平均腳長(zhǎng)(39.08±2.61)cm。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①無神經(jīng)疾患病史；②無肢體損傷；③無異常姿勢(shì)；④對(duì)本研究知曉，并親自簽署知情同意書。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①周圍神經(jīng)損傷；②足部皮膚破損；③肌骨系統(tǒng)損傷；④糖尿病；⑤肥胖；⑥有身孕；⑦足長(zhǎng)超過45 cm。

本研究經(jīng)北京社會(huì)管理職業(yè)學(xué)院倫理委員會(huì)審核并批準(zhǔn)(No.2018ZD-1)。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包括振動(dòng)刺激裝置和姿勢(shì)變化檢測(cè)、分析等生物力學(xué)測(cè)試設(shè)備(圖1)。振動(dòng)刺激裝置通過與受試者足底接觸以支撐其站立，主要由站立架、激振器架、振動(dòng)板、振動(dòng)探頭、振動(dòng)執(zhí)行和控制單元等構(gòu)成。

圖1 足底振動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

站立架由支柱和站立板經(jīng)螺紋連接而成。支柱是由鋁合金型材料牢固栓接而成的長(zhǎng)方體框架結(jié)構(gòu)(400×500×243 mm)；站立板(400×500×10 mm)置于支柱上方，由厚度10 mm 的不銹鋼板經(jīng)激光打孔(26行×31 列)制成，孔徑7 mm，相鄰兩孔中心間距為10 mm。

激振器架由升降機(jī)構(gòu)和外部保護(hù)殼組成，通過4個(gè)可調(diào)支腳支撐于地面。激振器(型號(hào)為英國(guó)Bruel and Kjaer(BK)4808，配套2719 型功率放大器)置于升降機(jī)構(gòu)的平臺(tái)上，通過搖動(dòng)外部的把手實(shí)現(xiàn)激振器的升或降從而調(diào)整振動(dòng)探頭的初始預(yù)壓力，探頭初始的伸出量由激光測(cè)距傳感器(ZLDS102-50-25-RS485-IIN5-AL-CG-4，ZSY GROUP LTD，英國(guó))實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并輸出顯示結(jié)果，測(cè)量精度可達(dá)0.1 μm。激光測(cè)距傳感器由穩(wěn)壓電源供電，配套的測(cè)量軟件ZLDS10X(V1.1.2版)通過圖形輪廓和數(shù)字實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。

振動(dòng)板(250×300×3 mm)由鋁合金板經(jīng)激光打孔(22 行×22 列)制成，孔徑4 mm，相鄰兩孔中心間距10 mm。振動(dòng)板通過中心及以該中心為圓心、直徑50.8 mm 的圓上均布的5 個(gè)M 5 mm 通孔與激振器相連接。Amber振動(dòng)控制儀(東陵公司)為BK2719型功率放大器提供正弦信號(hào)，用于控制BK4808 型激振器。加速度傳感器(PCB 257B03)固定在振動(dòng)板上，將振動(dòng)板的加速度信息反饋給Amber振動(dòng)控制儀進(jìn)行運(yùn)算處理以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。振動(dòng)探頭為單通尼龍六角螺柱，刺激足底端的直徑為2.55 mm，另一端與鋁合金材質(zhì)的振動(dòng)板螺紋連接，能夠自由穿過站立板孔徑并做垂直上下運(yùn)動(dòng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

1.3.1實(shí)驗(yàn)測(cè)試準(zhǔn)備

通過搖動(dòng)激振器升降把手，調(diào)整振動(dòng)探頭頂部伸出站立板上端面1 mm。作用于左/右足部的振動(dòng)探頭位置分為前、后兩組，前組作用于跖趾關(guān)節(jié)足底區(qū)域，為2×6 陣列，后組作用于后跟足底區(qū)域，為3×4陣列。見圖2。

圖2 足底振動(dòng)刺激位置分布

啟動(dòng)Qualisys Track Manager(QTM)軟件，選擇外部觸發(fā)控制，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間，設(shè)置Amber振動(dòng)控制儀的振動(dòng)參數(shù)，對(duì)放置站立架的三維測(cè)力臺(tái)(AMTI BP400600，美國(guó))執(zhí)行清零操作。啟動(dòng)功率放大器，選擇合適的增益檔位；準(zhǔn)備好外部觸發(fā)器按鍵，以使Amber振動(dòng)控制儀與運(yùn)動(dòng)采集系統(tǒng)同時(shí)觸發(fā)。

畫出受試者足部輪廓，標(biāo)記出第I、第V跖骨頭和足后跟的位置，據(jù)此確定并調(diào)整安裝適合每位受試者足部尺寸的振動(dòng)探頭。然后，讓受試者站在振動(dòng)臺(tái)上感受振動(dòng)刺激3 min，確保振動(dòng)量超過其振動(dòng)感受閾值。

1.3.2數(shù)據(jù)采集過程

受試者光腳自然直立于站立架上，雙手垂于身體兩側(cè)[12]，雙足腳掌和足跟處于前組和后組振動(dòng)探頭上方，戴好眼罩、耳罩以排除視覺輸入干擾和激振器高頻振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪音干擾[13]。囑受試者聽從實(shí)驗(yàn)人員的指令，實(shí)驗(yàn)開始后一直保持不動(dòng)，不要刻意抵抗姿勢(shì)的變化，若有跌倒傾向時(shí)可跨步調(diào)整。

受試者接受8 個(gè)振動(dòng)位置的刺激：左足前部、左足后部、右足前部、右足后部、雙足前部、雙足后部、左全足和右全足，每個(gè)位置分別施加20 Hz、40 Hz、60 Hz、80 Hz 4個(gè)頻率，共計(jì)32個(gè)振動(dòng)條件。每次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為230 s，足底的8 個(gè)振動(dòng)位置分別接受4個(gè)頻率(實(shí)驗(yàn)人員在Amber振動(dòng)控制儀中存儲(chǔ)16 組排列順序不同的頻率控制程序并為其編號(hào)1 至16，根據(jù)受試者現(xiàn)場(chǎng)自己隨機(jī)抽簽選擇的編號(hào)調(diào)用對(duì)應(yīng)的控制程序開展實(shí)驗(yàn))的振動(dòng)刺激，每個(gè)頻率條件振動(dòng)3 次，每次振動(dòng)駐留時(shí)間為3 s，中間暫停時(shí)間為12 s (圖3)。每次數(shù)據(jù)采集前后，進(jìn)行腳底溫度的測(cè)量，確保腳底溫差變動(dòng)范圍控制在1 ℃以內(nèi)，用于排除溫度變化對(duì)足底皮膚感受器的影響。

圖3 一次數(shù)據(jù)采集時(shí)間分配示意圖

一名實(shí)驗(yàn)人員操作電腦設(shè)置數(shù)據(jù)采集軟件，負(fù)責(zé)觀察數(shù)據(jù)采集情況和數(shù)據(jù)存檔；另一名實(shí)驗(yàn)人員測(cè)量足底溫度，按下外部觸發(fā)器，開始數(shù)據(jù)采集，同時(shí)負(fù)責(zé)保護(hù)受試者，避免其在實(shí)驗(yàn)過程中意外摔倒。

1.4 數(shù)據(jù)處理

測(cè)力臺(tái)通過100 Hz的采樣頻率記錄受試者靜態(tài)站立時(shí)COP 的坐標(biāo)值、足底所受的三維力(垂直方向的Fz，水平面的Fx、Fy)及其對(duì)應(yīng)的力矩(Mz、Mx、My)。由于站立架與測(cè)力臺(tái)有253 mm 的高度差，導(dǎo)致足底平面與測(cè)力臺(tái)表面不在一個(gè)水平面。為了驗(yàn)證站立架高度對(duì)于受試者COP實(shí)際測(cè)量值的影響，特引入COP 理論值計(jì)算公式，并與由QTM 采集軟件直接輸出的測(cè)量值進(jìn)行比較(COPx表示X 方向COP 測(cè)量值，COPy表示Y 方向COP 測(cè)量值，COPtx表示X 方向COP 理 論值，COPty表 示Y 方向COP 理 論 值)，相 關(guān)計(jì)算公式如下。

實(shí)驗(yàn)所得的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過二階曲線擬合濾波處理后用于研究分析，采用COP 波動(dòng)的峰值(最大值或最小值)作為描述人體姿勢(shì)控制的指標(biāo)[10]，該峰值由COP發(fā)生振動(dòng)最明顯處前后50 ms 范圍內(nèi)所有測(cè)量數(shù)據(jù)取平均值所得。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

處理后的數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。對(duì)每個(gè)位置不同頻率下振動(dòng)和非振動(dòng)時(shí)的COP值采用方差分析。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 站立架高度對(duì)于COP值的影響

隨機(jī)從一受試者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取一次采集的23 000 個(gè)數(shù)據(jù)用于分析，COPx 與COPtx (r=0.997)、COPy 與COPty(r=0.976)顯著線性相關(guān)，且平均誤差值不超過2%。

2.2 足底振動(dòng)刺激誘發(fā)人體姿勢(shì)特定方向的調(diào)整

姿勢(shì)響應(yīng)幅值有正負(fù)之分，y 軸正值、負(fù)值分別表示指向身體前側(cè)、后側(cè)，x 軸正值、負(fù)值分別表示指向身體右側(cè)、左側(cè)。足底在受到振動(dòng)刺激時(shí)，身體的姿勢(shì)調(diào)整幅度增大，除雙足前部、雙足后部受振時(shí)左右方向(COPx)和左全足、右全足受振時(shí)前后方向(COPy)之外，受振時(shí)和不振時(shí)COP 值均有顯著性差異(P＜0.05)。左、右足足底受到振動(dòng)刺激時(shí)，身體的左右方向(COPx)姿勢(shì)調(diào)整明顯；足底前、后部受到振動(dòng)刺激時(shí)，身體的前后方向(COPy)姿勢(shì)調(diào)整明顯。見表1～表2。

表1 足底不同位置在不同頻率振動(dòng)的COPx值比較(n=25,mm)

表2 足底不同位置在不同頻率振動(dòng)的COPy值比較(n=25,mm)

3 討論

本研究結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)ψ愕撞煌恢玫钠つw提供不同幅值和不同頻率的振動(dòng)刺激，并且能夠誘發(fā)和檢測(cè)出振動(dòng)刺激作用下人體的姿勢(shì)調(diào)整情況。調(diào)整振動(dòng)控制儀的正弦信號(hào)參數(shù)可以設(shè)置不同的振動(dòng)頻率，針對(duì)足底皮膚中包含快速適應(yīng)和慢速適應(yīng)兩種類型的感受器，本研究選擇20 Hz、40 Hz、60 Hz、80 Hz 共4 個(gè)頻率段。BK4808 激振器的最大激勵(lì)峰值力為112 N，根據(jù)實(shí)驗(yàn)用激振板和振動(dòng)探頭的總負(fù)載質(zhì)量，計(jì)算出在20～80 Hz的頻率下激振器能夠提供的極限峰值振幅為1.2～6 mm，通過調(diào)整功率放大器增益旋鈕能夠獲得實(shí)驗(yàn)所需的振幅(1 mm)；同時(shí)加速度傳感器實(shí)時(shí)把振動(dòng)探頭的加速度信息反饋給振動(dòng)控制儀構(gòu)成閉環(huán)，能夠保證在4 個(gè)不同頻率下的振動(dòng)幅值恒定。站立架能夠穩(wěn)定支撐受試者站立其上，站立板密布的小孔允許振動(dòng)探頭接觸足底并在其中垂直上下移動(dòng)，通過調(diào)整與激振板相連的振動(dòng)探頭位置可以刺激受試者足底不同位置的皮膚，從而刺激到皮膚內(nèi)的感受器。激光測(cè)距傳感器、測(cè)力臺(tái)和運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)能夠監(jiān)控、檢測(cè)和記錄受試者足底預(yù)壓量以及姿勢(shì)的調(diào)整變化信息。

Christopher[10]同樣采用激振器為受試者提供足底的振動(dòng)刺激，但實(shí)驗(yàn)用站立架比測(cè)力臺(tái)高出416 mm，在分析姿勢(shì)調(diào)整的數(shù)據(jù)時(shí)，需要對(duì)測(cè)量的COP數(shù)值進(jìn)行校正。本研究顯示，站立架的高度(包括243 mm 的支柱和10 mm 的站立板，合計(jì)253 mm)對(duì)于受試者COP 數(shù)值的影響在誤差允許范圍之內(nèi)，可以直接使用QTM 采集到的COP 值代替其理論值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，而且本實(shí)驗(yàn)裝置高度僅比一層普通臺(tái)階略高，有效降低受試者擔(dān)心跌落的心理恐懼。此外，為保障受試者的安全，在站立架的四周設(shè)置與站立架等高的保護(hù)殼體，以便受試者在失去平衡時(shí)能夠進(jìn)行跨步調(diào)整。

本研究同時(shí)表明，左足足底皮膚受到振動(dòng)時(shí)，姿勢(shì)響應(yīng)幅值為正值，表示身體在左足受到振動(dòng)刺激后向右傾調(diào)整；右足底皮膚受到振動(dòng)時(shí)，姿勢(shì)響應(yīng)幅值為負(fù)值，表示身體在右足受到振動(dòng)刺激后向左傾調(diào)整，這些姿勢(shì)調(diào)整趨勢(shì)與Kavounoudias等[7-8]的研究報(bào)告結(jié)果一致。雙足前部或雙足后部受振時(shí)，身體的姿勢(shì)響應(yīng)幅值不明顯，原因在于左足和右足同時(shí)受振，身體同時(shí)既有向左的姿勢(shì)響應(yīng)又有向右的姿勢(shì)響應(yīng)，姿勢(shì)的調(diào)整作用相互抵消。足前部皮膚受到振動(dòng)時(shí)，姿勢(shì)響應(yīng)幅值為負(fù)值，表示足前部受到振動(dòng)刺激后身體向后傾調(diào)整；足后部皮膚受到振動(dòng)時(shí)，姿勢(shì)響應(yīng)幅值為正值，表示足后部收到振動(dòng)刺激后身體向前傾調(diào)整，該姿勢(shì)調(diào)整趨勢(shì)與Kavounoudias 等[7-8]、Cynthia等[14]的研究報(bào)告結(jié)果一致。左全足或右全足受振時(shí)，身體的姿勢(shì)響應(yīng)幅值不明顯，原因在于足前部和后部同時(shí)受振，身體同時(shí)既有向前的姿勢(shì)響應(yīng)又有向后的姿勢(shì)響應(yīng)，姿勢(shì)的調(diào)整作用相互抵消。同時(shí)，足底不同振動(dòng)刺激位置對(duì)于受試者的姿勢(shì)調(diào)整存在顯著的影響，而足底施加的不同振動(dòng)頻率對(duì)于受試者身體左右方向和前后方向的姿勢(shì)調(diào)整沒有顯著的影響，這與Christopher[10]的研究結(jié)果一致。

綜上所述，該實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)ψ愕撞煌恢?足前部、足后部)的皮膚施加不同頻率(20～80 Hz)、不同振幅(0～1 mm)的振動(dòng)刺激，并且誘發(fā)人體特定方向的姿勢(shì)調(diào)整。該測(cè)試系統(tǒng)可以用作開展足底皮膚感受器對(duì)姿勢(shì)控制影響的相關(guān)研究，如探索足底皮膚感受器通往大腦的通路、身體姿勢(shì)對(duì)周圍神經(jīng)傳入的調(diào)節(jié)機(jī)制；同時(shí)，也為開發(fā)相應(yīng)的康復(fù)產(chǎn)品提供理論支撐，如設(shè)計(jì)專門的振動(dòng)刺激鞋墊用于腦癱兒童的姿勢(shì)訓(xùn)練或控制。

鑒于激振器閉環(huán)控制系統(tǒng)的計(jì)算耗時(shí)增加，本研究單次數(shù)據(jù)采集時(shí)間較長(zhǎng)(超過3 min)，對(duì)受試者的持續(xù)站立能力要求較高。后續(xù)研究將不斷完善和拓展測(cè)試系統(tǒng)的性能，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間；適時(shí)增加肌電信號(hào)、腦電信號(hào)等檢測(cè)指標(biāo)，并著手開展對(duì)有姿勢(shì)障礙人群[15-19]的臨床實(shí)驗(yàn)研究，以進(jìn)一步探求足底本體感覺[20-21]或皮膚感受器[22-26]對(duì)于姿勢(shì)控制調(diào)整的作用機(jī)制，并把足底振動(dòng)刺激的研究成果用于姿勢(shì)異常者的臨床康復(fù)實(shí)踐中；同時(shí)，探討足底局部振動(dòng)與工作環(huán)境下通過施加足底的垂直振動(dòng)(全身振動(dòng))所導(dǎo)致的姿勢(shì)變化之間的差異[27-29]。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。