人体平衡能力测试仪器现状与发展趋势研究

刘海斌 元文学 孟昭莉

(大连理工大学体育科研所,辽宁大连 116023)

人体平衡能力测试仪器现状与发展趋势研究

刘海斌 元文学 孟昭莉

(大连理工大学体育科研所,辽宁大连 116023)

平衡能力是维持身体姿势的能力,国外相关研究开展十分广泛。评定平衡常用方法包括临床评定和实验室测试,临床评定以观察和量表为主,实验室测试则是利用平衡测试仪器进行评定。多数平衡仪器通过记录人体压力中心(COP)分析、评价人体静态与动态平衡能力。就其信度与效度而言,部分学者对COP法提出了质疑。研制人体重心(CoG)法的人体平衡仪器是未来揭开人体平衡机制的发展方向。

人体平衡;测试方法;研究进展;问题与展望

日常生活中行走、站立以及各种动作都依赖有效的平衡作保障[Bode,2002]。人体平衡是一个复杂的过程,它需要感觉信息与适当的身体反应共同完成。为了维持人体站立姿势的平衡与稳定,中央神经系统就必需时时根据视觉系统、本体感觉系统和前庭系统提供的感觉信息对相应的关节与骨肉进行不断的调整。既然人体平衡调节是由多个感觉系统共同完成,那么不同条件下中央神经系统调节人体平衡的机制就会有所不同。因此,研究人体平衡机制将会有助于理解人体姿势控制系统(Sakineh,2008)。

1 人体平衡能力测试仪器

人体平衡测试仪由受力平台(force plate)即压力传感器、显示器、电子计算机及专用软件构成。受力平台可以记录到身体摇摆情况,并将记录到的信号转化成数据输入计算机。平衡测试仪的出现是人类研究自身平衡功能的一个里程碑。

一般通用的仪器为三维测力平台,Balance Master和Equitest。这三种仪器都可以测量地面反作用力。通过地面反作用力,可能计算出压力中心(CoP)位移,重心的摇摆程度(CoM),平衡分数(ES),姿势稳定性指数和其它相关的参数。通过Equitest(2001)和BalanceMaster(2001)的动态实验,提供关于视觉,本体感觉和前庭系统综合测量的平衡分数,可以全面反映这些系统相互协调以保持身体站立姿势的情况(Chaudhry et al.,2004)。

平衡实验要求测试者进行六种条件测试:睁眼,环境和平台固定;闭眼,环境和平台固定;睁眼,环境移动;睁眼,平台移动;闭眼,平台移动;睁眼,环境和平台移动。

1.1 测力平台与压力板

测力平台与压力板可以测量出人体地面作用力,进而来计算人体的CoP变化,来评价人体静态站立时的平衡状态。这类测试仪的生产单位比较多,如美国的Betec公司生产的Bertec’sBalanceCheckTM系统;美国NEUROCOM○R研发的Basic Balance Master系统;德国生产的Bismarck SuperBalance系统;英国生产的Medica Balance Trainer系统;日本ANIMA的重心动摇平衡检查系统;以色列的Tetrax平衡及稳定性测试系统;瑞士 Kistler公司生产的测力平台中 Type 9281C,9286A,9285都具有测试人体静态平衡的功能。

优点是造价低廉,易操作,缺点是只能完成条件1与条件2的静态测量。

1.2 Balance Master

这种设备是由可移动的测力平台与可视的环境组成,另外还配备了防止受试者滑倒的安全带。它能够完成条件1,2,4,5的静态与动态平衡测量。动态平衡测试仪器相对静态平衡仪器来说,生产厂家较少,大多集中在美国各大公司。AMTI公司与NEUROCOM○R共同研发动态平衡测试系统;美国身体康复管理服务公司开发的Secure BalanceTM动态平衡测试系统;美国生产的Biodex Balance System动态平衡系统;NEUROCOM○R研发了 SMARTBalance Master,The Basic Balance Master,The PRO Balance Master。

优点是可以完成静态平衡与动态平衡,缺点是周围的环境还不能移动,这对人体动态平衡测试来说是不完全的。

1.3 Equitest

这种装置是由可移动的测力平台,可移动的可视环境和防止滑倒的安全带组成。可以同时测量人体COP的位置与COM的摆动。6种条件下的测试都可以完成。美国Neuro-Com Inc产的 Smart EquiTest,美国MicroMedical Tech.生产的BalanceQuest,法国Synapsys产的SYNAPSYSplatform。

这三种平衡仪中只有美国NeuroCom Inc生产的Smart EquiTest为真正的动态平衡仪,其它产品基本是鉴于动态平衡仪的临床价值模仿或派生出的产品。虽然BalanceQuest和SYNAPSYSplatform具有Smart EquiTest动态平衡功能,但出于知识产权问题做了一些变动,但还缺乏长时间的实际临床应用考验。另外,美国Smart EquiTest是真正以重心移动为参量计算和分析人体静、动态下的姿态平衡,而BalanceQuest和SYNAPSYSplatform都不是用重心移动为计算参量,而是用压力中心变化为计算参量,这决定了这两种平台具有先天不足的,会严重影响测量准确性的缺陷。

这类仪器达到了目前所有平衡测试的要求,缺点是造价过于昂贵,非专业人员不易操作。

2 对人体平衡能力测试方法的质疑

人体平衡可分为动态平衡与静态平衡(Lexandta,2000)。静态平衡即人体或人体某一部位处于某种特定姿势,例如坐或站等姿势时保持稳定状态的能力。另一类是动态平衡,包括2个方面:1)自动态平衡,即人体在进行各种自主运动,例如由坐到站或由站到坐等各种姿势间的转换运动时能重新获得稳定状态的能力;2)他动态平衡,即人体对外界干扰,例如推、拉等产生反应、恢复稳定状态的能力。平衡的这种分类包括了人体在各种运动中保持、获得或恢复稳定状态的能力,具有一定的科学性和完整性。

一些学者(Teasdale,2001;Woollacott,2002)经常采用人体安静站立时身体姿势变化模式来评价与研究个体平衡系统。然而,人体的静态平衡能力与动态平衡能力是没有相关性的(Owings,2000;Mackey,2005)。

从机械力学的观点来看,当人体姿势受到干扰时有三种机制可以完成身体的自我调节(Hof,2007):1)扩大与质心CoM相关的身体支撑面的面积;2)围绕人体CoM反向旋转人体关节;3)借助人体外部的力(推或拉等动作)。

当人体受到外界干扰时,中枢神经系统会通过一系列的身体动作来维持身体的动态平衡。但是当人体安静站立时,CoM位于人体支撑面内,因此,人体姿势的自我调节并不需要以上三种机制,而动态平衡却需要。

因此,可以得出结论:通过测量人体站立姿势静态平衡所获得的信息不能用来作为人体维持动态平衡的机制研究(Arampatzis,2008)。

3 问题与展望

目前,国际上主要是通过记录CoP来分析和评价人体静态站立平衡能力。这种作法是建立在简单的将人体姿势的摇摆一个静态过程的假设基础之上。另外,很多学者只局限于研究CoP轨迹的标准统计上面。然而,CoP轨迹不能代表所有评价方式。大量研究表明多数生理系统如身体姿势摇摆是一个混乱的过程,基本没有规律可寻(Doyle,2004;Buzzi,2003;Hausdorff,2001)。这种以CoP为基础的测量方法(如包络面积,平均CoP速率等)已经测量出了年龄,感觉条件,病理学等与跌倒的风险有着密切的关系,但是这种测量方法忽略CoP运动过程中的动态特性,它并不能代表姿势控制的细微变化。这种把CoP简单的认为是“身体姿势的摆动”,甚至等同于CoG是不合理的(Winter 1995,2004)。主要有两个缺点:1)简单的记录CoP会失去对人体控制因素的考虑,并且失去了对人体控制变量的获取。人体倒钟摆模型显示,CoG(或是CoM)才是人体维持平衡过程所控制的变量,而CoP只是人体控制的一个结果而已。从生物力学角度来说,CoPCoM只是控制CoM水平加速度的一个错误信号。2)单个平台的使用存在着极大的局限性。通过对每一个肢体分别记录可以使我们识别人体CoP左右移动的各自控制机制,而前后方向的平衡则是由踝关节的趾屈和跖屈来控制的。那么今后开发与研制采用人体重心(CoG)为测量方法的人体平衡实验仪器才是揭开人体平衡机制的发展方向。

[1]Bode RK,Heinemann AW.Course of functional improvement after stoke,spinal cord injury,and traumatic brain injury[J].Arch PhysMed Rehabil,2002,83:100-106.

[2]Sakineh BA,James SF,Aftab EP.Balance control during continuous rotational perturbationsof the support surface[J].Gait&Posture,2008,27:393-398.

[3]Lexandta SP,Brain RD,Philip JR.What is balance?[J].Clin Rehabil,2000,14:402-406.

[4]Teasdale N,Simoneau M.Attentional demands for postural control:the effectsof aging and sensory reintegration[J].Gait&Posture,2001,14:203-210.

[5]WoollacottM,Shumway CA.Attention and the controlof posture and gait:a review of an emerging area of research.[J].Gait&Posture,2002,16:1-14.

[6]Owings TM,Pavol MJ,Foley KT,Grabiner MD.Measuresof postural stability are not predictors of recovery from large postural disturbances in healthy older adults[J].Journalof the American Geriatric Society,2000,48:42-50.

[7]Mackey DC,Robinovitch SN.Postural steadiness during quiet stance does not associate with ability to recover balance in olderwomen[J].Clinical Biomechanics,2005,20:776-783.

[8]Hof AL,Gazendam MG,Sinke WE.The condition for dynamic stability[J].Journalof Biomechanics,2005,38:1-8.

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[10]Bernhard MH,Tracy EW.Inter-and intra-tester reliability of the balance performancemonitor in a non-patient population[J].Phys Res Int,1998,3:135-147.

The Current Status and Future of the Measurement Instrument on Human Balance Control

Liu Haibin,Yuan Wenxue,Meng Zhaoli
(Institute of Athletics Science,Dalian University of Technology,Dalian,116023,Liaoning,China)

Postural control is a complex process keeping human balance which has been focus on by many research departments abroad. There have two main ways to measure ,one is clinical measurement including observatory and questionnaire ,the other is lab measurement depends on scientific equipment. Most of them by recording Center of Pressure (CoP) to measure ,evaluate static and dynamic balance. Some researchers have different views on CoP measurement from the Reliability and Validity. Human balance measurement equipment by recording human Center of Gravity (CoG) is the new way to uncover postural control mechanism in the future.

human balance;measurement development;questions and expectation

G804.6

A

1672-1365(2010)06-0067-02

2010-07-23;

2010-09-23

刘海斌(1978-),吉林通化人,硕士,讲师,研究方向:生物力学。