直立姿势控制中头部动摇与足压中心移动的区别

任杰 渡部和彦

1 上海体育学院运动科学学院（上海 200438） 2 广岛大学教育学研究科（日本广岛）

分析人体直立状态下的姿势动摇可以评价个体的平衡能力以及诊断神经肌肉系统疾病。由于姿势动摇在本质上指的是人体重心或质心（center of mass，COM）的动摇，而COM在身体内部，很难直接测量［1］。如今虽然采用三维摄像系统可以推算人体COM的位置，但仍然受到人体模型参数的适宜性、测试的精度以及仪器价格昂贵等因素的限制而未得到广泛应用。

目前最常用的测量姿势动摇的方法有两种。一种是直接测量躯干的动摇。早在十九世纪后期，Hinsdale 就开始采用在头顶上方放置记录板的方法记录被试头部位移的曲线。现在研究者采用摄像机或磁感应器记录头部的移动轨迹［2，3］。因为在直立状态下人体可以被简化为一个以踝关节为转轴的“单关节的倒立摆”结构，所以头部的空间位置变化能直观反映身体的动摇［4］。另一种是用测力台测量被试足底的压力中心（center of pressure，COP）的移动轨迹。直立状态下，COP与COM在水平面上的位置变化比较近似，而且测力台的测试精度和数据采集频率较高，因此COP的移动变化常被用来反映COM的动摇。但也有研究者指出COP测量法不能真正反映COM的动摇，而且这种测量方法的可重复性较差［5］。

有关头部动摇和COP的对比研究显示出两种不同的结论。有研究认为两种测量方法在多项评价指标上的相关性很高［6］，但也有学者对此有不同意见［3，7］。我们认为两种方法各有利弊，选用不同评价指标，两种方法间的相关程度可能不同，应根据研究目的选择合适的方法和评价指标。如今在有关姿势控制或直立平衡的研究中，上述两种方法都在应用，为避免出现似是而非的结论，本研究通过同时测试直立状态下头部与COP位置的变化轨迹，结合几种典型的评价指标探讨两种测量方法的区别和联系。

1 对象与方法

1.1 实验对象

某大学的学生11名，其中男性7名，女性4名。事前向他们详细说明了本实验的要求和测定方法，并获取了他们的同意。被试者年龄28.0±5.6岁，身高1.68±0.09m ，视力1.0以上（包括校正以后）。所有被试均身体健康，没有脑和神经及肌肉方面的疾病。

1.2 实验器材和数据计量

1.2.1 头部动摇的测量

被试头戴轻质头盔，在头盔顶部正中心的位置固定一个红色发光二极管（LED）。被试的正上方（离地面高度为2.8m）安置一台数码摄像机，用于摄录被试头顶部LED的移动。摄像机的拍摄速度是每秒30帧，然后用视频图像解析软件WIN Analyze将录像转换成每秒60帧的画面，并对LED的轨迹作水平面的2维图像解析，分离出前后方向（anterior-posterior，AP）和左右方向（medio-lateral， ML）的两种动摇分量。

1.2.2 COP动摇的测量

采用测力台（Bertec，Type 9090）测定COP在AP方向和ML方向上的位置变化，数据采样频率为100Hz。用Butterworth滤波器15Hz低通滤波法对时序数据进行滤波处理。

1.3 实验程序

要求被试光脚站立于测力台中央，双脚内侧紧密相靠，双手自然下垂于身体两侧，尽力保持直立姿势的稳定。在睁眼（eyes open, EO）和闭眼（eyes closed, EC）2种条件下各站立60s。EO条件是要求被试注视固定于前方1m处与眼睛同高的“十”字形图案。同步记录被试维持直立姿势期间的COP和头部的动摇轨迹。

1.4 评价指标计算

在本研究中，COP和头部动摇轨迹都被分解成AP和ML两个动摇成分。头部动摇数据是由60Hz频率采集60s所得的3601个时间序列数据，计算出移动均方根（root mean square，RMS）、平均移动速度（mean velocity，MV）和平均功率频谱（mean power frequency，MPF）。COP数 据 是100Hz频率采集60s所得的6001个时间序列数据，同样计算出它们的RMS、MV和MPF。

另外，分别计算头部和COP动摇速度的Romberg商数（romberg quotient，RQ），RQ值是反映姿势控制中视觉贡献大小的指标。RQ计算方法：RQ（x）= x（EC）/x（EO）。其中，x是在EO和EC条件下的某个评价指标。比如，当RQ（MV）值等于1.2时，意味着当被试的视觉信息被剥夺后，姿势动摇的平均速度将增加20%。

1.5 统计学分析

结果以平均数±标准差表示，采用SPSS15.0统计软件进行统计处理。COP与头部动摇之间的各项指标的相关系数采用皮尔逊积差相关法计算，RQ值差异比较采用相关样本t检验。P < 0.05为显著性水平，P < 0.01为非常显著性水平。

2 结果

2.1 COP动摇和头部动摇变化的相关性

对同步测得的头部和COP数据进行计算所得的3种评价指标进行皮尔逊相关分析，结果（表1）显示：在RMS指标方面，在EO和EC两种测试条件下，AP和ML两个方向的COP和头部动摇之间的相关系数均有显著性，而且相关系数较大。在MV指标方面，在EO和EC两种测试条件下，AP和ML两个方向上COP与头部动摇的相关系数均无显著性。在MPF值上，除了在EO条件下的ML方向上COP和头部动摇的相关系数具有显著性外，其他均无显著性。

表1 直立姿势控制中COP动摇和头部动摇在各项评价指标上的相关性（n=11）

2.2 Romberg商数的比较

如图1所示，比较MV指标的Romberg商数，在AP和ML两个方向上，头部动摇比COP动摇大，具有显著意义（前后方向：t=4.56，P < 0.01；左右方向：t=9.01，P < 0.01）。

图1 COP与头部动摇速度的Romberg商数（n = 11）

3 讨论

3.1 两种测量方法在三种不同评价指标上的相关程度

分析姿势动摇时，选择合适的评价指标非常重要。本研究选用的3个指标都是姿势评价中的常用指标，但其代表含义不同。RMS值代表观察点移动的变异程度［8］。RMS值越大表示姿势越不稳定。但这个指标的计算前提是观察点围绕某一个中心点移动。当观察点的移动轨迹中存在两个或者两个以上的中心点时（中心点漂移现象），RMS值就不能准确描述身体的动摇了［9］。直立姿势下的人体重心并不一定是围绕一个中心点移动的，这意味着RMS是一个比较粗略的指标，难以反映身体动摇的细节特征。MV是指动摇的平均速度，值越大代表姿势越不稳定。最近有研究提出MV是一个非常有效的指标，能够较好地反映姿势的动摇［10］。MPF指标反映姿势动摇的频率特征，代表机体的一种积极控制程度以及自由度的变化［11］。MPF值越高意味着姿势受到更积极的反馈控制和自由度的减少。

本研究中，COP法和头部测定法所获得RMS数据在两种实验条件下的两种动摇方向上相关性都很高，说明在采用比较粗略的指标评价身体动摇时，COP法和头部测定法可以互相代替。这一结果支持了前人的研究［6］。但分析MV数据和MPF数据，除睁眼时的左右方向上的MPF数据外，其余各种条件下的COP和头部之间的相关程度均很低，说明两种方法不能互相取代。导致MV指标和MPF指标在COP和头部动摇之间相关性较低的原因可能是COP和头部之间自然属性的差异。地面支撑着人体维持平衡状态。水平面上COP是围绕COM进行高频运动的，因此COP轨迹较长，波动频率较高，且易受人的主观意志努力影响。头部位于人体“倒立摆”的顶端，只要人体维持直立姿势，并且没有颈部和髋部等关节的自由转动，头部动摇就是COM动摇的直接放大，在动摇速度和动摇频率上与COM有线性关系。这可能是导致COP 和头部动摇在MV指标和MPF指标上低相关的主要原因。在姿势控制的具体研究中选择哪种测量方法更合适，需要结合研究目的和出发点。以下对这一问题做进一步的讨论。

3.2 数据的采集频率

数据的采集频率影响测量指标的绝对数值，特别是在MV和MPF这两个指标上。由于本研究中COP和头部动摇的数据采集频率不同，因此不能直接比较两者之间的差异，只进行相关系数的检验。一般直立姿势的身体动摇频率较低（1Hz以下）。有研究显示50Hz以下，甚至10Hz左右的数据采集频率也足以对姿势动摇进行评价［10］。因此采用摄像机拍摄头部动摇可以达到对姿势动摇进行评价的数据采集频率上的要求。

3.3 两种测量方法的实证效度

G-P分析（good-poor analysis）是检验某种测量方法的实证效度的一种常用方法。这种统计方法是通过检验具有明显差异（优/劣）的两个团体间得分的差异来实现的［12］。在直立状态下，由于没有视觉的信息反馈，闭眼时身体动摇比睁眼时大。因此，效度较高的测量方法应能更好地辨别睁眼与闭眼条件下的身体动摇，也就是获得较高的RQ值。本研究结果显示，当采用MV作为评价指标时，头部动摇RQ显著高于COP动摇RQ，故推测当以视觉与姿势动摇的关系作为研究目的时，头部测定法比COP测定法有更高的实证效度，可能视觉信息与头部动摇的关联程度更高。然而目前有关视觉信息影响直立姿势控制的研究中，有些研究采用了COP测定法［13］，有些采用的是头部测定法［2，9］。笔者认为这是导致该类研究间出现争议的重要原因。

3.4 两种测试方法的便利与局限

头部动摇测试手段相对简单，如采用摄像机或者磁感应器记录头顶动摇轨迹。直立状态下，人体的平衡控制主要采取踝关节调节策略。基于人体单环节倒立摆模型，头部动摇轨迹和COM的变化呈线性关系，前者变化幅度大约是后者的2倍。当直立平衡的维持受到较大威胁时，个体会动用髋膝关节调节策略或跨步动作策略［14］。髋膝关节以及颈部的屈伸将导致头部和COM之间的线性关联度降低。因此测量时要求被试尽量保持颈部、髋部、膝部等关节的固定。在自由站立或动态的姿势控制中，人体的姿势控制属于多环节的倒立摆系统。由于存在多关节的活动变化，头部测试方法便不能很好反映COM变化。

采用测力台测量COP变化具有测量精度高，数据采集频率高，测试方便等优点，因此这种测试方法被很多研究者用来评价人体的平衡控制能力。更重要的应用还体现在采用测力台可以测量人体在运动条件下的地面垂直受力和侧向受力的变化。但COP的移动变化并不是躯体动摇的直接反映，用COP测量直立姿势稳定性时可靠性较低。有研究提出需要5次以上测试以及每次测试时间60秒以上才能获得较高的可靠性［15］。在COP移动轨迹和躯体动摇之间的关系上还需要结合其他测试值（比如侧向力矩）共同计算。

4 总结

测量COP和头部动摇是两种常用的评价直立姿势控制的方法。如果采用误差均方根（RMS）作为评价指标，头部测量法与COP法具有很高的相关性；但采用平均移动速度（MV）或平均功率频率（MPF）作为评价指标时，两者的相关程度不高。相比之下，头部动摇测量比COP法能更好地反映视觉在平衡控制中的作用。

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