最大重心-压力中心倾角法评估不同年龄人群静态平衡的研究

王尹芝，顾冬云，戴尅戎

最大重心-压力中心倾角法评估不同年龄人群静态平衡的研究

王尹芝1，顾冬云2，戴尅戎1

目的 应用最大重心-压力中心倾角法比较青、中、老年人群静态平衡能力差异及特征。方法 使用三维运动捕捉系统及测力台，采集15名青年人(18～40岁)、10名中年人(41～65岁)及12名老年人(＞65岁)在睁眼双足站立、闭眼双足站立、睁眼单足站立及闭眼单足站立4种状态下的重心及压力中心数据，计算其在矢、冠状面上的重心-压力中心倾角，以各组平均峰值进行统计分析。结果 在睁眼双足站立及闭眼单、双足站立3种状态下，不同年龄段人群在矢、冠状面的倾角均无显著性差异(P＞0.05)；而在睁眼单足站立时，青、中年组与老年组间，在矢、冠状面的倾角均有显著性差异(P＜0.05)。结论 睁眼单足站立下的最大重心-压力中心倾角可以敏感地检测出老年人群的平衡功能衰退，有望为临床静态平衡提供一种新的静态平衡评估指标。

静态平衡；重心；压力中心；倾角

[本文著录格式] 王尹芝，顾冬云，戴尅戎.最大重心-压力中心倾角法评估不同年龄人群静态平衡的研究[J].中国康复理论与实践,2015,21(8):967-973.

CITED AS:Wang YZ,Gu DY,Dai KR.Static balance evaluated bymaximum angle of center ofmass-center of pressure in people of differentages[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2015,21(8):967-973.

静态平衡是姿势控制能力的重要机能，随年龄的增长平衡功能衰退[1-3]，是老年跌倒风险升高的重要内因之一。平衡能力受损或下降所导致的摔倒，是中老年人致死或致残的一大主因[4-5]。

现阶段国内外在临床上对人体静态平衡的评估多采用量表评定法，如单足直立时间评估法及加强Romberg检查法，但这些方法都存在一个共同的问题，即难以进行精确的量化，过于粗略，判断也存在一定的主观影响，且当量表评估项目过多时，在实际操作中较为繁琐[6-7]。相比量表法，使用数字化的动态捕捉系统记录人体重心与压力中心，能将结果更为准确地进行量化，并且能排除记录者的主观影响，使得到的结果更为客观[1,8-9]。

应用重心(center ofmass,COM)及压力中心(centerof pressure,COP)参数评估人体静态平衡的原理为：当人体平衡被干扰时，人体控制系统提供一系列的反应和前馈校正，通过肌肉骨骼系统，不断保持重心的轨迹靠近压力中心[10]。COM-COP参数既往的具体评估指标有：①重心及压力中心轨迹包络面积，即人体重心动摇轨迹所覆盖的区域面积，其能够反映人体在保持平衡时重心的摇摆程度，即反映人体平衡障碍的程度，但其缺点是计算较为复杂；②COM-COP分离距离即重心和压力中心同一时刻在水平面位置的分离距离，它与重心水平加速度具相关性，反映了静态平衡控制系统的 “误差”。人体COM-COP分离距离与人体身高参数有关，其结果为个体身高差异所影响，相同平衡能力的高矮两人，身材高者COM-COP分离距离大，易被误认为晃动幅度大[10]。见图1。

图1 身高对COM-COP分离距离的影响

因此本研究采用COM-COP倾角评估法。过去运用COM-COP倾角法的实验尚少，目前该方法在国内还未被使用。计算重心与压力中心在矢状面及冠状面上的倾角评估平衡能力，不仅能够避免身材高者COM-COP分离距离大所带来的误差[11]，还能将结果进行归一化处理。本实验计算人体在不同站立状态维持平衡时的最大COM-COP倾角，以比较评估上海地区青、中、老年人群静态平衡能力的差异，并计算不同年龄人群静态平衡时的重心及压力中心轨迹包络面积结果，并比较。

1 对象与方法

1.1 研究对象

2013年3月～2014年12月，于上海交大徐汇校区招募的无特殊心脑血管及骨科疾病的不同年龄志愿者共37名，包括在校生、校工、校务工作者和退休教师等。其中男性17名，女性20名。

排除标准：①体质过敏；②严重心血管、肺、肝、肾和造血系统疾病、精神病、自制力差、语言或智力障碍；③其他疾病可能禁忌运动练习。

受试者确认自愿参加实验并知情实验内容，签署知情同意书，且根据实验要求做好准备工作。实验过程由专人完成，严格按照实验要求进行实验，完成实验内容。

按年龄分组。青年组(n=15)：18～40岁，平均年龄(23.3±1.6)岁，平均身高(1.68±0.09)m，平均体重(60.37±11.7)kg。中年组(n=10)：41～65岁，平均年龄(52.1±2.3)岁，平均身高(1.65±0.09)m，平均体重(66.43±12.691)kg。老年组(n=12)：＞65岁，平均年龄(74.8±3.3)岁，平均身高(1.58±0.08)m，平均体重(61.82±9.98)kg。

1.2 实验器材

实验场地为交通大学数字医学教育部工程研究中心三维步态实验室。设备为VICON T40三维运动捕捉系统(英国VICON公司生产，100Hz)，该系统包括10 个400万像素的红外摄像头和一个高速摄像头，39个荧光反射标记点(直径14mm)一套，两块平行放置的测力平台(AMTIOR6-7-1000 specifications,463.6508 mm,1000 Hz)，以及装载配套的Vicon Nexus 1.7.1软件电脑一台(Dell Inspiron 560)。

1.3 实验方法

受试者均穿紧身运动衣裤，赤足，由专业人员依据VICON Plug-in-Gait标准，将39个荧光反射标记点贴于骨性标志上，在三维运动学采集实验室内使用VICON T40三维运动捕捉系统采集其重心以及压力中心数据。具体粘贴荧光反射标记点的骨性标志见表1。

表1 粘贴荧光反射标记点的骨性标志点

1.3.1 实验内容

受试者粘贴荧光反射标记点后，于试验场地中以不同站立状态维持平衡。

①睁眼双足站立(naturalstanding,NS)：受试者双手自然下垂，目视前方，两足同时踩在一块测力台上。

②闭眼双足站立(close eyesstanding,CS)：受试者双手自然下垂，闭眼，两足同时踩在一块测力台上。

③睁眼单足站立(single leg standing,SS)：受试者双手自然下垂，目视前方，自选一条足单足站立，抬起的那只足可以抬高或者放低，但不能与支撑足接触。

④闭眼单足站立(single leg standing with eyes closed,CSS)：受试者双手自然下垂，闭眼，自选一条足单足站立，另抬起的那只足可以抬高或者放低，但不能与支撑足接触。

每种站立状态测试时间为30 s，重复测量3次，每次测量之间休息30 s，供受试者恢复体力。整个实验过程中，受试者接触测力台的支撑足不允许移动或离开测力台。

1.3.2 数据与处理计算方法

COM-COP倾角的定义为同一时刻重心和压力中心连线与压力中心在冠状面及矢状面的垂直线之间的夹角，分别记为θ1与θ2。见图2。

图2 COM-COP倾角在冠状面及矢状面上示意图

使用三维运动捕捉软件Vicon Nexus1.7.1直接取得受试者重心及压力中心数据[8]，并由软件计算得到受试者在各种站立状态下的轨迹包络面积与每个时刻的COM-COP倾角。

各组每个受试者有4种站立状态(睁眼双足站立、闭眼双足站立、睁眼单足站立及闭眼单足站立)，4种站立状态各自重复3次，一次记录30 s，每秒100帧，一次站立得到3000个θ1、θ2倾角数据及1组包络面积数据，倾角数据取其峰值。每种状态共站立3次，即得到3个倾角峰值及3组包络面积数据，倾角取其平均峰值进行统计分析[10]；包络面积取其均值进行统计分析。根据以上的方法处理每个受试者实验数据。

1.4 统计学分析

2 结果

2.1 COM-COP倾角

本实验在测试三组于各种站立状态下维持姿势平衡时发现，在3种状态下(睁眼双足站立、闭眼双足站立、闭眼单足站立)，不同年龄段人群在矢、冠状面的COM-COP倾角无显著性差异(P＞0.05)。在睁眼单足站立时，青、老年组之间及中、老年组之间，在矢、冠状面，最大COM-COP倾角有显著性差异(P＜0.05)；青年组与中年组之间则无显著性差异(P＞0.05)。见图3～图4。

图3 三组于各种站立状态下冠状面COM-COP倾角

图4 三组于各种站立状态下矢状面COM-COP倾角

不考虑年龄因素，在睁眼状态下，维持单足站立及双足站立时，冠状面最大COM-COP倾角有非常高度显著性差异(P＜0.001)；在双足站立姿势时，睁眼与闭眼状态之间则无显著性差异(P＞0.05)。见表2。

表2 不同站立状态下冠状面COM-COP倾角(°)

2.2 重心、压力轨迹包络面积

各组重心轨迹包络面积在各种站立状态下均无显著性差异(P＞0.05)；而压力中心轨迹包络面积仅在睁眼单足站立时，在青/老年组、中/老年组之间有显著性差异(P＜0.05)，在青/中年组之间无显著性差异(P＞0.05)。见表3～表4。

表3 不同站立状态下重心轨迹包络面积(cm2)

表4 不同站立状态下压力中心轨迹包络面积(cm2)

2.3 闭眼单足站立维持时间

实验还发现，闭眼单足站立时，全体老年组闭眼单足站立的维持时间少于20 s，提示闭眼单足站立测试对大部分老年志愿来说较为困难。见表5。

表5 三组闭眼单足站立维持时间的人数百分比(%)

3 讨论

静态平衡是人体一项重要的功能，其维持依靠视觉、前庭和本体感觉等共同作用，随年龄增长，功能逐渐下降[12]。许多研究提示，老年人群的平衡能力较青年人群衰退、下降是导致老年人跌倒以致残、死亡的原因[13]。本研究显示，老年组与青、中年组相比，维持静态平衡的能力有所下降。

当大部分实验关注于老年人时，作为衔接青、老年的时段，中年人被指出也承受高跌倒风险，但目前只有少数关于中年人平衡能力的研究。相较老年人，中年人群逐渐表现出生理上的改变和静态稳定性下降。在既往的研究中，中老年受试者在平衡测试中表现出相似的躯干角摆动，提示中年人也应该注意调整自身以适应更严峻的机体老化[14-15]。但在本实验中，并没有发现中年与青年人群之间在平衡能力上的统计学差异，提示平衡能力的明显下降可能开始于中年以后。

本研究评估年龄对平衡能力的影响，比较最大COM-COP倾角，结果显示，在闭眼时，无论是双足还是单足站立，三组均无显著性差异；在睁眼时，双足站立三组无显著性差异，而单足站立时，青、老年组之间，中、老年组之间，在矢状面及冠状面，最大COM-COP倾角均有显著性差异(P＜0.05)。提示睁眼单足站立情况下，老年人群的稳定性较青、中年人群差。而青中年人群之间无显著性差异提示，相较于青年人群，中年人群的平衡能力下降可能不如老年人群明显。

在睁眼视觉辅助下，老年人与中、青年人之间，在双足站立时，最大COM-COP倾角无显著性差异；而在单足站立时，老年组的平均最大COM-COP倾角比青、中年组大(P＜0.05)。说明当老年人维持单足静态平衡时，其躯干摇晃幅度比青、中年人大，平衡不如青、中年人群稳定。压力中心轨迹包络面积的结果也反映了只有在单足站立的情况下，青、老年之间，中、老年之间有显著性差异。

老年人维持单足静态平衡不如青、中年人群稳定，可能与年龄增加导致的前庭及本体感觉退化、骨骼系统功能下降，下肢肌肉力量下降而导致肌肉与关节功能减弱、移动功能下降等影响因素相关[16-17]。

实验结果也显示，所有受试者在维持双足站立时，睁眼与闭眼下的最大COM-COP倾角无显著性差异；而同样睁眼状态下，维持双足站立和单足站立姿势时的最大COM-COP倾角则有显著性差异。提示在非视觉影响下，前庭感觉、本体感觉及下肢肌肉的强度及控制能力在维持平衡中也十分重要[18-19]。

在闭眼条件下，无论是单足还是双足站立，青、中、老三各组之间在各方向维持静态平衡时的平均最大COM-COP倾角均无显著性差异，可能与去除视觉条件导致的平衡能力下降影响较大相关。

人体的静态平衡由多方面共同维系，但主要依赖于视觉、前庭和本体感觉[2]。过去有研究显示，视觉代偿无论于老年人或是青年人、健康人或患者，在维持平衡方面中都十分重要[20]，视觉能于人体完成较为困难的动作时，提供从环境至自身位置等重要信息[21-23]。除去视觉辅助导致的平衡能力下降过大，以及闭目单腿站立动作的困难程度，也许是三组年龄段人群在闭目单足站立时的最大COM-COP倾角在统计学上没有差异的原因。

在本研究中发现，睁眼单足站立下，老年组与青、中年组的COM-COP倾角有显著性差异。提示老年人的平衡能力较青、中年人群有显著性下降，压力中心轨迹包络面积的结果也支持该结论。然而比较最大COM-COP倾角的睁眼单足站立测试是否能作为一个较精确、直观区分平衡能力的评估指标？当前临床上尚无统一评定人体平衡能力的评估指标，既往临床上常使用量表及闭眼单足站立时间测试，量表法虽然避免了仪器等要求，但是在评判尚较主观，且当评判项目过多时操作也较为繁复。本研究中也发现，闭眼单足站立对大部分志愿来说相对困难，并且对老年受试者来说有一定危险性，测试闭眼单足站立时间得出的结果个体差异大，不建议作为临床指标。

单足站立下比较最大COM-COP倾角尚不是一个用来评估平衡能力、预测跌倒的指标，但在许多研究静态平衡的实验中可以发现，单足站立测试被使用的历史较久，并有许多研究提示其能更简便及准确地评估老年人的平衡能力。

Wood等使用WOMAC(The Western Ontario and M cMaster Universities Arthritis Index)对单足站立时的情况评分，发现可以以简单的测试区分出社区中有膝关节疼痛的老年人[24]。Chang等也在使用静态平衡研究老年人跌倒的实验及随访结果中发现，健康老年组与跌倒老年组单足站立的压力中心轨迹有显著性差异，单足站立时间小于平均单足站立时间的老年人跌倒的风险更大，也说明使用单足站立测试能更准确地预测老年人的跌倒危险[25]。

以往闭眼单足站立作为反映肌力与平衡能力的测试方法，在中国被作为评价成年人和老年人平衡能力的重要素质指标，有大量的测试工作；但由于测试中部分受试者会出现不能闭眼单足站立，或者站立时间过短，对于这一类人群，很难进一步区分其平衡能力；而睁眼单足站立增加了视觉补充，部分弥补平衡能力，其结果能较好地区分平衡能力[26]，从而避免动作难度过高而导致的差异无显著性。

本研究中只比较不同年龄人静态平衡时的平衡能力，尚不能全面地说明问题，今后还应加入动态平衡的评估。

既往调查指出，减少老年人摔倒要以预防为主。寻找可靠简便的平衡评估指标能够较好地帮助区别出失衡老年人群，为预防老年人群跌倒起到指导预测的作用。比较最大COM-COP倾角的单足站立测试是否能作为一个更直观简便的检测目前尚待研究。实验中发现，应用最大COM-COP倾角法可以精确地评估不同年龄段人群的静态平衡特征，单足站立下的最大COM-COP倾角可以敏感地检测出老年人群的平衡功能衰退。

[1]Yeh JR,Lo MT,Chang FL,etal.Complexity of human postural control in subjectswith unilateral peripheral vestibular hypofunction[J].GaitPosture,2014,40(4):581-586.

[2]张丽,瓮长水,王秋华,等.前庭感觉、本体感觉及视觉功能对老年人跌倒风险影响的因素分析[J].中国康复理论与实践, 2010,16(1):16-18.

[3]王红雨,张林.70岁以上高龄老年人健康体适能特征及增龄变化研究[J].中国体育科技,2015,51(1):121-126.

[4]任玉庆,潘月红.平衡机能的增龄性变化及评价体系研究[J].哈尔滨体育学院学报,2012,30(4):122-126.

[5]谢欲晓,段亚景,白伟.老年人跌倒的风险评估与康复干预策略[J].中华老年医学杂志,2014,33(7):707-710.

[6]马玉,吴庆文,马素慧,等.平衡仪与人体平衡功能的评定及干预[J].中国组织工程研究,2012,16(2):353-356.

[7]Bruijn SM,van Dieën JH,Meijer OG,et al.Is slow walking more stable?[J].JBiomech,2009,42(10):1506-1512.

[8]朱奕,朱晓军,孟殿怀,等.三维运动分析系统在健康人平衡功能质心检测中三种方法一致性的比较[J].中国康复医学杂志,2012,27(3):216-222.

[9]Yeung LF,Cheng KC,Fong CH,etal.Evaluation of theM icrosoft Kinectas a clinical assessment tool of body sway[J].Gait Posture,2014,40(4):532-538.

[10]Hahn ME,Chou LS.Age-related reduction in sagittal plane center ofmassmotion during obstacle crossing[J].JBiomech, 2004,37(6):837-844.

[11]Lee HJ,Chou LS.Detection of gait instability using the center ofmass and center of pressure inclination angles[J].Arch PhysMed Rehabil,2006,87(4):569-575.

[12]Kilby MC,Slobounov SM,Newell KM.Aging and the recovery of postural stability from taking a step[J].Gait Posture, 2014,40(4):701-706.

[13]Toraman A,Yildirim NU.The falling risk and physical fitness in older people[J].Arch Gerontol Geriatr,2010,51(2): 222-226.

[14]朱秀芬,林华.中老年人群跌倒风险与年龄的相关性研究[J].中国骨质疏松杂志,2012,18(8):734-737.

[15]Gill J,Allum JH,Carpenter MG,et al.Trunk swaymeasures of postural stability during clinical balance tests:effects of age[J].J Gerontol A Biol Sci Med Sci,2001,56(7): M 438-M 447.

[16]Wingert JR,Welder C,Foo P.Age-related hip proprioception declines:effects on postural sway and dynam ic balance[J]. Arch PhysMed Rehabil,2014,95(2):253-261.

[17]Granacher U,Lacroix A,Roettger K,et al.Relationships between trunk muscle strength,spinalmobility,and balance performance in older adults[J].JAging Phys Act,2014,22(4): 490-498.

[18]TsaiYC,Hsieh LF,Yang S.Age-related changes in posture response under a continuous and unexpected perturbation[J].J Biomech,2014,47(2):482-490.

[19]Iatridou K,Mandalidis D,Chronopoulos E,et al.Static and dynam ic body balance follow ing provocation of the visual and vestibular systems in femaleswith and without joint hypermobility syndrome[J].JBodyw Mov Ther,2014,18(2):159-164.

[20]Przekoracka-Kraw czyk A,Naw rot P,Czaińska M,et al.Impaired body balance control in adults with strabismus[J].Vision Res,2014,2014(98):35-45.

[21]林爱翠,孔明涯.视觉反馈训练促进平衡功能恢复的前瞻性研究[J].中国康复医学杂志,2014,29(4):320-323.

[22]朱琪,乔蕾,杨坚,等.视觉代偿对脑卒中偏瘫患者平衡功能的影响[J].中国康复理论与实践,2006,12(2):143-144.

[23]Jeka JJ,Allison LK,Kiemel T.The dynamics of visual reweighting in healthy and fall-prone older adults[J].JMot Behav,2010,42(4):197-208.

[24]Wood L,PeatG,Thomas E,etal.Associationsbetween physical exam ination and self-reported physical function in older community-dwelling adults with knee pain[J].Phys Ther, 2008,88(1):33-42.

[25]Chang CJ,Chang YS,Yang SW.Using single leg standing time to predict the fall risk in elderly[J].Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc,2013,2013:7456-7458.

[26]袁金风,张秋霞,陆阿明.闭眼单脚站立方法在体质测试中的应用[J].中国组织工程研究,2013,17(33):6049-6054.

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.国家自然科学基金项目(No.31170901)；2.上海市科学技术委员会科研计划项目(No.13441902900)。

1.上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科，上海市200011；2.上海交通大学生物医学工程学院，数字医学临床转化教育部工程研究中心，Med-X研究所，上海市200030。作者简介：王尹芝(1988-)，女，汉族，台湾高雄市人，硕士，医师，主要研究方向：重心-压力中心倾角法评估不同年龄人群静态平衡能力。