人体动态稳定性控制理论在老年人防跌倒中的应用

徐欣，温子星

人体动态稳定性控制理论在老年人防跌倒中的应用

徐欣1，温子星2

跌倒与人体稳定性密切相关，在老年人中，稳定性差是跌倒的主要原因。与静态稳定性控制理论相比，动态稳定性控制理论更强调以人体质心位置-速度的交互作用预测人体动态稳定边界，而非简单地以质心与支撑面的位置关系作为评价人体稳定性的指标。利用动态稳定性控制理论可更准确进行跌倒风险评估，在训练中强调应从整体水平促进人体稳定性的提高，促进中枢神经对平衡干扰刺激的适应性改变。但训练方案还需要进一步研究。

动态稳定性；跌倒；姿势控制；老年；康复；综述

跌倒是指人体在受到自身或外界干扰刺激时，平衡状态丧失，引发意外的体位改变，导致倾斜着地的突发事件[1-2]。跌倒可发生于各个年龄段。由于老年人神经系统控制能力、感觉信息传导统合能力、肌肉骨骼系统生理功能下降，以及疾病等因素的影响[3-4]，跌倒在老年人中发病率较高。相关流行病学研究显示[5]，在65岁以上老年人中，跌倒发生率约为28%～35%；70岁以上老年人跌倒发生率达32%～42%。老年人跌倒后易发生骨折、心脑血管意外甚至死亡等较严重后果，且愈后较差，跌倒发生后机体运动能力下降，影响生活质量[6]，且明显加重社会医疗和经济负担[7-9]。

一般认为，跌倒的发生和人体稳定性控制能力有关，姿势稳定性控制能力较差者，跌倒的发生率较高。因此，人体稳定性相关理论发展水平及训练方法的创新和发展，对跌倒预防，尤其是老年人跌倒预防具有重要意义。近年来，运动控制及康复领域研究者在人体稳定性控制机制方面进行了大量的探索研究，并取得非常有意义的进展，尤其是动态稳定性控制理论的提出和发展，使我们对于人体姿势稳定性控制机制有了更为深入的认识，并对老年人跌倒风险评估、康复训练方法的创新完善都有非常重要的指导意义。

1 人体稳定性控制理论

稳定性可定义为人体在支撑面不发生改变的情况下，抵抗平衡干扰，维持或恢复稳定站立姿势的能力[10]。传统观点认为，人体质心(center of mass,CoM)的地面投影与支撑面(base of support,BoS)的位置关系是判定是否处于稳定状态的指标。当人体质心投影处于支撑面范围内，人体将处于稳定状态，否则人体将不能维持站立姿势，需要通过迈步重新回到稳定状态或发生跌倒[11-12]，也就是说，当质心落在支撑面前方时，人体需要通过向前迈步来恢复平衡或发生向前跌倒，其他方向的稳定性也一样。需要指出的是，力学上的支撑面指的是足底压力中心(center of pressure,CoP)所能到达的范围[13]，可以简单地理解为连接每个边缘支撑点的线所包围的区域内部。

受人体生理活动、日常生活所处环境等多种因素影响，人体不会处于绝对静止或平衡状态，会时刻受到来自自身或外界的平衡干扰刺激。为防止跌倒，中枢神经系统(central nervous system,CNS)需要通过视觉、本体觉、触觉等多种感觉信息的整合，对质心与支撑面的相对位置做出准确判断，及时做出响应，支配相关肌肉协同收缩，使人体维持或重新恢复稳定状态。

传统理论将质心与支撑面的位置关系看作评价人体稳定状态的唯一指标。支撑面的大小是影响人体稳定性一个很重要的因素，支撑面大则稳定性提高，支撑面小则稳定性较差。此观点使我们对人体稳定性控制机制有初步认识，迄今仍具有较强的生命力。此观点可以很好地解释单腿支撑时人体稳定性差于双腿支撑；而双腿分开时，人体左右方向的稳定性进一步获得提高。老年人或肢体障碍患者通过使用拐杖增加稳定性，也是通过增加支撑面积获得的。质心的偏移幅度也是评价人体稳定性的重要指标，质心偏移幅度越大表示越接近支撑面边界，稳定性越差。

需要指出，此观点将人体质心看作处于静止状态，并未将人体运动过程中质心的移动性考虑在内。这种静态稳定性观点对人体运动中的一些现象很难做出解释，如从坐位到站位的过程中，人体在离开椅子的瞬间，身体质心处于支撑面后方，按静态稳定性观点，人体是不稳定的；但事实上，健康人可以平稳地从坐位过渡到站立位。静态稳定性观点在评估静态平衡或人体运动速度相对较慢时适用，但在走、跑、坐-起等老年人较易出现跌倒的大范围运动的动作分析及跌倒风险评估中，具有很大应用局限性。

2 动态稳定性控制理论

基于静态稳定性控制理论的局限性，Pai等[14]提出质心水平方向移动速度也是影响人体稳定性的重要因素，将质心位置-速度交互作用与支撑面的关系作为评价人体姿势稳定性的指标，而非单纯考虑质心与支撑面的位置关系。这一理论可以简单描述为，当质心移动速度较大时，即使质心投影处于支撑面范围内，也有可能移动至支撑面外，此时人体将无法维持稳定的站立姿势；相反，若质心投影处于支撑面外，但具有足够的朝向支撑面方向的移动速度，人体也可能会维持稳定的站立姿势(无跌倒发生或通过迈步来恢复平衡)。在此基础上，他们还定义了“稳定界限(stability boundary)”的概念[15]，将人体质心位置和速度相结合考虑人体的平衡稳定区域。以人体质心向前运动为例，如果质心在地面投影到达支撑面范围内时，其速度已降为0，则人体处于不会出现跌倒或通过其他方式恢复平衡的状态；如果到达支撑面最前端(足尖)时，其速度仍大于0，则是不稳定的，将出现向前方向的失衡，或需通过向前迈步重新恢复平衡；若在到达支撑面最后端(足跟)之前速度已降为0，则会出现向后方向跌倒，或需通过向后方迈步重新恢复平衡。此后不断有学者对此观点进行完善补充，我国学者武明等[16]、李世明等[17]对此概念进行进一步阐述，并从工程学、生物力学等不同角度对人体动态稳度的概念进行分析。

不同于传统的静态理论，动态稳定性控制理论将质心在水平方向的移动速度作为一项重要的因素加以考虑，即虽然在动作发生的某一瞬间，人体质心可能并不在支撑面内，但通过人体质心的移动，可不断调节其与支撑面的位置关系，使得动作在进行过程中，人体质心可以重新回到支撑面内，此时，人体仍会处于稳定状态，不会发生失衡而导致跌倒状况的发生。此观点可以很好解释为什么步行是人体不断的失衡和再平衡的动态过程；也可以解释坐位起立过程中，在动作发生的瞬间，人体质心处于支撑面后方，但此时身体质心具有向前的速度，使得在动作结束前，身体质心可以回到并保持在支撑面范围内，人体将处于稳定状态。动态稳定性控制理论也强调控制质心移动速度的重要性，外界干扰刺激发生后，人体内力(肌肉力量)在控制质心移动速度中发挥主要作用。这也解释了肌肉力量及神经肌肉控制在人体稳定性控制中的重要性。

3 动态姿势稳定性控制机制

姿势控制能力是指当人体平衡状态受到自身或外界的干扰刺激时，能够维持或快速恢复至平衡状态的能力[18]。人体姿势稳定性主要通过前馈控制和反馈控制加以维持。

前馈控制(feedforward control)是指在外界环境变化或干扰产生之前，由于人体对即将到来的危险刺激的认识和以往生活经验，CNS对姿势控制相关肌肉做出提前的动员，对即将到来的干扰进行事前调整。此调节机制又称预测性姿势调节(anticipatory postural adjustments,APAs)，最早由苏联科学家提出[19]，此后不断有学者对其作用机制和作用效果进行研究分析。大量研究证实，通过扰动发生前人体做出的提前动员，对即将到来的平衡干扰呈现出准备状态，可有效降低干扰发生后身体的失衡程度，降低跌倒发生率[20-21]。

反馈控制(feedback control)是指在干扰刺激发生后，CNS根据干扰的类型和强度做出反应，快速调节身体姿势，使人体重新回到平衡状态。在干扰发生后，人体为了维持身体的稳定性，会根据外部干扰的类型和强弱使用以下几种平衡控制策略，即踝关节策略、膝关节策略、髋关节策略和迈步策略[22]。当外部干扰刺激较弱时，仅通过踝关节调节就可以将人体质心恢复到支撑面内；刺激较强时，需要膝关节和髋关节的调节才可以控制身体质心的偏移；刺激强度继续增加，则需要通过迈步来重新建立支撑面，防止跌倒[23]。

人体平衡调节即对质心状态(包括质心位置与速度两个因素)与支撑面位置关系的调节，平衡状态下此两者关系处于正确的稳定状态；当来自自身或外部平衡干扰刺激出现时，两者的关系出现改变，质心处于动态稳定边界之外，此时CNS需准确感知人体失衡类型及失衡程度，选择适合的平衡恢复策略做出反应，调节人体质心，使其恢复至平衡状态。有两点需要指出：①平衡调节过程为一连续动态调整过程，CNS需时刻根据质心与支撑面的位置关系作出适当调整；②与静态稳定性控制理论不同，动态稳定性控制理论认为，控制质心移动速度也是姿势稳定性调节的重要组成部分，这对CNS、肌肉骨骼系统的功能提出更高要求，需要CNS快速感知人体质心状态的改变，并作出准确判断，支配相关姿势控制肌快速准确地协同收缩，有效控制人体质心的偏移。随着年龄增加，神经系统及运动系统功能都将出现不同程度下降。王芸等[24]对比青年人和老年人从静止站立到向前迈步时的肌肉收缩特征，发现老年人在这一运动过程中，肌肉动员的潜伏时间要长于青年人，且肌肉收缩的协调性较差，认为较长的肌肉动员潜伏时间和较差的肌肉协同收缩能力，加之老年人肌力减退，是导致老年人平衡控制能力下降，易发生跌倒的重要原因。

4 在老年人跌倒风险评估中的应用

动态稳定性控制理论在老年人跌倒预防中的应用主要体现在跌倒风险评估和动态稳定性训练两个方面。

传统平衡能力评定方法，通常将人体质心的位置偏移看作衡量人体稳定性的指标，一般认为当身体质心的地面投影位于支撑面内时，人体处于稳定状态，不会发生跌倒或通过迈步等辅助方式即可恢复至平衡状态；同时也将身体质心的偏移幅度看作衡量人体稳定性的参考指标，即较小的移动范围代表稳定性较好，反之稳定性较差。这对一些情景的评价显然是不合适的，如帕金森病患者站立姿势下身体的移动幅度很小，但不稳定。动态稳定性控制理论将质心与支撑面的相对移动速度这一要素加入跌倒风险评估中，即当质心位置处于支撑面范围内的同时其移动速度降为0，人体才是稳定的，不会发生跌倒。

与静态稳定性控制理论相比，动态理论在跌倒风险评估中表现出明显优势。研究证明，将外部干扰发生时的质心位置、移动速度等因素考虑在内，利用仿真模拟计算可对跌倒风险及迈步发生率做出更为准确的判断[2,15]。

稳定性控制的关键为调节人体质心与支撑面的关系。传统观点认为，当质心移动到支撑面范围以外，必须通过迈步才能重新回到平衡状态；而从动态稳定性观点出发，则要结合质心位置、移动速度两个因素对迈步发生的阈值进行重新定义：只要当人体质心移动速度降为0时，质心位置可以落在支撑面范围内，人体即处于平衡状态，不需要通过迈步来恢复平衡或发生跌倒[15]。有研究证实，使用动态稳定性预测方法，相比传统只考虑质心位置的预测方法，显著提高对平衡干扰发生后迈步发生率和跌倒风险的预测，并发现老年人的迈步发生率及跌倒风险要显著高于青年人[2,15]。

5 在老年人稳定性训练中的应用

传统的肌力训练、关节稳定性训练等在一定程度上可促进人体平衡能力提高[25-26]，但单方面能力的提高对预防跌倒有一定局限性。动态稳定性训练强调从整体水平促进人体平衡控制能力提高，训练方法和训练情景更接近生活中常见易发生跌倒的动作，从外界干扰刺激发生后人体反应出发，进行更有针对性的训练。以下对特异性迈步训练和扰动平衡训练做简单介绍。

生活中，平衡干扰刺激发生后，迈步策略是最常用的一种平衡恢复策略，在跌倒预防中具有重要作用[10]，其中失衡发生后的第一步是维持稳定性的关键反应，影响整体平衡恢复结果[27]。老年人的迈步速度和迈步腿落地后产生的恢复力矩都明显差于青年人，这也是老年人跌倒风险较高的重要原因。迈步的有效性与反应时间、迈步方向准确性、幅度等因素有关。Sawers等[28]通过对行走中发生滑动后，跌倒人群与非跌倒人群第一步发生时肌肉收缩策略分析发现，两组的肌肉收缩策略有一定差异，相对于平衡恢复人群，跌倒人群在神经肌肉控制方面存在一定不足。Arampatzis等[29]对老年人进行14周迈步训练这一特异性姿势控制动作练习，可以有效促进老年人在跌倒发生时支撑面的快速重建能力，并提高下肢肌肉力量，增加迈步腿落地后的恢复力矩，是老年人跌倒预防的重要措施。

扰动平衡训练(perturbation training)是近年受到关注的一项新兴训练方法[30-31]，目的是提高人体抵抗外界平衡干扰的能力：通过外力(站立面的突然滑动或对人体意外外力撞击等)对人体平衡状态施加突然干扰，引起质心与支撑面相对位置突然改变，以训练神经系统对失衡后平衡恢复的适应性改变[32-33]，提高身体质心与支撑面相对稳定性[34-35]。反复进行行走中的干扰训练，可有效促进人体前馈控制和反馈控制能力，降低老年人生活中跌倒的发生[36-37]。与其他训练法不同，扰动平衡训练强调训练CNS产生适应性改变，不断改进CNS对质心位置和速度变化的感知能力，并不断优化外界干扰刺激发生后的反应策略，促进最优化动作反应的形成，而这种能力是人体面对不同干扰情景时的基础能力[36,38-39]；某种干扰形式下训练获得的平衡能力的提高，可迁移至其他干扰形式，并可有效提高日常生活中常见跌倒的发生[31,36,38-39]。渡部和彦等[18]提出的“外部干扰-身体平衡适应理论”，强调通过在不稳定条件下的适应性学习，增加人体对外界平衡干扰的适应性，从而促进人体前馈调节机制的建立和稳定，提高身体平衡机能，预防跌倒发生，也表达出相似的观点。

相对于传统平衡能力训练方法，迈步动作训练和平衡扰动训练等动态稳定性训练方法需要患者有一定的抗平衡干扰能力，且训练具有一定危险性，应注意安全性防护；同时需要指出，作为一种新兴训练方法，其有效性已经得到证实，但在训练方案设置、训练强度及训练效果持续时间等方面还存在一定异议[28,32-33,40]，标准化的训练方案还需进一步研究。

6 小结

相比于传统静态稳定性控制理论，动态稳定性控制理论将质心位置-速度的交互作用与支撑面的关系看作衡量人体稳定性的指标，加深了对人体姿势稳定性控制机制的认识，可以更好解释人体运动过程中的失衡与再平衡问题，并可有效指导跌倒风险评估及跌倒预防康复训练；动态稳定性训练方法更注重整体水平上姿势稳定性的提高，强调CNS对外界平衡干扰刺激的适应性反应，到达预防跌倒的目的。但具体训练方案还需进一步研究。

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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

[本文著录格式] 徐欣，温子星.人体动态稳定性控制理论在老年人防跌倒中的应用[J].中国康复理论与实践,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.上海高校教师产学研践习计划(No.沪教委人〔2017〕32号)；2.上海杉达学院重点学科(护理学)(No.A-021304-17-001)。

1.上海师范大学天华学院，上海市201815；2.上海杉达学院国际医学技术学院，上海市201209。作者简介：徐欣(1990-)，女，汉族，山东泰安市人，硕士，助教，主要研究方向：人体运动学，康复学基础研究。通讯作者：温子星(1991-)，男，汉族，硕士，主要研究方向：运动生物力学，人体平衡控制机制。E-mail:wenzixing@hotmail.com。

2017-06-04

2017-08-24)