人體平衡能力測試儀器現狀與發展趨勢研究

劉海斌 元文學 孟昭莉

(大連理工大學體育科研所,遼寧大連 116023)

人體平衡能力測試儀器現狀與發展趨勢研究

劉海斌 元文學 孟昭莉

(大連理工大學體育科研所,遼寧大連 116023)

平衡能力是維持身體姿勢的能力,國外相關研究開展十分廣泛。評定平衡常用方法包括臨床評定和實驗室測試,臨床評定以觀察和量表為主,實驗室測試則是利用平衡測試儀器進行評定。多數平衡儀器通過記錄人體壓力中心(COP)分析、評價人體靜態與動態平衡能力。就其信度與效度而言,部分學者對COP法提出了質疑。研制人體重心(CoG)法的人體平衡儀器是未來揭開人體平衡機制的發展方向。

人體平衡;測試方法;研究進展;問題與展望

日常生活中行走、站立以及各種動作都依賴有效的平衡作保障[Bode,2002]。人體平衡是一個復雜的過程,它需要感覺信息與適當的身體反應共同完成。為了維持人體站立姿勢的平衡與穩定,中央神經系統就必需時時根據視覺系統、本體感覺系統和前庭系統提供的感覺信息對相應的關節與骨肉進行不斷的調整。既然人體平衡調節是由多個感覺系統共同完成,那么不同條件下中央神經系統調節人體平衡的機制就會有所不同。因此,研究人體平衡機制將會有助于理解人體姿勢控制系統(Sakineh,2008)。

1 人體平衡能力測試儀器

人體平衡測試儀由受力平臺(force plate)即壓力傳感器、顯示器、電子計算機及專用軟件構成。受力平臺可以記錄到身體搖擺情況,并將記錄到的信號轉化成數據輸入計算機。平衡測試儀的出現是人類研究自身平衡功能的一個里程碑。

一般通用的儀器為三維測力平臺,Balance Master和Equitest。這三種儀器都可以測量地面反作用力。通過地面反作用力,可能計算出壓力中心(CoP)位移,重心的搖擺程度(CoM),平衡分數(ES),姿勢穩定性指數和其它相關的參數。通過Equitest(2001)和BalanceMaster(2001)的動態實驗,提供關于視覺,本體感覺和前庭系統綜合測量的平衡分數,可以全面反映這些系統相互協調以保持身體站立姿勢的情況(Chaudhry et al.,2004)。

平衡實驗要求測試者進行六種條件測試:睜眼,環境和平臺固定;閉眼,環境和平臺固定;睜眼,環境移動;睜眼,平臺移動;閉眼,平臺移動;睜眼,環境和平臺移動。

1.1 測力平臺與壓力板

測力平臺與壓力板可以測量出人體地面作用力,進而來計算人體的CoP變化,來評價人體靜態站立時的平衡狀態。這類測試儀的生產單位比較多,如美國的Betec公司生產的Bertec’sBalanceCheckTM系統;美國NEUROCOM○R研發的Basic Balance Master系統;德國生產的Bismarck SuperBalance系統;英國生產的Medica Balance Trainer系統;日本ANIMA的重心動搖平衡檢查系統;以色列的Tetrax平衡及穩定性測試系統;瑞士 Kistler公司生產的測力平臺中 Type 9281C,9286A,9285都具有測試人體靜態平衡的功能。

優點是造價低廉,易操作,缺點是只能完成條件1與條件2的靜態測量。

1.2 Balance Master

這種設備是由可移動的測力平臺與可視的環境組成,另外還配備了防止受試者滑倒的安全帶。它能夠完成條件1,2,4,5的靜態與動態平衡測量。動態平衡測試儀器相對靜態平衡儀器來說,生產廠家較少,大多集中在美國各大公司。AMTI公司與NEUROCOM○R共同研發動態平衡測試系統;美國身體康復管理服務公司開發的Secure BalanceTM動態平衡測試系統;美國生產的Biodex Balance System動態平衡系統;NEUROCOM○R研發了 SMARTBalance Master,The Basic Balance Master,The PRO Balance Master。

優點是可以完成靜態平衡與動態平衡,缺點是周圍的環境還不能移動,這對人體動態平衡測試來說是不完全的。

1.3 Equitest

這種裝置是由可移動的測力平臺,可移動的可視環境和防止滑倒的安全帶組成。可以同時測量人體COP的位置與COM的擺動。6種條件下的測試都可以完成。美國Neuro-Com Inc產的 Smart EquiTest,美國MicroMedical Tech.生產的BalanceQuest,法國Synapsys產的SYNAPSYSplatform。

這三種平衡儀中只有美國NeuroCom Inc生產的Smart EquiTest為真正的動態平衡儀,其它產品基本是鑒于動態平衡儀的臨床價值模仿或派生出的產品。雖然BalanceQuest和SYNAPSYSplatform具有Smart EquiTest動態平衡功能,但出于知識產權問題做了一些變動,但還缺乏長時間的實際臨床應用考驗。另外,美國Smart EquiTest是真正以重心移動為參量計算和分析人體靜、動態下的姿態平衡,而BalanceQuest和SYNAPSYSplatform都不是用重心移動為計算參量,而是用壓力中心變化為計算參量,這決定了這兩種平臺具有先天不足的,會嚴重影響測量準確性的缺陷。

這類儀器達到了目前所有平衡測試的要求,缺點是造價過于昂貴,非專業人員不易操作。

2 對人體平衡能力測試方法的質疑

人體平衡可分為動態平衡與靜態平衡(Lexandta,2000)。靜態平衡即人體或人體某一部位處于某種特定姿勢,例如坐或站等姿勢時保持穩定狀態的能力。另一類是動態平衡,包括2個方面:1)自動態平衡,即人體在進行各種自主運動,例如由坐到站或由站到坐等各種姿勢間的轉換運動時能重新獲得穩定狀態的能力;2)他動態平衡,即人體對外界干擾,例如推、拉等產生反應、恢復穩定狀態的能力。平衡的這種分類包括了人體在各種運動中保持、獲得或恢復穩定狀態的能力,具有一定的科學性和完整性。

一些學者(Teasdale,2001;Woollacott,2002)經常采用人體安靜站立時身體姿勢變化模式來評價與研究個體平衡系統。然而,人體的靜態平衡能力與動態平衡能力是沒有相關性的(Owings,2000;Mackey,2005)。

從機械力學的觀點來看,當人體姿勢受到干擾時有三種機制可以完成身體的自我調節(Hof,2007):1)擴大與質心CoM相關的身體支撐面的面積;2)圍繞人體CoM反向旋轉人體關節;3)借助人體外部的力(推或拉等動作)。

當人體受到外界干擾時,中樞神經系統會通過一系列的身體動作來維持身體的動態平衡。但是當人體安靜站立時,CoM位于人體支撐面內,因此,人體姿勢的自我調節并不需要以上三種機制,而動態平衡卻需要。

因此,可以得出結論:通過測量人體站立姿勢靜態平衡所獲得的信息不能用來作為人體維持動態平衡的機制研究(Arampatzis,2008)。

3 問題與展望

目前,國際上主要是通過記錄CoP來分析和評價人體靜態站立平衡能力。這種作法是建立在簡單的將人體姿勢的搖擺一個靜態過程的假設基礎之上。另外,很多學者只局限于研究CoP軌跡的標準統計上面。然而,CoP軌跡不能代表所有評價方式。大量研究表明多數生理系統如身體姿勢搖擺是一個混亂的過程,基本沒有規律可尋(Doyle,2004;Buzzi,2003;Hausdorff,2001)。這種以CoP為基礎的測量方法(如包絡面積,平均CoP速率等)已經測量出了年齡,感覺條件,病理學等與跌倒的風險有著密切的關系,但是這種測量方法忽略CoP運動過程中的動態特性,它并不能代表姿勢控制的細微變化。這種把CoP簡單的認為是“身體姿勢的擺動”,甚至等同于CoG是不合理的(Winter 1995,2004)。主要有兩個缺點:1)簡單的記錄CoP會失去對人體控制因素的考慮,并且失去了對人體控制變量的獲取。人體倒鐘擺模型顯示,CoG(或是CoM)才是人體維持平衡過程所控制的變量,而CoP只是人體控制的一個結果而已。從生物力學角度來說,CoPCoM只是控制CoM水平加速度的一個錯誤信號。2)單個平臺的使用存在著極大的局限性。通過對每一個肢體分別記錄可以使我們識別人體CoP左右移動的各自控制機制,而前后方向的平衡則是由踝關節的趾屈和跖屈來控制的。那么今后開發與研制采用人體重心(CoG)為測量方法的人體平衡實驗儀器才是揭開人體平衡機制的發展方向。

[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.

[9]Arampatzis A,Karamanidis K,Mademli L.Deficits in the way to achieve balance related tomechanismsof dynamic stability control in the elderly.Journalof Biomechanics[J],2005,41:1754-1761.

[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

劉海斌(1978-),吉林通化人,碩士,講師,研究方向:生物力學。