直立姿勢控制中頭部動搖與足壓中心移動的區別

任杰 渡部和彥

1 上海體育學院運動科學學院（上海 200438） 2 廣島大學教育學研究科（日本廣島）

分析人體直立狀態下的姿勢動搖可以評價個體的平衡能力以及診斷神經肌肉系統疾病。由于姿勢動搖在本質上指的是人體重心或質心（center of mass，COM）的動搖，而COM在身體內部，很難直接測量［1］。如今雖然采用三維攝像系統可以推算人體COM的位置，但仍然受到人體模型參數的適宜性、測試的精度以及儀器價格昂貴等因素的限制而未得到廣泛應用。

目前最常用的測量姿勢動搖的方法有兩種。一種是直接測量軀干的動搖。早在十九世紀后期，Hinsdale 就開始采用在頭頂上方放置記錄板的方法記錄被試頭部位移的曲線。現在研究者采用攝像機或磁感應器記錄頭部的移動軌跡［2，3］。因為在直立狀態下人體可以被簡化為一個以踝關節為轉軸的“單關節的倒立擺”結構，所以頭部的空間位置變化能直觀反映身體的動搖［4］。另一種是用測力臺測量被試足底的壓力中心（center of pressure，COP）的移動軌跡。直立狀態下，COP與COM在水平面上的位置變化比較近似，而且測力臺的測試精度和數據采集頻率較高，因此COP的移動變化常被用來反映COM的動搖。但也有研究者指出COP測量法不能真正反映COM的動搖，而且這種測量方法的可重復性較差［5］。

有關頭部動搖和COP的對比研究顯示出兩種不同的結論。有研究認為兩種測量方法在多項評價指標上的相關性很高［6］，但也有學者對此有不同意見［3，7］。我們認為兩種方法各有利弊，選用不同評價指標，兩種方法間的相關程度可能不同，應根據研究目的選擇合適的方法和評價指標。如今在有關姿勢控制或直立平衡的研究中，上述兩種方法都在應用，為避免出現似是而非的結論，本研究通過同時測試直立狀態下頭部與COP位置的變化軌跡，結合幾種典型的評價指標探討兩種測量方法的區別和聯系。

1 對象與方法

1.1 實驗對象

某大學的學生11名，其中男性7名，女性4名。事前向他們詳細說明了本實驗的要求和測定方法，并獲取了他們的同意。被試者年齡28.0±5.6歲，身高1.68±0.09m ，視力1.0以上（包括校正以后）。所有被試均身體健康，沒有腦和神經及肌肉方面的疾病。

1.2 實驗器材和數據計量

1.2.1 頭部動搖的測量

被試頭戴輕質頭盔，在頭盔頂部正中心的位置固定一個紅色發光二極管（LED）。被試的正上方（離地面高度為2.8m）安置一臺數碼攝像機，用于攝錄被試頭頂部LED的移動。攝像機的拍攝速度是每秒30幀，然后用視頻圖像解析軟件WIN Analyze將錄像轉換成每秒60幀的畫面，并對LED的軌跡作水平面的2維圖像解析，分離出前后方向（anterior-posterior，AP）和左右方向（medio-lateral， ML）的兩種動搖分量。

1.2.2 COP動搖的測量

采用測力臺（Bertec，Type 9090）測定COP在AP方向和ML方向上的位置變化，數據采樣頻率為100Hz。用Butterworth濾波器15Hz低通濾波法對時序數據進行濾波處理。

1.3 實驗程序

要求被試光腳站立于測力臺中央，雙腳內側緊密相靠，雙手自然下垂于身體兩側，盡力保持直立姿勢的穩定。在睜眼（eyes open, EO）和閉眼（eyes closed, EC）2種條件下各站立60s。EO條件是要求被試注視固定于前方1m處與眼睛同高的“十”字形圖案。同步記錄被試維持直立姿勢期間的COP和頭部的動搖軌跡。

1.4 評價指標計算

在本研究中，COP和頭部動搖軌跡都被分解成AP和ML兩個動搖成分。頭部動搖數據是由60Hz頻率采集60s所得的3601個時間序列數據，計算出移動均方根（root mean square，RMS）、平均移動速度（mean velocity，MV）和平均功率頻譜（mean power frequency，MPF）。COP數 據 是100Hz頻率采集60s所得的6001個時間序列數據，同樣計算出它們的RMS、MV和MPF。

另外，分別計算頭部和COP動搖速度的Romberg商數（romberg quotient，RQ），RQ值是反映姿勢控制中視覺貢獻大小的指標。RQ計算方法：RQ（x）= x（EC）/x（EO）。其中，x是在EO和EC條件下的某個評價指標。比如，當RQ（MV）值等于1.2時，意味著當被試的視覺信息被剝奪后，姿勢動搖的平均速度將增加20%。

1.5 統計學分析

結果以平均數±標準差表示，采用SPSS15.0統計軟件進行統計處理。COP與頭部動搖之間的各項指標的相關系數采用皮爾遜積差相關法計算，RQ值差異比較采用相關樣本t檢驗。P < 0.05為顯著性水平，P < 0.01為非常顯著性水平。

2 結果

2.1 COP動搖和頭部動搖變化的相關性

對同步測得的頭部和COP數據進行計算所得的3種評價指標進行皮爾遜相關分析，結果（表1）顯示：在RMS指標方面，在EO和EC兩種測試條件下，AP和ML兩個方向的COP和頭部動搖之間的相關系數均有顯著性，而且相關系數較大。在MV指標方面，在EO和EC兩種測試條件下，AP和ML兩個方向上COP與頭部動搖的相關系數均無顯著性。在MPF值上，除了在EO條件下的ML方向上COP和頭部動搖的相關系數具有顯著性外，其他均無顯著性。

表1 直立姿勢控制中COP動搖和頭部動搖在各項評價指標上的相關性（n=11）

2.2 Romberg商數的比較

如圖1所示，比較MV指標的Romberg商數，在AP和ML兩個方向上，頭部動搖比COP動搖大，具有顯著意義（前后方向：t=4.56，P < 0.01；左右方向：t=9.01，P < 0.01）。

圖1 COP與頭部動搖速度的Romberg商數（n = 11）

3 討論

3.1 兩種測量方法在三種不同評價指標上的相關程度

分析姿勢動搖時，選擇合適的評價指標非常重要。本研究選用的3個指標都是姿勢評價中的常用指標，但其代表含義不同。RMS值代表觀察點移動的變異程度［8］。RMS值越大表示姿勢越不穩定。但這個指標的計算前提是觀察點圍繞某一個中心點移動。當觀察點的移動軌跡中存在兩個或者兩個以上的中心點時（中心點漂移現象），RMS值就不能準確描述身體的動搖了［9］。直立姿勢下的人體重心并不一定是圍繞一個中心點移動的，這意味著RMS是一個比較粗略的指標，難以反映身體動搖的細節特征。MV是指動搖的平均速度，值越大代表姿勢越不穩定。最近有研究提出MV是一個非常有效的指標，能夠較好地反映姿勢的動搖［10］。MPF指標反映姿勢動搖的頻率特征，代表機體的一種積極控制程度以及自由度的變化［11］。MPF值越高意味著姿勢受到更積極的反饋控制和自由度的減少。

本研究中，COP法和頭部測定法所獲得RMS數據在兩種實驗條件下的兩種動搖方向上相關性都很高，說明在采用比較粗略的指標評價身體動搖時，COP法和頭部測定法可以互相代替。這一結果支持了前人的研究［6］。但分析MV數據和MPF數據，除睜眼時的左右方向上的MPF數據外，其余各種條件下的COP和頭部之間的相關程度均很低，說明兩種方法不能互相取代。導致MV指標和MPF指標在COP和頭部動搖之間相關性較低的原因可能是COP和頭部之間自然屬性的差異。地面支撐著人體維持平衡狀態。水平面上COP是圍繞COM進行高頻運動的，因此COP軌跡較長，波動頻率較高，且易受人的主觀意志努力影響。頭部位于人體“倒立擺”的頂端，只要人體維持直立姿勢，并且沒有頸部和髖部等關節的自由轉動，頭部動搖就是COM動搖的直接放大，在動搖速度和動搖頻率上與COM有線性關系。這可能是導致COP 和頭部動搖在MV指標和MPF指標上低相關的主要原因。在姿勢控制的具體研究中選擇哪種測量方法更合適，需要結合研究目的和出發點。以下對這一問題做進一步的討論。

3.2 數據的采集頻率

數據的采集頻率影響測量指標的絕對數值，特別是在MV和MPF這兩個指標上。由于本研究中COP和頭部動搖的數據采集頻率不同，因此不能直接比較兩者之間的差異，只進行相關系數的檢驗。一般直立姿勢的身體動搖頻率較低（1Hz以下）。有研究顯示50Hz以下，甚至10Hz左右的數據采集頻率也足以對姿勢動搖進行評價［10］。因此采用攝像機拍攝頭部動搖可以達到對姿勢動搖進行評價的數據采集頻率上的要求。

3.3 兩種測量方法的實證效度

G-P分析（good-poor analysis）是檢驗某種測量方法的實證效度的一種常用方法。這種統計方法是通過檢驗具有明顯差異（優/劣）的兩個團體間得分的差異來實現的［12］。在直立狀態下，由于沒有視覺的信息反饋，閉眼時身體動搖比睜眼時大。因此，效度較高的測量方法應能更好地辨別睜眼與閉眼條件下的身體動搖，也就是獲得較高的RQ值。本研究結果顯示，當采用MV作為評價指標時，頭部動搖RQ顯著高于COP動搖RQ，故推測當以視覺與姿勢動搖的關系作為研究目的時，頭部測定法比COP測定法有更高的實證效度，可能視覺信息與頭部動搖的關聯程度更高。然而目前有關視覺信息影響直立姿勢控制的研究中，有些研究采用了COP測定法［13］，有些采用的是頭部測定法［2，9］。筆者認為這是導致該類研究間出現爭議的重要原因。

3.4 兩種測試方法的便利與局限

頭部動搖測試手段相對簡單，如采用攝像機或者磁感應器記錄頭頂動搖軌跡。直立狀態下，人體的平衡控制主要采取踝關節調節策略?；谌梭w單環節倒立擺模型，頭部動搖軌跡和COM的變化呈線性關系，前者變化幅度大約是后者的2倍。當直立平衡的維持受到較大威脅時，個體會動用髖膝關節調節策略或跨步動作策略［14］。髖膝關節以及頸部的屈伸將導致頭部和COM之間的線性關聯度降低。因此測量時要求被試盡量保持頸部、髖部、膝部等關節的固定。在自由站立或動態的姿勢控制中，人體的姿勢控制屬于多環節的倒立擺系統。由于存在多關節的活動變化，頭部測試方法便不能很好反映COM變化。

采用測力臺測量COP變化具有測量精度高，數據采集頻率高，測試方便等優點，因此這種測試方法被很多研究者用來評價人體的平衡控制能力。更重要的應用還體現在采用測力臺可以測量人體在運動條件下的地面垂直受力和側向受力的變化。但COP的移動變化并不是軀體動搖的直接反映，用COP測量直立姿勢穩定性時可靠性較低。有研究提出需要5次以上測試以及每次測試時間60秒以上才能獲得較高的可靠性［15］。在COP移動軌跡和軀體動搖之間的關系上還需要結合其他測試值（比如側向力矩）共同計算。

4 總結

測量COP和頭部動搖是兩種常用的評價直立姿勢控制的方法。如果采用誤差均方根（RMS）作為評價指標，頭部測量法與COP法具有很高的相關性；但采用平均移動速度（MV）或平均功率頻率（MPF）作為評價指標時，兩者的相關程度不高。相比之下，頭部動搖測量比COP法能更好地反映視覺在平衡控制中的作用。

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