足底振動刺激誘發人體特定方向姿勢調整的測試系統研究

李高峰，梅劍峰，張蒙，蔡紅波，曹萍，李陳娜，張小軍

1.北京社會管理職業學院（民政部培訓中心）康復工程學院，北京市 101601；2.民政部肌骨生物力學重點實驗室，北京市 101601；3.北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京市 100124

人體的姿勢控制是保持身體姿勢穩定性和方向性的能力[1]。不管是靜態或動態活動時，人體保持穩定的姿勢需要感覺系統、肌骨系統和神經系統間復雜的相互作用，一旦這些相互作用受到影響，將會出現平衡性欠佳和姿勢不良的狀況[2-3]。站姿是人類最重要的基本姿勢，人們每天都需要在雙足直立下從事各種日常活動。足底是身體和外界支撐面之間的接口，足底皮膚的感覺輸入對于人體姿勢的穩定具有重要的作用，站立時人體姿勢的維持、動作的協調離不開足底皮膚感覺的貢獻[4-6]。有研究表明[7]，足底不同的皮膚感受器可以反映出“足底壓力分布圖”，足底特定區域的振動會通過足底皮膚感受器向中樞系統傳入該區域下方壓力增加的感覺，從而引起身體向足底刺激區的反方向傾斜來調整身體的壓力中心(center of pressure,COP)，如足底后部施加振動刺激會引起身體的前傾[8]。

在已經開展的相關研究中，有研究采用較大的圓形、橢圓形振動探頭[7]或扁平超薄型馬達[9]作為振子提供振動刺激，該類型振動探頭的位置不易調整，而且不同振子間存在著電壓-頻率特性和振幅的差異。近年來，有研究者提出采用激振器提供振動刺激[10-11]，很好地解決了不同受試者足底刺激位置的調整。但是，相關研究采用的測試裝置存在站立板高度過高增加立于其上受試者的不安全感，以及激振板(含探頭)的質量較大加重激振器的負載，從而影響振動幅值的可調整范圍。基于上述原因，民政部肌骨生物力學重點實驗室設計了一種采用激振器作為振源的閉環控制足底振動刺激測試系統，可以在足底不同位置施加不同幅值和不同頻率的振動刺激，通過對健康大學師生進行測試分析以探索該系統誘發身體特定方向姿勢調整的效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2019 年10 月2 日至6 日，在民政部肌骨生物力學重點實驗室，從北京社會管理職業學院(民政部培訓中心)康復工程學院招募青年教師和大學生健康志愿者25 例，其中男性10 例，女性15 例；平均年齡(21.34±3.11)歲；平均體質量(58.14±10.93)kg；平均身高(166.05±8.06)cm；平均腳長(39.08±2.61)cm。

納入標準：①無神經疾患病史；②無肢體損傷；③無異常姿勢；④對本研究知曉，并親自簽署知情同意書。

排除標準：①周圍神經損傷；②足部皮膚破損；③肌骨系統損傷；④糖尿病；⑤肥胖；⑥有身孕；⑦足長超過45 cm。

本研究經北京社會管理職業學院倫理委員會審核并批準(No.2018ZD-1)。

1.2 實驗測試系統

實驗測試系統包括振動刺激裝置和姿勢變化檢測、分析等生物力學測試設備(圖1)。振動刺激裝置通過與受試者足底接觸以支撐其站立，主要由站立架、激振器架、振動板、振動探頭、振動執行和控制單元等構成。

圖1 足底振動實驗測試系統

站立架由支柱和站立板經螺紋連接而成。支柱是由鋁合金型材料牢固栓接而成的長方體框架結構(400×500×243 mm)；站立板(400×500×10 mm)置于支柱上方，由厚度10 mm 的不銹鋼板經激光打孔(26行×31 列)制成，孔徑7 mm，相鄰兩孔中心間距為10 mm。

激振器架由升降機構和外部保護殼組成，通過4個可調支腳支撐于地面。激振器(型號為英國Bruel and Kjaer(BK)4808，配套2719 型功率放大器)置于升降機構的平臺上，通過搖動外部的把手實現激振器的升或降從而調整振動探頭的初始預壓力，探頭初始的伸出量由激光測距傳感器(ZLDS102-50-25-RS485-IIN5-AL-CG-4，ZSY GROUP LTD，英國)實時監測并輸出顯示結果，測量精度可達0.1 μm。激光測距傳感器由穩壓電源供電，配套的測量軟件ZLDS10X(V1.1.2版)通過圖形輪廓和數字實時顯示測量結果。

振動板(250×300×3 mm)由鋁合金板經激光打孔(22 行×22 列)制成，孔徑4 mm，相鄰兩孔中心間距10 mm。振動板通過中心及以該中心為圓心、直徑50.8 mm 的圓上均布的5 個M 5 mm 通孔與激振器相連接。Amber振動控制儀(東陵公司)為BK2719型功率放大器提供正弦信號，用于控制BK4808 型激振器。加速度傳感器(PCB 257B03)固定在振動板上，將振動板的加速度信息反饋給Amber振動控制儀進行運算處理以實現閉環控制。振動探頭為單通尼龍六角螺柱，刺激足底端的直徑為2.55 mm，另一端與鋁合金材質的振動板螺紋連接，能夠自由穿過站立板孔徑并做垂直上下運動。

1.3 實驗數據采集

1.3.1實驗測試準備

通過搖動激振器升降把手，調整振動探頭頂部伸出站立板上端面1 mm。作用于左/右足部的振動探頭位置分為前、后兩組，前組作用于跖趾關節足底區域，為2×6 陣列，后組作用于后跟足底區域，為3×4陣列。見圖2。

圖2 足底振動刺激位置分布

啟動Qualisys Track Manager(QTM)軟件，選擇外部觸發控制，設置數據采集時間，設置Amber振動控制儀的振動參數，對放置站立架的三維測力臺(AMTI BP400600，美國)執行清零操作。啟動功率放大器，選擇合適的增益檔位；準備好外部觸發器按鍵，以使Amber振動控制儀與運動采集系統同時觸發。

畫出受試者足部輪廓，標記出第I、第V跖骨頭和足后跟的位置，據此確定并調整安裝適合每位受試者足部尺寸的振動探頭。然后，讓受試者站在振動臺上感受振動刺激3 min，確保振動量超過其振動感受閾值。

1.3.2數據采集過程

受試者光腳自然直立于站立架上，雙手垂于身體兩側[12]，雙足腳掌和足跟處于前組和后組振動探頭上方，戴好眼罩、耳罩以排除視覺輸入干擾和激振器高頻振動時產生的噪音干擾[13]。囑受試者聽從實驗人員的指令，實驗開始后一直保持不動，不要刻意抵抗姿勢的變化，若有跌倒傾向時可跨步調整。

受試者接受8 個振動位置的刺激：左足前部、左足后部、右足前部、右足后部、雙足前部、雙足后部、左全足和右全足，每個位置分別施加20 Hz、40 Hz、60 Hz、80 Hz 4個頻率，共計32個振動條件。每次實驗數據采集時間為230 s，足底的8 個振動位置分別接受4個頻率(實驗人員在Amber振動控制儀中存儲16 組排列順序不同的頻率控制程序并為其編號1 至16，根據受試者現場自己隨機抽簽選擇的編號調用對應的控制程序開展實驗)的振動刺激，每個頻率條件振動3 次，每次振動駐留時間為3 s，中間暫停時間為12 s (圖3)。每次數據采集前后，進行腳底溫度的測量，確保腳底溫差變動范圍控制在1 ℃以內，用于排除溫度變化對足底皮膚感受器的影響。

圖3 一次數據采集時間分配示意圖

一名實驗人員操作電腦設置數據采集軟件，負責觀察數據采集情況和數據存檔；另一名實驗人員測量足底溫度，按下外部觸發器，開始數據采集，同時負責保護受試者，避免其在實驗過程中意外摔倒。

1.4 數據處理

測力臺通過100 Hz的采樣頻率記錄受試者靜態站立時COP 的坐標值、足底所受的三維力(垂直方向的Fz，水平面的Fx、Fy)及其對應的力矩(Mz、Mx、My)。由于站立架與測力臺有253 mm 的高度差，導致足底平面與測力臺表面不在一個水平面。為了驗證站立架高度對于受試者COP實際測量值的影響，特引入COP 理論值計算公式，并與由QTM 采集軟件直接輸出的測量值進行比較(COPx表示X 方向COP 測量值，COPy表示Y 方向COP 測量值，COPtx表示X 方向COP 理 論值，COPty表 示Y 方向COP 理 論 值)，相 關計算公式如下。

實驗所得的原始數據經過二階曲線擬合濾波處理后用于研究分析，采用COP 波動的峰值(最大值或最小值)作為描述人體姿勢控制的指標[10]，該峰值由COP發生振動最明顯處前后50 ms 范圍內所有測量數據取平均值所得。

1.5 統計學分析

處理后的數據采用SPSS 22.0 統計軟件進行分析。對每個位置不同頻率下振動和非振動時的COP值采用方差分析。顯著性水平α=0.05。

2 結果

2.1 站立架高度對于COP值的影響

隨機從一受試者實驗數據中選取一次采集的23 000 個數據用于分析，COPx 與COPtx (r=0.997)、COPy 與COPty(r=0.976)顯著線性相關，且平均誤差值不超過2%。

2.2 足底振動刺激誘發人體姿勢特定方向的調整

姿勢響應幅值有正負之分，y 軸正值、負值分別表示指向身體前側、后側，x 軸正值、負值分別表示指向身體右側、左側。足底在受到振動刺激時，身體的姿勢調整幅度增大，除雙足前部、雙足后部受振時左右方向(COPx)和左全足、右全足受振時前后方向(COPy)之外，受振時和不振時COP 值均有顯著性差異(P＜0.05)。左、右足足底受到振動刺激時，身體的左右方向(COPx)姿勢調整明顯；足底前、后部受到振動刺激時，身體的前后方向(COPy)姿勢調整明顯。見表1～表2。

表1 足底不同位置在不同頻率振動的COPx值比較(n=25,mm)

表2 足底不同位置在不同頻率振動的COPy值比較(n=25,mm)

3 討論

本研究結果顯示，實驗測試系統能夠對足底不同位置的皮膚提供不同幅值和不同頻率的振動刺激，并且能夠誘發和檢測出振動刺激作用下人體的姿勢調整情況。調整振動控制儀的正弦信號參數可以設置不同的振動頻率，針對足底皮膚中包含快速適應和慢速適應兩種類型的感受器，本研究選擇20 Hz、40 Hz、60 Hz、80 Hz 共4 個頻率段。BK4808 激振器的最大激勵峰值力為112 N，根據實驗用激振板和振動探頭的總負載質量，計算出在20～80 Hz的頻率下激振器能夠提供的極限峰值振幅為1.2～6 mm，通過調整功率放大器增益旋鈕能夠獲得實驗所需的振幅(1 mm)；同時加速度傳感器實時把振動探頭的加速度信息反饋給振動控制儀構成閉環，能夠保證在4 個不同頻率下的振動幅值恒定。站立架能夠穩定支撐受試者站立其上，站立板密布的小孔允許振動探頭接觸足底并在其中垂直上下移動，通過調整與激振板相連的振動探頭位置可以刺激受試者足底不同位置的皮膚，從而刺激到皮膚內的感受器。激光測距傳感器、測力臺和運動捕捉系統能夠監控、檢測和記錄受試者足底預壓量以及姿勢的調整變化信息。

Christopher[10]同樣采用激振器為受試者提供足底的振動刺激，但實驗用站立架比測力臺高出416 mm，在分析姿勢調整的數據時，需要對測量的COP數值進行校正。本研究顯示，站立架的高度(包括243 mm 的支柱和10 mm 的站立板，合計253 mm)對于受試者COP 數值的影響在誤差允許范圍之內，可以直接使用QTM 采集到的COP 值代替其理論值進行數據分析，而且本實驗裝置高度僅比一層普通臺階略高，有效降低受試者擔心跌落的心理恐懼。此外，為保障受試者的安全，在站立架的四周設置與站立架等高的保護殼體，以便受試者在失去平衡時能夠進行跨步調整。

本研究同時表明，左足足底皮膚受到振動時，姿勢響應幅值為正值，表示身體在左足受到振動刺激后向右傾調整；右足底皮膚受到振動時，姿勢響應幅值為負值，表示身體在右足受到振動刺激后向左傾調整，這些姿勢調整趨勢與Kavounoudias等[7-8]的研究報告結果一致。雙足前部或雙足后部受振時，身體的姿勢響應幅值不明顯，原因在于左足和右足同時受振，身體同時既有向左的姿勢響應又有向右的姿勢響應，姿勢的調整作用相互抵消。足前部皮膚受到振動時，姿勢響應幅值為負值，表示足前部受到振動刺激后身體向后傾調整；足后部皮膚受到振動時，姿勢響應幅值為正值，表示足后部收到振動刺激后身體向前傾調整，該姿勢調整趨勢與Kavounoudias 等[7-8]、Cynthia等[14]的研究報告結果一致。左全足或右全足受振時，身體的姿勢響應幅值不明顯，原因在于足前部和后部同時受振，身體同時既有向前的姿勢響應又有向后的姿勢響應，姿勢的調整作用相互抵消。同時，足底不同振動刺激位置對于受試者的姿勢調整存在顯著的影響，而足底施加的不同振動頻率對于受試者身體左右方向和前后方向的姿勢調整沒有顯著的影響，這與Christopher[10]的研究結果一致。

綜上所述，該實驗測試系統能夠對足底不同位置(足前部、足后部)的皮膚施加不同頻率(20～80 Hz)、不同振幅(0～1 mm)的振動刺激，并且誘發人體特定方向的姿勢調整。該測試系統可以用作開展足底皮膚感受器對姿勢控制影響的相關研究，如探索足底皮膚感受器通往大腦的通路、身體姿勢對周圍神經傳入的調節機制；同時，也為開發相應的康復產品提供理論支撐，如設計專門的振動刺激鞋墊用于腦癱兒童的姿勢訓練或控制。

鑒于激振器閉環控制系統的計算耗時增加，本研究單次數據采集時間較長(超過3 min)，對受試者的持續站立能力要求較高。后續研究將不斷完善和拓展測試系統的性能，縮短實驗時間；適時增加肌電信號、腦電信號等檢測指標，并著手開展對有姿勢障礙人群[15-19]的臨床實驗研究，以進一步探求足底本體感覺[20-21]或皮膚感受器[22-26]對于姿勢控制調整的作用機制，并把足底振動刺激的研究成果用于姿勢異常者的臨床康復實踐中；同時，探討足底局部振動與工作環境下通過施加足底的垂直振動(全身振動)所導致的姿勢變化之間的差異[27-29]。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。