基于前庭覺的人體動態平衡能力測訓系統研制

宋蕾蕾李世明趙萬勝

（1.山東商務職業學院 山東 煙臺 246000；2.中國海洋大學 山東 青島 266100；3.魯東大學 山東 煙臺 246000）

維持身體平衡是人體一項重要的生理機能，是人們從事各種日常生活、工作的保障，平衡功能有障礙必然會影響到人們的日常生活、工作以及降低生活質量，因此能夠科學、準確并且客觀的測評人體的動態平衡能力具有極其重要的臨床實踐意義。

近年來，國外的一些研究指出，擁有較好平衡能力的運動員或者大學生，在他們平時比賽或者運動中發生運動損傷的機率較低，這說明平衡能力的提高，確實有助于人體在運動過程中較好的控制身體，以降低傷害的發生率。

基于此，我們提出了人體動態平衡能力測訓系統的研制思路，根據人體前庭器官的適宜刺激方式，利用機電一體化技術可實現測試所需的水平直線加減速、水平轉動加減速以及二者組合的測試環境，既可以測評人體動態平衡功能，又可以在該環境下進行訓練以提高人體動態平衡能力，對于提高運動員動態平衡能力具有很大的實踐意義。

1、人體動態平衡能力測試系統的研制

1.1、測訓系統研制的生理基礎

一般認為，影響平衡功能的3大感覺系統為視覺、本體感覺以及前庭覺，其中，前庭覺是由前庭器官來完成的，由內耳迷路中橢圓囊、球囊和三個半規管構成，是專門的位覺與平衡器官，對保持人體平衡起著極為重要的作用。

提高人體前庭器官耐受刺激的閾值，就需要將人體置于一種直線或旋轉加減速（而不是勻速）的狀態下進行適應性訓練，在這種狀態下對人體的動態平衡功能進行測評也會更加有效、準確，也會更好地引導對動態平衡能力的訓練。

1.2、測訓系統的總體構成

人體動態平衡能力測試系統主要由機械部分、電路部分、軟件部分組成，其中機械部分主要包括壓心監測裝置、變速移動裝置、變速轉動裝置。變速轉動裝置安裝在變速移動裝置上，可隨變速移動裝置一起運動。壓心監測裝置安裝在變速轉動裝置的測試臺轉動底座上，可隨變速轉動裝置一起轉動。系統軸測圖如圖1所示。

圖1 人體動態平衡能力測試系統軸測圖

1.3、測訓系統的機械構成

機械部分主要包括：變速移動裝置和變速轉動裝置，用于實現變速水平直線移動、變速水平轉動以及直線和轉動的合成運動，為人體動態平衡能力測試提供水平直線加減速、水平轉動加減速以及二者組合的多維動態測試環境。

1.4、測訓系統的可靠性檢驗

儀器可靠性檢測：選取8名大學生（男、女各4人）進行三次測驗，由于平衡受影響因素頗多，故而選取其中兩次穩定狀態來分析。避免多次重復實驗引起受試者抵觸的情緒反應。由于實驗是通過5種運動狀態來完成，因此通過5個狀態分別來進行系統可靠性分析，結果顯示，兩種視覺條件下、5種運動形式下測試參數首次和重測的相關系數均達到了非常顯著性水平。說明了該設備測試系統的實驗數據是很可信的，前后兩次測試的數據能夠保持一致性，具有較高的穩定性和可靠性，可以用于各種組合狀態的人體平衡動態測試。

2、人體動態平衡能力測試實驗研究

2.1、測試對象

隨機選取60名（男生30名，女生30名）在校學生作為本次實驗的研究對象。參與測試的學生均是自愿參加實驗，并沒有受過任何平衡能力訓練。受試者均身體健康，無軀干和肢體上的損傷。測試前2h沒有參與任何體育活動。

2.2、測試系統

人體動態平衡能力測試數據采集主要由氣泵輸壓系統、測力臺數據采集系統、動態平衡儀操控系統完成。通過控制軟件運行狀態，氣泵輸壓推動儀器完成測試，數據由測力臺數據采集系統提出、分析。實驗現場示意圖如圖2所示：

圖2 實驗現場示意圖

動態平衡測試儀是平動、轉動、平動+轉動相結合的系統裝置，測力臺安裝在儀器中心位置。動態平衡儀的動作都是在氣泵的強氣壓下通過控制開關控制完成所需的動作。整套裝備是通過氣壓的壓力帶動，開關控制來完成實驗的多個動態變化測試。

2.3、測試方法

實驗通過五個測試動靜狀態來完成，每個動靜態都包含睜眼、閉眼兩種狀態來進行實驗。

實驗一：靜態平衡；

圖3 受試者受試區域圖

實驗二：左右平動；

實驗三：前后平動；

實驗四：轉動；

實驗五：平動+轉動。

2.4、測試結果

（1）基于兩項平衡指標的雙因素方差分析。

通過完成五項測試，利用總軌跡長、外周面積2項平衡評價指標來分析動靜態、睜閉眼兩因素對人體平衡能力的影響程度。表1可以看出，動靜態的顯著性P=0.000＜0.01，這說明動態、靜態的不同，以及各個動作狀態的不同對自身平衡的影響都非常顯著；睜閉眼的顯著性P=0.000＜0.01，說明睜閉眼兩種不同的狀態對平衡的影響非常顯著；動靜態、睜閉眼兩種因素相結合的顯著性P=0.000＜0.01，說明動靜態*睜閉眼的交互作用對平衡的影響也非常顯著。

表1 總軌跡長指標下雙因素方差分析

（2）基于兩項平衡指標的動靜態多重比較。

動靜態有5個動作狀態，對5種動作狀態之間的相互比較例表2所示。

表2 總軌跡長指標的動靜態多重比較

通過表2可以看出，兩項指標均顯示平動+轉動狀態下的測試總軌跡長變化最大。其中平動+轉動狀態和靜止、轉動、左右平動、前后平動四個狀態作比較P＜0.01均具有非常顯著性差異；前后平動狀態和左右平動、轉動、靜止、平動+轉動四個狀態作比較P＜0.01均具有非常顯著性差異；左右平動狀態同靜止、轉動、前后平動、平動+轉動四個狀態P＜0.01均具有顯著性差異；轉動狀態同平動+轉動、前后平動、左右平動三個狀態相比較具有顯著性差異，但同靜止狀態相比P＞0.05不具有顯著性差異。

（3）基于兩項平衡指標的睜閉眼平衡能力比較。

通過實驗分析靜止、左右平動、前后平動、轉動、平動+轉動狀態在兩種視覺狀態下的比較。平動+轉動是3項測試中動作最為復雜的一項，因此，選取該狀態的測試數據為例，在這項測試中，視覺變化是否會影響平衡指標的變化，具體分析如表3所示。

表3 平動+轉動測試睜閉眼平衡能力比較

完成了平動+轉動測試，通過數據分析可以看出，視覺的變化對測試數據的影響是非常明顯的，說明視覺變化的確會對平衡能力產生非常顯著的影響。

2.5、討論

不同運動狀態，人體自身維持平衡能力表現不同，動作越復雜，人體維持平衡越艱難，身體重心穩定性越差。通過數據可以看出，在變速運動中，存在位移變化的運動越不容易維持身體平衡。原因是自身的生理因素，當人體處于變速直線或變速旋轉運動時，內淋巴由于慣性作用，其流動方向和速度發生變化，引起毛細胞興奮，經前庭末梢傳至本體感覺器，反射性的引起肌張力的變化，來維持身體的平衡。同時設想是否長期訓練可以使人體動態平衡能力得到提升。

在無訓練的前提下，通過睜眼、閉眼兩個狀態分析數據，發現人體在靜止狀態下睜閉眼自身維持平衡能力差異不大，但在運動中睜閉眼有非常顯著性差異，睜眼狀態要比閉眼狀態維持平衡能力強。原因是影響平衡功能的3大感覺系統為視覺、本體感覺以及前庭覺，在本體感覺和前庭覺無變化的情況下，視覺可以影響人體平衡，通過感知四周的空間位置來控制身體。同樣設想經過訓練，是否會提高閉眼情況下人體維持平衡能力。

3、人體動態平衡能力訓練實驗研究

3.1、訓練對象

選取8名在校大學生參與人體動態平衡訓練，參訓者均身體健康，無任何肢體缺陷或疾病。

3.2、訓練方案

為了提高人體處在多種運動狀態時自身調控穩定身體姿勢的能力，選取左右平動、前后平動、平動+轉動三種狀態訓練為主,分別包含睜、閉眼兩種情況。訓練周期2周，每周3次。

3.3、訓練要求

為了避免訓練過程中，存在其他因素影響訓練結果。訓練開始前要求訓練者在為期15天的訓練計劃安排中，不參加任何形式的體育運動、平衡練習等。保證訓練后訓練者平衡成績的變化均受此次訓練影響。

3.4、訓練結果

（1）基于睜眼狀態訓練前后平衡能力的比較。

不同狀態睜眼測試訓練前后數據如表4所示，數據顯示訓練后除了轉動測試沒有顯著差異，在其他平動狀態下總軌跡長、外周面積指標均顯示有非常顯著性差異，訓練后重心波動明顯降低。雖然沒有進行專門的靜止練習，但訓練同樣提高了人體靜止狀態身體維持平衡的能力，總軌跡長指標也出現顯著性差異。

表4 睜眼狀態測試訓練前和訓練后平衡能力比較

（2）基于閉眼狀態訓練前后平衡能力的比較。

不同運動狀態閉眼測試訓練前后數據如表5所示，同樣沒有進行專門的靜止、轉動兩項狀態的訓練，訓練后的數據顯示，靜止狀態下總軌跡長、外周面積均顯示在P＜0.05基礎上有顯著性差異，說明訓練可以提高靜止閉眼狀態下的平衡能力。在其他平動狀態下的變速訓練后數據顯示，訓練前后在p＜0.01的基礎上有極其顯著的差異，說明訓練可以有效提高閉眼狀態下人體動態平衡能力。

3.5、討論

訓練前后實驗數據比對，說明一定時間的訓練對提高人體自身平衡能力有很大的幫助。訓練前后數據有非常顯著性差異，且平衡性明顯提高。雖然沒有加入靜止和轉動狀態的訓練練習，但通過其他三項訓練后在這兩項的數據同樣顯示也有顯著性差異，說明訓練動態平衡的同時也會增強自身靜止狀態時人體保持身體平衡的能力。原因是通過訓練前庭器官的不同部位接收到不同的適宜刺激，產生條件反射適應了刺激，進而更及時的調控身體平衡。

訓練前后五項平衡評價指標均有明顯的變化，尤其是在左右平動、前后平動、平動+轉動三個測試中，指標總軌跡長、單位時間軌跡長在p＜0.01基礎上有非常顯著性的差異，同時這兩個指標也是體現人體本體感覺系統功能指標，也說明人體本體感覺較訓練前有了非常顯著的差異，能力大大提高，證明了動態平衡的訓練確實可以提高人體在非靜止狀態時為維持身體姿勢保持平衡的能力。

4、結論與建議

（1）人體動態平衡能力測訓系統參照生理學基礎，結合人體前庭系統在感知人體加減速的基礎上調控身體平衡為依據，通過可靠性檢驗，證實測訓系統可以用于各種組合狀態的人體平衡動態測試和訓練；

（2）測訓系統選取在校大學生為實驗對象，數據表明不同運動狀態人體維持平衡能力不同。動靜態和睜閉眼均是引起平衡評價指標變化的關鍵因素；

（3）通過訓練實驗，結果顯示訓練前后數據有非常顯著性差異，訓練后自身維持平衡能力顯著提高，說明人體動態平衡能力測訓系統可用于平衡訓練。