基于足底壓力下睜閉眼對靜態(tài)平衡功能的影響

林 強(qiáng)陳武德鄭煜欣廖婉晨黃海東歐海寧梁俊杰

1 廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第五醫(yī)院，廣東 廣州510700；

2 廣州醫(yī)科大學(xué)，廣東 廣州511436

* 通信作者：梁俊杰，E-mail：ljj88961@gzhmu.edu.cn

平衡是維持身體穩(wěn)定性的一種能力，貫穿于人類的日?；顒?dòng)［1］。平衡控制主要是由前庭感受器、視覺感受器和本體感受器提供外周感覺信息，然后傳入中樞神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行信息加工、整合，最后通過視覺定位和運(yùn)動(dòng)控制調(diào)控人體重心位置［2］。其中，視覺輸入是影響平衡控制的重要因素，有研究顯示視覺輸入可用于改善對姿勢的控制，從而達(dá)到平衡訓(xùn)練的目的［3］。 站立位姿勢調(diào)整，有賴于足部運(yùn)動(dòng)控制，但足部是通過何種機(jī)制對平衡功能進(jìn)行控制，視覺輸入與足部調(diào)控之間存在何種聯(lián)系，前人研究仍未有明確結(jié)論［4］。 因此，本研究通過足底壓力分析，期望能從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)2 種參數(shù)闡述視覺輸入對于靜態(tài)平衡功能的影響。

足底壓力分析是否能應(yīng)用于平衡功能評估？ 現(xiàn)階段平衡功能評估，主要以臨床評估量表的定性評估和平衡功能測定系統(tǒng)的定量評估為主，如Berg 平衡量表、 起立-步行測試、Pro-kin 平衡系統(tǒng)、Tertrax平衡測試系統(tǒng)等［1，5］。 近年來隨著足底壓力（plantar pressure）系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，國外有研究將其用于平衡功能的定量分析［2，6-11］，但在國內(nèi)仍較少報(bào)道。 因此，本實(shí)驗(yàn)希望能驗(yàn)證足底壓力分析能否應(yīng)用于平衡功能評估，采用足底壓力分析技術(shù)對健康年輕人的睜眼、閉眼狀態(tài)下的姿勢控制進(jìn)行評估。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本實(shí)驗(yàn)招募健康年輕人80 例，男女比例為1∶1。納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡18～30 歲；②身體健康，運(yùn)動(dòng)功能正常；③否認(rèn)引起平衡異常的相關(guān)病史，如腦血管病、多發(fā)性硬化、雙下肢骨折、下肢疼痛、長短腿、關(guān)節(jié)炎等疾病；④否認(rèn)正在使用影響平衡功能的藥物；⑤自愿簽署知情同意書。 該實(shí)驗(yàn)已通過廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第五醫(yī)院倫理會審查（倫理批件號為KY01-2019-06-20）。

1.2 足底壓力分析

1.2.1 測試前準(zhǔn)備

1.2.1.1 房間準(zhǔn)備 需準(zhǔn)備安靜的房間， 防止外界因素干擾。 足底壓力分析測試板放置于距離空白墻壁約1.5 m 處，墻上有一可調(diào)節(jié)高度的紅色“+”標(biāo)示物，大小約10 cm×10 cm，根據(jù)受試者高度調(diào)整位置，使其與受試者眼睛持平，減少頭部對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響。

1.2.1.2 設(shè)備準(zhǔn)備 實(shí)驗(yàn)設(shè)備為FreeMed 足底壓力分析測試板（SensorMedica，意大利），傳感面積為1 600 mm×400 mm，傳感器密度為4 個(gè)／cm2，傳感器數(shù)量為25 600 個(gè)。 測試前需提前對足底壓力信號接收板進(jìn)行表面清理，防止上面細(xì)小雜物對測試結(jié)果造成影響。 足底壓力分析測試板中央粘貼站立足印標(biāo)識，引導(dǎo)受試者站立于相同位置，確保檢測結(jié)果可靠。

1.2.1.3 受試者準(zhǔn)備 受試者測試前1 天及當(dāng)天避免進(jìn)行劇烈活動(dòng)，以減少對實(shí)驗(yàn)的影響。 測試時(shí)需赤腳，并完全暴露踝關(guān)節(jié)。 在測試開始前囑咐受試者在測力臺上活動(dòng)5 min 左右，以適應(yīng)環(huán)境并減緩緊張情緒，避免因精神性因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2.2 測試開始

①啟動(dòng)測試設(shè)備和電腦，輸入受試者基本信息，包括年齡、性別、出生日期、身高、體質(zhì)量、利手、文化程度。 ②指示受試者站立于測力臺中央標(biāo)示位置，雙腳平放對稱，雙手自然垂于身體兩側(cè)。 測試者待受試者站穩(wěn)后，按前、后、左、右4 個(gè)方向擺動(dòng)受試者骨盆，使受試者雙腳壓力均勻分布，并判斷受試者站姿是否端正，詢問受試者站立是否舒適，必要時(shí)再次擺動(dòng)骨盆。 ③睜眼狀態(tài)監(jiān)測：采集睜眼狀態(tài)足底壓力數(shù)據(jù)，調(diào)整紅色“+”標(biāo)示物位置，使其與受試者眼睛持平，指示受試者目視正前方1.5 m 處“+”，待受試者正常自然站穩(wěn)后， 開始記錄足底壓力數(shù)據(jù)30 s。 ④閉眼狀態(tài)監(jiān)測：采集閉眼狀態(tài)足底壓力數(shù)據(jù)，指示受試者閉眼，經(jīng)過5 s 左右穩(wěn)定期后，開始記錄足底壓力數(shù)據(jù)30 s。⑤數(shù)據(jù)采集并不告知受試者，減少因聲音刺激或緊張等因素影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)全程由另一名測試者于受試者背后進(jìn)行保護(hù)，避免跌倒事件發(fā)生。

1.2.3 足底壓力數(shù)據(jù)處理

使用Freestep 足底壓力分析系統(tǒng)對已采集足底壓力原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。 數(shù)據(jù)主要分為運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)2 種。 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)包括球長度、橢圓面積、平均速度、平均X、平均Y、橢圓傾斜角、橢圓偏心角、最大擺動(dòng)和最小擺動(dòng)；動(dòng)力學(xué)參數(shù)包括左右雙側(cè)下肢的足底整體負(fù)荷、前足負(fù)荷和后足負(fù)荷。 足底壓力中心（center of pressure，COP）通過X軸和Y 軸數(shù)據(jù)進(jìn)行定位。 見圖1。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Excel 繪制散點(diǎn)圖。 所有計(jì)量資料首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，求出均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差，通過Excel 篩選出超過標(biāo)準(zhǔn)差3 倍的高度異常值，高度異常值超過20%的受試者數(shù)據(jù)將排除出組；接著進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，服從正態(tài)分布采用配對t檢驗(yàn)，偏態(tài)分布則采用Wilcoxon秩和檢驗(yàn)。 以P＜0.05 表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 一般資料

招募健康年輕人80 例，經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理排除后，剩余66 例為有效研究對象，其中男33 例，女33 例；平均年齡（20.63±0.89）歲；平均體質(zhì)量（45.21±8.04） kg；右利手65 例，左利手1 例。

2.2 睜眼和閉眼狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)比較

在睜眼和閉眼2 種狀態(tài)下受試者的橢圓面積（P＝0.016＜0.05）、平均Y（P＜0.001）和最大擺動(dòng)（P＜0.001）的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對比睜眼狀態(tài)，閉眼時(shí)正常人的橢圓面積減小，平均Y 減小，而最大擺動(dòng)增加。 見表1。

圖1 足底壓力分析系統(tǒng)結(jié)果示意圖Figure 1 Diagram of the results of the plantar pressure analysis

表1 睜眼和閉眼狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)比較Table 1 Comparison of kinematic parameters when eyes opened and closed

2.3 睜眼和閉眼狀態(tài)下COP 的比較

通過軟件計(jì)算受試者于測試期間足底壓力中心在X 軸和Y 軸中的平均距離，得出結(jié)果為平均X和平均Y，進(jìn)一步定位COP［12］。 根據(jù)COP 的散點(diǎn)圖分布情況，發(fā)現(xiàn)睜眼狀態(tài)下COP 分布較閉眼狀態(tài)下集中。 見圖2。

2.4 睜眼和閉眼狀態(tài)下左右側(cè)足底壓力分布參數(shù)比較

對比睜眼和閉眼2 種狀態(tài)，受試者的左腳前足負(fù)荷、右腳前足負(fù)荷、左腳后足負(fù)荷和右腳后足負(fù)荷差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）。 閉眼狀態(tài)較睜眼狀態(tài)下左腳前足負(fù)荷和右腳前足負(fù)荷均有增加，而左腳后足負(fù)荷和右腳后足負(fù)荷均有減少。見表2。

2.5 雙側(cè)下肢在睜眼和閉眼狀態(tài)下足底壓力分布參數(shù)比較

在左側(cè)下肢與右側(cè)下肢2 種狀態(tài)對比中，受試者的睜眼狀態(tài)左腳整體負(fù)荷較右側(cè)下肢減少（P＝0.030）；在閉眼狀態(tài)下左腳整體負(fù)荷也比右側(cè)下肢減少（P＝0.021），差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 見表3。

2.6 前足和后足在睜眼和閉眼狀態(tài)下足底壓力分布參數(shù)比較

由前足和后足在睜閉眼2 種狀態(tài)的對比中可見，受試者的后足負(fù)荷均明顯大于前足負(fù)荷（P＜0.001），差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 見表4。

圖2 睜眼和閉眼狀態(tài)下COP 的分布示意圖Figure 2 Diagram of the distribution of COP during eyes open and closed

表2 睜眼和閉眼狀態(tài)下足底壓力分布參數(shù)比較Table 2 Comparison of the plantar pressure distribution parameters when eyes open and closed

表3 左腳和右腳足底壓力分布參數(shù)比較Table 3 Comparison of the plantar pressure distribution parameters on left and right side

表4 前足和后足壓力分布參數(shù)比較Table 4 Comparison of the pressure distribution parameters between forefoot and hindfoot

3 討 論

平衡控制主要取決于視覺、前庭和本體感覺3 個(gè)要素，必須整合這3 個(gè)要素，并與運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知系統(tǒng)結(jié)合才能維持身體的穩(wěn)定［13-15］。 感覺輸入是維持人體平衡的重要參與環(huán)節(jié)。 正常人在睜眼狀態(tài)下站立，下肢本體感覺輸入和視覺輸入對平衡調(diào)控起關(guān)鍵作用；閉眼狀態(tài)時(shí)，則前庭系統(tǒng)代替視覺輸入，通過測知頭部的位置及運(yùn)動(dòng)，使身體各部適當(dāng)調(diào)整從而保持身體平衡［3，13，16-17］。本實(shí)驗(yàn)通過睜眼和閉眼2 種狀態(tài)模擬視覺剝奪，但是足底接觸面和體位并未改變，排除對本體感覺和前庭系統(tǒng)產(chǎn)生不穩(wěn)定影響，單純討論視覺對于平衡功能的影響；結(jié)合足底壓力分析技術(shù)，從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)2 個(gè)方面探究視覺輸入對于正常年輕人平衡功能的影響。

3.1 睜眼和閉眼狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)變化

橢圓面積由X 軸和Y 軸數(shù)據(jù)計(jì)算得出，COP由X 軸和Y 軸定位得出，這些參數(shù)的變化與足底壓力分析中感應(yīng)的重心活動(dòng)相關(guān)，反映平衡功能維持與調(diào)整的程度。 本實(shí)驗(yàn)中可見正常年輕人在睜眼狀態(tài)下橢圓面積比閉眼狀態(tài)下稍增大，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但是差異程度較??；另外，睜眼狀態(tài)下平均Y 也比閉眼狀態(tài)下大，說明COP 在Y 軸上移動(dòng)更明顯，提示正常年輕人在睜眼狀態(tài)下擺動(dòng)幅度更大，且主要以前后擺動(dòng)為主。 值得注意的是，雖然睜眼狀態(tài)下橢圓面積較大，但是結(jié)合COP 散點(diǎn)圖可見，正常年輕人在睜眼狀態(tài)下的COP 相對集中，閉眼狀態(tài)下COP 明顯分散?？紤]以上結(jié)果可能與睜眼測試時(shí)視覺注視點(diǎn)引起的視覺輸入相關(guān)。 然而對于正常老年人及兒童的研究結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)相反。 PARK［18］采用足底壓力分析，研究正常老年人睜閉眼下COP的變化，結(jié)果提示閉眼下COP 擺動(dòng)幅度高于睜眼狀態(tài)。 正常兒童閉眼狀態(tài)的身體擺動(dòng)面積、X 軸、Y 軸和COP 均大于睜眼狀態(tài)［13］。 另外，本實(shí)驗(yàn)同時(shí)記錄擺動(dòng)幅度的最大值和最小值，結(jié)果顯示睜眼狀態(tài)下的最大擺動(dòng)比閉眼時(shí)小，提示睜眼狀態(tài)下的擺動(dòng)幅度小，可能擺動(dòng)幅度比橢圓面積對于平衡穩(wěn)定性的相關(guān)性更高。

3.2 睜眼和閉眼狀態(tài)下動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化

本實(shí)驗(yàn)中采用的動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要為雙側(cè)足底負(fù)荷百分比（均一化處理后的足底負(fù)荷），并進(jìn)一步分為前足負(fù)荷和后足負(fù)荷。 本實(shí)驗(yàn)前足和后足負(fù)荷比較，結(jié)果表明正常年輕人靜態(tài)站立時(shí)主要以后足負(fù)重為主，這與前人研究結(jié)果吻合［19］。 同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，睜眼狀態(tài)下雙側(cè)下肢的前足負(fù)荷均較閉眼狀態(tài)時(shí)明顯減少，后足負(fù)荷較閉眼狀態(tài)明顯增加。正常年輕人在睜眼站立時(shí)出現(xiàn)前-后方向活動(dòng)趨勢，符合運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)結(jié)果；而閉眼站立時(shí)，出現(xiàn)前傾趨勢，重心前移，后足負(fù)荷相應(yīng)減少。 睜閉眼狀態(tài)下前后足負(fù)荷的改變，可能與注視點(diǎn)的視覺刺激呈現(xiàn)的方向相關(guān)，提示視覺輸入在靜態(tài)平衡控制方面存在一定調(diào)節(jié)作用，且視覺刺激的方向可能為影響因素之一。 在睜閉眼狀態(tài)下，雙側(cè)下肢整體負(fù)荷未有明顯差異，說明左側(cè)和右側(cè)下肢負(fù)重并不受睜閉眼狀態(tài)影響；但左右側(cè)下肢之間存在差異，右側(cè)下肢負(fù)重大于左側(cè)下肢，這可能與優(yōu)勢側(cè)肢體相關(guān)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示，正常年輕人通過改變前后足負(fù)重分布調(diào)控平衡能力，可能與視覺刺激相關(guān)。

3.3 視覺對于平衡的影響

視覺反饋屬于平衡功能控制的一個(gè)重要影響因素。 本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，在睜眼狀態(tài)站立時(shí)，正常年輕人通過前后足負(fù)重比例調(diào)整，進(jìn)而使COP 在Y軸（前-后方向）上出現(xiàn)變化；在閉眼狀態(tài)下，視覺被剝奪，前后足負(fù)重比例和COP 在Y 軸方向出現(xiàn)相應(yīng)調(diào)整，這與HOFFMAN 等［20］研究結(jié)果相一致，即 視覺反饋在前-后方向的平衡調(diào)整中是最明顯的。 除此之外，閉眼時(shí)軀干的最大擺動(dòng)增加，可能是在去除視覺反饋后，通過不斷調(diào)整軀干和COP 以維持身體平衡。

3.4 基于足底壓力分析技術(shù)對平衡功能的評估

足底壓力分析作為一種常見的下肢評估工具，多用于步態(tài)評估、鞋墊制作、足部疾病診斷等，而通過足底壓力分析對平衡功能進(jìn)行客觀評估研究在國內(nèi)仍較少見。INOJOSA 等［21］采用睜閉眼平衡檢測手段對多發(fā)性硬化患者進(jìn)行評估，主要指標(biāo)為運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)中的平均擺動(dòng)范圍、平均速度和平均擺動(dòng)速度，結(jié)果提示多發(fā)性硬化患者比正常人更依賴視覺反饋來保持姿勢控制。 另外，目前國內(nèi)對于平衡功能評估仍以半定量評估方式為主，而采用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)評估平衡功能，能更客觀、準(zhǔn)確定量評估平衡能力。 楊偉等［22］采用BALANCE 平衡訓(xùn)練系統(tǒng)對腦卒中患者進(jìn)行平衡功能評估，通過COP 和COP運(yùn)動(dòng)軌跡客觀評估平衡能力。 李墨逸等［23］使用Prokin 平衡訓(xùn)練系統(tǒng)對正常人進(jìn)行評估，能有效觀察正常人經(jīng)八段錦訓(xùn)練前后平衡相關(guān)指標(biāo)的變化。HOWCROFT 等［24］采用測力臺結(jié)合睜閉眼方案評估老年人跌倒風(fēng)險(xiǎn)，主要監(jiān)測指標(biāo)為COP 運(yùn)動(dòng)范圍和速度，研究結(jié)果表明準(zhǔn)確率達(dá)84.9%，證明該評估方式切實(shí)可行。 FRANZONI 等［25］采用與測力臺和睜閉眼方案有效評估帕金森患者的靜態(tài)平衡功能，說明該方案可應(yīng)用于異常平衡功能評估。 前人研究與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果均以睜閉眼平衡檢測作為評估方案，關(guān)鍵指標(biāo)以COP、運(yùn)動(dòng)范圍和足底壓力負(fù)荷分布為主，可作為睜閉眼平衡測試方案重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)，提供一種可用于臨床評估平衡功能障礙的客觀方案。

4 總 結(jié)

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：①健康年輕人通過改變前后足負(fù)重比例分布進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同視覺輸入狀態(tài)下對平衡功能的調(diào)控；②通過足底壓力分析的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)可用于靜態(tài)平衡功能定量化評估。 本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了視覺刺激對于健康年輕人平衡功能的影響，是否能通過加強(qiáng)視覺反饋對平衡功能進(jìn)行強(qiáng)化需要今后進(jìn)一步研究；另外，本實(shí)驗(yàn)提供了一種使用足底壓力分析客觀評價(jià)平衡功能的方式，可應(yīng)用于視覺相關(guān)平衡能力的評估，且該方法簡單易行，下一步研究可考慮應(yīng)用于病理性平衡功能障礙患者，為足底壓力分析用于臨床客觀、定量評估平衡功能提供一種新思路。