基于前庭覺的人體動(dòng)態(tài)平衡能力測(cè)訓(xùn)系統(tǒng)研制

宋蕾蕾李世明趙萬(wàn)勝

（1.山東商務(wù)職業(yè)學(xué)院 山東 煙臺(tái) 246000；2.中國(guó)海洋大學(xué) 山東 青島 266100；3.魯東大學(xué) 山東 煙臺(tái) 246000）

維持身體平衡是人體一項(xiàng)重要的生理機(jī)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(huì)影響到人們的日常生活、工作以及降低生活質(zhì)量，因此能夠科學(xué)、準(zhǔn)確并且客觀的測(cè)評(píng)人體的動(dòng)態(tài)平衡能力具有極其重要的臨床實(shí)踐意義。

近年來(lái)，國(guó)外的一些研究指出，擁有較好平衡能力的運(yùn)動(dòng)員或者大學(xué)生，在他們平時(shí)比賽或者運(yùn)動(dòng)中發(fā)生運(yùn)動(dòng)損傷的機(jī)率較低，這說(shuō)明平衡能力的提高，確實(shí)有助于人體在運(yùn)動(dòng)過程中較好的控制身體，以降低傷害的發(fā)生率。

基于此，我們提出了人體動(dòng)態(tài)平衡能力測(cè)訓(xùn)系統(tǒng)的研制思路，根據(jù)人體前庭器官的適宜刺激方式，利用機(jī)電一體化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)測(cè)試所需的水平直線加減速、水平轉(zhuǎn)動(dòng)加減速以及二者組合的測(cè)試環(huán)境，既可以測(cè)評(píng)人體動(dòng)態(tài)平衡功能，又可以在該環(huán)境下進(jìn)行訓(xùn)練以提高人體動(dòng)態(tài)平衡能力，對(duì)于提高運(yùn)動(dòng)員動(dòng)態(tài)平衡能力具有很大的實(shí)踐意義。

1、人體動(dòng)態(tài)平衡能力測(cè)試系統(tǒng)的研制

1.1、測(cè)訓(xùn)系統(tǒng)研制的生理基礎(chǔ)

一般認(rèn)為，影響平衡功能的3大感覺系統(tǒng)為視覺、本體感覺以及前庭覺，其中，前庭覺是由前庭器官來(lái)完成的，由內(nèi)耳迷路中橢圓囊、球囊和三個(gè)半規(guī)管構(gòu)成，是專門的位覺與平衡器官，對(duì)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(zhuǎn)加減速（而不是勻速）的狀態(tài)下進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練，在這種狀態(tài)下對(duì)人體的動(dòng)態(tài)平衡功能進(jìn)行測(cè)評(píng)也會(huì)更加有效、準(zhǔn)確，也會(huì)更好地引導(dǎo)對(duì)動(dòng)態(tài)平衡能力的訓(xùn)練。

1.2、測(cè)訓(xùn)系統(tǒng)的總體構(gòu)成

人體動(dòng)態(tài)平衡能力測(cè)試系統(tǒng)主要由機(jī)械部分、電路部分、軟件部分組成，其中機(jī)械部分主要包括壓心監(jiān)測(cè)裝置、變速移動(dòng)裝置、變速轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。變速轉(zhuǎn)動(dòng)裝置安裝在變速移動(dòng)裝置上，可隨變速移動(dòng)裝置一起運(yùn)動(dòng)。壓心監(jiān)測(cè)裝置安裝在變速轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的測(cè)試臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)底座上，可隨變速轉(zhuǎn)動(dòng)裝置一起轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)軸測(cè)圖如圖1所示。

圖1 人體動(dòng)態(tài)平衡能力測(cè)試系統(tǒng)軸測(cè)圖

1.3、測(cè)訓(xùn)系統(tǒng)的機(jī)械構(gòu)成

機(jī)械部分主要包括：變速移動(dòng)裝置和變速轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，用于實(shí)現(xiàn)變速水平直線移動(dòng)、變速水平轉(zhuǎn)動(dòng)以及直線和轉(zhuǎn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)，為人體動(dòng)態(tài)平衡能力測(cè)試提供水平直線加減速、水平轉(zhuǎn)動(dòng)加減速以及二者組合的多維動(dòng)態(tài)測(cè)試環(huán)境。

1.4、測(cè)訓(xùn)系統(tǒng)的可靠性檢驗(yàn)

儀器可靠性檢測(cè)：選取8名大學(xué)生（男、女各4人）進(jìn)行三次測(cè)驗(yàn)，由于平衡受影響因素頗多，故而選取其中兩次穩(wěn)定狀態(tài)來(lái)分析。避免多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)引起受試者抵觸的情緒反應(yīng)。由于實(shí)驗(yàn)是通過5種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)完成，因此通過5個(gè)狀態(tài)分別來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分析，結(jié)果顯示，兩種視覺條件下、5種運(yùn)動(dòng)形式下測(cè)試參數(shù)首次和重測(cè)的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了非常顯著性水平。說(shuō)明了該設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是很可信的，前后兩次測(cè)試的數(shù)據(jù)能夠保持一致性，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，可以用于各種組合狀態(tài)的人體平衡動(dòng)態(tài)測(cè)試。

2、人體動(dòng)態(tài)平衡能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究

2.1、測(cè)試對(duì)象

隨機(jī)選取60名（男生30名，女生30名）在校學(xué)生作為本次實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象。參與測(cè)試的學(xué)生均是自愿參加實(shí)驗(yàn)，并沒有受過任何平衡能力訓(xùn)練。受試者均身體健康，無(wú)軀干和肢體上的損傷。測(cè)試前2h沒有參與任何體育活動(dòng)。

2.2、測(cè)試系統(tǒng)

人體動(dòng)態(tài)平衡能力測(cè)試數(shù)據(jù)采集主要由氣泵輸壓系統(tǒng)、測(cè)力臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)平衡儀操控系統(tǒng)完成。通過控制軟件運(yùn)行狀態(tài)，氣泵輸壓推動(dòng)儀器完成測(cè)試，數(shù)據(jù)由測(cè)力臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出、分析。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖如圖2所示：

圖2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖

動(dòng)態(tài)平衡測(cè)試儀是平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)相結(jié)合的系統(tǒng)裝置，測(cè)力臺(tái)安裝在儀器中心位置。動(dòng)態(tài)平衡儀的動(dòng)作都是在氣泵的強(qiáng)氣壓下通過控制開關(guān)控制完成所需的動(dòng)作。整套裝備是通過氣壓的壓力帶動(dòng)，開關(guān)控制來(lái)完成實(shí)驗(yàn)的多個(gè)動(dòng)態(tài)變化測(cè)試。

2.3、測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)通過五個(gè)測(cè)試動(dòng)靜狀態(tài)來(lái)完成，每個(gè)動(dòng)靜態(tài)都包含睜眼、閉眼兩種狀態(tài)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一：靜態(tài)平衡；

圖3 受試者受試區(qū)域圖

實(shí)驗(yàn)二：左右平動(dòng)；

實(shí)驗(yàn)三：前后平動(dòng)；

實(shí)驗(yàn)四：轉(zhuǎn)動(dòng)；

實(shí)驗(yàn)五：平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.4、測(cè)試結(jié)果

（1）基于兩項(xiàng)平衡指標(biāo)的雙因素方差分析。

通過完成五項(xiàng)測(cè)試，利用總軌跡長(zhǎng)、外周面積2項(xiàng)平衡評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)分析動(dòng)靜態(tài)、睜閉眼兩因素對(duì)人體平衡能力的影響程度。表1可以看出，動(dòng)靜態(tài)的顯著性P=0.000＜0.01，這說(shuō)明動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的不同，以及各個(gè)動(dòng)作狀態(tài)的不同對(duì)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(shuō)明睜閉眼兩種不同的狀態(tài)對(duì)平衡的影響非常顯著；動(dòng)靜態(tài)、睜閉眼兩種因素相結(jié)合的顯著性P=0.000＜0.01，說(shuō)明動(dòng)靜態(tài)*睜閉眼的交互作用對(duì)平衡的影響也非常顯著。

表1 總軌跡長(zhǎng)指標(biāo)下雙因素方差分析

（2）基于兩項(xiàng)平衡指標(biāo)的動(dòng)靜態(tài)多重比較。

動(dòng)靜態(tài)有5個(gè)動(dòng)作狀態(tài)，對(duì)5種動(dòng)作狀態(tài)之間的相互比較例表2所示。

表2 總軌跡長(zhǎng)指標(biāo)的動(dòng)靜態(tài)多重比較

通過表2可以看出，兩項(xiàng)指標(biāo)均顯示平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的測(cè)試總軌跡長(zhǎng)變化最大。其中平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)和靜止、轉(zhuǎn)動(dòng)、左右平動(dòng)、前后平動(dòng)四個(gè)狀態(tài)作比較P＜0.01均具有非常顯著性差異；前后平動(dòng)狀態(tài)和左右平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、靜止、平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)四個(gè)狀態(tài)作比較P＜0.01均具有非常顯著性差異；左右平動(dòng)狀態(tài)同靜止、轉(zhuǎn)動(dòng)、前后平動(dòng)、平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)四個(gè)狀態(tài)P＜0.01均具有顯著性差異；轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)同平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)、前后平動(dòng)、左右平動(dòng)三個(gè)狀態(tài)相比較具有顯著性差異，但同靜止?fàn)顟B(tài)相比P＞0.05不具有顯著性差異。

（3）基于兩項(xiàng)平衡指標(biāo)的睜閉眼平衡能力比較。

通過實(shí)驗(yàn)分析靜止、左右平動(dòng)、前后平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)在兩種視覺狀態(tài)下的比較。平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)是3項(xiàng)測(cè)試中動(dòng)作最為復(fù)雜的一項(xiàng)，因此，選取該狀態(tài)的測(cè)試數(shù)據(jù)為例，在這項(xiàng)測(cè)試中，視覺變化是否會(huì)影響平衡指標(biāo)的變化，具體分析如表3所示。

表3 平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試睜閉眼平衡能力比較

完成了平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試，通過數(shù)據(jù)分析可以看出，視覺的變化對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響是非常明顯的，說(shuō)明視覺變化的確會(huì)對(duì)平衡能力產(chǎn)生非常顯著的影響。

2.5、討論

不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，人體自身維持平衡能力表現(xiàn)不同，動(dòng)作越復(fù)雜，人體維持平衡越艱難，身體重心穩(wěn)定性越差。通過數(shù)據(jù)可以看出，在變速運(yùn)動(dòng)中，存在位移變化的運(yùn)動(dòng)越不容易維持身體平衡。原因是自身的生理因素，當(dāng)人體處于變速直線或變速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)淋巴由于慣性作用，其流動(dòng)方向和速度發(fā)生變化，引起毛細(xì)胞興奮，經(jīng)前庭末梢傳至本體感覺器，反射性的引起肌張力的變化，來(lái)維持身體的平衡。同時(shí)設(shè)想是否長(zhǎng)期訓(xùn)練可以使人體動(dòng)態(tài)平衡能力得到提升。

在無(wú)訓(xùn)練的前提下，通過睜眼、閉眼兩個(gè)狀態(tài)分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)人體在靜止?fàn)顟B(tài)下睜閉眼自身維持平衡能力差異不大，但在運(yùn)動(dòng)中睜閉眼有非常顯著性差異，睜眼狀態(tài)要比閉眼狀態(tài)維持平衡能力強(qiáng)。原因是影響平衡功能的3大感覺系統(tǒng)為視覺、本體感覺以及前庭覺，在本體感覺和前庭覺無(wú)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(lái)控制身體。同樣設(shè)想經(jīng)過訓(xùn)練，是否會(huì)提高閉眼情況下人體維持平衡能力。

3、人體動(dòng)態(tài)平衡能力訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)研究

3.1、訓(xùn)練對(duì)象

選取8名在校大學(xué)生參與人體動(dòng)態(tài)平衡訓(xùn)練，參訓(xùn)者均身體健康，無(wú)任何肢體缺陷或疾病。

3.2、訓(xùn)練方案

為了提高人體處在多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)自身調(diào)控穩(wěn)定身體姿勢(shì)的能力，選取左右平動(dòng)、前后平動(dòng)、平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)三種狀態(tài)訓(xùn)練為主,分別包含睜、閉眼兩種情況。訓(xùn)練周期2周，每周3次。

3.3、訓(xùn)練要求

為了避免訓(xùn)練過程中，存在其他因素影響訓(xùn)練結(jié)果。訓(xùn)練開始前要求訓(xùn)練者在為期15天的訓(xùn)練計(jì)劃安排中，不參加任何形式的體育運(yùn)動(dòng)、平衡練習(xí)等。保證訓(xùn)練后訓(xùn)練者平衡成績(jī)的變化均受此次訓(xùn)練影響。

3.4、訓(xùn)練結(jié)果

（1）基于睜眼狀態(tài)訓(xùn)練前后平衡能力的比較。

不同狀態(tài)睜眼測(cè)試訓(xùn)練前后數(shù)據(jù)如表4所示，數(shù)據(jù)顯示訓(xùn)練后除了轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試沒有顯著差異，在其他平動(dòng)狀態(tài)下總軌跡長(zhǎng)、外周面積指標(biāo)均顯示有非常顯著性差異，訓(xùn)練后重心波動(dòng)明顯降低。雖然沒有進(jìn)行專門的靜止練習(xí)，但訓(xùn)練同樣提高了人體靜止?fàn)顟B(tài)身體維持平衡的能力，總軌跡長(zhǎng)指標(biāo)也出現(xiàn)顯著性差異。

表4 睜眼狀態(tài)測(cè)試訓(xùn)練前和訓(xùn)練后平衡能力比較

（2）基于閉眼狀態(tài)訓(xùn)練前后平衡能力的比較。

不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)閉眼測(cè)試訓(xùn)練前后數(shù)據(jù)如表5所示，同樣沒有進(jìn)行專門的靜止、轉(zhuǎn)動(dòng)兩項(xiàng)狀態(tài)的訓(xùn)練，訓(xùn)練后的數(shù)據(jù)顯示，靜止?fàn)顟B(tài)下總軌跡長(zhǎng)、外周面積均顯示在P＜0.05基礎(chǔ)上有顯著性差異，說(shuō)明訓(xùn)練可以提高靜止閉眼狀態(tài)下的平衡能力。在其他平動(dòng)狀態(tài)下的變速訓(xùn)練后數(shù)據(jù)顯示，訓(xùn)練前后在p＜0.01的基礎(chǔ)上有極其顯著的差異，說(shuō)明訓(xùn)練可以有效提高閉眼狀態(tài)下人體動(dòng)態(tài)平衡能力。

3.5、討論

訓(xùn)練前后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，說(shuō)明一定時(shí)間的訓(xùn)練對(duì)提高人體自身平衡能力有很大的幫助。訓(xùn)練前后數(shù)據(jù)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(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的訓(xùn)練練習(xí)，但通過其他三項(xiàng)訓(xùn)練后在這兩項(xiàng)的數(shù)據(jù)同樣顯示也有顯著性差異，說(shuō)明訓(xùn)練動(dòng)態(tài)平衡的同時(shí)也會(huì)增強(qiáng)自身靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)人體保持身體平衡的能力。原因是通過訓(xùn)練前庭器官的不同部位接收到不同的適宜刺激，產(chǎn)生條件反射適應(yīng)了刺激，進(jìn)而更及時(shí)的調(diào)控身體平衡。

訓(xùn)練前后五項(xiàng)平衡評(píng)價(jià)指標(biāo)均有明顯的變化，尤其是在左右平動(dòng)、前后平動(dòng)、平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)測(cè)試中，指標(biāo)總軌跡長(zhǎng)、單位時(shí)間軌跡長(zhǎng)在p＜0.01基礎(chǔ)上有非常顯著性的差異，同時(shí)這兩個(gè)指標(biāo)也是體現(xiàn)人體本體感覺系統(tǒng)功能指標(biāo)，也說(shuō)明人體本體感覺較訓(xùn)練前有了非常顯著的差異，能力大大提高，證明了動(dòng)態(tài)平衡的訓(xùn)練確實(shí)可以提高人體在非靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)為維持身體姿勢(shì)保持平衡的能力。

4、結(jié)論與建議

（1）人體動(dòng)態(tài)平衡能力測(cè)訓(xùn)系統(tǒng)參照生理學(xué)基礎(chǔ)，結(jié)合人體前庭系統(tǒng)在感知人體加減速的基礎(chǔ)上調(diào)控身體平衡為依據(jù)，通過可靠性檢驗(yàn)，證實(shí)測(cè)訓(xùn)系統(tǒng)可以用于各種組合狀態(tài)的人體平衡動(dòng)態(tài)測(cè)試和訓(xùn)練；

（2）測(cè)訓(xùn)系統(tǒng)選取在校大學(xué)生為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，數(shù)據(jù)表明不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)人體維持平衡能力不同。動(dòng)靜態(tài)和睜閉眼均是引起平衡評(píng)價(jià)指標(biāo)變化的關(guān)鍵因素；

（3）通過訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示訓(xùn)練前后數(shù)據(jù)有非常顯著性差異，訓(xùn)練后自身維持平衡能力顯著提高，說(shuō)明人體動(dòng)態(tài)平衡能力測(cè)訓(xùn)系統(tǒng)可用于平衡訓(xùn)練。