人体姿势稳定性

一般来说，人体的姿势稳定性分为两类，分别为静态姿势稳定性和动态姿势稳定性[17]。

3.1.4.1 静态姿势稳定性

静态姿势稳定性可以被定义为在牢固不变的支撑面上保持平稳的一种能力。这里的“平稳”为尽可能保持身体不活动。一般来说，人体的静态姿态主要包含站、坐和卧等，而研究最多的，也是在实际中最常用的是站姿的静态稳定性问题。

许多因素会对静态姿势稳定性构成影响。静态姿势控制系统非常复杂，依赖于感知系统精确地感知外界环境，和在中枢神经系统水平的前庭、视觉和本体感知输入对外界信息的处理和整合。中枢神经系统根据目前姿态可以采用多种不同的策略来保持姿势平衡和稳定。除了个体的感知和运动能力外，支撑面积也在姿势稳定性有重要作用。这里所谓的支撑面积包含足的姿势、肌骨系统特征和约束条件等。

人体环节位移指的是头、躯干等人体环节做出适应性动作，改变位置以维持平衡。人体在站立时的环节的活动通常被描述为“倒钟摆模型”（图3-2）。在静态站立时，在矢状面内，人体围绕踝关节前后摇摆，正常成人摆动范围约为5～7mm。在冠状面内，同样存在类似的现象，正常成人的摆动范围约为3～4mm。

在平衡控制时，肌肉活动是预期的前馈机制，其目的在于阻止倒钟摆模型倾倒，并将身体拉回到参考位置。与之相反地，由于踝关节肌肉的力学性质产生的内在反馈则体现为短期内的零延迟，来延缓倒钟摆模型的倾倒趋势。倒钟摆模型将质心和压力中心联系起来，其中前者是被控变量，后者是控制变量。在临界水平，肌肉本身不足以稳定身体时，前馈控制的机制的补偿作用就非常必要。

图3-2 人体静态站立的倒钟摆模型

人体质心、重心和压力中心的概念在上文中已经提及。如图3-3所示，当压力中心在重心前面时，逆时针力矩（Iα）作用在踝关节，使得躯干向后旋转，从而达到平衡。而当压力中心在重心后面时，顺时针力矩作用在踝关节，导致身体躯干向前旋转，从而失去平衡跌倒。

在实际应用中，测量评价人体站立姿势稳定性的方法非常多，大体上可以分为3类：

（1）身体节段的位移评价。为了维持姿势平稳，做出适应性活动，头或躯干等身体节段的位置会发生变化。

（2）维持姿势平衡的肌肉活动性评价。在维持姿势平稳过程中，肌肉的功能体现为一种预期的前馈机制，可以通过倒钟摆模型进行分析。其中，肌肉的活动旨在防止倾倒，将身体拉回到参考点位置。基于踝关节肌肉力学性质的反馈机制在短期内零延时地发挥作用，来减缓倒钟摆的倾倒。倒钟摆模型将受控变量（质心）和控制变量（压力中心）联系起来。前馈机制与反馈机制互补是必要的，因为位移到达临界水平时，肌肉刚度本身不足以维持身体稳定。

图3-3 人体压力中心与质心的关系

（3）人体质心或压力中心运动的评价。简言之，人体压力中心是通过足底的身体压力的集中的一个点。与其说这个参数的测量记录了身体的摇摆，不如说记录人体动力系统移动压力中心的活动。Lafond等人[18]指出了站立时压力中心与质心之间的关系，压力中心在质心的任意一侧摇摆。在低于1Hz的摇摆频率，压力中心理论上完全与质心重合时，压力中心的摇摆位移总是大于质心摇摆位移。

在这些方法中，最常用的工具是稳定图（Stabilogram），即通过测力台测量数据生成的压力中心随时间变化的行为的一种测度。在评价站立的静态姿势时，虽然压力中心轨迹经常被用到，但是并没有统一标准的评价方法，所采用的参数也五花八门，包括基于压力中心的有关位移、面积、速度、幅值分配、能量谱和向量等参数。

3.1.4.2 动态姿势稳定性

Goldie等人[19]将动态姿势稳定性定义为：在支撑基础附近转移身体重心竖直方向投影的能力。这种能力可以通过以下手段来测量：支撑面微扰、身体微扰、在姿势或位置改变时被要求保持平衡（如单腿跳或着陆动作）。动态姿势稳定性可以是个体或人群的稳定性问题，也可以是具体动作的稳定性问题。

我们在第2.1节中详细说明了关于着陆动作的稳定时间（Time to stabilization，TTS）测试方法，这是一种典型的测试手段。除此以外，常用的动态姿势稳定性测试手段包括：

1.多级单腿跳稳定性测试

多级单腿跳稳定性测试（Multiplesingle-leghop-stabilization test）是基于改良的Bass测试提出的。如图3-4所示，11条2.5cm见方的胶带被编码后用来标记地板，标记距离根据受试者的身高来调整。大多数受试者最远跳跃距离为自己身高的95%。受试者所能跳的最大距离为2号和3号，7号和8号标记点的对角线距离被确定为受试者身高的45%。受试者始终使用一侧下肢依次完成多级跳跃，并需要始终双手叉腰。除此之外，脚落地时需要覆盖全部胶带，并足尖朝前。所有这些要求无法达到都会被计入误差评分系统（表3-1），通过评分系统打分确定每名受试者的动态姿势稳定性。

图3-4 多级单腿跳稳定性测试标记布置示意图[17]

表3-1 多级单腿跳稳定性测试评分表

2.动态姿势稳定性指数

Wikstrom等人[47]提出了一个参数——动态姿势稳定性指数（Dynamic postural stability index，DPSI）及其三维分量（前后方向APSI，左右方向MLSI和竖直方向VSI）来评价着陆动态稳定性。这个参数及其分量是评估地面反力数据集在0附近波动的均方差。关于该测试方法和评价参数，我们在2.1节中也做了介绍，并将其与稳定时间做了对比。

稳定时间更多关注于地面反力的时域变化特征，而动态姿势稳定性指数关注于特定时间范围内的地面反力幅值变化。着陆动作中，动态稳定性本质上描述的是调整身体从动态着陆运动至静态站立姿势的神经肌肉控制能力。在这个过程中，时域特征非常重要，因此稳定时间比较适合用来评价动态稳定性。从某种意义上来说，较大的地面反力均方差无疑意味着较为不稳定的过程。但是，地面反力数据的均方差，即动态姿势稳定性系数的大小较多地由着陆时的冲击阶段，而非由其稳定阶段来决定。冲击阶段从初始接触时刻算起大约为几十毫秒，稳定阶段紧随其后。因此，稳定性指数同时考虑了力载荷和能量吸收的影响。虽然这些影响与动态稳定性紧密相关，但是在评价稳定性控制时最好将其区分出来。

3.“米”字平衡测试

“米”字平衡测试（Start excursion balance test，SEBT）是对运动员和健康人群都具有挑战性的一种动态稳定性测试。首先，用8条6～8英尺长的胶带组成一个“米”字。测试要求受试者单足站立，尽可能快地在8个不同方向伸出另一侧下肢。例如，图3-5所示，某受试者使用左足站立，他必须尽可能快地依照以下方向伸腿：前→前内→内→后内→后→后外→外→前外。

图3-5 “米”字平衡测试

图3-6 “丫”字平衡测试

此外，还有与“米”字平衡测试类似的测试方案，采用“丫”型方案布置，可以被称为“丫”字平衡测试（图3-6）。

3.1.4.3 瞬态姿势稳定性

虽然对静态姿势稳定性和动态姿势稳定性已有很多研究，但这两个概念并不能解决所有的问题。例如，在评价站立姿势稳定性时，采用基于压力中心测量的参数来进行评价，至少需要90秒以上时间的采样才能保证良好的可重复性。这么长的测量时间对于侧向站立于较大角度的斜面上是不可能的，在实际中也没有必要。因为在特殊情况下，往往仅需要一个较短的时间来维持这种姿势平衡状态，来判断所处环境及做出调整姿势的决策，并通过中枢神经系统做出正确的反应。我们将这种短时间内难度较大的姿势稳定性定义为瞬态姿势稳定性，以区别静态和动态姿势稳定性。

测力台是生物力学实验室普遍配备的一种设备，具有灵敏度高、测量精确、使用方便等优点，不但能给出不同方向上的力的大小，还能确定合力中心点的位置。因此，用测力台测量压力中心位置，通过该位置轨迹的变化来评价静态姿势稳定性也就顺理成章。但是，包括力的幅度和集中作用点的位置在内，每一帧测力台测量数据仅包括6个测度，而在压力中心评价时更是仅用到其中两个（水平面内的位置）。数据信息量的不足导致其必须使用足够长时间的测量来积累足够的信息，完成对稳定性的分析和评价。瞬态姿势稳定性的评价需要在较短的时间内完成这种评价，就不能再采用测力台来提供信息，而必须使用单位时间内保护更多信息量的测量手段。无疑，足底压力分布测量系统是一个符合标准的选项。

足底压力分布（Plantar pressure distribution，PPD），所提供测量数据不是集中力，而是足底不同区域的压力，细致分区的大小由压力测量传感器或相应装置的尺寸和敏感程度来决定。最早的足底压力测量文献记载是Beely在1882年完成的，他让受试者踩在装满石膏的袋子上，认为足部承重大的地方踩下去的印记会更深。但是，这种测量仅是定性地对足底承重进行判断，而无法量化具体区域所受的压力。

随着技术的发展，对足底压力分布的测量出现了多种不同的技术，大体上可以将这些技术分为4类：

1.直接复印法

Morton[20]最早利用复印技术测量足底压力分布，他设计了活动摄影机技术，利用橡胶的弹性把足底压力转换为一定比例的变形量，这一原理成为后来许多类似技术发展的基础。1980年代初，出现了用铝箔取代墨水和纸张作为复印介质的改进的技术[21]，这一技术不仅可以得到即时可见的足部印痕，还可以通过光学扫描得到量化的结果。随后，一些用于分析足部印痕的商业产品也陆续出现，如富士公司生产的PRESCALE压敏纸等，获得了极大的商业成功。

2.可视化复印技术

Kinetograph技术发展的另一方面是通过摄影机记录下即刻的压力曲线，从而获得足底压力分布的图像。自动压力机就是这一技术的第一代成功。第二代自动压力机出现在1950年前后，应用的是另外一种光学原理，Pedoparograph系统是这一技术的代表，该系统首次使用了显示器和图像处理技术，可以通过黑白或彩色图像进行局部压力的分析。随后，研究人员又利用光弹性原理开发新的技术，在此基础上，Cavanagh和Michiyoshi[22]用计算机处理得到了准三维压力曲线，曲线上各点的纵向坐标与足底该点处的压力成比例，比较直观地反映了足底压力分布状况。

3.压力板和载荷单元技术

压力板具有多个按足部结构划分的区域，每个区域都可以独立地测量其表面作用的压力，而载荷单元技术是应用载荷单元阵列作为足部支撑，各单元之间并没有联系，这样载荷单元就可以记录特点解剖位置上的载荷。压力板和载荷单元多采用力 电转换技术，将足底压力转化为便于测量的电信号，可以得到比较精确的结果。该方法的不足之处在于具有电延迟性，不利于动态测量。这样，同时具有精度高、动态响应性好和灵敏度高的压电晶体技术就成为良好的替代。电工学的发展逐步解决了长期困扰该技术的漏电问题，使其成为足底压力分布测量的有力工具。

4.鞋内垫测量技术

研究人员为了对日常活动，例如爬楼梯、在倾斜地面上行走等活动的实验对象的足部荷载加以记录，设计了嵌入鞋内垫的压力转换装置。鞋内垫测量可以对足部与鞋子的接触压力作出评价，对功能鞋的设计有指导作用。更重要的是，鞋内垫装置可以连续记录行走过程中的足部压力，而压力板只能记录其中的一个步态时相。另外一类可以持续测量足底压力分布测量的方法是用附着于足底的压力转换垫片进行测量。Schwarts和Heath[23]设计了一个具有12个压力传感片的装置，压力传感片被附着于大拇趾，第一、三和五跖骨头，以及跟骨两侧，并用导线连接到电流计，测量12个通道的随时间变化的压力曲线。

传统上，足底压力测量往往局限于垂直载荷分量的评价，主要原因在于，一方面主流观点认为压力的临床意义比剪切力的意义要大，另一方面则限于技术的成熟条件，对数值较小的剪切力测量很不方便。Tappin等人[24]最早使用抗磁性压力转换元件附着于足底进行剪切力的测量，Pollard等人[25]应用该装置研究了一组穿着不同类型鞋子的受试者。随后，基于共聚物薄膜和发光二极管的转换装置也相继开发，减小了转换装置的硬度，对测量局部的力学影响大大降低。Hosein和Lord[26]设计了一种鞋内垫压力和剪切力同时测量的装置，利用嵌入内垫的传感器测量了四个跖骨头及跟骨的剪切力，并得到了同一状态下压力分布模式。Davis等人[27]报道了一种利用应变计测量技术同时测量足底压力和剪切力分布的装置，具有很好的精确度。香港理工大学丛燕等人[28]使用5个三维力传感器，分别安装于高跟鞋的大拇趾，第一、二和四跖骨头，以及足跟处，在受试者站立时或步态时同时测量其足底压力和剪切力。

足底压力分布测量的应用主要集中在两个方面：通过足部与地面之间的压力分布模式来研究正常足的结构和功能；与临床医学结合研究糖尿病患者足底溃疡、风湿性关节炎等病理现象，为临床治疗提供合理评价，以及假肢的计算机辅助设计等。虽然也有研究者尝试采用足底压力分布测量方法来评价人体的姿势稳定性，但并不能替代测力台对压力中心的测量，只是起到辅助作用。而且，在这些应用足底压力分布测量评价姿势稳定性的研究中，并没有明确瞬态姿势稳定性的概念，没有指出其相对压力中心测量的优势所在。