程　珊，胡文東，張利利

視覺反饋?zhàn)藙菡{(diào)節(jié)能力檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

程珊，胡文東，張利利

目的：設(shè)計(jì)一套基于視覺反饋的姿勢調(diào)節(jié)能力檢測程序，并探討其應(yīng)用效果。方法：首先，利用壓力傳感器，將雙足腳掌與腳跟的壓力變化轉(zhuǎn)變?yōu)樯眢w重心晃動(dòng)的變化軌跡；然后，在軟件測試程序中，增加了不同方位的目標(biāo)點(diǎn)，以便被試者有目的地控制身體重心向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)；最后，利用背部負(fù)重的方法考察此系統(tǒng)是否能夠達(dá)到預(yù)期的應(yīng)用效果。結(jié)果：從程序設(shè)計(jì)上初步實(shí)現(xiàn)了姿勢調(diào)節(jié)能力檢測程序的編制。20%的背部負(fù)重對機(jī)體調(diào)節(jié)能力的確產(chǎn)生了影響，且身體向后傾斜時(shí)，姿勢調(diào)節(jié)能力下降顯著。結(jié)論：新研發(fā)的視覺反饋?zhàn)藙菡{(diào)節(jié)能力檢測程序?yàn)榱⑽黄胶夤δ艿臋z測提供了一種新的方法與思路。

視覺反饋；姿勢調(diào)節(jié)；背部負(fù)重

0　引言

健康人的姿勢控制主要由視覺、本體感覺與前庭感覺等反饋信息來維持[1-2]。以往研究表明，立位平衡功能的研究與應(yīng)用常集中于運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)[3]與臨床醫(yī)學(xué)[4]方面，但目前已擴(kuò)展到其他領(lǐng)域，如睡眠剝奪[5]、駕駛疲勞[1]等多個(gè)方面。立位平衡測試方法總體分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種，其中，靜態(tài)立位平衡功能測試方法（靜態(tài)姿勢圖）由于其技術(shù)實(shí)現(xiàn)較簡單，是比較常用的方法。利用此種方法，被試者無需做任何動(dòng)作，只需安靜地站立于安裝有壓力傳感器的平臺上，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)便可以根據(jù)雙腳各部分壓力的變化描繪出整個(gè)身體壓力中心（center of presure，COP）的晃動(dòng)軌跡，從而可以計(jì)算出一系列參數(shù)[6]，如質(zhì)心軌跡面積、前后晃動(dòng)距離等。而這些參數(shù)只能夠粗略地反映姿勢靜態(tài)維持能力，而不能準(zhǔn)確地反映人體姿勢動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。動(dòng)態(tài)的立位平衡功能測試方法主要靠壓力平臺按一定的策略運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)，造成被試者身體的晃動(dòng)，從而要求被試者努力維持一定的站立姿勢。此種方法也同樣存在測量指標(biāo)不精確的問題。

另外，在立位平衡測試過程中，對被試者的干預(yù)手段也多種多樣，如身體負(fù)重、單腿站立、視覺干擾等。由于在本研究中是利用負(fù)重干預(yù)來評估新研發(fā)程序的應(yīng)用效果，故以身體負(fù)重為例作簡要的闡述。在外部負(fù)重條件下，機(jī)體通過身體角加速度的增加、肌肉作用時(shí)間與變化率的增大等來維持身體直立姿勢，這就造成了機(jī)體的不穩(wěn)定性增加，最終可能導(dǎo)致身體COP的偏離[7]。尤其在背部負(fù)重時(shí)，機(jī)體直立姿勢的維持要靠身體前傾來保持質(zhì)心到腳踝與膝蓋矢量方向上的角度[8]；以往研究表明，負(fù)重的部位越高，對立位平衡穩(wěn)定性的影響就越大[9]，而負(fù)重大小對身體穩(wěn)定性影響則視情況而定。一般情況，大于身體體質(zhì)量20%以上的負(fù)重才可能對平衡功能產(chǎn)生不利影響[10]。

因此，本研究主要從立位平衡動(dòng)態(tài)測量方面入手，開發(fā)一種由人體主動(dòng)進(jìn)行姿勢調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，希望能夠用來準(zhǔn)確地反映出機(jī)體的姿勢調(diào)節(jié)能力；而后，利用臨界負(fù)重為體質(zhì)量20%的背部負(fù)重方式考察此測試程序的應(yīng)用效果。

1　程序設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)原理

該系統(tǒng)包括壓力傳感器、計(jì)算機(jī)單元及應(yīng)用軟件3部分。當(dāng)被試赤腳（或只穿襪子）靜立于壓力傳感器上時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將左右腳的腳掌與腳跟的壓力變化轉(zhuǎn)換為身體COP的變化情況，并進(jìn)一步反映人體質(zhì)心的晃動(dòng)情況[11]。質(zhì)心測試系統(tǒng)可以對被試者在32 s測試過程中的質(zhì)心晃動(dòng)軌跡坐標(biāo)實(shí)時(shí)進(jìn)行記錄，每31.25 ms記錄采集一個(gè)軌跡坐標(biāo)，共1 024個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，并存入數(shù)據(jù)庫中以便后續(xù)進(jìn)行分析。因此，我們的研究重點(diǎn)主要是在此基礎(chǔ)上，在測試界面的不同方位上設(shè)置目標(biāo)點(diǎn)，從而可以讓被試者利用視覺信息將身體質(zhì)心盡量移動(dòng)到目標(biāo)位點(diǎn)，并維持一段時(shí)間。

1.2程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本測試程序顯示部分為一正方形的界面（如圖1所示），其長度為人體在正常無摔倒情況下質(zhì)心前后傾斜所能達(dá)到最大位置的距離，記為1；而寬度為質(zhì)心左右傾斜所能達(dá)到的最大距離，也記為1。起始位置黑色圓圈的圓心坐標(biāo)為（，），半徑r=0.020 080（此半徑根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)志愿者的平均外周面積的60%所得），周圍8個(gè)“十”字中心分布在以為圓心、半徑的圓周上，其坐標(biāo)分別為前位點(diǎn)、后位點(diǎn)、左位點(diǎn)、右位點(diǎn)（、右前位點(diǎn)、左后位點(diǎn)、左前位點(diǎn)、右后位點(diǎn)。測試過程中，要求被試者先將身體質(zhì)心（黑色實(shí)心圓）移動(dòng)到起始位置的黑色空心圓內(nèi)，并以此為起點(diǎn)，被試者迅速將質(zhì)心移動(dòng)到周圍某個(gè)位點(diǎn)上，使其質(zhì)心與十字中心的距離越近越好，并維持至實(shí)驗(yàn)結(jié)束（共32 s）。

1.3評價(jià)指標(biāo)的提取

本測試程序主要提取的指標(biāo)有3個(gè)，即平均距離、標(biāo)準(zhǔn)偏差與調(diào)節(jié)時(shí)間。由于在維持階段，被試者質(zhì)心圍繞某個(gè)位點(diǎn)（如上位點(diǎn)）微小波動(dòng)，故此平均距離與標(biāo)準(zhǔn)偏差為最后8 s內(nèi)（256個(gè)采集點(diǎn)）質(zhì)心與位點(diǎn)間距離的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，分別表示姿勢調(diào)節(jié)的精度與穩(wěn)定性；調(diào)節(jié)時(shí)間為被試者將質(zhì)心由起始位置移動(dòng)到周圍某個(gè)位點(diǎn)并保持穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，而穩(wěn)定狀態(tài)界定為從第1個(gè)與目標(biāo)位點(diǎn)的距離小于平均距離的采集點(diǎn)開始計(jì)算，至采集點(diǎn)累積達(dá)到128個(gè)點(diǎn)的時(shí)間（如圖2所示）。

圖1　程序界面的8個(gè)位點(diǎn)分布模式圖

圖2　視覺反饋?zhàn)藙菡{(diào)節(jié)能力檢測系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)提取過程示意圖

2　姿勢調(diào)節(jié)程序的應(yīng)用效果

2.1實(shí)驗(yàn)對象

從某軍隊(duì)院校男性學(xué)員中抽取36人，隨機(jī)均分為A、B 2組，基本資料見表1。要求被試者在近3個(gè)月沒有出現(xiàn)過骨折、肌肉損傷等影響平衡功能的疾病，同時(shí)測試前2 d要求所選被試者按照學(xué)校作息制度就寢，不得服用任何影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的藥品或飲品，如咖啡、濃茶等。

表1　A、B 2組被試者基本信息比較

2.2實(shí)驗(yàn)過程

B組中的所有被試者背包負(fù)重14 kg的重物（平均體質(zhì)量的20%），A組被試者則不負(fù)重。每名被試者先在4個(gè)位點(diǎn)（前位點(diǎn)、后位點(diǎn)、左位點(diǎn)、右位點(diǎn)）練習(xí)一次，隨后進(jìn)行8個(gè)位點(diǎn)姿勢調(diào)節(jié)能力的正式測驗(yàn)。A、B 2組基本資料的比較利用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析，所提取指標(biāo)在不同位點(diǎn)間差異性比較利用方差分析及LSD-t檢驗(yàn)。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在身體質(zhì)心向后位點(diǎn)移動(dòng)的過程中，負(fù)重條件對其影響較大，干擾了姿勢的調(diào)節(jié)精度與穩(wěn)定性。具體表現(xiàn)為在向后位點(diǎn)調(diào)節(jié)時(shí)，身體質(zhì)心偏離目標(biāo)位點(diǎn)較遠(yuǎn)，并且晃動(dòng)范圍較大。同樣，背部負(fù)重也對身體質(zhì)心在向左后位點(diǎn)調(diào)節(jié)時(shí)產(chǎn)生一定的干擾作用。另外，無論是背部負(fù)重，還是沒有負(fù)重，在身體后傾狀態(tài)進(jìn)行姿勢調(diào)節(jié)時(shí)，其姿勢調(diào)節(jié)的精確程度和穩(wěn)定程度都比較差。然而，無論是身體向哪個(gè)方位調(diào)節(jié)，其姿勢調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間并沒有差異（見表2）。

表2　負(fù)重干預(yù)對不同方位姿勢調(diào)節(jié)能力的影響

3　討論

視覺反饋?zhàn)藙菡{(diào)節(jié)能力測試系統(tǒng)屬于主動(dòng)的動(dòng)態(tài)立位平衡測試方法，為本系統(tǒng)區(qū)別于以往研制的立位平衡測試系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)。它不再是粗略地估計(jì)人體質(zhì)心晃動(dòng)的范圍，而是能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算人體姿勢調(diào)節(jié)的精度與穩(wěn)定性。另外，本系統(tǒng)根據(jù)人體向不同方向傾斜時(shí)控制能力的不同，在8個(gè)不同的方位設(shè)置了目標(biāo)位點(diǎn)，可以較為全面地檢測機(jī)體不同傾斜方向上的姿勢調(diào)節(jié)的精度。這樣的設(shè)計(jì)不但滿足了測試需要，同時(shí)也提高了被試者的測試興趣，還可以部分解決被試者抵觸測試的問題。

前文已經(jīng)提到，外部負(fù)重條件下，機(jī)體會(huì)通過一系列的代償機(jī)制來維持身體的直立姿勢，這就造成了機(jī)體的不穩(wěn)定性增加，最終導(dǎo)致身體COP的偏離[7]，而大于身體體質(zhì)量20%以上的負(fù)重才對平衡功能產(chǎn)生不利影響[10]。本研究開發(fā)出的主動(dòng)姿勢調(diào)節(jié)程序能夠檢測出背部負(fù)重14 kg（體質(zhì)量的20%）對姿勢調(diào)節(jié)能力的影響，說明此程序可以對姿勢調(diào)節(jié)控制能力作出判斷。另外，由于踝關(guān)節(jié)面前寬后窄的特性，故在本研究中，無論背部負(fù)重與否，身體在向后傾斜的情況下都比向前傾斜時(shí)晃動(dòng)程度要大些。這一點(diǎn)也反映出了新研發(fā)的姿勢調(diào)節(jié)能力檢測系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用效果。

綜上所述，新研發(fā)的視覺反饋?zhàn)藙菡{(diào)節(jié)能力檢測程序可以較精確地反映機(jī)體在向不同方位傾斜時(shí)的調(diào)節(jié)能力，為立位平衡功能的檢測提供了一種新的方法與思路。

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（收稿：2014-07-08修回：2014-11-02）

Design and application of testing system for visual-feedback-based posture adjusting ability

CHENG Shan,HU Wen-dong,ZHANG Li-li
(Department of Aerospace Medical Equipment,School of Aerospace Medicine, the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)

Objective To develop a new visual feedback postural adjusting ability assessing system,and to study its application value.Methods Pressure sensor was used to determine the changes of the body weight center by tracing the pressure variation of the soles and heels,then eight target points in different directions were added into the software interface to enable the subject move his body weight center to the target point intentionally,finally the system was evaluated by loading on back.Results Program design was performed for the testing system.It's proved that posture adjusting ability might decrease with 20%load on back or the body leaning backwards.Conclusion The newly developed visual feedback postural adjusting ability testing system can be used to research standing balance function.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：17-19]

visual feedback;postural adjustment;loading on back

[中國圖書資料分類號]R318；TP391.4A

1003-8868（2015）05-0017-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.017

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（81202178）

專利：國家實(shí)用新型專利（ZL 201220145581.4）；國家軟件著作權(quán)（2012S R034453）

程珊（1989—），男，主要研究方向?yàn)轱w行人員生理心理選拔、訓(xùn)練與評估，E-mail:chengshan-2007@163.com。

710032西安，第四軍醫(yī)大學(xué)航空航天醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)裝備教研室（程珊，胡文東，張利利）

胡文東，E-mail:doatea@fmmu.edu.cn