成 霞，谷玉海,，陳耀祖，蘇 鵬，徐小力

(北京信息科技大學(xué) a.現(xiàn)代測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b.機(jī)電工程學(xué)院， 北京 100192)

人體平衡能力是指人保持自身身體處于某種狀態(tài)或受到外力作用時(shí)能自動(dòng)恢復(fù)至平衡狀態(tài)的能力[1]。人體平衡能力是人體自身平衡功能強(qiáng)弱的客觀表現(xiàn)，體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的控制力[2]。平衡是人能進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)的前提，良好的人體平衡能力是日常生活中各類活動(dòng)的基本保障[3]。若人體平衡能力出現(xiàn)問題，輕則導(dǎo)致患者在日常生活中過于小心產(chǎn)生危機(jī)跌倒的心理[4]或?qū)⒂绊懭梭w的自由行動(dòng)能力；重則會(huì)限制或喪失自主活動(dòng)能力，導(dǎo)致患者的日常生活質(zhì)量嚴(yán)重下降[5-6]。因此，研究人體平衡能力評估系統(tǒng)不僅能客觀、定量、精確地評估人體自身平衡能力的強(qiáng)弱，而且可為平衡障礙診斷、運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練等提供科學(xué)依據(jù)。

1 平衡能力的評估方法

人體站立平衡能力對人的日常生活非常重要， 170多年前就有學(xué)者對人體平衡能力進(jìn)行研究。然而，由于人體站立生物調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在的復(fù)雜性與不確定性，導(dǎo)致對人體平衡能力的準(zhǔn)確評估存在重重困難。對人體平衡能力評估的方法按照其提出的順序與時(shí)間大致分為三類：傳統(tǒng)的觀察法、量表評估法和人體平衡測試儀器法[7]。

1) 傳統(tǒng)的觀察法。不借助外部儀器，醫(yī)生根據(jù)觀察測試者在不同條件下做出的保持自身平衡的能力進(jìn)行評估。這種方法成本較低，且只能用來簡略評估測試者的平衡能力，不能得到精確的測試結(jié)果。傳統(tǒng)的觀察法種類繁多，普遍使用的3種檢測方法有閉目直立檢查法、強(qiáng)化Romberg檢查法以及單腿直立檢查法。閉目直立檢查法一般從靜止和運(yùn)動(dòng)兩種狀態(tài)來評估測試者的平衡能力。靜止?fàn)顟B(tài)主要從以下幾個(gè)方面評估人體平衡能力：雙腳并攏靜止站立時(shí)睜閉眼前后身體的晃動(dòng)狀態(tài)；坐位時(shí)的睜閉眼狀態(tài)；單足交替站立時(shí)身體的穩(wěn)定性。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要從以下幾個(gè)方面評估人體平衡能力：移動(dòng)身體時(shí)，身體保持平衡；在不同的條件下行走，直線、圓圈、跨過標(biāo)記物等環(huán)境下行走；側(cè)向走，倒退走等[8]。該方法對人體平衡能力的測量過于簡略，缺乏評定標(biāo)準(zhǔn)和量化，不能精確地反映出人體自身平衡能力的強(qiáng)弱，所以該方法只能粗略地挑選出疑似患者。

2) 量表評估法。普遍使用的一般有Berg平衡量表法、Tinnetti量表法測試。

Berg平衡量表法是通過訪問專業(yè)醫(yī)生和測試者，經(jīng)過記錄、整理與分析一系列數(shù)據(jù)后綜合建立的從多個(gè)方面評價(jià)人體平衡能力的工具[9]。Berg平衡量表法包含14項(xiàng)平衡能力測試，醫(yī)生根據(jù)測試者做各個(gè)任務(wù)時(shí)的反應(yīng)與恢復(fù)自身平衡狀態(tài)所需時(shí)間來評估測試者的平衡能力，例如站、坐、單腳站立、轉(zhuǎn)身一周、坐站轉(zhuǎn)移等活動(dòng)。每個(gè)測試的分值范圍為0～4，共14項(xiàng)測試，總分為56分。得分在46～56區(qū)間表明測試者平衡能力良好，得分低于46則被認(rèn)為具有較大跌倒風(fēng)險(xiǎn)[10]。

Tinnetti量表法測試總分為28分，該方法主要有站立測試與行走測試。得分越高表示測試者的平衡穩(wěn)定性越好，得分低于24則表示人體平衡功能有可能出現(xiàn)障礙。

量表法雖然測試過程簡單、用時(shí)短，但評分具有主觀性，且分?jǐn)?shù)難以界定，存在“天花板”效應(yīng)[11]，因此無法得到精確的測評結(jié)果。

3) 人體平衡測試儀器法。測力平臺(tái)是平衡測試儀器的一部分。當(dāng)測試者站立在測力平臺(tái)上時(shí)，壓力傳感器采集到的隨身體微小晃動(dòng)而變化的人體重心點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在上位機(jī)屏幕上，并通過對重心數(shù)據(jù)的一系列處理與分析最終以圖表的形式顯示出來。其結(jié)果可用來評估測試者的平衡能力。

這種方法可以使測試者根據(jù)上位機(jī)屏幕顯示的重心偏移情況自行調(diào)整重心的軌跡方向；通過上位機(jī)的實(shí)時(shí)顯示，醫(yī)生可及時(shí)掌握測試者的平衡能力情況；也可根據(jù)測試結(jié)果對測試者的平衡能力進(jìn)行定量評估和準(zhǔn)確分析。

2 平衡測試指標(biāo)及計(jì)算方法

平衡測試儀器主要由測力平臺(tái)、放大濾波器、單片機(jī)、計(jì)算機(jī)裝置以及顯示裝置等設(shè)備組成。平衡測試儀系統(tǒng)工作原理如圖1所示。測試者站立于測力平臺(tái)上，測力平臺(tái)下方的壓力傳感器感受到壓力的變化，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)；經(jīng)過濾波和放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)[12]傳送至單片機(jī)；單片機(jī)處理之后通過串口通訊將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)力矩平衡原理對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與分析，獲得人體重心坐標(biāo)，并實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)顯示屏上；同時(shí)繪制出重心移動(dòng)軌跡線，并對測試過程中上位機(jī)保存的人體重心數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與計(jì)算，得到的測試結(jié)果能更定量、精確地評估人體平衡能力。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

根據(jù)前人對人體平衡能力的研究，選取最常用且有效的平衡指標(biāo)作為測試指標(biāo)，各測試指標(biāo)如下：

1) 重心移動(dòng)軌跡長度(Lng)：指在指定時(shí)間內(nèi)采集到的人體重心點(diǎn)的移動(dòng)軌跡長度，其總值越大，表明測試過程中測試者身體晃動(dòng)幅度越大或重心偏離身體重心位置的幅度越大，也說明測試者的自身平衡穩(wěn)定性差。(xi,yi)表示ti時(shí)刻人體重心在測力平臺(tái)上的坐標(biāo)，連續(xù)采集測試者重心數(shù)據(jù)并記錄n個(gè)重心的坐標(biāo)，則重心軌跡總長度為：

(1)

(2)

3) 單位面積軌跡長度(Lng/Area)。指重心移動(dòng)軌跡長度與軌跡面積的比值，反映測試者在維持自身平衡時(shí)對姿態(tài)的細(xì)微控制能力。當(dāng)自身控制能力減弱時(shí)，該值也隨之減小[13]。

(3)

4) 左右動(dòng)搖徑(Dx)。指重心點(diǎn)在左右方向上的最大擺動(dòng)范圍，擺動(dòng)范圍越大說明平衡穩(wěn)定性越差，即

Dx=xmax-xmin

(4)

5) 前后動(dòng)搖徑(Dy)。指重心點(diǎn)在前后方向上的最大擺動(dòng)范圍,擺動(dòng)范圍越大說明平衡穩(wěn)定性越差，即

Dy=ymax-ymin

(5)

6) 動(dòng)搖徑比(D)。指左右動(dòng)搖徑與前后動(dòng)搖徑的比值，比值越大說明平衡穩(wěn)定性越差，即

(6)

7)X、Y方向平均差。通過計(jì)算x、y方向平均差的值來反映測試者在x方向和y方向的人體平衡能力，其計(jì)算式為：

(7)

(8)

通過比較ADx與ADy值的大小，確定重心搖擺的程度，值越小說明重心在該方向的平衡能力越好。

8) 位移方差評估。獲得測試者的一系列重心坐標(biāo)，通過計(jì)算位移方差值來評估人體的平衡能力。

(9)

其中：n表示重心點(diǎn)投影個(gè)數(shù)；x1…xn表示橫坐標(biāo)；x表示位移平均值。

表1 統(tǒng)計(jì)四川省科委重點(diǎn)項(xiàng)目得到的數(shù)據(jù)結(jié)論

為方便處理和管理數(shù)據(jù)，在對上述公式進(jìn)行計(jì)算之前，首先在單片機(jī)內(nèi)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將預(yù)處理所得數(shù)據(jù)限定在[-1,1]范圍，從而消除極個(gè)別特殊數(shù)據(jù)導(dǎo)致的不良影響，使得測試結(jié)果更精確。

對人體平衡測試儀器系統(tǒng)獲得的重心動(dòng)搖數(shù)據(jù)，結(jié)合測試時(shí)間，進(jìn)行如圖2所示的人體平衡能力分析。

圖2 人體平衡能力分析流程框圖

測試者站在測力平臺(tái)上時(shí)，測力平臺(tái)下方的12個(gè)壓力傳感器將采集到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為力學(xué)信號(hào)，經(jīng)過硬件模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過串口通信傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)力矩平衡原理計(jì)算出每個(gè)重心點(diǎn)的坐標(biāo)，按時(shí)間順序依次在上位機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示重心點(diǎn)并繪制出重心移動(dòng)軌跡線。根據(jù)實(shí)時(shí)顯示并記錄下的投影重心數(shù)據(jù)信息(如圖3所示)以及采樣時(shí)間，計(jì)算出各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的值，并在計(jì)算出的指標(biāo)的基礎(chǔ)上，分析測試者平衡能力。

圖3 重心坐標(biāo)點(diǎn)信息截圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 測試對象

所有測試者均為身體康健、無任何影響平衡功能疾病的志愿者。選取20名身體健康的大學(xué)生和20名老年人作為測試者，其中男、女各10人，根據(jù)年齡段將其分為青年組和老年組。青年組整體年齡在22～27歲，身高老年組整體年齡在60～70歲，測試者的基本信息如表2所示。

表2 測試者基本信息

3.2 測試方法

進(jìn)行平衡測試時(shí)，要求測試者在安靜、明亮度合適、溫度適宜、無噪音的環(huán)境靜坐10 min以適應(yīng)。然后站立在測力平臺(tái)上方，點(diǎn)擊“開始”按鈕之后雙眼平視前方，如圖4所示。測試者目視前方，心情平和，注意力集中，全身處于放松狀態(tài)保持身體穩(wěn)定，測試進(jìn)行30 s，期間避免給測試者下指令或問話等一切干擾性行為。若測試過程中，被測者被突然打斷或者測試數(shù)據(jù)異常，休息5 min之后再進(jìn)行測試，以確保數(shù)據(jù)的可用性。

圖4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場照片

3.3 測試結(jié)果與分析

3.3.1測試指標(biāo)分析

40名測試者按順序依次通過測試，采集到測試者在測試過程中重心的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)采集到的足底壓力信號(hào)將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，最后根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息與采樣時(shí)間進(jìn)行各個(gè)測試指標(biāo)的計(jì)算與分析。測試指標(biāo)各數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可以得出：青年組的重心移動(dòng)軌跡長(Lng)略小于老年組，說明在測試過程中青年組人體晃動(dòng)頻率比老年組低，偏離中心位置的幅度小，人體穩(wěn)定性整體上比老年組好；青年組的軌跡面積(Area)小于老年組，反映出青年組比老年組的人體搖擺程度低；當(dāng)人體自身的控制能力減弱時(shí)，單位面積軌跡長(Lng/Area)減小，老年組的單位面積軌跡長小于青年組，表明老年組比青年組的控制能力弱；從左右動(dòng)搖半徑(Dx)、前后動(dòng)搖半徑(Dy)以及動(dòng)搖徑比(D)這三方面進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)老年組測試所得值普遍高于青年組，說明老年組比青年組的重心浮動(dòng)范圍大；平均差數(shù)值(ADx,ADy)越小，說明該方向上的平衡能力越好，通過對比x、y方向的平均差數(shù)值來看，青年組比老年組的數(shù)值均偏小，故青年組的平衡能力強(qiáng)于老年組；位移方差值(S2)在(4.88,5.61)，說明人的平衡能力良好，位移方差值在(5.61,6)，說明人的平衡能力正常，青年組的平衡能力屬于良好等級，老年組的平衡能力屬于正常等級。由此可以得出結(jié)論，青年組比老年組的整體平衡能力要好。

表3 各測試指標(biāo)結(jié)果

3.3.2重心運(yùn)動(dòng)軌跡線分析

從青年組和老年組中分別隨機(jī)選取1張重心運(yùn)動(dòng)軌跡線圖用來分析。取橫軸為x軸，縱軸為y軸，以兩軸交點(diǎn)作為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系。通過觀察圖5、6可以得出：圖5的重心軌跡線圍繞圓點(diǎn)運(yùn)動(dòng)且左右、前后幾乎均勻分布，重心軌跡線滑動(dòng)幅度較小，比較穩(wěn)定，可以看出圖5的重心運(yùn)動(dòng)軌跡屬于中心型，說明被測者平衡能力較強(qiáng)；圖6的重心軌跡線并非均勻分布在圓點(diǎn)周圍，它在x正半軸上較突出，且重心軌跡線滑動(dòng)幅度較大，由此可以推斷出被測者平衡能力存在一定程度的障礙，建議及時(shí)就醫(yī)查明原因，防止發(fā)生意外。從重心運(yùn)動(dòng)軌跡線角度分析，青年組的平衡能力普遍比老年組的平衡控制能力強(qiáng)。

圖5 青年組重心運(yùn)動(dòng)軌跡線

圖6 老年組重心運(yùn)動(dòng)軌跡線

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新的評估人體平衡能力的系統(tǒng)，將傳統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)與平均差以及方位差相結(jié)合評估測試者的平衡能力，并在人體平衡測試儀器系統(tǒng)中給予實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)基于人體重心位移(CoP) 測量方法，將系統(tǒng)硬件與軟件相結(jié)合，采用串口通訊以及QT界面設(shè)計(jì)技術(shù)，量化分析與評估測試者的平衡能力，達(dá)到可視化的效果。該系統(tǒng)主要用于人體靜態(tài)條件下平衡能力的評估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以客觀、定量、精確地評估人體的平衡能力，且能實(shí)時(shí)檢測人體重心位置，對平衡能力缺陷疾病的預(yù)防與治療都有重要意義，為人體平衡儀在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用提供了新思路，具有較好的技術(shù)應(yīng)用前景。