程　珊，胡文东，张利利

视觉反馈姿势调节能力检测系统的设计与应用

程珊，胡文东，张利利

目的：设计一套基于视觉反馈的姿势调节能力检测程序，并探讨其应用效果。方法：首先，利用压力传感器，将双足脚掌与脚跟的压力变化转变为身体重心晃动的变化轨迹；然后，在软件测试程序中，增加了不同方位的目标点，以便被试者有目的地控制身体重心向目标点移动；最后，利用背部负重的方法考察此系统是否能够达到预期的应用效果。结果：从程序设计上初步实现了姿势调节能力检测程序的编制。20%的背部负重对机体调节能力的确产生了影响，且身体向后倾斜时，姿势调节能力下降显著。结论：新研发的视觉反馈姿势调节能力检测程序为立位平衡功能的检测提供了一种新的方法与思路。

视觉反馈；姿势调节；背部负重

0　引言

健康人的姿势控制主要由视觉、本体感觉与前庭感觉等反馈信息来维持[1-2]。以往研究表明，立位平衡功能的研究与应用常集中于运动医学[3]与临床医学[4]方面，但目前已扩展到其他领域，如睡眠剥夺[5]、驾驶疲劳[1]等多个方面。立位平衡测试方法总体分为静态和动态2种，其中，静态立位平衡功能测试方法（静态姿势图）由于其技术实现较简单，是比较常用的方法。利用此种方法，被试者无需做任何动作，只需安静地站立于安装有压力传感器的平台上，计算机系统便可以根据双脚各部分压力的变化描绘出整个身体压力中心（center of presure，COP）的晃动轨迹，从而可以计算出一系列参数[6]，如质心轨迹面积、前后晃动距离等。而这些参数只能够粗略地反映姿势静态维持能力，而不能准确地反映人体姿势动态调节能力。动态的立位平衡功能测试方法主要靠压力平台按一定的策略运动或振动，造成被试者身体的晃动，从而要求被试者努力维持一定的站立姿势。此种方法也同样存在测量指标不精确的问题。

另外，在立位平衡测试过程中，对被试者的干预手段也多种多样，如身体负重、单腿站立、视觉干扰等。由于在本研究中是利用负重干预来评估新研发程序的应用效果，故以身体负重为例作简要的阐述。在外部负重条件下，机体通过身体角加速度的增加、肌肉作用时间与变化率的增大等来维持身体直立姿势，这就造成了机体的不稳定性增加，最终可能导致身体COP的偏离[7]。尤其在背部负重时，机体直立姿势的维持要靠身体前倾来保持质心到脚踝与膝盖矢量方向上的角度[8]；以往研究表明，负重的部位越高，对立位平衡稳定性的影响就越大[9]，而负重大小对身体稳定性影响则视情况而定。一般情况，大于身体体质量20%以上的负重才可能对平衡功能产生不利影响[10]。

因此，本研究主要从立位平衡动态测量方面入手，开发一种由人体主动进行姿势调节的系统，希望能够用来准确地反映出机体的姿势调节能力；而后，利用临界负重为体质量20%的背部负重方式考察此测试程序的应用效果。

1　程序设计

1.1设计原理

该系统包括压力传感器、计算机单元及应用软件3部分。当被试赤脚（或只穿袜子）静立于压力传感器上时，计算机系统将左右脚的脚掌与脚跟的压力变化转换为身体COP的变化情况，并进一步反映人体质心的晃动情况[11]。质心测试系统可以对被试者在32 s测试过程中的质心晃动轨迹坐标实时进行记录，每31.25 ms记录采集一个轨迹坐标，共1 024个坐标点，并存入数据库中以便后续进行分析。因此，我们的研究重点主要是在此基础上，在测试界面的不同方位上设置目标点，从而可以让被试者利用视觉信息将身体质心尽量移动到目标位点，并维持一段时间。

1.2程序设计要点

本测试程序显示部分为一正方形的界面（如图1所示），其长度为人体在正常无摔倒情况下质心前后倾斜所能达到最大位置的距离，记为1；而宽度为质心左右倾斜所能达到的最大距离，也记为1。起始位置黑色圆圈的圆心坐标为（，），半径r=0.020 080（此半径根据预实验志愿者的平均外周面积的60%所得），周围8个“十”字中心分布在以为圆心、半径的圆周上，其坐标分别为前位点、后位点、左位点、右位点（、右前位点、左后位点、左前位点、右后位点。测试过程中，要求被试者先将身体质心（黑色实心圆）移动到起始位置的黑色空心圆内，并以此为起点，被试者迅速将质心移动到周围某个位点上，使其质心与十字中心的距离越近越好，并维持至实验结束（共32 s）。

1.3评价指标的提取

本测试程序主要提取的指标有3个，即平均距离、标准偏差与调节时间。由于在维持阶段，被试者质心围绕某个位点（如上位点）微小波动，故此平均距离与标准偏差为最后8 s内（256个采集点）质心与位点间距离的平均值与标准差，分别表示姿势调节的精度与稳定性；调节时间为被试者将质心由起始位置移动到周围某个位点并保持稳定状态的时间，而稳定状态界定为从第1个与目标位点的距离小于平均距离的采集点开始计算，至采集点累积达到128个点的时间（如图2所示）。

图1　程序界面的8个位点分布模式图

图2　视觉反馈姿势调节能力检测系统评价指标提取过程示意图

2　姿势调节程序的应用效果

2.1实验对象

从某军队院校男性学员中抽取36人，随机均分为A、B 2组，基本资料见表1。要求被试者在近3个月没有出现过骨折、肌肉损伤等影响平衡功能的疾病，同时测试前2 d要求所选被试者按照学校作息制度就寝，不得服用任何影响中枢神经系统的药品或饮品，如咖啡、浓茶等。

表1　A、B 2组被试者基本信息比较

2.2实验过程

B组中的所有被试者背包负重14 kg的重物（平均体质量的20%），A组被试者则不负重。每名被试者先在4个位点（前位点、后位点、左位点、右位点）练习一次，随后进行8个位点姿势调节能力的正式测验。A、B 2组基本资料的比较利用独立样本t检验分析，所提取指标在不同位点间差异性比较利用方差分析及LSD-t检验。

2.3实验结果

在身体质心向后位点移动的过程中，负重条件对其影响较大，干扰了姿势的调节精度与稳定性。具体表现为在向后位点调节时，身体质心偏离目标位点较远，并且晃动范围较大。同样，背部负重也对身体质心在向左后位点调节时产生一定的干扰作用。另外，无论是背部负重，还是没有负重，在身体后倾状态进行姿势调节时，其姿势调节的精确程度和稳定程度都比较差。然而，无论是身体向哪个方位调节，其姿势调节至稳定状态的时间并没有差异（见表2）。

表2　负重干预对不同方位姿势调节能力的影响

3　讨论

视觉反馈姿势调节能力测试系统属于主动的动态立位平衡测试方法，为本系统区别于以往研制的立位平衡测试系统的一个重要特点。它不再是粗略地估计人体质心晃动的范围，而是能够较为准确地计算人体姿势调节的精度与稳定性。另外，本系统根据人体向不同方向倾斜时控制能力的不同，在8个不同的方位设置了目标位点，可以较为全面地检测机体不同倾斜方向上的姿势调节的精度。这样的设计不但满足了测试需要，同时也提高了被试者的测试兴趣，还可以部分解决被试者抵触测试的问题。

前文已经提到，外部负重条件下，机体会通过一系列的代偿机制来维持身体的直立姿势，这就造成了机体的不稳定性增加，最终导致身体COP的偏离[7]，而大于身体体质量20%以上的负重才对平衡功能产生不利影响[10]。本研究开发出的主动姿势调节程序能够检测出背部负重14 kg（体质量的20%）对姿势调节能力的影响，说明此程序可以对姿势调节控制能力作出判断。另外，由于踝关节面前宽后窄的特性，故在本研究中，无论背部负重与否，身体在向后倾斜的情况下都比向前倾斜时晃动程度要大些。这一点也反映出了新研发的姿势调节能力检测系统具有一定的应用效果。

综上所述，新研发的视觉反馈姿势调节能力检测程序可以较精确地反映机体在向不同方位倾斜时的调节能力，为立位平衡功能的检测提供了一种新的方法与思路。

[1]Forsman P，Pyykko I，Toppila E，et al.Feasibility of force platform based roadside drowsiness screening-a pilot study[J].Accid Anal Prev，2014，62:186-190.

[2]Ortuno-Cortes M A，Martin-Sanz E，Barona-De G R.Static posturography versus clinical tests in elderly people with vestibular pathology[J].Acta Otorrinolaringol Esp，2008，59（7）:334-340.

[3]Arliani G G，Almeida G P，Dos S C，et al. The effects of exertion on the postural stability in young soccer players[J].ActaOrtop Bras，2013，21（3）:155-158.

[4]Hoang P D，Cameron M H，Gandevia S C，etal.Neuropsychological，balance，andmobility risk factors for falls in people with multiplesclerosis:aprospectivecohort study[J].Arch Phys Med Rehabil，2014，95（3）:480-486.

[5]马如梦，马进，李津强.24 h睡眠剥夺前后平衡能力变化的初探[J].医学研究杂志，2010，39（10）:26-27.

[6]MA J，YAO Y J，MA R M，et al.Effects of sleep deprivation on human postural control，subjective fatigue assessment and psychomotor performance[J].J Int Med Res，2009，37（5）:1 311-1 320.

[7]Costello K E，Matrangola S L，Madigan M L.Independent effects of adding weight and inertia on balance during quiet standing[J]. Biomed Eng Online，2012，11:20.

[8]Caron R R，Wagenaar R C，Lewis C L，et al.Center of mass trajectory and orientation to ankle and knee in sagittal plane is maintained with forward lean when backpack load changes during treadmill walking[J].J Biomech，2013，46（1）:70-76.

[9]Rugelj D，Sevsek F.The effect of load mass and its placement on postural sway[J].Appl Ergon，2011，42（6）:860-866.

[10]Hall M，Boyer E R，Gillette J C，et al.Medial knee joint loading duringstair ambulation and walking while carrying loads[J].Gait Posture，2013，37（3）:460-462.

[11]张利利，胡文东，王涛，等.人体重心测试软件的设计与实现[J].医疗卫生装备，2012，33（4）:30，64.

（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

[中国图书资料分类号]R318；TP391.4A

1003-8868（2015）05-0017-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.017

国家自然科学基金资助项目（81202178）

专利：国家实用新型专利（ZL 201220145581.4）；国家软件著作权（2012S R034453）

程珊（1989—），男，主要研究方向为飞行人员生理心理选拔、训练与评估，E-mail:chengshan-2007@163.com。

710032西安，第四军医大学航空航天医学院医学装备教研室（程珊，胡文东，张利利）

胡文东，E-mail:doatea@fmmu.edu.cn