老年人的身体平衡能力与“外部干扰适应理论”

渡部和彦，王 芸

老年人的身体平衡能力与“外部干扰适应理论”

渡部和彦1，王 芸2

保持与提高老年人健康及运动能力是现代体育学中的重要研究课题。老年人的体力和运动能力随着年龄的增加而降低，其中身体平衡能力的下降尤为显著。与20岁时相比，70岁时的平衡能力下降率达到了70%～80%。着眼于提高身体平衡能力和步行机能的同时，避免老年人跌倒的运动指导原理，提出了“外部干扰-身体平衡适应理论”。当人体站立突然受到外部干扰时(如水平方向的位移)，拮抗肌群出现同时收缩(Co-contraction)现象，关节被一时性固定，使迈步动作(Step-strategy)受到限制，从而产生了跌倒的危险。在这种情况下，为了防止跌倒的发生，迅速地将肌肉收缩形式转换为相反收缩(Reciprocal-contraction)是非常重要的。因此，为了提高身体平衡能力和避免跌倒，介绍了一种特殊的训练装置——“人体移动装置”。作为“自我不稳定干扰”的应用，还涉及了多种步行运动和太极拳等训练方法及其效果。

老年人;平衡能力;外部干扰适应理论

1 前言

老年人步行机能研究的重要性在于保障老年人的生活质量，也就是说，与QOL(quality of life) 直接相关。步行运动作为人体的基本移动手段，是日常生活中构成“生活体力”的最重要的运动能力。由于步行运动本身具有维持和提高人体循环、呼吸系统机能的作用，因此，在世界各国，“Walking(步行运动)”[11,15]正在不断地普及。步行运动作为有氧运动，具有防止肥胖和纠正各种“生活习惯病”的运动效果。近年来，包括中青年人在内，步行运动已被看作是一项可以促进身体健康的 “运动项目”。

对于步行运动，研究人员不仅探求其运动机制，也关注如何有效地提高步行机能，特别是对老年人步行运动的研究，预防跌倒是非常重要的研究课题。发生于步行运动中的跌倒现象，多数是由于外界环境引发的绊脚、滑脚所致。跌倒会给老年人带来严重后果，即因跌倒所致的骨折、运动障碍造成老年人卧床不起的事例非常多。

现阶段，对步行动作的研究已从生物力学的摄影解析(运动学分析)、地面反作用力解析(动力学分析)以及生理学的肌电图(EMG)分析等研究中获得了大量的详细资料。本文以这些研究成果为基础，阐述其在提高步行运动安全性的应用。另外，本文也以老年人身体平衡能力和步行机能的研究为基础，阐述防止步行运动中跌倒现象发生的有关指导·训练方法的原理。

2 老年人的体力·运动机能

随着年龄的增加，老年人的各种生理机能、体力·运动机能降低。体力的下降倾向，表现在体力各个要素上也不尽相同。

图1显示，体力各要素随年龄的增加而发生变化的情况[10]。图中的横轴表示时间，纵轴表示当以20岁时的体力各个要素为标准值(100%)时不同年龄阶段的体力要素的相对值。可以看到，肌肉力量(握力、下肢肌力)、灵敏性(往返侧滑跳、全身反应时间)、爆发力(原地纵跳)、耐力(最大耗氧量)、柔韧性(立位体前屈)、协调性(投球)、平衡能力(闭眼单脚站立)等体力要素都随年龄的增加而降低。特别需要注意的是，握力的下降率最少，与20岁时的握力相比，70岁时的握力仅下降了20%～30%；而对于反映身体平衡能力的闭眼单脚站立，其下降率却达到了70%～80%。

图 1 体力各要素随年龄的增加而发生变化示意图

鉴于老年人的身体平衡机能的特征，为了确保安全，防止跌倒，步行运动时的动作速度适中和注意力集中是很重要的事项，维持和提高身体平衡机能也同样很重要。

3 站立姿势的定义：“动的姿势”、“静的姿势”及其评价

站立姿势，是人体多种姿势中最为基本的姿势。猪饲道夫[21]认为，好的姿势应在力学上达到平衡，与保持姿势不相关的肌肉没有紧张收缩，而且，好的姿势还可以马上转化为下一个动作。

在老年人的静止站立姿势中，常会出现脊柱胸部后弯或腰部前曲等老年人特有的姿势特征。从力学角度看，好的站立姿势具有不易疲劳的优点和相应的机能性。与成年人相比，老年人的静止站立姿势晃动大[2]。对姿势晃动的测定一般采用测力板测量压力中心点(center of pressure)的移动量(如移动面积，移动距离)。老年人在静止站立姿势时身体动摇大，表明其姿势维持平衡机能低下。

本文从身体平衡控制的角度将站立姿势分为静姿势、静的姿势、动的姿势、动姿势4类。人体在静止站立姿势时，由于“姿势动摇(postural sway)”身体会不停地晃动，看上去是静止状态的站立，其实并不是完全地静止。本文将这种状态定义为“静的姿势”，而完全的静止姿势被称为“静姿势”。也就是说，像雕塑那样，这样的状态在人体上不可能存在。

为了防止跌倒，人体可以采取几种不同的姿势维持策略。在身体背后突然被推时或站立支持面突然发生水平方向移动时的姿势维持策略，可以根据外界刺激的强弱而发生改变。具体地讲，姿势维持策略分为踝关节策略(ankle strategy)、膝关节策略(knee strategy)、髋关节策略(hip strategy)和迈步策略(step strategy)。在移动刺激较弱的情况下，只依靠踝关节就可以调整身体平衡，这就是所谓的踝关节策略；在刺激较强时，依靠膝关节和髋关节的调节可以保持姿势平衡；对于更强的刺激，可以通过移动脚的位置来扩大站立支持面以防止跌倒。这样靠足部位置的移动，是扩大站立支持面的特别对应策略，本文将这一姿势维持状态定义为“动姿势”。与此相对，不移动站立脚的位置，而只依靠躯干部或上、下肢的姿势调整被定义为“动的姿势”。对于“动姿势”，迈出步的速度及迈步方向的准确性是评价防止跌倒的重要指标。

4 从生物力学的角度看跌倒的危险性

跌倒现象与外部环境条件、体力·运动机能以及心理状态等多种因素有关。不过，从生物力学的角度却可以将跌倒现象简单化。人体在重力的作用下维持站立姿势主要有两个因素，即身体重心位置及其“支持面”。支持面也就是人体站立时由足部所形成的站立面积。静止站立姿势下，由于生理上的“身体动摇”，人体一直处于不稳定的状态。但是，只要身体重心位置处于足部的支持面内，人体就不会跌倒。

站立支持面的大小是可以改变的，单脚站立时的支持面就要比双脚站立时狭小。芭蕾舞演员之所以可以演绎出脚尖站立的优雅舞姿，就是因为其身体重心位置投射到了仅有的站立支持面上以保持身体平衡而不会跌倒。

步行运动是“单脚支撑期”和“ 双脚支撑期”相互交错的移动运动。步行时，身体的重心位置和其支持面是相互变动的。步行中，当身体的重心位置在支持面的垂直线上移动时称为“支撑相中期”，其后，身体重心位置从脚的前部脱离，即支持脚从地面离开成为摆动脚，脱离后的身体重心马上转移到对侧脚的支持面上，以保证身体不发生跌倒而继续步行运动。

像这样步行运动一直是在不稳定条件下进行的，跌倒的危险也总是存在的。当由于某种原因造成对侧脚的支持面的移动受到限制时，就不能确保从支持面脱离的身体重心的稳定，从而造成跌倒。

5 外部干扰时的应对与中枢神经支配

对站立姿势下受到外部干扰时姿势控制的研究，有助于了解跌倒的发生机制。猪饲道夫[21]摄影观察了当站立支持面突然向下方倾斜30°与向前方水平移动3 cm时的姿势调节变化。在此实验的基础上，渡部和彦等[21]研制开发了“人体移动装置”，提高了水平移动的实验条件的精度。Woolacott等[9]利用同样的装置，进行了系统详细的实验研究。上述研究通过施予受试者水平移动的外部刺激来观察人体的姿势控制能力。外部干扰，是指对稳定的姿势有意图地施予干扰条件，并以此达到在稳定条件下观察不到的人体姿势控制能力。对于水平移动、外部干扰条件的选择，除了考虑到步行及其他体育运动(如滑雪项目)中常见的跌倒问题，在水平移动干扰条件下的研究还能更好地了解到人体基本的姿势控制机能。

图2是日本最早记录下的当站立时受到水平方向外部干扰(向前移动)刺激时的肌电及关节角度的变化[13]。图2中的记录方向为从左到右，时间单位为ms。图2(a)表示的是足关节角度(上线)和胫骨前肌的肌电变化(下线)，图2(b)表示的是胫骨前肌的肌电和膝关节角度变化。外部干扰的水平移动速度为50 cm/s， 移动距离为10 cm。与移动台的水平位移发生的几乎同一时间，表示足关节角度的曲线向下推移，提示了足关节的伸展动作，其后，当移动台停止的同时足关节屈曲。图2(b)中，在移动台的位移稍后，膝关节有延迟的伸展动作，而后随移动台位移的停止出现突然的屈曲动作。移动台开始位移后，胫骨前肌的放电潜伏期约为60 ms。这一潜伏时间表明胫骨前肌的放电为反射性放电(通常随意反应的潜伏期为100 ms以上)。

当站立姿势受到突然向前方移动的刺激时，身体重心位置移向后方，同时，足关节发生伸展动作，作为补偿性姿势调节机能的“牵张反射(stretch reflex)”发生作用。水平移动的外部干扰对身体各部位肌肉活动影响的研究发现，当台的水平移动发生时，按照踝关节、膝关节、髋关节和颈部关节的顺序，越是位于身体上方的关节角度，其角度变化的发生开始时间就越迟。

图 2 水平方向外部干扰(向前移动)刺激时的肌电及关节角度的变化示意图

图3记录了胫骨前肌、腓肠肌、股直肌、股二头肌、腹直肌、竖脊肌、胸锁乳突肌、头板状肌及肱二头肌等肌肉的肌电活动。肌电活动的潜伏时间均为70～90 ms，与关节角度的变化不同，这些肌肉几乎是同时兴奋。也就是说，受到移动台的水平位移的刺激，在足关节伸展的同时，胫骨前肌发生牵张反射。这些作为源发刺激，诱发了脊髓各个分节的兴奋。这里需要特别注意的，是拮抗肌群的同时兴奋的出现。Melvill Jones等[3]在垂直下落的实验中也观察到了拮抗肌群的同时兴奋，认为这是在遇到突然的姿势干扰时的补偿性控制调节作用。

图 3 肌电活动的潜伏时间与关节角度发生变化的时间示意图

最近，在康复医学领域，外部干扰刺激条件下发生的拮抗肌群同时收缩现象受到了关注。由于肌肉群同时收缩造成关节被固定，致使对外部干扰的姿势应对策略——“动姿势”不能得到发挥，从而引发跌倒的可能。

5.1 外部干扰-身体平衡适应理论

提高身体平衡机能的训练方法，是“外部干扰-身体平衡适应理论”的一个应用。这一训练方法也是为了防止跌倒的运动训练方法。从事运动时，身体的平衡机能很重要。身体的平衡器官是从各种感觉器官获得信息，经大脑统合作用通过调整运动输出而发挥作用。对身体平衡机能的训练，要基于一定的原理制定有效的训练计划。

为了提高身体的平衡机能，可以通过在不稳定条件下的适应性学习来完成。在其适应过程中，需要有反射性控制、反应性控制、预测性控制3个适应过程(外部干扰-身体平衡适应理论；渡部和彦，2013)。

图 4 水平方向移动刺激时胫骨前肌的肌电活动和下肢关节角度的变化示意图

不稳定条件可以通过故意破坏身体平衡而获得。一般将由外部因素造成的不稳定条件称为“外部干扰”。外部干扰有训练中有意图性实施的情况，也有无意图产生的外部干扰。本文主要介绍站立姿势时和步行运动中的外部干扰。在其他的体育运动项目中，如在滑雪、体操的平衡木及柔道等项目中，也有同样意义上的外部干扰。

站立时的姿势平衡。由外部干扰引起的姿势平衡的破坏(跌倒)，可以通过适当的应对而避免发生。当外部干扰的刺激强度弱时，可以通过足关节策略(ankle strategy)避免跌倒。当刺激的强度大到足以使人体发生跌倒时，就需要采用其他的姿势策略。图4为应对水平方向移动刺激时的髋关节策略(Hip strategy)，受试者为6岁的女孩，肌电图记录的是胫骨前肌的肌电活动，通过关节角度计记录下了足关节、膝关节及髋关节的变化。图5为同一受试者在相同实验条件下接受数次水平方向移动刺激后的实验结果。可以发现，随着刺激次数的增加，肌肉放电量和关节角度变化量减小，表明了人体对移动刺激的适应过程。

图 5 数次水平方向移动刺激后胫骨前肌的肌电活动和下肢关节角度的适应性变化示意图

图6为成年受试者的实验结果。受试者站在可以移动的支持面上，在不被告知移动方向(向前或向后)的实验情况下，关节角度的变化量增大。这里需要注意的，是实验蜂鸣器的声音造成关节角度变化量减小的现象。这说明，在重复接受外部干扰刺激时，由蜂鸣器声音引起的“预测性控制”显著地改善了身体的平衡机能。

图 6 在不被告知移动方向的实验条件下蜂鸣器的声音使关节角度的变化量减小示意图

综上，虽然包括牵张反射在内，反射是不受大脑皮质控制的不随意运动，但却对重复外部刺激具有适应性学习效果。此外，这一实验也证明了适当的信号刺激对学习效果的有效性。

在实验室中，可以提供各种不同的外部干扰条件。对于特定的体育运动项目，应有针对性地设置外部干扰条件进行训练，其中，将受试者本人自身造成的外部干扰条件定义为“自我不稳定干扰”。步行运动就是一种具有“自我不稳定干扰”性质的运动项目。根据参加者个人的身体机能状况，体育运动项目的特点，可以设定“自我不稳定干扰”的训练内容及干扰条件。

5.2 外部干扰时的姿势控制与中枢神经系统的支配

Nashner等[4,5]对保持直立站立姿势的受试者在遇到外部干扰时的身体反应样式和适应过程进行了研究。他们发现，当对受试者加以水平方向的干扰刺激时，其姿势肌肌群的肌电活动有减少的倾向，因而，认为这一现象与中枢神经系统对感觉末梢传入信息的感度调节有关。王芸等[7]的研究表明，在外部干扰条件下维持身体的姿势平衡，预测性姿势控制起着重要的作用。他们比较了在平稳和不稳定两种支持面上站立时受试者伸直双臂用力推动身体前方重物时的足底压力中心及12块姿势肌的肌电变化(图7)。研究发现，受试者的姿势肌肌群在这两种实验条件下都存在肌群间的协调收缩。浅贺忠义等[1]以成年人为实验受试者观察了在外部干扰条件下的训练效果，实验要求受试者站在不稳定支持面上，在体前迅速放开重物，随着放开重物，参与固定下肢关节的肌肉群出现了一时性拮抗肌群的同时收缩现象。这一同时收缩现象虽然是一时性的，但是从关节被固定的角度来看，使人体对外部干扰的应对能力降低。对于外部干扰的适当应对，需要拮抗肌群间的相反收缩。实验结果表明，通过5天的连续训练，肌肉群间的收缩方式发生了从同时收缩方式到相反收缩方式的转变。这一结果说明了因肌肉群间的同时收缩而被固定的关节可以通过有效的训练得以改善。

图 7 受试者站立在不稳定支持面上伸直双臂用力推动身体前方重物示意图

对于老年人的“动姿势”，王芸等[8]研究了从静止站立姿势开始向前方迈出一步时的肌肉收缩特征。受试者为8名健康成年人和8名健康老年人，肌电图记录了下肢及躯干部等10处姿势肌的肌电活动；实验中有4个条件：1)连续前后方向身体摆动动作；2)受试者自定速度向前方迈出一步；3)受试者以自身尽可能快的速度向前方迈出一步；4)在光反应时条件下，向前方迈出一步。与成年人相比，老年人主要有以下特征：在随意身体前后摆动时，老年人的肌放电量更多，肌肉出现同时收缩(Co-contraction)的频度更高；在向前方迈出一步时，虽然老年人的肌肉群中也观察到了协调作用，但是反映预测性姿势控制能力的协调系数较低，在迈步脚离地前，老年人的协调系数发生降低的时间迟于年轻人100 ms，说明老年人的姿势调整控制能力低。

以上的研究结果表明，在外部干扰下尽可能快地将肌肉从同时收缩中解放出来是防止跌倒的关键。

6 防止跌倒的训练方法

如前所述，造成跌倒的原因很复杂。老年人不仅肌肉力量和全身持久力下降，身体的平衡能力下降得尤其显著。因此，防止老年人跌倒的训练目的在于提高其身体平衡机能。

6.1 器械训练方法

在利用器械进行训练时，不仅需要考虑到参加者的体力与运动能力，还要考虑到训练的安全性。应该明确训练目的，制定相应的训练内容。训练内容的制定建议以“外部干扰-身体平衡适应理论”为基本原理。例如，利用“人体移动装置”可以对参加者进行水平方向上的身体平衡机能训练：通过改变移动台的移动距离和速度来调整外部干扰的强度；通过向参加者提示移动台的移动方向和发生移动的时间，进行预测性姿势控制的训练。这样的训练对于动姿势的提高是非常有效的。老年人、年轻人及运动员，均可以根据各自的训练目的而改变外部干扰的内容。

作为简单的站立平衡训练器，利用跷跷板作用原理的平衡板也可进行相应的训练。作为动姿势的训练器械，专业运动员也经常使用。今后，希望能够开发出更多的性能好的训练器械。

6.2 不使用器械的训练方法

“单脚站立”是值得向老年人推荐的最简单的训练方法。单脚站立也是评价身体平衡机能的测试项目之一。具体的单脚站立训练方法是用手扶着固定支持物保持身体姿势平衡，抬起一只脚，然后，将手离开支持物10 s或30 s。当习惯了这一动作后，可以进行闭眼单脚站立的训练。对于老年人，闭眼单脚站立是很困难的，不过，可以将非支撑脚轻轻地靠着地面来保持身体平衡。在进行这一训练时，必须有辅助人员参与训练以保证安全。

步行运动不仅是提高身体平衡能力的重要方法，而且，也可以增强人体的步行能力。对9名老年妇女(73～95岁)的研究发现，通过“最大速度走”、“迈大步走”及“大幅度摆臂走”等步行训练，受试者的步行能力得到了改善[19]。渡部和彦和宫川健[14]对跨越不同高度障碍物时老年人和成年人的动作进行了分析比较，发现老年人躯干部的前后晃动显著大于成年人。引起老年人绊脚的主要原因——足关节背曲角度减少现象，也在跨越障碍物时明显增加。以上这两点值得在步行运动指导时予以特别注意。

金昌龙[18]对太极拳训练年数与身体平衡机能的关系进行了研究。接受测试者的年龄在40～70岁之间，其中，初学对照组59名、训练实验组53名。初学对照组参加太极拳练习不满3年，不能完成24式太极拳；训练实验组则具有练习太极拳3年以上的经验。动态姿势平衡测试仪(EquiTest)的评价结果表明，两组在安静站立时没有差异，而在外部干扰的实验条件下，即移动台水平移动和上下倾斜时，训练实验组的身体平衡能力显著高于对照组；在动作反应时上，训练实验组也优于对照组。这一结果说明，24式太极拳中30%的单脚站立支撑动作及相对缓慢的拳式可以提高身体的平衡能力。渡部和彦[15]认为，参与调节肌纺锤体感度的γ神经支配与太极拳对中枢神经系统的作用有着重要的关系。α-γ神经通路与身体姿势调节有紧密的关系，像太极拳这样缓慢的动作有助于这一神经通路的形成。

老年人身体平衡能力随年龄增长而降低，这种自然规律在“外部干扰-身体平衡适应理论”指导的各种运动训练方法下，可以延缓和提高身体平衡机能，保障老年人的生活质量。

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TheCharacteristicofUprightBalanceinElderlyandMethodologyoftheCoaching:Backgroundof“Disturbanceandadaptationtheory”

WATANABE Kazuhiko1,WANG Yun2

The research for improving the health and motor control in elderly people is one of the mostly encouraged matters in the society today.Balance control abilities in the elderly decrease very quickly to 20%～30% at about the 70 years of age,compared with the 20s among all of the items in physical fitness test.“Disturbance-Balance Adaptation Theory”was introduced for improving balance control,walking performance and also protecting from falling.In a case of sudden and unexpected ‘disturbance (cf.:horizontal shift)’ is given to the upright standing,the joints will be fixed tentatively by the ‘Co-contraction’ of the antagonists.The risk of falls will increase due to hardly use ‘step strategy’.Changing postural control manner to the ‘Reciprocal-contraction’ quickly is need for protecting from falling.Based on our studies,a special device named as ‘human shift board apparatus’ was introduced for balance training and also for protection from falling.Training effects of balance control by walking program and Taichi were introduced as examples of “self-disturbance”.

elderly;balancecontrol;Disturbance-BalanceAdaptationTheory

1000-677X(2014)02-0054-06

2013-12-18；

：2014-01-13

国家自然科学基金资助项目(31371207)。

渡部和彦(1944-)，男，日本北海道人，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为运动生物力学，E-mail:kazuwp@hiroshima-u.ac.jp；王芸(1970-)，女，天津人，研究员，博士，硕士研究生导师，主要研究方向为运动控制的神经生理学机理，E-mail:yunwang70@hotmail.com。

1.体育健康科学研究所，东广岛 日本739-0045；2.天津体育学院 运动生理与运动医学重点实验室，天津 300381 1.Institute of Sports and Health Science,Higashi-Hiroshima 739-0045,Japan；2.Tianjin Key Lab of Exercise Physiology and Sports Medicine,Tianjin University of Sport,Tianjin 300381,China.

G804.64

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