基于前庭觉的人体动态平衡能力测训系统研制

宋蕾蕾李世明赵万胜

（1.山东商务职业学院 山东 烟台 246000；2.中国海洋大学 山东 青岛 266100；3.鲁东大学 山东 烟台 246000）

维持身体平衡是人体一项重要的生理机能，是人们从事各种日常生活、工作的保障，平衡功能有障碍必然会影响到人们的日常生活、工作以及降低生活质量，因此能够科学、准确并且客观的测评人体的动态平衡能力具有极其重要的临床实践意义。

近年来，国外的一些研究指出，拥有较好平衡能力的运动员或者大学生，在他们平时比赛或者运动中发生运动损伤的机率较低，这说明平衡能力的提高，确实有助于人体在运动过程中较好的控制身体，以降低伤害的发生率。

基于此，我们提出了人体动态平衡能力测训系统的研制思路，根据人体前庭器官的适宜刺激方式，利用机电一体化技术可实现测试所需的水平直线加减速、水平转动加减速以及二者组合的测试环境，既可以测评人体动态平衡功能，又可以在该环境下进行训练以提高人体动态平衡能力，对于提高运动员动态平衡能力具有很大的实践意义。

1、人体动态平衡能力测试系统的研制

1.1、测训系统研制的生理基础

一般认为，影响平衡功能的3大感觉系统为视觉、本体感觉以及前庭觉，其中，前庭觉是由前庭器官来完成的，由内耳迷路中椭圆囊、球囊和三个半规管构成，是专门的位觉与平衡器官，对保持人体平衡起着极为重要的作用。

提高人体前庭器官耐受刺激的阈值，就需要将人体置于一种直线或旋转加减速（而不是匀速）的状态下进行适应性训练，在这种状态下对人体的动态平衡功能进行测评也会更加有效、准确，也会更好地引导对动态平衡能力的训练。

1.2、测训系统的总体构成

人体动态平衡能力测试系统主要由机械部分、电路部分、软件部分组成，其中机械部分主要包括压心监测装置、变速移动装置、变速转动装置。变速转动装置安装在变速移动装置上，可随变速移动装置一起运动。压心监测装置安装在变速转动装置的测试台转动底座上，可随变速转动装置一起转动。系统轴测图如图1所示。

图1 人体动态平衡能力测试系统轴测图

1.3、测训系统的机械构成

机械部分主要包括：变速移动装置和变速转动装置，用于实现变速水平直线移动、变速水平转动以及直线和转动的合成运动，为人体动态平衡能力测试提供水平直线加减速、水平转动加减速以及二者组合的多维动态测试环境。

1.4、测训系统的可靠性检验

仪器可靠性检测：选取8名大学生（男、女各4人）进行三次测验，由于平衡受影响因素颇多，故而选取其中两次稳定状态来分析。避免多次重复实验引起受试者抵触的情绪反应。由于实验是通过5种运动状态来完成，因此通过5个状态分别来进行系统可靠性分析，结果显示，两种视觉条件下、5种运动形式下测试参数首次和重测的相关系数均达到了非常显著性水平。说明了该设备测试系统的实验数据是很可信的，前后两次测试的数据能够保持一致性，具有较高的稳定性和可靠性，可以用于各种组合状态的人体平衡动态测试。

2、人体动态平衡能力测试实验研究

2.1、测试对象

随机选取60名（男生30名，女生30名）在校学生作为本次实验的研究对象。参与测试的学生均是自愿参加实验，并没有受过任何平衡能力训练。受试者均身体健康，无躯干和肢体上的损伤。测试前2h没有参与任何体育活动。

2.2、测试系统

人体动态平衡能力测试数据采集主要由气泵输压系统、测力台数据采集系统、动态平衡仪操控系统完成。通过控制软件运行状态，气泵输压推动仪器完成测试，数据由测力台数据采集系统提出、分析。实验现场示意图如图2所示：

图2 实验现场示意图

动态平衡测试仪是平动、转动、平动+转动相结合的系统装置，测力台安装在仪器中心位置。动态平衡仪的动作都是在气泵的强气压下通过控制开关控制完成所需的动作。整套装备是通过气压的压力带动，开关控制来完成实验的多个动态变化测试。

2.3、测试方法

实验通过五个测试动静状态来完成，每个动静态都包含睁眼、闭眼两种状态来进行实验。

实验一：静态平衡；

图3 受试者受试区域图

实验二：左右平动；

实验三：前后平动；

实验四：转动；

实验五：平动+转动。

2.4、测试结果

（1）基于两项平衡指标的双因素方差分析。

通过完成五项测试，利用总轨迹长、外周面积2项平衡评价指标来分析动静态、睁闭眼两因素对人体平衡能力的影响程度。表1可以看出，动静态的显著性P=0.000＜0.01，这说明动态、静态的不同，以及各个动作状态的不同对自身平衡的影响都非常显著；睁闭眼的显著性P=0.000＜0.01，说明睁闭眼两种不同的状态对平衡的影响非常显著；动静态、睁闭眼两种因素相结合的显著性P=0.000＜0.01，说明动静态*睁闭眼的交互作用对平衡的影响也非常显著。

表1 总轨迹长指标下双因素方差分析

（2）基于两项平衡指标的动静态多重比较。

动静态有5个动作状态，对5种动作状态之间的相互比较例表2所示。

表2 总轨迹长指标的动静态多重比较

通过表2可以看出，两项指标均显示平动+转动状态下的测试总轨迹长变化最大。其中平动+转动状态和静止、转动、左右平动、前后平动四个状态作比较P＜0.01均具有非常显著性差异；前后平动状态和左右平动、转动、静止、平动+转动四个状态作比较P＜0.01均具有非常显著性差异；左右平动状态同静止、转动、前后平动、平动+转动四个状态P＜0.01均具有显著性差异；转动状态同平动+转动、前后平动、左右平动三个状态相比较具有显著性差异，但同静止状态相比P＞0.05不具有显著性差异。

（3）基于两项平衡指标的睁闭眼平衡能力比较。

通过实验分析静止、左右平动、前后平动、转动、平动+转动状态在两种视觉状态下的比较。平动+转动是3项测试中动作最为复杂的一项，因此，选取该状态的测试数据为例，在这项测试中，视觉变化是否会影响平衡指标的变化，具体分析如表3所示。

表3 平动+转动测试睁闭眼平衡能力比较

完成了平动+转动测试，通过数据分析可以看出，视觉的变化对测试数据的影响是非常明显的，说明视觉变化的确会对平衡能力产生非常显著的影响。

2.5、讨论

不同运动状态，人体自身维持平衡能力表现不同，动作越复杂，人体维持平衡越艰难，身体重心稳定性越差。通过数据可以看出，在变速运动中，存在位移变化的运动越不容易维持身体平衡。原因是自身的生理因素，当人体处于变速直线或变速旋转运动时，内淋巴由于惯性作用，其流动方向和速度发生变化，引起毛细胞兴奋，经前庭末梢传至本体感觉器，反射性的引起肌张力的变化，来维持身体的平衡。同时设想是否长期训练可以使人体动态平衡能力得到提升。

在无训练的前提下，通过睁眼、闭眼两个状态分析数据，发现人体在静止状态下睁闭眼自身维持平衡能力差异不大，但在运动中睁闭眼有非常显著性差异，睁眼状态要比闭眼状态维持平衡能力强。原因是影响平衡功能的3大感觉系统为视觉、本体感觉以及前庭觉，在本体感觉和前庭觉无变化的情况下，视觉可以影响人体平衡，通过感知四周的空间位置来控制身体。同样设想经过训练，是否会提高闭眼情况下人体维持平衡能力。

3、人体动态平衡能力训练实验研究

3.1、训练对象

选取8名在校大学生参与人体动态平衡训练，参训者均身体健康，无任何肢体缺陷或疾病。

3.2、训练方案

为了提高人体处在多种运动状态时自身调控稳定身体姿势的能力，选取左右平动、前后平动、平动+转动三种状态训练为主,分别包含睁、闭眼两种情况。训练周期2周，每周3次。

3.3、训练要求

为了避免训练过程中，存在其他因素影响训练结果。训练开始前要求训练者在为期15天的训练计划安排中，不参加任何形式的体育运动、平衡练习等。保证训练后训练者平衡成绩的变化均受此次训练影响。

3.4、训练结果

（1）基于睁眼状态训练前后平衡能力的比较。

不同状态睁眼测试训练前后数据如表4所示，数据显示训练后除了转动测试没有显著差异，在其他平动状态下总轨迹长、外周面积指标均显示有非常显著性差异，训练后重心波动明显降低。虽然没有进行专门的静止练习，但训练同样提高了人体静止状态身体维持平衡的能力，总轨迹长指标也出现显著性差异。

表4 睁眼状态测试训练前和训练后平衡能力比较

（2）基于闭眼状态训练前后平衡能力的比较。

不同运动状态闭眼测试训练前后数据如表5所示，同样没有进行专门的静止、转动两项状态的训练，训练后的数据显示，静止状态下总轨迹长、外周面积均显示在P＜0.05基础上有显著性差异，说明训练可以提高静止闭眼状态下的平衡能力。在其他平动状态下的变速训练后数据显示，训练前后在p＜0.01的基础上有极其显著的差异，说明训练可以有效提高闭眼状态下人体动态平衡能力。

3.5、讨论

训练前后实验数据比对，说明一定时间的训练对提高人体自身平衡能力有很大的帮助。训练前后数据有非常显著性差异，且平衡性明显提高。虽然没有加入静止和转动状态的训练练习，但通过其他三项训练后在这两项的数据同样显示也有显著性差异，说明训练动态平衡的同时也会增强自身静止状态时人体保持身体平衡的能力。原因是通过训练前庭器官的不同部位接收到不同的适宜刺激，产生条件反射适应了刺激，进而更及时的调控身体平衡。

训练前后五项平衡评价指标均有明显的变化，尤其是在左右平动、前后平动、平动+转动三个测试中，指标总轨迹长、单位时间轨迹长在p＜0.01基础上有非常显著性的差异，同时这两个指标也是体现人体本体感觉系统功能指标，也说明人体本体感觉较训练前有了非常显著的差异，能力大大提高，证明了动态平衡的训练确实可以提高人体在非静止状态时为维持身体姿势保持平衡的能力。

4、结论与建议

（1）人体动态平衡能力测训系统参照生理学基础，结合人体前庭系统在感知人体加减速的基础上调控身体平衡为依据，通过可靠性检验，证实测训系统可以用于各种组合状态的人体平衡动态测试和训练；

（2）测训系统选取在校大学生为实验对象，数据表明不同运动状态人体维持平衡能力不同。动静态和睁闭眼均是引起平衡评价指标变化的关键因素；

（3）通过训练实验，结果显示训练前后数据有非常显著性差异，训练后自身维持平衡能力显著提高，说明人体动态平衡能力测训系统可用于平衡训练。