3～8 岁儿童站立姿势控制的干扰效应

赵盼超，田佳鑫，纪仲秋，姜桂萍，吴升扣

姿势控制是指人体遇到各种内外部干扰时，中枢神经系统有效整合感官信息（视觉、前庭觉及本体感觉），调控神经肌肉系统维持身体稳定的能力［1］134-137。它涉及复杂的神经调控过程，是人体保持体位、完成各项生命活动的基本保障。有研究者发现：学龄前期是姿势控制发展的关键期［2］，7 岁后出现与成人相似的姿势控制调节方式［3］。儿童早期的姿势控制系统未发育成熟，应对突发干扰的姿势控制能力较弱，所以容易出现跌倒事件。德国1 项流行病学研究表明：意外跌倒是造成儿童损伤和死亡的主要原因，不仅会影响未来孩子们对体育活动的态度，还会使儿童的体育活动受到限制［4-5］。

在日常生活中，人体没有绝对的静止状态，往往处于动态或干扰环境中，其中的干扰分为内部干扰和外部干扰。内部干扰指的是自身肢体产生的力量和加速度对身体稳定性的影响，身体各个节段的自主活动都可以被看作为内部干扰［6］。外部干扰指的是外部因素对人体姿势稳定性的影响，例如在人体的关节或区域上施加一个推或拉的外力、突然移动支撑平面、不稳定的运动环境等［7］。目前，内部干扰对姿势控制的影响研究主要针对特殊儿童，因为内部干扰往往涉及日常生活中常见的功能性活动，这些活动的完成水平直接影响他们的生活质量。外部干扰对姿势控制的影响主要集中在预期性姿势调节方面，并与某些神经调控疾病相关，有关研究者将不同的干扰范式进行对比研究，受试者年龄主要集中在成年人群。国内外对儿童姿势控制的干扰研究还不够深入和全面，而干扰研究在儿童早期阶段十分必要。儿童早期的姿势控制干扰效应特征和年龄特征有待进一步明确。因此，本文采用内外部干扰范式，设置不同的感官信息条件，系统地探究了3～8 岁儿童在不同干扰条件下的姿势控制特征和年龄特征，旨在完善儿童早期姿势控制干扰研究的理论内容。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

实验在华北某市的公立幼儿园和小学中进行，采用随机抽样方法，抽取3～8 岁儿童200 人。纳入标准：1）年龄为3～8 岁；2）认知功能正常，具有良好的理解能力；3）运动能力正常；4）监护人自愿签署知情同意书。

排除标准：1）有身体发育障碍疾病和骨骼肌肉协调性疾病的儿童；2）有认知功能障碍疾病的儿童；3）不能配合完成研究所需动作的儿童。

实验前召开家长会，向家长和班主任详细讲解实验目的及流程，儿童自愿加入，监护人签署知情同意书。实验已通过北京师范大学伦理委员会的审批（No.201910210061）。最终得到182 人的数据，受试者基本情况见表1。

表1 受试者基本情况

1.2 测试方法

1.2.1 测试工具

使用三维测力台（KISTLER 公司，瑞士，型号：928 6AA）采集动力学数据，采集频率为1 000 Hz。采用BTS表面肌电测试系统（BTS FREE EMG 300）采集肌电数据，采集频率为1 000 Hz。使用红外动作捕捉系统（SMART DX 700,BTS Bioengineering 公司，意大利）采集运动学数据，采样频率为100 Hz，选取Davis 模型进行Marker 点的粘贴，具体位置见表2。

表2 Davis 模型粘贴位置

1.2.2 测试方案

采用内部干扰范式（快速举臂范式）和外部干扰范式（落球试验）进行测试。本文借鉴临床感官相互测试（CTSIB）的原理［8］，在2 种干扰范式下，分别进行4种感官测试。CTSIB1 为睁眼站立的基线测试；CTSIB2为闭眼站立测试；CTSIB3 为睁眼振动测试，采用踝关节振动装置作为干扰条件，振动装置的尺寸为（3.5×5.5）cm2，频率为350 Hz，如图1 所示；CTSIB4 为闭眼振动测试。

图1 踝关节振动装置

每种感官条件下做3 次测试，选取实验数据捕捉完整的最佳一次测试结果进行处理与分析，具体干扰范式测试如下。

1）内部干扰范式：以快速举臂测试进行内部干扰的研究，受试者站立到测力台的中心，双臂自然下垂，放于身体两侧，以最快的速度完成手臂前举任务，手臂前举高度为与肩膀等高。以三角肌中束激活时间确定姿势干扰的起始点，受试者静止直立站立时，选取肌肉静息态时100 ms 的积分肌电值作为基线值，当计算到肌肉在某一点连续50 ms 内平均反应强度大于基线平均值2 个基线标准差时，则该点作为突发姿势干扰的起始点（T0）［9］。

2）外部干扰范式：以落球试验范式模拟外部干扰，受试者站到测力台的中心位置，双手握住一个金属托盘，要求受试者的大臂与地面垂直，小臂与大臂呈90°夹角，测试人员将重量为0.4 kg 的沙包从受试者视线水平位置释放，使其落入托盘。在受试者腕关节粘贴一个Marker 点，用来记录外部干扰发生的起始时间，受试者静止直立站立时，选取Marker 点100 ms 内线速度平均值作为基线值，当线速度在某一点连续50 ms 内的值大于基线平均值2 个基线标准差，则该点作为突发姿势干扰的起始点（T0）［9］。

1.2.3 数据处理

姿势控制数据处理：本研究使用“BTS Bio Sway”软件对动力学数据（COP）进行处理。选取的参数包括：COP 在左右方向（Rx）和前后方向（Ry）的位移、路径总长度（TL）、移动速度（S）、等效面积（EA）、等效半径（ER）。在内部干扰和外部干扰范式中，数据处理均以干扰开始瞬间（T0）为基准，截取（T0-1 000 ms）到（T0+1 000 ms）的数据片段计算COP 相关指标。将Rx、Ry、TL、EA、ER 数据与身高（BH）相除进行标准化处理，用（%BH）表示，S 的单位为mm/s。

肌电数据处理：本研究选取的肌肉为三角肌中束（D）、肱三头肌长头（TB）、腹直肌（RA）、竖脊肌（ES）、胫骨前肌（TA）和外侧腓肠肌（GL）。三角肌中束、肱三头肌长头、胫骨前肌和外侧腓肠肌的肌电电极在肌腹处进行粘贴，由于腹直肌和竖脊肌很长，为保证数据采集的统一性，选取腹直肌和竖脊肌中部位置进行粘贴，即腹直肌的位置为第6 肋软骨前侧，竖脊肌位置为第6 肋软骨的后侧。粘贴之前清洁皮肤，两电极贴圆心的距离为2 cm，平行粘贴在肌腹处。在“BTS SMART Analyzer”软件中对原始肌电信号进行滤波（40～200 Hz）、整流（100 ms）和积分计算，计算各指标的积分肌电值。APAs 强度和补偿性姿势调节（CPAs）强度的计算公式如下［10］：

其中，APAs 阶段为（-100～+50）ms，CPAs 阶段为（50～200）ms，基线阶段为（-600～-450）ms。

1.3 数理统计

采用SPSS23.0 对本研究的实验数据进行分析处理，各指标以（M±SD）的形式表示。统计分析前进行正态分布检验，删除极端值和奇异值。采用重复测量方差分析法比较不同干扰条件下站立姿势控制指标的差异，组内变量为不同干扰方式，组间变量为年龄，主效应、交互效应、简单效应检验均采用Bonferroni 法进行比较，以p＜0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 内部干扰下儿童姿势控制特征

2.1.1 COP 位移

在快速举臂范式下，COP 指标具有任务和年龄主效应（p＜0.05），未出现交互效应，见表3。任务主效应结果见图2，COP 在闭眼振动条件下出现了最大的数值（p＜0.05），年龄主效应检验结果如图3 所示，整体上随年龄增长呈非线性的减小趋势。

图2 内部干扰下不同感官条件的COP 指标

图3 内部干扰下COP 指标的年龄主效应检验结果

表3 内部干扰下COP 指标的主效应及交互效应检验结果

2.1.2 预期性和补偿性姿势调节

APAs 强度和CPAs 强度出现任务和年龄主效应（p＜0.05），未出现交互效应，见表4。APAs 强度和CPAs 强度任务主效应检验结果见表5，APAs 强度年龄主效应检验结果见表6，CPAs 强度年龄主效应检验结果见表7。

表4 快速举臂APAs 强度和CPAs 强度的主效应及交互效应检验结果

表5 快速举臂时APAs 强度和CPAs 强度任务主效应检验结果

表6 快速举臂时肌肉APAs 强度的年龄主效应检验结果

表7 快速举臂时肌肉CPAs 强度的年龄主效应检验结果

2.2 外部干扰下儿童姿势控制特征

2.2.1 COP 位移

在外部干扰范式下，COP 指标具有任务和年龄主效应（p＜0.05），未出现交互效应，见表8。任务主效应检验结果如图4 所示，COP 指标在闭眼条件下表现出较大的位移（p＜0.05）。年龄主效应检验结果见表9，随年龄增长，COP 位移整体上呈非线性减小趋势。

图4 外部干扰下不同感官条件的COP 指标

表8 外部干扰下COP 指标的主效应及交互效应检验结果

表9 外部干扰下COP 指标的年龄主效应检验结果（%BH）

2.2.2 预期和补偿姿势控制特征

APAs 强度和CPAs 强度具有任务和年龄主效应（p＜0.05），未出现交互效应，结果见表10。APAs 强度和CPAs 强度任务主效应检验结果见表11，APAs 强度年龄主效应检验结果见表12，CPAs 强度年龄主效应检结果见表13。

表10 落球试验时肌肉APAs 强度和CPAs 强度的主效应及交互效应检验结果

表11 落球试验肌肉APAs 和CPAs 强度的任务主效应检验结果

表12 落球试验时肌肉APAs 强度的年龄主效应检验结果

表13 落球试验时肌肉CPAs 强度的年龄主效应检验结果

3 分析与讨论

本研究的主要目的是探讨内外部干扰范式和年龄对儿童站立姿势控制能力的影响，主要从COP 位移特征、预期性和补偿性姿势调节特征进行分析。

3.1 儿童站立姿势控制的干扰效应特征

姿势控制能力往往采用COP 指标反映，即COP指标越小，人体稳定性越好［11］。以往的研究发现，儿童姿势控制能力随年龄的增长而改善，2～4 岁儿童的COP 指标往往有更多的运动位移和更快速的姿势修正，而8～9 岁的儿童则表现出更少的位移和更精准的姿势控制［12］。在干扰任务下，中枢神经系统需要感觉信息的代偿来平衡姿势稳定，以最低的能量消耗完成姿势任务［13］，这种感觉信息代偿策略在儿童早期阶段并不成熟，而是在发育过程中逐渐发展完善［14］。有研究表明，7.5 岁以下的健康儿童在干扰环境下无法适应他们的运动反应［15］。因此，为了安全性考虑，笔者选取了儿童易于接受的快速举臂和落球试验进行研究。

儿童在2 种干扰范式下的COP 指标均受到不同感官信息的影响。人体的姿势控制系统主要采用视觉、前庭觉和本体感觉进行平衡调控，视觉系统能提供环境中头部位置和相对位置定位信息，前庭系统能提供头部的角速度、头部平移的合力及重力加速度，本体感受系统能提供骨骼、肌肉和皮肤的感觉信息［16］。为了查明某一感官信息对姿势稳定的影响，往往采用信息阻断的方式进行研究，例如，闭眼条件可研究视觉信息对身体摆动的影响［17］，干扰踝关节本体感觉可以反映本体感觉对姿势控制的影响［1］147-152，而以同时闭眼和干扰踝关节的方式能反映前庭觉对姿势控制的影响［18］。本研究借鉴了上述原理，采用闭眼、干扰踝关节及两者同时出现的方式反映不同感官条件对身体稳定性的影响。在内部干扰下，闭眼振动站立时出现最大的COP 指标，说明在此感官条件下身体位移出现最大晃动，而此时是前庭信息为主导的感官系统在维持平衡。因此，在内部干扰下，儿童以前庭信息为主导的姿势控制能力较弱，或者说，前庭系统在这个年龄阶段还未发展成熟。Sa 等的研究结果发现，前庭系统在9 岁时才能达到功能成熟［8］，为上述观点提供了依据。在外部干扰下，2项闭眼测试都显示出较大的COP 位移和速度，此时，视觉对儿童姿势控制影响较大。对比2 种干扰范式，可以发现：睁眼站立和睁眼振动在内部干扰下无显著性差异，说明本体感觉对内部干扰无显著作用，前庭觉对内部干扰的作用较大；而闭眼站立和闭眼振动在外部干扰下无显著差异，说明前庭觉对外部干扰无显著作用，视觉对外部干扰的作用较大。

当姿势平衡受到干扰时，无论是内部干扰还是外部干扰，中枢神经系统都会使用2 种主要的姿势调节方式，分别为APAs 和CPAs。APAs 由前馈控制驱动，其目的是提前减少干扰对姿势平衡的不利影响［19］，并且在婴儿出生后的第1 年就出现了［20］，2～4 岁的儿童在举起物体过程中能够表现出对重量的预期［21］。CPAs由反馈控制调节，处理扰动本身需要将姿势肌肉激活和使运动策略形成耦合，以在身体扰动发生后恢复姿势平衡。与CPAs 相比，APAs 具有更重要的生理意义，它能够诊断脑发育疾病患儿、发育性协调障碍儿童及脑瘫患儿［22］。

在本文的干扰范式下，三角肌中束、肱三头肌为动作肌，主要用来完成动作，而腹肌、竖脊肌、胫骨前肌和外侧腓肠肌为姿势肌，主要用来调节姿势的稳定性。在内部干扰时，动作肌在以前庭信息为主要感官条件下出现较大的APAs，原因是肱三头肌提前激活为了防止肩关节过度屈曲，以及维持肩关节稳定，而姿势肌在此感官条件下出现了最小值，说明CPAs 强度与APAs 强度出现了一致性规律。在外部干扰时，腹肌在本体感觉为主导的感官条件下出现最大的APAs强度，而外侧腓肠肌在以视觉信息为主导的感官条件下出现了最大值。

3.2 儿童站立姿势控制的年龄特征

COP 位移的年龄特征在内外部干扰下均呈现减小趋势。需要注意的是，这种减小趋势是非线性的，也就是说在相邻年龄组之间出现一定程度的增长和减小。出现这一现象的原因主要有2 个：1）儿童早期是动作发展的高峰期和敏感期［23］，动作的学习过程本身就存在反复的特性；2）4～6 岁是儿童身体不成比例的生长阶段［1］171-173，当身高发生的改变超出了姿势控制系统稳定时，身体就会经历一段不稳定的过渡期，之后再达到更高一层的稳定平台期。

无论是在内部干扰还是外部干扰下，APAs 强度和CPAs 强度均呈现随年龄增长的线性发展趋势。在内部干扰下，6 岁以上各组之间的姿势调节模式不具有显著性差异，在6 岁以上出现一个明显的差异，也就是说，儿童在上小学以后，预期性姿势调节能力会出现大幅度的提高，补偿性姿势调节能力变化与其出现一致性规律。在外部干扰下，APAs 强度呈现随年龄增长的线性增大趋势，而CPAs 强度呈现随年龄增长而减小的线性发展趋势。有研究显示，外部干扰下的APAs 强度和CPAs 强度的互补方式表现为成熟的姿势控制调节方式［24］，说明在本研究设置的外部干扰范式下3～8 岁儿童的姿势控制方式趋于成熟。

APAs 涉及复杂的脑功能网络，分别是带状盖网络、额顶叶网络和体感-运动网络。发育成熟的APAs的带状盖网络和体感-运动网络之间的信息交流呈现负相关关系，而未发育成熟的APAs 难以将有关的信号转化为适当的运动命令，将其转化为动作激活模式的能力要更晚一些，在儿童后期仍有发展的空间［25］。Dosenbach 等［26-27］的研究表明，在执行任务时，带状盖网络和额顶叶网络实施自上而下地控制，整合了传入反馈信号和基于内部状态（例如来自以往经验、期望、目标等）的动作执行策略。有证据表明，这2 个网络在生命的第1 年就已经起了作用［28］，并在儿童成长后期（7～9 岁）达到相对成熟的状态［29］。本研究发现，不管是内部干扰还是外部干扰范式，APAs 强度均呈现随年龄增长的线性发展趋势，但何时发育成熟，需要进一步分析成年人数据才能得出，未来的研究可以增加成年人相关数据进行分析。

4 结论

3～8 岁儿童的姿势控制能力受到不同干扰条件和年龄的影响。其中：前庭觉受内部干扰较大，而本体感觉较小，在内部干扰下，姿势稳定需要动作肌和姿势肌的共同调节。视觉受外部干扰较大，而前庭觉受外部干扰较小，在外部干扰下，仅有姿势肌对姿势进行稳定调节，二者的内在肌肉调控方式存在差异。随着年龄增长，姿势控制能力出现非线性提高的发展趋势，外部干扰范式下会出现较成熟的肌肉预期和补偿调节模式。