头部活动对人体平衡控制能力影响的运动生物力学研究

【作者】 陈晓光； 卢俊阳； Peter Watt； 刘佳菲； 程巧瑞；

【机构】 河南师范大学体育学院； School of Sport and Health Sciences,University of Brighton；

【摘要】 研究目的:平衡能力是身体所处的一种姿势以及在运动或受到外力作用时能够自动调整并维持姿势的能力,对于预防跌倒和促进身体健康具有重要意义。人体平衡控制是一种复杂的过程,涉及到多个系统的协同作用。在人体平衡控制中,身体重心是一个关键概念。重心是指人体各部位承受重力的合力作用点,在站立状态下通常位于腰部附近。平衡控制能力与重心的位置和移动密切相关,人体通过调整身体姿势,以保持重心在支撑基底内,从而维持平衡。头部活动影响人体的重心位置。头部是人体质量分布的一部分,其位置发生改变时,将引起局部环节重心的变化,使人体总重心随之联动,进而影响人体平衡能力。头部位置活动通常分为转向、前倾和后仰等动作模式。其中,年轻人由于长时间使用电子设备以及伏案低头工作,前倾活动尤为常见。因此,本文通过分析头部前倾时人体重心变化特征,进而探索头部活动对平衡控制能力的影响,以期为制定人体平衡能力的训练方案提供有益借鉴。研究方法:实验对象:本研究随机选取30名女大学生作为实验对象(19.8±0.8岁,身高:163.1±5.8cm,体重:55.2±5.4kg,BMI:20.7±1.4,优势腿:左腿)。受试者纳入标准:无驼背或脊柱侧弯等体态;无神经系统或骨骼肌肉系统疾病;无眩晕、头晕和失衡等症状;视力正常或矫正后视力正常;没有接受过与姿势控制或平衡相关训练;实验前48 h没有进行过大强度训练,睡眠充足。实验设计:受试者分别以自然站立姿势和头部前倾站立姿势,在姿势稳定性测试和双侧对比测试和感觉统合平衡测试(The clinical test of sensory interaction for balance,CTSIB)三种测试模式中,测定身体重心变化特征。自然站立姿势为头颈角(CVA)≥60°,头前倾站立姿势为CVA≤50°。姿势稳定性测试时间为30s,测试动态等级为8-10级,每10s增加1级,测试结果为前-后方向、左-右方向上的重心稳定指数(Stability Index,SI),SI反映测试过程中人体重心偏离中心的距离,数值越小说明重心偏移距离越小;受试者在双侧在对比测试中,依次进行左右腿单脚站立测试,每种测试时间为15s,每种测试间隔时间为10 s,测试结果为前-后方向、左-右方向上的SI;受试者在CTSIB测试中依次进行睁眼硬地(FiEO)、闭眼硬地(FiEC)、睁眼软垫(FoEO)和闭眼软垫(FoEC)四种测试,每种测试时间为20s,每种测试间隔时间为5s。在整个测试过程中,受试者CVA不符合本次测试要求或双脚位置发生变化,则记为该次测试数据无效。实验设备:Biodex平衡测试系统。通过使用美国生产的Biodex Balance System SD动静态平衡测试训练系统(以下简称BBS),记录受试者身体重心变化特征。测试流程:(1)受试者熟悉测试流程。(2)受试者光脚站立于测试平台,根据BBS测试系统提示信息轻微移动双脚或者单脚的位置,使屏幕上晃动的黑色圆心与靶心位置重合。(3)记录双脚站立位置,输入BBS测试系统。(4)受试者以自然站立姿势分别进行CTSIB测试、姿势稳定性测试和双侧对比测试,每种测试间休息3min。(5)自然站立姿势测试结束后,受试者休息10min。(6)受试者以头前倾站立姿势进行测试(测试过程同2、3、4测试过程)。测试数据处理与分析:(1)姿势稳定性测试:测试结果分别为重心综合稳定性指数(OSI),重心在前-后方向上的稳定指数(APSI),重心在左-右方向上的稳定指数(MLSI),指数越小,说明稳定性越好。计算方法如下:综合稳定指数:OSI=√((Σ(0-X)~2+Σ(0-Y)~2)/N);前-后方向稳定指数:APSI=√((Σ(0-Y)~2)/N);左-右方向稳定指数:MLSI=√((Σ(0-X)~2)/N);X为受试者在冠状面活动幅度,Y为受试者在矢状面活动幅度,N为测试样本量。(2)双侧对比测试:测试结果为左腿和右腿分别在支撑时的OSI、APSI和MLSI,计算方法同上。(3)CTSIB测试:测试结果为身体在各方向上的重心摇摆指数(Sway Index),结果越小说明重心摆动幅度越小。统计学分析:将BBS测试系统中测试结果导出至Excel 2019,并进行预处理。使用SPSS 21.0对数据进行统计分析,数据以平均值±标准差表示,采用Shapiro-Wilk检验分析测试结果数据的正态性,采用配对样本t检验对测试结果进行分析。所有统计图均使用Origin 2021绘制。以P<0.05为差异有统计学意义。研究结果:(1)姿势稳定性测试结果显示,与正常姿势相比,头部前倾活动状态下的APSI明显升高(P<0.05),表明头部前倾活动明显加大了身体重心在矢状面的摇晃程度。(2)双侧对比测试结果显示,单足支撑时头部前倾与正常姿势相比,OSI和APSI均升高非常显著(P<0.01),MLSI明显升高(P<0.05)。正常站立姿势时,优势腿与非优势腿之间MLSI具有非常显著性差异(P<0.01);头部前倾站立时,优势腿与非优势腿OSI具有显著性差异,APSI具有显著性差异,MLSI具有非常显著性差异。(3)CTSIB测试结果显示,与正常姿势相比,头部前倾时FiEO和FoEO的重心摆动指数升高非常显著(P<0.01),表明头部前倾活动引起视觉输入发生变化导致人体控制重心摇摆的能力下降。研究结论:头部运动使人体姿势摆动程度增大,导致平衡控制能力发生变化。当头部运动至前倾姿势时,头部环节重心位置向前偏移,使人体总重心随之联动,导致人体在矢状面内摆动程度明显增加,影响了人体姿势稳定性。更多还原