3～8 歲兒童站立姿勢控制的干擾效應

趙盼超，田佳鑫，紀仲秋，姜桂萍，吳升扣

姿勢控制是指人體遇到各種內外部干擾時，中樞神經系統有效整合感官信息（視覺、前庭覺及本體感覺），調控神經肌肉系統維持身體穩定的能力［1］134-137。它涉及復雜的神經調控過程，是人體保持體位、完成各項生命活動的基本保障。有研究者發現：學齡前期是姿勢控制發展的關鍵期［2］，7 歲后出現與成人相似的姿勢控制調節方式［3］。兒童早期的姿勢控制系統未發育成熟，應對突發干擾的姿勢控制能力較弱，所以容易出現跌倒事件。德國1 項流行病學研究表明：意外跌倒是造成兒童損傷和死亡的主要原因，不僅會影響未來孩子們對體育活動的態度，還會使兒童的體育活動受到限制［4-5］。

在日常生活中，人體沒有絕對的靜止狀態，往往處于動態或干擾環境中，其中的干擾分為內部干擾和外部干擾。內部干擾指的是自身肢體產生的力量和加速度對身體穩定性的影響，身體各個節段的自主活動都可以被看作為內部干擾［6］。外部干擾指的是外部因素對人體姿勢穩定性的影響，例如在人體的關節或區域上施加一個推或拉的外力、突然移動支撐平面、不穩定的運動環境等［7］。目前，內部干擾對姿勢控制的影響研究主要針對特殊兒童，因為內部干擾往往涉及日常生活中常見的功能性活動，這些活動的完成水平直接影響他們的生活質量。外部干擾對姿勢控制的影響主要集中在預期性姿勢調節方面，并與某些神經調控疾病相關，有關研究者將不同的干擾范式進行對比研究，受試者年齡主要集中在成年人群。國內外對兒童姿勢控制的干擾研究還不夠深入和全面，而干擾研究在兒童早期階段十分必要。兒童早期的姿勢控制干擾效應特征和年齡特征有待進一步明確。因此，本文采用內外部干擾范式，設置不同的感官信息條件，系統地探究了3～8 歲兒童在不同干擾條件下的姿勢控制特征和年齡特征，旨在完善兒童早期姿勢控制干擾研究的理論內容。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

實驗在華北某市的公立幼兒園和小學中進行，采用隨機抽樣方法，抽取3～8 歲兒童200 人。納入標準：1）年齡為3～8 歲；2）認知功能正常，具有良好的理解能力；3）運動能力正常；4）監護人自愿簽署知情同意書。

排除標準：1）有身體發育障礙疾病和骨骼肌肉協調性疾病的兒童；2）有認知功能障礙疾病的兒童；3）不能配合完成研究所需動作的兒童。

實驗前召開家長會，向家長和班主任詳細講解實驗目的及流程，兒童自愿加入，監護人簽署知情同意書。實驗已通過北京師范大學倫理委員會的審批（No.201910210061）。最終得到182 人的數據，受試者基本情況見表1。

表1 受試者基本情況

1.2 測試方法

1.2.1 測試工具

使用三維測力臺（KISTLER 公司，瑞士，型號：928 6AA）采集動力學數據，采集頻率為1 000 Hz。采用BTS表面肌電測試系統（BTS FREE EMG 300）采集肌電數據，采集頻率為1 000 Hz。使用紅外動作捕捉系統（SMART DX 700,BTS Bioengineering 公司，意大利）采集運動學數據，采樣頻率為100 Hz，選取Davis 模型進行Marker 點的粘貼，具體位置見表2。

表2 Davis 模型粘貼位置

1.2.2 測試方案

采用內部干擾范式（快速舉臂范式）和外部干擾范式（落球試驗）進行測試。本文借鑒臨床感官相互測試（CTSIB）的原理［8］，在2 種干擾范式下，分別進行4種感官測試。CTSIB1 為睜眼站立的基線測試；CTSIB2為閉眼站立測試；CTSIB3 為睜眼振動測試，采用踝關節振動裝置作為干擾條件，振動裝置的尺寸為（3.5×5.5）cm2，頻率為350 Hz，如圖1 所示；CTSIB4 為閉眼振動測試。

圖1 踝關節振動裝置

每種感官條件下做3 次測試，選取實驗數據捕捉完整的最佳一次測試結果進行處理與分析，具體干擾范式測試如下。

1）內部干擾范式：以快速舉臂測試進行內部干擾的研究，受試者站立到測力臺的中心，雙臂自然下垂，放于身體兩側，以最快的速度完成手臂前舉任務，手臂前舉高度為與肩膀等高。以三角肌中束激活時間確定姿勢干擾的起始點，受試者靜止直立站立時，選取肌肉靜息態時100 ms 的積分肌電值作為基線值，當計算到肌肉在某一點連續50 ms 內平均反應強度大于基線平均值2 個基線標準差時，則該點作為突發姿勢干擾的起始點（T0）［9］。

2）外部干擾范式：以落球試驗范式模擬外部干擾，受試者站到測力臺的中心位置，雙手握住一個金屬托盤，要求受試者的大臂與地面垂直，小臂與大臂呈90°夾角，測試人員將重量為0.4 kg 的沙包從受試者視線水平位置釋放，使其落入托盤。在受試者腕關節粘貼一個Marker 點，用來記錄外部干擾發生的起始時間，受試者靜止直立站立時，選取Marker 點100 ms 內線速度平均值作為基線值，當線速度在某一點連續50 ms 內的值大于基線平均值2 個基線標準差，則該點作為突發姿勢干擾的起始點（T0）［9］。

1.2.3 數據處理

姿勢控制數據處理：本研究使用“BTS Bio Sway”軟件對動力學數據（COP）進行處理。選取的參數包括：COP 在左右方向（Rx）和前后方向（Ry）的位移、路徑總長度（TL）、移動速度（S）、等效面積（EA）、等效半徑（ER）。在內部干擾和外部干擾范式中，數據處理均以干擾開始瞬間（T0）為基準，截?。═0-1 000 ms）到（T0+1 000 ms）的數據片段計算COP 相關指標。將Rx、Ry、TL、EA、ER 數據與身高（BH）相除進行標準化處理，用（%BH）表示，S 的單位為mm/s。

肌電數據處理：本研究選取的肌肉為三角肌中束（D）、肱三頭肌長頭（TB）、腹直?。≧A）、豎脊?。‥S）、脛骨前?。═A）和外側腓腸?。℅L）。三角肌中束、肱三頭肌長頭、脛骨前肌和外側腓腸肌的肌電電極在肌腹處進行粘貼，由于腹直肌和豎脊肌很長，為保證數據采集的統一性，選取腹直肌和豎脊肌中部位置進行粘貼，即腹直肌的位置為第6 肋軟骨前側，豎脊肌位置為第6 肋軟骨的后側。粘貼之前清潔皮膚，兩電極貼圓心的距離為2 cm，平行粘貼在肌腹處。在“BTS SMART Analyzer”軟件中對原始肌電信號進行濾波（40～200 Hz）、整流（100 ms）和積分計算，計算各指標的積分肌電值。APAs 強度和補償性姿勢調節（CPAs）強度的計算公式如下［10］：

其中，APAs 階段為（-100～+50）ms，CPAs 階段為（50～200）ms，基線階段為（-600～-450）ms。

1.3 數理統計

采用SPSS23.0 對本研究的實驗數據進行分析處理，各指標以（M±SD）的形式表示。統計分析前進行正態分布檢驗，刪除極端值和奇異值。采用重復測量方差分析法比較不同干擾條件下站立姿勢控制指標的差異，組內變量為不同干擾方式，組間變量為年齡，主效應、交互效應、簡單效應檢驗均采用Bonferroni 法進行比較，以p＜0.05 表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 內部干擾下兒童姿勢控制特征

2.1.1 COP 位移

在快速舉臂范式下，COP 指標具有任務和年齡主效應（p＜0.05），未出現交互效應，見表3。任務主效應結果見圖2，COP 在閉眼振動條件下出現了最大的數值（p＜0.05），年齡主效應檢驗結果如圖3 所示，整體上隨年齡增長呈非線性的減小趨勢。

圖2 內部干擾下不同感官條件的COP 指標

圖3 內部干擾下COP 指標的年齡主效應檢驗結果

表3 內部干擾下COP 指標的主效應及交互效應檢驗結果

2.1.2 預期性和補償性姿勢調節

APAs 強度和CPAs 強度出現任務和年齡主效應（p＜0.05），未出現交互效應，見表4。APAs 強度和CPAs 強度任務主效應檢驗結果見表5，APAs 強度年齡主效應檢驗結果見表6，CPAs 強度年齡主效應檢驗結果見表7。

表4 快速舉臂APAs 強度和CPAs 強度的主效應及交互效應檢驗結果

表5 快速舉臂時APAs 強度和CPAs 強度任務主效應檢驗結果

表6 快速舉臂時肌肉APAs 強度的年齡主效應檢驗結果

表7 快速舉臂時肌肉CPAs 強度的年齡主效應檢驗結果

2.2 外部干擾下兒童姿勢控制特征

2.2.1 COP 位移

在外部干擾范式下，COP 指標具有任務和年齡主效應（p＜0.05），未出現交互效應，見表8。任務主效應檢驗結果如圖4 所示，COP 指標在閉眼條件下表現出較大的位移（p＜0.05）。年齡主效應檢驗結果見表9，隨年齡增長，COP 位移整體上呈非線性減小趨勢。

圖4 外部干擾下不同感官條件的COP 指標

表8 外部干擾下COP 指標的主效應及交互效應檢驗結果

表9 外部干擾下COP 指標的年齡主效應檢驗結果（%BH）

2.2.2 預期和補償姿勢控制特征

APAs 強度和CPAs 強度具有任務和年齡主效應（p＜0.05），未出現交互效應，結果見表10。APAs 強度和CPAs 強度任務主效應檢驗結果見表11，APAs 強度年齡主效應檢驗結果見表12，CPAs 強度年齡主效應檢結果見表13。

表10 落球試驗時肌肉APAs 強度和CPAs 強度的主效應及交互效應檢驗結果

表11 落球試驗肌肉APAs 和CPAs 強度的任務主效應檢驗結果

表12 落球試驗時肌肉APAs 強度的年齡主效應檢驗結果

表13 落球試驗時肌肉CPAs 強度的年齡主效應檢驗結果

3 分析與討論

本研究的主要目的是探討內外部干擾范式和年齡對兒童站立姿勢控制能力的影響，主要從COP 位移特征、預期性和補償性姿勢調節特征進行分析。

3.1 兒童站立姿勢控制的干擾效應特征

姿勢控制能力往往采用COP 指標反映，即COP指標越小，人體穩定性越好［11］。以往的研究發現，兒童姿勢控制能力隨年齡的增長而改善，2～4 歲兒童的COP 指標往往有更多的運動位移和更快速的姿勢修正，而8～9 歲的兒童則表現出更少的位移和更精準的姿勢控制［12］。在干擾任務下，中樞神經系統需要感覺信息的代償來平衡姿勢穩定，以最低的能量消耗完成姿勢任務［13］，這種感覺信息代償策略在兒童早期階段并不成熟，而是在發育過程中逐漸發展完善［14］。有研究表明，7.5 歲以下的健康兒童在干擾環境下無法適應他們的運動反應［15］。因此，為了安全性考慮，筆者選取了兒童易于接受的快速舉臂和落球試驗進行研究。

兒童在2 種干擾范式下的COP 指標均受到不同感官信息的影響。人體的姿勢控制系統主要采用視覺、前庭覺和本體感覺進行平衡調控，視覺系統能提供環境中頭部位置和相對位置定位信息，前庭系統能提供頭部的角速度、頭部平移的合力及重力加速度，本體感受系統能提供骨骼、肌肉和皮膚的感覺信息［16］。為了查明某一感官信息對姿勢穩定的影響，往往采用信息阻斷的方式進行研究，例如，閉眼條件可研究視覺信息對身體擺動的影響［17］，干擾踝關節本體感覺可以反映本體感覺對姿勢控制的影響［1］147-152，而以同時閉眼和干擾踝關節的方式能反映前庭覺對姿勢控制的影響［18］。本研究借鑒了上述原理，采用閉眼、干擾踝關節及兩者同時出現的方式反映不同感官條件對身體穩定性的影響。在內部干擾下，閉眼振動站立時出現最大的COP 指標，說明在此感官條件下身體位移出現最大晃動，而此時是前庭信息為主導的感官系統在維持平衡。因此，在內部干擾下，兒童以前庭信息為主導的姿勢控制能力較弱，或者說，前庭系統在這個年齡階段還未發展成熟。Sa 等的研究結果發現，前庭系統在9 歲時才能達到功能成熟［8］，為上述觀點提供了依據。在外部干擾下，2項閉眼測試都顯示出較大的COP 位移和速度，此時，視覺對兒童姿勢控制影響較大。對比2 種干擾范式，可以發現：睜眼站立和睜眼振動在內部干擾下無顯著性差異，說明本體感覺對內部干擾無顯著作用，前庭覺對內部干擾的作用較大；而閉眼站立和閉眼振動在外部干擾下無顯著差異，說明前庭覺對外部干擾無顯著作用，視覺對外部干擾的作用較大。

當姿勢平衡受到干擾時，無論是內部干擾還是外部干擾，中樞神經系統都會使用2 種主要的姿勢調節方式，分別為APAs 和CPAs。APAs 由前饋控制驅動，其目的是提前減少干擾對姿勢平衡的不利影響［19］，并且在嬰兒出生后的第1 年就出現了［20］，2～4 歲的兒童在舉起物體過程中能夠表現出對重量的預期［21］。CPAs由反饋控制調節，處理擾動本身需要將姿勢肌肉激活和使運動策略形成耦合，以在身體擾動發生后恢復姿勢平衡。與CPAs 相比，APAs 具有更重要的生理意義，它能夠診斷腦發育疾病患兒、發育性協調障礙兒童及腦癱患兒［22］。

在本文的干擾范式下，三角肌中束、肱三頭肌為動作肌，主要用來完成動作，而腹肌、豎脊肌、脛骨前肌和外側腓腸肌為姿勢肌，主要用來調節姿勢的穩定性。在內部干擾時，動作肌在以前庭信息為主要感官條件下出現較大的APAs，原因是肱三頭肌提前激活為了防止肩關節過度屈曲，以及維持肩關節穩定，而姿勢肌在此感官條件下出現了最小值，說明CPAs 強度與APAs 強度出現了一致性規律。在外部干擾時，腹肌在本體感覺為主導的感官條件下出現最大的APAs強度，而外側腓腸肌在以視覺信息為主導的感官條件下出現了最大值。

3.2 兒童站立姿勢控制的年齡特征

COP 位移的年齡特征在內外部干擾下均呈現減小趨勢。需要注意的是，這種減小趨勢是非線性的，也就是說在相鄰年齡組之間出現一定程度的增長和減小。出現這一現象的原因主要有2 個：1）兒童早期是動作發展的高峰期和敏感期［23］，動作的學習過程本身就存在反復的特性；2）4～6 歲是兒童身體不成比例的生長階段［1］171-173，當身高發生的改變超出了姿勢控制系統穩定時，身體就會經歷一段不穩定的過渡期，之后再達到更高一層的穩定平臺期。

無論是在內部干擾還是外部干擾下，APAs 強度和CPAs 強度均呈現隨年齡增長的線性發展趨勢。在內部干擾下，6 歲以上各組之間的姿勢調節模式不具有顯著性差異，在6 歲以上出現一個明顯的差異，也就是說，兒童在上小學以后，預期性姿勢調節能力會出現大幅度的提高，補償性姿勢調節能力變化與其出現一致性規律。在外部干擾下，APAs 強度呈現隨年齡增長的線性增大趨勢，而CPAs 強度呈現隨年齡增長而減小的線性發展趨勢。有研究顯示，外部干擾下的APAs 強度和CPAs 強度的互補方式表現為成熟的姿勢控制調節方式［24］，說明在本研究設置的外部干擾范式下3～8 歲兒童的姿勢控制方式趨于成熟。

APAs 涉及復雜的腦功能網絡，分別是帶狀蓋網絡、額頂葉網絡和體感-運動網絡。發育成熟的APAs的帶狀蓋網絡和體感-運動網絡之間的信息交流呈現負相關關系，而未發育成熟的APAs 難以將有關的信號轉化為適當的運動命令，將其轉化為動作激活模式的能力要更晚一些，在兒童后期仍有發展的空間［25］。Dosenbach 等［26-27］的研究表明，在執行任務時，帶狀蓋網絡和額頂葉網絡實施自上而下地控制，整合了傳入反饋信號和基于內部狀態（例如來自以往經驗、期望、目標等）的動作執行策略。有證據表明，這2 個網絡在生命的第1 年就已經起了作用［28］，并在兒童成長后期（7～9 歲）達到相對成熟的狀態［29］。本研究發現，不管是內部干擾還是外部干擾范式，APAs 強度均呈現隨年齡增長的線性發展趨勢，但何時發育成熟，需要進一步分析成年人數據才能得出，未來的研究可以增加成年人相關數據進行分析。

4 結論

3～8 歲兒童的姿勢控制能力受到不同干擾條件和年齡的影響。其中：前庭覺受內部干擾較大，而本體感覺較小，在內部干擾下，姿勢穩定需要動作肌和姿勢肌的共同調節。視覺受外部干擾較大，而前庭覺受外部干擾較小，在外部干擾下，僅有姿勢肌對姿勢進行穩定調節，二者的內在肌肉調控方式存在差異。隨著年齡增長，姿勢控制能力出現非線性提高的發展趨勢，外部干擾范式下會出現較成熟的肌肉預期和補償調節模式。