一般來說，人體的姿勢(shì)穩(wěn)定性分為兩類，分別為靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性[17]。

3.1.4.1 靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性

靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性可以被定義為在牢固不變的支撐面上保持平穩(wěn)的一種能力。這里的“平穩(wěn)”為盡可能保持身體不活動(dòng)。一般來說，人體的靜態(tài)姿態(tài)主要包含站、坐和臥等，而研究最多的，也是在實(shí)際中最常用的是站姿的靜態(tài)穩(wěn)定性問題。

許多因素會(huì)對(duì)靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性構(gòu)成影響。靜態(tài)姿勢(shì)控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，依賴于感知系統(tǒng)精確地感知外界環(huán)境，和在中樞神經(jīng)系統(tǒng)水平的前庭、視覺和本體感知輸入對(duì)外界信息的處理和整合。中樞神經(jīng)系統(tǒng)根據(jù)目前姿態(tài)可以采用多種不同的策略來保持姿勢(shì)平衡和穩(wěn)定。除了個(gè)體的感知和運(yùn)動(dòng)能力外，支撐面積也在姿勢(shì)穩(wěn)定性有重要作用。這里所謂的支撐面積包含足的姿勢(shì)、肌骨系統(tǒng)特征和約束條件等。

人體環(huán)節(jié)位移指的是頭、軀干等人體環(huán)節(jié)做出適應(yīng)性動(dòng)作，改變位置以維持平衡。人體在站立時(shí)的環(huán)節(jié)的活動(dòng)通常被描述為“倒鐘擺模型”（圖3-2）。在靜態(tài)站立時(shí)，在矢狀面內(nèi)，人體圍繞踝關(guān)節(jié)前后搖擺，正常成人擺動(dòng)范圍約為5～7mm。在冠狀面內(nèi)，同樣存在類似的現(xiàn)象，正常成人的擺動(dòng)范圍約為3～4mm。

在平衡控制時(shí)，肌肉活動(dòng)是預(yù)期的前饋機(jī)制，其目的在于阻止倒鐘擺模型傾倒，并將身體拉回到參考位置。與之相反地，由于踝關(guān)節(jié)肌肉的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)在反饋則體現(xiàn)為短期內(nèi)的零延遲，來延緩倒鐘擺模型的傾倒趨勢(shì)。倒鐘擺模型將質(zhì)心和壓力中心聯(lián)系起來，其中前者是被控變量，后者是控制變量。在臨界水平，肌肉本身不足以穩(wěn)定身體時(shí)，前饋控制的機(jī)制的補(bǔ)償作用就非常必要。

圖3-2 人體靜態(tài)站立的倒鐘擺模型

人體質(zhì)心、重心和壓力中心的概念在上文中已經(jīng)提及。如圖3-3所示，當(dāng)壓力中心在重心前面時(shí)，逆時(shí)針力矩（Iα）作用在踝關(guān)節(jié)，使得軀干向后旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到平衡。而當(dāng)壓力中心在重心后面時(shí)，順時(shí)針力矩作用在踝關(guān)節(jié)，導(dǎo)致身體軀干向前旋轉(zhuǎn)，從而失去平衡跌倒。

在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量評(píng)價(jià)人體站立姿勢(shì)穩(wěn)定性的方法非常多，大體上可以分為3類：

（1）身體節(jié)段的位移評(píng)價(jià)。為了維持姿勢(shì)平穩(wěn)，做出適應(yīng)性活動(dòng)，頭或軀干等身體節(jié)段的位置會(huì)發(fā)生變化。

（2）維持姿勢(shì)平衡的肌肉活動(dòng)性評(píng)價(jià)。在維持姿勢(shì)平穩(wěn)過程中，肌肉的功能體現(xiàn)為一種預(yù)期的前饋機(jī)制，可以通過倒鐘擺模型進(jìn)行分析。其中，肌肉的活動(dòng)旨在防止傾倒，將身體拉回到參考點(diǎn)位置?；邗钻P(guān)節(jié)肌肉力學(xué)性質(zhì)的反饋機(jī)制在短期內(nèi)零延時(shí)地發(fā)揮作用，來減緩倒鐘擺的傾倒。倒鐘擺模型將受控變量（質(zhì)心）和控制變量（壓力中心）聯(lián)系起來。前饋機(jī)制與反饋機(jī)制互補(bǔ)是必要的，因?yàn)槲灰频竭_(dá)臨界水平時(shí)，肌肉剛度本身不足以維持身體穩(wěn)定。

圖3-3 人體壓力中心與質(zhì)心的關(guān)系

（3）人體質(zhì)心或壓力中心運(yùn)動(dòng)的評(píng)價(jià)。簡(jiǎn)言之，人體壓力中心是通過足底的身體壓力的集中的一個(gè)點(diǎn)。與其說這個(gè)參數(shù)的測(cè)量記錄了身體的搖擺，不如說記錄人體動(dòng)力系統(tǒng)移動(dòng)壓力中心的活動(dòng)。Lafond等人[18]指出了站立時(shí)壓力中心與質(zhì)心之間的關(guān)系，壓力中心在質(zhì)心的任意一側(cè)搖擺。在低于1Hz的搖擺頻率，壓力中心理論上完全與質(zhì)心重合時(shí)，壓力中心的搖擺位移總是大于質(zhì)心搖擺位移。

在這些方法中，最常用的工具是穩(wěn)定圖（Stabilogram），即通過測(cè)力臺(tái)測(cè)量數(shù)據(jù)生成的壓力中心隨時(shí)間變化的行為的一種測(cè)度。在評(píng)價(jià)站立的靜態(tài)姿勢(shì)時(shí)，雖然壓力中心軌跡經(jīng)常被用到，但是并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)方法，所采用的參數(shù)也五花八門，包括基于壓力中心的有關(guān)位移、面積、速度、幅值分配、能量譜和向量等參數(shù)。

3.1.4.2 動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性

Goldie等人[19]將動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性定義為：在支撐基礎(chǔ)附近轉(zhuǎn)移身體重心豎直方向投影的能力。這種能力可以通過以下手段來測(cè)量：支撐面微擾、身體微擾、在姿勢(shì)或位置改變時(shí)被要求保持平衡（如單腿跳或著陸動(dòng)作）。動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性可以是個(gè)體或人群的穩(wěn)定性問題，也可以是具體動(dòng)作的穩(wěn)定性問題。

我們?cè)诘?.1節(jié)中詳細(xì)說明了關(guān)于著陸動(dòng)作的穩(wěn)定時(shí)間（Time to stabilization，TTS）測(cè)試方法，這是一種典型的測(cè)試手段。除此以外，常用的動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性測(cè)試手段包括：

1.多級(jí)單腿跳穩(wěn)定性測(cè)試

多級(jí)單腿跳穩(wěn)定性測(cè)試（Multiplesingle-leghop-stabilization test）是基于改良的Bass測(cè)試提出的。如圖3-4所示，11條2.5cm見方的膠帶被編碼后用來標(biāo)記地板，標(biāo)記距離根據(jù)受試者的身高來調(diào)整。大多數(shù)受試者最遠(yuǎn)跳躍距離為自己身高的95%。受試者所能跳的最大距離為2號(hào)和3號(hào)，7號(hào)和8號(hào)標(biāo)記點(diǎn)的對(duì)角線距離被確定為受試者身高的45%。受試者始終使用一側(cè)下肢依次完成多級(jí)跳躍，并需要始終雙手叉腰。除此之外，腳落地時(shí)需要覆蓋全部膠帶，并足尖朝前。所有這些要求無法達(dá)到都會(huì)被計(jì)入誤差評(píng)分系統(tǒng)（表3-1），通過評(píng)分系統(tǒng)打分確定每名受試者的動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性。

圖3-4 多級(jí)單腿跳穩(wěn)定性測(cè)試標(biāo)記布置示意圖[17]

表3-1 多級(jí)單腿跳穩(wěn)定性測(cè)試評(píng)分表

2.動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性指數(shù)

Wikstrom等人[47]提出了一個(gè)參數(shù)——?jiǎng)討B(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性指數(shù)（Dynamic postural stability index，DPSI）及其三維分量（前后方向APSI，左右方向MLSI和豎直方向VSI）來評(píng)價(jià)著陸動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。這個(gè)參數(shù)及其分量是評(píng)估地面反力數(shù)據(jù)集在0附近波動(dòng)的均方差。關(guān)于該測(cè)試方法和評(píng)價(jià)參數(shù)，我們?cè)?.1節(jié)中也做了介紹，并將其與穩(wěn)定時(shí)間做了對(duì)比。

穩(wěn)定時(shí)間更多關(guān)注于地面反力的時(shí)域變化特征，而動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性指數(shù)關(guān)注于特定時(shí)間范圍內(nèi)的地面反力幅值變化。著陸動(dòng)作中，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性本質(zhì)上描述的是調(diào)整身體從動(dòng)態(tài)著陸運(yùn)動(dòng)至靜態(tài)站立姿勢(shì)的神經(jīng)肌肉控制能力。在這個(gè)過程中，時(shí)域特征非常重要，因此穩(wěn)定時(shí)間比較適合用來評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。從某種意義上來說，較大的地面反力均方差無疑意味著較為不穩(wěn)定的過程。但是，地面反力數(shù)據(jù)的均方差，即動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性系數(shù)的大小較多地由著陸時(shí)的沖擊階段，而非由其穩(wěn)定階段來決定。沖擊階段從初始接觸時(shí)刻算起大約為幾十毫秒，穩(wěn)定階段緊隨其后。因此，穩(wěn)定性指數(shù)同時(shí)考慮了力載荷和能量吸收的影響。雖然這些影響與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性緊密相關(guān)，但是在評(píng)價(jià)穩(wěn)定性控制時(shí)最好將其區(qū)分出來。

3.“米”字平衡測(cè)試

“米”字平衡測(cè)試（Start excursion balance test，SEBT）是對(duì)運(yùn)動(dòng)員和健康人群都具有挑戰(zhàn)性的一種動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性測(cè)試。首先，用8條6～8英尺長(zhǎng)的膠帶組成一個(gè)“米”字。測(cè)試要求受試者單足站立，盡可能快地在8個(gè)不同方向伸出另一側(cè)下肢。例如，圖3-5所示，某受試者使用左足站立，他必須盡可能快地依照以下方向伸腿：前→前內(nèi)→內(nèi)→后內(nèi)→后→后外→外→前外。

圖3-5 “米”字平衡測(cè)試

圖3-6 “丫”字平衡測(cè)試

此外，還有與“米”字平衡測(cè)試類似的測(cè)試方案，采用“丫”型方案布置，可以被稱為“丫”字平衡測(cè)試（圖3-6）。

3.1.4.3 瞬態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性

雖然對(duì)靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性已有很多研究，但這兩個(gè)概念并不能解決所有的問題。例如，在評(píng)價(jià)站立姿勢(shì)穩(wěn)定性時(shí)，采用基于壓力中心測(cè)量的參數(shù)來進(jìn)行評(píng)價(jià)，至少需要90秒以上時(shí)間的采樣才能保證良好的可重復(fù)性。這么長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間對(duì)于側(cè)向站立于較大角度的斜面上是不可能的，在實(shí)際中也沒有必要。因?yàn)樵谔厥馇闆r下，往往僅需要一個(gè)較短的時(shí)間來維持這種姿勢(shì)平衡狀態(tài)，來判斷所處環(huán)境及做出調(diào)整姿勢(shì)的決策，并通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)做出正確的反應(yīng)。我們將這種短時(shí)間內(nèi)難度較大的姿勢(shì)穩(wěn)定性定義為瞬態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性，以區(qū)別靜態(tài)和動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性。

測(cè)力臺(tái)是生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室普遍配備的一種設(shè)備，具有靈敏度高、測(cè)量精確、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，不但能給出不同方向上的力的大小，還能確定合力中心點(diǎn)的位置。因此，用測(cè)力臺(tái)測(cè)量壓力中心位置，通過該位置軌跡的變化來評(píng)價(jià)靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性也就順理成章。但是，包括力的幅度和集中作用點(diǎn)的位置在內(nèi)，每一幀測(cè)力臺(tái)測(cè)量數(shù)據(jù)僅包括6個(gè)測(cè)度，而在壓力中心評(píng)價(jià)時(shí)更是僅用到其中兩個(gè)（水平面內(nèi)的位置）。數(shù)據(jù)信息量的不足導(dǎo)致其必須使用足夠長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量來積累足夠的信息，完成對(duì)穩(wěn)定性的分析和評(píng)價(jià)。瞬態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)需要在較短的時(shí)間內(nèi)完成這種評(píng)價(jià)，就不能再采用測(cè)力臺(tái)來提供信息，而必須使用單位時(shí)間內(nèi)保護(hù)更多信息量的測(cè)量手段。無疑，足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)的選項(xiàng)。

足底壓力分布（Plantar pressure distribution，PPD），所提供測(cè)量數(shù)據(jù)不是集中力，而是足底不同區(qū)域的壓力，細(xì)致分區(qū)的大小由壓力測(cè)量傳感器或相應(yīng)裝置的尺寸和敏感程度來決定。最早的足底壓力測(cè)量文獻(xiàn)記載是Beely在1882年完成的，他讓受試者踩在裝滿石膏的袋子上，認(rèn)為足部承重大的地方踩下去的印記會(huì)更深。但是，這種測(cè)量?jī)H是定性地對(duì)足底承重進(jìn)行判斷，而無法量化具體區(qū)域所受的壓力。

隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)足底壓力分布的測(cè)量出現(xiàn)了多種不同的技術(shù)，大體上可以將這些技術(shù)分為4類：

1.直接復(fù)印法

Morton[20]最早利用復(fù)印技術(shù)測(cè)量足底壓力分布，他設(shè)計(jì)了活動(dòng)攝影機(jī)技術(shù)，利用橡膠的彈性把足底壓力轉(zhuǎn)換為一定比例的變形量，這一原理成為后來許多類似技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。1980年代初，出現(xiàn)了用鋁箔取代墨水和紙張作為復(fù)印介質(zhì)的改進(jìn)的技術(shù)[21]，這一技術(shù)不僅可以得到即時(shí)可見的足部印痕，還可以通過光學(xué)掃描得到量化的結(jié)果。隨后，一些用于分析足部印痕的商業(yè)產(chǎn)品也陸續(xù)出現(xiàn)，如富士公司生產(chǎn)的PRESCALE壓敏紙等，獲得了極大的商業(yè)成功。

2.可視化復(fù)印技術(shù)

Kinetograph技術(shù)發(fā)展的另一方面是通過攝影機(jī)記錄下即刻的壓力曲線，從而獲得足底壓力分布的圖像。自動(dòng)壓力機(jī)就是這一技術(shù)的第一代成功。第二代自動(dòng)壓力機(jī)出現(xiàn)在1950年前后，應(yīng)用的是另外一種光學(xué)原理，Pedoparograph系統(tǒng)是這一技術(shù)的代表，該系統(tǒng)首次使用了顯示器和圖像處理技術(shù)，可以通過黑白或彩色圖像進(jìn)行局部壓力的分析。隨后，研究人員又利用光彈性原理開發(fā)新的技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，Cavanagh和Michiyoshi[22]用計(jì)算機(jī)處理得到了準(zhǔn)三維壓力曲線，曲線上各點(diǎn)的縱向坐標(biāo)與足底該點(diǎn)處的壓力成比例，比較直觀地反映了足底壓力分布狀況。

3.壓力板和載荷單元技術(shù)

壓力板具有多個(gè)按足部結(jié)構(gòu)劃分的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都可以獨(dú)立地測(cè)量其表面作用的壓力，而載荷單元技術(shù)是應(yīng)用載荷單元陣列作為足部支撐，各單元之間并沒有聯(lián)系，這樣載荷單元就可以記錄特點(diǎn)解剖位置上的載荷。壓力板和載荷單元多采用力 電轉(zhuǎn)換技術(shù)，將足底壓力轉(zhuǎn)化為便于測(cè)量的電信號(hào)，可以得到比較精確的結(jié)果。該方法的不足之處在于具有電延遲性，不利于動(dòng)態(tài)測(cè)量。這樣，同時(shí)具有精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好和靈敏度高的壓電晶體技術(shù)就成為良好的替代。電工學(xué)的發(fā)展逐步解決了長(zhǎng)期困擾該技術(shù)的漏電問題，使其成為足底壓力分布測(cè)量的有力工具。

4.鞋內(nèi)墊測(cè)量技術(shù)

研究人員為了對(duì)日常活動(dòng)，例如爬樓梯、在傾斜地面上行走等活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象的足部荷載加以記錄，設(shè)計(jì)了嵌入鞋內(nèi)墊的壓力轉(zhuǎn)換裝置。鞋內(nèi)墊測(cè)量可以對(duì)足部與鞋子的接觸壓力作出評(píng)價(jià)，對(duì)功能鞋的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。更重要的是，鞋內(nèi)墊裝置可以連續(xù)記錄行走過程中的足部壓力，而壓力板只能記錄其中的一個(gè)步態(tài)時(shí)相。另外一類可以持續(xù)測(cè)量足底壓力分布測(cè)量的方法是用附著于足底的壓力轉(zhuǎn)換墊片進(jìn)行測(cè)量。Schwarts和Heath[23]設(shè)計(jì)了一個(gè)具有12個(gè)壓力傳感片的裝置，壓力傳感片被附著于大拇趾，第一、三和五跖骨頭，以及跟骨兩側(cè)，并用導(dǎo)線連接到電流計(jì)，測(cè)量12個(gè)通道的隨時(shí)間變化的壓力曲線。

傳統(tǒng)上，足底壓力測(cè)量往往局限于垂直載荷分量的評(píng)價(jià)，主要原因在于，一方面主流觀點(diǎn)認(rèn)為壓力的臨床意義比剪切力的意義要大，另一方面則限于技術(shù)的成熟條件，對(duì)數(shù)值較小的剪切力測(cè)量很不方便。Tappin等人[24]最早使用抗磁性壓力轉(zhuǎn)換元件附著于足底進(jìn)行剪切力的測(cè)量，Pollard等人[25]應(yīng)用該裝置研究了一組穿著不同類型鞋子的受試者。隨后，基于共聚物薄膜和發(fā)光二極管的轉(zhuǎn)換裝置也相繼開發(fā)，減小了轉(zhuǎn)換裝置的硬度，對(duì)測(cè)量局部的力學(xué)影響大大降低。Hosein和Lord[26]設(shè)計(jì)了一種鞋內(nèi)墊壓力和剪切力同時(shí)測(cè)量的裝置，利用嵌入內(nèi)墊的傳感器測(cè)量了四個(gè)跖骨頭及跟骨的剪切力，并得到了同一狀態(tài)下壓力分布模式。Davis等人[27]報(bào)道了一種利用應(yīng)變計(jì)測(cè)量技術(shù)同時(shí)測(cè)量足底壓力和剪切力分布的裝置，具有很好的精確度。香港理工大學(xué)叢燕等人[28]使用5個(gè)三維力傳感器，分別安裝于高跟鞋的大拇趾，第一、二和四跖骨頭，以及足跟處，在受試者站立時(shí)或步態(tài)時(shí)同時(shí)測(cè)量其足底壓力和剪切力。

足底壓力分布測(cè)量的應(yīng)用主要集中在兩個(gè)方面：通過足部與地面之間的壓力分布模式來研究正常足的結(jié)構(gòu)和功能；與臨床醫(yī)學(xué)結(jié)合研究糖尿病患者足底潰瘍、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等病理現(xiàn)象，為臨床治療提供合理評(píng)價(jià)，以及假肢的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等。雖然也有研究者嘗試采用足底壓力分布測(cè)量方法來評(píng)價(jià)人體的姿勢(shì)穩(wěn)定性，但并不能替代測(cè)力臺(tái)對(duì)壓力中心的測(cè)量，只是起到輔助作用。而且，在這些應(yīng)用足底壓力分布測(cè)量評(píng)價(jià)姿勢(shì)穩(wěn)定性的研究中，并沒有明確瞬態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性的概念，沒有指出其相對(duì)壓力中心測(cè)量的優(yōu)勢(shì)所在。