研究人体姿势控制的实验方法

这些实验与分析方法提供了相关指南，旨在理解中枢神经系统和肌肉骨骼系统在人体姿势控制中各个组成部分的作用。具有明确物理参数的姿势控制模型可用于研究感觉系统的作用及其相互作用，以及疾病和衰老引起的改变。这些方法可用于评估患者的平衡问题，揭示功能障碍的病因，并有助于设计改善姿势控制的干预措施。

这些方法还可用于研究感觉运动病理与平衡控制之间的相互作用，例如用于老年人的防跌倒研究。本方案提供了一种方法，用以探究本体感觉和视觉系统等感觉模式及其相互作用，以及肌肉被动贡献在姿势控制中的相对作用。

为了从踝部肌肉测量肌电图，使用电极间距为1厘米的单差分电极。在肌肉最突出的隆起处标记内侧腓肠肌，在腓骨头与跟腱连线的三分之一处标记外侧腓肠肌，在股骨内侧髁与内踝连线的三分之二处标记比目鱼肌，在腓骨尖与内踝尖连线的三分之一处标记胫骨前肌。标记完所有点后，使用剃刀剃除每个区域的毛发，并用酒精清洁皮肤。

皮肤干燥后，使用双面胶带将一个电极贴附到每个区域，并确保每个电极牢固地固定在皮肤上。为准备进行运动学测量，首先使用绑带将一个反射标记物尽可能高地固定在受试者的小腿上，并让受试者穿上身体绑带。再用绑带将一个反射标记物固定在受试者的腰部，并让受试者站上站立装置。

调整受试者的足部位置，使每条腿的外踝和内踝与踏板的旋转轴对齐，并使用标记笔勾勒出足部位置。指导受试者在实验过程中保持足部位于相同位置，并调节激光测距仪的垂直位置，使其指向反射标记物的中心。然后，调节激光测距仪与反射标记物之间的水平距离，使测距仪在其量程中段工作，避免在站立实验期间发生饱和。

实验开始前，向受试者说明每种试验条件下将会发生的情况。指导受试者双手自然垂于身体两侧，目视前方，安静站立，保持平衡，如同在现实生活中应对干扰时的状态。对于安静站立试验，要求受试者在无任何干扰的情况下静立两分钟。

对于扰动实验，若目的是研究躯体感觉系统或踝关节刚度在站立中的作用，可在记录数据的同时施加踏板扰动，持续两到三分钟。若目的是考察视觉系统在姿势控制中的作用，可通过使用虚拟现实头戴设备旋转视觉场来施加视觉扰动，同时记录数据，持续两到三分钟。若目的是研究这两个系统在姿势控制中的相互作用，则需同时施加视觉和踏板扰动。

将视觉扰动试验数据导入合适的分析软件程序后，为进行非参数化识别身体角度与视觉扰动之间的动态关系，请按照指示使用命令对原始身体角度信号和视觉扰动信号进行降采样，并从降采样后的信号中去除均值。确定降采样后的采样频率，然后选择感兴趣的最低频率以确定窗长，并选择用于功率谱估计的重叠程度。定义需估计频率响应的一组频率向量。

使用 TF Estimate 函数来确定系统的频率响应，并如示例所示求取估计频率响应的增益和相位。然后，按照指示使用命令计算相干函数，并绘制增益、相位和相干性随频率变化的曲线。在此典型的站立试验示例中（伴有视觉扰动），可通过虚拟现实头戴式显示器施加的梯形信号观察到视野在矢状面内从零旋转至正负 0.087 rad。

在此分析中，踝关节角度与身体角度非常相似，因为足部角度为零，且小腿与上身同步运动。踝关节力矩也与小腿和身体角度相关。踝部肌肉的肌电图显示，腓肠肌外侧头和比目鱼肌持续处于活跃状态，而腓肠肌内侧头则在身体摇摆时周期性地产生大幅度的活动爆发，胫骨前肌则处于静息状态。

此处展示了站立试验数据中视觉输入与身体角度之间传递函数的频率响应。在本实验中，相干性在低频段（最高约1赫兹）较高，而在更高频率时显著下降，表明频率响应在1赫兹以下具有意义。增益在0.1至0.2赫兹范围内初始上升，随后下降至1赫兹，表现出由于身体高惯性所预期的低通特性。

相位同样从零开始，并随频率几乎呈线性下降，表明输出相对于输入存在延迟。务必使踝关节的旋转轴与执行器的旋转轴对齐。确保受试者不产生额外运动，并确认使用了适当的机械和视觉扰动。

初次使用者可能在建立一致且可重复的实验范式，以及采用适当的辨识方法来考虑姿势控制中的闭环、非线性及时变效应方面存在困难。这些方法已被用于研究健康的姿势控制及其适应性，并可在多种实验和临床条件下量化平衡控制的变化。