單側(cè)負(fù)重對(duì)人體足底壓力特征的影響研究

盧澤惠，郭旭，滿喜

（1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 體育學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；2.北京體育大學(xué) 運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)與康復(fù)學(xué)院，北京 100084）

美國(guó)醫(yī)學(xué)會(huì)的研究報(bào)告顯示，正常人類步行中足部所承受的地面反作用力可以達(dá)到自身質(zhì)量的1.5 倍［1］。在地面反作用力作用于雙腳的過(guò)程中，人類足部的基本作用是承受體重、緩沖與吸收沖擊力、產(chǎn)生向前推進(jìn)的力并維持行走過(guò)程中的平衡。步行時(shí)足底壓力的分布可以反映出人體下肢及全身的生理結(jié)構(gòu)和功能等信息，湯榮光等［2］分析了足底動(dòng)靜態(tài)的壓力分布，袁剛［3］和王明鑫等［4］對(duì)正常人群足底壓力分布及其影響因素進(jìn)行了探討，王永慧等［5］分析了不同年齡段健康人群的足底壓力參數(shù)，但在負(fù)重情況下，足部所承受的地面反作用力會(huì)變得更大，在力的傳遞過(guò)程中人體將會(huì)受到其影響并造成足底壓力變化，因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始探討負(fù)重對(duì)足底壓力的影響。Simpson 等［6］通過(guò)分析女性徒步者負(fù)重時(shí)地面反作用力，發(fā)現(xiàn)隨著負(fù)重的增加足部中外側(cè)反作用力明顯增加。Pau 等［7］通過(guò)測(cè)試兒童負(fù)重行走時(shí)足底壓力的分布，發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)站立和步行過(guò)程中足底壓力都顯著增加。劉曉梅等［8］通過(guò)分析老年男性足底壓力分布，發(fā)現(xiàn)60 歲為中老年男性下樓梯時(shí)身體穩(wěn)定性的臨界點(diǎn)。目前有關(guān)青年負(fù)重狀態(tài)下足底壓力特征分析較少，而現(xiàn)代社會(huì)青年人一方面對(duì)背包的需求較大，另一方面負(fù)重也是他們的職業(yè)，如搬家公司、服務(wù)人員等。當(dāng)身體負(fù)重時(shí)負(fù)重重量會(huì)在物理和機(jī)械作用下改變身體動(dòng)態(tài)平衡并造成姿勢(shì)變化，進(jìn)而產(chǎn)生異常步態(tài)，導(dǎo)致腳觸地時(shí)吸收沖擊力不足，因此極易導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)度疲勞及損傷。此外關(guān)于負(fù)重狀態(tài)下性別之間足底壓力的差異目前仍存在爭(zhēng)議，Yamamoto 等［9］通過(guò)分析行走活動(dòng)中不同性別之間足底壓力分布，發(fā)現(xiàn)女性足底壓力明顯高于男性，而Murphy 等［10］發(fā)現(xiàn)男性和女性足接觸區(qū)域或足底壓力值并沒(méi)有顯著差異。因此本研究旨在探討單側(cè)負(fù)重時(shí)不同位置及重量對(duì)人體足底壓力的影響，分析單側(cè)負(fù)重對(duì)不同性別人群帶來(lái)的足底壓力變化，對(duì)深入了解足部疾病的產(chǎn)生機(jī)理具有重要意義，也為大眾日常負(fù)重方式提供選擇，為廠商改進(jìn)背包提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

在校男女大學(xué)生各30 名。納入標(biāo)準(zhǔn)：①身體健康，無(wú)扁平足及異常步態(tài)；②優(yōu)勢(shì)側(cè)為右側(cè)，無(wú)常年背單肩包的習(xí)慣；③無(wú)高低肩及長(zhǎng)短腿等明顯解剖不對(duì)稱現(xiàn)象；④實(shí)驗(yàn)前24 h 無(wú)劇烈運(yùn)動(dòng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

Medtrack 足底壓力板（芯康生物）：測(cè)力面積400 mm×500 mm，傳感器數(shù)量：2 288 個(gè)，單點(diǎn)感應(yīng)區(qū)尺寸5 mm×5 mm，傳感器密度：4/cm2，采樣幀數(shù)100 fps。背包：尺寸38 cm×18 cm×6 cm，包重400 g，負(fù)重填充物為砝碼及沙袋。

表1 受試者基本信息Tab.1 Information of the subjects

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

本次實(shí)驗(yàn)采用右側(cè)負(fù)重，負(fù)重方式為手提式、單肩式、斜挎式，負(fù)重量根據(jù)受試者體重（Body Weight，以下簡(jiǎn)稱BW）設(shè)置，包括5%BW、10%BW、15%BW。受試者先進(jìn)行無(wú)負(fù)重測(cè)試，因此共含10 種測(cè)試條件，不同的負(fù)重方式對(duì)包帶長(zhǎng)度及位置均有控制（見(jiàn)表2）。本次實(shí)驗(yàn)在壓力板處設(shè)置6 m 步道，步道起點(diǎn)終點(diǎn)位于壓力板兩側(cè)各3 m 處。測(cè)試時(shí)要求受試者目視前方，在自然狀態(tài)下光腳從起點(diǎn)處出發(fā)，

表2 不同負(fù)重方式的控制情況Tab.2 Control of different loading modes

以左腳或右腳完全踏在壓力板上且無(wú)步伐調(diào)整為一次有效數(shù)據(jù)，每種負(fù)重條件下每側(cè)腳采集3 次有效數(shù)據(jù)。為避免疲勞的發(fā)生，要求受試者測(cè)試間充分休息。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用SPSS23.0 對(duì)不同負(fù)重位置與負(fù)重重量數(shù)據(jù)之間進(jìn)行雙因素重復(fù)測(cè)量方差分析，對(duì)同一負(fù)重位置與負(fù)重重量男女性別之間進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，左右腳之間進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，各參數(shù)均采用（平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差）表示，顯著性水平P≤0.05。

2 結(jié)果

2.1 足底壓力峰值

雙因素重復(fù)測(cè)量方差分析的結(jié)果表明：負(fù)重方式與負(fù)重重量對(duì)女性雙腳與男性右腳足底壓力峰值的交互作用沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），負(fù)重重量與負(fù)重方式顯著影響足底壓力峰值（P＜0.05）。隨著負(fù)重的增加，足底壓力峰值不斷增大，女性負(fù)重0%BW、5%BW、10%BW 和15%BW 雙腳壓力峰值兩兩之間均存在顯著差異（P＜0.05）；男性負(fù)重5%BW、10%BW 和15%BW 右腳壓力峰值顯著大于無(wú)負(fù)重（P＜0.05）；負(fù)重10%BW、15%BW 顯著大于5%BW，另外女性手提、斜挎背包與單肩背包相比左腳壓力峰值表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.05）；手提背包與單肩背包相比右腳表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.05），而男性不同背包方式右腳足底壓力峰值未表現(xiàn)出顯著性差異（P＜0.05）。

負(fù)重方式與負(fù)重重量對(duì)男性左腳足底壓力峰值的交互作用有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。單肩背包時(shí)，負(fù)重0%BW、5%BW、10%BW 與15%BW 足底壓力峰值兩兩之間存在顯著差異（P＜0.05）。手提背包時(shí)負(fù)重5%BW、10%BW 與15%BW 壓力峰值顯著大于無(wú)負(fù)重（P＜0.05）；負(fù)重10%BW 與15%BW 顯著大于5%BW（P＜0.05）。斜挎背包時(shí)負(fù)重10%BW 與15%BW 壓力峰值顯著大于無(wú)負(fù)重（P＜0.05）；負(fù)重15%BW 顯著大于5%BW（P＜0.05）。在負(fù)重15%BW 時(shí)，單肩背包壓力峰值顯著大于斜挎背包（P＜0.05）。

獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)的結(jié)果表明：男女性的足底壓力峰值在任何負(fù)重條件與負(fù)重重量下都存在顯著差異（P＜0.05）。配對(duì)樣本T檢驗(yàn)的結(jié)果表明：女性手提背包負(fù)重5%BW 左右腳足底壓力峰值存在顯著差異（P＜0.05）；男性斜挎背包負(fù)重15%BW 左右腳的足底壓力峰值存在顯著差異（P＜0.05）（見(jiàn)表3）。

表3 不同位置及負(fù)重狀態(tài)下足底壓力峰值Tab.3 Plantar peak value of force in different positions and loading conditions N

2.2 足底壓強(qiáng)峰值

雙因素重復(fù)測(cè)量方差分析的結(jié)果表明：負(fù)重方式與負(fù)重重量對(duì)男性雙腳與女性左腳足底壓強(qiáng)峰值的交互作用沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），負(fù)重重量與負(fù)重方式顯著影響足底壓強(qiáng)峰值（P＜0.05）。隨著負(fù)重的增加，足底壓強(qiáng)峰值不斷增大，男女性負(fù)重5%BW、10%BW 和15%BW 左腳壓強(qiáng)峰值顯著大于無(wú)負(fù)重（P＜0.05）；男性負(fù)重5%BW、10%BW 和15%BW 右腳壓強(qiáng)峰值也顯著大于無(wú)負(fù)重（P＜0.05）；男性負(fù)重15%BW 雙腳壓強(qiáng)峰值顯著大于5%BW（P＜0.05）；女性負(fù)重10%BW、15%BW 右腳壓強(qiáng)峰值顯著大于5%BW（P＜0.05），另外女性單肩背包與斜挎背包相比左腳表現(xiàn)出顯著差異。

負(fù)重方式與負(fù)重重量對(duì)女性右腳足底壓強(qiáng)峰值的交互作用沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。單肩背包時(shí)，負(fù)重5%BW、10%BW 與15%BW 壓強(qiáng)峰值顯著大于無(wú)負(fù)重（P＜0.05）；負(fù)重10%BW 顯著大于5%BW（P＜0.05）；負(fù)重15%BW 顯著大于10%BW（P＜0.05）。手提背包時(shí)負(fù)重10%BW 壓強(qiáng)峰值顯著大于無(wú)負(fù)重（P＜0.05）；斜挎背包時(shí)負(fù)重5%BW、10%BW 與15%BW 壓強(qiáng)峰值顯著大于無(wú)負(fù)重（P＜0.05）。在負(fù)重5%BW 時(shí)，單肩背包壓強(qiáng)峰值顯著大于手提與斜挎背包（P＜0.05）；負(fù)重15%BW 時(shí)，單肩背包壓強(qiáng)峰值顯著大于斜挎背包（P＜0.05）。

獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)的結(jié)果表明：?jiǎn)渭绫嘲?fù)重10%BW 右腳足底壓強(qiáng)峰值性別之間存在顯著差異（P＜0.05）；手提與斜挎背包負(fù)重15%BW 右腳壓強(qiáng)峰值性別之間存在顯著差異（P＜0.05）；手提背包負(fù)重5%BW 左腳壓強(qiáng)峰值性別之間存在顯著差異（P＜0.05）。配對(duì)樣本T 檢驗(yàn)的結(jié)果表明：女性單肩背包負(fù)重5%BW左右腳足底壓強(qiáng)峰值存在顯著差異（P＜0.05）；手提背包負(fù)重10%BW 左右腳的壓強(qiáng)峰值存在顯著差異（P＜0.05）（見(jiàn)表4）。

表4 不同位置及負(fù)重狀態(tài)下足底壓強(qiáng)峰值Tab.4 Plantar peak value of pressure in different positions and loading conditions kPa

3 討論

足底壓力指足與支撐地面之間相互垂直的作用力，人體足底壓力分布能夠反映足的結(jié)構(gòu)、功能和整個(gè)身體姿勢(shì)控制等情況［11］。通過(guò)分析足底壓力分布特征，可獲取人體在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的力學(xué)與機(jī)能參數(shù)［12-13］。

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)重的增加足底壓力峰值逐漸增加。女性負(fù)重5%BW、10%BW 和15%BW 與無(wú)負(fù)重相比，左腳足底壓力峰值分別增加了44.912 N、69.135 N、88.213 N，右腳足底壓力峰值分別增加了45.421 N、58.218 N、77.327 N，男性負(fù)重5%、10% 和15%BW 與無(wú)負(fù)重相比，右腳足底壓力峰值分別增加了37.232 N、79.325 N、90.538 N，說(shuō)明當(dāng)負(fù)重達(dá)到15%BW 時(shí)，足底壓力峰值的變化最大。以往關(guān)于負(fù)重背包的研究［14］發(fā)現(xiàn)，負(fù)重會(huì)使人體的足底壓力增大，過(guò)高的足底壓力會(huì)影響下肢運(yùn)動(dòng)鏈的機(jī)能，進(jìn)而引起運(yùn)動(dòng)性損傷。此外單肩背包時(shí)男女性左腳足底壓力峰值顯著大于其他負(fù)重方式，主要原因是單肩背包時(shí)負(fù)重物在右側(cè)，這會(huì)使身體和負(fù)重物的總質(zhì)心向右發(fā)生偏移，此時(shí)人體會(huì)通過(guò)身體左傾來(lái)調(diào)整總質(zhì)心的位置。

足底壓力峰值受性別因素的影響表現(xiàn)出不同特征，男性有無(wú)負(fù)重足底壓力峰值均顯著大于女性。前人的研究［3］指出足底各部位壓力之和主要反映體重以及身體前進(jìn)動(dòng)力之和，因?yàn)槟信陨砀唧w重等因素本身存在一定差距，所以在性別上表現(xiàn)出顯著性差異。但是國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者［15-19］認(rèn)為男女性足底壓力分布并無(wú)不同，歸其原因，我們認(rèn)為這可能與種族差異或者生活習(xí)性相關(guān)，也有可能來(lái)源于儀器的差異以及實(shí)驗(yàn)誤差所致。

男性斜挎背包負(fù)重15%BW 右腳壓力峰值顯著大于左腳，趙功赫［20］指出斜挎背包時(shí)由于背包固定在髂棘位置，骨盆向負(fù)重側(cè)側(cè)傾，下肢力線繼而發(fā)生變化，Simpson 等［6］也得出相似的結(jié)論，他們認(rèn)為隨著負(fù)重重量的增加，受試者會(huì)改變步態(tài)以減弱下肢沖擊力。斜挎背包時(shí)雖然肩帶在右側(cè)，但重量卻主要施加在左側(cè)，當(dāng)右腳進(jìn)入單支撐階段骨盆左傾最大，此時(shí)人體通過(guò)增加身體右傾角度使身體和負(fù)重物總質(zhì)心投射到右足支撐面內(nèi)。所以建議盡量不要選擇斜挎背包，因?yàn)樾笨姹嘲鼤?huì)改變?nèi)梭w下肢力線，增加髖膝踝關(guān)節(jié)和肌肉的負(fù)荷，造成下肢重力分布不對(duì)稱，進(jìn)而易產(chǎn)生不良體態(tài)等。

足底壓強(qiáng)峰值是特定區(qū)域內(nèi)所受地面反作用力最大部位中單位面積的作用力值［21］，壓強(qiáng)峰值作為反映足底壓力分布的重要指標(biāo)，其大小和部位對(duì)于防止足底疲勞的積累和損傷的發(fā)生具有重要影響，因此運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)與生物力學(xué)專家們對(duì)相關(guān)足底壓強(qiáng)的疾病與損傷機(jī)制十分關(guān)注［22-23］。

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)重的增加足底壓強(qiáng)峰值逐漸增加，負(fù)重5%BW、10%BW、15%BW 與無(wú)負(fù)重相比，男性左腳足底壓強(qiáng)峰值分別增加了30.223 kPa、34.123 kPa、40.832 kPa，右腳增加了23.323 kPa、34.065 kPa、39.657 kPa，女性左腳足底壓強(qiáng)峰值分別增加了16.421kPa、28.032 kPa、30.245 kPa，當(dāng)負(fù)重達(dá)到15%BW時(shí)，足底壓強(qiáng)峰值的變化最明顯，過(guò)大的壓強(qiáng)極易對(duì)足底造成損傷［24-25］。此外女性單肩背包負(fù)重15%BW右腳壓強(qiáng)峰值顯著大于斜挎背包，以往的研究［26］表明負(fù)重會(huì)使足與地面接觸時(shí)間變長(zhǎng)，加之單肩背包時(shí)身體和負(fù)重物的總質(zhì)心會(huì)向右偏移，故右腳壓強(qiáng)峰值大于左腳。張立寧等［27］研究表明足長(zhǎng)時(shí)間過(guò)度使用，體重增加及大量走路等會(huì)促使足底筋膜炎的發(fā)生，因此建議女性背包負(fù)重盡量控制在15%BW 以內(nèi)。

單側(cè)負(fù)重足底壓強(qiáng)峰值在性別上存在一定差異，總體男性壓強(qiáng)峰值大于女性。在行走過(guò)程中，足與地面接觸面積對(duì)壓強(qiáng)峰值的影響較大，足底壓強(qiáng)等于垂直壓力比接觸面積，因此足底壓強(qiáng)與體質(zhì)量有關(guān)。Cavanagh 等［28］與王明鑫［4］的研究表明足底壓強(qiáng)峰值與體質(zhì)量呈正相關(guān)，張慶來(lái)［29］的研究又表明體質(zhì)量與身高呈正相關(guān)，身高與足的接觸面積呈正相關(guān)，故男女性未負(fù)重時(shí)足底壓強(qiáng)峰值并未表現(xiàn)出顯著性差異，但在單肩背包負(fù)重10%BW 與手提背包負(fù)重5%BW 時(shí)，男性壓強(qiáng)峰值顯著大于女性，這與李國(guó)強(qiáng)［26］的研究結(jié)果一致。

女性手提背包負(fù)重10%BW 左右腳足底壓強(qiáng)峰值存在顯著不對(duì)稱。Fryzowicz 等［30］指出在自然行走過(guò)程中，人體會(huì)將重心從雙腳圍成的支撐面過(guò)渡到單腳支撐面中，為了調(diào)節(jié)并保持身體重心在支撐面的位置，身體會(huì)左右傾斜。手提背包時(shí)因背包負(fù)重在右側(cè)，當(dāng)進(jìn)入右支撐階段，為了維持平衡和穩(wěn)定，軀干會(huì)向右傾斜，這使得右側(cè)壓強(qiáng)峰值高于左側(cè)。單肩背包時(shí)人們會(huì)習(xí)慣性將手放在包上并使背包貼近身體，這在一定程度上增加身體穩(wěn)定性，但我們發(fā)現(xiàn)女性單肩負(fù)重5%BW 左右腳壓強(qiáng)峰值存在明顯不對(duì)稱，隨著負(fù)重的加大反而未出現(xiàn)不對(duì)稱狀況。我們猜測(cè)這可能與實(shí)驗(yàn)安排有關(guān)，本次實(shí)驗(yàn)是以小負(fù)重在前，當(dāng)進(jìn)行大負(fù)重時(shí)受試者已適應(yīng)單肩背包的平衡機(jī)制。

負(fù)重足底壓力的特征差異很大，且受諸多因素的影響。要準(zhǔn)確反映負(fù)重對(duì)于足底壓力的影響，還需要擴(kuò)大樣本量的深入研究，同時(shí)對(duì)足底壓力的分布規(guī)律進(jìn)行探討，深入了解足部疾病的產(chǎn)生機(jī)理，預(yù)防可能帶來(lái)的足部損傷。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)不同位置及負(fù)重狀態(tài)下足底壓力分布特征進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）在右側(cè)負(fù)重行走過(guò)程中，男性足底壓力峰值與壓強(qiáng)峰值總體高于女性；

（2）就雙腳的對(duì)稱性而言，女性手提背包負(fù)重10%BW 雙腳的壓強(qiáng)峰值不對(duì)稱，男性斜挎背包負(fù)重15%BW 雙腳壓力峰值不對(duì)稱，建議女性負(fù)重達(dá)到10%BW 選用單肩與斜挎背包，男性負(fù)重達(dá)到15%BW選用手提與單肩背包；

（3）就性別差異而言，男性單肩背包負(fù)重15%BW 左腳壓力峰值大于斜挎背包，女性單肩背包負(fù)重15%BW 右腳壓強(qiáng)峰值大于斜挎背包，建議女性負(fù)重達(dá)到15%BW 選用手提與斜挎背包，男性負(fù)重達(dá)到15%BW 選用手提與斜挎背包；

（4）女性負(fù)重盡量控制在10%BW，男性盡量控制在15%BW，另外可根據(jù)需求有針對(duì)性選擇背包。