試論不同負(fù)重下懸浮背包對(duì)下肢生物力學(xué)分析研究進(jìn)展

當(dāng)前背包行走、跑步是非常常見的生活方式，背包負(fù)重過大會(huì)對(duì)人體造成一些影響。近年有國外科技公司提出“懸浮背包”，本研究將通過對(duì)不同背包負(fù)重下生物力學(xué)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜述，探究出不同負(fù)重的背包對(duì)人體姿勢與步態(tài)的生物力學(xué)方面的影響，研究結(jié)果能為新型背包設(shè)計(jì)、改良提供科學(xué)依據(jù)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 前言

背包在現(xiàn)今人們的日常生活中扮演著重要的角色。背包作為一種外來載荷作用于人體，將會(huì)改變?nèi)梭w質(zhì)心位置，而影響人體負(fù)重的有關(guān)內(nèi)部因素有年齡、性別、身體機(jī)能、體能訓(xùn)練等，外部因素有負(fù)重量、負(fù)重方式、行走速度以及背包舒適性等，不可抗因素包括溫度、濕度、地形、坡度等。

但是過長時(shí)間的負(fù)重載荷將會(huì)導(dǎo)致一系列的肌肉骨骼系統(tǒng)疾病。因此更多研究人員開始研究負(fù)重載荷以及負(fù)重方式對(duì)人體帶來的影響，以達(dá)到不斷調(diào)節(jié)姿勢、減少疲勞、降低損傷風(fēng)險(xiǎn)的目的。因此對(duì)于負(fù)重載荷以及負(fù)重方式的影響研究對(duì)于當(dāng)前中小學(xué)生、士兵出行、登山訓(xùn)練人員等需要攜帶背包出行之人影響深刻。

2 有關(guān)負(fù)重行走的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究

影響負(fù)重行走的因素包括負(fù)重載荷、負(fù)重方式、行走速度等。這些因素既影響著運(yùn)動(dòng)的時(shí)空特征，如速度、加速度、軌跡等，包括步態(tài)的改變，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)的改變，重心的變化等影響，進(jìn)而導(dǎo)致肩部疲勞、腰背部損傷、膝關(guān)節(jié)疼痛、足部受損伸直應(yīng)力性骨折等。

2.1 相關(guān)步態(tài)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究

人體在負(fù)重過程中由于負(fù)重量，載物方式等一些因素的影響，會(huì)改變支撐相和擺動(dòng)相來維持身體的穩(wěn)定，由于支撐相和擺動(dòng)期的比例增加或降低，擺動(dòng)腿加速或減速落地，勢必會(huì)造成步長的增加或減小，因而這些變化使人體更加動(dòng)態(tài)的維持步行平衡體系。

Chow研究了22名正常女性在0%、7.5%、10.0%、12.5%和15.0%體重的背包負(fù)荷下的步態(tài)特征，結(jié)果顯示隨著背包負(fù)荷的增加，步行速度和步頻顯著降低，而雙支撐時(shí)間增加。

對(duì)于整個(gè)人體系統(tǒng)而言，負(fù)重下行走也會(huì)影響關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)的改變，進(jìn)而導(dǎo)致一些肌肉骨骼系統(tǒng)上的相關(guān)疾病。

馬淑慧等以6名女性為受試者，采用不同重量的負(fù)重 5%、10%和15%的自身體重進(jìn)行無負(fù)重和三種負(fù)重形式的 1min 行走。結(jié)果表明，在不同負(fù)重方式下，不同負(fù)重載荷均對(duì)身體的平衡和協(xié)調(diào)能力有顯著性影響。Birrell認(rèn)為負(fù)荷的增加使得膝關(guān)節(jié)屈伸和骨盆旋轉(zhuǎn)的活動(dòng)范圍降低，但髖關(guān)節(jié)內(nèi)收外展和旋轉(zhuǎn)范圍顯著增加進(jìn)而導(dǎo)致骨盆更加傾斜。Attwells采用三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)對(duì)20名男性士兵進(jìn)行了矢狀面運(yùn)動(dòng)分析。測量踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、股骨、軀干和頭顱椎的角度和時(shí)空參數(shù)。表明了膝關(guān)節(jié)和股骨的活動(dòng)范圍隨著負(fù)荷的增加而增加。顱椎角減小，表明頭部在負(fù)重時(shí)位置更向前。因此頭部與軀干協(xié)同工作，以平衡負(fù)荷。Huang在行走過程中，懸浮背包工作狀態(tài)下的髖關(guān)節(jié)屈曲和伸展角度峰值明顯低于懸浮背包鎖定狀態(tài)時(shí)的表現(xiàn)和普通背包狀態(tài)下的髖關(guān)節(jié)屈曲和伸展角度峰值。在步行過程中，懸浮背包條件下站立階段的膝關(guān)節(jié)屈曲角度峰值明顯低于其他兩種條件。

2.2 關(guān)于負(fù)重行走時(shí)身體重心的研究

當(dāng)前關(guān)于負(fù)重行走的時(shí)空參數(shù)的變化從上述學(xué)者們的研究中可知：在負(fù)重條件下行走，隨著負(fù)重載荷、負(fù)重方式、行走速度、行走距離等的不同，軀干以及四肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度會(huì)有顯著性變化。在人們行走時(shí)，不僅關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)會(huì)隨著上述因素變化外，人體行走時(shí)的重心活動(dòng)也會(huì)隨之變化。

Vlutters等研究了10名受試者以0.63m/s和1.25m/s的速度行走過程中，接受不同程度的中外側(cè)和前后骨盆擾動(dòng)后，平衡恢復(fù)時(shí)重心的變化，結(jié)果顯示腳跟撞擊處的質(zhì)量中心的速度與隨后的腳趾脫離處的壓力中心位置呈線性關(guān)系，因此，動(dòng)作的時(shí)機(jī)可能在擾動(dòng)恢復(fù)過程中起重要作用。Menz 等認(rèn)為，當(dāng)在不規(guī)則表面行走時(shí)，受試者能夠保持他們的速度，但采用了更慢和更可變的節(jié)奏和顯得更長的步幅。因此，人體必須改變行走的步態(tài)以保持平衡，適應(yīng)載荷的施加。

因此，在負(fù)重下行走時(shí)負(fù)重行走過程中，人體質(zhì)量的中心大多數(shù)時(shí)間都是出于身體支撐之外，因此人們不得不調(diào)整姿勢以維持身體平衡。

3 有關(guān)負(fù)重行走的動(dòng)力學(xué)研究

由于負(fù)重作用下，日常行走運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)力的傳導(dǎo)作用，可將載荷從椎骨傳遞至下肢、足部，進(jìn)而最終傳遞給地面。而力在運(yùn)動(dòng)過程中至關(guān)重要。針對(duì)負(fù)重行走時(shí)地面反作用力和足底壓力的變化情況，相關(guān)學(xué)者近年來已經(jīng)做了大量研究。

3.1 關(guān)于地面反作用力的影響

步行時(shí)的蹬離期是向地面給予了作用力，推動(dòng)人體向前運(yùn)動(dòng)。但當(dāng)人體承受的地面反作用力過強(qiáng)時(shí)，會(huì)造成下肢肌肉骨骼系統(tǒng)的損傷。因此國內(nèi)外許多學(xué)者開始研究負(fù)重行走時(shí)的地面反作用力變化情況。

王俊清等利用Kistler三維測力臺(tái)收集了9名受試者在12周訓(xùn)練后穿不同鞋對(duì)地面反作用力的影響，其研究表明不同鞋條件之間的沖擊力峰值沒有顯著差異，穿著仿裸足鞋可以顯著增大最大負(fù)載率。Lam以6名佩戴足弓支架的男性為受試者并以不同的斜度（0°、3°、6°）進(jìn)行跑步，其研究表明隨著坡度的增加，垂直沖擊峰值顯著降低。Castro等研究了步態(tài)節(jié)奏對(duì)年輕人負(fù)重時(shí)地面反作用力和足底壓力的影響，探討了當(dāng)慢節(jié)奏（70步/min）和（120步/min）下無負(fù)重行走和負(fù)重行走的關(guān)系，其研究結(jié)果表明當(dāng)受試者在快節(jié)奏下行走時(shí)，足跟、足前部以及足趾處的前后和垂直方向上的地面反作用力更大，并且足底壓力峰值更大。而Dames研究了12名受試者在四種條件下（裸足不負(fù)重、穿鞋負(fù)重、裸足負(fù)重和穿鞋負(fù)重）以1.5m/s的速度行走時(shí)地面反作用力的變化情況，其研究表明，裸足行走減少了前后向地面反作用力的峰值，但對(duì)于垂直地面反作用力峰值影響不大。Kellis等研究了四種狀態(tài)（無背包、低部位背包、高部位背包以及手提包）對(duì)18名兒童地面反作用力的影響，其結(jié)果表明手提包對(duì)于地面反作用力影響最大，并且建議通過調(diào)整肩帶的位置可減少書包對(duì)身體平衡的影響。

3.2 關(guān)于足底壓力的影響

當(dāng)人體自然站立時(shí)，雙腳各部位的地面反作用力占體質(zhì)量的百分比情況相差不大。由于受自身生理?xiàng)l件影響和個(gè)人生活習(xí)慣影響，使得不同人產(chǎn)生的足底壓力也有不同。

Keijsers研究表明對(duì)于前掌疼痛的受試者，第二跖骨和第三跖骨下的壓力-時(shí)間積分和平均壓力明顯較大。并且對(duì)腳前掌疼痛分類的表現(xiàn)說明，前掌疼痛與足底壓力分布的關(guān)系大于與固定位置壓力絕對(duì)值的關(guān)系。而Bus以23名患有糖尿病足患者為受試者進(jìn)行足底壓力的測試，其結(jié)果表明：足底壓力分析是一個(gè)有效的工具，通過其進(jìn)行評(píng)估和指導(dǎo)鞋的修改，可以顯著降低壓力的神經(jīng)性糖尿病足。Yung研究了鞋跟高度分別為1.0cm（平）、5.1cm（低）和7.6cm（高）對(duì)足底壓力的影響，結(jié)果表明，隨著腳跟高度的增加，步行時(shí)的沖擊力、前掌內(nèi)側(cè)壓力和感覺不適感均增加。高跟鞋鞋跟杯墊有效地降低了鞋跟壓力和沖擊力，足弓支撐墊降低了前掌內(nèi)側(cè)壓力，提高了鞋的舒適性。特別是，TCI減少了25%的足跟壓力和24%的前掌內(nèi)側(cè)壓力，減少了33.2%的沖擊力，并提供了更高的舒適感。

在臨床上步態(tài)壓力特征可以反映多種肌骨系統(tǒng)疾病，如膝關(guān)節(jié)炎、骨折術(shù)后等疾病，在運(yùn)動(dòng)康復(fù)中可以設(shè)計(jì)合理舒適的鞋/鞋墊、假肢等來提高人體舒適程度，促進(jìn)病人康復(fù)或提高運(yùn)動(dòng)員成績。因此針對(duì)于足底壓力的研究顯得尤為重要。

4 有關(guān)負(fù)重行走的肌肉活動(dòng)研究

當(dāng)人體進(jìn)行周期性的運(yùn)動(dòng)時(shí)，相關(guān)肌肉會(huì)產(chǎn)生周期性的收縮-放松運(yùn)動(dòng)，因此就會(huì)產(chǎn)生周期性的電信號(hào)（動(dòng)作電位）。表面肌電信號(hào)可以記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉活動(dòng)的電脈沖，現(xiàn)在已經(jīng)作為一種可視、無創(chuàng)、安全、簡單的測量肌肉活動(dòng)的依據(jù)。因此，肌電信號(hào)作為臨床醫(yī)學(xué)診斷，康復(fù)醫(yī)學(xué)，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)領(lǐng)域常常采用的方法，現(xiàn)在國內(nèi)外有許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。

Hong研究了兒童長時(shí)間負(fù)重下對(duì)于肌肉活動(dòng)和疲勞的影響，結(jié)果表明，身體重量15%的負(fù)重下當(dāng)步行達(dá)到15min時(shí)，下斜方肌的肌肉活動(dòng)顯著性增高。因此為了避免疲勞，建議兒童背包負(fù)重不超過15%，且步行時(shí)間不超過20min。Liu等探討背包負(fù)荷對(duì)斜坡行走時(shí)腿部肌肉活動(dòng)的影響，10名男性以1.11 m/s的速度在不同等級(jí)的斜坡上（等級(jí)：0、3、5和10°）背負(fù)不同的負(fù)荷（負(fù)重：0、10、20和30 kg）進(jìn)行行走時(shí)，隨著荷載質(zhì)量和坡度的增加，尤其是在10°坡度下行走時(shí)，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)伸肌的平均肌電信號(hào)普遍上升。

Simpso 等在背包負(fù)荷對(duì)女性徒步者長時(shí)間負(fù)重時(shí)下肢肌肉活動(dòng)模式的影響研究中表明：15名女性負(fù)載四種不同載荷行走超過8千米時(shí)，脛骨前肌疲勞明顯，表明在長時(shí)間的遠(yuǎn)足過程中，該肌肉的功能作用可能受到損害。并且隨著負(fù)荷質(zhì)量的增加，股外側(cè)肌、半腱肌和腓腸肌的肌電信號(hào)也隨之增加來維持下肢穩(wěn)定性和幫助減震。然而，僅在參與者攜帶40%體重負(fù)荷時(shí)股外側(cè)肌和股二頭肌共同激活的顯著變化才明顯，這表明攜帶40%體重負(fù)荷可能改變膝關(guān)節(jié)負(fù)荷并造成損傷風(fēng)險(xiǎn)。因此作者建議負(fù)重載荷為30%的自身重量時(shí)，才能更好的降低女性休閑遠(yuǎn)足者進(jìn)行約8公里長時(shí)間遠(yuǎn)足時(shí)的受傷風(fēng)險(xiǎn)并且最大限度地減少下肢肌肉激活模式的變化。

5 有關(guān)負(fù)重行走的能量消耗研究

負(fù)重行走作為比較常見的運(yùn)動(dòng)行為，是構(gòu)成日常生活能量消耗的重要部分。不同環(huán)境，不同運(yùn)動(dòng)模式，不同的身體機(jī)能狀態(tài)所需的能量具有差異?，F(xiàn)目前常用的測量能量消耗的方法是氣體代謝測試，因此在當(dāng)前背景下，許多學(xué)者利用氣體代謝法測定人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量消耗來探討運(yùn)動(dòng)中的能耗。

Berryman等研究了老年人步行和跑步機(jī)代謝能量消耗的比較，年齡為65-83歲的老年人以不同速度（0.67，0.89，1.11，1.33和1.67m/s）行走，結(jié)果表示老年人在跑步機(jī)上行走要比在地面上行走需要更多的代謝能量。Marcus等研究了分級(jí)步行和非分級(jí)慢跑對(duì)于心率、氣體代謝、自覺疲勞的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明慢跑試驗(yàn)產(chǎn)生的心率明顯高于步行試驗(yàn)。證明了在分級(jí)步行和非分級(jí)慢跑時(shí)，自覺疲勞量表的數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生類似的心血管和代謝反應(yīng)。結(jié)果表明，對(duì)于一個(gè)給定的自覺疲勞等級(jí)，慢跑提供了一個(gè)更大的刺激健身效益和熱量消耗。Greiwe等研究步行和慢跑時(shí)的能量消耗，認(rèn)為當(dāng)跑步機(jī)大于等于8.8km/h的慢跑相比，步行時(shí)的耗氧率、每英里的能量消耗以及心率明顯增高。岳書芳比較超重成年女性走和跑的攝氧量和能量消耗，其結(jié)果顯示，速度為7.0km/h時(shí)，超重人員和體重正常人員健步和跑步相比，單位體重凈能量消耗、凈能量消耗、心率和RPE均明顯較高，即與跑相比健步走消耗的能量更多。速度為6.0km/h時(shí)，超重人員和體重正常人員跑步的凈能量消耗均明顯高于健步走，即與健步走相比跑消耗的能量更多。

因此對(duì)于不同負(fù)重狀態(tài)下探究負(fù)重行走的能量消耗對(duì)了解運(yùn)動(dòng)與健康的關(guān)系、制定個(gè)性化運(yùn)動(dòng)處方而言都十分重要，對(duì)提供科學(xué)的運(yùn)動(dòng)建議和改善健康有著重要的意義。

6 有關(guān)懸浮系統(tǒng)負(fù)載背包的研究

為了減輕負(fù)荷，人們嘗試了許多方法。一些研究人員設(shè)計(jì)了外骨骼，將載荷傳遞到地面。然而外骨骼系統(tǒng)作為機(jī)械承擔(dān)負(fù)重比較麻煩，受試者在登山越野等復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)較為困難。因此一些學(xué)者開發(fā)了一種帶有主動(dòng)和被動(dòng)模塊的可穿戴的上肢裝置，它可以將部分背包載荷從肩部傳遞到骨盆，降低代謝成本，并且可以潛在地降低肌肉骨骼損傷和肌肉疲勞的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)于在運(yùn)動(dòng)時(shí)負(fù)重在背部的移動(dòng)，懸掛式背包可以減少負(fù)重相對(duì)于地面的垂直移動(dòng)，從而降低作用在佩戴者身上的動(dòng)態(tài)峰值力，降低佩戴者在運(yùn)動(dòng)過程中的代謝成本。因此一些研究人員已經(jīng)建立了彈簧-質(zhì)量-阻尼器模型來評(píng)估懸架系統(tǒng)的性能。與普通剛性負(fù)載相比，降低負(fù)重減震系統(tǒng)的固有頻率和阻尼可以有效增加人體在負(fù)重時(shí)的穩(wěn)定性。

Hoover和Meguid的研究發(fā)現(xiàn)，與典型的徒步旅行包相比，懸浮負(fù)載背包可以顯著減少背包的峰值負(fù)載，同時(shí)以較快的步行速度承載較大的負(fù)載。但是由于背包和步行者之間的同相振蕩，懸浮負(fù)載背包在低負(fù)載情況下的性能較差。因此Keren研究了定時(shí)離合器在懸浮背包上的能量消耗和運(yùn)動(dòng)周期的穩(wěn)定性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，彈性的懸浮背包與剛性系統(tǒng)下的普通背包相比，可以顯著降低能耗。Li等認(rèn)為在懸浮背包的共振頻率附近，能量消耗增加，并且隨著速度和負(fù)重載荷的增加，能量消耗變化更為顯著。

因此隨著國內(nèi)外學(xué)者對(duì)懸浮系統(tǒng)背包的研究不斷深入，攜帶懸浮背包在不同負(fù)重下進(jìn)行不同形式運(yùn)動(dòng)也變得更加流行。

基金項(xiàng)目：本論文系江蘇省省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目基金，項(xiàng)目編號(hào)：202010330015Z。

（作者單位：南京體育學(xué)院）