7歲肥胖男童正常行走步態(tài)的生物力學(xué)研究

張少偉

(東北師范大學(xué)體育學(xué)院，吉林長春 130024)

7歲肥胖男童正常行走步態(tài)的生物力學(xué)研究

張少偉

(東北師范大學(xué)體育學(xué)院，吉林長春 130024)

研究肥胖兒童正常行走時(shí)的步態(tài)特征，對(duì)了解其運(yùn)動(dòng)方式和肥胖引起兒童足部結(jié)構(gòu)的變化特點(diǎn)具有重要意義。采用三維攝像，對(duì)30名7歲肥胖男童與30名正常男童行走時(shí)步態(tài)進(jìn)行比較研究。結(jié)論:肥胖兒童與正常兒童相比，行走時(shí)一個(gè)步態(tài)周期時(shí)間的絕對(duì)值上顯著性增大;肥胖兒童單步長、步頻以及步速均低于正常兒童，而步寬值比正常兒童寬;下肢關(guān)節(jié)角度活動(dòng)范圍表明肥胖兒童蹬伸不充分;足步向角度，表明肥胖組為典型的外八字步態(tài)。

肥胖;兒童;步態(tài);生物力學(xué);行走

肥胖是當(dāng)今世界面臨的一個(gè)重要的健康問題，其中最引人注意的是兒童青少年人群肥胖率逐年增加。肥胖這種疾病會(huì)導(dǎo)致兒童身體、心理、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等方面的不良后果［1］。兒少時(shí)期的肥胖，通常會(huì)引起一系列的生理疾病，例如高膽固醇血［2］、血脂異常和高血壓［3］、骨骼發(fā)育異常［4］、內(nèi)分泌失常［5］等疾病，導(dǎo)致兒童青少年體質(zhì)下降，健康受損［6］;另一方面，肥胖也會(huì)造成兒童青少年社會(huì)心理及情緒發(fā)展的障礙，如抑郁和低自尊、體型意識(shí)不滿和心理扭曲等心理疾病［7］，因此，肥胖所造成的健康問題不容忽視。

目前有關(guān)肥胖對(duì)骨骼肌肉和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的影響，肥胖人群的步行方式以及足底壓力變化，肥胖人群的姿勢控制等方面仍舊了解甚少。因此還不能更好地科學(xué)指導(dǎo)肥胖兒童的健身運(yùn)動(dòng)。通過對(duì)肥胖男童與正常群體步態(tài)的研究，揭示該人群正常行走時(shí)的步態(tài)、足底壓力分布、姿勢控制方式等特點(diǎn)，以期為肥胖對(duì)兒童步態(tài)帶來的影響提供科學(xué)量化的理論參考。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

選擇長春市吉大子弟小學(xué)60名7歲男童為研究對(duì)象，其中30名正常體重男孩為正常組(BMI范圍是18.5～24.9)，30名肥胖兒童為肥胖組(BMI≥28)，BMI的分類標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格按照中國肥胖工作組制定的標(biāo)準(zhǔn)［8］。所有受試者身體健康，所有受試者經(jīng)詢問和檢查均無足部畸形，異常步態(tài)和足部外傷史，無任何神經(jīng)與肌肉系統(tǒng)疾病，以及可能對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生限制的疾病。受試者均被告知實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟⒔?jīng)過監(jiān)護(hù)人同意。肥胖通過BMI指數(shù)來確定，BMI=體重(kg)/身高2(m):正常體重組BMI范圍是18.5～24.9，25≤BMI≤27.9為超重，BMI≥28為肥胖。

表1 受試者基本情況一覽表

注:*表示實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組相比P≤0.05。

1.2 研究方法

1.2.1 主要測試儀器 對(duì)于肥胖兒童的篩選，采用歐姆龍HN-282型電子體重計(jì)，測量受試者的身高和體質(zhì)量。使用2臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)(panasonic DP 200)同步進(jìn)行三維錄像拍攝。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用美國艾里爾(Ariel Dynamics)公司生產(chǎn) The APAS System運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行數(shù)字處理，并對(duì)原始數(shù)據(jù)平滑處理。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)流程 在室內(nèi)體育館內(nèi)設(shè)置工作區(qū)域，設(shè)定兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)相距12m，標(biāo)志點(diǎn)間為測試區(qū)域，受試者進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性訓(xùn)練，要求裸足隨意行走。待其適應(yīng)后，以常速自然行走進(jìn)入測試區(qū)。同時(shí)使用2臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)(A、B)，采集此時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，攝像機(jī)鏡頭高度70cm，拍攝頻率為50幀/秒，距離測試區(qū)域7m。每名受試者左右足各完成3次。

1.2.3 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法使用spss12.0按常規(guī)方法計(jì)算各指標(biāo)的平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差以外，對(duì)相關(guān)變量進(jìn)行雙因素方差分析，多重比較采用lsd法檢驗(yàn)，顯著性水平為0.05;圖形圖表的制作選用Excel軟件和SigmaPlot 11.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理制作。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 肥胖兒童步態(tài)的時(shí)間參數(shù)特征

表2為肥胖男童與正常兒童自然行走時(shí)一個(gè)步態(tài)周期的時(shí)間構(gòu)成情況。與正常兒童相比，肥胖組在一個(gè)步態(tài)周期時(shí)間的絕對(duì)值上要顯著性增大(P＜0.01)。分析一個(gè)步態(tài)周期時(shí)間的構(gòu)成，發(fā)現(xiàn)兩組之間在擺動(dòng)期絕對(duì)值無顯著性差異，主要差異表現(xiàn)在支撐期時(shí)間上，肥胖兒童比正常兒童擁有更大的支撐時(shí)間(P＜0.01)，同時(shí)支撐時(shí)相占整個(gè)步態(tài)周期的百分比也顯著增加(P＜0.01)。分析支撐期的構(gòu)成發(fā)現(xiàn)，雙支撐期的絕對(duì)值和雙支撐時(shí)間占支撐期的百分比，肥胖兒童都顯著高于正常兒童(P＜0.01)。隨著負(fù)重量的增大而明顯上升。肥胖兒童顯示了較長的雙支撐時(shí)間以及較高的雙支撐時(shí)相百分比(雙支撐時(shí)相占全周期的比值)(P＜0.01)。

表2 兩組測試對(duì)象步態(tài)周期及支撐期和擺動(dòng)期占一個(gè)步態(tài)周期百分比的比較(%)

可見，在自然行走狀態(tài)下，肥胖兒童在一個(gè)步態(tài)周期的時(shí)間參數(shù)上與正常兒童不同，主要表現(xiàn)在一個(gè)步態(tài)周期時(shí)間增大，支撐時(shí)間延長，其中單支撐時(shí)間顯著性減小，雙支撐時(shí)間顯著性增大，這和以往的一些研究成果相一致。肥胖兒童的這種步態(tài)時(shí)間結(jié)構(gòu)的變化，主要是由于肥胖兒童擁有更大的體重，為了維持身體的穩(wěn)定性和對(duì)姿勢的控制，因此，他們在行走過程中延長了支撐時(shí)間，尤其雙支撐時(shí)間。

2.2 肥胖兒童步態(tài)的空間參數(shù)特征

行走時(shí)左右足跟(或趾尖)間的縱向距離稱為單步長，以往的研究［9－10］已經(jīng)證實(shí)，單步長與身高顯著相關(guān)。在本研究中，肥胖兒童與正常兒童相比，身高并沒有顯著性差異(表1)，但正常行走時(shí)肥胖組步長值要略低于正常兒童，為了消除身高對(duì)步長的影響，取相對(duì)步長值指標(biāo)(步長/身高)發(fā)現(xiàn)肥胖組的相對(duì)步長值要顯著性低于正常組值(P＜0.05)。在步頻值上，肥胖兒童的步頻要低于正常兒童(P＜0.01)，分別為(56.13±1.23)步/分和(61.85±1.82)步/分，這與Hills等的測試結(jié)果相一致。由于步長、步頻是決定步速的綜合因素，因此，任何一個(gè)變量的變化都會(huì)引起另外一個(gè)變量有相應(yīng)的變化，本實(shí)驗(yàn)并沒有強(qiáng)制兒童按照固定的速度行走，而是讓其采用日常所習(xí)慣的行進(jìn)速度前行，以便觀察兒童在自然行走狀態(tài)下其步態(tài)的變化情況。結(jié)果表明，肥胖兒童其自然行走的步速要略低于正常組兒童，兩者相差0.11m/s，差異顯著(P＜0.01)，這表明肥胖兒童自然行走時(shí)選擇較為緩慢的速度，而步速緩慢主要是由于步頻緩慢所導(dǎo)致的。

表3 兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)象行走時(shí)一些空間參數(shù)特征比較

在步寬值上，和正常兒童相比，肥胖兒童也有較大差異。肥胖兒童行走時(shí)步寬值比正常兒童寬3.11cm，呈非常顯著性差異(P＜0.01)，這也是導(dǎo)致肥胖兒童步長值略低于正常兒童的主要原因。肥胖兒童步寬的這種變化，主要是由于肥胖兒童的體重較大，為了保證在行進(jìn)過程中姿勢的穩(wěn)定性，必然會(huì)通過步寬的變化來加大支撐面積以維持穩(wěn)定。另外，肥胖的兒童在體型上也與正常兒童有較大差異，通常肥胖兒童往往下肢粗大，日常行走時(shí)，其兩腿之間很難并攏，這種體型導(dǎo)致肥胖兒行走步寬比正常兒童高。但是如果步寬值過大的話，就會(huì)在橫向產(chǎn)生無效分力的作用，導(dǎo)致身體的左右搖晃幅度增大，這對(duì)兒童長時(shí)間行走也是不利的，容易產(chǎn)生過多的無效能量消耗。另外，步寬過寬的話，則需要足弓的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生較大的相對(duì)下陷來緩沖力量，維持足部的穩(wěn)定性，長時(shí)間行走，則導(dǎo)致脛骨后肌群肌肉容易疲勞，同時(shí)足部穩(wěn)定功能低下導(dǎo)致足部的損傷。

2.3 下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍

從髖關(guān)節(jié)角度在支撐期中的變化情況來看，肥胖兒童在自然行走過程中，其髖關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍與正常兒童相比，呈下降趨勢(P＜0.05)，這種角度的差異，可能與肥胖兒童多余的體重有關(guān)。由于肥胖兒童較正常兒童具有較大的體重，其邁步相對(duì)正常兒童要短，因此，其髖關(guān)節(jié)的屈曲幅度也要比正常兒童小。從支撐期膝關(guān)節(jié)角度變化情況看(圖1)，肥胖兒童行走時(shí)膝關(guān)節(jié)最小值(即最大緩沖角度)較正常兒童下降明顯(P＜0.05)，盡管膝關(guān)節(jié)的最大值也有輕微的降低，但是肥胖兒童膝關(guān)節(jié)角度變化范圍24.36°±5.39°顯著高于正常兒童17.39°±8.65°(P＜0.01)，這主要是由于肥胖兒童具有較大的體重，在行走時(shí)，有一定的主動(dòng)的屈膝動(dòng)作，膝關(guān)節(jié)和大腿的肌群在屈膝過程中，充當(dāng)了減震器的作用，以便更好地進(jìn)行下肢的緩沖，防止運(yùn)動(dòng)損傷和著地時(shí)刻過大的沖擊力量，同時(shí)也有助于維持身體的穩(wěn)定性。但由于肥胖組膝角在蹬離地面時(shí)候小于正常組，也說明在蹬伸時(shí)膝關(guān)節(jié)并未完全伸直，導(dǎo)致其下肢蹬伸不充分。肥胖組踝關(guān)節(jié)角度活動(dòng)范圍在整個(gè)支撐期中有了非常顯著性的降低(P＜0.01)，即踝關(guān)節(jié)的屈曲程度大幅度降低，背屈的減少，也會(huì)導(dǎo)致單步長的減小，蹬地向前的分力減少，降低力向前的動(dòng)力效率。

表4 測試對(duì)象支撐期下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍(單位:°)

圖1 測試對(duì)象支撐期下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍

2.4 足步向角的變化

足步向角即人體正常行走過程中，當(dāng)足著地時(shí)，足中線與矢狀軸所成夾角，即腳與行走方向中線所形成的角度該指標(biāo)是判斷肥胖兒童與正常兒童步態(tài)差異的一個(gè)有意義的指標(biāo)。從圖2中可見，肥胖兒童的足步向角度平均為19.76°± 4.18°，而正常兒童的足步向角度則為11.25°±4.42°，兩者之間相差8.51°，差異十分顯著(P＜0.01)，可見，肥胖兒童組為典型的外八字步態(tài)。造成肥胖兒童這種步態(tài)的主要原因與其體重有直接關(guān)系，肥胖兒由于體重較大，在行走過程中，身體重心在橫向的穩(wěn)定性較低，因此，肥胖兒童通過足的外展來增大下肢的支撐面積，以提高行進(jìn)過程中身體的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。但這種步態(tài)容易導(dǎo)致肥胖兒童足用力不是向前，降低了蹬伸的效果。同時(shí)，這種八字步態(tài)也是導(dǎo)致行走時(shí)步長降低的一個(gè)主要原因，另外較大的足步向角容易導(dǎo)致行走時(shí)膝關(guān)節(jié)的過度外展，長時(shí)間行走會(huì)引起膝關(guān)節(jié)的疼痛，進(jìn)而易誘發(fā)骨性膝關(guān)節(jié)炎。

圖2 兩組測試對(duì)象足向角度比較圖

3 結(jié)論

1)肥胖兒童與正常兒童相比，行走時(shí)一個(gè)步態(tài)周期時(shí)間的絕對(duì)值上顯著增大(P＜0.01)。其中擺動(dòng)期絕對(duì)值無差異，支撐時(shí)間增加(P＜0.01)，同時(shí)支撐時(shí)相占整個(gè)步態(tài)周期的百分比也顯著增加(P＜0.01)，雙支撐期的絕對(duì)值和雙支撐時(shí)間占支撐期的百分比，肥胖兒童都顯著高于正常兒童(P＜0.01)。

2)肥胖兒童與正常兒童相比，單步長、步頻以及步速均低于正常兒童，而步寬值比正常兒童寬3.11cm，呈非常顯著差異(P＜0.01)。

3)在著地時(shí)刻，肥胖組髖關(guān)節(jié)角度、踝關(guān)節(jié)角度顯著高于正常組(P＜0.01);離地時(shí)刻膝關(guān)節(jié)角度和踝關(guān)節(jié)角度顯著降低，結(jié)合下肢關(guān)節(jié)角度活動(dòng)范圍表明肥胖兒童蹬伸不充分。而肥胖兒童足步向角度平均為19.76°±4.18°，表明肥胖組為典型的外八字步態(tài)。

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Biomechanics Characteristics of Walking Gait of 7-year-old Obesity Children

ZHANG Shaowei
(Sports School，Northeast Normal University，Changchun 130024，Jilin，China)

It is of great significance to study obese children’s normal walking gait characteristics and to understand their sport way and change of children’s foot structure caused by obesity．The author，using three-dimensional camera system，carried out a comparative study on walking gait of 30 obese boys who are seven years old and 30 normal boys who are seven years old．The conclusions are that compared with normal children，obese children’s walking gait cycle time has a significant increase;obese children’s step length and stride frequency and walking speed are lower than those of normal children，while the step width value is wider than that of normal children;As for lower limb joint angle range of activities，obese children’s kicking stretch is not sufficient;with the angle of foot gait，obese children show a typical outward gait of toes．

obesity;children;gait;biomechanics;walking

G804.6

A

1004－0560(2012)04－0076－03

2012-03-15;

2012-04-18

吉林省科技廳社科基金研究課題，2012年社會(huì)發(fā)展領(lǐng)域科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(20120417)。

張少偉(1956－)，男，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)轶w育教育訓(xùn)練學(xué)。

責(zé)任編輯:喬艷春

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