不同背包重量及其重心位置對(duì)靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性的影響

吳金龍，陸阿明

(蘇州大學(xué) 體育學(xué)院,江蘇 蘇州 215006)

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·運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)·

不同背包重量及其重心位置對(duì)靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性的影響

吳金龍，陸阿明

(蘇州大學(xué) 體育學(xué)院,江蘇 蘇州 215006)

摘要：研究目的：比較不同背包重心位置及重量對(duì)于人體靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性的影響，為預(yù)防背包負(fù)重導(dǎo)致的摔倒提供理論依據(jù)。研究方法：選取13名青年學(xué)生作為研究對(duì)象，自然站立于力臺(tái)(Kistler)上，分別測(cè)試背包重量為0%、10%、20%身體重量(BW)以及背包重心位置為上背、中背、下背的足底壓力中心(COP)動(dòng)搖，采用雙因素重復(fù)測(cè)量方差分析來(lái)確定不同背包重量和不同背包重心位置對(duì)COP動(dòng)搖各指標(biāo)影響的主效應(yīng)以及交互效應(yīng)。研究結(jié)果：背包重量對(duì)于COP動(dòng)搖各指標(biāo)主效應(yīng)都顯著(P<0.05)。上背時(shí)，背包負(fù)重相比0%BW，COP動(dòng)搖各項(xiàng)指標(biāo)都顯著性增加(P<0.05)，中背和下背時(shí)負(fù)重相比于0%BW主要導(dǎo)致人體在左右方向動(dòng)搖增加(P<0.05)。背包重心位置對(duì)姿勢(shì)穩(wěn)定性各項(xiàng)指標(biāo)的主效應(yīng)都不顯著(P>0.05)。結(jié)論：背包重心位置對(duì)靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性沒(méi)有顯著性影響，背包重量導(dǎo)致姿勢(shì)動(dòng)搖增加，上背時(shí)負(fù)重增加導(dǎo)致人體前后、左右都不穩(wěn)定，而中背和下背時(shí)負(fù)重增加只影響左右方向的姿勢(shì)穩(wěn)定性，應(yīng)盡量減少背包負(fù)重的重量，推薦中背和下背背包，或者變背包為拉桿包。

關(guān)鍵詞：背包重量；背包重心位置；足底壓力中心；姿勢(shì)動(dòng)搖

背包作為最有效率的運(yùn)輸方式之一，廣泛應(yīng)用于孩子上學(xué)、休閑旅行、軍事行軍、成年人上下班、工人搬運(yùn)等，調(diào)查顯示：大多數(shù)學(xué)生背包重量超過(guò)自身體重的10%[1,2]，士兵背包重量達(dá)到了50kg[3]，娛樂(lè)旅行背包重量范圍在8~35kg[4]。背包作為外加負(fù)荷作用于人體能夠影響人體靜態(tài)站立姿勢(shì)穩(wěn)定性[5, 6]，靜態(tài)站立姿勢(shì)穩(wěn)定性與平衡密切相關(guān)，穩(wěn)定性變差就很容易導(dǎo)致摔倒。雖然背包負(fù)重出現(xiàn)在行走這一動(dòng)態(tài)的過(guò)程，但是這一動(dòng)態(tài)的過(guò)程都是從失去平衡的靜止站立狀態(tài)開(kāi)始的，所以研究背包負(fù)重的靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性是很有必要[7]。

目前，有關(guān)背包的研究主要集中于步態(tài)[8,9]、生理[10-12]、主觀反應(yīng)[13,14]等，研究背包負(fù)重對(duì)于靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性的影響相對(duì)較少。Goh等人[15]認(rèn)為背包能夠增加人的穩(wěn)定性，因?yàn)樗黾恿巳撕桶@一系統(tǒng)的慣性，SAKO等人[7]也發(fā)現(xiàn)隨著背包重量的增加，人體穩(wěn)定性增加。但是，Heller等人[16]選取了平均年齡為20歲的女性大學(xué)生為研究對(duì)象，對(duì)比分析無(wú)負(fù)重和背包負(fù)重為18.1kg時(shí)的靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性，負(fù)重相比無(wú)負(fù)重時(shí)姿勢(shì)動(dòng)搖更大，身體越不穩(wěn)定。Rugelj[17]和Schiffman[3]等人也發(fā)現(xiàn)隨著背包負(fù)荷的增加，姿勢(shì)動(dòng)搖更大。除此之外，背包重心位置也影響姿勢(shì)的穩(wěn)定性，在實(shí)際生活中，我們發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生喜歡將背包放置在腰部，而休閑旅行者喜歡將包背在背的上部[14]，大約33.6%和30.6%的士兵將他們的背包放置在下背和上背部[18]。Xingda等人[19]通過(guò)將雙肩背包放置在人體質(zhì)心(COM)處和COM上15%的身高處發(fā)現(xiàn)，背包放置越高于COM，姿勢(shì)擺動(dòng)越大，身體越不穩(wěn)定。Rosker等人[6]也發(fā)現(xiàn)隨著人體質(zhì)心的升高，姿勢(shì)動(dòng)搖增加。以上關(guān)于背包對(duì)于靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性的研究主要從單個(gè)因素出發(fā)，同時(shí)研究不同背包重心位置和不同背包重量的不多，并且研究結(jié)論存在矛盾，對(duì)于背包重心位置和背包重量的設(shè)定缺乏對(duì)生活中的實(shí)際參考。因此，本文綜合研究不同背包重心位置及重量對(duì)于人體靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性的影響，為預(yù)防背包負(fù)重導(dǎo)致的摔倒提供理論依據(jù)，并且為背包的位置提供推薦。

1材料與方法

1.1　受試者

選取13名蘇州大學(xué)體育學(xué)院學(xué)生，受試者基本信息見(jiàn)表1，受試者BMI均在正常范圍內(nèi)，年齡、身高選擇盡量相差較小，以減少這些無(wú)關(guān)因素對(duì)姿勢(shì)穩(wěn)定性的影響[20,21]。所有受試者身體健康狀況良好，無(wú)神經(jīng)肌肉失調(diào)、下肢損傷、背部疼痛或者影響平衡能力的損傷。

±s)

1.2　數(shù)據(jù)收集

每個(gè)受試者背包采用自制的雙肩包(見(jiàn)圖1)，背包框架重3Kg，可以通過(guò)增加啞鈴片來(lái)調(diào)節(jié)背包重量，分別測(cè)試背包重量為10%、20%BW時(shí)的姿勢(shì)穩(wěn)定性，將背包的重心分別放置在背部三種不同的位置，即下背：背包重心平第4腰椎(L4)，中背：背包重心平第11胸椎(T11)，上背：背包重心平第5胸椎(T5)。背包重心確定采用懸垂法，并且添加背包重量都是對(duì)稱的。兩種背包重量和三種背包重心位置組成六次實(shí)驗(yàn)情況，再加上0%BW的測(cè)試，每個(gè)受試者進(jìn)行七次靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用隨機(jī)原則。

測(cè)試時(shí)，要求受試者安靜站立于力臺(tái)(瑞士Kistler)上，雙腳并攏，雙臂自然放于身體兩側(cè)，目視前方2m處‘‘X’’[17]，待受試者安靜站于力臺(tái)上后，收集70s的數(shù)據(jù)，采樣頻率為1 000Hz，去除前5s和后5s來(lái)避免不穩(wěn)定的影響，為消除疲勞的影響，每次測(cè)試后休息2min。原始數(shù)據(jù)經(jīng)導(dǎo)出后導(dǎo)入Matlab7.0，運(yùn)用自編的程序進(jìn)行分析，分析的指標(biāo)包括：②COP包絡(luò)面積(Area)，②COP在前后(AP)、左右(ML)方向位移的均方根值(RMSx、RMSy)，③COP在AP、ML方向最大的偏移(Mx、My)。COP包絡(luò)面積是由COP所有外圍的邊界圍成，被認(rèn)為是判定姿勢(shì)穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)[22]。位移的均方根值與姿勢(shì)控制中心的有效性或者是穩(wěn)定性相關(guān)[23,24]。COP在最大偏移指AP、ML方向最遠(yuǎn)點(diǎn)之間的距離，偏移越大、姿勢(shì)穩(wěn)定性越差。

1.3　數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)的整理、分析使用軟件Microsoft excel2003、SPSS18.0結(jié)合進(jìn)行，各數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用雙因素重復(fù)測(cè)量方差分析(ANOVA)來(lái)確定不同背包重量(0%、10%、20%BW)和不同背包高度(上背、中背、下背)對(duì)COP動(dòng)搖各指標(biāo)的主效應(yīng)以及它們的交互作用，若主效應(yīng)顯著則進(jìn)行事后檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α為0.05。

圖1　背包20%BW測(cè)試

圖2　60s的COP動(dòng)搖連線圖

2研究結(jié)果

不管是20%BW還是10%BW的背包負(fù)重，靜態(tài)姿勢(shì)的動(dòng)搖較0%BW均有顯著增加。雙因素重復(fù)測(cè)量方差分析表明背包重量對(duì)于姿勢(shì)穩(wěn)定性各指標(biāo)都有顯著的主效應(yīng)：Area(F(2)=6.53，P=0.005) ，Mx(F(2)=4.04，P=0.032)，My(F(2)=10.32，P=0.001)，RMSx (F(2)=5.67，P=0.01)，RMSy(F(2)=7.36，P=0.003)，事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：高背時(shí)，相對(duì)于0%BW，20%BW在上背時(shí)對(duì)姿勢(shì)穩(wěn)定性的指標(biāo)Area、Mx、My、RMSx、RMSy分別提高了47.5%、33.7%、29.2%、32.4%、18%(見(jiàn)圖3)，相對(duì)于10%BW，20%BW在Area、Mx、RMSx分別提高了32.2%、29.6%、33.2%。中背時(shí)，相對(duì)于0%BW，20%、10%BW在My分別提高了16.8%、23.8%(見(jiàn)圖3c)，其他指標(biāo)未見(jiàn)顯著性差異。下背時(shí)20%BW相對(duì)于0%BW在指標(biāo)My、RMSy分別提高了18.8%、14.9%(見(jiàn)圖3ce)。事后檢驗(yàn)表明20%BW相對(duì)于10%、0%BW以及10%BW相對(duì)于0%BW能顯著增加身體在AP、ML方向的動(dòng)搖。

背包重心高度對(duì)姿勢(shì)穩(wěn)定性各指標(biāo)的主效應(yīng)都不顯著(P>0.05)，其中: Area(F(2)=0.59，P=0.512) ，Mx(F(2)=2.901，P=0.088)，My(F(2)=1.15，P=0.33)，RMSx (F(2)=2.99，P=0.075)，RMSy(F(2)=0.21，P=0.76)，表明背包高度對(duì)姿勢(shì)擺動(dòng)無(wú)顯著性影響。

背包重量與背包重心高度的交互效應(yīng)對(duì)姿勢(shì)穩(wěn)定性各指標(biāo)的的影響分別為：Area(F(2)=1.63，P=0.197) ，Mx(F(2)=1.79，P=0.181)，My(F(2)=1.171，P=0.332)，RMSx (F(2)=3.34，P=0.028)，RMSy(F(2)=0.218，P=0.890)。其中，交互效應(yīng)中只有RMSx有顯著性差異，進(jìn)行簡(jiǎn)單效應(yīng)分析后發(fā)現(xiàn)，交互效應(yīng)只出現(xiàn)在上背，事后檢驗(yàn)表明上背時(shí)20%BW的RMSx值顯著大于0%BW(P=0.001)和10%BW(P=0.001)，說(shuō)明AP方向的靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性在上背時(shí)顯著受背包重量的影響。

圖3　不同背包重心位置和不同背包重量對(duì)Area、Mx、My、RMSx、RMSy的影響(相比較0%BW，* p<0.05,** P<0.01，相比較10%BW，# P<0.05，## P<0.01)

3討論

3.1　背包負(fù)重增加姿勢(shì)擺動(dòng)

3.1.1上背導(dǎo)致姿勢(shì)不穩(wěn)。穩(wěn)定性是指在沒(méi)有改變支撐面的情況下維持或者恢復(fù)垂直站立狀態(tài)平衡的能力[23]，反映姿勢(shì)穩(wěn)定性最常用的方法是用力臺(tái)來(lái)測(cè)試壓力中心(COP)的動(dòng)搖[25](見(jiàn)圖2)，COP動(dòng)搖越大說(shuō)明姿勢(shì)穩(wěn)定性越差。背包負(fù)重作為外加載荷作用于人體，改變了身體質(zhì)心的位置，為了對(duì)抗這種外加阻力的作用，保持身體平衡及穩(wěn)定，人的身體姿勢(shì)必然也會(huì)做出相應(yīng)調(diào)整。Heller等人[16]研究了負(fù)重18.1kg與無(wú)負(fù)重時(shí)年輕女性受試者的姿勢(shì)動(dòng)搖發(fā)現(xiàn)，COP動(dòng)搖的各指標(biāo)都增加了50%以上。另外，研究發(fā)現(xiàn)COP動(dòng)搖隨著背包重量增加而成直線的增加[3,17]。本研究中，背包處于上背時(shí)，20%BW的背包重量相比于0%BW和10%BW顯著增加了COP在A-P、M-L方向的動(dòng)搖(見(jiàn)圖1)，姿勢(shì)動(dòng)搖增加說(shuō)明人體重心在向支撐面的邊界靠近從而導(dǎo)致摔倒的可能。有研究顯示，姿勢(shì)動(dòng)搖增加對(duì)于社區(qū)老年人摔倒具有指示的作用[26]，COP動(dòng)搖越大，越容易摔倒。

“倒鐘擺理論”認(rèn)為人體的穩(wěn)定性與COM距離支撐面的高度成負(fù)相關(guān)[27,28]，COM位置越高，穩(wěn)定性越低。增加背包重量提高了人體COM位置[28]，從而導(dǎo)致COP動(dòng)搖更大。在一般情況下，機(jī)體通過(guò)調(diào)節(jié)踝關(guān)節(jié)來(lái)維持COP在站立面之內(nèi)，人在靜態(tài)站立時(shí)，增加背包重量導(dǎo)致身體靜態(tài)站立時(shí)角加速度增加，為了抵消這一角加速度，踝關(guān)節(jié)肌肉產(chǎn)生較大的凈肌力矩和較大的凈肌力矩變化率，增加的凈肌肉力矩導(dǎo)致的肌肉力量與肌力不穩(wěn)定密切相關(guān)[29,30]，增加的凈肌力矩、凈肌力矩變化率、肌力不穩(wěn)定共同導(dǎo)致了靜態(tài)站立時(shí)COP動(dòng)搖的增加，進(jìn)而引起姿勢(shì)不穩(wěn)定性增加。

人類站立姿勢(shì)天生就是不穩(wěn)定的，是通過(guò)整合來(lái)自視覺(jué)、本體感覺(jué)、前廳感覺(jué)信號(hào)來(lái)維持的[31]，任何影響感覺(jué)系統(tǒng)或者反饋機(jī)制的因素都會(huì)影響站立的穩(wěn)定性和平衡。20%BW和10%BW的背包負(fù)重導(dǎo)致肌肉激活方式發(fā)生變化，從而影響人體的本體感覺(jué)，引起姿勢(shì)穩(wěn)定性的反饋機(jī)制發(fā)生變化，為了避免失去平衡，任何遠(yuǎn)離平衡位置的偏移都需要機(jī)體來(lái)調(diào)整以回到平衡位，從而導(dǎo)致了COP動(dòng)搖的增加。除此之外，背包負(fù)重增加了心血管系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致心率增加和呼吸改變來(lái)適應(yīng)負(fù)荷，內(nèi)臟器官活動(dòng)導(dǎo)致COP的動(dòng)搖增加[32]。

3.1.2中背和下背只導(dǎo)致ML方向不穩(wěn)定。本研究中背包處于中背和下背時(shí)，20%BW背包重量相比0%BW顯著增加了My、RMSy(見(jiàn)圖3ce)，導(dǎo)致COP在ML方向動(dòng)搖增加，COP在ML方向動(dòng)搖增加容易導(dǎo)致摔倒。Pilwon 等人[33]研究了消防員使用的不同大小的呼吸罐對(duì)姿勢(shì)控制的影響，他們發(fā)現(xiàn)9.1kg的呼吸罐只導(dǎo)致ML方向動(dòng)搖增加，而對(duì)AP方向動(dòng)搖沒(méi)有影響。Winter[34]認(rèn)為靜態(tài)姿勢(shì)動(dòng)搖在ML方向的控制機(jī)制不同于AP方向，調(diào)節(jié)采用“負(fù)荷-無(wú)負(fù)荷策略”。在靜態(tài)站立時(shí)，AP方向穩(wěn)定性調(diào)節(jié)主要通過(guò)踝關(guān)節(jié)的伸肌和屈肌，而ML方向由于踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻肌和外翻肌不夠強(qiáng)大而不能產(chǎn)生足夠的平衡力矩，導(dǎo)致ML方向穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)的主要通過(guò)髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收肌和外展肌。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)中的觀察以及文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，背包負(fù)重導(dǎo)致身體前傾[35]，踝關(guān)節(jié)背屈，踝關(guān)節(jié)背屈拉長(zhǎng)了踝關(guān)節(jié)跖屈肌群，使跖屈肌群繃緊[36]，繃緊的跖屈肌群產(chǎn)生的力量來(lái)補(bǔ)償背包負(fù)重產(chǎn)生的破壞穩(wěn)定的力矩，從而調(diào)節(jié)AP方向的姿勢(shì)穩(wěn)定，而ML方向卻沒(méi)有此調(diào)節(jié)。

3.2　背包高度對(duì)姿勢(shì)動(dòng)搖影響不顯著性

背包重心高度改變直接導(dǎo)致人體重心位置發(fā)生變化，基于人體靜態(tài)站立時(shí)的“倒鐘擺模型”推測(cè)，人體通過(guò)腳底的COP來(lái)調(diào)整COM[28]，在這一模型中對(duì)于COM在水平方向的加速， COP和它是成比例的[28]，COM位置越高，COP動(dòng)搖越大。SAKO等人[7]比較了背包重量分別為23、33、43kg以及背包位置為背部三種高度下的姿勢(shì)穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)背包位置越低、COP軌跡長(zhǎng)度越短，姿勢(shì)越穩(wěn)定。Rosker等人[6]將重物系在腰間和舉在肩上，并且計(jì)算人體COM的變化的高度發(fā)現(xiàn)，COM從自然位置升高5.4cm和13.5cm導(dǎo)致COP擺動(dòng)的指標(biāo)呈線性上升。Xingda等人[19]也發(fā)現(xiàn)背包位置相對(duì)于COM越高，COP動(dòng)搖越大。

本文將背包重心位置分為三個(gè)高度，分別平L4、T11、T5，每個(gè)高度測(cè)試了0%、10%、20%BW背包負(fù)重時(shí)的姿勢(shì)穩(wěn)定性，背包負(fù)重的重量模擬年輕學(xué)生平時(shí)負(fù)重重量，其中， 10%BW背包重量為6.65kg左右，20%BW背包重量為13.12kg左右，而SAKO等人研究的背包重量最低是23kg，重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本實(shí)驗(yàn)中20%BW的背包重量，本實(shí)驗(yàn)中背包重量過(guò)低可能是導(dǎo)致背包重心位置對(duì)于姿勢(shì)穩(wěn)定性影響不顯著的原因。

4結(jié)論

4.1背包高度對(duì)靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性沒(méi)有顯著性影響，背包重量導(dǎo)致姿勢(shì)擺動(dòng)增加，靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性變差，上背負(fù)重時(shí)導(dǎo)致人體前后、左右都不穩(wěn)定，而中背和下背負(fù)重只影響左右方向的姿勢(shì)穩(wěn)定性。

4.2雖然背包高度對(duì)于靜態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性沒(méi)有顯著性影響，但上背背包相對(duì)于中背和下背背包不僅導(dǎo)致了左右方向的不穩(wěn)定，還造成了前后方向的穩(wěn)定性變差，因此推薦中背和低背。

4.3背包重量顯著增加姿勢(shì)動(dòng)搖，造成穩(wěn)定性變差，建議應(yīng)盡量減少背包負(fù)重的重量，或者變背包為拉桿包。

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The Effect of Different Backpack Weight and Its Center of Gravity on Static Posture Stability

WU Jin-long,LU A-ming

(PE College, Suzhou University, Suzhou 215006, China)

Abstract:Objective: This study compared the different center of gravity position (CGP) and weight of the backpack to affect the body's static posture stability, and provide a theoretical basis to prevent fall that backpack load caused. Methods: 13 healthy male subjects performed a quiet stance balance task on the force platform (Kistler) with the backpack to measure centre of pressure (COP) excursions. The weight were 0%、10%、20% of the body weight(BW)and the different CGP position were upper,middle,lower on the back. A two-way repeated measures ANOVA was used to test the different backpack weight and position on body sway parameters of the main effects and interaction effects. Results:There was a significant effect of the backpack weight on the COP excursions (P<0.05).When the backpack on the upper back, compared to 0%BW, backpack load significantly increased COP excursions (P<0.05). When the CGP of the backpack on the middle and lower back, backpack load only increased medial-lateral COP excursions (P<0.05). CGP of the backpack had no significant effects on COP excursions (P>0.05). Conclusion:Center of gravity position of the backpack had no significant effects on postural sway. Backpack load increased postural sway. When the CGP of backpack on the upper back, the increased backpack weight led to postural sway in the anterior-posterior and medial-lateral direction. But when CGP of the backpack on the middle and lower back, the increased backpack weight led to postural sway in the medial-lateral direction. So we recommended that we should try to reduce the weight of the backpack load and place the backpack on the middle and lower back, or change backpack for the trolley bag.

Key words:backpack weight；backpack center of gravity；COP；postural sway

中圖分類號(hào):G804.64

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-3624(2016)01-0101-06

作者簡(jiǎn)介：吳金龍(1989-)，男，在讀碩士研究生，研究方向：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué).

收稿日期：2015-11-02

基金項(xiàng)目：江蘇省學(xué)術(shù)碩士創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYLX151269)