不同負(fù)重條件對健康人步態(tài)影響的研究進(jìn)展

蔣立崢 馬玉寶，2※

負(fù)重行走是日常生活中常見的步行方式，外加負(fù)荷會使人體重心位置偏移，破壞原有的動態(tài)平衡［1］。長時間負(fù)重行走使得下肢肌肉處于疲勞狀態(tài)，對涉及姿勢控制的感覺輸入和運(yùn)動輸出產(chǎn)生負(fù)面影響［2］。步態(tài)模式的改變也會降低人體在行走過程中保持適當(dāng)軀干位置的能力，增加不穩(wěn)定性和跌倒的風(fēng)險［3］。此外，負(fù)重行走會導(dǎo)致足底及下肢關(guān)節(jié)受力異常，易導(dǎo)致下肢應(yīng)力性骨折、足部水皰、膝蓋疼痛、下背痛、腰椎間盤突出等損傷［4～8］。近年來，與負(fù)重行走相關(guān)的研究得到了廣泛開展，不同負(fù)重部位及負(fù)重量均會對步態(tài)產(chǎn)生不同影響，負(fù)重條件改變下的步行姿勢及步態(tài)調(diào)整被認(rèn)為存在客觀規(guī)律［9～12］。

不同狀態(tài)下步行時的步態(tài)特征不僅是康復(fù)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，還可被廣泛應(yīng)用于體育鍛煉、假肢設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。分析其變化規(guī)律，可為糾正步態(tài)提供指導(dǎo)，對選擇合適負(fù)重方式、減少損傷風(fēng)險具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。本文就不同負(fù)重條件對人體步態(tài)的影響進(jìn)行了總結(jié)及分析。

1.步態(tài)分析基本參數(shù)

步態(tài)分析通過運(yùn)動學(xué)和生物力學(xué)等手段，對人體步行狀態(tài)及一般規(guī)律進(jìn)行分析，揭露異常步態(tài)時相及引發(fā)因素的科學(xué)［13］。目前，國內(nèi)外步態(tài)研究及分析主要涉及運(yùn)動學(xué)參數(shù)、動力學(xué)參數(shù)以及肌電活動參數(shù)［14］。

運(yùn)動學(xué)參數(shù)指步行中與時間、距離及角度相關(guān)的一系列參數(shù)，涵蓋關(guān)節(jié)角度、跨步特征、時空參數(shù)等多方面概念?；緯r空參數(shù)包括步長、步幅、步頻、步行時相等，其中步長、步頻和步速是步態(tài)分析中最常用的三大要素，常用于反映受試者的步行能力［15］，步寬和雙支撐相則更緊密地反映平衡控制能力［16］。動力學(xué)參數(shù)包括步行中的作用力、反作用力強(qiáng)度、方向和時間等。對地面反作用力（ground reaction force，GRF）的測定，可以反映步行中支撐側(cè)下肢的負(fù)重和離地、驅(qū)動和制動能力，以及側(cè)方負(fù)重能力與穩(wěn)定性。肌電活動參數(shù)指積分肌電、平均肌電、平均功率頻率等參數(shù)，反映各肌肉的動態(tài)肌電活動及其與步態(tài)各時相的關(guān)系，也是步態(tài)分析的重要環(huán)節(jié)。

2.不同部位負(fù)重對步態(tài)的影響

目前研究中常見的負(fù)重方式主要有以下四種形式：單側(cè)負(fù)重、雙側(cè)負(fù)重、前側(cè)負(fù)重及后側(cè)負(fù)重。外加負(fù)荷改變了人體運(yùn)動中心（center of motion，COM）位置，負(fù)重部位不同會對姿勢和步態(tài)產(chǎn)生不同的影響。

2.1 單、雙側(cè)負(fù)重對步態(tài)的影響 單側(cè)負(fù)重會使得姿勢不對稱，導(dǎo)致肌肉骨骼的變化，從而引起步態(tài)改變。而雙側(cè)負(fù)重將重量平均分配至雙肩，是一種更舒適的負(fù)重方式［17］。Abaraogu等［18］研究了25 位健康成人在三種測試條件（無負(fù)重、單肩負(fù)重和雙肩負(fù)重）下，攜帶15%體重（body weight，BW）負(fù)荷行走6分鐘的步行規(guī)律。結(jié)果顯示，單側(cè)負(fù)重和雙側(cè)負(fù)重對步態(tài)無顯著影響，但會增加軀體壓力和疲勞感。

Wang等［19］研究了19 位健康成人雙側(cè)和單側(cè)分別負(fù)重20%體重時的步態(tài)特點(diǎn)。每種負(fù)重條件下，受試者均以最舒適的速度行走90秒，對最后30 秒的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，20%體重雙側(cè)或單側(cè)負(fù)重會使雙支撐相時長增加一倍。此外，20%體重單側(cè)負(fù)重在不穩(wěn)定平面行走時，非負(fù)重側(cè)下肢雙支撐比變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）、ML COP偏移CV和ML COP速度CV顯著增高。這反映了行走過程中步態(tài)不一致、姿勢穩(wěn)定性降低，此時人體通過非負(fù)重側(cè)下肢的姿勢控制調(diào)整步態(tài)，維持穩(wěn)定性，但其研究采用手負(fù)重的方式，由于負(fù)重限制上肢擺動進(jìn)而對步態(tài)造成的影響也要考慮在內(nèi)。張露芳等［20］研究發(fā)現(xiàn)，單肩負(fù)重下左側(cè)脛前肌肌電信號平均振幅斜率小于右側(cè)，中位頻率斜率大于右側(cè)，表明單肩負(fù)重條件下，右側(cè)脛前肌較左側(cè)更易疲勞。此外，單肩背包下足底壓力中心（centre of pressure，COP）曲線紊亂程度較高，步態(tài)缺乏穩(wěn)定性。但是其研究未明確說明單側(cè)負(fù)重具體為哪一側(cè)，或是兩側(cè)都進(jìn)行了測量，因此難以對結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步討論。

綜上所述，短時間、短距離負(fù)重不會對步態(tài)產(chǎn)生明顯影響，負(fù)重量達(dá)到20%體重時，人體會通過增加雙支撐相時長以維持步態(tài)穩(wěn)定性。相同條件下，單側(cè)負(fù)重對步態(tài)調(diào)整的要求更高，雙支撐相時長增加更明顯，且需要非負(fù)重側(cè)下肢進(jìn)行姿勢控制以維持步態(tài)穩(wěn)定。雖然張露芳等人的研究存在局限，但其研究同時提出高重心軟腰墊的組合可以更好地減輕下肢疲勞。Knapik等［21］研究發(fā)現(xiàn)，位于腰臀位置的背包重心高度對緩解行走疲勞效果更好。趙美雅［12］等研究發(fā)現(xiàn)，將重物同比例放置于背包左下和右上空間比傳統(tǒng)負(fù)重方式更有利于降低對心率和血壓的影響。但這些研究都存在受試者較少、受試者主觀反饋占比較大的問題，關(guān)于背部負(fù)重時重心位置對人體的影響值得更加細(xì)致地研究和探討。

2.2 軀干前側(cè)負(fù)重及后側(cè)負(fù)重對步態(tài)的影響 Roberts等［22］對29名健康成人在軀干前側(cè)負(fù)重（0%，5%體重，10%體重）步行1分鐘過程中的足底壓力進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，前后壓力中心位移及平均COP 速度隨著負(fù)重量的增加而增加。負(fù)重10%體重時，跨步差異（步長、跨步時間）顯著增加。負(fù)荷大小對步行周期和步長的變異性有顯著影響，但不影響平均步長和雙支撐時間。先前研究報道，軀干后負(fù)重會增加步寬及雙支撐相時長，但不會增加步幅長度的可變性［23］。Rodrigues［24］等對比分析了21 位健康成人前側(cè)負(fù)重和后側(cè)負(fù)重的行走特點(diǎn)，受試者分別負(fù)重10%體重和20%體重，以最舒適的速度步行4分鐘。結(jié)果顯示，無論是前側(cè)負(fù)重還是后側(cè)負(fù)重，20%體重均較10%體重需要更高的動態(tài)穩(wěn)定性，且前側(cè)負(fù)重步行時，人體在中外側(cè)的穩(wěn)定性明顯下降。這與Qu和Yeo的研究結(jié)果一致［23，25］。步態(tài)異常［26］及姿勢搖擺［27］會增加跌倒的風(fēng)險，擺臂可以提高步行時的平衡能力［28］，前側(cè)負(fù)重限制手臂擺動，位于身體前部的物體也可能會阻礙視線，進(jìn)而影響步態(tài)穩(wěn)定性。背側(cè)負(fù)重可以解放雙手，讓上肢自由活動，有利于維持步態(tài)穩(wěn)定。

3.不同負(fù)重量對步態(tài)的影響

3.1 不同負(fù)重量對步態(tài)時空參數(shù)的影響

3.1.1 不同負(fù)重量對健康兒童步態(tài)時空參數(shù)的影響：先前已有大量關(guān)于兒童背包負(fù)重行走特點(diǎn)的研究，各研究針對合適背包負(fù)重量所提出的建議，從10%體重到20%體重不等［29～31］。但各研究結(jié)果均顯示，隨負(fù)重量增加單支撐相時長降低，雙支撐相時長增加，因?yàn)檫@樣可以更好地分配負(fù)重量，保持姿勢的穩(wěn)定性，將肌肉骨骼系統(tǒng)的疲勞降至最小。與靜態(tài)站立相比，軀干在動態(tài)條件下的前向傾斜程度更高，表明人體在靜態(tài)和動態(tài)條件下的平衡策略存在差異。

在最新的研究中，Ahmad等［32］評估了7 名小學(xué)生負(fù)重步行的情況。結(jié)果顯示，負(fù)重會降低受試兒童的步速，增加雙支撐相時長，對步幅等沒有顯著影響。Orantes 等［31］對49 名學(xué)生的負(fù)重行走過程進(jìn)行了三維步態(tài)分析，其研究結(jié)果顯示與無負(fù)重步行相比，受到影響最大的關(guān)節(jié)是骨盆和脊柱，二者向前彎曲以補(bǔ)償重心的向后移動，髖、膝、踝關(guān)節(jié)受到的影響依次減小。研究也顯示負(fù)重時胸部和下半身之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動會減少，以保證動態(tài)穩(wěn)定性。由于其研究僅測試了1 分鐘內(nèi)的步態(tài)參數(shù)，因此不排除長時間負(fù)重下會對步態(tài)產(chǎn)生更明顯影響的可能性。陳建軍［33］對中學(xué)生在不同背包負(fù)重量下步態(tài)參數(shù)的變化進(jìn)行了研究。通過量化步長、步頻、跨步長、步速參數(shù)，發(fā)現(xiàn)其均與非負(fù)重條件時無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。而隨著負(fù)重量的增加，受試者同樣出現(xiàn)了擺動相百分比下降而支撐相百分比上升的情況。具體見表1。

表1 不同負(fù)重量對健康兒童步態(tài)時空參數(shù)的影響

盡管短時間負(fù)重下步態(tài)的時空參數(shù)沒有變化，但其他研究報告指出，急性生理反應(yīng)傾向于增加，如心血管和呼吸適應(yīng)［34］。

3.1.2 不同負(fù)重量對健康成人步態(tài)時空參數(shù)的影響：趙功赫等［35］研究發(fā)現(xiàn)，健康成人在負(fù)重步行時，隨著負(fù)重量增加，步長減小、步速下降、步寬增大、步頻上升。此外，研究發(fā)現(xiàn)人體會通過延長支撐相、增加膝關(guān)節(jié)屈曲角度以及減少身體重心在垂直方向的運(yùn)動幅度，來保持行走過程中的動態(tài)穩(wěn)定性。Birrell等［36］研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)重量增加可增加髖關(guān)節(jié)內(nèi)收／外展、骨盆傾斜的范圍，但膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動和骨盆旋轉(zhuǎn)范圍明顯降低。具體見表2。

表2 不同負(fù)重量對健康成人步態(tài)時空參數(shù)的影響

綜上所述，無論是兒童還是成人，在負(fù)重行走時，隨著負(fù)重量增加都會出現(xiàn)擺動相百分比下降而支撐相百分比上升的情況。原理可能是軀干負(fù)重量增大，支撐側(cè)下肢需要更大的工作能力以推動整個身體質(zhì)量運(yùn)動，這會增加肌肉工作負(fù)荷，降低身體穩(wěn)定性。而擺動側(cè)下肢時沒有負(fù)重，動作相對容易完成，受試者為了保持固定的行走速度，擺動腿迅速前擺著地，導(dǎo)致步長相應(yīng)縮短。增大步寬可以增加支撐面積，提高步態(tài)穩(wěn)定性。此外，人體通過增加踝、膝關(guān)節(jié)力矩來降低重心在上下方向的擺動幅度，以保持步態(tài)穩(wěn)定性。為了減少由于軀干負(fù)重的增加所造成的沖擊力對關(guān)節(jié)的損傷，在支撐相主要通過增大膝關(guān)節(jié)的屈曲角度，來有效地吸收沖擊。

此外，通過整理這些研究可以發(fā)現(xiàn)，研究對象的年齡、職業(yè)、負(fù)重量、步行速度及測試時長對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很大。受試者鞋碼數(shù)是否相差較大，單雙側(cè)背包測試順序等實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)也影響結(jié)果。這些也很好地解釋了各研究結(jié)果中相互矛盾的地方，因此很難將其所得結(jié)果直接進(jìn)行對比分析。對于負(fù)重行走步態(tài)的規(guī)律性，需要更加嚴(yán)謹(jǐn)全面的研究。

3.2 不同負(fù)重量對步態(tài)動力學(xué)參數(shù)的影響 Simpson 等［37］對15名女性徒步旅行者在8km 內(nèi)承受四種負(fù)重量（0%體重，20%體重，30%體重和40%體重）時的對地反作用力進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)隨著負(fù)重量由零增加至30%體重，對地面反作用力成比例增加，同時雙支撐相延長。負(fù)重量分別為30%體重和40%體重時，足部中外側(cè)反作用力顯著增加。這種過高的對地面反作用力導(dǎo)致的步態(tài)改變會降低步態(tài)穩(wěn)定性，增加踝扭傷等損傷風(fēng)險。佟蘇洋和湯澄清［38］采用Footscan 足底壓力步態(tài)分析系統(tǒng)，分別對無負(fù)重、背包負(fù)重10kg及15kg行走時的足底壓力進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)足底大部分區(qū)域壓力峰值、壓強(qiáng)峰值、沖量均呈現(xiàn)上升趨勢，足弓部位壓力峰值增加顯著，前掌部外側(cè)區(qū)及第3 ～5 跖骨處壓強(qiáng)峰值變化趨勢明顯，足跟外側(cè)區(qū)壓強(qiáng)變化高于內(nèi)側(cè)區(qū)。此外，足底壓力中心向前偏移，且變化軌跡向外側(cè)偏移并提前于第二趾處結(jié)束，與Simpson等［37］的研究結(jié)果相同。Ahmad［32］采用鞋墊電容式壓力傳感器采集動力學(xué)信息，結(jié)果顯示平均壓力隨著負(fù)荷量的增加而增加，且主要影響足中部和腳后跟部位，足底與鞋底的接觸面積也隨負(fù)荷增加而增加。

由此可見，負(fù)重步行會顯著增加足中部及外側(cè)壓力，隨著壓力的增加足弓承擔(dān)了更重的負(fù)荷，Pau 等［39，40］也得出了一致的結(jié)論。需要注意的是，研究涉及兩種足底壓力測量方式：Footscan足底壓力步態(tài)分析系統(tǒng)和鞋墊電容式壓力傳感器，穿鞋與否可能會對步態(tài)造成影響，在對各研究結(jié)果進(jìn)行分析時需要考慮。

3.3 不同負(fù)重量對步態(tài)肌電活動參數(shù)的影響 Simpson等［41］記錄15 名女性徒步旅行者在8km 內(nèi)負(fù)重（0%體重，20%體重，30%體重，40%體重）的情況下，股外側(cè)肌、股二頭肌、半腱肌、脛前肌和腓腸肌的肌電信號。結(jié)果顯示，增加步行距離顯著降低脛前肌的平均頻率，股外側(cè)肌、半腱肌、腓腸肌的整合肌電信號以及外側(cè)肌持續(xù)時間。此外，負(fù)荷20% ～40%體重時，股外側(cè)肌和腓腸肌的整合肌電信號顯著增加，股二頭肌持續(xù)時間增加，而負(fù)荷40%體重時，股外側(cè)肌激活較晚。隨著負(fù)重的增加，肌肉活動的差異可能是為了保持平衡和減少步態(tài)中增加的下肢負(fù)重而進(jìn)行調(diào)整的結(jié)果。

王珺［42］通過對人體不負(fù)重與雙肩背不同負(fù)重載荷（5%體重，10%體重，15%體重）行走時下肢肌肉（股直肌、股二頭肌、脛骨前肌和腓腸肌外側(cè)）表面肌電信號進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)在各種負(fù)重行走過程中下肢肌電信號均存在一定程度的性別差異性特征，整體呈現(xiàn)出女性肌肉肌電特征值大于男性肌肉肌電特征值的特點(diǎn)。對于女性受試者，當(dāng)負(fù)重量為10%體重時，肌電信號就出現(xiàn)了明顯差異。而男性受試者，當(dāng)負(fù)重量達(dá)到15%體重時，才出現(xiàn)明顯差異。在負(fù)重條件下，男性腓腸肌外側(cè)發(fā)力最大，女性脛骨前肌發(fā)力最大，且最大發(fā)力肌肉受負(fù)重載荷的影響很小，負(fù)重載荷的增加僅影響發(fā)力大小。對此，王子辰［43］的研究也得出了相同的結(jié)論，并進(jìn)一步表明左側(cè)肌肉肌電特征值要大于右側(cè)同名肌肉肌電特征值。這可能是由于右側(cè)肢體為優(yōu)勢側(cè)，只要募集較少的運(yùn)動單位就能完成幾乎同樣功耗的步行運(yùn)動，運(yùn)動單位數(shù)量少使得右側(cè)肌肉的平均肌電特征值相對較小。也有研究指出男性和女性背包負(fù)重行走時的能量消耗也存在差異［44］。進(jìn)一步研究男性和女性在負(fù)重步行時各自的特點(diǎn)，也是很有意義的。

4.小結(jié)

適當(dāng)?shù)呢?fù)重量和正確的負(fù)重方式可維持步態(tài)穩(wěn)定并減少對身體的傷害，負(fù)重量過大會影響整個步態(tài)形式，涉及髖、膝、踝活動度、步長步頻、肌肉激活模式以及足底壓力等多方面。不同負(fù)重方式對人體的影響因年齡、性別、職業(yè)等不同而存在差異。這也提醒我們測試對象注意區(qū)分男女以及年齡段等。

目前的研究還存在很多需要完善的地方。大多數(shù)研究測試時長較短，有研究表明，自然行走3分鐘可以維持步態(tài)的穩(wěn)定性［45］，因此針對負(fù)重步行的研究應(yīng)適當(dāng)延長測試時間，以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。現(xiàn)實(shí)生活中會有上坡、下坡以及泥濘路段等問題，在收集文獻(xiàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)國外研究了在不平整路面負(fù)重行走時的步態(tài)特點(diǎn)［19］，也有關(guān)于在不同坡度及速度下負(fù)重行走時的人體生物力學(xué)分析［46］，但是缺少針對步態(tài)參數(shù)的具體分析。國內(nèi)對此的研究相對空白，僅有數(shù)篇文獻(xiàn)探討了在不同坡度無負(fù)重行走的特點(diǎn)［47，48］。將坡度、速度以及路況對步態(tài)的影響考慮在內(nèi)，會使研究更加具體、貼近生活，也更有研究價值。針對最佳負(fù)重量上限，各研究給出的結(jié)論并不統(tǒng)一，從10%體重～20%體重不等［29～31］。對于負(fù)重量的選擇，按照體重百分比還是10kg、15kg等計(jì)算更為合適，也是一個值得考慮的問題。針對不同部位負(fù)重對肌肉激活模式影響的研究僅有數(shù)篇文章，結(jié)果不統(tǒng)一且更多地聚焦于上肢肌肉，這可能是由于軀干部位負(fù)重對上肢肌肉的直接影響較明顯，但多項(xiàng)最新研究表明負(fù)重會影響下肢生物力學(xué)，因此進(jìn)一步探討其對下肢肌肉的影響是很有意義的。

通過對正常人在不同負(fù)重方式下步態(tài)特點(diǎn)的研究，可以為肌肉損傷的醫(yī)療診斷、康復(fù)訓(xùn)練及康復(fù)療效判斷提供依據(jù)。將負(fù)重行走與帕金森、腦癱、腦卒中患者異常步態(tài)相結(jié)合，研究步態(tài)特點(diǎn)及代償方式，也有很大的研究空間及臨床意義。此外，老年人比年輕人面臨更大的跌倒風(fēng)險，關(guān)于負(fù)重步行的研究應(yīng)該更多地聚焦于老年人。