7歲肥胖男童正常行走步態的生物力學研究

張少偉

(東北師范大學體育學院，吉林長春 130024)

7歲肥胖男童正常行走步態的生物力學研究

張少偉

(東北師范大學體育學院，吉林長春 130024)

研究肥胖兒童正常行走時的步態特征，對了解其運動方式和肥胖引起兒童足部結構的變化特點具有重要意義。采用三維攝像，對30名7歲肥胖男童與30名正常男童行走時步態進行比較研究。結論:肥胖兒童與正常兒童相比，行走時一個步態周期時間的絕對值上顯著性增大;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;下肢關節角度活動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。

肥胖;兒童;步態;生物力學;行走

肥胖是當今世界面臨的一個重要的健康問題，其中最引人注意的是兒童青少年人群肥胖率逐年增加。肥胖這種疾病會導致兒童身體、心理、社會和經濟等方面的不良后果［1］。兒少時期的肥胖，通常會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］、骨骼發育異常［4］、內分泌失常［5］等疾病，導致兒童青少年體質下降，健康受損［6］;另一方面，肥胖也會造成兒童青少年社會心理及情緒發展的障礙，如抑郁和低自尊、體型意識不滿和心理扭曲等心理疾?。?］，因此，肥胖所造成的健康問題不容忽視。

目前有關肥胖對骨骼肌肉和運動系統的影響，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指導肥胖兒童的健身運動。通過對肥胖男童與正常群體步態的研究，揭示該人群正常行走時的步態、足底壓力分布、姿勢控制方式等特點，以期為肥胖對兒童步態帶來的影響提供科學量化的理論參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選擇長春市吉大子弟小學60名7歲男童為研究對象，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的分類標準嚴格按照中國肥胖工作組制定的標準［8］。所有受試者身體健康，所有受試者經詢問和檢查均無足部畸形，異常步態和足部外傷史，無任何神經與肌肉系統疾病，以及可能對運動產生限制的疾病。受試者均被告知實驗目的并經過監護人同意。肥胖通過BMI指數來確定，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:*表示實驗組與對照組相比P≤0.05。

1.2 研究方法

1.2.1 主要測試儀器 對于肥胖兒童的篩選，采用歐姆龍HN-282型電子體重計，測量受試者的身高和體質量。使用2臺數碼攝像機(panasonic DP 200)同步進行三維錄像拍攝。實驗數據采用美國艾里爾(Ariel Dynamics)公司生產 The APAS System運動分析系統對運動圖像進行數字處理，并對原始數據平滑處理。

1.2.2 實驗流程 在室內體育館內設置工作區域，設定兩個標志點相距12m，標志點間為測試區域，受試者進行環境適應性訓練，要求裸足隨意行走。待其適應后，以常速自然行走進入測試區。同時使用2臺數碼攝像機(A、B)，采集此時的運動學數據，攝像機鏡頭高度70cm，拍攝頻率為50幀/秒，距離測試區域7m。每名受試者左右足各完成3次。

1.2.3 數理統計法 對實驗數據的處理方法使用spss12.0按常規方法計算各指標的平均數、標準差以外，對相關變量進行雙因素方差分析，多重比較采用lsd法檢驗，顯著性水平為0.05;圖形圖表的制作選用Excel軟件和SigmaPlot 11.0統計軟件進行處理制作。

2 研究結果與分析

2.1 肥胖兒童步態的時間參數特征

表2為肥胖男童與正常兒童自然行走時一個步態周期的時間構成情況。與正常兒童相比，肥胖組在一個步態周期時間的絕對值上要顯著性增大(P＜0.01)。分析一個步態周期時間的構成，發現兩組之間在擺動期絕對值無顯著性差異，主要差異表現在支撐期時間上，肥胖兒童比正常兒童擁有更大的支撐時間(P＜0.01)，同時支撐時相占整個步態周期的百分比也顯著增加(P＜0.01)。分析支撐期的構成發現，雙支撐期的絕對值和雙支撐時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)。隨著負重量的增大而明顯上升。肥胖兒童顯示了較長的雙支撐時間以及較高的雙支撐時相百分比(雙支撐時相占全周期的比值)(P＜0.01)。

表2 兩組測試對象步態周期及支撐期和擺動期占一個步態周期百分比的比較(%)

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

2.2 肥胖兒童步態的空間參數特征

行走時左右足跟(或趾尖)間的縱向距離稱為單步長，以往的研究［9－10］已經證實，單步長與身高顯著相關。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)，但正常行走時肥胖組步長值要略低于正常兒童，為了消除身高對步長的影響，取相對步長值指標(步長/身高)發現肥胖組的相對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，任何一個變量的變化都會引起另外一個變量有相應的變化，本實驗并沒有強制兒童按照固定的速度行走，而是讓其采用日常所習慣的行進速度前行，以便觀察兒童在自然行走狀態下其步態的變化情況。結果表明，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致的。

表3 兩組實驗對象行走時一些空間參數特征比較

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，為了保證在行進過程中姿勢的穩定性，必然會通過步寬的變化來加大支撐面積以維持穩定。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，其兩腿之間很難并攏，這種體型導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，就會在橫向產生無效分力的作用，導致身體的左右搖晃幅度增大，這對兒童長時間行走也是不利的，容易產生過多的無效能量消耗。另外，步寬過寬的話，則需要足弓的內側產生較大的相對下陷來緩沖力量，維持足部的穩定性，長時間行走，則導致脛骨后肌群肌肉容易疲勞，同時足部穩定功能低下導致足部的損傷。

2.3 下肢關節活動范圍

從髖關節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，其髖關節活動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。由于肥胖兒童較正常兒童具有較大的體重，其邁步相對正常兒童要短，因此，其髖關節的屈曲幅度也要比正常兒童小。從支撐期膝關節角度變化情況看(圖1)，肥胖兒童行走時膝關節最小值(即最大緩沖角度)較正常兒童下降明顯(P＜0.05)，盡管膝關節的最大值也有輕微的降低，但是肥胖兒童膝關節角度變化范圍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，有一定的主動的屈膝動作，膝關節和大腿的肌群在屈膝過程中，充當了減震器的作用，以便更好地進行下肢的緩沖，防止運動損傷和著地時刻過大的沖擊力量，同時也有助于維持身體的穩定性。但由于肥胖組膝角在蹬離地面時候小于正常組，也說明在蹬伸時膝關節并未完全伸直，導致其下肢蹬伸不充分。肥胖組踝關節角度活動范圍在整個支撐期中有了非常顯著性的降低(P＜0.01)，即踝關節的屈曲程度大幅度降低，背屈的減少，也會導致單步長的減小，蹬地向前的分力減少，降低力向前的動力效率。

表4 測試對象支撐期下肢關節活動范圍(單位:°)

圖1 測試對象支撐期下肢關節活動范圍

2.4 足步向角的變化

足步向角即人體正常行走過程中，當足著地時，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是判斷肥胖兒童與正常兒童步態差異的一個有意義的指標。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。造成肥胖兒童這種步態的主要原因與其體重有直接關系，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，以提高行進過程中身體的動態穩定性。但這種步態容易導致肥胖兒童足用力不是向前，降低了蹬伸的效果。同時，這種八字步態也是導致行走時步長降低的一個主要原因，另外較大的足步向角容易導致行走時膝關節的過度外展，長時間行走會引起膝關節的疼痛，進而易誘發骨性膝關節炎。

圖2 兩組測試對象足向角度比較圖

3 結論

1)肥胖兒童與正常兒童相比，行走時一個步態周期時間的絕對值上顯著增大(P＜0.01)。其中擺動期絕對值無差異，支撐時間增加(P＜0.01)，同時支撐時相占整個步態周期的百分比也顯著增加(P＜0.01)，雙支撐期的絕對值和雙支撐時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)在著地時刻，肥胖組髖關節角度、踝關節角度顯著高于正常組(P＜0.01);離地時刻膝關節角度和踝關節角度顯著降低，結合下肢關節角度活動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。

［1］Hills AP，Hennig EM，McDonald M，et al．Plantar pressure differences between obese and non-obese adults:a biomechanical analysis［J］．Int J Obes Relat Metab Disord，2001，25:1674－1679．

［2］Chang JH，Wang SH，Kuo CL，et al．Prevalence of flexible flatfoot in Taiwanese school-aged children in relation to obesity，gender，and age［J］．Eur J Pediatr，2010，169(4):447－452．

［3］Mickle KJ，Steele JR，Munro BJ．The feet of overweight and obese young children:are they flat or fat［J］．Obesity，2006，14(11): 1949－1953．

［4］Lai PP，Leung AK，Li AN，et al．Three-dimensional gait analysis of obese adults［J］．Clin Biomech(Bristol，Avon)，2008，23(1):S2－6．

［5］張 君，白漢玉．兒童病態性肥胖［J］．中國臨床醫生雜志，2007，35(12):7－8．

［6］Pfeiffer M，Kotz R，Ledl T，et al．Prevalence of flat foot in preschoolaged children［J］．Pediatrics，2006，118(2):634－639．

［7］Lowry R，Galuska D，Fulton J，et al．Weight management goals and practices among U．S．high school students:Associations with physical activity，diet，and smoking［J］．Journal of Adolescent Health，2002，319(2):133－144．

［8］中國肥胖問題工作組，季成葉．中國學齡兒童青少年超重、肥胖篩查體重指數值分類標準［J］．中華流行病學雜志，2004，25(2) 97－102．

［9］Bobet J，Norman RW．Effects of load placement on back muscle activity in load carriage［J］．Eur．J Appl Physiol，1984，53:71－75．

［10］James R．A review of lower limb overuse injuries during hasic military training［J］．Milt Med，1993，158(6):401．

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年社會發展領域科技支撐計劃重點項目(20120417)。

張少偉(1956－)，男，副教授，碩士，主要研究方向為體育教育訓練學。

責任編輯:喬艷春

?體育教育訓練學