不同負重形式對大學生足底壓力的影響

何施 黃志劍 劉博 趙文作

(1.湖北商貿學院體育學院 湖北武漢 430079;2.湖北大學體育學院 湖北武漢 430062)

1 研究背景

1.1 選題依據

人類一直以來都在尋找更加方便攜帶隨身物品的辦法。早在遠古時代，人們為了生存，依靠拖拽、肩扛等方式來攜帶柴草、獵物等物品。后來，人們把重物放在輪車上用牲畜拉載，將隨身物品綁在腰帶或搭在肩上以便攜帶。隨著時代的進步，人們逐漸發明了各種袋子、籃子等工具來攜帶隨身物品。直到今天，為了滿足不同人群的需求，各式各樣的包給人們攜帶隨身物品帶來了諸多便利［1］。

在中國，從幼兒園到大學，基本上每一位學生都會利用書包來攜帶課本、文具用品以及隨身物品。繁重的升學壓力使得學生從小到大都“肩負重擔”，長期肩負過重的書包不僅影響青少年的正常生長發育及健康［2］，更有甚者會導致脊柱病變［3］。針對青少年的這些問題，大量研究者通過與足底壓力相關的實驗給出了建議。向其鵬等人［4］指出，為了不影響兒童的正常發育，其背包質量不宜超過20%BW（Body Weight，身體質量）。林晶［5］建議最重物品應該放在貼近身體的位置，這將更有利于減輕書包重量對身體的影響。

目前，足底壓力相關應用主要分布在生物力學［6］以及臨床康復醫學等領域［7］。現有研究中，這些領域的主要研究對象是學齡兒童［8］、中小學生［9］以及老年人［10］。相較而言，大學生很少出現在這一領域的研究中。事實上，大學生在日常學習、生活和工作中同樣也需要用包來攜帶隨身物品。學習時，無論是平時上課，還是圖書館自習，都需要用包攜帶課本、資料書、文具用品等。在生活中，外出逛街購物總是背上小巧可愛的便攜包用來裝手機、充電寶、鑰匙以及錢包等隨身物品。在工作中，自然要帶上電腦包，裝上電腦來提高工作效率。因此，該研究嘗試用足底壓力系統來解析不同負重形式對大學生足底壓力的影響。

1.2 研究目的與意義

背包作為外加負荷作用于人體，會影響人體靜態站立姿勢的穩定性［11］。因此，該研究嘗試通過對大學生無負重自然站立及不同負重形式下（慣用姿勢：雙肩負重后背、右單肩負重直挎、左單肩負重斜挎、右手提負重）自然站立的足底壓力進行測量，比較分析不同負重形式與無負重情況下足底壓力分布的差異，為大學生對負重形式的選擇提供科學合理的建議。

2 實驗對象與方法

2.1 實驗對象

2.1.1 排除標準

詢問病史，確認受試者無足部畸形，無不良步態，無骨骼、肌肉、運動神經、高血壓、高血脂和糖尿病等疾病，并確定受試者優勢側均為右側。

2.1.2 受試者基本信息

研究被試者為武漢市某高校1名大學生，性別男，年齡24 歲，身高177.10cm，體重66.10kg，BMI 指數為21.07。

2.2 實驗方法

2.2.1 準備工作

（1）人們往往根據攜帶物品的種類和重量來選擇包的樣式，又根據自己的習慣決定負重的形式。常見的負重形式有雙肩負重后背、右單肩負重直挎、左單肩負重斜挎、右手提負重等，詳見圖1。該研究通過觀察，決定采用日常生活中常見的慣用姿勢作為大學生負重的不同表現形式。

（2）為進一步了解大學生日常負重占自身質量（BW）的百分比，在該大學圖書館前隨機選取10名大學生（其中5名男生，5名女生）。對以上10名大學生分別進行了身體質量和負重質量的測量，分析測量數據發現10名大學生的負重質量均值為5.04%BW。因此，該研究選定負重質量為5%BW。

（3）飛速發展的機械化社會在方便人們的同時，也留給了人們更多等待的時間。大學生除了日常生活需要等公交、地鐵以及電梯以外，通過觀察還發現在大學校園的寢室門口、教室門口以及圖書館門口等地方總是有人在背包等待同伴。因此，該研究決定測量大學生在負重質量為5%BW 的情況下，自然站立的足底壓力分布。

2.2.2 實驗儀器和設備

（1）德國Novel Pedar-x足底壓力分布測量系統：該系統由配套鞋墊、電池、電纜、Pedar-box、安裝盤、腰帶、安裝相應軟件的計算機等組成。

（2）電子秤：用于實驗中對質量的測量。

（3）基準鞋：統一將老北京布鞋作為基準鞋，減少不同鞋子帶來的誤差（見圖2）。

（4）一次性襪子：干凈衛生；統一襪子減少不同材質的襪子帶來的誤差（見圖2）。

（5）雙肩背包1個、單肩背包1個、手提包1個。

（6）自制砝碼：為真實模擬大學生負重情況，采用廢舊書籍，以及瓶裝水等根據受試者5%BW 調控不同的負重質量（見圖2）。

2.2.3 足底分區

Novel Pedar-x 足底壓力分布測量系統將足底分為9個區域：第1趾骨（T1）、第2～5趾骨（T2～T5）、第1跖骨（M1）、第2～3 跖骨（M2～M3）、第4～5 跖骨（M4～M5）、足弓內側（MM）、足弓外側（LM）、足跟內側（MH）、足跟外側（LH），詳見圖3。該研究從趾骨、跖骨、足弓以及足跟四部分來詳細分析大學生在不同負重形式下9個區的足底壓力變化情況。

2.2.4 研究參數

接觸面積（Contact area，單位：cm2）：足底壓力分布測試系統采集到的足底9個區接觸面積的大小。

峰值壓強（peak pressure，單位：kPa）：足底壓力分布測試系統采集到的足底9 個分區所受到的最大壓強。

2.2.5 實驗設計思路

該研究的目的是解析不同負重形式對大學生靜態自然站立足底壓力的影響。正式實驗前，通過查閱書籍，閱讀相關材料，制訂了實驗設計思路，詳見圖4。

3 分析與討論

張慶來等人［12］采用Footscan USB2 平板式足底壓測試系統對山東理工大學2005 級82 名19～22 歲的正常大學生進行動態足底壓力測試，研究發現正常青年人行走過程中左右雙足的平均峰力值，接觸面積等參數都存在不同程度的差異。該研究則主要通過對大學生不同負重形式的足底壓力進行測量，比較分析不同負重形式與無負重情況下自然站立時足底接觸面積以及峰值壓強的分布差異。

3.1 不同負重形式下足底接觸面積的分布特征

3.1.1 趾骨部分足底接觸面積的分布特征

表1是大學生在不同負重形式下趾骨部分足底的接觸面積。分析表1 數據可知，不同負重形式與無負重自然站立相比，右足趾骨除右手提負重外，其他負重形式下與無負重自然站立的接觸面積均相同；而左足趾骨的足底接觸面積差異相對較大，尤其是左足的第2～5 趾骨在右手提負重的情況下與無負重自然站立相差4.456cm2。

表1 大學生在不同負重形式下趾骨的接觸面積（cm2）

對比雙肩負重后背、右單肩負重直挎和左單負重肩斜挎這三種負重形式，發現無論是左足，還是右足，在趾骨部分與地面的接觸面積都基本相同。另外，該受試者左足第1 趾骨足底接觸面積普遍高于右足，右足的第2～5趾骨足底接觸面積普遍高于左足。

3.1.2 跖骨部分足底接觸面積的分布特征

根據表2 中的數據，可將不同負重形式下跖骨部分足底接觸面積總結為：左足小于右足，第2～3跖骨大于第4～5跖骨大于第1跖骨。其中，右手提負重時左足的第1 跖骨和右單肩負重斜挎時右足的第1 跖骨明顯大于無負重自然站立和其他負重形式的相同區接觸面積值；而右手提負重時右足的第2～3 跖骨則小于其他負重形式的相同區接觸面積值。

表2 大學生在不同負重形式下跖骨的接觸面積（cm2）

3.1.3 足弓部分足底接觸面積的分布特征

分析表3 可知，無負重自然站立和雙肩負重后背時左足足弓的內外側接觸面積是相同的；右單肩負重直挎、左單肩負重斜挎和右手提負重3 種不同形式負重的左足內外側與地面的接觸面積基本相同；右足足弓內外側除右手提負重，其他形式對地面的接觸面積均相同。右手提負重形式下右足足弓內側的足底接觸面積和其他負重形式相比差異較大，差異值為14.169cm2。另外，在足弓部分左足和右足的足底接觸面積差異較明顯。

表3 大學生在不同負重形式下足弓的接觸面積（cm2）

3.1.4 足跟部分足底接觸面積的分布特征

根據表4 數據可知，右單肩負重直挎和左單肩斜挎2種負重形式下左右足的足跟內側和右足的足跟外側相同，但與無負重和其他負重形式下相對應的足跟區域與地面的接觸面積有差異。總體來說，不同負重形式對大學生足跟部足底接觸面積影響相對較小。

表4 大學生在不同負重形式下足跟的接觸面積（cm2）

3.2 不同負重形式下足底峰值壓強的分布特征

3.2.1 趾骨部分足底峰值壓強的分布特征

根據圖5 可知，第1 趾骨峰值壓強明顯低于第2～5趾骨的峰值壓強。與無負重自然站立相比，除右手提負重形式下的右足第1 趾骨外，其他負重形式對趾骨區的峰值壓強影響較小。

3.2.2 跖骨部分足底峰值壓強的分布特征

分析圖6 中的數據可知在無負重自然站立狀態下，第2～3跖骨的峰值壓強遠大于第1跖骨和第4～5跖骨的峰值壓強。分析比較發現，右手提負重的情況下跖骨部分左右足的峰值壓強相差較大，第1 跖骨左右足的峰值壓強相差25.010kPa；第2～3 跖骨左右足的峰值壓強相差11.742kPa；第4～5 跖骨左右足的峰值壓強相差9.926kPa。

3.2.3 足弓部分足底峰值壓強的分布特征

分析圖7 可知，左足足弓部分的峰值壓強遠小于右足足弓部分的峰值壓強。與無負重自然站立相比，右手提負重形式下右足足弓外側的峰值壓強下降20.849kPa；右足足弓內側的峰值壓強驟減50.667kPa。

3.2.4 足跟部分足底峰值壓強的分布特征

根據圖8 中的數據可以發現，左足足跟內側的峰值壓強明顯普遍高于右足相同區域的峰值壓強值，除此之外，負重形式對足跟其他區域的峰值壓強沒有明顯影響。

3.3 討論

較多學者通過研究發現單邊負重對足底壓力分布有顯著影響［13］。單邊負重增加了身體的不對稱性［14］，機體為了維持平衡會使左右足底峰值壓強不均衡［15］。喬剛［16］通過實驗得出結論，在雙肩負重行走過程中左右腳的足底壓力具有對稱性特征。李國強［17］認為單手負重和單肩負重時，隨著負重質量的增大，左右腳的足底壓力會出現不對稱的現象。

研究發現，受試者左右足底接觸面積和峰值壓強相差較大。張攀等人［18］認為青少年自然行走過程中左右雙足各區域的壓力分布存在一定的差異，但左右雙足的足底壓力分布規律基本一致。該研究受試者左右足底接觸面積和峰值壓強相差較大的原因，可能是個體差異或實驗緊張等，具體有待進一步擴大樣本進行證實。

4 結論與展望

4.1 結論

與無負重自然站立相比，4種不同負重形式對大學生足底接觸面積的影響各不相同：雙肩后背負重5%BW負重形式的足底接觸面積與無負重自然行走最接近；右手提負重5%BW 負重形式的足底接觸面積與無負重自然行走的差異較明顯；右單肩直挎負重5%BW與左單肩斜挎負重5%BW負重形式的足底接觸面積基本相同，與無負重自然行走的差異介于另外2種負重形式之間。

與無負重自然站立相比，4種不同負重形式對大學生足底峰值壓強的影響也是雙肩后背負重5%BW的負重形式與無負重自然站立更相近；其他3 種單邊負重的形式，增加了身體的不對稱性。

綜上所述，不同負重形式對大學生的足底壓力是有明顯影響的。建議大學生在日常負重情況下，盡可能選擇雙肩后背的負重形式，也可選擇負重更貼近身體中軸線的單肩斜挎或直挎的負重形式，盡量避免單手提的負重形式。

4.2 展望

（1）研究的樣本量較小，今后研究中期待更大的樣本，以獲得更具代表性的結論。

（2）今后研究可考慮設計不同負重等級，以考察不同負重對靜立時雙腳足底接觸面積和峰值壓強的影響。

（3）測試人群的局限性，受試者為男大學生，后續測試可以增加不同性別及年齡的受試者。