肥胖儿童与正常儿童行走步态特征的运动学分析

张晓栋　肖丹丹

（1. 华北电力大学体育部，北京 102206；2. 国家体育总局科学研究所竞体中心，北京 100061）

摘 要：采用三维摄像同步测试的方法，对9名肥胖儿童和11名正常体重儿童进行平地常速行走的运动学三维分析。结果表明：1) 肥胖儿童步态周期、支撑时相百分比、双支撑时相百分比均比正常儿童长，摆动时间比正常儿童短。表明肥胖儿童行走时步态存在不稳定因素，肥胖儿童通过延长双支撑时间来增加行走的稳定性。2) 肥胖儿童的步长/身高的比值、步速/身高比值、步频均小于正常儿童，步宽比正常儿童宽。反映出肥胖儿童行走比正常儿童缓慢的特点。3) 关节角度方面，肥胖儿童的髋关节在矢状面上的最大伸角和屈角比正常儿童小，在额状面上的平均外展角大于正常儿童，内收角小于正常儿童。表明肥胖儿童由于多余的脂肪堆积，妨碍了髋关节的屈伸和内收幅度。4) 肥胖儿童与正常儿童步态的重要差异之一是在一侧脚跟着地时刻，该侧脚掌面与水平面的夹角明显小于正常儿童。可以推测肥胖儿童行走时重心移动较慢。

关键词：肥胖；儿童；步态；运动学

中图分类号：G804.63文献标识码：A文章编号：1007-3612(2008)12-1651-04

A Kinematic Analysis of Over Weight Children and Normal Weight Children's Walk Movement Characteristics

ZHANG Xiao瞕ong1, XIAO Dan瞕an2

（1.P.E.Department,North China Electric Power University,102206,China;2.National Research Institute of Sport Science,Beijing 100061,China）

Abstract:3睤 synchronized imaging test is used to analyze the kinematic characteristics of 9 over weight children and 11 normal weight children's normal walk.

The results are as followings: 1)over weight children display longer cycle duration, stance time phase percentage and double stance time phase percentage and lower swing time than normal weight children. It implies some instability existing in over weight children's walk so they have to expand their double stance time

to improve their stability; 2)over weight children take significantly shorter ratio between stride and height, velocity and height, and stride frequency, and longer step widths than normal children. So they walk slower; 3)over weight individuals demonstrate a walking gait with significantly greater mean magnitude of hip abduction angle and less mean magnitude of hip adduction throughout the walking cycle. It may caused by accumulated fat; 4) At the moment of heel strike, over weight children display a smaller angle which between foot plane and horizontal plane, and a larger angle between opposite foot plane and horizontal plane. It

shows that their gravity center move slower.

Key words: over weight; children; walk movement; kinematic

肥胖已成为困扰全民健康的一个重要问题，现在肥胖儿童日益增多，肥胖症会影响儿童的健康成长，也会造成儿童步态的异常。国内外对于正常人及损伤病人行走的生物力学指标已较完善，对于肥胖儿童步态的研究国外刚刚起步，仅有Hills和Parker（1991）^[1，2]及Ben McGraw等（2000）^[3]的几篇论文，而在国内尚未见有对肥胖儿童步态的运动学数据的报道。本文旨在找出肥胖儿童和正常儿童行走步态运动学特征的差异，为认识肥胖对儿童步态带来的影响提供理论参考依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

实验对象为20名10～12岁的小学生。其中肥胖儿童（BMI>23）9名，正常体重儿童11名。肥胖儿童组的身高、体重分别大于正常体重组儿童(表1)。

1.2 测试方法

采用三维摄像同步测试的方法进行拍摄。实验是在上海体育学院生物力学实验大厅进行的。一台摄像机置于运动方向的正侧方，另一台置于运动方向的斜前方，两台摄像机之间的夹角约为70°，距实验对象运动区域中心的距离约为13 m，主光轴距地面的高度0.8 m，拍摄频率为50场/s。在拍摄之前调整摄像机焦距并使之达到最清晰，然后锁定。在实验开始前，在运动区域放置长方体框架，并调整好框架的XY平面为水平面，X轴为身体额状轴（右方向为正），Y轴为身体矢状轴（运动方向为正），Z轴为垂直轴，坐标系为右手坐标系。调整好之后两摄像机拍摄三维框架30 s。用三盏碘钨灯照明。

受试者穿黑色紧身衣，在两侧的肩、肘、腕、髋、膝、踝、脚跟、趾跖关节处贴好标志点。要求受试者按平时自然行走方

式行走。在正式拍摄之前受试者先练习几次，直到符合测试要求为止。正式拍摄时，每位受试者拍摄3～4次，取最符合测试要求的一次。

1.3 数据解析

运用SIMI Motion 运动解析系统进行图像解析。在数据处理中，采用deleva模型，共14个环节，19个关节点（两侧的肩、肘、腕、手、髋、膝、踝、脚跟、趾跖关节及头）。本文选取了从右足跟着地开始到右足跟再次着地为止的一个步态周期进行了运动学解析。

1.4 数据统计 本文所有统计学处理均运用SPSS 11.5进行统计分析。本文采用的统计学方法主要是T检验。

2 结果与分析

2.1 步态时相

测试结果显示（表2）：20名正常体重儿童和20名肥胖儿童步态的时间参数差异性显著，肥胖儿童完成一个步态周期所需的时间比正常儿童长（p<0.01）；而且肥胖儿童显示了较长的双支撑时间以及较高的双支撑时相百分比（双支撑时相占全周期的比值）(p<0.01)；肥胖儿童行走支撑时间长于正常儿童（p<0.05），支撑时相百分比（支撑时间/步态周期*100%）高于正常儿童，差异显著（p<0.01）；当比较摆动时间与摆动时相百分比时，可以发现，虽然肥胖儿童行走时摆动时间比正常儿童长，但是当除以步态周期得出摆动时相百分比时，肥胖儿童却低于正常儿童(p<0.01)。

肥胖儿童行走在时间参数上表现出与正常体重儿童的差异与其过重的体重有关，多余的脂肪阻碍了运动，肥胖儿童行走时存在着不稳定的因素，肥胖儿童较正常儿童延长了支撑时间，尤其是双支撑时间，而缩短了单支撑时间与摆动时间，可能是由于在支撑时相尤为在双支撑时相更有利于保持身体的平衡。

本文的结论与Hills和Parker^[1]及Ben McGraw等^[3]的结论是一样的，他们的实验也显示出肥胖儿童行走时一个步态周期较长，支撑时相、双支撑时相的百分比高，而摆动时相相对较短。

与戴克戎^[4]的正常青年人及伍勰^[5]的正常老年人的时间参数对比，儿童的时间参数与青年人和老年人不同。正常儿童支撑时相、摆动时相百分比为60.2%、39.8%，正常青年为63.6%、36.4%，而老年人为63%和37%；老年人的双支撑时相占全周期的26%，青年为27%，本实验的结果为正常儿童为20.35%，肥胖儿童为24.42%。无论是正常儿童还是肥胖儿童的支撑时相百分比、双支撑时相百分比都比正常青年人和老年人低。

2.2 行走速度、步周长、步宽与步频

本文的步周长是指右脚跟相邻两次着地间的距离，包括两个单步长。测试结果：由表3可以看出，虽然肥胖儿童的步周长略比正常儿童长，差异不显著，但是当用步周长除以身高，以消除身高对步长的影响时，肥胖儿童的步周长/身高的比值却显著低于正常儿童（p<0.01）。本实验中肥胖儿童的平均身高为1.49 m，正常儿童为1.42 m，两组身高差异性显著（p<0.05），肥胖儿童步周长略比正常儿童长是由于身高高于正常儿童的缘故。本实验的结果与Hills和Parker的测试结果相类似，他们的数据显示肥胖儿童比正常儿童的步周长要长，而且差异显著，Hills和Parker测试的肥胖儿童和正常儿童的步周长分别为1.24 m、1.18 m，本文的测试结果为1.37 m和1.34 m，肥胖儿童步周长/身高的比值也显著低于正常儿童。戴克戎的实验表明步长与身高有关，所以为了更准确地反映步周长的变化，要用步周长除以身高这个无量纲来反映步幅的大小。

肥胖儿童的步频低于正常儿童（p<0.01），分别为61.2复步和65.5复步/s，即122.4步和131.0步/s，与Hills和Parker的测试结果相一致，他们的结果为肥胖儿童125步/s，正常儿童133步/s。

本实验中实验对象以自然速度行走，测试结果显示肥胖儿童的平均步速是1.33 m/s，正常儿童为1.54 m/s，两组差异显著（p<0.01），说明肥胖儿童行走速度缓慢。步速/身高旨在消除身高对速度的影响，肥胖儿童和正常儿童的相对速度分别为0.90和1.09，与Hills和Parker^[1，2]的测试结果几乎完全吻合，他们的结果为0.90和1.03。Hills和Parker的测试的肥胖儿童和正常儿童的常速行走的步速分别为1.29和1.43 m/s，比本文实验对象的步行速度低。Hills和Parker的肥胖儿童和正常儿童的身高分别是1.44 m和1.31 m，平均年龄为10.5岁，本次实验对象平均年龄是11.2岁，他们的实验对象的身高比本实验对象矮。但是当消除身高对步速的影响时，本文的步速/身高与Hills和Parker的测试结果惊人地相似，说明用步速/身高这个无量纲更能准确的反映不同实验对象间行走速度的差异。

从测试结果来看，肥胖儿童的步宽明显宽于正常儿童（p<0.01），分别为12.44 cm和7.46 cm。Panagiotis Spyropoulos等^[6]测试了肥胖成年人和正常成年人的步宽，肥胖成年人的步宽（0.16 m）几乎是正常成年人（0.08 m）的两倍。

2.3 关节角度的变化

对于角度随时间变化的分析，国内外通常是分析某些特征时刻的角度和到达某些特征角度的时刻。特征时刻一般为步态周期中的各个分期点：HS（脚跟着地时刻）、OTO（对侧脚尖离地时刻）、MS（着地中期足放平时刻）、OHS（对侧脚跟着地时刻）及TO（脚尖离地时刻），和支撑时相、摆动时相的极值，分析这些特征时刻时角度的大小；特征角度时刻是指角度为0°、角度达到极值的时刻。本文中对髋、膝关节角度随时间变化的分析，是将上述一些角度指标和时间指标的综合。

矢状面内髋、膝角的定义，在矢状面内，躯干纵轴线和髋与膝关节活动中心的连线的夹角为矢状面上的髋角；髋、膝关节活动中心的连线与膝、踝关节中心的连线的夹角定义为矢状面上的膝角。两关节均以直立位（髋伸直、膝伸直）时作为0°位，屈曲方向（身体垂直轴前方的角度）为正，伸直方向（身体垂直轴后方的角度）为负。本文中髋关节在额状面上的角度为髋、膝关节中心连线与矢状面的夹角，规定外展为正值，内收为负值。

2.3.1 髋关节角度在矢状面上的变化

矢状面内髋角定义为在矢状面内，髋与膝关节活动中心的连线与躯干纵轴线的夹角为矢状面上的髋角，直立位（髋伸直）时作为0°位，屈曲方向（身体垂直轴前方的角度）为正，伸直方向（身体垂直轴后方的角度）为负。

如图1所示，在步态周期的0%处，即足跟着地时，髋关节处于屈曲位，该时刻髋角屈曲出现峰值，肥胖儿童的该时刻的髋角小于正常儿童，随后因身体逐渐前移而屈曲度减小至周期的(34.48±4.42)%，躯干越过支撑腿，髋关节由屈曲转为伸展，在步态周期的(53.43±4.31)%时，髋关节达最大伸展，随着对侧脚跟的着地之后，支撑腿可髋关节角逐渐减小；进入摆动相后，随着肢体的前摆，平均在周期的(64.87±4.12)%，髋关节又从伸展转为屈曲，且不断增加，准备摆动，在周期的(89.82±3.10)%处，下肢前摆至最大屈曲度，然后屈曲度减小，准备足跟落地。

结果显示（表4）：肥胖儿童的髋关节两个最大屈曲角度和最大伸展角度均比正常儿童小（p<0.05），即肥胖儿童髋关节在矢状面上的活动范围小于正常儿童。脚跟着地时刻，肥胖儿童为(20.06±2.13)°，正常儿童为(22.67±2.33)°，摆动时相中的最大屈角肥胖儿童为(25.43±2.78)°，正常儿童是(22.60±2.28)°；在摆动时相中伸的最大角度，肥胖儿童为(-8.47±3.39)°，正常儿童为(-12.59±3.42)°，两组差异显著(p<0.05)，肥胖儿童伸的最大伸展角度小于正常儿童。

肥胖儿童髋关节屈伸角度的差异，可能与肥胖儿童多余的体重有关，这也与前面的结果，肥胖儿童步长/身高的比值小于正常儿童相一致。肥胖儿童迈出的步子相对于他们的身高而言较短，从而髋角在两个最大屈曲位和最大伸展位显示出比正常儿童小的特征。

2.3.2 髋关节在额状面上的变化

本文中髋关节在额状面上的角度为髋、膝关节中心连线与矢状面的夹角，规定外展为正值，内收为负值。行走时内收-外展-时间的曲线图（图2）显示，在步态周期的髋关节在脚跟着地时刻为外展，随后随着重心向支撑腿的转移，外展角度出现峰值之后，逐渐转为内收，在摆动期出现内收的峰值，其后又转为外展。

肥胖儿童在整个步态周期中显示出平均外展角大于正常儿童，而平均内收角度小于正常儿童，差异显著（p<0.01）。将两组实验对象步态周期几个转折点时的角度进行对比，外展为正、内收为负(表5)。

肥胖儿童在整个步态周期中显示出平均外展角大于正常儿童，而平均内收角度小于正常儿童，差异显著（p<0.01）。将两组实验对象步态周期几个转折点时的角度进行对比，外展为正、内收为负(表5)。

肥胖儿童显示出与正常儿童不同的内收外展角度，可能是由于他们大腿比较粗，有过多脂肪堆积，为了便于保持身体平衡，使得整个步态过程中，髋关节外展角度较大，而内收角度较小。这也与前面得出的肥胖儿童的步宽比正常儿童宽的结论相一致。

2.3.3 矢状面上膝关节的变化

矢状面内膝角定义为在矢状面内髋、膝关节活动中心的连线与膝、踝关节中心的连线的夹角定义为矢状面上的膝角。以直立位（膝伸直）时作为0°位，屈曲方向（身体垂直轴前方的角度）为正，伸直方向（身体垂直轴后方的角度）为负。

膝关节屈曲活动较复杂，在每一步态中有两个屈曲波和两个伸展波。由图3可见膝始终没有完全伸直，这有利于振荡的吸收。在脚跟着地和身体越过正中线时刻膝关节接近完全伸直，在足跟着地后出现短暂的轻度屈曲，在摆动相膝关节出现屈曲峰值，平均为(56.38±5.59)°。

将步态周期几个转折点时刻的膝关节角度进行对比（表6），发现两组差异不显著。说明肥胖儿童膝关节屈伸的变化与正常儿童相类似。故将两组数据合并，做一条曲线的示意图。

2.3.4 脚跟着地时刻脚掌面与地面的夹角（足落地角）

本文研究了右脚跟着地时刻，右脚掌面与地面的夹角α（图4），左脚掌面与水平面的夹角β，我们暂称为足落地角，这是在处理本实验数据过程中发现的一个有意义而前人未曾研究过的参数。

结果发现：在右脚跟着地时刻，肥胖儿童右脚掌面与水平面的夹角α明显小于正常儿童（p<0.01），左脚掌面与水平面的夹角β则两组差异不显著（表7）。

足落地角的大小与行走的稳定性有关，该角大小影响足跟与地面的摩擦力，该角小，需要摩擦力小，容易稳定，该角大，需要摩擦力大，不易稳定。右脚跟着地时刻，肥胖儿童比正常儿童足落地角α角小，说明肥胖儿童行走存在不稳定因素，足落地角比正常儿童小，有利于肥胖儿童保持身体平衡。由于本文实验对象较少，对脚跟着地时刻，两脚掌面与水平面夹角参数的研究有待于进一步完善与论证。

3 结 论

1) 在步态时相上肥胖儿童与正常儿童步态的差异主要表现在，肥胖儿童步态周期、支撑时相百分比、双支撑时相百分比均比正常儿童长，摆动时间比正常儿童短。表明肥胖儿童行走时步态存在不稳定因素，肥胖儿童通过延长双支撑时间来增加行走的稳定性。

2) 肥胖儿童的步长/身高的比值、步速/身高比值、步频均小于正常儿童，步宽比正常儿童宽。反映出肥胖儿童行走比正常儿童缓慢的特点。

3) 关节角度方面，肥胖儿童的髋关节在矢状面上的最大伸角和屈角比正常儿童小，在额状面上的平均外展角大于正常儿童，内收角小于正常儿童。表明肥胖儿童由于多余的脂肪堆积，妨碍了髋关节的屈伸和内收幅度。

4) 肥胖儿童与正常儿童步态的重要差异之一是在一侧脚跟着地时刻，该侧脚掌面与水平面的夹角明显小于正常儿童。表明肥胖儿童通过减小足落地角的大小以增加走路的稳定性。

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