25～27岁肥胖青年男性自然行走步态运动学分析

沈 飞，王海军，陈庆合

(河北科技师范学院体育系，河北秦皇岛，066004)

随着科学技术的不断发展和人们物质生活水平的不断提高，使人们的生活方式、饮食结构迅速改变，越来越多的人们营养过剩，导致肥胖群体的数量逐年递增。肥胖给人们的日常生活带来诸多不便，而目前国内外学者关于肥胖的研究大多停留在医学和运动生理学等领域，通过运动生物力学的角度研究肥胖人群的步态，目前国内研究者很少。正常步态具有稳定性、周期性、节律性、方向性以及个体差异性，然而，当人们存在疾病时，以上步态特征将发生明显的改变［1］。肥胖这一热点问题日益受到社会的广泛关注，由于肥胖各种各样健康问题接踵而来，肥胖使身体承受过多的负担，而足是承担人体质量的重要器官，与人的健康有着密切的关系。自然行走是人们生活中必不可少的一部分，脂肪在体内过多堆积是否会引起步态的改变?大学生是祖国的未来与希望，在文献阅读中尚未发现国内外学者对肥胖大学生的步态进行研究，因此把这三方面的问题整合在一起加以研究显得尤为重要，笔者通过对25～27岁肥胖大学生和体质量正常大学生自然行走时运动学相关参数的测量，并对其自然行走过程进行运动学分析与相关性研究，探索自然行走过程中运动学参数的分布规律以及自然行走时各关节角度的变化情况，探究体质量增加是否会引起这些运动学参数的改变，进而引起异常步态，为矫形处方、体育锻炼、临床医学和医疗康复等方面的研究提供实践依据和数据参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

研究对象为东北师范大学非体育学院的在校研究生(男性)16名，其中肥胖者8名，体重正常者8名(表1)。采用韩国生产的体质成份分析仪 (VENE5.5 Body comPosition Analyzer)对受试者的体质成份进行测量，脂肪在身体总质量中的质量分数大于0.25的8名确定为肥胖组，脂肪在身体总质量中的质量分数大于0.15小于0.25的8名作为对照组，在测试前经询问，研究对象的下肢无受伤史，无足部疾病和足部损伤，无训练史，无扁平足和足部骈体。

1.2 运动学相关指标的采集

应用美国产Fastec Imaging高速摄像机，调试其采样频率为125帧/s，分辨率设为640×480，摄像机放在人体行走的正侧面，与人体行走路线所成角度大约为80°，在行走路线的一侧放1根1米长的标杆，使阳光能够直射到摄像机和实验对象上，受试者以习惯自然行走时步速沿规定的路线行走，拍摄过程中随机拍摄，取一个完整的步态周期。拍摄完毕后马上把图像储存在笔记本电脑上，进行下一组拍摄，待所有受试者拍摄完毕后，通过艾里尔配套的解析软件对所拍摄的图像进行处理，最后得出运动学相关参数。

表1 受试者自然状况

1.3 实验数据的统计分析

采用Excel建立数据库，并进行数据处理。对实验中所测得的运动学参数进行统计分析，结果用±S表示，组间采用双侧T检验，其返回值为P，分析其差异是否具有显著性，当P﹤0.05时，认为2组数据差异显著。当P﹤0.01时，认为2组特征量差异高度显著，当返回值P不在此范围内不予讨论。同时，采用spss15.0软件把测得的运动学各项指标与身高、体质量、年龄、脂肪在身体总质量中的质量分数、鞋码等指标进行Pearson相关分析，当R值接近±1时，认为其关系具有相关性。当P﹤0.05时相关具有显著性，当P﹤0.01时相关具有非常显著性。

2 研究结果与分析

2.1 不同肥胖程度的在校研究生自然行走时的时间、空间参数特征

测量结果表明，反映自然行走步态时间参数指标肥胖组的双支撑时相、足放平的时间明显大于对照组，且差异具有显著性(P﹤0.05，P=0.03)(表2)。而足放平的时间、单只撑时期明显小于对照组且差异具有非常显著性(P﹤0.01，P=0.009，P=0)。其它时间参数指标虽然有不同程度的改变，但不具有统计学意义，不予讨论。反映自然行走步态空间参数指标肥胖组的步宽和对照组相比有不同程度的增加，且差异具有显著性意义(P﹤0.05，P=0.049)。肥胖组的步长小于对照组但差异不具有显著性意义(P＞0.05，P=0.285)，而肥胖组的相对步长明显小于对照组且差异具有显著性意义(P﹤0.05，P=0.042)，可能是由于肥胖组的身高大于对照组。由于在自然行走过程中，双支撑时期是步态周期中最稳定的时期，双支撑时期越长步行越稳定，而单只撑时期是单侧足支撑全部重力的时相，此时髋关节屈，而踝关节背屈，当身体不稳定时单只撑时相缩短，迅速将重心移到另一足，以保持平衡。肥胖组由于体重过大，在迈步时体质量全部集中在单侧足，严重破坏了身体的平衡性，而臀大肌和股四头肌的力量不足，导致双支撑时期增长而单只撑时期缩短。为了维持平衡的稳定性，实验组通过减小步长从而达到维持重心在同一个水平面上运动，增加步宽来提高支撑面扩大稳定角。而相对步长的减小可能是由于肥胖组的身高大于对照组。此结果的研究与国内学者［6～7］和国外学者［8～10］等对肥胖儿童步态研究结果基本相符合，表明肥胖学生在自然步行时动态姿势稳定性下降，需要通过调整自然行走过程中的时间、空间参数来维持平衡。

表2 受试研究生自然行走过程中时间、空间参数

2.2 肥胖研究生自然行走步态时间、空间参数与身高、体质量、年龄、鞋码、肥胖程度的相关性分析

对研究对象的时间参数和空间参数与身高、体质量、年龄、鞋码、肥胖程度进行Pearson相关性分析(表3)，结果显示，研究对象时间参数指标中支撑时期与肥胖程度(即脂肪在体质量中的质量分数)呈显著正相关(P＜0.05，R=0.604)。双支撑时期和足放平时间与体质量及肥胖程度呈高度显著正相关(P＜0.01，R=0.834，0.887)。而研究对象单支撑时期和体质量、肥胖程度呈高度显著负相关(P＜0.01，R= －0.821，－0.753)。足放平时间与体质量呈显著正相关(P＜0.05，R=0.794)。而与肥胖程度呈高度显著正相关(P＜0.01，R=0.912)。其它时间参数指标的相关性分析呈弱相关，不具有统计学意义。研究对象空间参数指标中步长与身高呈高度显著正相关(P＜0.01，R=0.826)，与体质量呈高度显著负相关 (P＜0.01，R=－0.839)，与肥胖程度呈显著负相关(P＜0.05，R=－0.771)。研究对象的步宽与身高、体质量、肥胖程度呈显著正相关(P＜0.05，R=0.727，0.712，0.675)。研究对象的相对步长与体质量呈高度显著正相关(P＜0.01，R=0.852)，与肥胖程度呈显著正相关(P＜0.05，R=－0.741)。而其它空间参数指标的相关性不具有统计学意义。研究的结果和Panagiotis SPyroPouios［11］的研究结果基本一致。

表3 时间、空间参数与身高、体质量、年龄、鞋码、脂肪在体质量中的质量分数的相关性分析

2.3 不同肥胖程度研究生自然行走时时空参数特征

自然行走时的时空参数主要以步态周期中下肢的髋、膝、踝关节角度的变化特征为主要依据。通过对关节角度的变化情况可以反映各关节的功能状况，当神经、肌肉异常时，角度出现异常，表明两下肢的协调性较差［12］。根据人体在自然行走过程中足跟着地、全足着地、足趾离地关节角度变化，反映步态周期中各关节角度的变化。足跟着地是足跟接触地面的瞬间，确定人体向前运动减速，确定足进入支撑相位置。研究结果表明，在足跟着地瞬间，踝关节最大跖屈角度肥胖组明显大于对照组，差异具有非常显著性意义(P＜0.01，P=0.005)。产生这一现象的原因是由于肥胖组脂肪在体内过多的堆积，给踝关节造成了额外的负担，使踝关节周围的韧带和肌肉的力量减弱，不利于踝关节的屈曲运动，引起足跟着地时着地角增大，使着地点离身体重心投影点过近，从而会影响步长，减小步幅，破坏了平衡的稳定性。为了代偿自身的失衡，肥胖组用增加步宽增加身体的平衡性。另一方面由于肥胖组踝关节的屈曲角度大，与地面的夹角小，可以增加和地面的摩擦，更好地维持身体的平衡。肥胖组在髋关节跖屈角度小于对照组且差异具有显著性意义(P＜0.05，P=0.017)，可能是由于肥胖人群的脂肪大多集中在腰部、臀部、大腿内侧，限制了髋关节的运动。这与张晓栋等［14］对肥胖儿童的步态研究基本吻合。

在单支撑相中，膝关节、髋关节、踝关节角度肥胖组和对照组比较有着不同程度变化，但是差异不具有显著性意义(表4)。支撑相末期是指足主动加速蹬地，开始于足跟抬起，结束于足趾离地。此时踝关节保持跖屈，膝关节伸，髋关节由屈变伸参与工作的肌肉为臀大肌、股四头肌和小腿三头肌［15］。测量结果表明，在足趾离地时肥胖组在膝关节、踝关节处和对照组比较差异不具有显著性，但肥胖组在髋关节处的屈曲角度明显大于对照组，且差异具有非常显著性意义(P＜0.01，P=0.006)。产生这一现象的原因是由于肥胖组为了增加自身的平衡性来扩大髋关节角度从而有效增加转动半径的长度，形成骨盆绕支撑腿髋关节矢状轴的转动，来增加支撑转动半径的长度，有利于人体重心保持在同一个水平面上运动。从而达到代偿人体的不稳定性。另一方面髋关节屈曲度改变大，步长相对会长，这与肥胖组的步长长短相吻合。

表4 足跟着地、单只撑时相、足趾离地髋、膝、踝等3关节角度

2.4 不同肥胖程度的在校研究生自然行走时时空参数与身高、体质量、年龄、鞋码、脂肪在体质量中的质量分数的相关分析

对研究对象的时空参数主要关节角度与身高、体质量、年龄、鞋码、脂肪在体质量中的质量分数进行Pearson相关分析(表5)，结果表明，研究对象足跟着地瞬间髋关节与踝关节角度和体质量及脂肪在体质量中的质量分数呈显著正相关(P＜0.05，R=0.713，0.689，0.659)。而足跟着地瞬间踝关节角度与脂肪在体质量中的质量分数呈高度显著正相关(P＜0.01，R=0.829)。由于脂肪主要分布在腰部和大腿内侧，限制了足跟着地瞬间髋部前旋，缩短了支撑转动半径的长度，不利于缓冲地面反作用力和蹬伸阶段大腿肌群的用力，所以肥胖人群应加强体育锻炼来增加下肢肌肉力量。而在单支撑时相，膝关节的角度随着体质量的增加而增大，为了增加膝关节的屈曲度，预先拉长肌纤维，以增加蹬地的力量。踝关节的屈曲角度大，与地面的夹角小，可以增加和地面的摩擦，更好地维持身体平衡。

单支撑时相膝关节角度与体质量、年龄、脂肪在体质量中的质量分数呈显著正相关(P＜0.05，R=0.613，0.648，0.727)，膝关节在步行支撑阶段做屈伸运动，而在单腿支撑阶段关节轻微屈曲，肥胖组为了增加蹬地的力量和降低重心的高度，使膝关节角度明显小于对照组，这样不仅有利于缓冲地面反作用力和蹬伸阶段大腿肌群的用力，降低重心波动，而且可以增加身体的平衡性。踝关节角度与鞋码的大小呈显著正相关(P＜0.05，R=0.712)，产生这一现象的原因可能是由于在测量的过程中产生了误差所致。足趾离地时踝关节角度与脂肪在体质量中的质量分数呈显著正相关(P＜0.01，R=0.815)。而其它时空参数的各项指标与身高、体质量、年龄、鞋码、脂肪在体质量中的质量分数的相关性分析不具有统计学意义，不予讨论。

表5 时空参数与身高、体质量、年龄、鞋码、脂肪在体质量中的质量分数的相关性分析

3 结 论

(1)肥胖青年双支撑时相、双支撑时相百分比、足放平的时间均比体质量正常青年长，步宽比正常青年宽，且与体质量、脂肪在体质量中的质量分数呈显著正相关。而步态周期、支撑时相和正常青年基本一致，但肥胖青年的单支撑时相、步长均小于正常青年，且与体质量、脂肪在体质量中的质量分数呈显著负相关。

(2)肥胖青年在自然行走过程中，在单支撑结束双支撑开始的瞬间，足跟接触地面时，踝关节的角度明显大于正常青年，膝关节角度明显小于正常青年。在单支撑时期各关节角度变化基本一致。在足趾离地时肥胖青年踝关节角度大于正常青年，髋关节和膝关节角度变化和正常青年基本一致。

(3)研究对象足跟着地瞬间髋关节、踝关节角度和体质量及脂肪在体质量中的质量分数呈显著正相关。单支撑时相膝关节角度与体质量、年龄、脂肪在体质量中的质量分数呈显著正相关，而膝关节的角度与脂肪在体质量中的质量分数呈显著负相关。在足趾离地时踝关节角度与脂肪在体质量中的质量分数呈显著正相关。

［1］ 王海军.25～27岁肥胖青年自然行走时运动生物力学研究［D］.长春:东北师范大学，2010.

［2］ 运动生物力学编写组.运动生物力学［M］.北京:高等教育出版社，1998.

［3］ 郑秀媛.现代运动生物力学［M］.北京:国防工业出版社，2002.

［4］ 赵焕彬，李建设.运动生物力学［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［5］ 弗拉基米尔M.扎齐奥尔斯基.运动生物力学—运动医学百科全书［M］.北京:人民体育出版社，2004.

［6］ 王琳，徐冬青，李静先.中国青春期前男性肥胖儿童步态和姿势控制变化［J］.中国运动医学杂志，2008，27(2):179-183.

［7］ 闫松华，谢楠，刘志成.肥胖儿童平地自然行走时的步态研究［J］.中国运动医学杂志，2007，26(3):286-290.

［8］ HILL A P，PARKER A W.Gait characteristics of obese PrePu-bertal children，effects of diet and exercise on Parameters［J］.Int JRehabil Res，1991，14:348-349.

［9］ MCGRAW B，MCLEN B A，WILLIAMSH G，et a1.Gait and Postural stability in obese and nonobese PrePubertal boys［J］.Arch Phys’Med Rehabil，2000，81(4):484-489.

［10］ DEVITA P，HORTOBAG Y T.Obesity is not associated with increased knee joint torque and Power during level walking［J］.JBiomechm，2003，36(9):1 355-1 362.

［11］ SPYROPUIOSP，PISCIOTTA JC，PAVIOUavIou A.Biomechanica I gait and Phys［J］.Med RehabiI，1991，45(213):1 065-1 070.

［12］ 陆爱云.运动生物力学［M］.北京:人民体育出版社，2010.

［13］ 钱竞光，宋雅伟.康复运动生物力学［M］.北京:人民体育出版社，2008.

［14］ 张晓栋，肖丹丹.肥胖儿童与正常儿童行走步态特征的运动学分析［J］.北京体育大学学报，2008，31(12)，1 652-1 654.

［15］ MESSIER SP，DABIESA B，MOOR D T.Effects on footmechanics duringwalking［J］.Foot-Ankle-Int，1998，1(51):29-34.

［16］ MONIK H V，TEKLA T A，JOXRG T Y.Kinematic and kinetic analyses of Patterns in hemiPlegic Patients［J］.Physical Education and Sport，2001，13(8):25-35.

［17］ 宋雅伟，孙文，寇恒静.步态运动学及动力学的研究方法［J］.中国组织工程研究与临床康复，2009，14(2):321-324.

［18］ SHIRLEY A，PARECIDA F，JOEL F A，et a1.Gait cinematic analysis in morbidly obese Patients［J］.Obesity Surgery，2005，15(45):1 238-1 242.