7岁肥胖男童正常行走步态的生物力学研究

张少伟

(东北师范大学体育学院，吉林长春 130024)

7岁肥胖男童正常行走步态的生物力学研究

张少伟

(东北师范大学体育学院，吉林长春 130024)

研究肥胖儿童正常行走时的步态特征，对了解其运动方式和肥胖引起儿童足部结构的变化特点具有重要意义。采用三维摄像，对30名7岁肥胖男童与30名正常男童行走时步态进行比较研究。结论:肥胖儿童与正常儿童相比，行走时一个步态周期时间的绝对值上显著性增大;肥胖儿童单步长、步频以及步速均低于正常儿童，而步宽值比正常儿童宽;下肢关节角度活动范围表明肥胖儿童蹬伸不充分;足步向角度，表明肥胖组为典型的外八字步态。

肥胖;儿童;步态;生物力学;行走

肥胖是当今世界面临的一个重要的健康问题，其中最引人注意的是儿童青少年人群肥胖率逐年增加。肥胖这种疾病会导致儿童身体、心理、社会和经济等方面的不良后果［1］。儿少时期的肥胖，通常会引起一系列的生理疾病，例如高胆固醇血［2］、血脂异常和高血压［3］、骨骼发育异常［4］、内分泌失常［5］等疾病，导致儿童青少年体质下降，健康受损［6］;另一方面，肥胖也会造成儿童青少年社会心理及情绪发展的障碍，如抑郁和低自尊、体型意识不满和心理扭曲等心理疾病［7］，因此，肥胖所造成的健康问题不容忽视。

目前有关肥胖对骨骼肌肉和运动系统的影响，肥胖人群的步行方式以及足底压力变化，肥胖人群的姿势控制等方面仍旧了解甚少。因此还不能更好地科学指导肥胖儿童的健身运动。通过对肥胖男童与正常群体步态的研究，揭示该人群正常行走时的步态、足底压力分布、姿势控制方式等特点，以期为肥胖对儿童步态带来的影响提供科学量化的理论参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选择长春市吉大子弟小学60名7岁男童为研究对象，其中30名正常体重男孩为正常组(BMI范围是18.5～24.9)，30名肥胖儿童为肥胖组(BMI≥28)，BMI的分类标准严格按照中国肥胖工作组制定的标准［8］。所有受试者身体健康，所有受试者经询问和检查均无足部畸形，异常步态和足部外伤史，无任何神经与肌肉系统疾病，以及可能对运动产生限制的疾病。受试者均被告知实验目的并经过监护人同意。肥胖通过BMI指数来确定，BMI=体重(kg)/身高2(m):正常体重组BMI范围是18.5～24.9，25≤BMI≤27.9为超重，BMI≥28为肥胖。

表1 受试者基本情况一览表

注:*表示实验组与对照组相比P≤0.05。

1.2 研究方法

1.2.1 主要测试仪器 对于肥胖儿童的筛选，采用欧姆龙HN-282型电子体重计，测量受试者的身高和体质量。使用2台数码摄像机(panasonic DP 200)同步进行三维录像拍摄。实验数据采用美国艾里尔(Ariel Dynamics)公司生产 The APAS System运动分析系统对运动图像进行数字处理，并对原始数据平滑处理。

1.2.2 实验流程 在室内体育馆内设置工作区域，设定两个标志点相距12m，标志点间为测试区域，受试者进行环境适应性训练，要求裸足随意行走。待其适应后，以常速自然行走进入测试区。同时使用2台数码摄像机(A、B)，采集此时的运动学数据，摄像机镜头高度70cm，拍摄频率为50帧/秒，距离测试区域7m。每名受试者左右足各完成3次。

1.2.3 数理统计法 对实验数据的处理方法使用spss12.0按常规方法计算各指标的平均数、标准差以外，对相关变量进行双因素方差分析，多重比较采用lsd法检验，显著性水平为0.05;图形图表的制作选用Excel软件和SigmaPlot 11.0统计软件进行处理制作。

2 研究结果与分析

2.1 肥胖儿童步态的时间参数特征

表2为肥胖男童与正常儿童自然行走时一个步态周期的时间构成情况。与正常儿童相比，肥胖组在一个步态周期时间的绝对值上要显著性增大(P＜0.01)。分析一个步态周期时间的构成，发现两组之间在摆动期绝对值无显著性差异，主要差异表现在支撑期时间上，肥胖儿童比正常儿童拥有更大的支撑时间(P＜0.01)，同时支撑时相占整个步态周期的百分比也显著增加(P＜0.01)。分析支撑期的构成发现，双支撑期的绝对值和双支撑时间占支撑期的百分比，肥胖儿童都显著高于正常儿童(P＜0.01)。随着负重量的增大而明显上升。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)。

表2 两组测试对象步态周期及支撑期和摆动期占一个步态周期百分比的比较(%)

可见，在自然行走状态下，肥胖儿童在一个步态周期的时间参数上与正常儿童不同，主要表现在一个步态周期时间增大，支撑时间延长，其中单支撑时间显著性减小，双支撑时间显著性增大，这和以往的一些研究成果相一致。肥胖儿童的这种步态时间结构的变化，主要是由于肥胖儿童拥有更大的体重，为了维持身体的稳定性和对姿势的控制，因此，他们在行走过程中延长了支撑时间，尤其双支撑时间。

2.2 肥胖儿童步态的空间参数特征

行走时左右足跟(或趾尖)间的纵向距离称为单步长，以往的研究［9－10］已经证实，单步长与身高显著相关。在本研究中，肥胖儿童与正常儿童相比，身高并没有显著性差异(表1)，但正常行走时肥胖组步长值要略低于正常儿童，为了消除身高对步长的影响，取相对步长值指标(步长/身高)发现肥胖组的相对步长值要显著性低于正常组值(P＜0.05)。在步频值上，肥胖儿童的步频要低于正常儿童(P＜0.01)，分别为(56.13±1.23)步/分和(61.85±1.82)步/分，这与Hills等的测试结果相一致。由于步长、步频是决定步速的综合因素，因此，任何一个变量的变化都会引起另外一个变量有相应的变化，本实验并没有强制儿童按照固定的速度行走，而是让其采用日常所习惯的行进速度前行，以便观察儿童在自然行走状态下其步态的变化情况。结果表明，肥胖儿童其自然行走的步速要略低于正常组儿童，两者相差0.11m/s，差异显著(P＜0.01)，这表明肥胖儿童自然行走时选择较为缓慢的速度，而步速缓慢主要是由于步频缓慢所导致的。

表3 两组实验对象行走时一些空间参数特征比较

在步宽值上，和正常儿童相比，肥胖儿童也有较大差异。肥胖儿童行走时步宽值比正常儿童宽3.11cm，呈非常显著性差异(P＜0.01)，这也是导致肥胖儿童步长值略低于正常儿童的主要原因。肥胖儿童步宽的这种变化，主要是由于肥胖儿童的体重较大，为了保证在行进过程中姿势的稳定性，必然会通过步宽的变化来加大支撑面积以维持稳定。另外，肥胖的儿童在体型上也与正常儿童有较大差异，通常肥胖儿童往往下肢粗大，日常行走时，其两腿之间很难并拢，这种体型导致肥胖儿行走步宽比正常儿童高。但是如果步宽值过大的话，就会在横向产生无效分力的作用，导致身体的左右摇晃幅度增大，这对儿童长时间行走也是不利的，容易产生过多的无效能量消耗。另外，步宽过宽的话，则需要足弓的内侧产生较大的相对下陷来缓冲力量，维持足部的稳定性，长时间行走，则导致胫骨后肌群肌肉容易疲劳，同时足部稳定功能低下导致足部的损伤。

2.3 下肢关节活动范围

从髋关节角度在支撑期中的变化情况来看，肥胖儿童在自然行走过程中，其髋关节活动范围与正常儿童相比，呈下降趋势(P＜0.05)，这种角度的差异，可能与肥胖儿童多余的体重有关。由于肥胖儿童较正常儿童具有较大的体重，其迈步相对正常儿童要短，因此，其髋关节的屈曲幅度也要比正常儿童小。从支撑期膝关节角度变化情况看(图1)，肥胖儿童行走时膝关节最小值(即最大缓冲角度)较正常儿童下降明显(P＜0.05)，尽管膝关节的最大值也有轻微的降低，但是肥胖儿童膝关节角度变化范围24.36°±5.39°显著高于正常儿童17.39°±8.65°(P＜0.01)，这主要是由于肥胖儿童具有较大的体重，在行走时，有一定的主动的屈膝动作，膝关节和大腿的肌群在屈膝过程中，充当了减震器的作用，以便更好地进行下肢的缓冲，防止运动损伤和着地时刻过大的冲击力量，同时也有助于维持身体的稳定性。但由于肥胖组膝角在蹬离地面时候小于正常组，也说明在蹬伸时膝关节并未完全伸直，导致其下肢蹬伸不充分。肥胖组踝关节角度活动范围在整个支撑期中有了非常显著性的降低(P＜0.01)，即踝关节的屈曲程度大幅度降低，背屈的减少，也会导致单步长的减小，蹬地向前的分力减少，降低力向前的动力效率。

表4 测试对象支撑期下肢关节活动范围(单位:°)

图1 测试对象支撑期下肢关节活动范围

2.4 足步向角的变化

足步向角即人体正常行走过程中，当足着地时，足中线与矢状轴所成夹角，即脚与行走方向中线所形成的角度该指标是判断肥胖儿童与正常儿童步态差异的一个有意义的指标。从图2中可见，肥胖儿童的足步向角度平均为19.76°± 4.18°，而正常儿童的足步向角度则为11.25°±4.42°，两者之间相差8.51°，差异十分显著(P＜0.01)，可见，肥胖儿童组为典型的外八字步态。造成肥胖儿童这种步态的主要原因与其体重有直接关系，肥胖儿由于体重较大，在行走过程中，身体重心在横向的稳定性较低，因此，肥胖儿童通过足的外展来增大下肢的支撑面积，以提高行进过程中身体的动态稳定性。但这种步态容易导致肥胖儿童足用力不是向前，降低了蹬伸的效果。同时，这种八字步态也是导致行走时步长降低的一个主要原因，另外较大的足步向角容易导致行走时膝关节的过度外展，长时间行走会引起膝关节的疼痛，进而易诱发骨性膝关节炎。

图2 两组测试对象足向角度比较图

3 结论

1)肥胖儿童与正常儿童相比，行走时一个步态周期时间的绝对值上显著增大(P＜0.01)。其中摆动期绝对值无差异，支撑时间增加(P＜0.01)，同时支撑时相占整个步态周期的百分比也显著增加(P＜0.01)，双支撑期的绝对值和双支撑时间占支撑期的百分比，肥胖儿童都显著高于正常儿童(P＜0.01)。

2)肥胖儿童与正常儿童相比，单步长、步频以及步速均低于正常儿童，而步宽值比正常儿童宽3.11cm，呈非常显著差异(P＜0.01)。

3)在着地时刻，肥胖组髋关节角度、踝关节角度显著高于正常组(P＜0.01);离地时刻膝关节角度和踝关节角度显著降低，结合下肢关节角度活动范围表明肥胖儿童蹬伸不充分。而肥胖儿童足步向角度平均为19.76°±4.18°，表明肥胖组为典型的外八字步态。

［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］张 君，白汉玉．儿童病态性肥胖［J］．中国临床医生杂志，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］中国肥胖问题工作组，季成叶．中国学龄儿童青少年超重、肥胖筛查体重指数值分类标准［J］．中华流行病学杂志，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

吉林省科技厅社科基金研究课题，2012年社会发展领域科技支撑计划重点项目(20120417)。

张少伟(1956－)，男，副教授，硕士，主要研究方向为体育教育训练学。

责任编辑:乔艳春

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