女性妊娠期运动生物力学特征研究进展

张 妍，顾耀东，李建设

(1.宁波大学 体育学院，浙江 宁波 315211；2.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018)

0 前 言

妊娠全过程一般分为3个时期：早期妊娠(妊娠12周以前)；中期妊娠(第13～28周)；晚期妊娠(第28周及以后)[1]。妇女怀孕期间，特别是妊娠晚期解剖和生理特征的显著改变会引起其人体运动生物力学特征的变化。由于子宫的扩大和胎儿的发育，妊娠妇女身体重量的增长主要集中于躯干下部，而激素分泌量的改变亦会使关节产生松动，骨盆和外周关节活动范围显著增加等现象，使人体被迫需要调整身体重心以维持平衡。大量研究结果发现孕期妇女的重心产生向前和向上移动的趋势[2,3]。重心一旦产生变化，关节力矩、足底压力和地面反作用力等都会随之发生联动。不正确的身体姿态会造成很多妊娠妇女产生下肢、骨盆和下背疼痛、肌肉抽筋等肌肉骨骼系统损伤，甚至引起跌倒[4]。因此，对孕妇这一特殊人群生物力学特征的研究对其正确的姿态控制具有重要意义。本综述的目的是总结孕妇运动生物力学的变化，对妊娠妇女的损伤预防和鞋具的选择提供合理的建议和依据。

1 女性妊娠阶段的形态特征

1.1 身体形态

怀孕可以引起身体姿态发生各种解剖和生理变化，如，脊柱变形和下肢水肿等。随着妊娠的发展，女性“S”曲线更加明显，这是因为身体为平衡腹部重量的增加，骨盆逐渐前倾，耻骨尾骨向后移动，增加了腰椎向前的弯曲程度。由于脊柱是一个动态结构，腰椎角度的变化引起脊柱其余部分产生连锁反应，胸椎向后弯曲增加，颈椎向前弯曲增加，但由于乳房重量的增加，肩膀会在一定程度上向前折叠靠近胸部。为减小脊柱的负荷，腰部和颈部后侧肌肉紧张程度增加，与此相反，上背部、腹部及大腿后侧肌肉由于被过分拉长而松弛。Okanishi等[5]对妊娠妇女及正常女性身体形态的比较发现，怀孕会增大脊柱的生理弯曲程度，同时出现驼背等相应的身体姿态。Franklin等[6]指出，晚期妊娠比早期妊娠骨盆前倾和腰椎前凸更明显，同时，头部产生向后的移动。Gilleard等[7]对孕期妇女及其产后的站立姿态进行对比发现，产后骨盆前倾度及腰椎前弯程度均有所减小。

1.2 足部特征

下肢浮肿是怀孕时出现的普遍现象，以足-踝处浮肿最为常见。Albino等[8]指出，妊娠妇女足部变宽是足部发生水肿的结果。Ponnapula等[9]对妊娠妇女下肢变化的调查结果显示，44%妊娠妇女足部宽度增加，其中78%参与者表示可以自我感知到这种变化。Wetz等[10]对妊娠妇女脚形和体积的研究表明，怀孕期间足长度、宽度和体积明显增加，但变化不明显。相类似，Nogueron等[11]对妊娠妇女足部进行测量同样得出怀孕期间足部长度和宽度均增加的结果。 因此，足长、宽的增加是妊娠妇女较显著的一个变化特征。

足弓是维持站立和缓冲震动的重要结构，足弓高度的降低会导致足底筋膜炎、膝关节痛和下背痛等疾病。大多数研究表明，怀孕期会导致足弓形态发生改变。Segal等[12]对妊娠妇女体重变化与足弓高度影响的研究显示，与正常女性相比，妊娠妇女足弓高度和刚度均减小，且刚度变化在怀孕初期最明显，而产后与怀孕期间的足弓高度和刚度没有显著改变。Alvarez等[13]分析妊娠妇女足与地面接触面积的变化指出，妊娠妇女足中部与地面的接触更充分，这是由于怀孕引起的足底韧带结构、足部浮肿和足体积的综合刺激导致了足弓形态发生变化。不过，也有学者指出怀孕期对足弓高度及刚度影响不大。Jelen等[14]通过建立三维模型对孕妇足部形态的改变进行研究，发现孕妇足弓下部空间体积没有明显增加或减小的趋势，但这并不能说明足弓高度没有变化，可能是足的长度增加补偿了足弓高度降低，从而保持了足弓下的空间体积。

2 运动学

2.1 步态

怀孕期间，为适应身体质量和形态的改变，步态模式也伴随变化。Lymbery等[15]总结出，在怀孕晚期步宽增加，并指出这是为在行走中维持身体稳定产生的适应性改变。Foti等[16]的研究结果显示，妊娠晚期妇女与正常女性相比，单支撑相和双支撑相的时间不同，而步速、步长没有显著性差异。此外，尽管怀孕后期妊娠妇女在双支撑相骨盆间距和两踝间平均宽度明显增加，但两者间比例不变，这也证明了妊娠妇女多采用增加步宽的方式抵消骨盆变化造成的身体不稳定。Branco等[17]也提出了相似结论，比较妊娠妇女与正常女性发现，步速、步宽、摆动相的时间没有显著变化，但双支撑相时间增加，晚期妊娠组比中期妊娠组步长和步幅有所减小。而Hock等[18]人进行的一项前瞻性随机研究得出，随怀孕时间的增加步速逐渐减慢、步态周期增加。怀孕期间，妊娠妇女维持身体稳定的方式不同，有些以增加步宽为主，但也有采用降低步速的方式。步宽的增加会导致身体侧向位移加大，同时外展肌限制非支撑侧骨盆活动，因此，这也是一些妊娠妇女出现“鸭子”步态的原因。

2.2 下肢关节

关节角度的变化对姿势的控制、平衡的维持及损伤的预防具有重要意义。Branco等[17]选取22个怀孕中后期的妊娠妇女及12个正常女性对其关节活动特征进行对比发现，实验组与对照组相比，关节角度在矢状面和冠状面的变化程度随怀孕时间的增加而显著增加，但在水平面上产生的变化不明显。其中，右髋在支持相最大伸展和最大内收外展程度明显减小，从而保持下肢在支撑末期更靠近中立位。Huang等[19]对10个分别处于早、中、晚期的妊娠妇女和10个正常女性以自由步速行走时的关节角度进行比较，得出踝关节跖屈角度减小的结论。Foti等[16]假设孕妇产后各关节角度的改变可自发恢复正常，通过对比15个妊娠妇女在怀孕晚期和产后一年的变化情况发现，晚期妊娠与产后相比，髋关节最大屈曲角度和支持期髋关节内收角度增加。其他关节角度没有明显变化(如图1)。支撑相阶段，髋关节最大内收角度的增加补偿了骨盆宽度的增加，避免步宽加大，没有出现所谓的“鸭子”步态，同时节约了能量消耗。Erin等[20]的研究结果也符合上述结论，孕妇在步态周期末期髋关节屈曲角度、膝关节屈曲角度及踝关节背屈角度增加最明显，在步态周期中期髋关节内收和内旋角度增加最明显。

图1 行走过程中踝关节、膝关节、髋关节

2.3 躯干

行走是妊娠妇女主要的日常活动方式，怀孕引起的负荷增加不均匀、关节运动幅度变化及下肢浮肿等都会对躯干造成影响。Gilleard[21]指出妊娠后期水平面内骨盆和脊柱胸腰椎节段活动度均减小，冠状面内骨盆活动度减小，矢状面内骨盆、胸廓和脊柱胸腰椎节段活动度没有明显变化。此外，在怀孕后期和产后8周的运动学对比分析得出，产后在水平面和冠状面内各关节活动度与妊娠后期没有明显差异，而在矢状面内胸廓活动度增加，骨盆活动度减小。这些变化可能与腹部肌肉群及群干后部肌肉群的功能改变有关。Foti等[16]指出，与产后一年相比，妊娠晚期妇女骨盆最大前倾角增加，但具有较大的个体差异性，这可能是造成妊娠妇女骨盆痛的主要生物力学机制。骨盆对摆动腿在摆动相初期产生旋前作用，在支持相末期产生旋后作用[22]。目前，对怀孕相关骨盆痛的机制研究没有得到一致定论，可能与骨盆活动范围增加或骨盆胸廓协同作用等躯干运动学变化有关[23]。

3 下肢动力学

3.1 足底压力

孕妇会采用各种不同的方式站立以保持平衡。Gaymer等[24]将足底分为前、中、后三个掌区，并比较妇女晚期妊娠时足底压力的变化情况，发现妊娠晚期妇女足中掌压力峰值显著增加。Nyska等[25]同样证明，妊娠妇女足底中部压力增大而前部减小，并推断这可能是由于距骨头降低导致弹性韧带的松弛，或胫骨后肌韧带的功能衰退而引发的旋前肌的功能改变。接触面积方面，足内外侧边缘与地面的接触面积增加了12%，这样分散了由于体重增加造成的更大的压强。Ribas和Guirro[26]对不同妊娠期妇女静止站立时的足底压力进行测量(如图2)，结果显示，足底压力峰值没有明显变化。足底压力中心前后移动幅度明显增加，在左右方向上没有变化。足底和地面的接触面积也没有显著变化。足底压力和足底与地面接触面积变化的结论不一致可能与妊娠妇女本身适应能力的个体化差异有关。

图2 足底压力测量

3.2 关节力矩

怀孕引起的关节力矩改变是导致步态节律不稳和肌肉骨骼系统损伤的重要因素。Huang等[19]指出，随着孕期的增加，髋关节伸展力矩、膝关节内收力矩增加，膝关节伸展力矩、踝关节跖屈力矩减小，骶髂关节痛可能与这些力矩变化有关。Foti等[16]将孕妇与正常女性的关节力矩和输出功率进行标准化，然后分别比较非标准化和标准化后的动力学参数得出，非标准化时，妊娠妇女髋关节在矢状面的最大伸展力矩明显增加，髋关节由屈曲力矩的产生变化到产生伸展力矩的时间更长，髋关节最大输出功率增加，在冠状面最大外展力矩及最大功率输出也增加。同时，踝关节在矢状面的最大跖屈力矩及最大跖屈输出功率增加。这些关节力矩值的改变表明，髋关节外展肌、屈肌及踝关节跖屈肌群的利用增加，这就容易导致妊娠妇女产生肌肉痉挛。标准化后，妊娠妇女除了髋关节外展力矩增加显著及最大踝关节跖屈力矩显著减小外，其他指标没有明显改变，说明妊娠妇女髋关节外展力矩和踝关节跖屈力矩的变化不是由于体重增加引起的。

3.3 地面反作用力

妊娠妇女步态模式的改变必然引起地面反作用力的变化。Santos等[27]指出，妊娠妇女行走时，垂直方向地面反作用力峰值增加。进行体重标准化后，垂直方向地面反作用力在足跟离地期减小，说明孕妇具有较强的自我保护意识，行走时发力较小，在一定程度减小了地面冲击力，但不易维持身体稳定。Albino等[8]也认同标准化后垂直方向地面冲击力减小，水平面横向作用力变化幅度较大。不过，Lymbery等[15]对妊娠妇女步态特征的研究表明，妊娠晚期妇女垂直方向及水平面纵向的地面反作用力值没有明显变化，水平面横向地面反作用力值增大且不具显著性。这主要由于Lymbery等[15]实验选取的受试者存在较大的平均步宽，增加了足跟离地期的横向摩擦力，调整了垂直作用力。McCrory等[28]对处怀孕期间有跌倒史和未跌倒过的女性进行调查研究发现，地面反作用力与跌倒不存在重要联系。

3.4 平衡控制

大多数女性表示怀孕会导致姿态稳定性降低，因此妊娠妇女存在较高的跌倒风险。大约28%妊娠妇女在怀孕期间发生过摔倒现象[4]。在对正常成年人姿势控制的研究中发现，当双足分开一定距离时身体稳定性更好，距离越小越不易保持平衡[29]。但怀孕引起的人体质量不均匀分布及关节松弛不对称等都会对身体稳定性造成一定程度的破坏。Jang等[30]分析怀孕对身体控制平衡的能力的影响，总结出怀孕期间身体对前后方向的控制能力下降，容易发生跌倒；而对左右方向的控制能力基本保持不变，但在产后侧向平衡控制能力有所衰退，可能与怀孕期间妊娠妇女采用更宽的双足距离作为支持基础，从而降低了重心高度有关。Oliveira等[31]通过观察身体重心移动轨迹证明，孕妇以较小的支撑基础站立时，重心位移变化幅度较大，身体平衡不易控制。Ribas和Guirro[26]在对妊娠妇女身体重心与姿势平衡关系的研究中指出，妊娠妇女身体重心在矢状轴的移动幅度增加是造成其动作不稳定的因素之一。

图3 妊娠妇女正确与错误直立姿态对比

如上所述，多数妊娠妇女行走时难以保持平衡，为避免跌倒多选择穿平底鞋行走。然而，近期日本学者对鞋跟高度与孕妇跖屈力矩的关系进行了相关研究。他们指出，2～3cm的鞋跟高度更有利于减少孕妇日常活动中的损伤。Yamamoto等[32]人首先采用模拟孕妇行走的方式分析比较平底鞋和3cm鞋跟对孕妇踝关节的影响，结果表明，3cm高的鞋跟可以减小踝关节跖屈力矩。随后，Fujita等[33]以怀孕妇女为对象做了同样的研究，得出相同结果，即穿3cm鞋跟高度时跖屈力矩显著减小。不过，这仅表明3cm的鞋跟高度可以减小踝关节负荷。但鞋跟高度的增加，对于重心前倾的加剧也需进一步观察。另外， Hock等[34]对妊娠妇女盆底肌最大力量及持续收缩能力的变化情况进行调查总结出，孕期妇女肌肉力量下降且最大持续收缩时间相对较短。然而，调查对象中偶尔参加体育活动的孕妇表现出更大的肌肉力量，经常参加体育活动的孕妇表现出更强的平衡控制能力。

4 总 结

回顾国内外关于妇女在妊娠阶段生物力学特征的研究成果可见，部分女性在怀孕期间会产生肌肉骨骼系统的运动损伤。这些损伤多数是由于胎儿发育引起的体重不均匀增加导致的重心、关节活动度、关节力矩、足底压力改变等一系列变化有关。目前对妊娠妇女形态特征改变的生物力学机制的研究重点进行了力学描述，但从系统性及规律性角度上并未有太多实质性结论。此外，大部分现有理论成果的应用性较低，如何利用运动学与动力学变化特征预防妊娠妇女肌肉骨骼损伤也是仍未彻底解决的问题。鞋跟高度控制可减轻孕妇踝骨节力矩，因此可进一步设想，鞋底及鞋面的材质、结构设计是可以研发舒适性高并增加安全性的“孕妇鞋”产品。同时，怀孕期间需要保持体育锻炼的意识，避免久坐；定期进行适量运动，培养健康的生活习惯，肌肉力量的保证才是稳定控制的前提。

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