6～7岁肥胖儿童自然行走时的步态与足底压力分析

王海军，陈 巍，陈庆合，岳志荣

(河北科技师范学院体育系，河北 秦皇岛，066004)



6～7岁肥胖儿童自然行走时的步态与足底压力分析

王海军，陈 巍，陈庆合，岳志荣

(河北科技师范学院体育系，河北 秦皇岛，066004)

运用实验法、数理统计等研究方法，通过二维测力平板(Foot scan 7.0 USB2 gait system)和高速摄像机(Fastec Imaging)对东北师范大学附属小学32名6～7岁小学生平地自然行走时的足底压力与步态特征进行测量与分析，探究肥胖儿童与体质量正常儿童自然行走时的相关参数指标的差异情况。结果表明，肥胖儿童步态周期、双支撑时间、步宽明显大于体质量正常儿童，而体质量正常儿童摆动时间、足放平时间、单步长和相对步长明显大于肥胖儿童。肥胖儿童与体质量正常儿童足底各区域峰值压强、冲量值从大到小的顺序存在差异，压力中心轨迹在X轴方向上摆动范围较大，在Y轴方向上摆动范围较小，左右足的步向角大于体质量正常儿童，而足跟着地角小于体质量正常儿童，应引起社会各界的关注与重视。

肥胖儿童；步态；足底压力分析；压力中心轨迹

随着科技的进步和人们生活水平的提高，人们的生活方式、价值观念和饮食结构等都发生了巨大改变，越来越多的人们饮食结构不均衡、营养过剩、缺乏体育运动且沉浸在静态的网络生活中，导致肥胖者的数量不断增加，尤其是儿童的肥胖比例呈逐年递增的趋势。当前全球有1.55亿超重肥胖少年儿童，而中国儿童肥胖率高达 8.1%，城市中小学生的超重率高达20%[1～3]。肥胖给人们的日常生活带来诸多不便，易导致糖尿病、高血压和多种心脑血管疾患，更容易引起扁平足、足部胼胝体、足外翻等关节损伤的运动系统疾患，进而引起步态的异常[4～6]。步态是指人体行走时的姿态，通过髋、膝、踝和足趾的一系列连续活动，使身体沿着一定方向的移动过程，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[7]。当人体处于疾病或亚健康状态时，以上步态特征将发生明显改变，进而反映下肢乃至全身的生理、结构和功能等方面的信息。自然行走是人们日常生活最基本也是重复次数最多的一项周期性、整体性运动，行走中的动力学和运动学参数变化是步态分析的一个重要内容。6～7岁儿童正处学龄期，他们是祖国的未来与希望，如何通过步态参数变化情况评价他们的健康状况是摆在当前的一项重大课题。国内外学者应用不同的研究方法、通过不同视角对不同研究对象的步态的研究有所涉猎。如国外学者Ann Hathleens等[8]，Ganley K J等[9]，Ivanenko Y P等[10]探究儿童步态与成年人步态的差异，并各自阐述了自己的观点，曹丹丹等[11]对儿童内八字脚的矫正效果进行了研究。对肥胖儿童步态的研究始于Hill A P等[12,13]，认为肥胖儿童有较长的双支撑时间。Graw B M等[14]，Morrison S C等[15,16]，Dufek J S等[17]，McMillan A G等[18]在此基础上通过运动学的角度进一步作了深入研究。El O等[19]，Markus W等[20]，Simon J等[21]学者研究认为，肥胖易产生足外翻和扁平足等足部畸形病变。国内学者如张洋等[22]和杨璐铭等[23]分别对肥胖儿童足的支撑反作用力和研究进展等方面进行研究。但运用运动学和动力学相结合的方法对6～7岁肥胖儿童学自然行走的步态分析尚未发现学者有所涉猎。笔者旨在揭示肥胖儿童自然行走时步态特征和足底压力的变化特点，探究与体质量正常儿童在自然行走时的相关参数的差异情况。以期为临床医学、矫形处方、运动外伤的医学诊断和体育学等方面的研究提供理论依据和数据参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以东北师范大学附属小学一年级6～7岁32名小学生为研究对象，采用韩国生产的人体成份分析仪(VENE5.5 Body comPosition Analyzer)对研究对象的体脂成份进行测量，将体脂质量分数大于25%的16名儿童确定为实验组(肥胖组，下同)，体脂质量分数大于15%且小于25%的16名儿童作为对照组(正常组，下同)，在测试前经询问，研究对象的下肢无受伤史和糖尿病史，无足部疾病和损伤，无训练史，无扁平足和足部骈体，在测试前受试者均被告知实验目的，并且已征求了监护人的同意。研究对象自然情况见表1。

表1 研究对象自然情况一览表

注：* P <0.05代表差异具有显著性意义，**P<0.01代表差异具有高度显著性意义(下同)。

1.2 实验流程

应用比利时生产的足底压力测力平板(Footscan7.0USB2gaitsystem)，调节测力平板，使采样频率为500帧/s，同时应用美国产FastecImaging高速摄像机，调试采样频率为125帧/s，分辨率设为640×480的摄像机放在人体行走的正侧面，与人体行走路线成85°的角度，对研究对象进行同步测量，测试时间为8s，获得完整步态周期的相关参数。测试前对受试者进行自然行走的适应性练习，待其适应后，研究对象以自然行走的速度行走并通过测力平板，获得足底压力的动力学相关参数。同时应用高速摄像机拍摄研究对象自然行走时一个完整的步态周期图像，应用艾里尔解析软件对导入的图像进行数字化处理，并对原始数据进行平滑处理，获得步态的运动学相关参数。在整个测试过程中采集6次完整步态周期的相关参数，剔除无效数据，取3次有效数据进行分析处理。

1.3 数据统计处理

运用Footscan7.0配套的压力测试解析软件和美国艾里尔公司生产的TheAPASSystem运动分析系统导出数据。将数据录入SPSS20.0软件，进行统计学分析，结果用X±S表示，组间采用独立样本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，认为二组数据差异具有显著性意义。当P<0.01时，认为二组数据差异具有高度显著性意义，当P>0.05时，认为二组数据差异不具有统计学意义，不予讨论。

图1 足底压力分区

1.4 足底压力分区

根据足底压力分布与人体解剖学结构，利用footscan7.0压力测试系统分析软件将足底自动分为前足、足弓和足跟等3个区域，为了深入研究，将足底分为10个区域：第1趾骨(Toe1)、第2～5趾骨(Toe2-5)、第1跖骨(Meta1)、第2跖骨(Meta2)、第3跖骨(Meta3)、第4跖骨(Meta4)、第5跖骨(Meta5)、足弓(MidFoot)、足跟内侧(HeelMedial)和足跟外侧(HeelLateral) 共10个区域(图1)。

2 结果与分析

2.1 肥胖儿童与体质量正常儿童自然行走时运动学分析

步态周期是指从一侧足跟或足趾着地开始至同侧足跟或足趾再次着地所经历的时间[5]。在自然行走过程中步态周期又可以分为支撑时相和摆动时相两个阶段。研究结果表明，反映自然行走时步态的时间参数重要指标步态周期、摆动时间和双支撑时间等指标都存在不同程度差异，肥胖儿童的步态周期明显长于体质量正常儿童且差异具有显著性意义(P<0.05，P=0.043)，而对照组摆动时间明显大于实验组，差异具有显著性意义 (P<0.05，P=0.035)(表2)。实验组的双支撑时间明显大于对照组，差异具有高度显著性意义 (P<0.01，P=0.001)。而肥胖组的足放平的时间明显小于对照组，差异具有高度显著性意义(P<0.01，P=0.008)，其它时间参数指标虽然有不同程度的差异，但不具有统计学意义，不予讨论。产生这一现象的可能原因是由于肥胖儿童的脂肪主要集中在大腿内侧和腰腹部，在自然状态下重心向上产生了偏移，不利于下肢维持身体姿势，限制了行走的速度。另一方面因体质量过大，肥胖儿童在自然行走过程中存在不稳定因素，为了维持身体的稳定性和身体姿势的控制，他们采用延长双支撑时期而减小摆动时期和加快足放平的时间以保持身体的平衡。在步态研究的空间参数指标方面，肥胖儿童自然行走时的单步长小于体质量正常儿童且差异具有显著性意义(P<0.05，P=0.046)。曹丹丹等[11]研究表明，步长与身高呈显著正相关。为消除身高对步长的影响，用相对步长(步长/身高)指标进行研究，表明肥胖儿童的相对步长仍然明显小于体质量正常儿童且差异同样具有显著性意义(P<0.05，P=0.042)。而肥胖儿童自然行走时的步宽明显大于体质量正常儿童且差异具有显著性意义 (P<0.05，P=0.036)。产生这一现象的可能原因是由于肥胖儿童为了维持身体平衡，通过减小步长，实现重心维持在同一个水平面上运动，增加步宽来提高左右方向的支撑面和稳定角。

表2 肥胖儿童与体质量正常儿童自然行走时运动学参数

2.2 肥胖儿童与体质量正常儿童足底各区域峰值压强、冲量值比较

足底峰值压强是测力板上每个传感器在足底接触测力板时所测得的一个最大压强值，是足底各不同部位接触感应器上的力除以足底接触各感应器上的面积的最大值(N/cm2)。足底压强是反映足底压力分布的重要指标，足部疲劳与损伤、扁平足和糖尿病等直接影响压强指标的大小。研究结果表明，肥胖儿童自然行走时足底各分区的峰值压强从大到小的顺序为:第2跖骨，第3跖骨，足跟内侧，足跟外侧，第4跖骨，第1趾骨，第1跖骨，第5跖骨，足弓，第2～5跖骨。而体质量正常儿童自然行走时足底各分区足底压强有所不同，从大到小的顺序为:足跟内侧，足跟外侧，第3跖骨，第2跖骨，第4跖骨，第1趾骨，第1跖骨，第5跖骨，第2～5跖骨，足弓。肥胖儿童的最大峰值压强主要集中在第2跖骨和第3跖骨，而体质量正常儿童主要集中在足跟内侧和足跟外侧上。肥胖儿童在第2跖骨、第3跖骨、第4跖骨处的峰值压强明显大于体质量正常儿童且差异具有高度显著性意义(P<0.01，P=0.001 0，0.004 5，0.003 5)。肥胖儿童在足跟内侧、足跟外侧和第2～5跖骨处的峰值压力大于体质量正常儿童但差异不具有显著性意义(P>0.05，P=0.320，0.078，0.096)。而肥胖儿童在第1跖骨、第5跖骨、足弓和第1趾骨处的峰值压强大于体质量正常儿童且差异具有显著性意义(P<0.05，P=0.034，0.045，0.023，0.039)。产生这一现象的可能原因是脂肪在儿童体内过多的堆积，改变了走路姿势所致，较高的压强会对人体的足部产生不适，甚至会产生足部疾病，建议肥胖儿童尽量穿厚底鞋，延长地面与足部的作用时间，增大缓冲力，防止过大的压强造成的足部疾患。

冲量表示力在一定时间内的累积效应，等于作用在物体上的力和作用在该物体的时间的乘积，因此可以通过时间和力两个角度来判断足的受力情况。足底各区域冲量是足底各区域的压力对足底各部位的累积效应，较高的冲量将导致足部软组织损伤甚至会增加骨疲劳的风险。研究结果表明，肥胖儿童自然行走时足底各区域的最大冲量主要集中在足跟外侧、足弓、足跟内侧和第3跖骨。而体质量正常儿童自然行走时足底各区域的最大冲量主要集中在足跟外侧、足跟内侧、第3跖骨和第2跖骨部位。肥胖儿童自然行走时在足弓和第2～5趾骨部位的冲量值明显大于体质量正常儿童且差异具有高度显著性意义(P<0.01，P=0.004 5，0)。在第4跖骨、第1跖骨和第5跖骨的冲量值肥胖儿童大于体质量正常儿童但差异不具有统计学意义(P>0.05，P=0.067，0.130，0.078)。而体质量正常儿童在自然行走过程中在第1趾骨部位的冲量值大于肥胖儿童，差异不具有统计学意义(P>0.05，P=0.140)。肥胖儿童在自然行走过程中在足跟内侧、足跟外侧、第2跖骨和第3跖骨部位的冲量值明显大于体质量正常儿童且差异具有显著性意义(P<0.05，P=0.046，0.013，0.037，0.024)。产生这一现象的可能原因是由于肥胖儿童在行走的过程中呈八字脚的走路姿势，会在横向上产生无效的分力，改变了冲量的分布，降低了儿童的行走效率，消耗了过多的能量。肥胖儿童在足弓和第2～5趾骨处的冲量明显大于正常儿童，说明肥胖儿童为了维持身体的平衡，从足弓着地快速过渡到了足弓，延长了足弓的接触时间，进而增加了冲量(表3)。

表3 肥胖儿童与体质量正常儿童足底各分区峰值压强、冲量值比较

2.3 肥胖儿童与体质量正常儿童自然时压力中心轨迹变化情况

当人体的足部与地面接触时，会给地面施加压力，而通过压力的作用点形成的轨迹称为压力中心轨迹(COP曲线)。正常人压力中心轨迹开始于足跟着地，随着身体向前移动逐渐过渡到足部的第1跖骨区域，随后过渡到第1趾骨区。压力中心轨迹的变化是反映步态平衡性与稳定性的重要指标之一。肥胖儿童与体质量正常儿童自然行走时足底压力中心轨迹的变化有所不同，并且左右足的运行轨迹亦有所不同。肥胖儿童左足、右足COP曲线在X轴方向移动范围明显大于体质量正常儿童且差异具有高度显著性差异(P<0.01，P=0.001 0，0.002 3)。而肥胖儿童左足、右足COP曲线在Y轴方向上移动范围明显小于体质量正常儿童且差异具有显著性(P<0.05，P=0.036，0.043)。说明肥胖儿童因体质量过大给身体产生了额外的负担，在足部的关节、肌肉的控制力下降，同时肥胖儿童的脂肪主要集中在大腿内侧进一步限制了前后方向的移动范围，为了维持身体的平衡，肥胖儿童通过增加侧向摆动范围来维持身体左右方向的平衡，但增加了足外翻、扁平足和八字脚等畸形病变的概率，同时也说明肥胖儿童在左右方向的稳定性要好于体质量正常儿童，在前后方向的稳定性要差于体质量正常的儿童，不易产生向前的推进力，导致行走的效率降低。肥胖儿童在自然行走过程中右足在X轴方向上最大变化值大于左足且差异具有显著性意义(P<0.05，P=0.032)，在Y轴方向上最大变化值右足小于左足但不具有显著性差异(P>0.05，P=0.069)。而体质量正常儿童自然行走过程中左足和右足在X和Y轴方向最大活动范围有所不同但差异不具有显著性(P>0.05，P=0.140，0.093)。说明肥胖儿童在自然行走过程中左右足之间存在不对称性，不易于身体维持平衡(表2)。

表4 肥胖儿童与体质量正常儿童足底压力中心轨迹在X，Y轴的最大变化值 cm

注：a组间比较P<0.05，aa组间比较P<0.01；b组内比较P<0.05，bb组内比较P<0.01。

2.4 肥胖儿童与体质量正常儿童自然时步向角、足跟着地角变化情况

足跟着地角是指在一个步态周期中，一侧足跟着地的瞬间足底所在平面与水平地面之间的夹角(足跟着地角)，是判断人体平衡与稳定及步态特征的重要指标之一。研究结果表明，肥胖儿童自然行走过程中左足、右足的足跟着地角明显小于体质量正常儿童且差异具有显著性(P<0.05，P=0.021，0.031)。而肥胖儿童左右足之间和体质量正常儿童左右足之间的足跟着地角度的大小存在差异，但差异不具有显著性(P>0.05，P=0.160，0.260)。

步向角是人体正常行走过程中，当足跟着地时，足跟中点和第2跖骨的连线与行走方向直线形成的夹角，是判断肥胖儿童与体质量正常儿童步态差异的重要指标之一。研究结果表明，肥胖儿童与体质量正常儿童在自然行走过程中步向角均呈正值，但肥胖儿童左足和右足的歩向角均明显大于体质量正常儿童且差异具有高度显著性差异(P<0.01，P=0.001 4，0.001 0)。肥胖儿童左右足歩向角的大小存在明显不同，左足歩向角明显大于右足且差异具有显著性意义(P<0.05，P=0.034)。而体质量正常儿童左右足的歩向角不存在显著性差异(P>0.05，P=0.054)。肥胖儿童在行走的过程中歩向角的平均值均处于中度外八字脚的临界值状态。可能是由于肥胖儿童通过增大足部外展角度来提高左右方向的支撑面积，增大左右方向的稳角，用以控制身体姿势，维持身体的平衡性和稳定性。但易导致身体额外做功，降低了足部向前蹬伸的效果，这也是肥胖儿童步速降低和双支撑时间增加的一个主要原因，与前面研究结果相吻合，久而久之容易诱发足踝关节和膝关节损伤。

表5 肥胖儿童与体质量正常儿童自然行走时的足跟着地角、步向角 (°)

注：a组间比较P<0.05，aa组间比较P<0.01；b组内比较P<0.05，bb组内比较P<0.01。

3 结 论

(1)6～7岁肥胖儿童与体质量正常儿童自然行走过程中，肥胖儿童步态周期、双支撑时间、步宽明显大于体质量正常儿童且差异具有显著性意义，而体质量正常儿童摆动时间、足放平的时间、单步长和相对步长大于肥胖儿童，差异具有显著性意义。

(2)肥胖儿童与体质量正常儿童足底各区域峰值压强、冲量值从大到小的顺序存在差异。其中肥胖儿童第2跖骨、第3跖骨、第4跖骨的峰值压强明显大于体质量正常儿童且差异具有高度显著性意义，第1跖骨、第1趾骨、第5跖骨和足弓的峰值压强大于体质量正常儿童且差异具有显著性意义。肥胖儿童第2～5趾骨、足弓的冲量明显大于体质量正常儿童且差异具有高度显著性意义，肥胖儿童在第2跖骨、第3跖骨、足弓内侧和足弓外侧的冲量值明显大于体质量正常儿童且差异具有显著性意义。

(3)肥胖儿童左足、右足COP曲线在X轴方向移动范围明显大于体质量正常儿童且差异具有高度显著性意义。而肥胖儿童左足、右足COP曲线在Y轴方向上移动范围明显小于体质量正常儿童且差异具有显著性意义。同时肥胖儿童左、右足在X轴方向的COP曲线存在差异，表明肥胖儿童步态存在不对称性。

(4)肥胖儿童自然行走过程中左足、右足的步向角明显大于体质量正常儿童且差异具有高度显著性意义。而肥胖儿童左足、右足的足跟着地角明显小于体质量正常儿童且差异具有显著意义，肥胖儿童有轻度的外八字脚步态，学校、家长和社会应给予重视。

致谢：研究中得到河北科技师范学院休闲体育研究所的支持与帮助，在此以表谢意。

[1] 闫松华，周兴龙，党德华，等.小学阶段超重/肥胖儿童平地行走的运动学研究[J].医用生物力学,2014,29(6):548-553.

[2] 付秋南.我国蒙古族大学生身体形态25年动态分析[J].内蒙古民族大学学报:自然科学版,2014,29(6):738-741.

[3] 付秋南.蒙古族7～18岁学生身体形态发育29年动态分析[J].内蒙古民族大学学报:自然科学版,2015,30(4):363-366.

[4] 王海军,杨洪涛.25～27岁肥胖男青年自然行走时足底压力分析[J].河北科技师范学院学报，2014,28(4)：82-87.

[5] 李凯,元文学,孟昭莉.儿童步态的研究进展[J].体育科学,2009,29(10):72-75,82.

[6]DowlingAM,SteeleJR,BaurLA.Doesobesityinfluencefootstructureandplantarpressurepatternsinprepubescentchildren？[J].IntJObesRelatMetabDisord,2001,25(6):845-852.

[7] 王海军,董立叔,陈庆合,等.不同鞋跟高度对肥胖青年女性自然行走步态足底压力分布的影响[J].河北科技师范学院学报，2012,26(3)：63-67.

[8]AnnHallemans,DirkdeClercq,PeterAerts.Changesin3Djointdynamicsduringthefirstfivemonthsofindependentwalking:alongitudinalfollow-upstudy[J].GaitPosture,2006,24(3):270-279.

[9]GanleyKJ,PowersCM.Gaitkinematicsandkineticsof7-year-oldchildren:acomparisontoadultsusingage-specificanthropometricdata[J].GaitPosture,2005,21(2):141-145.

[10]IvanenkoYP,DominiciN,CappelliniG,etal.Kine-maticsinnewlywalkingtoddlersdoesnotdependuponposturalstability[J].JNeurophysiol,2005,94(23):754-763.

[11] 曹丹丹，张秀丽，杜高山，等.儿童内八字足底压力特点及矫正效果探析[J].体育科学,2014,34(4):78-83.

[12]HillAP,ParkerAW.Locomotercharacteristicsofobesechildren[J].ArchivesofPhysicalMedicineandRehabilitation，2006,18:29-34.

[13]HillAP，ParkerAW.Gaitcharacteristicsofobesechildren[J].ArchivesofPhysicalMedicineandRehabilitation,1991，72(5)：403-407.

[14]GrawBM，ClenaghanBM，WilliamsHG，etal.Gaitandposturalstabilityinobeseandnonobeseprepubertalboys[J].ArchPhysMedRehabil,2004,81(4):484-489.

[15]MorrisonSC，DurwardBR，WattGF，etal．Theinfluenceofbodymassonthetemporalparametersofperipubescentgait[J]．GaitPosture，2008，27(4):719-721．

[16]MorrisonS，DurwardB，WattG，etal．Doesbodymasaffectthespatio-temporalparametersofchildren’sgait[J]．GaitPosture，2009，30(S2):112-113．

[17]DufekJS，CurrieRL，GouwsPL，etal．Effectsofover-weightandobesityonwalkingcharacteristicsinadolescents[J]．HumMovSci，2012，31(4):897-906．

[18]McMillanAG，PulverAM，CollierDN，etal．Sagittalandfrontalplanejointmechanicsthroughoutthestancephaseofwalkinginadolescentswhoareobese[J].GaitPosture，2010，32(2):263-268．

[19]ElO,AkcaliO,KosayC,etal.Flexibleflatfootandrelatedfactorsinprimaryschoolchildren:areportofascreeningstudy[J].RheumatolInt,2006,26(11):1 050-1 053.

[20]MarkusW，DirkH，AngelaS.Childrensportshoes——asystematicreviewofcurrent[J].FootandAnkleSurgery，2008(14):180-189.

[21]SimonJ,DoederleinL,McIntoshAS,etal.Theheidelbergfootmeasurementmethod:development,descriptionandassessment[J].GaitPosture,2006,23(4):411-424.

[22] 张洋,岳新坡,肖丹丹.肥胖儿童与正常儿童行走步态特征地面支撑反作用力的对比分析[J].沈阳体育学院学报,2014，33(4)：81-85.

[23] 杨璐铭，晏诗阳，郝芙蓉，等.肥胖儿童步态特征及足底压力分布的研究进展[J].皮革科学与工程,2013,23(5):30-34.

(责任编辑：朱宝昌)

An Analysis on the Walking Gait and Plantar Pressure of the 6-7 Year-old Obesity Children During Natural Walking

WANG Hai-jun,CHEN Wei，CHEN Qing-he，YUE Zhi-rong

(Department of Physical Education,Hebei Normal University of Science & Technology,Qinhuangdao Hebei,066004，China)

The study, utilizing such research methods as experiment and document data, adopted two-dimensional measuring plate (foot scan 7 USB2 gait system) and high-speed camera(fastec imaging)to measure and analyze the gait characteristic and plantar pressure of 32 obesity children aged 6 to 7 years old during their natural walking. The purpose is to reveal the difference of the relevant parameters between obesity children and normal children in the normal walking progress. The results demonstrated that the gait cycle, the double support phase and the step width of obesity children are all higher than those of normal weight children. However, obese children’s swinging time, the flat feet time, step length and the relative step are lower than those of normal children. There are differences in some parameters such as some regions of the plantar foot pressure and the impulse. The track of the center force of obese children increases inXaxis and decreases inYaxis. Obese children’s progressive angle is significantly higher than the normal children, the angle of the single support is lower than normal children in normal walking process, these findings be paid attentions by all sectors of our society.

obesity children;gait;analysis of plantar pressure；the track of the center force

2015-11-25;修改稿收到日期: 2015-12-16

10． 3969 /J． ISSN． 1672-7983． 2015． 04． 014

G804.63

A

1672-7983(2015)04-0074-07

王海军(1983-)，男，讲师，硕士。主要研究方向：运动生物力学与体育教学。

河北科技师范学院教学研究项目(项目编号：YXYB201402)。