不同背包重量及其重心位置对静态姿势稳定性的影响

吴金龙，陆阿明

(苏州大学 体育学院,江苏 苏州 215006)



·运动生物力学·

不同背包重量及其重心位置对静态姿势稳定性的影响

吴金龙，陆阿明

(苏州大学 体育学院,江苏 苏州 215006)

摘要：研究目的：比较不同背包重心位置及重量对于人体静态姿势稳定性的影响，为预防背包负重导致的摔倒提供理论依据。研究方法：选取13名青年学生作为研究对象，自然站立于力台(Kistler)上，分别测试背包重量为0%、10%、20%身体重量(BW)以及背包重心位置为上背、中背、下背的足底压力中心(COP)动摇，采用双因素重复测量方差分析来确定不同背包重量和不同背包重心位置对COP动摇各指标影响的主效应以及交互效应。研究结果：背包重量对于COP动摇各指标主效应都显著(P<0.05)。上背时，背包负重相比0%BW，COP动摇各项指标都显著性增加(P<0.05)，中背和下背时负重相比于0%BW主要导致人体在左右方向动摇增加(P<0.05)。背包重心位置对姿势稳定性各项指标的主效应都不显著(P>0.05)。结论：背包重心位置对静态姿势稳定性没有显著性影响，背包重量导致姿势动摇增加，上背时负重增加导致人体前后、左右都不稳定，而中背和下背时负重增加只影响左右方向的姿势稳定性，应尽量减少背包负重的重量，推荐中背和下背背包，或者变背包为拉杆包。

关键词：背包重量；背包重心位置；足底压力中心；姿势动摇

背包作为最有效率的运输方式之一，广泛应用于孩子上学、休闲旅行、军事行军、成年人上下班、工人搬运等，调查显示：大多数学生背包重量超过自身体重的10%[1,2]，士兵背包重量达到了50kg[3]，娱乐旅行背包重量范围在8~35kg[4]。背包作为外加负荷作用于人体能够影响人体静态站立姿势稳定性[5, 6]，静态站立姿势稳定性与平衡密切相关，稳定性变差就很容易导致摔倒。虽然背包负重出现在行走这一动态的过程，但是这一动态的过程都是从失去平衡的静止站立状态开始的，所以研究背包负重的静态姿势稳定性是很有必要[7]。

目前，有关背包的研究主要集中于步态[8,9]、生理[10-12]、主观反应[13,14]等，研究背包负重对于静态姿势稳定性的影响相对较少。Goh等人[15]认为背包能够增加人的稳定性，因为它增加了人和包这一系统的惯性，SAKO等人[7]也发现随着背包重量的增加，人体稳定性增加。但是，Heller等人[16]选取了平均年龄为20岁的女性大学生为研究对象，对比分析无负重和背包负重为18.1kg时的静态姿势稳定性，负重相比无负重时姿势动摇更大，身体越不稳定。Rugelj[17]和Schiffman[3]等人也发现随着背包负荷的增加，姿势动摇更大。除此之外，背包重心位置也影响姿势的稳定性，在实际生活中，我们发现很多学生喜欢将背包放置在腰部，而休闲旅行者喜欢将包背在背的上部[14]，大约33.6%和30.6%的士兵将他们的背包放置在下背和上背部[18]。Xingda等人[19]通过将双肩背包放置在人体质心(COM)处和COM上15%的身高处发现，背包放置越高于COM，姿势摆动越大，身体越不稳定。Rosker等人[6]也发现随着人体质心的升高，姿势动摇增加。以上关于背包对于静态姿势稳定性的研究主要从单个因素出发，同时研究不同背包重心位置和不同背包重量的不多，并且研究结论存在矛盾，对于背包重心位置和背包重量的设定缺乏对生活中的实际参考。因此，本文综合研究不同背包重心位置及重量对于人体静态姿势稳定性的影响，为预防背包负重导致的摔倒提供理论依据，并且为背包的位置提供推荐。

1材料与方法

1.1　受试者

选取13名苏州大学体育学院学生，受试者基本信息见表1，受试者BMI均在正常范围内，年龄、身高选择尽量相差较小，以减少这些无关因素对姿势稳定性的影响[20,21]。所有受试者身体健康状况良好，无神经肌肉失调、下肢损伤、背部疼痛或者影响平衡能力的损伤。

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1.2　数据收集

每个受试者背包采用自制的双肩包(见图1)，背包框架重3Kg，可以通过增加哑铃片来调节背包重量，分别测试背包重量为10%、20%BW时的姿势稳定性，将背包的重心分别放置在背部三种不同的位置，即下背：背包重心平第4腰椎(L4)，中背：背包重心平第11胸椎(T11)，上背：背包重心平第5胸椎(T5)。背包重心确定采用悬垂法，并且添加背包重量都是对称的。两种背包重量和三种背包重心位置组成六次实验情况，再加上0%BW的测试，每个受试者进行七次静态姿势稳定性实验，实验采用随机原则。

测试时，要求受试者安静站立于力台(瑞士Kistler)上，双脚并拢，双臂自然放于身体两侧，目视前方2m处‘‘X’’[17]，待受试者安静站于力台上后，收集70s的数据，采样频率为1 000Hz，去除前5s和后5s来避免不稳定的影响，为消除疲劳的影响，每次测试后休息2min。原始数据经导出后导入Matlab7.0，运用自编的程序进行分析，分析的指标包括：②COP包络面积(Area)，②COP在前后(AP)、左右(ML)方向位移的均方根值(RMSx、RMSy)，③COP在AP、ML方向最大的偏移(Mx、My)。COP包络面积是由COP所有外围的边界围成，被认为是判定姿势稳定性的标准[22]。位移的均方根值与姿势控制中心的有效性或者是稳定性相关[23,24]。COP在最大偏移指AP、ML方向最远点之间的距离，偏移越大、姿势稳定性越差。

1.3　数据分析

所有数据的整理、分析使用软件Microsoft excel2003、SPSS18.0结合进行，各数据以均值±标准差表示。采用双因素重复测量方差分析(ANOVA)来确定不同背包重量(0%、10%、20%BW)和不同背包高度(上背、中背、下背)对COP动摇各指标的主效应以及它们的交互作用，若主效应显著则进行事后检验，检验水准α为0.05。

图1　背包20%BW测试

图2　60s的COP动摇连线图

2研究结果

不管是20%BW还是10%BW的背包负重，静态姿势的动摇较0%BW均有显著增加。双因素重复测量方差分析表明背包重量对于姿势稳定性各指标都有显著的主效应：Area(F(2)=6.53，P=0.005) ，Mx(F(2)=4.04，P=0.032)，My(F(2)=10.32，P=0.001)，RMSx (F(2)=5.67，P=0.01)，RMSy(F(2)=7.36，P=0.003)，事后检验发现：高背时，相对于0%BW，20%BW在上背时对姿势稳定性的指标Area、Mx、My、RMSx、RMSy分别提高了47.5%、33.7%、29.2%、32.4%、18%(见图3)，相对于10%BW，20%BW在Area、Mx、RMSx分别提高了32.2%、29.6%、33.2%。中背时，相对于0%BW，20%、10%BW在My分别提高了16.8%、23.8%(见图3c)，其他指标未见显著性差异。下背时20%BW相对于0%BW在指标My、RMSy分别提高了18.8%、14.9%(见图3ce)。事后检验表明20%BW相对于10%、0%BW以及10%BW相对于0%BW能显著增加身体在AP、ML方向的动摇。

背包重心高度对姿势稳定性各指标的主效应都不显著(P>0.05)，其中: Area(F(2)=0.59，P=0.512) ，Mx(F(2)=2.901，P=0.088)，My(F(2)=1.15，P=0.33)，RMSx (F(2)=2.99，P=0.075)，RMSy(F(2)=0.21，P=0.76)，表明背包高度对姿势摆动无显著性影响。

背包重量与背包重心高度的交互效应对姿势稳定性各指标的的影响分别为：Area(F(2)=1.63，P=0.197) ，Mx(F(2)=1.79，P=0.181)，My(F(2)=1.171，P=0.332)，RMSx (F(2)=3.34，P=0.028)，RMSy(F(2)=0.218，P=0.890)。其中，交互效应中只有RMSx有显著性差异，进行简单效应分析后发现，交互效应只出现在上背，事后检验表明上背时20%BW的RMSx值显著大于0%BW(P=0.001)和10%BW(P=0.001)，说明AP方向的静态姿势稳定性在上背时显著受背包重量的影响。

图3　不同背包重心位置和不同背包重量对Area、Mx、My、RMSx、RMSy的影响(相比较0%BW，* p<0.05,** P<0.01，相比较10%BW，# P<0.05，## P<0.01)

3讨论

3.1　背包负重增加姿势摆动

3.1.1上背导致姿势不稳。稳定性是指在没有改变支撑面的情况下维持或者恢复垂直站立状态平衡的能力[23]，反映姿势稳定性最常用的方法是用力台来测试压力中心(COP)的动摇[25](见图2)，COP动摇越大说明姿势稳定性越差。背包负重作为外加载荷作用于人体，改变了身体质心的位置，为了对抗这种外加阻力的作用，保持身体平衡及稳定，人的身体姿势必然也会做出相应调整。Heller等人[16]研究了负重18.1kg与无负重时年轻女性受试者的姿势动摇发现，COP动摇的各指标都增加了50%以上。另外，研究发现COP动摇随着背包重量增加而成直线的增加[3,17]。本研究中，背包处于上背时，20%BW的背包重量相比于0%BW和10%BW显著增加了COP在A-P、M-L方向的动摇(见图1)，姿势动摇增加说明人体重心在向支撑面的边界靠近从而导致摔倒的可能。有研究显示，姿势动摇增加对于社区老年人摔倒具有指示的作用[26]，COP动摇越大，越容易摔倒。

“倒钟摆理论”认为人体的稳定性与COM距离支撑面的高度成负相关[27,28]，COM位置越高，稳定性越低。增加背包重量提高了人体COM位置[28]，从而导致COP动摇更大。在一般情况下，机体通过调节踝关节来维持COP在站立面之内，人在静态站立时，增加背包重量导致身体静态站立时角加速度增加，为了抵消这一角加速度，踝关节肌肉产生较大的净肌力矩和较大的净肌力矩变化率，增加的净肌肉力矩导致的肌肉力量与肌力不稳定密切相关[29,30]，增加的净肌力矩、净肌力矩变化率、肌力不稳定共同导致了静态站立时COP动摇的增加，进而引起姿势不稳定性增加。

人类站立姿势天生就是不稳定的，是通过整合来自视觉、本体感觉、前厅感觉信号来维持的[31]，任何影响感觉系统或者反馈机制的因素都会影响站立的稳定性和平衡。20%BW和10%BW的背包负重导致肌肉激活方式发生变化，从而影响人体的本体感觉，引起姿势稳定性的反馈机制发生变化，为了避免失去平衡，任何远离平衡位置的偏移都需要机体来调整以回到平衡位，从而导致了COP动摇的增加。除此之外，背包负重增加了心血管系统的负担，导致心率增加和呼吸改变来适应负荷，内脏器官活动导致COP的动摇增加[32]。

3.1.2中背和下背只导致ML方向不稳定。本研究中背包处于中背和下背时，20%BW背包重量相比0%BW显著增加了My、RMSy(见图3ce)，导致COP在ML方向动摇增加，COP在ML方向动摇增加容易导致摔倒。Pilwon 等人[33]研究了消防员使用的不同大小的呼吸罐对姿势控制的影响，他们发现9.1kg的呼吸罐只导致ML方向动摇增加，而对AP方向动摇没有影响。Winter[34]认为静态姿势动摇在ML方向的控制机制不同于AP方向，调节采用“负荷-无负荷策略”。在静态站立时，AP方向稳定性调节主要通过踝关节的伸肌和屈肌，而ML方向由于踝关节内翻肌和外翻肌不够强大而不能产生足够的平衡力矩，导致ML方向稳定性的调节的主要通过髋关节的内收肌和外展肌。通过在实验中的观察以及文献研究发现，背包负重导致身体前倾[35]，踝关节背屈，踝关节背屈拉长了踝关节跖屈肌群，使跖屈肌群绷紧[36]，绷紧的跖屈肌群产生的力量来补偿背包负重产生的破坏稳定的力矩，从而调节AP方向的姿势稳定，而ML方向却没有此调节。

3.2　背包高度对姿势动摇影响不显著性

背包重心高度改变直接导致人体重心位置发生变化，基于人体静态站立时的“倒钟摆模型”推测，人体通过脚底的COP来调整COM[28]，在这一模型中对于COM在水平方向的加速， COP和它是成比例的[28]，COM位置越高，COP动摇越大。SAKO等人[7]比较了背包重量分别为23、33、43kg以及背包位置为背部三种高度下的姿势稳定性，发现背包位置越低、COP轨迹长度越短，姿势越稳定。Rosker等人[6]将重物系在腰间和举在肩上，并且计算人体COM的变化的高度发现，COM从自然位置升高5.4cm和13.5cm导致COP摆动的指标呈线性上升。Xingda等人[19]也发现背包位置相对于COM越高，COP动摇越大。

本文将背包重心位置分为三个高度，分别平L4、T11、T5，每个高度测试了0%、10%、20%BW背包负重时的姿势稳定性，背包负重的重量模拟年轻学生平时负重重量，其中， 10%BW背包重量为6.65kg左右，20%BW背包重量为13.12kg左右，而SAKO等人研究的背包重量最低是23kg，重量远远高于本实验中20%BW的背包重量，本实验中背包重量过低可能是导致背包重心位置对于姿势稳定性影响不显著的原因。

4结论

4.1背包高度对静态姿势稳定性没有显著性影响，背包重量导致姿势摆动增加，静态姿势稳定性变差，上背负重时导致人体前后、左右都不稳定，而中背和下背负重只影响左右方向的姿势稳定性。

4.2虽然背包高度对于静态姿势稳定性没有显著性影响，但上背背包相对于中背和下背背包不仅导致了左右方向的不稳定，还造成了前后方向的稳定性变差，因此推荐中背和低背。

4.3背包重量显著增加姿势动摇，造成稳定性变差，建议应尽量减少背包负重的重量，或者变背包为拉杆包。

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The Effect of Different Backpack Weight and Its Center of Gravity on Static Posture Stability

WU Jin-long,LU A-ming

(PE College, Suzhou University, Suzhou 215006, China)

Abstract:Objective: This study compared the different center of gravity position (CGP) and weight of the backpack to affect the body's static posture stability, and provide a theoretical basis to prevent fall that backpack load caused. Methods: 13 healthy male subjects performed a quiet stance balance task on the force platform (Kistler) with the backpack to measure centre of pressure (COP) excursions. The weight were 0%、10%、20% of the body weight(BW)and the different CGP position were upper,middle,lower on the back. A two-way repeated measures ANOVA was used to test the different backpack weight and position on body sway parameters of the main effects and interaction effects. Results:There was a significant effect of the backpack weight on the COP excursions (P<0.05).When the backpack on the upper back, compared to 0%BW, backpack load significantly increased COP excursions (P<0.05). When the CGP of the backpack on the middle and lower back, backpack load only increased medial-lateral COP excursions (P<0.05). CGP of the backpack had no significant effects on COP excursions (P>0.05). Conclusion:Center of gravity position of the backpack had no significant effects on postural sway. Backpack load increased postural sway. When the CGP of backpack on the upper back, the increased backpack weight led to postural sway in the anterior-posterior and medial-lateral direction. But when CGP of the backpack on the middle and lower back, the increased backpack weight led to postural sway in the medial-lateral direction. So we recommended that we should try to reduce the weight of the backpack load and place the backpack on the middle and lower back, or change backpack for the trolley bag.

Key words:backpack weight；backpack center of gravity；COP；postural sway

中图分类号:G804.64

文献标识码：A

文章编号：1004-3624(2016)01-0101-06

作者简介：吴金龙(1989-)，男，在读硕士研究生，研究方向：运动生物力学.

收稿日期：2015-11-02

基金项目：江苏省学术硕士创新计划项目(KYLX151269)