女性单侧负重步态的躯干和骨盆运动学特征研究

赵功赫，曲 峰

女士单肩包、手提包虽是女性日常搭配，但会改变正常步态[1]。长期保持某种负重方式，人体就会产生显著的姿势适应，而过度沉重的包以及不合适的拿包方式，均会导致重量的分配出现不合适，从而产生不良的姿势适应，这将导致肩膀、上肢和腰背部的疼痛和脊柱损伤[2-3]。单侧负重对女性的健康有明显的危害，已经证明长时间的单侧负重，会造成肩部、颈部和腰背损伤酸疼、高低肩和脊柱侧弯[4-6]，其中女性是腰背部疼痛风险较高的人群。

外部负重物作用于人体，改变了身体和重物总质心的位置，人体会相应地调整身体姿势，从而保持身体平衡。骨盆和躯干位于人的中轴，共同实现重力的传递，使人体的运动成为一个整体，它们的协调运动，对人体步行的稳定起着重要的作用。以往的研究[4，7]表明，单侧负重行走时因为负重的不对称，会导致躯干侧弯和躯干前倾增加，导致较高的腰痛感知水平[8]。这些证据表明，不对称的负重会增加腰背部额状面的负荷。还有研究[9]发现骨盆和躯干运动的协调和腰痛是相关的，如下腰痛患者表现出刚性更强、灵活性更差的躯干骨盆协调模式[10-12]，从腰部损伤角度出发，单侧负重期间躯干和骨盆是否会和下腰痛和背部疼痛人群行走时躯干和骨盆有类似的运动特征呢？然而，很少有研究探讨在不同的单侧负重方式和负重重量下的躯干和骨盆的适应机制。因此，有必要进一步研究躯干和骨盆的运动特征，这将有助于了解腰背损伤的潜在风险。

本研究旨在测量不同单侧负重条件下女性步行时躯干和骨盆的运动特征，量化不同单侧负重方式和重量之间的差异，以期探讨单侧负重下的躯干和骨盆的稳定控制特征及机理，为研究女性单侧负重的步态策略提供基础数据支撑，为分析单侧负重行走时可能出现的腰背损伤提供依据。本研究的研究假设：（1）单侧负重会增加躯干向对侧倾斜和向同侧旋转，同时增加骨盆向对侧倾斜和向对侧旋转；（2）单侧负重会限制骨盆的旋转幅度，增加躯干的晃动幅度；（3）不同单侧负重方式表现出不同的躯干和骨盆运动特征。

1 研究对象与方法

1.1 受试者

经筛查招募16 名女大学生。筛查招募标准：身体健康，无神经系统和肌肉骨骼系统疾病；无高低肩和长短腿等明显解剖学不对称；右利手，且无背单肩包习惯；实验前无肌肉疲劳症状。受试者基本信息见表1。使用G*Power软件进行事前样本量估计，计算出样本量为16，可以达到0.80的统计检验力，此时alpha值为0.05，效应量值为0.21。

表1 受试者基本信息（n=16）Table1 Participants Details（n=16）

1.2 实验仪器

实验采用的市售女包有可调节长度的肩带和手提的带子（见图1），尺寸是20 cm×26 cm×10 cm，重量为300 g，选择的依据：有长度可调的肩带和手提带子，可以单肩背包、前臂挂包和手拎包；有较宽的肩带，可以增加背包的舒适性；包的体积和自重不能过大，在装入负重填充物（电镀小钢板或小沙袋）后包的形变不大。

采用8 镜头红外高速运动捕捉系统（Motion Analysis Raptor-4，USA，200 Hz）采集步行中贴于人体的反光标志点。通过便携式测速系统（Newtest Powertimer，Finland）监控受试者通过测试区域的平均步行速度，两个测速仪红外发射装置置于测试区域的两边，二者间距3 m。

图1 实验负重包Figure1 The Bag Used in the Experiment

1.3 实验步骤

本研究负重方式包括：单肩背包、前臂挂包和单手提包，负重重量（含包自重）按受试者体重（BW）来设置，包含4 种：0%、5%、10%和15%BW。3 种负重方式对包带长度和位置均有控制（见表2）。包带长度控制在髂嵴高度[1，5]，前臂挂包选择在右前臂近端1/3的位置，并做标记。

表2 不同负重方式的控制Table2 Loading Conditions

测试开始前，记录受试者基本信息（身高、体重等），告知受试者实验步骤和注意事项。正式测试时，受试者换统一的紧身衣并佩戴泳帽，穿统一的运动鞋，并按照Helen-Hayes模型在躯干和骨盆粘贴7个反光标志点（左/右髂前上棘，左/右髂后上棘，第四、五腰椎棘突中点，左/右肩峰）。在每种负重条件下，受试者在距离测力台直线距离约10 m 处准备，听到口令后，受试者以正常步态自然走过测试区域，上肢自然运动，步行速度控制在（1.1±0.1）m/s[5，13]，视为1 次有效测试。在每种负重条件下采集3 次有效数据。为了避免疲劳因素对实验结果产生影响，要求受试者在每次行走测试之间充分休息，受试者根据自身状态自行控制休息时间，保证每次行走前的身体状态相同，无疲劳积累（见图2）。

图2 负重行走示意图Figure2 Walking with Weight-bearing

1.4 数据处理

使用Motion Analysis自带数据处理软件Cortex进行所有标志点的识别，使用Butterworth低通滤波对所有标志点进行平滑处理，截断频率为13.3 Hz[14]。根据标志点建立骨盆坐标系[15]、躯干坐标系和大地坐标系[16]，以实验室大地坐标系为骨盆和躯干的参考坐标系，采用欧拉角的方法计算骨盆和躯干的三维角度，即环节相对于参考坐标系分别绕x、y、z轴先后转动，分别获得额状面的左右倾角、矢状面的前后倾角和水平面的回旋角。大地坐标系及环节角度方向的定义见图3，步行方向是沿着大地坐标系x轴方向。

图3 大地坐标系及环节角度方向的定义Figure3 The Definition of Global Coordinate System and Segement Movement Direction

步态周期定义为左足跟着地到左足跟再次着地，划分为支撑相和摆动相。计算骨盆角和躯干角在一个步态周期中的最大值、最小值和幅度（最大值和最小值的差）。角度参数按一个步态周期进行归一化处理。

1.5 统计分析

使用SPSS20.0软件进行统计分析，采用双因素重复测量方差分析，分析不同负重方式（单肩背包、前臂挂包、单手提包）和负重重量（0%、5%、10%、15%BW）这2个因素对躯干角和骨盆角的影响，显著性水平为P＜0.05，当主效应显著时，后继检验采用LSD法。所有统计结果采用平均值±标准差的形式呈现在表中。

2 结 果

2.1 时间参数

负重方式和重量2 因素对时间参数的交互作用均没有统计学意义（P>0.05）。负重重量显著影响摆动相百分比和支撑相百分比（P<0.05），随着负重重量的增加，摆动相百分比显著减小，支撑相百分比显著增大；而不同负重方式行走的摆动相百分比和支撑相百分比差异无统计学意义（P>0.05）（见表3）。

表3 不同负重状态行走时步态时间参数（n=16）Table3 Temporal Gait Variables During Walking Under Different Loading Conditions（n=16）

2.2 躯干运动特征

负重方式和重量2因素对躯干矢状面参数的交互作用均没有统计学意义（P>0.05）。负重方式显著影响躯干前倾角度最大值、最小值和活动幅度（P<0.05），负重重量显著影响躯干前倾角度最大值、最小值（P<0.05）。单手拎包和前臂挂包的躯干前倾角度最大值、最小值均显著小于单肩背包（P<0.05），躯干前倾活动幅度显著大于单肩背包（P<0.05），而单手拎包和前臂挂包行走之间的以上指标差异没有统计学意义（P>0.05）；随着负重重量的增加，躯干前倾角度最大值和最小值均显著增大（P<0.05）（见表4）。

表4 不同负重状态行走时躯干前倾角度（n=16）Table4 The Sagittal-plane Angular Movement of Trunk During Walking Under Different Loading Conditions（n=16）

不同负重状态行走的躯干在一个步态周期内的矢状面角度曲线见图4。

图4 不同负重状态行走步态周期中躯干矢状面角度（n=16）Figure4 Sagittal-plane Trunk Angles During Walking Under Different Loading Conditions（n=16）

负重方式和重量2因素对躯干额状面参数的交互作用均没有统计学意义（P>0.05）。负重重量显著影响躯干左倾角度最大值、最小值和活动幅度（P<0.05），负重方式对以上指标均无显著影响（P>0.05）。躯干左倾角度最大值和最小值均随着负重重量的增加而显著增大（P<0.05），而躯干额状面活动幅度在5%、10%、15%BW 负重之间表现出随着负重重量增加而显著增大（P<0.05），但与0%BW 负重相比，仅15%BW 表现出统计学差异，15%BW 负重的躯干额状面活动幅度显著大于0%BW（P<0.05）（见表5）。

表5 不同负重状态行走时躯干左倾角度（n=16）Table5 The Frontal-plane Angular Movement of Trunk During Walking Under Different Loading Conditions（n=16）

不同负重状态行走的躯干在一个步态周期内的额状面角度曲线见图5。

图5 不同负重状态行走步态周期中躯干额状面角度（n=16）Figure5 Frontal-plane Trunk Angles During Walking Under Different Loading Conditions（n=16）

负重方式和重量2因素对躯干水平面参数的交互作用均有统计学意义（P<0.05）。（1）在单肩背包时，躯干左旋角度最大值和最小值随着负重重量的增加而显著减小（P<0.05），15%BW的躯干水平面活动幅度显著大于其他重量（P<0.05），而5%和10%BW的躯干水平面活动幅度显著小于0%BW（P<0.05）；在前臂挂包时，躯干左旋角度最大值在5%、10%、15%BW负重之间没有统计学差异，但显著小于0%BW 负重行走（P<0.05），躯干左旋角度最小值随着负重重量的增加而显著减小（P<0.05），躯干水平面活动幅度随着负重重量增加而显著增大（P<0.05）；在单手提包时，躯干左旋角度最大值和最小值随着负重重量的增加而显著减小（P<0.05），而躯干水平面活动幅度在5%、10%、15%BW 负重之间表现出随着负重重量的增加而显著增加，但是均显著小于0%BW负重行走（P<0.05）。（2）在5%BW负重行走时，单手提包和前臂挂包的躯干左旋角度最大值、最小值均显著小于单肩背包（P<0.05），单手提包的躯干水平面旋转幅度显著小于单肩背包（P<0.05）；在10%BW负重行走时，单手提包和前臂挂包的躯干左旋角度最大值、最小值均显著小于单肩背包（P<0.05），单手提包的躯干水平面旋转幅度显著小于前臂挂包（P<0.05）；在15%BW负重行走时，单手提包的躯干左旋角度最大值、最小值和活动幅度显著小于前臂挂包和单肩背包（P<0.05），前臂挂包的躯干左旋角度最大值、最小值均显著小于单肩背包（P<0.05）（见表6）。由于某些指标的原始数据中有正数又有负数，均数接近0°，造成标准差相比平均值较大。

表6 不同负重状态行走时躯干左旋角度（n=16）Table6 The Horizontal-plane Angular Movement of Trunk During Walking Under Different Loading Conditions（n=16）

不同负重状态行走躯干在一个步态周期内的水平面角度曲线见图6。

图6 不同负重状态行走步态周期中躯干水平面角度（n=16）Figure6 Horizontal-plane Trunk Angles During Walking Under Different Loading Conditions（n=16）

2.3 骨盆运动特征

负重方式和重量2因素对骨盆矢状面参数的交互作用均不显著（P>0.05）。负重重量显著影响骨盆前倾角度最大值、最小值和活动幅度（P<0.05），负重方式对以上指标均无显著性影响（P>0.05）。随着负重重量的增加，骨盆前倾角度最大值显著增大（P<0.05），在5%BW、10%BW、15%BW之间，骨盆前倾角度最小值无明显差异，但是均大于0%BW 负重（P<0.05），当负重重量达到10%BW 时，骨盆前后倾幅度显著大于0%BW 负重（P<0.05）（见表7）。

表7 不同负重状态行走时骨盆前倾角度（n=16）Table7 The Sagittal-plane Angular Movement of Pelvis During Walking Under Different Loading Conditions（n=16）

不同负重状态行走的骨盆在一个步态周期内的矢状面角度曲线见图7。

图7 不同负重状态行走步态周期中骨盆矢状面角度（n=16）Figure7 Sagittal-plane Pelvis Angles During Walking Under Different Loading Conditions（TO=toe off，ST=foot strike）（n=16）

负重方式和重量2因素对骨盆额状面参数的交互作用均不显著（P>0.05）。负重重量显著影响骨盆左倾角度最大值、最小值和活动幅度（P<0.05），负重方式对以上指标均无显著性影响（P>0.05）。随着负重重量的增加，骨盆左倾角度最大值、最小值显著增大（P<0.05），而骨盆额状面活动幅度显著减小（P<0.05）（见表8）。

表8 不同负重状态行走时骨盆左倾角度（n=16）Table8 The Frontal-plane Angular Movement of Pelvis During Walking Under Different Loading Conditions（n=16）

不同负重状态行走的骨盆在一个步态周期内的额状面角度曲线见图8。

图8 不同负重状态行走步态周期中骨盆额状面角度（n=16）Figure8 Frontal-plane Pelvis Angles During Walking Under Different Loading Conditions（n=16）

负重方式和重量2因素对骨盆水平面运动学参数的交互作用均不显著（P>0.05）。负重方式和重量均显著影响骨盆左旋角度最小值和活动幅度（P<0.05）。单手拎包的骨盆左旋角度最小值显著小于单肩背包和前臂挂包（P<0.05），活动幅度显著大于单肩背包和前臂挂包（P<0.05），而单肩背包和前臂挂包行走之间的各指标无显著差异（P>0.05）；随着负重重量的增加，骨盆左旋角度最小值显著增大（P<0.05），活动幅度显著减小（P<0.05）（见表9）。

表9 不同负重状态行走时骨盆左旋角度（n=16）Table9 The Horizontal-plane Angular Movement of Pelvis During Walking Under Different Loading Conditions（n=16）

不同负重状态行走的骨盆在一个步态周期内的水平面角度曲线见图9。

图9 不同负重状态行走步态周期中骨盆水平面角度（n=16）Figure9 Horizontal-plane Pelvis Angles During Walking Under Different Loading Conditions（n=16）

3 分析与讨论

3.1 时间参数

在本实验中，支撑相百分比随着单侧负重重量的增加而显著增大，5%、10%、15%与0%BW负重相比，支撑相百分比分别增加了0.63%、1.40%和1.83%。这一结果与前人[17]关于负重行走的研究结果一致，说明负重重量增加，人体会利用更多的支撑相来维持稳定，减小摆动相的占比，来减小不稳定因素，从而使人体加快形成一个动态的平衡体系。但不同单侧负重方式对支撑相百分比没有显著影响，结果与前人[1]研究一致。

3.2 躯干运动特征

本研究发现，随着右侧负重重量的增加，整个步态周期中的躯干后倾角度逐渐减小，前倾角度逐渐增大，而躯干的前后倾活动幅度没有明显变化，5%、10%、15%与0%BW负重相比，躯干前倾角度最大值分别增加了6.30%、23.49%和44.31%，说明负重重量达到15%BW时，躯干前倾的特征已经产生了极大的变化。以往针对躯干前后负重的研究发现，躯干后负重会增加躯干前倾的角度[18-19]，而躯干前负重会增加躯干后倾角度[20]，人体通过调整躯干前后倾角度来调整身体和重物总质心的位置，使总质心更靠近支撑面的中心，提高步态的稳定性。女性单侧负重时，负重物更偏向于身体后方，因此躯干前倾特征变化更接近背部负重，单侧负重过重同样会造成躯干前倾产生更大变化。

右侧负重物相对于躯干在额状面上的位置存在更大的偏离，造成躯干始终保持左倾位，且随着负重重量增加，整个步态周期中的躯干左倾角度增大。在自然行走中，在左侧足着地到足放平阶段，躯干会向左倾斜，是为了将重心从双脚围成的支撑面内过渡到左脚的单脚支撑面中，当右脚离地进入左脚的单支撑期时，身体逐渐会向右侧倾斜。身体的这种左右倾斜主要是为了调节并保持身体重心在支撑面的位置，从而维持行走过程的平衡和稳定。本研究中单侧负重重量达到15%BW时，发现躯干左右晃动幅度较0%BW显著增大，增加13.94%，躯干左右晃动幅度的增大不利于行走稳定性，行走时躯干晃动范围大是中老年人发生跌倒的重要危险因素[21]，因此单侧负重重量超过15%BW，躯干左右晃动增大可能会增加步行中跌倒风险。

右侧负重限制了躯干左旋，增大了躯干右旋，且随着负重重量增加，躯干右旋角度增大。这是因为单侧负重限制了负重侧手臂的摆动，手臂摆动的功能是抵消摆动腿产生的角动量，手臂摆动的受限造成躯干向受限侧的旋转增大来代偿。前人[22-23]的研究指出当一侧手臂活动受限时，会造成另一侧手臂的更大摆动幅度，这是为了保持上肢和下肢运动的协调性，而另一侧手臂更大的摆动幅度是由躯干向受限一侧的转动增大引起。H.GOUJON 等[24]的研究认为，上肢的灵活性和躯干骨盆的协调运动有关，因此上肢摆动的受限在一定程度上也影响了躯干和骨盆的协调运动。J.K.F.NG等[25]证明下腰痛患者的躯干运动时存在肌肉活动的不对称模式，本研究中单侧负重，造成躯干旋转的不对称，从而导致躯干两侧肌肉活动的不对称，因此长时间下去可能会导致下腰痛的产生。另外，与单肩包相比，前臂挂包和手拎包躯干始终处于更加右旋的位置，说明前臂和手部的负重物对负重侧上肢的约束更大，摆动受限更大，而单肩背包的负重物在肩部，负重侧上肢相对可以更自由摆动，就造成前臂挂包和手拎包条件下躯干更大的向受限侧旋转。

躯干角度的变化反映人体在行走过程中保持上体平衡的能力，躯干的运动是身体主动控制以协调胸廓、骨盆和下肢等运动的关系，最终保持人体稳定[26]。单侧负重时躯干向对侧倾斜增大，向同侧旋转增大，伴随着步行时间的延长，短时间看来，会使躯干两侧肌肉活动不对称，对侧肌肉一直处于收缩状态而变得紧绷，加速这部分肌肉的疲劳，而长期单侧负重步行，局部肌肉疲劳产生积累，脊柱受力不平衡，导致椎间盘发生移位，甚至引发腰背部病痛等[5]。肌肉活动的不对称性可能预示着躯干稳定性的破坏及腰背疼痛的发展[27]。后续研究应增加受试者步行时间，同时加入躯干部肌肉的肌电研究。

3.3 骨盆运动特征

本研究发现，随着右侧负重重量的增加，整个步态周期中的骨盆前倾角度逐渐增大，负重重量达到10%BW及以上，骨盆前后倾幅度较0%BW显著增大，增大了12.28%，这种差别随着负重重量的增大会更加明显。这主要是因为人体在向前行走的过程中，当足跟着地迈出下一步时，身体和重物总重力的力线在骨盆矢状轴的前方通过，对骨盆产生了前倾力矩，负重重量越大，前倾力矩越大，故造成骨盆更大的前倾，长期单侧负重行走，可能造成骨盆前后两侧肌力不平衡，产生骨盆前倾的不良体态。骨盆前倾使腰椎处于过度前弯的状态，会增加第5 腰椎和骶骨周围软组织的压力，引起疼痛等一些列不良症状[28]。

本研究中，随着右侧负重重量的增加，整个步态周期中骨盆左倾角度逐渐增大，骨盆左右倾幅度逐渐减小，5%、10%、15%与0%BW 相比，骨盆左倾角度最大值分别增加了6.24%、10.31%、13.84%，右倾角度最大值分别减小了16.35%、36.28%、53.57%。研究发现右倾角度最大值减小的更明显，因为在右足离地进入左足单支撑相时，骨盆达到右倾最大值，此时人体通过增加躯干左倾角度和减小骨盆右倾角度来将身体和负重物总质心投影在左在左足支撑面内，而在左足离地进入右足单支撑相时，骨盆达到左倾最大值，而此时由于负重物位于右侧，离右足的支撑面相对更近，故对骨盆左倾角度最大值的影响更小。汪敏加等[29]的研究发现，青年非特异性下腰痛患者比无腰痛者的骨盆侧倾程度更明显，在侧倾的情况下，骨盆偏离中立位导致两侧肌肉的失衡与慢性下腰痛的症状有一定的相关性。在本研究中，单侧负重后骨盆在额状面向对侧倾斜的增加，必然会影响到骨盆周围的肌肉功能，造成两侧肌肉力量、肌肉紧张度和肌肉柔韧性的不对称，长期单侧负重行走，骨盆肌肉紧张度和柔韧性的失衡会产生骨盆侧倾的不良体态。而骨盆侧倾会导致腰椎两侧椎旁肌的张力和紧张度出现差异，从而产生腰椎的力学改变，可能导致下腰痛。

随着右侧负重重量的增加，在左足着地时骨盆达到右旋最大值显著减小，而在右足着地时骨盆达到左旋最大值没有明显变化，同样是因为负重物在右侧，距离右足支撑面相对更近，故对右足着地时的骨盆旋转影响更小。因此单侧负重对骨盆向对侧旋转没有显著影响，但是限制了骨盆向同侧旋转，因此骨盆的旋转幅度也相应被限制，5%、10%、15%与0%BW相比，骨盆旋转幅度分别减小了13.86%、21.58%、26.36%，与E.J.HYUNG 等[30]的研究结果一致。行走中，躯干的旋转通过肩带动上肢摆动，骨盆的旋转带动下肢动摆动，上半身和下半身的摆动会处于一种平衡状态，从而保持行走的动态平衡[31]。有研究[32]指出，手臂摆动受限，身体上半部分的角动量随之减小，因此骨盆的旋转运动也受到限制，也支持本研究的结果。而骨盆旋转的过大抑制可能会导致在行走过程中不能沿着一条直线行进。其他的研究[33]发现，腹部肌肉在行走时也起到一定的作用，可以驱使胸廓与骨盆产生相对的运动。骨盆与躯干的这种不同相位转动，为整个身体平滑地向前行进提供了一种平衡的作用。单侧负重后骨盆向对侧旋转增大，造成了骨盆旋转的不对称，A.C.BARBOSA 等[34]的研究表明骨盆旋转不对称和骶髂关节功能障碍有关，而大约40%的腰痛发作和骶髂关节功能障碍有关[28]。S.KUAI等人[35]指出，下腰痛和躯干骨盆运动的节律异常有关，而单侧负重后骨盆和躯干旋转表现出不同的代偿反应就是节律异常的表现，长时间下去可能会导致下腰痛的发生。另外，本研究发现手拎包的骨盆旋转幅度显著大于单肩背包和前臂挂包，这是因为本实验中控制单肩背包和前臂挂包的包袋长度在髂嵴的高度，对骨盆旋转的限制更明显。

骨盆在行走中既承受来自躯干与上肢的负荷，又可有效地向上或向下传递力和运动，是对步态效率有着极大影响的“控制点”。J.F.SEAY等[36]对有下腰痛的人群进行步态分析，发现较健康人群的骨盆旋转增加，而我们没有发现单侧负重后骨盆旋转增加，鉴于我们发现单侧负重时，骨盆前倾增大，向同侧倾斜增大，向对侧旋转增大，因此骨盆多维度运动特征改变，伴随着时间的延长，造成骨盆周围肌肉力量、肌肉紧张度和肌肉柔韧性的失衡，产生骨盆前倾、骨盆侧倾等不良体态，甚至产生下腰痛等一些列不良症状。

本研究仅探讨单侧负重对躯干和骨盆的角度特征的影响，但对角度极值出现时间等时间指标的影响需在今后进一步探讨。其次，本研究仅探讨负重物整体在身体一侧的负重方式，而对侧挎包是一种的特殊的不对称负重，需在后续研究中加入，以期全面了解单侧负重对躯干和骨盆运动特征的影响。

4 结 论

（1）单侧负重行走时，躯干和骨盆偏离中立位，增加了躯干和骨盆额状面和水平面运动特征的不对称性。躯干向对侧倾斜增大、向同侧旋转增大，骨盆向对侧倾斜增大、向对侧旋转增大，从而保持步行的稳定性。

（2）单侧负重会导致步行中躯干和骨盆运动节律的异常。当负重重量达到10%BW时，对骨盆旋转幅度产生较大限制，当负重重量达到15%BW时，会显著增加躯干左右晃动幅度，降低躯干的稳定性。

（3）不同单侧负重方式的差异主要体现在躯干和骨盆在水平面上的旋转运动，躯干和骨盆的旋转表现出了不同的代偿反应。