不同负重条件对健康人步态影响的研究进展

蒋立峥 马玉宝，2※

负重行走是日常生活中常见的步行方式，外加负荷会使人体重心位置偏移，破坏原有的动态平衡［1］。长时间负重行走使得下肢肌肉处于疲劳状态，对涉及姿势控制的感觉输入和运动输出产生负面影响［2］。步态模式的改变也会降低人体在行走过程中保持适当躯干位置的能力，增加不稳定性和跌倒的风险［3］。此外，负重行走会导致足底及下肢关节受力异常，易导致下肢应力性骨折、足部水疱、膝盖疼痛、下背痛、腰椎间盘突出等损伤［4～8］。近年来，与负重行走相关的研究得到了广泛开展，不同负重部位及负重量均会对步态产生不同影响，负重条件改变下的步行姿势及步态调整被认为存在客观规律［9～12］。

不同状态下步行时的步态特征不仅是康复领域的重要研究内容，还可被广泛应用于体育锻炼、假肢设计等领域。分析其变化规律，可为纠正步态提供指导，对选择合适负重方式、减少损伤风险具有现实应用意义。本文就不同负重条件对人体步态的影响进行了总结及分析。

1.步态分析基本参数

步态分析通过运动学和生物力学等手段，对人体步行状态及一般规律进行分析，揭露异常步态时相及引发因素的科学［13］。目前，国内外步态研究及分析主要涉及运动学参数、动力学参数以及肌电活动参数［14］。

运动学参数指步行中与时间、距离及角度相关的一系列参数，涵盖关节角度、跨步特征、时空参数等多方面概念。基本时空参数包括步长、步幅、步频、步行时相等，其中步长、步频和步速是步态分析中最常用的三大要素，常用于反映受试者的步行能力［15］，步宽和双支撑相则更紧密地反映平衡控制能力［16］。动力学参数包括步行中的作用力、反作用力强度、方向和时间等。对地面反作用力（ground reaction force，GRF）的测定，可以反映步行中支撑侧下肢的负重和离地、驱动和制动能力，以及侧方负重能力与稳定性。肌电活动参数指积分肌电、平均肌电、平均功率频率等参数，反映各肌肉的动态肌电活动及其与步态各时相的关系，也是步态分析的重要环节。

2.不同部位负重对步态的影响

目前研究中常见的负重方式主要有以下四种形式：单侧负重、双侧负重、前侧负重及后侧负重。外加负荷改变了人体运动中心（center of motion，COM）位置，负重部位不同会对姿势和步态产生不同的影响。

2.1 单、双侧负重对步态的影响 单侧负重会使得姿势不对称，导致肌肉骨骼的变化，从而引起步态改变。而双侧负重将重量平均分配至双肩，是一种更舒适的负重方式［17］。Abaraogu等［18］研究了25 位健康成人在三种测试条件（无负重、单肩负重和双肩负重）下，携带15%体重（body weight，BW）负荷行走6分钟的步行规律。结果显示，单侧负重和双侧负重对步态无显著影响，但会增加躯体压力和疲劳感。

Wang等［19］研究了19 位健康成人双侧和单侧分别负重20%体重时的步态特点。每种负重条件下，受试者均以最舒适的速度行走90秒，对最后30 秒的数据进行分析。结果显示，20%体重双侧或单侧负重会使双支撑相时长增加一倍。此外，20%体重单侧负重在不稳定平面行走时，非负重侧下肢双支撑比变异系数（coefficient of variation，CV）、ML COP偏移CV和ML COP速度CV显著增高。这反映了行走过程中步态不一致、姿势稳定性降低，此时人体通过非负重侧下肢的姿势控制调整步态，维持稳定性，但其研究采用手负重的方式，由于负重限制上肢摆动进而对步态造成的影响也要考虑在内。张露芳等［20］研究发现，单肩负重下左侧胫前肌肌电信号平均振幅斜率小于右侧，中位频率斜率大于右侧，表明单肩负重条件下，右侧胫前肌较左侧更易疲劳。此外，单肩背包下足底压力中心（centre of pressure，COP）曲线紊乱程度较高，步态缺乏稳定性。但是其研究未明确说明单侧负重具体为哪一侧，或是两侧都进行了测量，因此难以对结果进行进一步讨论。

综上所述，短时间、短距离负重不会对步态产生明显影响，负重量达到20%体重时，人体会通过增加双支撑相时长以维持步态稳定性。相同条件下，单侧负重对步态调整的要求更高，双支撑相时长增加更明显，且需要非负重侧下肢进行姿势控制以维持步态稳定。虽然张露芳等人的研究存在局限，但其研究同时提出高重心软腰垫的组合可以更好地减轻下肢疲劳。Knapik等［21］研究发现，位于腰臀位置的背包重心高度对缓解行走疲劳效果更好。赵美雅［12］等研究发现，将重物同比例放置于背包左下和右上空间比传统负重方式更有利于降低对心率和血压的影响。但这些研究都存在受试者较少、受试者主观反馈占比较大的问题，关于背部负重时重心位置对人体的影响值得更加细致地研究和探讨。

2.2 躯干前侧负重及后侧负重对步态的影响 Roberts等［22］对29名健康成人在躯干前侧负重（0%，5%体重，10%体重）步行1分钟过程中的足底压力进行了分析。结果显示，前后压力中心位移及平均COP 速度随着负重量的增加而增加。负重10%体重时，跨步差异（步长、跨步时间）显著增加。负荷大小对步行周期和步长的变异性有显著影响，但不影响平均步长和双支撑时间。先前研究报道，躯干后负重会增加步宽及双支撑相时长，但不会增加步幅长度的可变性［23］。Rodrigues［24］等对比分析了21 位健康成人前侧负重和后侧负重的行走特点，受试者分别负重10%体重和20%体重，以最舒适的速度步行4分钟。结果显示，无论是前侧负重还是后侧负重，20%体重均较10%体重需要更高的动态稳定性，且前侧负重步行时，人体在中外侧的稳定性明显下降。这与Qu和Yeo的研究结果一致［23，25］。步态异常［26］及姿势摇摆［27］会增加跌倒的风险，摆臂可以提高步行时的平衡能力［28］，前侧负重限制手臂摆动，位于身体前部的物体也可能会阻碍视线，进而影响步态稳定性。背侧负重可以解放双手，让上肢自由活动，有利于维持步态稳定。

3.不同负重量对步态的影响

3.1 不同负重量对步态时空参数的影响

3.1.1 不同负重量对健康儿童步态时空参数的影响：先前已有大量关于儿童背包负重行走特点的研究，各研究针对合适背包负重量所提出的建议，从10%体重到20%体重不等［29～31］。但各研究结果均显示，随负重量增加单支撑相时长降低，双支撑相时长增加，因为这样可以更好地分配负重量，保持姿势的稳定性，将肌肉骨骼系统的疲劳降至最小。与静态站立相比，躯干在动态条件下的前向倾斜程度更高，表明人体在静态和动态条件下的平衡策略存在差异。

在最新的研究中，Ahmad等［32］评估了7 名小学生负重步行的情况。结果显示，负重会降低受试儿童的步速，增加双支撑相时长，对步幅等没有显著影响。Orantes 等［31］对49 名学生的负重行走过程进行了三维步态分析，其研究结果显示与无负重步行相比，受到影响最大的关节是骨盆和脊柱，二者向前弯曲以补偿重心的向后移动，髋、膝、踝关节受到的影响依次减小。研究也显示负重时胸部和下半身之间的旋转运动会减少，以保证动态稳定性。由于其研究仅测试了1 分钟内的步态参数，因此不排除长时间负重下会对步态产生更明显影响的可能性。陈建军［33］对中学生在不同背包负重量下步态参数的变化进行了研究。通过量化步长、步频、跨步长、步速参数，发现其均与非负重条件时无统计学差异。而随着负重量的增加，受试者同样出现了摆动相百分比下降而支撑相百分比上升的情况。具体见表1。

表1 不同负重量对健康儿童步态时空参数的影响

尽管短时间负重下步态的时空参数没有变化，但其他研究报告指出，急性生理反应倾向于增加，如心血管和呼吸适应［34］。

3.1.2 不同负重量对健康成人步态时空参数的影响：赵功赫等［35］研究发现，健康成人在负重步行时，随着负重量增加，步长减小、步速下降、步宽增大、步频上升。此外，研究发现人体会通过延长支撑相、增加膝关节屈曲角度以及减少身体重心在垂直方向的运动幅度，来保持行走过程中的动态稳定性。Birrell等［36］研究发现，负重量增加可增加髋关节内收／外展、骨盆倾斜的范围，但膝关节屈伸运动和骨盆旋转范围明显降低。具体见表2。

表2 不同负重量对健康成人步态时空参数的影响

综上所述，无论是儿童还是成人，在负重行走时，随着负重量增加都会出现摆动相百分比下降而支撑相百分比上升的情况。原理可能是躯干负重量增大，支撑侧下肢需要更大的工作能力以推动整个身体质量运动，这会增加肌肉工作负荷，降低身体稳定性。而摆动侧下肢时没有负重，动作相对容易完成，受试者为了保持固定的行走速度，摆动腿迅速前摆着地，导致步长相应缩短。增大步宽可以增加支撑面积，提高步态稳定性。此外，人体通过增加踝、膝关节力矩来降低重心在上下方向的摆动幅度，以保持步态稳定性。为了减少由于躯干负重的增加所造成的冲击力对关节的损伤，在支撑相主要通过增大膝关节的屈曲角度，来有效地吸收冲击。

此外，通过整理这些研究可以发现，研究对象的年龄、职业、负重量、步行速度及测试时长对实验结果影响很大。受试者鞋码数是否相差较大，单双侧背包测试顺序等实验细节也影响结果。这些也很好地解释了各研究结果中相互矛盾的地方，因此很难将其所得结果直接进行对比分析。对于负重行走步态的规律性，需要更加严谨全面的研究。

3.2 不同负重量对步态动力学参数的影响 Simpson 等［37］对15名女性徒步旅行者在8km 内承受四种负重量（0%体重，20%体重，30%体重和40%体重）时的对地反作用力进行了分析。发现随着负重量由零增加至30%体重，对地面反作用力成比例增加，同时双支撑相延长。负重量分别为30%体重和40%体重时，足部中外侧反作用力显著增加。这种过高的对地面反作用力导致的步态改变会降低步态稳定性，增加踝扭伤等损伤风险。佟苏洋和汤澄清［38］采用Footscan 足底压力步态分析系统，分别对无负重、背包负重10kg及15kg行走时的足底压力进行了分析，发现足底大部分区域压力峰值、压强峰值、冲量均呈现上升趋势，足弓部位压力峰值增加显著，前掌部外侧区及第3 ～5 跖骨处压强峰值变化趋势明显，足跟外侧区压强变化高于内侧区。此外，足底压力中心向前偏移，且变化轨迹向外侧偏移并提前于第二趾处结束，与Simpson等［37］的研究结果相同。Ahmad［32］采用鞋垫电容式压力传感器采集动力学信息，结果显示平均压力随着负荷量的增加而增加，且主要影响足中部和脚后跟部位，足底与鞋底的接触面积也随负荷增加而增加。

由此可见，负重步行会显著增加足中部及外侧压力，随着压力的增加足弓承担了更重的负荷，Pau 等［39，40］也得出了一致的结论。需要注意的是，研究涉及两种足底压力测量方式：Footscan足底压力步态分析系统和鞋垫电容式压力传感器，穿鞋与否可能会对步态造成影响，在对各研究结果进行分析时需要考虑。

3.3 不同负重量对步态肌电活动参数的影响 Simpson等［41］记录15 名女性徒步旅行者在8km 内负重（0%体重，20%体重，30%体重，40%体重）的情况下，股外侧肌、股二头肌、半腱肌、胫前肌和腓肠肌的肌电信号。结果显示，增加步行距离显著降低胫前肌的平均频率，股外侧肌、半腱肌、腓肠肌的整合肌电信号以及外侧肌持续时间。此外，负荷20% ～40%体重时，股外侧肌和腓肠肌的整合肌电信号显著增加，股二头肌持续时间增加，而负荷40%体重时，股外侧肌激活较晚。随着负重的增加，肌肉活动的差异可能是为了保持平衡和减少步态中增加的下肢负重而进行调整的结果。

王珺［42］通过对人体不负重与双肩背不同负重载荷（5%体重，10%体重，15%体重）行走时下肢肌肉（股直肌、股二头肌、胫骨前肌和腓肠肌外侧）表面肌电信号进行研究分析，发现在各种负重行走过程中下肢肌电信号均存在一定程度的性别差异性特征，整体呈现出女性肌肉肌电特征值大于男性肌肉肌电特征值的特点。对于女性受试者，当负重量为10%体重时，肌电信号就出现了明显差异。而男性受试者，当负重量达到15%体重时，才出现明显差异。在负重条件下，男性腓肠肌外侧发力最大，女性胫骨前肌发力最大，且最大发力肌肉受负重载荷的影响很小，负重载荷的增加仅影响发力大小。对此，王子辰［43］的研究也得出了相同的结论，并进一步表明左侧肌肉肌电特征值要大于右侧同名肌肉肌电特征值。这可能是由于右侧肢体为优势侧，只要募集较少的运动单位就能完成几乎同样功耗的步行运动，运动单位数量少使得右侧肌肉的平均肌电特征值相对较小。也有研究指出男性和女性背包负重行走时的能量消耗也存在差异［44］。进一步研究男性和女性在负重步行时各自的特点，也是很有意义的。

4.小结

适当的负重量和正确的负重方式可维持步态稳定并减少对身体的伤害，负重量过大会影响整个步态形式，涉及髋、膝、踝活动度、步长步频、肌肉激活模式以及足底压力等多方面。不同负重方式对人体的影响因年龄、性别、职业等不同而存在差异。这也提醒我们测试对象注意区分男女以及年龄段等。

目前的研究还存在很多需要完善的地方。大多数研究测试时长较短，有研究表明，自然行走3分钟可以维持步态的稳定性［45］，因此针对负重步行的研究应适当延长测试时间，以获得更准确的结果。现实生活中会有上坡、下坡以及泥泞路段等问题，在收集文献的过程中，发现国外研究了在不平整路面负重行走时的步态特点［19］，也有关于在不同坡度及速度下负重行走时的人体生物力学分析［46］，但是缺少针对步态参数的具体分析。国内对此的研究相对空白，仅有数篇文献探讨了在不同坡度无负重行走的特点［47，48］。将坡度、速度以及路况对步态的影响考虑在内，会使研究更加具体、贴近生活，也更有研究价值。针对最佳负重量上限，各研究给出的结论并不统一，从10%体重～20%体重不等［29～31］。对于负重量的选择，按照体重百分比还是10kg、15kg等计算更为合适，也是一个值得考虑的问题。针对不同部位负重对肌肉激活模式影响的研究仅有数篇文章，结果不统一且更多地聚焦于上肢肌肉，这可能是由于躯干部位负重对上肢肌肉的直接影响较明显，但多项最新研究表明负重会影响下肢生物力学，因此进一步探讨其对下肢肌肉的影响是很有意义的。

通过对正常人在不同负重方式下步态特点的研究，可以为肌肉损伤的医疗诊断、康复训练及康复疗效判断提供依据。将负重行走与帕金森、脑瘫、脑卒中患者异常步态相结合，研究步态特点及代偿方式，也有很大的研究空间及临床意义。此外，老年人比年轻人面临更大的跌倒风险，关于负重步行的研究应该更多地聚焦于老年人。