单侧负重对人体足底压力特征的影响研究

卢泽惠，郭旭，满喜

（1.内蒙古师范大学 体育学院，内蒙古 呼和浩特 010022；2.北京体育大学 运动医学与康复学院，北京 100084）

美国医学会的研究报告显示，正常人类步行中足部所承受的地面反作用力可以达到自身质量的1.5 倍［1］。在地面反作用力作用于双脚的过程中，人类足部的基本作用是承受体重、缓冲与吸收冲击力、产生向前推进的力并维持行走过程中的平衡。步行时足底压力的分布可以反映出人体下肢及全身的生理结构和功能等信息，汤荣光等［2］分析了足底动静态的压力分布，袁刚［3］和王明鑫等［4］对正常人群足底压力分布及其影响因素进行了探讨，王永慧等［5］分析了不同年龄段健康人群的足底压力参数，但在负重情况下，足部所承受的地面反作用力会变得更大，在力的传递过程中人体将会受到其影响并造成足底压力变化，因此近年来国内外学者开始探讨负重对足底压力的影响。Simpson 等［6］通过分析女性徒步者负重时地面反作用力，发现随着负重的增加足部中外侧反作用力明显增加。Pau 等［7］通过测试儿童负重行走时足底压力的分布，发现在静态站立和步行过程中足底压力都显著增加。刘晓梅等［8］通过分析老年男性足底压力分布，发现60 岁为中老年男性下楼梯时身体稳定性的临界点。目前有关青年负重状态下足底压力特征分析较少，而现代社会青年人一方面对背包的需求较大，另一方面负重也是他们的职业，如搬家公司、服务人员等。当身体负重时负重重量会在物理和机械作用下改变身体动态平衡并造成姿势变化，进而产生异常步态，导致脚触地时吸收冲击力不足，因此极易导致运动系统的过度疲劳及损伤。此外关于负重状态下性别之间足底压力的差异目前仍存在争议，Yamamoto 等［9］通过分析行走活动中不同性别之间足底压力分布，发现女性足底压力明显高于男性，而Murphy 等［10］发现男性和女性足接触区域或足底压力值并没有显著差异。因此本研究旨在探讨单侧负重时不同位置及重量对人体足底压力的影响，分析单侧负重对不同性别人群带来的足底压力变化，对深入了解足部疾病的产生机理具有重要意义，也为大众日常负重方式提供选择，为厂商改进背包提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究对象

在校男女大学生各30 名。纳入标准：①身体健康，无扁平足及异常步态；②优势侧为右侧，无常年背单肩包的习惯；③无高低肩及长短腿等明显解剖不对称现象；④实验前24 h 无剧烈运动。

1.2 实验仪器与设备

Medtrack 足底压力板（芯康生物）：测力面积400 mm×500 mm，传感器数量：2 288 个，单点感应区尺寸5 mm×5 mm，传感器密度：4/cm2，采样帧数100 fps。背包：尺寸38 cm×18 cm×6 cm，包重400 g，负重填充物为砝码及沙袋。

表1 受试者基本信息Tab.1 Information of the subjects

1.3 实验流程

本次实验采用右侧负重，负重方式为手提式、单肩式、斜挎式，负重量根据受试者体重（Body Weight，以下简称BW）设置，包括5%BW、10%BW、15%BW。受试者先进行无负重测试，因此共含10 种测试条件，不同的负重方式对包带长度及位置均有控制（见表2）。本次实验在压力板处设置6 m 步道，步道起点终点位于压力板两侧各3 m 处。测试时要求受试者目视前方，在自然状态下光脚从起点处出发，

表2 不同负重方式的控制情况Tab.2 Control of different loading modes

以左脚或右脚完全踏在压力板上且无步伐调整为一次有效数据，每种负重条件下每侧脚采集3 次有效数据。为避免疲劳的发生，要求受试者测试间充分休息。

1.4 统计分析

运用SPSS23.0 对不同负重位置与负重重量数据之间进行双因素重复测量方差分析，对同一负重位置与负重重量男女性别之间进行独立样本T检验，左右脚之间进行配对样本T检验，各参数均采用（平均数±标准差）表示，显著性水平P≤0.05。

2 结果

2.1 足底压力峰值

双因素重复测量方差分析的结果表明：负重方式与负重重量对女性双脚与男性右脚足底压力峰值的交互作用没有统计学意义（P＞0.05），负重重量与负重方式显著影响足底压力峰值（P＜0.05）。随着负重的增加，足底压力峰值不断增大，女性负重0%BW、5%BW、10%BW 和15%BW 双脚压力峰值两两之间均存在显著差异（P＜0.05）；男性负重5%BW、10%BW 和15%BW 右脚压力峰值显著大于无负重（P＜0.05）；负重10%BW、15%BW 显著大于5%BW，另外女性手提、斜挎背包与单肩背包相比左脚压力峰值表现出显著差异（P＜0.05）；手提背包与单肩背包相比右脚表现出显著差异（P＜0.05），而男性不同背包方式右脚足底压力峰值未表现出显著性差异（P＜0.05）。

负重方式与负重重量对男性左脚足底压力峰值的交互作用有统计学意义（P＞0.05）。单肩背包时，负重0%BW、5%BW、10%BW 与15%BW 足底压力峰值两两之间存在显著差异（P＜0.05）。手提背包时负重5%BW、10%BW 与15%BW 压力峰值显著大于无负重（P＜0.05）；负重10%BW 与15%BW 显著大于5%BW（P＜0.05）。斜挎背包时负重10%BW 与15%BW 压力峰值显著大于无负重（P＜0.05）；负重15%BW 显著大于5%BW（P＜0.05）。在负重15%BW 时，单肩背包压力峰值显著大于斜挎背包（P＜0.05）。

独立样本T检验的结果表明：男女性的足底压力峰值在任何负重条件与负重重量下都存在显著差异（P＜0.05）。配对样本T检验的结果表明：女性手提背包负重5%BW 左右脚足底压力峰值存在显著差异（P＜0.05）；男性斜挎背包负重15%BW 左右脚的足底压力峰值存在显著差异（P＜0.05）（见表3）。

表3 不同位置及负重状态下足底压力峰值Tab.3 Plantar peak value of force in different positions and loading conditions N

2.2 足底压强峰值

双因素重复测量方差分析的结果表明：负重方式与负重重量对男性双脚与女性左脚足底压强峰值的交互作用没有统计学意义（P＞0.05），负重重量与负重方式显著影响足底压强峰值（P＜0.05）。随着负重的增加，足底压强峰值不断增大，男女性负重5%BW、10%BW 和15%BW 左脚压强峰值显著大于无负重（P＜0.05）；男性负重5%BW、10%BW 和15%BW 右脚压强峰值也显著大于无负重（P＜0.05）；男性负重15%BW 双脚压强峰值显著大于5%BW（P＜0.05）；女性负重10%BW、15%BW 右脚压强峰值显著大于5%BW（P＜0.05），另外女性单肩背包与斜挎背包相比左脚表现出显著差异。

负重方式与负重重量对女性右脚足底压强峰值的交互作用没有统计学意义（P＞0.05）。单肩背包时，负重5%BW、10%BW 与15%BW 压强峰值显著大于无负重（P＜0.05）；负重10%BW 显著大于5%BW（P＜0.05）；负重15%BW 显著大于10%BW（P＜0.05）。手提背包时负重10%BW 压强峰值显著大于无负重（P＜0.05）；斜挎背包时负重5%BW、10%BW 与15%BW 压强峰值显著大于无负重（P＜0.05）。在负重5%BW 时，单肩背包压强峰值显著大于手提与斜挎背包（P＜0.05）；负重15%BW 时，单肩背包压强峰值显著大于斜挎背包（P＜0.05）。

独立样本T检验的结果表明：单肩背包负重10%BW 右脚足底压强峰值性别之间存在显著差异（P＜0.05）；手提与斜挎背包负重15%BW 右脚压强峰值性别之间存在显著差异（P＜0.05）；手提背包负重5%BW 左脚压强峰值性别之间存在显著差异（P＜0.05）。配对样本T 检验的结果表明：女性单肩背包负重5%BW左右脚足底压强峰值存在显著差异（P＜0.05）；手提背包负重10%BW 左右脚的压强峰值存在显著差异（P＜0.05）（见表4）。

表4 不同位置及负重状态下足底压强峰值Tab.4 Plantar peak value of pressure in different positions and loading conditions kPa

3 讨论

足底压力指足与支撑地面之间相互垂直的作用力，人体足底压力分布能够反映足的结构、功能和整个身体姿势控制等情况［11］。通过分析足底压力分布特征，可获取人体在不同运动状态下的力学与机能参数［12-13］。

本研究发现，随着负重的增加足底压力峰值逐渐增加。女性负重5%BW、10%BW 和15%BW 与无负重相比，左脚足底压力峰值分别增加了44.912 N、69.135 N、88.213 N，右脚足底压力峰值分别增加了45.421 N、58.218 N、77.327 N，男性负重5%、10% 和15%BW 与无负重相比，右脚足底压力峰值分别增加了37.232 N、79.325 N、90.538 N，说明当负重达到15%BW 时，足底压力峰值的变化最大。以往关于负重背包的研究［14］发现，负重会使人体的足底压力增大，过高的足底压力会影响下肢运动链的机能，进而引起运动性损伤。此外单肩背包时男女性左脚足底压力峰值显著大于其他负重方式，主要原因是单肩背包时负重物在右侧，这会使身体和负重物的总质心向右发生偏移，此时人体会通过身体左倾来调整总质心的位置。

足底压力峰值受性别因素的影响表现出不同特征，男性有无负重足底压力峰值均显著大于女性。前人的研究［3］指出足底各部位压力之和主要反映体重以及身体前进动力之和，因为男女性身高体重等因素本身存在一定差距，所以在性别上表现出显著性差异。但是国内外一些学者［15-19］认为男女性足底压力分布并无不同，归其原因，我们认为这可能与种族差异或者生活习性相关，也有可能来源于仪器的差异以及实验误差所致。

男性斜挎背包负重15%BW 右脚压力峰值显著大于左脚，赵功赫［20］指出斜挎背包时由于背包固定在髂棘位置，骨盆向负重侧侧倾，下肢力线继而发生变化，Simpson 等［6］也得出相似的结论，他们认为随着负重重量的增加，受试者会改变步态以减弱下肢冲击力。斜挎背包时虽然肩带在右侧，但重量却主要施加在左侧，当右脚进入单支撑阶段骨盆左倾最大，此时人体通过增加身体右倾角度使身体和负重物总质心投射到右足支撑面内。所以建议尽量不要选择斜挎背包，因为斜挎背包会改变人体下肢力线，增加髋膝踝关节和肌肉的负荷，造成下肢重力分布不对称，进而易产生不良体态等。

足底压强峰值是特定区域内所受地面反作用力最大部位中单位面积的作用力值［21］，压强峰值作为反映足底压力分布的重要指标，其大小和部位对于防止足底疲劳的积累和损伤的发生具有重要影响，因此运动医学与生物力学专家们对相关足底压强的疾病与损伤机制十分关注［22-23］。

本研究发现，随着负重的增加足底压强峰值逐渐增加，负重5%BW、10%BW、15%BW 与无负重相比，男性左脚足底压强峰值分别增加了30.223 kPa、34.123 kPa、40.832 kPa，右脚增加了23.323 kPa、34.065 kPa、39.657 kPa，女性左脚足底压强峰值分别增加了16.421kPa、28.032 kPa、30.245 kPa，当负重达到15%BW时，足底压强峰值的变化最明显，过大的压强极易对足底造成损伤［24-25］。此外女性单肩背包负重15%BW右脚压强峰值显著大于斜挎背包，以往的研究［26］表明负重会使足与地面接触时间变长，加之单肩背包时身体和负重物的总质心会向右偏移，故右脚压强峰值大于左脚。张立宁等［27］研究表明足长时间过度使用，体重增加及大量走路等会促使足底筋膜炎的发生，因此建议女性背包负重尽量控制在15%BW 以内。

单侧负重足底压强峰值在性别上存在一定差异，总体男性压强峰值大于女性。在行走过程中，足与地面接触面积对压强峰值的影响较大，足底压强等于垂直压力比接触面积，因此足底压强与体质量有关。Cavanagh 等［28］与王明鑫［4］的研究表明足底压强峰值与体质量呈正相关，张庆来［29］的研究又表明体质量与身高呈正相关，身高与足的接触面积呈正相关，故男女性未负重时足底压强峰值并未表现出显著性差异，但在单肩背包负重10%BW 与手提背包负重5%BW 时，男性压强峰值显著大于女性，这与李国强［26］的研究结果一致。

女性手提背包负重10%BW 左右脚足底压强峰值存在显著不对称。Fryzowicz 等［30］指出在自然行走过程中，人体会将重心从双脚围成的支撑面过渡到单脚支撑面中，为了调节并保持身体重心在支撑面的位置，身体会左右倾斜。手提背包时因背包负重在右侧，当进入右支撑阶段，为了维持平衡和稳定，躯干会向右倾斜，这使得右侧压强峰值高于左侧。单肩背包时人们会习惯性将手放在包上并使背包贴近身体，这在一定程度上增加身体稳定性，但我们发现女性单肩负重5%BW 左右脚压强峰值存在明显不对称，随着负重的加大反而未出现不对称状况。我们猜测这可能与实验安排有关，本次实验是以小负重在前，当进行大负重时受试者已适应单肩背包的平衡机制。

负重足底压力的特征差异很大，且受诸多因素的影响。要准确反映负重对于足底压力的影响，还需要扩大样本量的深入研究，同时对足底压力的分布规律进行探讨，深入了解足部疾病的产生机理，预防可能带来的足部损伤。

4 结论

本研究通过对不同位置及负重状态下足底压力分布特征进行研究，得出以下结论：

（1）在右侧负重行走过程中，男性足底压力峰值与压强峰值总体高于女性；

（2）就双脚的对称性而言，女性手提背包负重10%BW 双脚的压强峰值不对称，男性斜挎背包负重15%BW 双脚压力峰值不对称，建议女性负重达到10%BW 选用单肩与斜挎背包，男性负重达到15%BW选用手提与单肩背包；

（3）就性别差异而言，男性单肩背包负重15%BW 左脚压力峰值大于斜挎背包，女性单肩背包负重15%BW 右脚压强峰值大于斜挎背包，建议女性负重达到15%BW 选用手提与斜挎背包，男性负重达到15%BW 选用手提与斜挎背包；

（4）女性负重尽量控制在10%BW，男性尽量控制在15%BW，另外可根据需求有针对性选择背包。