肥胖兒童與正常兒童行走步態特征的運動學分析

張曉棟　肖丹丹

（1. 華北電力大學體育部，北京 102206；2. 國家體育總局科學研究所競體中心，北京 100061）

摘 要：采用三維攝像同步測試的方法，對9名肥胖兒童和11名正常體重兒童進行平地常速行走的運動學三維分析。結果表明：1) 肥胖兒童步態周期、支撐時相百分比、雙支撐時相百分比均比正常兒童長，擺動時間比正常兒童短。表明肥胖兒童行走時步態存在不穩定因素，肥胖兒童通過延長雙支撐時間來增加行走的穩定性。2) 肥胖兒童的步長/身高的比值、步速/身高比值、步頻均小于正常兒童，步寬比正常兒童寬。反映出肥胖兒童行走比正常兒童緩慢的特點。3) 關節角度方面，肥胖兒童的髖關節在矢狀面上的最大伸角和屈角比正常兒童小，在額狀面上的平均外展角大于正常兒童，內收角小于正常兒童。表明肥胖兒童由于多余的脂肪堆積，妨礙了髖關節的屈伸和內收幅度。4) 肥胖兒童與正常兒童步態的重要差異之一是在一側腳跟著地時刻，該側腳掌面與水平面的夾角明顯小于正常兒童?？梢酝茰y肥胖兒童行走時重心移動較慢。

關鍵詞：肥胖；兒童；步態；運動學

中圖分類號：G804.63文獻標識碼：A文章編號：1007-3612(2008)12-1651-04

A Kinematic Analysis of Over Weight Children and Normal Weight Children's Walk Movement Characteristics

ZHANG Xiao瞕ong1, XIAO Dan瞕an2

（1.P.E.Department,North China Electric Power University,102206,China;2.National Research Institute of Sport Science,Beijing 100061,China）

Abstract:3睤 synchronized imaging test is used to analyze the kinematic characteristics of 9 over weight children and 11 normal weight children's normal walk.

The results are as followings: 1)over weight children display longer cycle duration, stance time phase percentage and double stance time phase percentage and lower swing time than normal weight children. It implies some instability existing in over weight children's walk so they have to expand their double stance time

to improve their stability; 2)over weight children take significantly shorter ratio between stride and height, velocity and height, and stride frequency, and longer step widths than normal children. So they walk slower; 3)over weight individuals demonstrate a walking gait with significantly greater mean magnitude of hip abduction angle and less mean magnitude of hip adduction throughout the walking cycle. It may caused by accumulated fat; 4) At the moment of heel strike, over weight children display a smaller angle which between foot plane and horizontal plane, and a larger angle between opposite foot plane and horizontal plane. It

shows that their gravity center move slower.

Key words: over weight; children; walk movement; kinematic

肥胖已成為困擾全民健康的一個重要問題，現在肥胖兒童日益增多，肥胖癥會影響兒童的健康成長，也會造成兒童步態的異常。國內外對于正常人及損傷病人行走的生物力學指標已較完善，對于肥胖兒童步態的研究國外剛剛起步，僅有Hills和Parker（1991）^[1，2]及Ben McGraw等（2000）^[3]的幾篇論文，而在國內尚未見有對肥胖兒童步態的運動學數據的報道。本文旨在找出肥胖兒童和正常兒童行走步態運動學特征的差異，為認識肥胖對兒童步態帶來的影響提供理論參考依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

實驗對象為20名10～12歲的小學生。其中肥胖兒童（BMI>23）9名，正常體重兒童11名。肥胖兒童組的身高、體重分別大于正常體重組兒童(表1)。

1.2 測試方法

采用三維攝像同步測試的方法進行拍攝。實驗是在上海體育學院生物力學實驗大廳進行的。一臺攝像機置于運動方向的正側方，另一臺置于運動方向的斜前方，兩臺攝像機之間的夾角約為70°，距實驗對象運動區域中心的距離約為13 m，主光軸距地面的高度0.8 m，拍攝頻率為50場/s。在拍攝之前調整攝像機焦距并使之達到最清晰，然后鎖定。在實驗開始前，在運動區域放置長方體框架，并調整好框架的XY平面為水平面，X軸為身體額狀軸（右方向為正），Y軸為身體矢狀軸（運動方向為正），Z軸為垂直軸，坐標系為右手坐標系。調整好之后兩攝像機拍攝三維框架30 s。用三盞碘鎢燈照明。

受試者穿黑色緊身衣，在兩側的肩、肘、腕、髖、膝、踝、腳跟、趾跖關節處貼好標志點。要求受試者按平時自然行走方

式行走。在正式拍攝之前受試者先練習幾次，直到符合測試要求為止。正式拍攝時，每位受試者拍攝3～4次，取最符合測試要求的一次。

1.3 數據解析

運用SIMI Motion 運動解析系統進行圖像解析。在數據處理中，采用deleva模型，共14個環節，19個關節點（兩側的肩、肘、腕、手、髖、膝、踝、腳跟、趾跖關節及頭）。本文選取了從右足跟著地開始到右足跟再次著地為止的一個步態周期進行了運動學解析。

1.4 數據統計 本文所有統計學處理均運用SPSS 11.5進行統計分析。本文采用的統計學方法主要是T檢驗。

2 結果與分析

2.1 步態時相

測試結果顯示（表2）：20名正常體重兒童和20名肥胖兒童步態的時間參數差異性顯著，肥胖兒童完成一個步態周期所需的時間比正常兒童長（p<0.01）；而且肥胖兒童顯示了較長的雙支撐時間以及較高的雙支撐時相百分比（雙支撐時相占全周期的比值）(p<0.01)；肥胖兒童行走支撐時間長于正常兒童（p<0.05），支撐時相百分比（支撐時間/步態周期*100%）高于正常兒童，差異顯著（p<0.01）；當比較擺動時間與擺動時相百分比時，可以發現，雖然肥胖兒童行走時擺動時間比正常兒童長，但是當除以步態周期得出擺動時相百分比時，肥胖兒童卻低于正常兒童(p<0.01)。

肥胖兒童行走在時間參數上表現出與正常體重兒童的差異與其過重的體重有關，多余的脂肪阻礙了運動，肥胖兒童行走時存在著不穩定的因素，肥胖兒童較正常兒童延長了支撐時間，尤其是雙支撐時間，而縮短了單支撐時間與擺動時間，可能是由于在支撐時相尤為在雙支撐時相更有利于保持身體的平衡。

本文的結論與Hills和Parker^[1]及Ben McGraw等^[3]的結論是一樣的，他們的實驗也顯示出肥胖兒童行走時一個步態周期較長，支撐時相、雙支撐時相的百分比高，而擺動時相相對較短。

與戴克戎^[4]的正常青年人及伍勰^[5]的正常老年人的時間參數對比，兒童的時間參數與青年人和老年人不同。正常兒童支撐時相、擺動時相百分比為60.2%、39.8%，正常青年為63.6%、36.4%，而老年人為63%和37%；老年人的雙支撐時相占全周期的26%，青年為27%，本實驗的結果為正常兒童為20.35%，肥胖兒童為24.42%。無論是正常兒童還是肥胖兒童的支撐時相百分比、雙支撐時相百分比都比正常青年人和老年人低。

2.2 行走速度、步周長、步寬與步頻

本文的步周長是指右腳跟相鄰兩次著地間的距離，包括兩個單步長。測試結果：由表3可以看出，雖然肥胖兒童的步周長略比正常兒童長，差異不顯著，但是當用步周長除以身高，以消除身高對步長的影響時，肥胖兒童的步周長/身高的比值卻顯著低于正常兒童（p<0.01）。本實驗中肥胖兒童的平均身高為1.49 m，正常兒童為1.42 m，兩組身高差異性顯著（p<0.05），肥胖兒童步周長略比正常兒童長是由于身高高于正常兒童的緣故。本實驗的結果與Hills和Parker的測試結果相類似，他們的數據顯示肥胖兒童比正常兒童的步周長要長，而且差異顯著，Hills和Parker測試的肥胖兒童和正常兒童的步周長分別為1.24 m、1.18 m，本文的測試結果為1.37 m和1.34 m，肥胖兒童步周長/身高的比值也顯著低于正常兒童。戴克戎的實驗表明步長與身高有關，所以為了更準確地反映步周長的變化，要用步周長除以身高這個無量綱來反映步幅的大小。

肥胖兒童的步頻低于正常兒童（p<0.01），分別為61.2復步和65.5復步/s，即122.4步和131.0步/s，與Hills和Parker的測試結果相一致，他們的結果為肥胖兒童125步/s，正常兒童133步/s。

本實驗中實驗對象以自然速度行走，測試結果顯示肥胖兒童的平均步速是1.33 m/s，正常兒童為1.54 m/s，兩組差異顯著（p<0.01），說明肥胖兒童行走速度緩慢。步速/身高旨在消除身高對速度的影響，肥胖兒童和正常兒童的相對速度分別為0.90和1.09，與Hills和Parker^[1，2]的測試結果幾乎完全吻合，他們的結果為0.90和1.03。Hills和Parker的測試的肥胖兒童和正常兒童的常速行走的步速分別為1.29和1.43 m/s，比本文實驗對象的步行速度低。Hills和Parker的肥胖兒童和正常兒童的身高分別是1.44 m和1.31 m，平均年齡為10.5歲，本次實驗對象平均年齡是11.2歲，他們的實驗對象的身高比本實驗對象矮。但是當消除身高對步速的影響時，本文的步速/身高與Hills和Parker的測試結果驚人地相似，說明用步速/身高這個無量綱更能準確的反映不同實驗對象間行走速度的差異。

從測試結果來看，肥胖兒童的步寬明顯寬于正常兒童（p<0.01），分別為12.44 cm和7.46 cm。Panagiotis Spyropoulos等^[6]測試了肥胖成年人和正常成年人的步寬，肥胖成年人的步寬（0.16 m）幾乎是正常成年人（0.08 m）的兩倍。

2.3 關節角度的變化

對于角度隨時間變化的分析，國內外通常是分析某些特征時刻的角度和到達某些特征角度的時刻。特征時刻一般為步態周期中的各個分期點：HS（腳跟著地時刻）、OTO（對側腳尖離地時刻）、MS（著地中期足放平時刻）、OHS（對側腳跟著地時刻）及TO（腳尖離地時刻），和支撐時相、擺動時相的極值，分析這些特征時刻時角度的大??；特征角度時刻是指角度為0°、角度達到極值的時刻。本文中對髖、膝關節角度隨時間變化的分析，是將上述一些角度指標和時間指標的綜合。

矢狀面內髖、膝角的定義，在矢狀面內，軀干縱軸線和髖與膝關節活動中心的連線的夾角為矢狀面上的髖角；髖、膝關節活動中心的連線與膝、踝關節中心的連線的夾角定義為矢狀面上的膝角。兩關節均以直立位（髖伸直、膝伸直）時作為0°位，屈曲方向（身體垂直軸前方的角度）為正，伸直方向（身體垂直軸后方的角度）為負。本文中髖關節在額狀面上的角度為髖、膝關節中心連線與矢狀面的夾角，規定外展為正值，內收為負值。

2.3.1 髖關節角度在矢狀面上的變化

矢狀面內髖角定義為在矢狀面內，髖與膝關節活動中心的連線與軀干縱軸線的夾角為矢狀面上的髖角，直立位（髖伸直）時作為0°位，屈曲方向（身體垂直軸前方的角度）為正，伸直方向（身體垂直軸后方的角度）為負。

如圖1所示，在步態周期的0%處，即足跟著地時，髖關節處于屈曲位，該時刻髖角屈曲出現峰值，肥胖兒童的該時刻的髖角小于正常兒童，隨后因身體逐漸前移而屈曲度減小至周期的(34.48±4.42)%，軀干越過支撐腿，髖關節由屈曲轉為伸展，在步態周期的(53.43±4.31)%時，髖關節達最大伸展，隨著對側腳跟的著地之后，支撐腿可髖關節角逐漸減??；進入擺動相后，隨著肢體的前擺，平均在周期的(64.87±4.12)%，髖關節又從伸展轉為屈曲，且不斷增加，準備擺動，在周期的(89.82±3.10)%處，下肢前擺至最大屈曲度，然后屈曲度減小，準備足跟落地。

結果顯示（表4）：肥胖兒童的髖關節兩個最大屈曲角度和最大伸展角度均比正常兒童?。╬<0.05），即肥胖兒童髖關節在矢狀面上的活動范圍小于正常兒童。腳跟著地時刻，肥胖兒童為(20.06±2.13)°，正常兒童為(22.67±2.33)°，擺動時相中的最大屈角肥胖兒童為(25.43±2.78)°，正常兒童是(22.60±2.28)°；在擺動時相中伸的最大角度，肥胖兒童為(-8.47±3.39)°，正常兒童為(-12.59±3.42)°，兩組差異顯著(p<0.05)，肥胖兒童伸的最大伸展角度小于正常兒童。

肥胖兒童髖關節屈伸角度的差異，可能與肥胖兒童多余的體重有關，這也與前面的結果，肥胖兒童步長/身高的比值小于正常兒童相一致。肥胖兒童邁出的步子相對于他們的身高而言較短，從而髖角在兩個最大屈曲位和最大伸展位顯示出比正常兒童小的特征。

2.3.2 髖關節在額狀面上的變化

本文中髖關節在額狀面上的角度為髖、膝關節中心連線與矢狀面的夾角，規定外展為正值，內收為負值。行走時內收-外展-時間的曲線圖（圖2）顯示，在步態周期的髖關節在腳跟著地時刻為外展，隨后隨著重心向支撐腿的轉移，外展角度出現峰值之后，逐漸轉為內收，在擺動期出現內收的峰值，其后又轉為外展。

肥胖兒童在整個步態周期中顯示出平均外展角大于正常兒童，而平均內收角度小于正常兒童，差異顯著（p<0.01）。將兩組實驗對象步態周期幾個轉折點時的角度進行對比，外展為正、內收為負(表5)。

肥胖兒童在整個步態周期中顯示出平均外展角大于正常兒童，而平均內收角度小于正常兒童，差異顯著（p<0.01）。將兩組實驗對象步態周期幾個轉折點時的角度進行對比，外展為正、內收為負(表5)。

肥胖兒童顯示出與正常兒童不同的內收外展角度，可能是由于他們大腿比較粗，有過多脂肪堆積，為了便于保持身體平衡，使得整個步態過程中，髖關節外展角度較大，而內收角度較小。這也與前面得出的肥胖兒童的步寬比正常兒童寬的結論相一致。

2.3.3 矢狀面上膝關節的變化

矢狀面內膝角定義為在矢狀面內髖、膝關節活動中心的連線與膝、踝關節中心的連線的夾角定義為矢狀面上的膝角。以直立位（膝伸直）時作為0°位，屈曲方向（身體垂直軸前方的角度）為正，伸直方向（身體垂直軸后方的角度）為負。

膝關節屈曲活動較復雜，在每一步態中有兩個屈曲波和兩個伸展波。由圖3可見膝始終沒有完全伸直，這有利于振蕩的吸收。在腳跟著地和身體越過正中線時刻膝關節接近完全伸直，在足跟著地后出現短暫的輕度屈曲，在擺動相膝關節出現屈曲峰值，平均為(56.38±5.59)°。

將步態周期幾個轉折點時刻的膝關節角度進行對比（表6），發現兩組差異不顯著。說明肥胖兒童膝關節屈伸的變化與正常兒童相類似。故將兩組數據合并，做一條曲線的示意圖。

2.3.4 腳跟著地時刻腳掌面與地面的夾角（足落地角）

本文研究了右腳跟著地時刻，右腳掌面與地面的夾角α（圖4），左腳掌面與水平面的夾角β，我們暫稱為足落地角，這是在處理本實驗數據過程中發現的一個有意義而前人未曾研究過的參數。

結果發現：在右腳跟著地時刻，肥胖兒童右腳掌面與水平面的夾角α明顯小于正常兒童（p<0.01），左腳掌面與水平面的夾角β則兩組差異不顯著（表7）。

足落地角的大小與行走的穩定性有關，該角大小影響足跟與地面的摩擦力，該角小，需要摩擦力小，容易穩定，該角大，需要摩擦力大，不易穩定。右腳跟著地時刻，肥胖兒童比正常兒童足落地角α角小，說明肥胖兒童行走存在不穩定因素，足落地角比正常兒童小，有利于肥胖兒童保持身體平衡。由于本文實驗對象較少，對腳跟著地時刻，兩腳掌面與水平面夾角參數的研究有待于進一步完善與論證。

3 結 論

1) 在步態時相上肥胖兒童與正常兒童步態的差異主要表現在，肥胖兒童步態周期、支撐時相百分比、雙支撐時相百分比均比正常兒童長，擺動時間比正常兒童短。表明肥胖兒童行走時步態存在不穩定因素，肥胖兒童通過延長雙支撐時間來增加行走的穩定性。

2) 肥胖兒童的步長/身高的比值、步速/身高比值、步頻均小于正常兒童，步寬比正常兒童寬。反映出肥胖兒童行走比正常兒童緩慢的特點。

3) 關節角度方面，肥胖兒童的髖關節在矢狀面上的最大伸角和屈角比正常兒童小，在額狀面上的平均外展角大于正常兒童，內收角小于正常兒童。表明肥胖兒童由于多余的脂肪堆積，妨礙了髖關節的屈伸和內收幅度。

4) 肥胖兒童與正常兒童步態的重要差異之一是在一側腳跟著地時刻，該側腳掌面與水平面的夾角明顯小于正常兒童。表明肥胖兒童通過減小足落地角的大小以增加走路的穩定性。

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