單側負重對人體足底壓力特征的影響研究

盧澤惠，郭旭，滿喜

（1.內蒙古師范大學 體育學院，內蒙古 呼和浩特 010022；2.北京體育大學 運動醫學與康復學院，北京 100084）

美國醫學會的研究報告顯示，正常人類步行中足部所承受的地面反作用力可以達到自身質量的1.5 倍［1］。在地面反作用力作用于雙腳的過程中，人類足部的基本作用是承受體重、緩沖與吸收沖擊力、產生向前推進的力并維持行走過程中的平衡。步行時足底壓力的分布可以反映出人體下肢及全身的生理結構和功能等信息，湯榮光等［2］分析了足底動靜態的壓力分布，袁剛［3］和王明鑫等［4］對正常人群足底壓力分布及其影響因素進行了探討，王永慧等［5］分析了不同年齡段健康人群的足底壓力參數，但在負重情況下，足部所承受的地面反作用力會變得更大，在力的傳遞過程中人體將會受到其影響并造成足底壓力變化，因此近年來國內外學者開始探討負重對足底壓力的影響。Simpson 等［6］通過分析女性徒步者負重時地面反作用力，發現隨著負重的增加足部中外側反作用力明顯增加。Pau 等［7］通過測試兒童負重行走時足底壓力的分布，發現在靜態站立和步行過程中足底壓力都顯著增加。劉曉梅等［8］通過分析老年男性足底壓力分布，發現60 歲為中老年男性下樓梯時身體穩定性的臨界點。目前有關青年負重狀態下足底壓力特征分析較少，而現代社會青年人一方面對背包的需求較大，另一方面負重也是他們的職業，如搬家公司、服務人員等。當身體負重時負重重量會在物理和機械作用下改變身體動態平衡并造成姿勢變化，進而產生異常步態，導致腳觸地時吸收沖擊力不足，因此極易導致運動系統的過度疲勞及損傷。此外關于負重狀態下性別之間足底壓力的差異目前仍存在爭議，Yamamoto 等［9］通過分析行走活動中不同性別之間足底壓力分布，發現女性足底壓力明顯高于男性，而Murphy 等［10］發現男性和女性足接觸區域或足底壓力值并沒有顯著差異。因此本研究旨在探討單側負重時不同位置及重量對人體足底壓力的影響，分析單側負重對不同性別人群帶來的足底壓力變化，對深入了解足部疾病的產生機理具有重要意義，也為大眾日常負重方式提供選擇，為廠商改進背包提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究對象

在校男女大學生各30 名。納入標準：①身體健康，無扁平足及異常步態；②優勢側為右側，無常年背單肩包的習慣；③無高低肩及長短腿等明顯解剖不對稱現象；④實驗前24 h 無劇烈運動。

1.2 實驗儀器與設備

Medtrack 足底壓力板（芯康生物）：測力面積400 mm×500 mm，傳感器數量：2 288 個，單點感應區尺寸5 mm×5 mm，傳感器密度：4/cm2，采樣幀數100 fps。背包：尺寸38 cm×18 cm×6 cm，包重400 g，負重填充物為砝碼及沙袋。

表1 受試者基本信息Tab.1 Information of the subjects

1.3 實驗流程

本次實驗采用右側負重，負重方式為手提式、單肩式、斜挎式，負重量根據受試者體重（Body Weight，以下簡稱BW）設置，包括5%BW、10%BW、15%BW。受試者先進行無負重測試，因此共含10 種測試條件，不同的負重方式對包帶長度及位置均有控制（見表2）。本次實驗在壓力板處設置6 m 步道，步道起點終點位于壓力板兩側各3 m 處。測試時要求受試者目視前方，在自然狀態下光腳從起點處出發，

表2 不同負重方式的控制情況Tab.2 Control of different loading modes

以左腳或右腳完全踏在壓力板上且無步伐調整為一次有效數據，每種負重條件下每側腳采集3 次有效數據。為避免疲勞的發生，要求受試者測試間充分休息。

1.4 統計分析

運用SPSS23.0 對不同負重位置與負重重量數據之間進行雙因素重復測量方差分析，對同一負重位置與負重重量男女性別之間進行獨立樣本T檢驗，左右腳之間進行配對樣本T檢驗，各參數均采用（平均數±標準差）表示，顯著性水平P≤0.05。

2 結果

2.1 足底壓力峰值

雙因素重復測量方差分析的結果表明：負重方式與負重重量對女性雙腳與男性右腳足底壓力峰值的交互作用沒有統計學意義（P＞0.05），負重重量與負重方式顯著影響足底壓力峰值（P＜0.05）。隨著負重的增加，足底壓力峰值不斷增大，女性負重0%BW、5%BW、10%BW 和15%BW 雙腳壓力峰值兩兩之間均存在顯著差異（P＜0.05）；男性負重5%BW、10%BW 和15%BW 右腳壓力峰值顯著大于無負重（P＜0.05）；負重10%BW、15%BW 顯著大于5%BW，另外女性手提、斜挎背包與單肩背包相比左腳壓力峰值表現出顯著差異（P＜0.05）；手提背包與單肩背包相比右腳表現出顯著差異（P＜0.05），而男性不同背包方式右腳足底壓力峰值未表現出顯著性差異（P＜0.05）。

負重方式與負重重量對男性左腳足底壓力峰值的交互作用有統計學意義（P＞0.05）。單肩背包時，負重0%BW、5%BW、10%BW 與15%BW 足底壓力峰值兩兩之間存在顯著差異（P＜0.05）。手提背包時負重5%BW、10%BW 與15%BW 壓力峰值顯著大于無負重（P＜0.05）；負重10%BW 與15%BW 顯著大于5%BW（P＜0.05）。斜挎背包時負重10%BW 與15%BW 壓力峰值顯著大于無負重（P＜0.05）；負重15%BW 顯著大于5%BW（P＜0.05）。在負重15%BW 時，單肩背包壓力峰值顯著大于斜挎背包（P＜0.05）。

獨立樣本T檢驗的結果表明：男女性的足底壓力峰值在任何負重條件與負重重量下都存在顯著差異（P＜0.05）。配對樣本T檢驗的結果表明：女性手提背包負重5%BW 左右腳足底壓力峰值存在顯著差異（P＜0.05）；男性斜挎背包負重15%BW 左右腳的足底壓力峰值存在顯著差異（P＜0.05）（見表3）。

表3 不同位置及負重狀態下足底壓力峰值Tab.3 Plantar peak value of force in different positions and loading conditions N

2.2 足底壓強峰值

雙因素重復測量方差分析的結果表明：負重方式與負重重量對男性雙腳與女性左腳足底壓強峰值的交互作用沒有統計學意義（P＞0.05），負重重量與負重方式顯著影響足底壓強峰值（P＜0.05）。隨著負重的增加，足底壓強峰值不斷增大，男女性負重5%BW、10%BW 和15%BW 左腳壓強峰值顯著大于無負重（P＜0.05）；男性負重5%BW、10%BW 和15%BW 右腳壓強峰值也顯著大于無負重（P＜0.05）；男性負重15%BW 雙腳壓強峰值顯著大于5%BW（P＜0.05）；女性負重10%BW、15%BW 右腳壓強峰值顯著大于5%BW（P＜0.05），另外女性單肩背包與斜挎背包相比左腳表現出顯著差異。

負重方式與負重重量對女性右腳足底壓強峰值的交互作用沒有統計學意義（P＞0.05）。單肩背包時，負重5%BW、10%BW 與15%BW 壓強峰值顯著大于無負重（P＜0.05）；負重10%BW 顯著大于5%BW（P＜0.05）；負重15%BW 顯著大于10%BW（P＜0.05）。手提背包時負重10%BW 壓強峰值顯著大于無負重（P＜0.05）；斜挎背包時負重5%BW、10%BW 與15%BW 壓強峰值顯著大于無負重（P＜0.05）。在負重5%BW 時，單肩背包壓強峰值顯著大于手提與斜挎背包（P＜0.05）；負重15%BW 時，單肩背包壓強峰值顯著大于斜挎背包（P＜0.05）。

獨立樣本T檢驗的結果表明：單肩背包負重10%BW 右腳足底壓強峰值性別之間存在顯著差異（P＜0.05）；手提與斜挎背包負重15%BW 右腳壓強峰值性別之間存在顯著差異（P＜0.05）；手提背包負重5%BW 左腳壓強峰值性別之間存在顯著差異（P＜0.05）。配對樣本T 檢驗的結果表明：女性單肩背包負重5%BW左右腳足底壓強峰值存在顯著差異（P＜0.05）；手提背包負重10%BW 左右腳的壓強峰值存在顯著差異（P＜0.05）（見表4）。

表4 不同位置及負重狀態下足底壓強峰值Tab.4 Plantar peak value of pressure in different positions and loading conditions kPa

3 討論

足底壓力指足與支撐地面之間相互垂直的作用力，人體足底壓力分布能夠反映足的結構、功能和整個身體姿勢控制等情況［11］。通過分析足底壓力分布特征，可獲取人體在不同運動狀態下的力學與機能參數［12-13］。

本研究發現，隨著負重的增加足底壓力峰值逐漸增加。女性負重5%BW、10%BW 和15%BW 與無負重相比，左腳足底壓力峰值分別增加了44.912 N、69.135 N、88.213 N，右腳足底壓力峰值分別增加了45.421 N、58.218 N、77.327 N，男性負重5%、10% 和15%BW 與無負重相比，右腳足底壓力峰值分別增加了37.232 N、79.325 N、90.538 N，說明當負重達到15%BW 時，足底壓力峰值的變化最大。以往關于負重背包的研究［14］發現，負重會使人體的足底壓力增大，過高的足底壓力會影響下肢運動鏈的機能，進而引起運動性損傷。此外單肩背包時男女性左腳足底壓力峰值顯著大于其他負重方式，主要原因是單肩背包時負重物在右側，這會使身體和負重物的總質心向右發生偏移，此時人體會通過身體左傾來調整總質心的位置。

足底壓力峰值受性別因素的影響表現出不同特征，男性有無負重足底壓力峰值均顯著大于女性。前人的研究［3］指出足底各部位壓力之和主要反映體重以及身體前進動力之和，因為男女性身高體重等因素本身存在一定差距，所以在性別上表現出顯著性差異。但是國內外一些學者［15-19］認為男女性足底壓力分布并無不同，歸其原因，我們認為這可能與種族差異或者生活習性相關，也有可能來源于儀器的差異以及實驗誤差所致。

男性斜挎背包負重15%BW 右腳壓力峰值顯著大于左腳，趙功赫［20］指出斜挎背包時由于背包固定在髂棘位置，骨盆向負重側側傾，下肢力線繼而發生變化，Simpson 等［6］也得出相似的結論，他們認為隨著負重重量的增加，受試者會改變步態以減弱下肢沖擊力。斜挎背包時雖然肩帶在右側，但重量卻主要施加在左側，當右腳進入單支撐階段骨盆左傾最大，此時人體通過增加身體右傾角度使身體和負重物總質心投射到右足支撐面內。所以建議盡量不要選擇斜挎背包，因為斜挎背包會改變人體下肢力線，增加髖膝踝關節和肌肉的負荷，造成下肢重力分布不對稱，進而易產生不良體態等。

足底壓強峰值是特定區域內所受地面反作用力最大部位中單位面積的作用力值［21］，壓強峰值作為反映足底壓力分布的重要指標，其大小和部位對于防止足底疲勞的積累和損傷的發生具有重要影響，因此運動醫學與生物力學專家們對相關足底壓強的疾病與損傷機制十分關注［22-23］。

本研究發現，隨著負重的增加足底壓強峰值逐漸增加，負重5%BW、10%BW、15%BW 與無負重相比，男性左腳足底壓強峰值分別增加了30.223 kPa、34.123 kPa、40.832 kPa，右腳增加了23.323 kPa、34.065 kPa、39.657 kPa，女性左腳足底壓強峰值分別增加了16.421kPa、28.032 kPa、30.245 kPa，當負重達到15%BW時，足底壓強峰值的變化最明顯，過大的壓強極易對足底造成損傷［24-25］。此外女性單肩背包負重15%BW右腳壓強峰值顯著大于斜挎背包，以往的研究［26］表明負重會使足與地面接觸時間變長，加之單肩背包時身體和負重物的總質心會向右偏移，故右腳壓強峰值大于左腳。張立寧等［27］研究表明足長時間過度使用，體重增加及大量走路等會促使足底筋膜炎的發生，因此建議女性背包負重盡量控制在15%BW 以內。

單側負重足底壓強峰值在性別上存在一定差異，總體男性壓強峰值大于女性。在行走過程中，足與地面接觸面積對壓強峰值的影響較大，足底壓強等于垂直壓力比接觸面積，因此足底壓強與體質量有關。Cavanagh 等［28］與王明鑫［4］的研究表明足底壓強峰值與體質量呈正相關，張慶來［29］的研究又表明體質量與身高呈正相關，身高與足的接觸面積呈正相關，故男女性未負重時足底壓強峰值并未表現出顯著性差異，但在單肩背包負重10%BW 與手提背包負重5%BW 時，男性壓強峰值顯著大于女性，這與李國強［26］的研究結果一致。

女性手提背包負重10%BW 左右腳足底壓強峰值存在顯著不對稱。Fryzowicz 等［30］指出在自然行走過程中，人體會將重心從雙腳圍成的支撐面過渡到單腳支撐面中，為了調節并保持身體重心在支撐面的位置，身體會左右傾斜。手提背包時因背包負重在右側，當進入右支撐階段，為了維持平衡和穩定，軀干會向右傾斜，這使得右側壓強峰值高于左側。單肩背包時人們會習慣性將手放在包上并使背包貼近身體，這在一定程度上增加身體穩定性，但我們發現女性單肩負重5%BW 左右腳壓強峰值存在明顯不對稱，隨著負重的加大反而未出現不對稱狀況。我們猜測這可能與實驗安排有關，本次實驗是以小負重在前，當進行大負重時受試者已適應單肩背包的平衡機制。

負重足底壓力的特征差異很大，且受諸多因素的影響。要準確反映負重對于足底壓力的影響，還需要擴大樣本量的深入研究，同時對足底壓力的分布規律進行探討，深入了解足部疾病的產生機理，預防可能帶來的足部損傷。

4 結論

本研究通過對不同位置及負重狀態下足底壓力分布特征進行研究，得出以下結論：

（1）在右側負重行走過程中，男性足底壓力峰值與壓強峰值總體高于女性；

（2）就雙腳的對稱性而言，女性手提背包負重10%BW 雙腳的壓強峰值不對稱，男性斜挎背包負重15%BW 雙腳壓力峰值不對稱，建議女性負重達到10%BW 選用單肩與斜挎背包，男性負重達到15%BW選用手提與單肩背包；

（3）就性別差異而言，男性單肩背包負重15%BW 左腳壓力峰值大于斜挎背包，女性單肩背包負重15%BW 右腳壓強峰值大于斜挎背包，建議女性負重達到15%BW 選用手提與斜挎背包，男性負重達到15%BW 選用手提與斜挎背包；

（4）女性負重盡量控制在10%BW，男性盡量控制在15%BW，另外可根據需求有針對性選擇背包。