背包负重对初中生下楼梯步态特征影响的生物力学分析

【作者】 刘涛； 谭媛媛； 栗杏璐； 孙宇亮；

【机构】 陕西师范大学体育学院；

【摘要】 研究目的:背包是人们日常生活中不可或缺的工具之一,人们使用各种各样的书包来装载自己的必需品,尤其是对青少年而言,背包经常被用来携带书籍学习用品等。随着学生在学习方面的竞争压力不断增大,学生们的背包重量呈现出上升的趋势,有研究表明书包的平均重量随着年级的增长而显著增加。特别是初中生,书包过重的情况更为常见。许多初中生每天都要背书包上下楼梯,而背包负重已成为学生的"职业负荷",对学生身体健康产生严重影响而受到广泛关注。长期背负过重的背包,会使肌肉发育较弱的青少年脊柱两侧神经肌肉处于高度紧张状态,从而发生脊柱侧弯、身体前倾等姿势缺陷,造成背痛、肌肉酸痛等疾病,不利于青少年的生长发育。这种不良现象已被越来越多的研究人员与家长所关注。因此,本研究利用生物力学研究方法对初中生背包下楼梯时的躯干、下肢动作运动学、动力学及肌电数据进行分析,旨在探索不同背包负重对初中生下楼梯时的动作模式和肌肉激活情况的影响,为改善背包负重状态下初中生的身体姿态提供依据,了解初中生背包负重时楼梯行走的步态特点以及下肢肌肉收缩情况,有效降低下楼梯损伤风险提供数据支撑,为初中男生下楼梯行走时适宜的背包重量提出合理的建议。研究方法:本实验随机招募陕西省西安市8名初中生受试者(男性,年龄12.9±0.6岁,身高167.1±6.4cm,体重54.3±6.1kg),身体健康,无神经系统和运动系统疾病及平衡问题,均能正常完成本研究要求的任务。受试者随机携带由受试者体重百分比0%、10%、15%及20%BW负重的双肩背包在自主设计的四级台阶进行下楼梯行走测试,每种负重状态下采集三次有效测试结果。将负重物均匀的放于书包底部,避免由于负重分布不均对初中生步态产生影响。为了防止背包负重的位置对受试者楼梯行走产生影响,我们会根据每位受试者的身高,进行背带长度的调整,统一将背包底部固定在受试者第三腰椎的位置。本研究利用10台Qualisys红外动作捕捉摄像机、实验楼梯(共四节楼梯)的第二台阶和第三台阶(从楼梯底部数起)分别安有2块Kistler三维测力台和Delsys无线表面肌电系统同步采集受试者的运动学、动力学及肌电数据,通过Visual 3D软件对采集到的数据进行处理分析。应用SPSS26.0软件进行统计学分析(显著性水平α=0.05)。研究结果:(1)与无负重相比,15%及20%BW负重下,足廓清(水平)显著减小(p<0.05),髋关节最大屈曲角度非常显著增加(p<0.01),20%BW躯干前倾角度显著增加(p<0.05),负重情况下骨盆前倾角度均显著增加(p<0.05);与10%BW相比,20%BW髋关节最大屈曲角度非常显著增加(p<0.01),20%BW躯干前倾角度非常显著增加(p<0.01),15%BW及20%BW骨盆前倾角度显著增加(p<0.05)。(2)与无负重相比,15%及20%BW髋关节屈曲力矩峰值非常显著增加(p<0.01),10%BW、15%BW及20%BW膝关节伸展力矩谷值显著增加(p<0.05);与10%BW相比,20%BW髋关节屈曲力矩峰值显著增加(p<0.05),15%BW及20%BW膝关节伸展力矩谷值显著增加(p<0.05)。与无负重相比,地面反作用力峰值在15%BW及20%BW时显著增加(p<0.05)。(3)与无负重相比,15%BW及20%BW髋关节刚度显著增加(p<0.05),负重情况下膝关节刚度均非常显著增加(p<0.01);与10%BW相比,15%BW及20%B W髋关节刚度显著增加(p<0.05),20%BW膝关节刚度非常显著增加(p<0.01);与15%BW相比,20%BW髋关节刚度显著增加(p<0.05)。(4)支撑期内的积分肌电值:与无负重相比,股直肌在10%BW、15%BW及20%BW显著收缩(p<0.05),胫骨前肌在20%BW非常显著收缩(p<0.01),与15%BW相比,胫骨前肌在20%BW显著收缩(p<0.05);支撑期内的均方根值:与无负重相比,胫骨前肌在20%BW显著收缩(p<0.05),与15%BW相比,胫骨前肌在20%BW非常显著收缩(p<0.01);摆动期内的积分肌电值:与无负重相比,股二头肌在15%BW非常显著收缩(p<0.01);摆动期内的均方根值:与无负重相比,股二头肌在10%BW、15%及20%BW显著收缩(p<0.05)。研究结论:(1)在下楼梯过程中,随着背包负重的增加,初中男生的动作模式会发生一定改变,其髋关节屈曲角度、躯干及骨盆倾斜角度显著增加,从而对下楼梯时躯干的姿态造成一定的影响,增加跌倒风险。(2)在下楼梯过程中,随着背包负重的增加,初中男生在支撑期的髋关节屈曲力矩、膝关节伸展力矩及关节刚度均显著增加。长此以往,会增加髋、膝关节损伤的风险。(3)在下楼梯过程中,随着背包负重的增加,初中男生在支撑期的股直肌和胫骨前肌及摆动时的股二头肌肌肉激活程度增加,负重下楼梯对初中男生下肢肌肉力量有更高的要求,因此,未来增加髋关节屈肌或膝关节伸肌的训练有可能会降低下楼梯的跌倒风险。(4)在本研究中,背包对初中男生下楼梯步态的影响主要出现在15%BW时。因此,本研究建议初中男生的背包重量不超过15%BW。更多还原