肥胖儿童背包行走时的步态特征

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.24.022

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (24): 3900-3905.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.24.022

• 组织构建与生物力学 tissue construction and biomechanics • 上一篇下一篇

肥胖儿童背包行走时的步态特征

闫松华^1，2，王露³，梁秀桥⁴，张宽^1，2

¹首都医科大学生物医学工程学院，北京市 100069；²首都医科大学临床生物力学应用基础研究北京市重点实验室，北京市 100069；³首都医科大学附属北京儿童医院，北京市 100045；⁴北京市丰台区玉林小学，北京市 100069

修回日期:2017-03-13 出版日期:2017-08-28 发布日期:2017-08-30
作者简介:闫松华，女，1974年生，山西省襄汾县人，汉族，2004年北京体育大学毕业，博士，副教授，硕士生导师，主要从事运动生物力学与康复工程学方面的研究。
基金资助:
北京市自然科学基金(7152018)；北京市属高等学校青年拔尖人才培育计划(CIT&TCD201404177)；北京市科学委员会重大项目(Z151100003715001)

Gait characteristics of obese children wearing school bags during walking

Yan Song-hua^{1, 2}, Wang Lu³, Liang Xiu-qiao⁴, Zhang Kuan^{1, 2}

¹School of Biomedical Engineering, ²Beijing Key Laboratory of Fundamental Research on Biomechanics in Clinical Application, Capital Medical University, Beijing 100069, China; ³Beijing Children’s Hospital, Capital Medical University, Beijing 100045, China; ⁴Yulin Primary School of Fengtai District, Beijing 100069, China

Revised:2017-03-13 Online:2017-08-28 Published:2017-08-30
About author:Yan Song-hua, M.D., Associate professor, Master’s supervisor, School of Biomedical Engineering, Beijing Key Laboratory of Fundamental Research on Biomechanics in Clinical Application, Capital Medical University, Beijing 100069, China
Supported by:
the Natural Science Foundation of Beijing, No. 7152018; the Program of Cultivating Young Talents in Universities of Beijing, No. CIT&TCD201404177; the Major Project of Beijing Municipal Science & Technology Commission, No. Z151100003715001

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：
背包行走：小学生书包过重已是一种普遍现象，背负书包质量过大对其生长发育及健康都会有不好的影响，已经受到越来越多的家长和教育学者的关注。已有研究结果表明, 中小学生背负质量过大, 对学生的正常发育会产生不利的影响；过重的书包会对儿童下肢及足部的生长发育造成不利的影响。该研究旨在探讨背包对肥胖儿童步态特征的影响
步态特征：步态研究通常包括人体运动(走或跑)时的运动学特征、动力学特征、肌电特征、能量特征等。课题中主要分析肥胖儿童背包行走时的足底压力分布特征，这里足底压力分布特征通过4个步态参数来表达，包括足底10区域足底压强峰值(压强峰值大，容易导致该区域的损伤)、3个时间分期(足跟着地分期、全足支撑期、足尖离地期/足蹬伸期)占足地接触时期的百分比(表示行走时稳定性的大小)、足弓指数(可以反映足弓类型)、足轴角(反映行走的姿态，与行走的稳定性有关)。

摘要
背景：背包行走是儿童常见的活动。过重的书包会对儿童下肢及足部造成不利的影响，从而影响儿童的发育。
目的：探讨肥胖对儿童背包行走时步态特征的影响。
方法：应用体质量指数法并参考中国学龄儿童青少年超重、肥胖筛查体质量指数标准，对儿童进行选择。纳入40名小学生作为观察对象，其中20名肥胖儿童，体质量指数(28.13±3.4) kg/m²；20名非肥胖儿童，体质量指数(17.44±1.57) kg/m²。应用比利时RSscan International 公司的2 m footscan足底压力平板测试系统对儿童在背包行走时的步态进行测试。
结果与结论：①与非肥胖儿童相比，肥胖儿童在背包行走过程中，左、右足Ⅰ-Ⅴ跖骨、足中部、足跟内侧压强峰值显著增大(P < 0.05)；全足支撑期占整个足支撑阶段的百分比显著延长(P < 0.05)；足弓指数值(足中部与地面接触面积的百分比)和右足足轴角均显著增大(P < 0.05)；②结果提示，肥胖对儿童背包行走时的足底压力分布有明显的影响。与非肥胖儿童相比，肥胖儿童足跖骨、足中部、足跟内侧区域受力显著增大，身体的稳定性变差，行走时足更扁平，肥胖儿童足八字脚更严重。这些因素使得肥胖易造成儿童负重时的足底损伤。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程
ORCID: 0000-0003-3733-1463(闫松华)

关键词: 组织构建, 组织工程, 肥胖儿童, 背包行走, 步态特征, 足底压力分布, 踝骨, 足中部, 足跟内侧, 压强, 足弓指数, 北京市自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Children usually wear school bags when walking, and overweight school bags do harm to the lower extremity and foot, thus affecting the child development.

OBJECTIVE: To investigate the effect of obesity on gait characteristics of children wearing school bags during walking.

METHODS: Forty pupils were enrolled in accordance with body mass index and “China school-age children and adolescents overweight, obesity screening body mass index classification standard”, including 20 obese children (body mass index: (28.13±3.4) kg/m²) and 20 non-obese ones (body mass index: (17.44±1.57) kg/m²). The gait parameters of children wearing school bags during walking were measured using a 2-m Footscan Plantar Pressure Plate System from RSscan International.

RESULTS AND CONCLUSION: Compared with the non-obese children, the peak pressures under the metatarsal heads II-V, midfoot and heel lateral were significantly higher in obese children wearing school bags during walking (P < 0.05). The time to peak pressures under the toes II-V, the metatarsal heads IV, V and midfoot was also significantly higher (P < 0.05). In addition, the arch index for the foot, and right foot axis angle were significantly larger in the obese children as compared with the non-obese children (P < 0.05). To conclude, obese children wearing school bags during walking have weaker walking stability with flatter foot pattern, the larger foot axis angle and dynamic plantar pressure distribution changes compared with non-obese children, which can result in foot damage.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Obesity, Child, Gait, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

闫松华，王露，梁秀桥，张宽. 肥胖儿童背包行走时的步态特征[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(24): 3900-3905.

Yan Song-hua, Wang Lu, Liang Xiu-qiao, Zhang Kuan. Gait characteristics of obese children wearing school bags during walking[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(24): 3900-3905.

图/表（结果） 4

2.1 参与者数量分析 选择40名小学生作为研究对象，分为肥胖组(20人)和非肥胖组(20人)。全部进入结果分析，无脱落。试验流程图见图1。

2.2 足底各区域压强峰值 图2所示为肥胖儿童与肥胖儿童背包行走时左足足底各区域压强峰值的比较。

背包自然行走过程中，肥胖儿童双足足底各区域压强峰值(除T2-T5外)大于非肥胖儿童。其中肥胖儿童左足第1-5跖骨(P=0.004，0.002，0.001，0，0.004)、足中部(P=0.001)、足跟内侧(P=0.02)压强峰值，右足第1-5跖骨(P=0.001，0.008，0.001，0，0.009)、足中部(P=0.002)、足跟内侧(P=0.005)压强峰值较非肥胖儿童显著增大。

对于肥胖儿童来说，背包行走与自然行走相比，除了M1(P=0.02)和M2(P=0.04)压强峰值差异有显著性意义外，其他部位的压强峰值差异均无显著性意义(P > 0.05)。而对于非肥胖儿童而言，所有足底部位的压强峰值背包行走和自然行走差异均无显著性意义(P > 0.05)，见图3。

2.3 支撑期分期 从表3可知，在背包行走过程中，无论左足还是右足，肥胖儿童全足支撑期百分比显著大于非肥胖儿童，足蹬伸期百分比显著小于非肥胖儿童(P < 0.05)。

图4表明，不论是肥胖儿童还是非肥胖儿童，背包行走与自然行走相比，3个支撑期分期差异均无显著性意义(P > 0.05)。

2.4 AI值 从表4可以看出，在背包行走时，无论左足还是右足，肥胖儿童的AI值显著大于非肥胖儿童(P < 0.05)。

图5表明，不论是肥胖儿童还是还是非肥胖儿童，背包行走与自然行走相比，足弓指数AI差异均无显著性意义(P > 0.05)。

2.5 足轴角 由表5可见，在背包行走时，肥胖儿童右足的足轴角显著大于非肥胖儿童(P=0.01)。图6显示，不论对于肥胖儿童(P=0.10)还是非肥胖儿童(P=0.97)，背包行走与自然行走时的足轴角差异均无显著性意义。

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引言

肥胖已成为困扰全民健康的一个重要问题，尤其对生长发育期的儿童而言。儿童肥胖分为单纯性肥胖和病理性肥胖。单纯性肥胖是指未发现器质性病变，由饮食不当和缺乏锻炼等不良生活习惯引起的肥胖^[1-2]。单纯性肥胖症的患病率在世界范围内日益增高^[1-3]。专家表示，青少年肥胖正在逐步加重国内经济和医疗机构的负担，其经济负担将超千亿元，如果不采取紧急措施制止这种趋势，中国医疗体制将面临巨大挑战。

青少年处于生长发育期，体质量过大会影响其骨骼、肌肉及关节的正常发育，最终表现在与正常体质量的同龄人步态上的差异。与正常体质量儿童相比，肥胖儿童行走时其步态具有不同的运动学特征^[4-8]、在足部结构、足底压力分布方面肥胖儿童也区别于正常体质量儿童^[8-12]。

小学生书包过重已是一种普遍现象，背负书包质量过大对其生长发育及健康都会有不好的影响，已经受到越来越多的家长和教育学者的关注。已有研究结果表明，中小学生背负质量过大，对学生的正常发育会产生不利的影响^[13]。朱虹等^[14]对北京市部分中小学生背负书包情况调查结果表明，中小学生实际背负的质量以及学生的主观感觉都表明学生背负质量过重；Hong等^[15]针对儿童在背负4种不同质量书包下行走时的生理反应作了相关研究, 指出儿童背负20%体质量的负荷行走15 min可对儿童身体姿势产生显著的影响；另外一些研究发现过重的书包会对儿童下肢及足部的生长发育造成不利的影响^[16-20]。

小学生平时上学时，不论肥胖儿童或非肥胖儿童，背负书包的质量不会因为体质量的不同而不同，但相同质量的书包会对肥胖儿童和非肥胖儿童产生不同的影响。因此文章旨在与平时生活实际结合，探讨肥胖对小学生背包行走时步态特征的影响。

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材料方法

1.1 设计 对比观察试验。

1.2 时间及地点 于2016年3至6月在北京市丰台区玉林小学完成。

1.3 对象 测试对象为北京市丰台区玉林小学40名小学生，其中肥胖儿童、非肥胖儿童各20名。所有受试者及其监护人均签署知情同意书。

肥胖儿童和非肥胖儿童的年龄和身高差异均无显著性意义(P=0.93，0.46)，基本情况见表1。

纳入标准：应用体质量指数法对儿童进行选择。将≥同年龄同性别组体质量指数第95百分位数(即≥ 95%)，定义为肥胖。参考中国肥胖问题组在2004年发布的中国学龄儿童青少年超重、肥胖筛查体质量指数标准(见表2)。

排除标准：无骨骼、肌肉、运动神经、高血压、高血脂和糖尿病等疾病。
1.4 实验仪器 本实验应用比利时RSscan International 公司的2 m footscan足底压力平板测试系统。测试系统包括一个测力平板和相应的配套软件，测力平板面积为47.2 cm×209.6 cm(共有16 384个传感器)，由USB数据线与计算机的USB口相连。一台笔记本电脑作为平板测试系统的操作平台，相应的配套软件可对数据进行处理。

1.5 方法

1.5.1 测试步骤 受试者赤足在平板跑道上自然行走和背包自然行走通过测力板(经调查，小学生书包质量一般在5 kg左右，因此在本研究中，测试儿童背5 kg书包自然行走时的步态)^[13]，左、右脚各有3次落在测试平板上。测试中，受试者尽量保持自然，在距离测力板5 m处开始走或跑，通过测力板之后，要再走至少2步。在正式测试之前，每位测试者需进行几次练习，以确保能够适应实验环境，保证符合试验要求。

1.5.2 测试指标 ①足底各区域压强峰值：footscan足底压力平板测试系统软件将足底分为10个解剖部位^[13]，通过比较分析这10个部位的差异，可以对肥胖儿童的步态有更详尽的了解；②支撑期分期：在本研究中将一个步态周期的支撑期细分为足跟着地期(Heel strike)、全足支撑期(Midstance)、蹬伸期(Propulsion)3个阶段。足跟着地期：从足跟接触地面到一个跖骨头接触地面的时间；全足支撑期：从一个跖骨头接触地面到足跟离开地面为止；蹬伸期：只有前足支撑的阶段；③足弓指数(AI)：为了更进一步研究肥胖儿童的足底压力分布情况，将足(不包括足指)分为3大部分(A：足底前部；B：足底中部；C：足底后部)^[13]，分析足中部与地面的接触面积百分比，即AI值，AI=B/(A+B+C)。通过AI值可以判断足的类型：正常足、扁平足或高弓足，以Cavanagh和Rodger(1987)所订定的足弓指标AI值> 0.26为扁平足)为依据；④足轴角：足跟与第2指骨的连线与行走方向的夹角^[13]。

1.6 主要观察指标 应用footscan专用软件，获得受试者足底压力分布各参数(本研究包括足底10区域压强峰值、足支撑期分期，足弓指数和足轴角)的原始数据。

1.7 统计学分析 数据处理采用SPSS 19.0软件，所有数据均采用x(_)±s的形式表示。各测量参数均值差异的显著性检验使用独立样本t 检验和配对t 检验。显著性检验标准定为P < 0.05。

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讨论

行走是一种周期性运动，行走时一侧足跟着地至足跟再次着地称为一个步态周期。一个步态周期可分为支撑期和摆动期^[13]。本文将支撑期分为足跟着地期、全足支撑期以及足蹬伸期。各时期的长短反映了活动时的蹬伸能力与稳定性。人在行走过程中，稳定性减少表现在全足支撑期延长，足蹬伸期缩短^[13]。正如本研究显示，在背包行走时，肥胖儿童的全足支撑期所占比例明显大于非肥胖儿童，蹬伸阶段所占比例都明显小于非肥胖儿童。这表明肥胖儿童背包行走与他们自然行走一样，为了增强其活动时的安全性，延长了支撑时间。

研究表明，背包质量在10%-15%时，与自然行走时的压强峰值相比差异有显著性意义。而本研究中儿童背包质量为5 kg，肥胖儿童第1-5跖骨、足中部、足跟内侧压强峰值都显著高于非肥胖儿童。这些变化表明，如果长期背负该质量的书包行走，也会对跖骨、足弓和足跟内侧产生损伤，最终导致踝关节甚至下肢其他关节的损伤。所以，儿童书包的减重是很迫切的问题。

有研究显示，肥胖儿童背包行走时髋关节和踝关节经过的路径长度不同，肥胖儿童背包行走更容易造成下肢关节损伤^[17]。学龄儿童背负不同质量的书包行走时，随着质量的增加，足支撑各阶段内外翻的比例增加，造成下肢伤害的可能性增高^[18]。儿童背负负荷过大，增加了儿童行走的不稳定性，时间长久会对其足弓形成伤害并增加足外翻的倾向^[19]。

在本研究中，背包行走时，肥胖儿童足弓指数显著大于非肥胖儿童，因此肥胖儿童比非肥胖儿童的足弓平, 背包行走时，足就更容易感到疲劳。另外，背包行走时，肥胖儿童的足轴角显著大于非肥胖儿童，这说明肥胖儿童为了协调身体平衡，足轴角自然地增大，以增宽脚底面积，故肥胖儿童易出现八字脚，进一步可能会有足内翻的倾向。

对于肥胖儿童而言，背包行走时M1和M2的压强峰值显著大于自然行走；而对于非肥胖儿童，背包行走时足底各区域压强峰值与自然行走时差异无显著性意义；说明背包增加了肥胖儿童足底压强的变化；而自然行走时，肥胖儿童M2的压强峰值显著大于非肥胖儿童；背包行走时，肥胖儿童M1和M2的压强峰值大于非肥胖儿童，但无显著差异。但大部分区域压强峰值都大于非肥胖儿童。说明肥胖儿童背包时足底区域压强的变化很可能不是由于肥胖本身，而是由于肥胖儿童背包带来的不利大于非肥胖儿童。

对于本研究涉及的其他3个参数，3个支撑时间分期、足弓指数和足轴角，分别比较2组儿童背包行走和自然行走时的数值变化，结果显示差异均无显著性意义，这些变化进一步说明肥胖对儿童背包行走的影响不是因为肥胖本身，而是因为负重导致的这些步态特征的变化。

本研究的局限性之一在于所选的受试者来源于一个学校，可能会影响结果的可靠性。局限性之二是只测试了小学生背负书包常用的质量5 kg，今后的研究将增加受试者涵盖的区域，并增加负重质量的种类，比如负重为体质量的5%，10%，15%，20%等。获得负重对于肥胖儿童动态足底压力分布特征影响的规律，从而为制定肥胖儿童日常背负合适的质量提供实验依据。

结论：肥胖对儿童背包行走时的足底压力分布有明显的影响。与非肥胖儿童相比，肥胖儿童足跖骨、足中部、足跟内侧区域受力显著增大，身体的稳定性变差，行走时足更扁平，肥胖儿童足八字脚更严重。这些因素使得肥胖易造成儿童负重时的足底损伤。

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