张未，干静 ，李颖异 ，曹宇 ，蒲思懿

(四川大学 机械工程学院，成都 610065)

1 引言

背包是人们生活中最有效率的携行用具。对比单肩包、挎包等其他种类背包，双肩背包以其承重性能强、重力分布均衡、固定性好、解放双手等优点，更受消费者青睐。但作为人体外部载荷，双肩背包(以下简称为背包)不可避免的会对背负者的肩颈和脊柱造成压迫，负载过重、背负时间过长等不合理的背负方式已经成为诱发人体肩颈酸痛与骨骼变形的重要原因。

国内外许多研究证实了背包负重的副作用，包括对人体肌肉、身体姿势、平衡能力和步态等造成的影响。随负重增加，背负者竖脊肌和斜方肌活性提高，颈椎、脊柱与骨盆的自然角度发生变化。静态时，背包会干扰人体姿势控制的有效性，降低平衡能力。负重行走时，受试者的步速与步长也均有变化。为弱化背包负重不利影响，规避人体损伤风险，有关背负重量合理范围和背负舒适性的研究极具指导意义。

1.1 人体的合理负重研究进展

由于学龄青少年使用双肩书包的普遍性，多数负重研究将试验对象设定为未成年人。研究者们以人体相关生理指标未发生显著性变化为依据，对背包的合理负重量作出指导。Hong等人通过对比9-10岁儿童背负0%BW、10%BW、15%BW和20%BW重量行走时的躯干前倾角度，建议背包重量不宜超过体重的15%[1]。周南等人分析了60名6-12岁小学生不同负重下肩-髋-膝的角度变化，建议学生书包的重量应在10%BW以内[2]。朱厚伟也指出当儿童负重达到10%BW时，大部分身体姿势角度都开始发生改变[3]。由于数据测定受到试验对象身体状态与试验条件控制等多方面因素交叉影响，各研究者结论之间存在差异。但总结来看，可发现0-10%BW始终被视为不会威胁人体健康的安全负重范围，10%BW也常作为背包合理重量的上限值。

但目前对成年人负重行为关注度不足，致使有关合理背负重量的研究仍具有局限性。作为双肩背包的重要使用群体，以及脊椎疾病的高发人群，成年人的背负行为研究应得到进一步深入。未成年人和成年人负重时的骨骼变化与恢复能力呈现差异，女性的负重能力低于男性，在进行负重研究时，还应充分考虑受试者的年龄、性别差异。

1.2 年轻人双肩背包使用情况调研

舒适的背负体验还依赖于背包的自身性能，人机协调性良好的背包能有效减少负载过程中的人体劳损。目前，较少的研究从背包这一工具出发，研究背包设计加工对负重行为造成的影响。

背包由包体与背负系统构成，包体用于装载物品，背负系统是影响背负舒适性的核心结构。完整的背负系统包括“五带三装置”，分别为肩带、腰带、肩部受力带、胸带、包底受力带、支撑装置、通风装置和调节装置[4]，通常只有专业背包配备有完备的“五带三装置”。作者以问卷形式调查18-30周岁人群的背包日常使用情况，回收的231份有效问卷显示，日常使用最广的背包类型分别为休闲、商务及运动背包，其用户覆盖率达到94%以上，此三类背包的共同特征为轻便实用，但背负系统不完备且设计专业性低，大多只有肩带，在舒适度上仍有较大提升空间。以1分为不舒适，5分为非常舒适，受访用户对日常背包的舒适评分为3.56分，对应描述为“不舒适感轻微，可忽略或忍受”；而在背包较重(达到5 kg及以上)时，背包舒适度评分降为2.77，对应描述为“不舒适，令人心理烦躁”，其中有80.31%的人将不舒适原因归结为肩部受压以致肩颈酸痛。因此，可将肩带接触部位舒适性作为衡量背包整体舒适感的重要指标。

结合人体合理负重的相关研究与背包的使用情况调研，本文以成年年轻女性为研究对象，通过对比无背负与10%BW负重两种状态下受试者的躯体姿态和血压、心率，探讨10%BW背负重量是否会对年轻女性的肌肉与骨骼产生健康威胁；提出并验证通过绑缚柔性材料以加厚肩带能否有效缓解背负过程中的疲劳与不适感，以期为背负行为提供科学指导，为快速便捷提升日常背包的背负舒适度提供有效方法，减少女性负重过程中的损伤风险。

2 对象与方法

2.1 对象

选取13名女性大学生作为受试者参加试验，其基本信息如表1所示。所有受试者的身体质量指数(body mass index，BMI)均在正常范围之内，且身体健康状况良好，无骨骼、肌肉相关疾病，无心血管疾病，接受试验前24 h内未进行剧烈运动，受试当天肌肉状态良好。

表1 受试者基本信息

2.2 方法

试验用背包如图1(a)所示，与大多数用户日常使用的背包类型相符。原肩带宽70 mm，定义为肩带A，如图1(b)所示。在原肩带顶端至下部300 mm段缠绕柔性布料进行加厚改造，改造后肩带定义为肩带B，如图1(c)所示，宽度为95 mm。柔性布料为桔瓣式纤维材质，如图1(d)所示，该材质使用超细纤维，纤维间孔隙多，柔软蓬松且富有弹性。试验中以书本作为配重，通过增减书本数量控制背包总重始终为被试者的10%BW。

图1 试验用背包及肩带加厚材料

2.3 试验过程

受试者首先在无背负状态下进行信息填写与人体数据测定，之后分别使用肩带A和肩带B完成两组试验。根据双肩包使用情况调研结果，73.33%年轻人单次持续背包时长约为15 min,因此将每组试验背负总时间定为15 min。为模拟日常情景，受试者需要按照125步/min的指定步频完成2 min的上下楼梯任务与10 min的行走任务,并在剩余的3 min内保持静止站立，同时完成主观问卷填写。

为排除无关因素对试验结果造成的干扰，始终保持每组试验运动总量相同，同一受试者两组试验间隔大于15min并确认其体能恢复到初始状态。为避免试验顺序影响结果，每位被试者均先测量无背负状态下的身体数据，使用肩带A和肩带B的两组试验顺序随机确定。

2.4 数据收集

(1)人体姿态测量

利用NOKOV光学三维运动捕捉系统测量静立状态下的人体躯干角度。如图2所示，在受试者的颈部、肋部、髋部、足部对称粘贴标记点，通过标记点的空间坐标位置计算相应角度。锁骨、肋骨、髋骨三处骨性标记点靠近解剖学上的人体第七颈椎(C7)、第十二胸椎(T12)和第五腰椎(L5)，可表示人体在矢状面上的躯干屈曲角度，定义为CTL角度。肋骨、髋骨与足部三处标记点可表示以髋骨为轴，人体在矢状面上的躯干前倾角度(Truck Angle)，定义为TA角度。本试验取左右标记点坐标计算所得角度的平均值为最终结果，以减小标记点因衣物变形等原因产生的位移误差。数据共采集三次，分别记录受试者无负重、使用肩带A和肩带B完成运动后的静立姿态。测试时要求受试者安静放松站立于指定位置，收集30 s数据，采样频率为60帧/秒。避免不稳定影响，去除测试前段与后段数据，截取中段1040帧数据作为最终样本。

图2 人体标记点及人体测量角度示意图

(2)问卷信息收集

通过主观问卷收集受试者的整体疲劳度及局部不舒适性评价，问卷中疲劳等级的划分如表2所示，以医学界广泛应用的自我感知运动强度量表(Borg度量表)[5]为依据。在局部不舒适性的评估中，选择肩中、肩前、肩后、前胸侧、下胸侧、上背、中背、下背共八个人-包接触部位进行评估，不舒适等级划分标准如表3所示，参考医学疼痛评估数字分级法(NRS)[6]。

表2 Borg自我感知运动强度量表

表3 不舒适度自查量表

(3)血压与心率测量

采用血压计及运动手环记录试验前后被试者的舒张压、收缩压及心率变化，作为衡量受试者疲劳程度的生理依据。

2.5 数据分析

所有数据的整理与分析使用软件Microsoft Excel及SPSS 25.0结合进行，各数据以均值±标准差表示。

对问卷主观评分结果进行正态性检验，发现除肩中、前胸侧与下胸侧部位的不舒适性评分外，其余评分结果均符合正态分布。根据检验结果，采用配对样本t检验与非参数检验分析使用背带A和背带B时的疲劳度及舒适性差异。

对计算所得人体姿态角度进行检验，发现无负重状态、使用肩带A和肩带B后的身体姿态角度值均符合正态分布且满足方差齐次性检验，因此对三组数据进行单因素方差分析。

对受试者的血压与心率数据进行检验，结果显示测量数据不符合方差齐次性，因此选用折线图方式直观表现实验中受试者的生理数据变化。

3 结果

3.1 躯干屈曲角度和躯干前倾角度变化

对受试者在无负重、分别使用肩带A和肩带B负重10%BW三种情况下的躯干屈曲角度(CTL)和躯干前倾角度(TA)进行单因素方差分析。

CTL角度的单因素方差分析结果显示P=0.881>0.05，说明三组数据中任意两组之间均不存在显著性差异。不同背包条件下受试者静立时的CTL角度如表4所示，负重时角度大于无背负时角度，但其间差异不具有统计学意义。使用肩带A负重10%BW时，受试者平均CTL角度比无背负时增加1.373，使用肩带B时则增加1.443，变化略大于肩带A组，但不同肩带组间数据差异同样不具有统计学意义。

表4 无背负状态和负重10%BW状态静立时的人体CTL角度差异检验

TA角度的单因素方差分析结果显示P=0.329>0.05，说明三组数据中任意两组之间均不存在显著性差异。不同背包条件下静立时的TA角度变化如表5所示，负重时角度大于无背负时角度，但其间差异不具有统计学意义。使用肩带A负重10%BW时，受试者平均TA角度比无背负时增加2.923，使用肩带B时则增加2.804，角度变化略小于肩带A组，但不同肩带组间数据差异同样不具有统计学意义。

表5 无背负状态和负重10%BW状态静立时的人体TA角度差异检验

3.2 主观疲劳度评分与局部不舒适度评分

(1) 主观疲劳度评分

受试者使用背带A和背带B完成背负实验后的主观整体疲劳度评价结果如表6所示，负重10%BW运动时，肩带A组的主观疲劳度评分均值为5.538±1.030，肩带B组的主观疲劳度评分均值为4.462±1.136。配对样本t检验结果显示两组数据存在显著性差异(P=0.023<0.05)。

表6 主观整体疲劳度问卷评分差异

(2)局部不舒适度评分

受试者使用背带A和背带B完成背负实验后的局部不舒适度评价结果见表7、表8。负重10%BW运动过程中，对比所有问询部位的不舒适度评分均值，肩带A组均高于肩带B组。对肩前、肩后、上背、中背、下背部位的评分进行配对样本t检验，结果如表7所示，除中背部位外，其他部位的不舒适度评分均表现出显著性差异(P<0.05)。对肩中、前胸侧与下胸侧部位的不舒适度评分进行Wilcoxon配对符秩检验，结果如表9所示，不同肩带组的肩中、前胸侧、下胸侧不舒适度评分均具有显著性差异(P<0.05)。

表7 人体局部部位不舒适度问卷评分差异参数检验

表8 人体局部部位不舒适度问卷评分

表9 人体局部部位不舒适度问卷评分差异非参数检验

3.3 血压和心率变化

如图3、图4、图5所示，将受试者正常水平下的血压值和心率与完成试验后测得的血压值和心率以折线图表示。由于身体情况差异，不同受试者的血压与心率高低水平不同，但就同一受试者在三组数据中的变化情况来看，其舒张压、收缩压以及心率均未因试验组别的不同而表现出规律性差异。

图3 受试者无负重和负重10%BW状态下的舒张压变化

图4 受试者无负重和负重10%BW状态下的收缩压变化

4 讨论

4.1 女性10%BW负重的合理性验证

背负重量是背负过程中影响脊柱健康的最显著因素。虽然不同研究者提出的合理背包重量不尽相同，但0%-10%BW始终被认为是一个安全范围。美国物理治疗协会指出，若背包的重量超过10%BW-15%BW，会对人体增加成倍损伤，因此建议控制背包重量在10%BW以下。但目前的负重研究多以未成年人为对象，缺少针对不同年龄、性别人群的科学验证。本研究以成年女大学生为研究对象，综合记录10%BW负重下受试者的躯干屈曲角度、躯干前倾角度、心率和血压等参数，从生物力学与生理学两个方面验证10%BW作为成年女性合理背负重量的科学性。

(1)躯干姿态与人体负重的关系

人体姿态的变化与背负行为密切相关。Chow发现青年受试者的颈曲向前角度和躯干前倾角度在负重即刻发生明显变化[7]。王敏等人试验证实大学生背包行走时的胸椎在矢状面和额状面均有显著变化[8]Watson等人也观察到负重会增加年轻人的脊柱弯曲[9]。以上研究表明，背包负重会影响脊柱的自然直立形态与生理弯曲角度，进而诱发椎间盘突出与退变性疾病。

负重后躯干的倾斜度变化最为明显。Chansirinukor等人[10]的研究表明，随着背负重量的增加，躯干前倾角度也随之加大。原因解释为，背包属于外界附加负荷，对人体产生向后的力矩，背负者需要通过身体前倾动作改变自身重心位置，以抵抗向后的作用力。重物越重，对人体产生的力矩越大，为保持平衡，躯干前倾的角度也越大。

(2)躯干角度的变化及分析

研究中计算得出负重前后人体CTL角度和TA角度，对比无背负状态，使用肩带A背负10%BW行走后的CTL角度和TA角度分别平均增加了1.373°和2.923°，可看出因负重影响，受试者的躯干屈曲角度增加，脊柱由正常直立位置发生偏移，向前弯曲程度增大；在负重时，受试者自发地进行自我姿势调节，加深躯干前倾程度以增加背部支撑力，从而稳定人-包有机整体的重心位置并保持平衡。但是与无背负状态相比，负重时的人体姿势角度并未体现出显著性差异，因此可以认为10%BW的背部负重并未对受试者的身体姿态造成明显影响，从生物力学角度证实10%BW可以作为22-24岁女性的日常背负安全重量。对比肩带A组和肩带B组的CTL角度与TA角度，发现通过绑缚柔性材料以增厚肩带的方法并未对受试者的CTL角度和TA角度变化产生显著影响，说明人体姿态变化主要由背负重量决定，与局部部位的舒适度改变相关性不强。

(2)心率和血压的变化及分析

负重过程中人体相关肌肉活性增加，整体输出功率增加，反映在生理上表现为心率加快、血压升高与呼吸速率加快。心率和呼吸速率与负重重量相关，马军等人[11]在研究中以心率及耗氧量变化为依据界定合理背负重量。本试验选取血压与心率作为衡量受试者背负疲劳度的客观依据，进而探究负重合理性。负重10%BW完成运动任务前后的采集数据显示，忽略情绪等无关因素干扰，受试者的心率及血压始终处于正常波动范围，且未表现出显著变化趋势，与无负重时相比无明显规律性差异。同时，肩带A组和肩带B组在心率及血压表现上亦无显著差异。根据该结果可推测，10%BW的背部负重并未明显引起受试者的生理疲劳，从生理学角度证实10%BW可作为年轻女性的日常背负安全重量，不会对心脏器官功能产生干扰；而通过柔性材料增厚肩带并不影响受试者背负过程中的整体功率输出，不会减轻受试者的客观整体疲劳度。

4.2 增厚肩带对背负舒适性的影响

(1) 肩部压力与背负舒适性的关系

科学的负重分配比例为双肩承担10%，背部和腰胯分别承担20%和70%。为实现合理的重量分布，可使用背包腰带直接将负重转移至骨盆，减少重力传递的环节，减轻肩部压力。Bobet研究发现，使用无腰带背包负荷行走过程中，受试者背部和腹部肌肉活性均无明显变化[12]。由此推测使用日常背包负重时，背部与腹部并未有效承担分配重量，背包重量大部分由肩周承担。而人体肩部肌肉薄弱且血管、神经丰富，过度的重力压迫会阻断肩部血液循环，造成肩颈肌肉疲劳。有研究指出，肩带部位压力应低于10 KPa，以预防皮下水肿或真皮组织发炎等疾病的产生。因此，肩带部位压力是影响背负舒适体感的重要因素。

(2)受试者主观背负感受的变化及分析

利用主观量表，对负重10%BW过程中肩带A组与肩带B组的疲劳度及局部部位不舒适度进行评估。结果显示，使用肩带B组的主观整体疲劳度显著低于使用肩带A组；对于肩前、肩中、肩后、上背、中背、下背、上胸侧、下胸侧八处受询部位来说，使用肩带B时的不舒适度均较使用肩带A时有所降低，但在中背部位的不舒适度差异不具有显著性。结合得分与对应描述可看出，使用肩带A时，对于中背、下胸侧两部位，受试者不舒适感非常轻微；在下背位置，受试者略感不适；而在包括肩前、肩中、肩后在内的肩膀区域以及前胸侧、上背部位，受试者不适感较强，接近痛感。使用肩带B时，受试者中背、前胸侧、下胸侧三部位不舒适感非常轻微，肩前、肩中、上背、下背位置略感不适，而不适感较强的部位仅有肩后。根据该结果可推测，背负过程中，人体最不舒适部位主要为肩带接触区及附近区域，与调研结果一致。而在绑缚柔性材料使肩带加宽增厚之后，增加了肩带与肩膀的接触面积，减小了接触部位压强，减轻了背包重量对肩膀神经血管的压迫，可以有效缓解较长时间背负后的肩周区域酸痛感。同时，试验中增厚肩带所用柔性纤维材料多孔隙，绑缚在肩带上部时能形成空气层，在行走过程中起到抗压减震作用，避免了因背包颠簸在人体肩部产生的额外压力。因此，在疲劳度及局部不舒适度评估中，肩带B的评分均优于肩带A，符合基于理论的事先预测。

5 总结

与无背负状态相比，背包重量达到体重的10%时，女性受试者的身体姿态会发生变化，出现躯干屈曲和前倾倾向。但相较于无背负状态，身体姿态的变化并无显著性。同时，在10%BW负重下完成日常运动任务后，受试者心率与血压两项生理指标并未发生明显变化。因此，10%BW的背负重量对于22-24岁周岁的年轻女性来说较为安全，不会对脊柱与肌肉健康造成严重伤害。

负重10%BW时，在背包肩带处增加柔性材料不能矫正人体因负重而产生的躯干姿势补偿，但能够显著减轻背负后的主观疲劳度，并能有效缓解肩周等部位的不舒适感。对于负重过程中常感觉肩颈酸痛的女性用户，可通过绑缚柔性透气纤维材料的方式对日常背包肩带进行增厚加宽改造，以提高背负过程的舒适度，缓解肩颈疲劳。

6 不足与展望

本研究中仍存在一定不足，首先，受试验设备限制，仅使用主观量表法评估疲劳度与不舒适度，未能使用肌电信号采集等更准确科学的方法。其次，试验中并未探讨在超过10%BW的负重情况下，受试者的身体姿态是否会发生显著性变化，因此无法界定安全背负重量的最大限值，这些不足将通过后续的更多研究弥补。