何施 黄志剑 刘博 赵文作

(1.湖北商贸学院体育学院 湖北武汉 430079;2.湖北大学体育学院 湖北武汉 430062)

1 研究背景

1.1 选题依据

人类一直以来都在寻找更加方便携带随身物品的办法。早在远古时代，人们为了生存，依靠拖拽、肩扛等方式来携带柴草、猎物等物品。后来，人们把重物放在轮车上用牲畜拉载，将随身物品绑在腰带或搭在肩上以便携带。随着时代的进步，人们逐渐发明了各种袋子、篮子等工具来携带随身物品。直到今天，为了满足不同人群的需求，各式各样的包给人们携带随身物品带来了诸多便利［1］。

在中国，从幼儿园到大学，基本上每一位学生都会利用书包来携带课本、文具用品以及随身物品。繁重的升学压力使得学生从小到大都“肩负重担”，长期肩负过重的书包不仅影响青少年的正常生长发育及健康［2］，更有甚者会导致脊柱病变［3］。针对青少年的这些问题，大量研究者通过与足底压力相关的实验给出了建议。向其鹏等人［4］指出，为了不影响儿童的正常发育，其背包质量不宜超过20%BW（Body Weight，身体质量）。林晶［5］建议最重物品应该放在贴近身体的位置，这将更有利于减轻书包重量对身体的影响。

目前，足底压力相关应用主要分布在生物力学［6］以及临床康复医学等领域［7］。现有研究中，这些领域的主要研究对象是学龄儿童［8］、中小学生［9］以及老年人［10］。相较而言，大学生很少出现在这一领域的研究中。事实上，大学生在日常学习、生活和工作中同样也需要用包来携带随身物品。学习时，无论是平时上课，还是图书馆自习，都需要用包携带课本、资料书、文具用品等。在生活中，外出逛街购物总是背上小巧可爱的便携包用来装手机、充电宝、钥匙以及钱包等随身物品。在工作中，自然要带上电脑包，装上电脑来提高工作效率。因此，该研究尝试用足底压力系统来解析不同负重形式对大学生足底压力的影响。

1.2 研究目的与意义

背包作为外加负荷作用于人体，会影响人体静态站立姿势的稳定性［11］。因此，该研究尝试通过对大学生无负重自然站立及不同负重形式下（惯用姿势：双肩负重后背、右单肩负重直挎、左单肩负重斜挎、右手提负重）自然站立的足底压力进行测量，比较分析不同负重形式与无负重情况下足底压力分布的差异，为大学生对负重形式的选择提供科学合理的建议。

2 实验对象与方法

2.1 实验对象

2.1.1 排除标准

询问病史，确认受试者无足部畸形，无不良步态，无骨骼、肌肉、运动神经、高血压、高血脂和糖尿病等疾病，并确定受试者优势侧均为右侧。

2.1.2 受试者基本信息

研究被试者为武汉市某高校1名大学生，性别男，年龄24 岁，身高177.10cm，体重66.10kg，BMI 指数为21.07。

2.2 实验方法

2.2.1 准备工作

（1）人们往往根据携带物品的种类和重量来选择包的样式，又根据自己的习惯决定负重的形式。常见的负重形式有双肩负重后背、右单肩负重直挎、左单肩负重斜挎、右手提负重等，详见图1。该研究通过观察，决定采用日常生活中常见的惯用姿势作为大学生负重的不同表现形式。

（2）为进一步了解大学生日常负重占自身质量（BW）的百分比，在该大学图书馆前随机选取10名大学生（其中5名男生，5名女生）。对以上10名大学生分别进行了身体质量和负重质量的测量，分析测量数据发现10名大学生的负重质量均值为5.04%BW。因此，该研究选定负重质量为5%BW。

（3）飞速发展的机械化社会在方便人们的同时，也留给了人们更多等待的时间。大学生除了日常生活需要等公交、地铁以及电梯以外，通过观察还发现在大学校园的寝室门口、教室门口以及图书馆门口等地方总是有人在背包等待同伴。因此，该研究决定测量大学生在负重质量为5%BW 的情况下，自然站立的足底压力分布。

2.2.2 实验仪器和设备

（1）德国Novel Pedar-x足底压力分布测量系统：该系统由配套鞋垫、电池、电缆、Pedar-box、安装盘、腰带、安装相应软件的计算机等组成。

（2）电子秤：用于实验中对质量的测量。

（3）基准鞋：统一将老北京布鞋作为基准鞋，减少不同鞋子带来的误差（见图2）。

（4）一次性袜子：干净卫生；统一袜子减少不同材质的袜子带来的误差（见图2）。

（5）双肩背包1个、单肩背包1个、手提包1个。

（6）自制砝码：为真实模拟大学生负重情况，采用废旧书籍，以及瓶装水等根据受试者5%BW 调控不同的负重质量（见图2）。

2.2.3 足底分区

Novel Pedar-x 足底压力分布测量系统将足底分为9个区域：第1趾骨（T1）、第2～5趾骨（T2～T5）、第1跖骨（M1）、第2～3 跖骨（M2～M3）、第4～5 跖骨（M4～M5）、足弓内侧（MM）、足弓外侧（LM）、足跟内侧（MH）、足跟外侧（LH），详见图3。该研究从趾骨、跖骨、足弓以及足跟四部分来详细分析大学生在不同负重形式下9个区的足底压力变化情况。

2.2.4 研究参数

接触面积（Contact area，单位：cm2）：足底压力分布测试系统采集到的足底9个区接触面积的大小。

峰值压强（peak pressure，单位：kPa）：足底压力分布测试系统采集到的足底9 个分区所受到的最大压强。

2.2.5 实验设计思路

该研究的目的是解析不同负重形式对大学生静态自然站立足底压力的影响。正式实验前，通过查阅书籍，阅读相关材料，制订了实验设计思路，详见图4。

3 分析与讨论

张庆来等人［12］采用Footscan USB2 平板式足底压测试系统对山东理工大学2005 级82 名19～22 岁的正常大学生进行动态足底压力测试，研究发现正常青年人行走过程中左右双足的平均峰力值，接触面积等参数都存在不同程度的差异。该研究则主要通过对大学生不同负重形式的足底压力进行测量，比较分析不同负重形式与无负重情况下自然站立时足底接触面积以及峰值压强的分布差异。

3.1 不同负重形式下足底接触面积的分布特征

3.1.1 趾骨部分足底接触面积的分布特征

表1是大学生在不同负重形式下趾骨部分足底的接触面积。分析表1 数据可知，不同负重形式与无负重自然站立相比，右足趾骨除右手提负重外，其他负重形式下与无负重自然站立的接触面积均相同；而左足趾骨的足底接触面积差异相对较大，尤其是左足的第2～5 趾骨在右手提负重的情况下与无负重自然站立相差4.456cm2。

表1 大学生在不同负重形式下趾骨的接触面积（cm2）

对比双肩负重后背、右单肩负重直挎和左单负重肩斜挎这三种负重形式，发现无论是左足，还是右足，在趾骨部分与地面的接触面积都基本相同。另外，该受试者左足第1 趾骨足底接触面积普遍高于右足，右足的第2～5趾骨足底接触面积普遍高于左足。

3.1.2 跖骨部分足底接触面积的分布特征

根据表2 中的数据，可将不同负重形式下跖骨部分足底接触面积总结为：左足小于右足，第2～3跖骨大于第4～5跖骨大于第1跖骨。其中，右手提负重时左足的第1 跖骨和右单肩负重斜挎时右足的第1 跖骨明显大于无负重自然站立和其他负重形式的相同区接触面积值；而右手提负重时右足的第2～3 跖骨则小于其他负重形式的相同区接触面积值。

表2 大学生在不同负重形式下跖骨的接触面积（cm2）

3.1.3 足弓部分足底接触面积的分布特征

分析表3 可知，无负重自然站立和双肩负重后背时左足足弓的内外侧接触面积是相同的；右单肩负重直挎、左单肩负重斜挎和右手提负重3 种不同形式负重的左足内外侧与地面的接触面积基本相同；右足足弓内外侧除右手提负重，其他形式对地面的接触面积均相同。右手提负重形式下右足足弓内侧的足底接触面积和其他负重形式相比差异较大，差异值为14.169cm2。另外，在足弓部分左足和右足的足底接触面积差异较明显。

表3 大学生在不同负重形式下足弓的接触面积（cm2）

3.1.4 足跟部分足底接触面积的分布特征

根据表4 数据可知，右单肩负重直挎和左单肩斜挎2种负重形式下左右足的足跟内侧和右足的足跟外侧相同，但与无负重和其他负重形式下相对应的足跟区域与地面的接触面积有差异。总体来说，不同负重形式对大学生足跟部足底接触面积影响相对较小。

表4 大学生在不同负重形式下足跟的接触面积（cm2）

3.2 不同负重形式下足底峰值压强的分布特征

3.2.1 趾骨部分足底峰值压强的分布特征

根据图5 可知，第1 趾骨峰值压强明显低于第2～5趾骨的峰值压强。与无负重自然站立相比，除右手提负重形式下的右足第1 趾骨外，其他负重形式对趾骨区的峰值压强影响较小。

3.2.2 跖骨部分足底峰值压强的分布特征

分析图6 中的数据可知在无负重自然站立状态下，第2～3跖骨的峰值压强远大于第1跖骨和第4～5跖骨的峰值压强。分析比较发现，右手提负重的情况下跖骨部分左右足的峰值压强相差较大，第1 跖骨左右足的峰值压强相差25.010kPa；第2～3 跖骨左右足的峰值压强相差11.742kPa；第4～5 跖骨左右足的峰值压强相差9.926kPa。

3.2.3 足弓部分足底峰值压强的分布特征

分析图7 可知，左足足弓部分的峰值压强远小于右足足弓部分的峰值压强。与无负重自然站立相比，右手提负重形式下右足足弓外侧的峰值压强下降20.849kPa；右足足弓内侧的峰值压强骤减50.667kPa。

3.2.4 足跟部分足底峰值压强的分布特征

根据图8 中的数据可以发现，左足足跟内侧的峰值压强明显普遍高于右足相同区域的峰值压强值，除此之外，负重形式对足跟其他区域的峰值压强没有明显影响。

3.3 讨论

较多学者通过研究发现单边负重对足底压力分布有显著影响［13］。单边负重增加了身体的不对称性［14］，机体为了维持平衡会使左右足底峰值压强不均衡［15］。乔刚［16］通过实验得出结论，在双肩负重行走过程中左右脚的足底压力具有对称性特征。李国强［17］认为单手负重和单肩负重时，随着负重质量的增大，左右脚的足底压力会出现不对称的现象。

研究发现，受试者左右足底接触面积和峰值压强相差较大。张攀等人［18］认为青少年自然行走过程中左右双足各区域的压力分布存在一定的差异，但左右双足的足底压力分布规律基本一致。该研究受试者左右足底接触面积和峰值压强相差较大的原因，可能是个体差异或实验紧张等，具体有待进一步扩大样本进行证实。

4 结论与展望

4.1 结论

与无负重自然站立相比，4种不同负重形式对大学生足底接触面积的影响各不相同：双肩后背负重5%BW负重形式的足底接触面积与无负重自然行走最接近；右手提负重5%BW 负重形式的足底接触面积与无负重自然行走的差异较明显；右单肩直挎负重5%BW与左单肩斜挎负重5%BW负重形式的足底接触面积基本相同，与无负重自然行走的差异介于另外2种负重形式之间。

与无负重自然站立相比，4种不同负重形式对大学生足底峰值压强的影响也是双肩后背负重5%BW的负重形式与无负重自然站立更相近；其他3 种单边负重的形式，增加了身体的不对称性。

综上所述，不同负重形式对大学生的足底压力是有明显影响的。建议大学生在日常负重情况下，尽可能选择双肩后背的负重形式，也可选择负重更贴近身体中轴线的单肩斜挎或直挎的负重形式，尽量避免单手提的负重形式。

4.2 展望

（1）研究的样本量较小，今后研究中期待更大的样本，以获得更具代表性的结论。

（2）今后研究可考虑设计不同负重等级，以考察不同负重对静立时双脚足底接触面积和峰值压强的影响。

（3）测试人群的局限性，受试者为男大学生，后续测试可以增加不同性别及年龄的受试者。