肥胖儿童与正常儿童行走步态特征地面支撑反作用力的对比分析

张 洋，岳新坡，肖丹丹

（1.首都体育学院，北京100191；2.河南师范大学体育学院，河南新乡453002；3.国家体育总局体育科学研究所，北京100061）

肥胖儿童与正常儿童行走步态特征地面支撑反作用力的对比分析

张 洋1，岳新坡2，肖丹丹3

（1.首都体育学院，北京100191；2.河南师范大学体育学院，河南新乡453002；3.国家体育总局体育科学研究所，北京100061）

为了认识肥胖对儿童行走时下肢用力的影响，通过三维测力与运动学同步测试的方法，对11名正常体重儿童和9名肥胖儿童平地常速行走进行了测试，结合运动学指标，对两组儿童的地面支撑反作用力的变化特征进行了对比分析。实验结果表明：①在垂直方向上，肥胖儿童组与正常体重儿童组的地面支撑反作用力的力值无差异，肥胖儿童出现第1个峰值的时间晚于正常体重儿童，出现第2个峰值的时间早于正常儿童。②在矢状轴方向上，肥胖儿童组与正常体重儿童组的地面支撑反作用力的力值无差异。③在额状轴方向上，肥胖儿童组在前后方向上的最大值均大于正常体重儿童组，表明肥胖儿童在平地行走时，左右摇晃的幅度比正常儿童要大。

肥胖；儿童；步态；地面支撑反作用力

世界卫生统计报告明确指出，2011年全球5岁以下超重和肥胖儿童达4 000多万人，其中3 000多万人生活在发展中国家。世界卫生组织总干事陈冯富珍在第67届世界卫生大会上说：“儿童肥胖症流行率在世界上每个地区都不断上升。”全球性的儿童肥胖已成为困扰孩子、家长、教师和社会各界的重要问题。随着我国人民生活水平的不断提高，我国儿童体重超重及肥胖也已成为一个普遍的现象。体重超重不仅会带来一系列的健康问题，同时也会造成儿童步态的异常［1-2］。

根据生物力学的定义，步态是指在步行运动过程中步行体的身体各部位在时序和空间上的一种协调关系，是一个人行走的方式和风格［3］。步态分析是运用生物力学的概念、处理手段和已经掌握的人体解剖、生理学知识对人体行走的功能状态进行分析的一种生物力学研究方法［4］。19世纪30年代，国外的一些研究学者开始关注并对儿童步态进行研究和分析；70年代，研究者们将研究方向转移到儿童步态与成人步态的异同上来［5］。随着步态分析系统的不断改进，对人体行走功能的研究领域大大拓宽，人们对人类步态的基本生物力学特征已有了较为透彻的认识。实验对象常为老年人、青年人和儿童。国外对肥胖儿童的步态研究，最早开始于1991年Hills and Parker分析了正常和肥胖儿童在步长、步频、步速及步态周期分期上的不同［6-7］。儿童步态分析中最为关键的研究，是被尊为“现代步态分析先驱”的骨科医生David Sutherland及其同事对186名1～7岁儿童进行的步态分析。这些研究都试图通过不同的动作控制理论，以及动作分析手段来帮助人们来了解神经的生长发育过程［8］。我国学者近年来逐渐重视对肥胖儿童步态的研究，已有的研究对肥胖儿童平地行走时的运动学参数、下肢用力及上楼梯时的足底压力参数［1，9-12］进行了特征描述与分析，对于地面支撑反作用力等的动力学研究至今尚少。

行走中的动力学变化是步态分析的一个重要内容。行走中人体地面支撑反作用力的变化能够反映出下肢蹬地力的特征。本研究为了认识肥胖对儿童行走时下肢用力的影响，通过三维测力的方法，并结合运动学指标，对正常体重儿童和肥胖儿童在平地常速行走时的地面支撑反作用力的变化特征进行了对比分析研究。

1 实验对象与研究方法

1.1 实验对象

实验对象分为肥胖组和正常体重组两组小学生，年龄在10～12岁，共计20名。肥胖组为9名BMI指数大于23的肥胖儿童，正常体重组为11名正常体重儿童（18.5＜BMI＜23）。两组均为右力腿。

1.2 研究方法

1.2.1 主要实验仪器 德国产Kistler三维测力系统（包括三维测力台两块、信号放大器、电脑、绘图仪）、两台佳能XF105摄像机等。

1.2.2 实验方法与步骤 用两个发光二极管作为两台摄像机之间及它们与测力台之间的外同步装置，由测力台系统进行控制［1］。实验测试系统安置见图1。在实验大厅木地板下事先装好Kistler三维测力台。测力台3个传感器量程设置为：Fz＝1 000 N，Fx，y＝500 N，采样频率为100 Hz。同时运用两台摄像机进行三维常速同步拍摄。

1.2.3 实验过程 测试者均穿着黑色紧身连体衣，在身体左右侧的肩关节、肘关节、腕关节、髋关节、膝关节、踝关节、脚跟、趾跖关节处贴好标志点。要求受试者自然放松，完全按照平时自然行走的方式通过测力台，然后取右脚迈上测力台中心的一次数据，同时为实验对象测试了形态学指标。

图1 测试系统安置图

1.2.4 数据处理 本文分析的主要指标是测力台的数据。用Kistler三维测力台按垂直、前后和左右方向记录了肥胖儿童和正常体重儿童的地面支撑反作用力（简称支反力）。对从右脚跟踏上测力台开始到右脚尖离开测力台的一个支撑时相内的的支撑反作用力的变化特征进行了描述，并对3个方向上支反力的峰值、谷值及出现时间进行了对比分析。为了便于比较，力值用支反力与受试者自身体重的比值的相对力值（单位：BM）来表示，以消除体重差异对结果的影响；时间以支撑时相百分比表示，以消除各受试者行走速度不完全相同所致的误差［1，9-10］。

本文的运动学数据采用的是Deleva模型，该模型是SimiMotion运动解析系统自带的模型，将人体分为14个环节，共需要识别19个关节点，分别是头、左肩、左肘、左腕、左手、左髋、左膝、左踝、左脚跟、左趾跖关节，以及右肩、右肘、右腕、右手、右髋、右膝、右踝、右脚跟、右趾跖关节。本文结合垂直方向的重心的运动学数据对力学数据进行了分析。

文中的曲线图为以一个测试对象的数据为例的特征曲线图。本文的坐标系设定为：X轴为身体的额状轴，右为正；Y轴为身体的矢状轴，前为正；Z轴为身体的垂直轴，上为正。坐标系为右手坐标系。

1.2.5 数据统计分析 运用独立相本T检验进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 垂直方向上的支反力

行走时地面支撑反作用力在垂直方向上的分力最大，垂直支反力的大小和变化取决于3个因素：①身体的重力；②身体重心在行进中上下移动，使在垂直方向上的加速度和地面支撑反作用力也随之不断改变；③支反力随步态支撑时相的转变而变化［13］。从被检测的下肢分析，当该下肢足跟着地时开始进入支撑相，负荷由对侧下肢逐渐转向受检测下肢。随着对侧肢体的足尖离地，受检测下肢进入单支撑期而承担了全部的负荷，继而对侧脚跟着地，负荷由受检测下肢逐步转向对侧下肢，直到受检测足尖离地而结束支撑。以上3个因素中，第1个因素是不变的，第2、3个因素在步态周期中周而复始地不断变化着，从而形成了垂直方向上支反力的力—时间特征曲线。

2.1.1 支持时相垂直支反力特征 结合步态支撑时相的转变及垂直方向上重心的位移、速度、加速度变化，对垂直方向上的支反力进行详细的分析与描述。如图2所示，Fz-t图为基本对称的双峰型曲线，有2个峰值和1个谷值，峰值的大小大于体重，便于分析，以垂直地面反作用力曲线图中的体重线、起点、终点及2个峰值和1个谷值将力的曲线分为9个转变点。

图2 支撑时相垂直方向上重心位移、速度、加速度与垂直支反力曲线对照图

结合支撑时相的转变点，To-T2和T6-Tt阶段为双支撑阶段，为人体提供地面反作用力是由双侧下肢共同承担，T2-T6阶段为单支撑时相，由右下肢单独承担身体的负荷。在T2-T6阶段，由于支撑反作用力完全是由单侧下肢提供的，可以根据牛顿第二定律将a-t图、s-t图、v-t图和Fz-t图完全对应起来。由牛顿第二定律可知：

Fz-G＝ma，

当a＝0时，Fz＝G；当a＞0时，Fz＞G；当a＜0时，Fz＜G，a减小，Fz随之减小，a增大，Fz也随之增大。从图2可看出，T2-T6阶段，a-t图和Fz-t图的变化趋势是一致的。

To-T1阶段，右下肢承担的负荷迅速由0增大至体重（G），身体重心减速向下至最低点附近。随着To时刻右脚跟的着地（OHS），身体所承担的负荷逐渐由左下肢移向右下肢，身体重心下降，向下的速度迅速减小，向上的加速度值逐渐增大，到T1时刻，重心下降至最低点附近，向下的速度减小到0左右，加速度达到峰值上下（在同一时刻，重心下降至最低点、向下速度为0及达到加速度的峰值），但是这一时刻的支撑反作用力并未达到最大，只是达到体重，这是由于左下肢仍承担着一部分负荷的缘故。

T1-T2阶段，支撑反作用力由体重G增至峰值F1，身体重心加速上升。从TI时刻开始，身体重心开始加速回升，加速度值在减小，负荷继续由左下肢向右下肢转移，到了T2时刻，随着左脚尖离地，负荷全部移至右下肢，支撑反作用力达到最大。

T2-T3阶段，支撑反作用力由峰值下降至体重G，重心继续加速上升。从T2时刻开始，进入单腿负重期，负荷全部由右下肢承担，加速度继续减小，速度继续增大，身体重心仍上升；T3时刻，加速度减小为0，向上的速度达到最大值，支撑反作用力下降至体重G。

T3-T4阶段，支撑反作用力继续下降至最小值，重心减速缓慢上升至最高点。此阶段，加速度方向转为向下，其值逐渐增加至T4时刻，达到向下的最大值；速度开始减小，但方向仍为向上，至T4时刻，支撑时相的减小为0；身体重心继续上移，到T4时刻达到向上的最高点；支撑反作用力随之减小至最小值，达到谷值。

T4-T5阶段，垂直方向支撑反作用力再次回升至体重G，重心加速向下。过了T4时刻，向下的加速度值开始减小，速度方向变为向下，身体重心开始下降，至T5时刻，加速度值减小为0，速度达到向下的最大值，支撑反作用力增至体重。

T5-T6阶段，支撑反作用力由体重G继续增大到峰值，重心减速向下。此阶段加速度逐渐增大，方向转为向上，向下的速度继续减小，身体重心进行下降，到T6时刻，随着左脚尖的着地，单支撑时相结束，右下肢的支撑反作用力达到最大值。

随后进入了双支撑阶段，负荷迅速向左下肢转移，曲线随之迅速下降，T6-T7阶段，支撑反作用力下降至体重G，重心减速向下；T7-Tt阶段，支撑反作用力随着右脚尖（TO）的离地，下降至0，重心由减速向下变为加速向上。

2.1.2 肥胖儿童和正常儿童垂直支撑反作用力的比较 本文对垂直支撑力反作用的峰值和谷值以及出现的时间进行了对比，结果见表1：两组儿童的峰值F1和F3差异不显著；出现峰值的两个时刻T2和T6差异显著，肥胖儿童的T2值明显大于正常儿童，而T6值却明显比正常儿童小，说明肥胖儿童出现第1个峰值的时间晚于正常儿童，出现第2个峰值的时间早于正常儿童［1］，这也与文献中所分析的运动学指标相一致。肥胖儿童支撑时相中双支撑时相所占的比例大于正常儿童，所以就出现了肥胖儿童比正常儿童晚达到第1峰值而早达到第2峰值的现象；比较谷值F2及出现的时间T4，两组差异不显著，两组都在大约支撑时相50%处出现谷值。

表1 支撑时相垂直支反力的峰值、谷值和出现时间比较

2.2 矢状轴上的支反力

结果显示（表2、图3）：经T检验，肥胖儿童组与正常体重儿童组在前后方向上的地面支撑反作用力的各个时相上的值大小差异不显著。故将两组数据合并进行分析。

10～12岁儿童在右脚跟着地（HS时刻）后，开始了右支撑时相，此时地面支撑反作用力出现一向后的分力，该力值的峰值很小，为（0.05±0.05）BM，且持续时间短暂，该分力迅速变小为0后变为了向前的支撑反作用力；该值逐渐增大，在T8时刻，即15.97%±3.49%支撑相时，此时为对侧足尖离地时刻前后，达到向前的最大值F5（0.23±0.04）BM；随后，身体重心向前移动，该值逐渐减小，在T9时刻（47.54%±8.97%支撑时相），该分力变为0；力的方向开始变为向后，力值逐渐增大至（0.29±0.03）BW，达到向后的最大值，此时为T10时刻（80.53% ±8.46%支撑时相），即对侧脚跟着地时刻前后。

图3 矢状轴上的支反力特征曲线

表2 支撑相矢状轴支反力的峰值、谷值和出现时间比较

2.3 额状轴上的支反力

图4 额状轴上支反力特征曲线

表3 左右支反力的峰值、谷值比较

如图4和表3所示，两组儿童在额状轴上的支反力的值较小（0.01～0.08BM之间），力值曲线图中有2个向右的峰值和3个向左的谷值，曲线上下、左右基本对称。额状轴的支反力反映出儿童行走时左右摇摆的幅度。在支撑时相的前半程，身体向右摇晃1次；在支撑时相的后半程，身体向左晃动1次。

经T检验，向左、向右的最大值（F7-F10），两组均显示出差异性，肥胖儿童组在额状轴的地面支撑反作用力的数值均大于正常体重儿童组。该力学指标反映出肥胖儿童左右摇摆的幅度较大，显示出步态的不稳定性。

3 结 论

1）在垂直方向上，肥胖儿童组与正常体重儿童组的地面支撑反作用力的力值无差异，肥胖儿童出现第1个峰值的时间晚于正常体重儿童，出现第2个峰值的时间早于正常儿童。

2）在矢状轴方向上，肥胖儿童组与正常体重儿童组的地面支撑反作用力的力值无差异。

3）在额状轴方向上，肥胖儿童组在前后方向上的最大值均大于正常体重儿童组，表明肥胖儿童在平地行走时，左右摇晃的幅度比正常儿童大。

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责任编辑：郭长寿

A Study of the Ground Reaction Forces in Gait of Obese Children and Normal-weight Children

ZHANG Yang1，YUE Xinpo2，XIAO Dandan3
（1.Capital University of Physical Education and Sports，Beijing 100191，China；2.P.E.College，Henan Normal University，Xinxiang 453002，Henan，China；3.Institute of Sport Science，General Administration of Sport of China，Beijing 100061，China）

This study aims to identify how obesity affects children’s use of lower limb when they walk.W ith three-dimensional force measurements and simultaneous kinematics measurement，11 normal-weight children and 9 obese children walking at normal speed on flatground were tested.The characteristics of their ground reaction forceswere then compared through kinematics indicators.The results are as follows：1）obese children and normal-weight children show no difference in their ground reaction forces in the vertical direction.The first peak value of obese children appears later than thatof normal-weight children，while the second one appears earlier than that of normal-weight children；2）obese children and normal-weight children show no difference in their ground reaction forces in the direction of sagittal axis；3）in the direction of fontal axis，the peak values of obese children both in frontand back are larger than those of normal-weight children.，which indicates that obese children move at a larger amplitude in the left and right direction.

obesity；children；gait；ground reaction forces

804.6 文献标志码：A 文章编号：1004-0560（2014）04-0081-05

2014-06-25；

2014-07-17

张 洋（1980-），女，讲师，硕士，主要研究方向为体育教育训练学。

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