青少年正常行走时步态特征研究

张珊珊

1 前言

青少年的体质健康是关乎民族的希望、祖国的未来。体质是通过学生有规律地进行体育锻炼获取的。足是青少年参加体育锻炼最重要的人体外在器官。从人类站立、行走、跑跳开始，步态的特征就存在。脚部受力的大小和部位、脚底触觉信息的反馈，对人体运动及平衡控制产生巨大的影响。有研究表明，压力峰值的大小和部位对于足部疲劳的积累和损伤的发生具有重要影响。Morag[1]等在对55个健康人行走时的足底峰值压力和功能数据的研究基础上，构建了病学因子的预测足底峰值压力模型。Gross 和 Bunch[2]等对 10 名跑步者的研究发现，当速度增大时，足底各部分的平均峰值应力也显著增大，其中第二、三跖骨前端和第一趾底部应力最大，并解释了跑步者经常发生跖骨疲劳性骨折的原因。基于此，笔者采用实验法、数理统计法等对青少年步态特征进行研究，旨在为日后指导学生如何提高对足底的自我保护提供理论依据。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

在河南省实验中学、郑州市第七中学、郑州市第八中学、郑州回民中学各选取初中二年级男生50名，共计200名为研究对象。其中平均体重为40±20.56kg、年龄12±1.2岁、正常体重标准18.5≤BMI≤24.9占总人数85%、偏重标准25≤BMI≤27.9 占测试者人数15%。选取前与家长及所在学校领导进行沟通并征得同意参与测试。所有受试者身体健康，受试者经询问和检查均无足部畸形、异常步态和足部外伤史，无任何神经与肌肉系统疾病，以及可能对运动产生限制的疾病。

2.2 研究方法

2.2.1文献资料法实验前，在CNKI、万方、proquest等文献数据库中，利用关键词步态分析、少年步态研究、步向角进行检索并下载相关文献450余篇，其中外文42篇。筛选出与本文有关的文献18篇，为本文研究提供理论依据。

2.2.2实验法2014年3月至7月在河南理工大学万方科技学院立功体育馆，架设二台Sony摄像机(采样频率为50 Hz)以正常步速行走动作进行正面和侧面的拍摄。两台摄像机主光轴夹角接近90度，两台摄像机高度均为1m，选用长1.2m标志物为比例尺进行摄像机标定。正面摄像机用于获取步向角数据,标定误差<0.5mm。详见图1。

图1步态设计图

Footscan足底压力测量分析系统。Footscan步态分析系统是由比利时Rscan- internation公司研制。其0.5m的单步测力平板装有4 096个传感器。传感器的密度高达4个/平方厘米,采样频率125×300Hz。数据采集与分析采用配套软件F- ScanMobile，受试者均脱去鞋袜，以个人平常步态自然行走，测量3次分析过程将足底分为10个区域：第1趾骨、第2～5趾骨、第1～5跖骨、足弓、足跟内侧和足跟外侧。如图2。

图2足底压力分布

2.2.3数理统计法

(1)运动图像参数处理。运用运动三维图像解析系统对实验视频进行解析，设定分析的运动参数。人体模型选取松井秀治15环节模型,总计21个跟踪点计算人体重心。测量数据采用五点平滑法进行处理获取200名学生的步向角参数。Footscan数据参数导出足底压力、冲量、接触面积。

(2)数据统计与分析。利用SPSS软件分别对运动步态图像、footscan软件采集的数据进行均数t检验和单因素方差分析、spearman相关分析及逐步回归法进行统计学分析。

3 研究结果与分析

3.1 左、右足10分区的压力、冲量特点

正常人走路时着地顺序依次是：足跟→脚弓→跖骨→趾骨→全足着地。足底压力是指:人体行走时地面对人体的反作用力。

由图3可知：参加测试者自然平地走时，左右脚10分区的压力存在差异(P<0.05)。左右足部最大承受部位为足跟内、外侧；其次是第2跖骨、第3跖骨、足弓、第4跖骨、第5跖骨、第1趾骨、第1跖骨、第2～5跖骨。沈雅琴[13]在对13～15岁超重肥胖人群研究发现：足底各部位的最大压力从大到小分别为第2跖骨、足跟、第 1趾骨、第3～5跖骨、第2趾骨、足弓、第3～5趾骨。研究表明，体重是可以改变足底区域压力变化的主要因素。李永强[12]在对60～69岁老年人群研究得出：足底区域最大承受是足跟；其次是为第2跖骨、第3跖骨、第1跖骨、第1趾骨、第4跖骨、足弓、第5跖骨、第2～5趾骨。但是足弓的压力随着年龄的增大，承受的压力减退。魏东凌[4]对成年扁平足研究显示：扁平足的足底压力区域在足的中部和第1跖骨。陈瑞巧[3]在对3～5岁内“八字”群体研究说明：内八字足底压力承受最大区域是第4、3、2趾骨、第1趾骨、足跟内侧。说明不同的足底外形对足底的压力区域的改变具有显著性差异。笔者认为，通过对正常足底压力区域的比较分析，可以为以后矫形提供一定理论基础。

图3 左、右脚底压力均值比较

图4右脚足底冲量均值比较

冲量是反映力对时间的累积效应的物理量，是过程量。它能反映足在着地这段时期内垂直应力对足的作用效果[7]。由图4可知，参加测试者左右足底分区冲量除第1趾骨、足跟内侧没有差异(P>0.05)，其余区域均具有差异(P<0.05)。足底区域受冲量最大部位分别是足跟内、外侧，第2、3、4跖骨、足弓、第1跖骨、第1趾骨、最小在第2～5趾骨。张德荣[18]等人在对我国大学群体研究发现:大学生在行走过程中，足底各个区域冲量最大的部位是足的内、外侧，最小的部位则是第2～5趾骨。这与本文研究结果相同。笔者认为，青少年期间步态的特征对今后步态的稳定性具有积极的促进作用。梁玉[10]等人对老年群体步态研究表明：60岁组受试者平地自然走时，足部最大冲量部位在第2跖骨，其次是足跟、第3、1跖骨、第1趾骨、第4、5跖骨、第2～5趾骨、足弓。与本文对比说明，随着老年人的足底生理机制的改变，足底各区冲量也随之改变，变化最大的区域是足弓，而青少年足弓受承受的冲量接近足跟。另外，有研究表明：由于老年人本体感受器和肌肉、足底脂肪垫的萎缩等因素发生生理性退化，尤其是肌肉松弛可使足横弓失去原有的功能或已塌陷[9]。李艳霞[5]等人对肥胖青年足底分析表明：足底所受冲量最大的部位是足跟内侧，最小部位是第2～5趾骨，与本文研究得出结论基本相似。说明青少年的足底冲量值不会随着身体质量的增加而改变。叶松[16]对慢跑群体足底冲量分析表明：最大冲量部位在第2跖骨，各部位冲量由大到小依次为第1跖骨、第3跖骨、第1趾骨、足跟、第4跖骨、足弓、第2～5趾骨、第5跖骨，左右双足的分布规律基本一致。笔者认为，跑步可以改变足底冲量受力的部位，可以使得足底得到适当的缓冲时间。

由图5可知：左、右足十区域接触面积均值比较，可知左、右足底接触面积第1、2、3跖骨存在显著性差异(P<0.05)，其余区域均无差异(P>0.05)。接触面积最大的区域分别是足跟内、外侧以及第1趾骨，最小接触面积是第5跖骨。王枚[11]等人对7岁男童研究发现：足跖的接触面积最大，其次为足弓，而足趾的接触面积则比较小。笔者认为，导致这样的原因是行走过程中，除了第1趾骨外，第3～5趾骨基本不着地，从而第2～5的趾骨面积明显偏小。沈伟琴[13]对13～15岁青年少年步态研究表明：足底接触面积大小依次是足弓、足跟、第3～5跖骨、第2～5趾骨、第1趾骨、第2跖骨、第1跖骨。这与本文青少年步态的接触面的核心区域基本相近。魏东凌[4]对扁平足的步态研究表明：扁平足组中足接触面积以及接触面积百分比均显著高于正常足组(P<0.05)，而扁平足组足跟内侧以及第3跖骨处接触面积百分比显著低于正常足组(P<0.05)。栾天峰[15]对11～12岁肥胖儿童步态研究发现：肥胖儿童足弓区域接触面积较正常儿童显著增大。其中足底接触面积最大的是足弓、足跟内侧、第1跖骨，最小的是第5跖骨。导致足弓面积最大原因是体重的增大，降低了足弓的高度,使肥胖儿童足弓区域面积增大。王永慧[13]等对不同年龄健康人足底压力研究结果表明：20～29岁组足底接触面积前足、足跟、足弓、总足趾。因此，笔者认为，不同人群以正常步态行走时所产生的足底区域接触部位面积存在不同。

3.2 左、右足的接触面、步向角特点

图5 左、右脚接触面积均值比较

图6左、右步向角与不同体重的均值比较

所谓步向角就是足跟中点和第2跖骨的连线与行走方向的直线形成的夹角。正常人约为0～15度，足尖向内形成的步向角为负，足尖向外形成的步向角为正[13]。由图6可知：体重在35～40kg的测试者左、右脚步向角具有不显著性(P>0.05)。体重越轻者的左、右足的步向角越小，其中左足>右足，最大步向角11.4度、最小9.95度。这说明青少年的步向角比正常人的15度要偏小。而王新[11]对1～6岁幼儿步向角研究表明：随着年龄增长步向角有增加趋势，但1～6岁幼儿的步向角均小于成人水平。说明步向角具有很强的可塑性。这也为纠正“内八字足”和“外八字足”提供了可靠的时间段。曹丹丹[14]等人对儿童内八字足研究表明：与正常人足的步向角相比，步向角和足跟外翻具有显著性差异(P<0.01)；形成内八字步态的原因是足跟外翻。而陈巧瑞[3]得出足底最大压力与步向角有相关性。这说明步向角的改变会改变足底分区最大压强的分布。因此，正确的走姿是对足底压力正确缓冲，及对足的自我保护。

3.3 体重与足的压力、冲量、接触面积、步向角单因素方差分析

由表1可知：(1)足底压力、步向角、底冲量、足底接触面积与体重具有显著性差异(P<0.05)。足底压力等于垂直应力与接触面积的商，因此，体重与足底压力有明显关联。体重越大者足底各区域压力就越大。袁刚[17]等人研究认为，足底各部位压力之和与体重呈明显正相关(r=0.732,P<0.01)。这是因为足底各部位压力之和，也是体重以及身体前进动力之和。Cavanagh[8]等人研究表明在足底压力的形成中体重贡献为13.8%。这与本文研究结果相似。(2)体重越大者足底接触面积也随着增大。Birtane[7]等研究表明，体重指数与接触面积呈正相关。Gavante[9]等研究表明，体重较大者足的尺寸和足与支持面的接触面积也较大。(3)在本文研究中，体重越大足底各区域冲量也越大。张庆来[19]研究表明，正常青年人双足各区域冲量分布情况相比，肥胖人群均大于正常人群足底各区域所受地面反作用力的冲量。说明体重偏重者的足底冲量要比正常人的大。(4)体重与步向角具有显著性差异。研究发现体重越大者，测试者的步向角也逐渐增大。张少伟[6]研究表明，肥胖儿童的足步向角度平均为19.76±4.18度。而本文研究的青年少年则10.52±3.58度。笔者认为，体重偏重者容易形成外八字步态。因为体重较大者在行走时，身体重心在横向的平衡性比较差，因此，体重越大者需要通过足的外展来扩大下肢的足底面积，以增强身体行走过程中动态平衡性。

表1 不同体重段的单因素方差分析(n=200)

注：单因素方差分析采用levene方差齐性检验P>0.05。

4 研究结论

(1)青少年在行走过程时，左、右足的足底各区域压力已经接近成年人，尤其是足跟内、外侧、足弓区域压力，而第2～5趾骨的压力比成年人偏小。体重与各区域压力具有明显的相关性；左、右足的冲量和成年人相似，且左、右足各区域具有双峰型。其中第2跖骨、足跟内侧这两个区域最高，第2～5趾骨冲量最小，且体重与足底冲量具有显著相关。

(2)青少年在行走过程时，左、右足足底各区域接触面积最大的分别是足跟内、外侧和第1趾骨，青少年的足弓比成年人在接触面积要小的多。体重也是影响接触面积的重要因素。青年少年左、右步向角最大的是右足。体重越重者歩向角就越大。

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