背包重量与背包方式对儿童身体姿势的影响

朱厚伟 史曙生 申翠梅 郑哲 潘慧炬

1 南京师范大学体育科学学院（江苏南京210023）

2 浙江师范大学体育与健康科学学院（浙江金华321004）

儿童的课业负担越来越重，背包逐渐成为儿童的一种负担与压力，长时间重复背过重的背包往来于学校和住所之间对儿童快速发育的身体势必造成一定伤害。背包与儿童肌肉不适（musculoskeletal discomforts，MSD）存在一定关联[1-3]，负重状态下的身体姿势变化是导致儿童MSD的主要原因之一。背包会造成儿童非特异性颈部、肩部、背部疼痛以及身体姿势不良[4-9]，且长期错误背包姿势造成的脊柱畸形无法逆转[5，10-12]。

背包重量被认为是造成儿童身体姿势和足底压力变化的主要因素[7，9，13]，身体姿势及足底压力随着背包重量的增加也随之发生变化。但目前背包重量的控制范围存在争议，最大背包重量应控制在10%体重（body weight，BW）还是15%BW 范围内是争论的焦点[4，9，14-18]，调查显示我国儿童的背包重量在10%BW 与15%BW 之间[19]，甚至有些年龄段的儿童背包重量超过了20%BW[20]。

不同背包方式（前背双肩包、后背双肩包、单肩包）对身体姿势的影响已被证实，后背双肩包要优于其他背包方式[21-23]，交替背包能够有效缓解脊柱侧弯[21，22]，但交替背包的方式明显不适用于儿童。背双肩包时，背包的中心高度可能是影响身体姿势的一个潜在因素[24]。腰带和胸带的固定带设计[25]对缓解背包过重对身体姿势的影响起到一定作用。虽然目前少数厂商已将腰带加入到背包设计中，但缺乏科学性的论证。

背包过程中，影响儿童身体姿势变化的因素并不唯一，背包重量[26]、背包方式[6，27，28]、年龄[2，29，30]、性别[31，32]等多因素的影响又会产生交互作用。本研究分析儿童的年龄、性别、背包重量、背包方式对其身体姿势的独立影响和多因素的交互影响，探究合理的背包方式，为设计更加科学的儿童背包提供理论依据，以期引导儿童科学背包，减少不良身体姿势造成的儿童肌肉不适症及脊柱畸形的发生。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

杭州市某小学7～12 周岁的儿童，采用分层抽样法，将该抽样总体（该小学学生总体）分为7～9 周岁和10～12 周岁两个年龄段，每个年龄段抽取男、女生各9人，共计36人。受试者基本信息见表1。

表1 受试者基本信息（±s）

表1 受试者基本信息（±s）

分组男生女生年龄/岁7～9周岁10～12周岁7～9周岁10～12周岁n9 9 9 9身高（cm）130.00 ± 5.89 147.78 ± 3.54 134.11 ± 4.68 150.89 ± 2.07体重（kg）26.15 ± 2.21 35.47 ± 2.30 28.54 ± 1.96 39.23 ± 6.18 10%BW背包重量（kg）2.61 ± 0.22 3.55 ± 0.23 2.85 ± 0.2 3.92 ± 0.62 15%BW背包重量（kg）3.92 ± 0.33 5.32 ± 0.34 4.28 ± 0.30 5.89 ± 0.93

1.2 研究方法

1.2.1 实验变量、测试指标及实验设计

实验自变量：（1）年龄：将年龄自变量分为低年龄段（7～9周岁）和高年龄段（10～12周岁）。（2）性别：将性别自变量分为男和女。（3）背包重量：将背包重量分为10%BW（背包重量为体重的10%）和15%BW（背包重量为体重的15%）。（4）背包方式：背包方式Ⅰ和背包方式Ⅱ。

背包方式Ⅰ：将背包中心高度（相对于地面的高度）设置为高背包中心（简称高背）和低背包中心（简称低背）2 种，每位受试者通过调节书包带的长短达到改变背包中心高度的目的。背包中心定义：在背包两侧标出中心点（如图1 左书包上的两个红点），两侧中心点连线的中点为背包中心。将背包中心控制在受试者的L3（腰椎第3 节，肚脐向上一寸的位置）位置时为低背包中心位置；将背包中心控制在T7（胸椎第7 节，两侧肩胛骨下角的连线）位置为高背包中心位置。

背包方式Ⅱ：借鉴登山包的设计[33]，在背包上增加固定带（胸带与腰带统称固定带）（图1 右），背包方式Ⅱ分为有固定带和无固定带。

图1 实验背包

实验因变量：本研究因变量为身体姿势角度。颈曲角（vranio-vertebral angle，CVA）与头倾角（craniohorizontal angle，CHA）显示头部在水平面的倾斜和颈椎的弯曲程度[37]；矢状肩姿势角（sagittal shoulder posture angle，SSP）显示C7 与肩关节的相对位置，与颈椎弯曲和肩关节前倾形成的耸肩姿势有关；冠状肩姿势角（coronal shoulder posture angle ，CSP ）显示两侧肩膀的相对高度，与高低肩姿势有关；躯干角（truck angle ，TA）表示躯干的倾斜程度（见表2，图2）。

1.2.2 背包及重量装置

本实验采用儿童常用的双肩包为实验背包，该背包配有固定带（见图1）。实验重量装置采用常用书籍胶合而成的标准砝码（0.5 kg、1.0 kg、1.5 kg、2.0 kg）。

1.2.3 实验操作

测试前利用三维标定框架定义三维空间坐标，采用2台SONY DCRHC52E摄像机对整个实验过程进行记录。分别以背包重量（10%BW、15%BW）、背包方式Ⅰ（高背、低背）、背包方式Ⅱ（有、无固定带）三个不同变量，交叉组合成8 种行走方式，加之无背包自然行走，共9 次实验数据被记录（图3、4）。利用SIMI Motion 7.5运动解析系统对实验数据进行解析，提取受试者一个完整步态周期的实验数据（关节角度）并取平均值。每个受试者共参与9次实验，每次间隔3分钟以免受试者疲劳。

表2 身体角度的命名与定义

图2 头部身体姿势角度[38]

图3 实验摄像机和三维框架设置

图4 受试者某次完整的实验过程

1.2.4 统计学分析

采用SPSS20.0 软件，将获得的数据资料进行分类整理。采用单因素方差分析，对背包状态与无背包状态下受试者的身体姿势是否存在统计学差异进行分析；采用重复测量方差分析[39]，分析性别、年龄、背包重量、背包方式Ⅰ（高背、低背）及背包方式Ⅱ（有固定带、无固定带）对儿童身体姿势的主效应和交互效应。结果以平均值± 标准差（± s）表示，P 值检验标准为0.05，P＜0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 各变量之间CVA角度的重复测量方差分析

背包状态下CVA 角度小于无背包状态，差异具有统计学意义（P＜0.05）（表3）。

不同背包条件下，受试者的CVA 角度变化如表4所示：年龄[F（1，32）=979.56，P＜0.01，ηp2=0.97]、背包重量[F（1，32）=45.36，P＜0.01，ηp2=0.58]、背包方式Ⅰ[F（1，32）=431.12，P＜0.01，ηp2=0.93]、背包方式Ⅱ[F（1，32）=27.99，P＜0.01，ηp2=0.47]对CVA 角度的主效应显著，而男女之间CVA角度的差异不具有统计学意义。结合表3 中CVA 角度的变化可知，低年龄段儿童CVA 角度大于高年龄段；10%BW 负重下的CVA 角度大于15%BW时；低背时CVA 角度大于高背时；有固定带时CVA 角度大于无固定带时。

年龄与背包重量、背包方式Ⅰ、背包方式Ⅱ、背包重量×背包方式Ⅱ、背包方式Ⅰ×背包方式Ⅱ、背包重量×背包方式Ⅰ×背包方式Ⅱ的交互效应对CVA 角度的影响具有统计学意义（P＜0.05）；背包重量与背包方式Ⅰ、背包方式Ⅱ、背包方式Ⅰ×背包方式Ⅱ的交互效应对CVA角度的影响具有统计学意义（P＜0.01）。对交互作用进行简单效应分析发现，大部分的交互效应影响与主效应一致，值得注意的是背包重量与年龄的交互效应显著，高年龄段不同负重之间不存在显著差异，低年龄段不同背包重量之间存在显著性差异，且15%BW 负重下CVA 角度小于10%BW 时。年龄与背包方式Ⅱ的简单效应分析显示：低年龄段不同背包方式Ⅱ之间不存在显著性差异。背包重量、背包方式Ⅰ、背包方式Ⅱ与年龄因素4 个变量的交互影响显示：低年龄段、低背、有固定带、不同负重状态不存在显著性差异。结合表3发现，在15%BW负重下，低背、有固定带的背包方式对CVA角度影响明显小于其他方式。

表3 各实验条件下CVA角度比较

表4 各实验条件下受试者CVA角度的主体对比检验

（续表4）

2.2 各变量之间TA角度的重复测量方差分析

背包状态下TA角度小于无背包状态，差异具有统计学意义（P＜0.05）（表5）。

不同背包条件下，受试者TA角度变化如表6所示：年龄[F（1，32）=190.34，P＜0.01，ηp2=0.86]、背包重量[F（1，32）=578.71，P＜0.01，ηp2=0.95]、背包方式Ⅰ[F（1，32）=781.14，P＜0.01，ηp2=0.96]、背包方式Ⅱ[F（1，32）=18.62，P＜0.01，ηp2=0.36]对TA 角度的主效应影响具有统计学意义，男女之间TA角度的差异不具有统计学意义。结合表5 中TA 角度的变化可知，低年龄段儿童TA 角度大于高年龄段；10%BW 负重下TA 角度大于15%BW 时；低背时TA 角度大于高背时；有固定带时TA角度大于无固定带时。

年龄与背包方式Ⅰ、背包重量×背包方式Ⅰ、背包重量×背包方式Ⅱ的交互效应对TA角度的影响具有统计学意义（P＜0.05）；背包重量与背包方式Ⅰ、背包方式Ⅰ与背包方式Ⅱ的交互效应对TA 角度的影响具有统计学意义（P＜0.01）。对交互作用进行简单效应分析发现，交互效应影响与主效应基本一致。

表5 各实验条件下TA角度比较

（续表5）

表6 各实验条件下TA角度的主体对比检验

（续表6）

2.3 各变量之间SSP角度的重复测量方差分析

背包状态下（除10%BW 背包重量、低背）SSP 角度小于无背包状态，差异具有统计学意义（P＜0.05）（表7）。

不同背包状态下，受试者SSP 角度变化如表8 所示：性别[F（1，32）=4.36，P＜0.05，ηp2=0.12]、背包重量[F（1，32）=278.30，P＜0.01，ηp2=0.90]、背包方式Ⅰ[F（1，32）=751.79，P＜0.01，ηp2=0.95]、背包方式Ⅱ[F（1，32）=69.26，P＜0.01，ηp2=0.68]对SSP 角度的主效应影响具有统计学意义，不同年龄之间SSP 角度的差异不具有统计学意义。结合表7 中SSP角度的变化可知，男生SSP角度大于女生；10%BW 负重下SSP 角度大于15%BW时；有固定带时SSP角度大于无固定带。

性别与背包方式Ⅰ、年龄×背包方式Ⅰ的交互效应对SSP角度的影响具有统计学意义（P＜0.05）；背包重量与背包方式Ⅰ、背包方式Ⅱ，背包方式Ⅰ与背包方式Ⅱ的交互效应对SSP 角度的影响具有统计学意义（P＜0.05）。对交互作用进行简单效应分析发现，大部分的交互效应影响与主效应一致。对背包重量、背包方式Ⅰ、背包方式Ⅱ的交互作用进行简单效应检验发现，10%BW、低背时，有无固定方式之间的SSP角度差异不存在统计学意义。

表7 各实验条件下SSP角度比较

表8 各实验条件下SSP角度的主体对比检验

（续表8）

2.4 各变量之间CHA 角度、CSP 角度的重复测量方差分析

性别、年龄、背包重量、背包方式Ⅰ、背包方式Ⅱ对CHA 角度的影响不具有统计学意义，主效应不显著。背包方式Ⅰ、背包方式Ⅱ、性别及年龄的交互作用显著，高年龄段、低背、有固定带时，男女之间存在显著性差异，男性的CHA 角度大于女性，性别主效应被背包方式Ⅰ、背包方式Ⅱ及年龄的交互效应掩盖。

不同背包状态下，受试者CSP角度也在变化，年龄[F（1，32）=83.31，P＜0.01，ηp2=0.72]、背包方式Ⅰ[F（1，32）=681.35，P＜0.01，ηp2=0.95]、背包方式Ⅱ[F（1，32）=68.26，P＜0.01，ηp2=0.68]对CSP 角度变化的主效应影响具有统计学意义，高年龄段的CSP 角度明显大于低年龄段；低背时的CSP角度明显大于高背时；有固定带时的CSP 角度明显小于无固定带时，不存在各因素之间的交互影响。

3 讨论

与儿童背包相关的研究[27，40，41]指出，背包状态与无背包状态下，颈部、肩部、躯干姿势有明显的改变，这些变化可以依靠运动学的手段，以角度的变化展现出来。背包对儿童身体姿势影响的相关研究多集中于背包与MSD 的关系[42-44]、身体姿势的改变[5，12，27，34，40，45]、平衡能力[32，46]等，同时相关学者针对这一问题提出限定背包重量[4，16，18，47]、调整背包的中心高度[6，45，48，49]等应对方法。这些研究只单纯地讨论了单一因素，对多个因素之间是否存在交互影响的探讨较少。有研究[50，51]提出以拉杆背包替代手提背包，虽然拉杆包能够有效地减轻平地行走时的负担，但是拉杆背包增加了背包自身重量，在儿童上下楼梯时会造成更大的负担[51]。

本研究结果显示，高年龄段与低年龄段儿童的CVA、TA、CSP 角度差异具有统计学意义，意味着不同年龄段对身体姿势的主效应影响显著，说明年龄是影响儿童背包时身体姿势变化的因素之一。男女生仅SSP角度之间具有统计学意义，提示男女生背包时颈部姿势存在差异性。本研究的结果与国外研究结果基本一致，7～12周岁儿童处于骨骼快速生长时期，所以背包过重及其他外力可能会影响儿童良好身体姿势的形成。Dianat 等[5]对儿童背包重量与MSD 关系的研究显示，儿童年龄与MSD症状出现的概率呈负相关，特别是11～14周岁的儿童，因为他们的脊柱处于青春期发育的关键阶段，身体姿势更易因错误背包发生不良变化。本研究不支持背包对身体姿势的影响存在性别差异，但Qallaf[31]对沙特国王大学学生的研究发现，对女大学生而言，背10%BW 的背包会增加肩膀、颈部和背部的负担，引起更多身体姿势的变化，对动态平衡产生不利影响，该研究结果与本研究的差异性可能是由于实验对象不同（年龄段不同）导致的。

本研究结果显示，背包重量、背包方式Ⅰ和背包方式Ⅱ对CVA、TA、CSP、SSP 影响的主效应呈现显著性，说明背包重量、背包中心高度和固定带是影响儿童背包时身体姿势变化的因素，同时各因素对CHA 的主效应影响均不显著，仅背包方式Ⅰ、背包方式Ⅱ、性别及年龄交互效应显著，CHA 作为评价背包对儿童身体姿势影响指标的有效性尚不确定。

本研究中背包重量对儿童背包时身体姿势的影响与国外相关学者的研究基本一致。如Chansirinukor 等[34]发现在站立状态下，无负重和负重15%BW相比CVA和SSP 均存在显著性差异；与无负重状态相比，负重15%BW的儿童CVA 与SSP角度明显减小。Ramprasad等[47]对比青春期前儿童不同负重站姿状态下（0%BW、5%BW、10%BW、15%BW、20%BW、25%BW）身体姿势的变化发现，各项身体姿势指标随着重量增加而变化，当负重达到5%BW 时，青少年的TA 和下肢角度（lower limb angle，LLA）会发生显著性变化；当负重达到15%BW时，青少年的CVA会发生显著性变化；CVA角度由55.11°（0%BW）降低至51.49°（25%BW）。Mosaad 等[52]的研究指出，10 周岁左右的儿童在负重7.5%BW 的重量下，其身体姿势发生显著性变化。

本研究结果显示，低背、有固定带的背包方式能够有效地缓解背包重量带来的影响。前人对背包方式的研究主要集中在背包放置在不同的身体位置，如陆阿明等[22]对不同背包方式（后、前、右、左、后前交替、右左交替）行走对大学生脊柱角度影响的研究发现，交替背包方式能缓解单一背包方式对胸椎的影响，但是交替背包方式对儿童来说存在一定的困难。Zultowski 等[28]通过将双肩背包放置在人体质心（body center of mass，COM）处和COM 偏上15%的身高处发现，背包放置越高于COM，姿势摆动越大，身体越不稳定。

本研究通过对背包重量、背包中心高度和固定带的主效应进行分析，得出背包重量、背包中心高度和固定带对儿童身体姿势的影响显著，提示控制背包重量、采用低背+固定带的背包方式。同时，各因素的交互效应显示，背包重量与年龄的交互效应显著，高年龄段（10～12周岁）的儿童在10%BW与15%BW负重下CVA角度不存在差异。高年龄段CVA角度下降值明显大于低年龄段（7～9 周岁），说明7～9 周岁的儿童背10%BW的背包，身体姿势就会发生改变，随着重量的增加姿势的变化程度会加大；而10～12周岁的儿童背10%BW的背包时，CVA 的下降幅度已经与15%BW 一致，说明10～12 周岁的儿童更易受到背包重量的影响。因此推荐7～12 周岁儿童将背包重量控制在10%BW 以下，尤其是10～12 周岁；当背包重量高于10%BW 时，应采用低背+固定带（腰带和胸带）的背包方式。

随着背包重量的增加，人体所受重力也在增大。当重量增加到一定程度时，若背包带的拉力不足，身体则会后倾或后倒，此时身体会进行自我姿势调节，增加背部的支撑力来保持平衡。但脊柱的前倾会导致椎间盘的压缩应力增大，当身体的前倾角度越大、所背背包越重时，造成椎间盘突出的概率也越大[53]。背包重量的增加在一定程度上限制了颈部、头部及脊柱的活动能力，使肌肉长期处于抻拉状态，极易导致肌肉和关节的损伤。同时，背包的重量主要集中在肩部，导致MSD的风险增大。相较于低背包中心位置，高背包中心位置时，受试者竖脊肌和斜方肌的活动能力较强[50]。从基础力学角度出发，高背时背包重心与肩关节作用力点连线与躯干形成的角度大于低背时背包重心与肩关节作用力点的连线。根据能量守恒原理，背包带的拉力等于背包的重力和背部推力的合力，重心在肩关节作用力点的连线与躯干形成的角度越小，背部的支撑力越小。在背包重力不变的情况下，背部的支撑力越小，背包带的拉力也就越小。同时有研究指出，L3相对于T7更加靠近人体重心，有利于人体自我重心的调控[45]。采用高背方式会导致脊柱弯曲、骨盆前倾、肌肉的工作能力受到限制；固定带的加入不仅能够减少背包的晃动，还能有效缓解身体姿势的变化，说明固定带尤其是腰带承受了一定的背包重量。

4 总结

与无背包状态相比，当背包重量达到体重的10%时，大部分身体姿势的角度会因受到重量的影响而发生改变。背包重量增加到体重的15%时，所有身体姿势角度均发生显著改变，10～12周岁儿童的身体姿势受到背包重量的影响更大。因此推荐将7～12 周岁儿童的背包重量控制在其体重的10%以下，尤其是10～12周岁儿童。

将背包中心高度控制在较低位置（腰部）、背包加装腰带和胸带能够有效缓解背包重量带来的身体姿势变化；当背包重量高于体重的10%时，建议儿童采用低背+固定带（腰带和胸带）的背包方式。在背包设计中添加可拆卸的固定带（腰带和胸带），可在背包过重时缓解身体姿势的改变，有利于改善儿童MSD 及减少脊柱畸形的发生。

5 不足与展望

本研究仍存在一定不足：（1）7～12周岁儿童的身体正处于快速发育期，肌肉力量的增长是否与体重的增长相一致，相对力量的一致性是否会间接影响书包重量对儿童身体姿势的变化，值得进一步研究。（2）背包持续时间也是影响儿童身体姿势的重要因素之一，但由于实验条件限制，本研究未对该因素进行讨论，将在后续实验中弥补。