王 敏，陸阿明，張秋霞，王國棟

背包在現(xiàn)今人們的日常生活中扮演著重要的角色，孩子上學(xué)、青年旅行、成年人上班、軍事行軍、野外生存、登山訓(xùn)練等都離不開背包，但背包對人體的影響卻常常被忽視。背包這種負重方式，從外部施加載荷作用于人體，改變了人體重心的位置，為了對抗這種外加阻力的作用，保持人體平衡及穩(wěn)定，人體的步態(tài)和身體姿勢等必然也會做出相應(yīng)調(diào)整[1]。人體過長時間背部負重或者負重過重，則容易導(dǎo)致一系列足部、背部等的損傷問題。因此，更多的學(xué)者開始致力于研究不同載荷負重及不同方式負重對人體帶來的影響（包括負重后平衡能力的變化、身體姿勢的變化、步態(tài)的調(diào)整、肌肉活動變化、肺容量變化等方面），以達到不斷調(diào)節(jié)姿勢、減少疲勞、降低損傷風(fēng)險的目的。目前國外已經(jīng)大量開展背包對人體平衡能力、身體姿勢和步態(tài)的生物力學(xué)研究，但是國內(nèi)的相關(guān)研究卻相對較少。故本文意在總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者對背包條件下人體平衡能力、身體姿勢和步態(tài)變化的研究進展，為國內(nèi)的學(xué)者深入探討該領(lǐng)域提供參考依據(jù)。

1 背包對青少年平衡能力的影響

平衡能力是人體的一項重要功能，它是人體根據(jù)視覺、前庭覺和本體覺等多感覺輸入，在重心適度移動范圍內(nèi)的各種姿勢體位（靜態(tài)或動態(tài)）下負重、調(diào)整和維持姿勢穩(wěn)定的能力。平衡的外在表現(xiàn)是各種姿勢體位下的負重，以維持姿勢穩(wěn)定[2]。

質(zhì)心是物質(zhì)的質(zhì)量中心。人體總質(zhì)量中心 (center of mass,COM)是指人體整體質(zhì)量分布的加權(quán)平均位置[3]。人與地面接觸時,人體壓力中心 (center of pressure,COP)表現(xiàn)為人體向地面施加壓力的作用點。假設(shè)所有人體接觸點都在測力臺上的話，壓力中心是來自一塊測力臺的垂直地面反作用力矢量的位置，而這個位置取決于足部的位置和踝部的肌肉運動[4-5]。

人體質(zhì)量中心（COM）和人體壓力中心（COP）的變化可以真實地反映人體平衡能力的變化。

1.1 不同背包載荷對青少年平衡能力的影響

有研究表明，不同重量的背包會引起人體質(zhì)量中心（COM）的變化。Menz等[6]認為，由于背部的負重載荷，導(dǎo)致總體的COM位置以及質(zhì)量都發(fā)生了變化，因此，人體必須改變行走的步態(tài)以保持平衡，從而適應(yīng)載荷的施加。人體壓力中心（COP）的軌跡長度、包絡(luò)面積、前后及左右偏移位移和動搖速度等指標均能有效地反映出人體平衡能力的好壞，這些指標的值越小說明平衡能力越好，反之亦然（如圖 1、2），圖 1反應(yīng)受試者的平衡能力相對較差，圖2反應(yīng)受試者的平衡能力相對較好。COP的變化是背包引起的另一個顯著性變化。Pau等[7]對小孩背包的研究發(fā)現(xiàn)，不同背包重量時COP在前后方向的變化有顯著性差異，且背包越重時COP越向前腳掌移動，而COP在左右方向的移動則無顯著性差異。這表明，過度負重不僅能增加腳不舒適的風(fēng)險，并且可能導(dǎo)致腳的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變或者病變。與其研究結(jié)果相似的是，有研究針對不同背包負荷[0%、7.5%、10%、12.5%、15%身體重量(BW)]對脊柱側(cè)彎女生和脊柱正常女生（平均年齡均為13歲）的站立姿勢和平衡的影響，發(fā)現(xiàn)，無論是正常組還是脊柱側(cè)彎組均是背包越重COP在前后方向的移動范圍越大，脊柱側(cè)彎組在左右方向的平衡遠弱于正常組在此方向的平衡，但是背包重量主要是影響前后方向的平衡。這表明背包負重既影響了軀干在矢狀面內(nèi)的平衡，也影響了軀干在冠狀面內(nèi)的平衡[8]。也有少數(shù)學(xué)者研究了軍用背包對戰(zhàn)士平衡能力的影響。Heller等[9]對43名 18～25歲的女大學(xué)生背 0 kg和18.1 kg的軍用背包的靜態(tài)姿勢穩(wěn)定性作了相關(guān)研究，指出同不負重相比，背18.1 kg包時COP的軌跡長度增加了64%、左右偏移位移增加了131%、前后偏移位移增加了54%、COP包絡(luò)面積增加了229%。這些都表明，背18.1 kg的軍用背包會導(dǎo)致姿勢搖晃增加，平衡能力降低，進而會增加摔倒和受傷的幾率。Rugelj等人[10-11]的研究結(jié)果也顯示，背上負重時，COP的軌跡長度、前后和左右方向的位移、包絡(luò)面積均隨著載荷的增加呈現(xiàn)線性增加。

結(jié)合相關(guān)研究[12-14]，可以推論，背部負重會增加身體整體的重量，使整個身體的COM上移，這將會導(dǎo)致姿勢控制的有效性降低，增加姿勢搖晃，從而會降低人體的平衡能力。

當人體保持平衡時，COP就固定在一個相對穩(wěn)定的位置，而當外界給予人體一定程度負重后，較原先的位置而言，會導(dǎo)致COP增加前后左右方向晃動的位移，姿勢搖晃增加，從而降低人體的平衡能力。

圖1 COP軌跡長度大Figure 1 Longer COP Trajectory Length

圖2 COP軌跡長度小Figure 2 Shorter COP Trajectory Length

1.2 不同背包位置/方式對青少年平衡能力的影響

除研究不同重量負荷之外，也有學(xué)者研究了不同背包位置及背包方式對青少年平衡[d1]能力的影響。背包位置/方式不同，COP相關(guān)指標的變化不同。Rugelj等人[10-11]研究了在背上負重（背包）和腰上負重（腰夾克）兩種不同負重位置分別對姿勢穩(wěn)定性的影響，結(jié)果顯示，背上負重時COP的軌跡長度、前后和左右方向的位移、包絡(luò)面積均呈現(xiàn)線性增加。但是，腰上負重時COP的這些指標卻沒有發(fā)現(xiàn)顯著性差異。這說明，負重位置對姿勢的穩(wěn)定性具有顯著性影響。不同背包方式同樣能夠影響人體的平衡能力。Sahli等[15]對14～15歲的脊柱側(cè)彎青少年背包方式影響平衡的研究認為，雙肩背相比較于單側(cè)凸面單肩背而言，COP的所有參數(shù)值明顯降低；背包方式和背包重量的交互作用對姿勢穩(wěn)定性（COP移動范圍）有顯著性影響。這表明不對稱的背包方式和背包重量對姿勢穩(wěn)定性的影響較大。

從以上兩方面的研究中不難發(fā)現(xiàn)，不僅負荷重量對平衡能力有顯著性影響，而且負重方式也對平衡能力有著顯著性影響。研究發(fā)現(xiàn)，背部負重時，COP的一些相關(guān)指標與無負重條件下相比均有顯著性差異，載荷越重對平衡能力的影響越明顯，人體姿勢在對稱性負荷條件下比在非對稱性負荷條件下更穩(wěn)定。

根據(jù)相關(guān)研究可知[8,15]，非對稱性負重時，COP的前后及左右方向移動距離較對稱性負重時顯著增加，特別是前后方向的移動距離變化尤為明顯。從COP位置的變化我們可以推論得出，COP變化幅度越大，身體姿勢控制有效性越低，從而導(dǎo)致身體平衡能力越差。

2 背包對青少年身體姿勢的影響

人體在負重條件下，不僅會使人體質(zhì)量中心及人體壓力中心發(fā)生改變，而且當載荷達到一定程度后將會改變與人體身體姿勢密切相關(guān)的關(guān)節(jié)角度及脊柱曲線。

2.1 不同背包載荷對身體姿勢的影響

一定重量的背包會明顯改變青少年身體姿勢角度，如Ramprasad 等[16]對 200 名（12.5±0.5）歲的健康男學(xué)生背包負重5%、10%、15%、20%和25%BW時對姿勢角度的影響研究，研究發(fā)現(xiàn)當背包重于 15%BW時寰枕關(guān)節(jié)（CV）角度發(fā)生顯著性變化；當背包重于10%BW時頸椎（HON）和脊柱（HNOT）角度發(fā)生顯著性變化；當背包重于 5%BW時軀干和下肢間的角度發(fā)生顯著性變化；當背包重量大于15%BW時，所有的姿勢角度都會發(fā)生變化。而Grimmer等[17]對 250名 12～18歲的青少年背 3種不同重量（3%、5%、10%BW）的背包對站立姿勢的影響進行分析時表明，所有解剖點（頭、頸、肩、臀、大腿、膝、踝）的向前位移均隨著背包重量的增加呈現(xiàn)線性增大。Chow、Kwok等[18]也針對不同背包負荷（0%、7.5%、10%、12.5%、15%BW）對脊柱側(cè)彎女生和脊柱正常女生（平均年齡均為13歲）的站立姿勢和平衡的影響進行了研究，指出在矢狀面上，脊柱側(cè)凸組頭部的傾斜度明顯大于正常組；背包越重，軀干向右旋轉(zhuǎn)度越大且軀干彎曲度也增大，軀干和骨盆間的彎曲度也越大，頭部向軀干的左側(cè)旋轉(zhuǎn)且頭部間的彎曲度減小，頭部越向后轉(zhuǎn)動向第7頸椎（C7）靠近。表明背包負荷既影響了軀干在矢狀面內(nèi)的平衡也影響了軀干在冠狀面內(nèi)的平衡。

背包后身體傾斜程度的改變最為明顯，如Hong、Brueggemann[19]等對 10歲男孩背包負重（0%、10%、15%、20%BW）走時步態(tài)的變化研究，結(jié)果顯示，與 0%BW相比，20%BW負重時軀干明顯向前傾，結(jié)果提示，10歲小孩背包重量不能超過身體重量的10%BW。而Hong、Cheung[19]等對11個9～10歲的小學(xué)生在背包負重條件下平路行走的步態(tài)和姿勢進行了實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)相比于0%、10%和15%BW負重，20%BW負重時身體前傾角度發(fā)生明顯變化，此研究則表明小學(xué)生的背包重量不應(yīng)該超過15%BW。類似地，Singh[21]等對 17名（9.65±1.58）歲的小學(xué)生在跑步機上分別負重10%、15%、20%BW行走，獲取兒童的姿勢變化，分析數(shù)據(jù)顯示，大體呈現(xiàn)出背包越重，身體前傾越嚴重的趨勢。

從以上研究中可見，隨著負重載荷的增加，軀干角度會產(chǎn)生顯著變化，身體會有更大幅度的前傾，說明背包重量對身體姿勢有著顯著的影響。

而與以上結(jié)論相悖的是，Al-Khabbaz等[22]對 19 名（21±3）歲的大學(xué)生在4種不同重量 （0%、10%、15%、20%BW）的背包條件下對身體姿勢的影響研究發(fā)現(xiàn)，隨著負重的增加，身體后傾程度幾乎一樣，只有20%BW時姿勢改變最顯著，所以背包重量不應(yīng)超過20%BW。他們表明身體向后傾的原因可能是當有外加負荷時，腹直肌的反平衡反應(yīng)不足，導(dǎo)致身體向一個新的補償性姿勢轉(zhuǎn)變。

學(xué)者們之間的研究得出一些相互矛盾的結(jié)論，分析其原因，可能是因為研究對象的不同以及實驗條件的控制方面不同?？梢?，不同背包載荷對身體姿勢的影響還有待廣大學(xué)者們進一步進行研究論證。

2.2 不同背包位置/方式對身體姿勢的影響

青少年的身體姿勢同樣會因背包而發(fā)生變化，但與所背包的位置及背包方式有關(guān)。Grimmer等[17]對250名12～18歲的青少年背包，其重心分別在第 7胸椎（T7）、第 12胸椎（T12）和第3腰椎（L3）時對站立姿勢的影響進行分析時指出，當背包重心在T7時所有的解剖點（頭、頸、肩、臀、大腿、膝、踝）均有最大向前位移，此研究表明背包重心應(yīng)該在腰或者髖的水平位置上最佳，推翻了“背包應(yīng)該背在脊柱上方”這一經(jīng)驗法則。而與其結(jié)論有些相違背的是，Singh、Koh[21]等對 17 名（9.65±1.58）歲的小學(xué)生在跑步機上負重行走，獲取不同背包位置條件下兒童的姿勢變化，分析數(shù)據(jù)顯示，靜態(tài)條件下，呈現(xiàn)出背包位置在下背部身體前傾最嚴重；動態(tài)條件下兩種負重形式無顯著性差異，但背包在上背部時出現(xiàn)輕微向前傾的趨勢。Negrini等[23]對43名平均年齡在（12.5±0.5）歲的學(xué)生進行對稱性和非對稱性背包負重對姿勢的影響進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)8 kg非對稱性負重時軀干向前傾，腰椎角度減??；非對稱負重時，所有解剖面均發(fā)生變化，而對稱性負重時則無明顯變化。這表明學(xué)生背包應(yīng)避免非對稱負重，應(yīng)該對稱性背包。在相關(guān)的研究中同樣觀察到類似現(xiàn)象,Chansirinukor等[24]指出,背15%BW的雙肩包時，顱椎角顯著性減小,頭前傾程度更大。Pascoe等[25]研究了10名年齡在11～13歲的青少年以4種方式(無包、單肩書包、雙肩包、單肩運動包)背17%BW的書包靜止站立狀態(tài)下的身體姿勢變化，結(jié)果指出，背單肩包時支撐肩顯著性上升，脊柱側(cè)彎，但軀干活動度更大；背雙肩包時軀干前傾角更大，但活動度受限。

除了背包后即刻身體姿勢會發(fā)生變化之外，背包對身體姿勢的變化同樣存在滯后效應(yīng)。Hung-Kay等[26]對14名健康的25～35歲的青年人背包負重行走后對姿勢和重新定位能力影響的滯后效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，背包行走后取下背包之后軀干姿勢和重新定位能力均不能完全恢復(fù)；背包過程中，脊柱彎曲有明顯的變化，也增加了脊柱重新定位的錯誤，增加了脊柱損傷的風(fēng)險。

可見，背包對身體姿勢變化及其滯后效應(yīng)這方面在國外學(xué)者的研究中是比較熱門的話題，背包對人體姿勢到底有著怎樣的影響，還需要更多的學(xué)者投入研究給出定論。

大量研究顯示，背包負重對身體姿勢的影響研究主要集中在青少年，而針對中老年人背包對身體姿勢影響研究卻屈指可數(shù)，特別在老年人這一人群上。隨著現(xiàn)代社會的逐漸老齡化，為了保證老年人較高的生活質(zhì)量，研究背包對老年人身體姿勢的影響顯得尤為重要。

3 背包對青少年步態(tài)的影響

眾所周知，步態(tài)的生物力學(xué)分析在人類學(xué)、體育學(xué)、軍事學(xué)、宇航學(xué)等領(lǐng)域都已有了廣泛的研究，但因為人在負重條件下行走的步態(tài)研究比較復(fù)雜，行走時各種變量相互影響導(dǎo)致人體在背包負重條件下的相關(guān)研究卻明顯不足。不同行走速度、不同負重量、不同負重方式都會成為影響步態(tài)模式的重要因素[27]。國外的相關(guān)研究已經(jīng)表明，不同背包載荷對步態(tài)的動作結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大影響。

3.1 背包對兒童少年步態(tài)的影響

步態(tài)的質(zhì)量高低與運動系統(tǒng)所承載的負荷密切相關(guān)[28]。因而，兒童背包后勢必會影響其正常步態(tài)。現(xiàn)有實驗研究資料對兒童背不同重量的書包在跑臺行走和平地步行時步態(tài)改變進行研究發(fā)現(xiàn)，背書包后步態(tài)參數(shù)出現(xiàn)顯著變化，表現(xiàn)為步速減慢、步長減小、雙支撐相延長等[24，29-30]。也有相關(guān)學(xué)者得出相似結(jié)論，如 Singh等[31]對 17名（9.65±1.58）歲的小學(xué)生分別負重10%、15%、20%BW時在跑步機上行走，獲取不同背包負重位置條件下的時空運動學(xué)參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，負重條件下的平均步速和平均步頻明顯小于無負重條件下的平均步速和步頻；背包重量為20%BW時的平均步速最??；背包位置在上背部時的平均步頻明顯少于無負重條件的步頻。這說明了20%BW負重條件下行走兒童的步態(tài)模式已經(jīng)發(fā)生了變化，因此，通過需要相應(yīng)的改變來盡量減少兒童步態(tài)的不穩(wěn)定性，并且背包負重不要超過20%BW。而與以上結(jié)論相悖的是，相關(guān)學(xué)者表明兒童的背包重量不應(yīng)超過身體質(zhì)量的15%，Hong等[32]對11名9～10歲的小學(xué)生在背包條件下平路行走步態(tài)的相關(guān)參數(shù)進行了實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)步速和步長在2 km之后才有明顯變化，而步頻隨負重大小變化卻沒有明顯變化；但相比于0%、10%和15%BW負重，20%BW負重時身體前傾角度發(fā)生明顯變化。研究結(jié)論提示小學(xué)生的背包重量不應(yīng)該15%BW。

3.2 背包對青年人步態(tài)的影響

青年人背包行走時對其步態(tài)同樣產(chǎn)生明顯變化。Charteris[33]選擇45名青年男性受試者分別背負20%、30%、40%、50%和 60%BW，在平地行走40 m研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著背包載荷的增加，雙支撐時間增大趨勢明顯，步幅有下降趨勢，下肢關(guān)節(jié)角度也隨之發(fā)生了變化。

從以上研究中可見，目前對于負重條件下步態(tài)的時空參數(shù)變化，學(xué)者們普遍認為，負重條件下行走，當負重達到20%BW時擺動時間會大幅度下降，擺動期最大屈膝幅度減小，這樣也同時導(dǎo)致雙支撐時間百分比的增加。

4 小結(jié)

4.1 背包重量、背包位置及方式均對青少年平衡能力和身體姿勢造成一定影響。隨著背包載荷的增加，COM和COP的一些相關(guān)指標與無負重條件下相比均有顯著性差異，載荷越重人體姿勢穩(wěn)定性越低；人體姿勢在對稱性負荷條件下比在非對稱性負荷條件下更穩(wěn)定。大部分學(xué)者認為，隨著背包載荷的增加，軀干角度會產(chǎn)生顯著變化，身體會有更大幅度的前傾，說明背包重量對身體姿勢有著顯著的影響；但是也有學(xué)者認為，背包條件下身體會向后傾斜，特別是當負重達到身體重量的20%后身體后傾幅度明顯增大。學(xué)者們之間的研究得出一些相互矛盾的結(jié)論，分析其原因，可能是因為研究對象的不同以及實驗條件的控制方面不同所致?？梢?，背包對身體姿勢的影響還有待廣大學(xué)者們進一步進行研究論證。

4.2 目前對于背包條件下行走步態(tài)的時空參數(shù)的變化，學(xué)者們普遍認為，當背包達到身體重量的20%時擺動時間會大幅度下降，擺動期最大屈膝幅度減小，這樣也同時導(dǎo)致雙支撐時間百分比的增加。

5 問題與展望

國外學(xué)者們對背包影響青少年平衡、身體姿勢及步態(tài)的研究已有較為顯著的研究成果，主要集中在不同背包載荷對其的影響，但是就不同背包方式及不同背包位置對這3方面的影響的研究卻相對較少，而針對背包對平衡能力、身體姿勢及步態(tài)影響的滯后效應(yīng)的研究更是寥寥無幾；另外，到目前為止，學(xué)者們大量的研究都集中在背包對青少年平衡能力、身體姿勢及步態(tài)影響的研究上，卻只有少量的學(xué)者研究了成年人背包對其的影響，隨著現(xiàn)代化生活質(zhì)量的提高，中老年人背包旅行的現(xiàn)象也日益突現(xiàn)，而針對中老年人背包影響平衡、身體姿勢及步態(tài)的研究卻屈指可數(shù)，特別在老年人這一人群上。故這就提示了我國學(xué)者可以從以上幾點針對背包對人體平衡能力、身體姿勢及步態(tài)的影響進行進一步探索研究。

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