不同背包重量及其重心位置對靜態姿勢穩定性的影響

吳金龍，陸阿明

(蘇州大學 體育學院,江蘇 蘇州 215006)

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·運動生物力學·

不同背包重量及其重心位置對靜態姿勢穩定性的影響

吳金龍，陸阿明

(蘇州大學 體育學院,江蘇 蘇州 215006)

摘要：研究目的：比較不同背包重心位置及重量對于人體靜態姿勢穩定性的影響，為預防背包負重導致的摔倒提供理論依據。研究方法：選取13名青年學生作為研究對象，自然站立于力臺(Kistler)上，分別測試背包重量為0%、10%、20%身體重量(BW)以及背包重心位置為上背、中背、下背的足底壓力中心(COP)動搖，采用雙因素重復測量方差分析來確定不同背包重量和不同背包重心位置對COP動搖各指標影響的主效應以及交互效應。研究結果：背包重量對于COP動搖各指標主效應都顯著(P<0.05)。上背時，背包負重相比0%BW，COP動搖各項指標都顯著性增加(P<0.05)，中背和下背時負重相比于0%BW主要導致人體在左右方向動搖增加(P<0.05)。背包重心位置對姿勢穩定性各項指標的主效應都不顯著(P>0.05)。結論：背包重心位置對靜態姿勢穩定性沒有顯著性影響，背包重量導致姿勢動搖增加，上背時負重增加導致人體前后、左右都不穩定，而中背和下背時負重增加只影響左右方向的姿勢穩定性，應盡量減少背包負重的重量，推薦中背和下背背包，或者變背包為拉桿包。

關鍵詞：背包重量；背包重心位置；足底壓力中心；姿勢動搖

背包作為最有效率的運輸方式之一，廣泛應用于孩子上學、休閑旅行、軍事行軍、成年人上下班、工人搬運等，調查顯示：大多數學生背包重量超過自身體重的10%[1,2]，士兵背包重量達到了50kg[3]，娛樂旅行背包重量范圍在8~35kg[4]。背包作為外加負荷作用于人體能夠影響人體靜態站立姿勢穩定性[5, 6]，靜態站立姿勢穩定性與平衡密切相關，穩定性變差就很容易導致摔倒。雖然背包負重出現在行走這一動態的過程，但是這一動態的過程都是從失去平衡的靜止站立狀態開始的，所以研究背包負重的靜態姿勢穩定性是很有必要[7]。

目前，有關背包的研究主要集中于步態[8,9]、生理[10-12]、主觀反應[13,14]等，研究背包負重對于靜態姿勢穩定性的影響相對較少。Goh等人[15]認為背包能夠增加人的穩定性，因為它增加了人和包這一系統的慣性，SAKO等人[7]也發現隨著背包重量的增加，人體穩定性增加。但是，Heller等人[16]選取了平均年齡為20歲的女性大學生為研究對象，對比分析無負重和背包負重為18.1kg時的靜態姿勢穩定性，負重相比無負重時姿勢動搖更大，身體越不穩定。Rugelj[17]和Schiffman[3]等人也發現隨著背包負荷的增加，姿勢動搖更大。除此之外，背包重心位置也影響姿勢的穩定性，在實際生活中，我們發現很多學生喜歡將背包放置在腰部，而休閑旅行者喜歡將包背在背的上部[14]，大約33.6%和30.6%的士兵將他們的背包放置在下背和上背部[18]。Xingda等人[19]通過將雙肩背包放置在人體質心(COM)處和COM上15%的身高處發現，背包放置越高于COM，姿勢擺動越大，身體越不穩定。Rosker等人[6]也發現隨著人體質心的升高，姿勢動搖增加。以上關于背包對于靜態姿勢穩定性的研究主要從單個因素出發，同時研究不同背包重心位置和不同背包重量的不多，并且研究結論存在矛盾，對于背包重心位置和背包重量的設定缺乏對生活中的實際參考。因此，本文綜合研究不同背包重心位置及重量對于人體靜態姿勢穩定性的影響，為預防背包負重導致的摔倒提供理論依據，并且為背包的位置提供推薦。

1材料與方法

1.1　受試者

選取13名蘇州大學體育學院學生，受試者基本信息見表1，受試者BMI均在正常范圍內，年齡、身高選擇盡量相差較小，以減少這些無關因素對姿勢穩定性的影響[20,21]。所有受試者身體健康狀況良好，無神經肌肉失調、下肢損傷、背部疼痛或者影響平衡能力的損傷。

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1.2　數據收集

每個受試者背包采用自制的雙肩包(見圖1)，背包框架重3Kg，可以通過增加啞鈴片來調節背包重量，分別測試背包重量為10%、20%BW時的姿勢穩定性，將背包的重心分別放置在背部三種不同的位置，即下背：背包重心平第4腰椎(L4)，中背：背包重心平第11胸椎(T11)，上背：背包重心平第5胸椎(T5)。背包重心確定采用懸垂法，并且添加背包重量都是對稱的。兩種背包重量和三種背包重心位置組成六次實驗情況，再加上0%BW的測試，每個受試者進行七次靜態姿勢穩定性實驗，實驗采用隨機原則。

測試時，要求受試者安靜站立于力臺(瑞士Kistler)上，雙腳并攏，雙臂自然放于身體兩側，目視前方2m處‘‘X’’[17]，待受試者安靜站于力臺上后，收集70s的數據，采樣頻率為1 000Hz，去除前5s和后5s來避免不穩定的影響，為消除疲勞的影響，每次測試后休息2min。原始數據經導出后導入Matlab7.0，運用自編的程序進行分析，分析的指標包括：②COP包絡面積(Area)，②COP在前后(AP)、左右(ML)方向位移的均方根值(RMSx、RMSy)，③COP在AP、ML方向最大的偏移(Mx、My)。COP包絡面積是由COP所有外圍的邊界圍成，被認為是判定姿勢穩定性的標準[22]。位移的均方根值與姿勢控制中心的有效性或者是穩定性相關[23,24]。COP在最大偏移指AP、ML方向最遠點之間的距離，偏移越大、姿勢穩定性越差。

1.3　數據分析

所有數據的整理、分析使用軟件Microsoft excel2003、SPSS18.0結合進行，各數據以均值±標準差表示。采用雙因素重復測量方差分析(ANOVA)來確定不同背包重量(0%、10%、20%BW)和不同背包高度(上背、中背、下背)對COP動搖各指標的主效應以及它們的交互作用，若主效應顯著則進行事后檢驗，檢驗水準α為0.05。

圖1　背包20%BW測試

圖2　60s的COP動搖連線圖

2研究結果

不管是20%BW還是10%BW的背包負重，靜態姿勢的動搖較0%BW均有顯著增加。雙因素重復測量方差分析表明背包重量對于姿勢穩定性各指標都有顯著的主效應：Area(F(2)=6.53，P=0.005) ，Mx(F(2)=4.04，P=0.032)，My(F(2)=10.32，P=0.001)，RMSx (F(2)=5.67，P=0.01)，RMSy(F(2)=7.36，P=0.003)，事后檢驗發現：高背時，相對于0%BW，20%BW在上背時對姿勢穩定性的指標Area、Mx、My、RMSx、RMSy分別提高了47.5%、33.7%、29.2%、32.4%、18%(見圖3)，相對于10%BW，20%BW在Area、Mx、RMSx分別提高了32.2%、29.6%、33.2%。中背時，相對于0%BW，20%、10%BW在My分別提高了16.8%、23.8%(見圖3c)，其他指標未見顯著性差異。下背時20%BW相對于0%BW在指標My、RMSy分別提高了18.8%、14.9%(見圖3ce)。事后檢驗表明20%BW相對于10%、0%BW以及10%BW相對于0%BW能顯著增加身體在AP、ML方向的動搖。

背包重心高度對姿勢穩定性各指標的主效應都不顯著(P>0.05)，其中: Area(F(2)=0.59，P=0.512) ，Mx(F(2)=2.901，P=0.088)，My(F(2)=1.15，P=0.33)，RMSx (F(2)=2.99，P=0.075)，RMSy(F(2)=0.21，P=0.76)，表明背包高度對姿勢擺動無顯著性影響。

背包重量與背包重心高度的交互效應對姿勢穩定性各指標的的影響分別為：Area(F(2)=1.63，P=0.197) ，Mx(F(2)=1.79，P=0.181)，My(F(2)=1.171，P=0.332)，RMSx (F(2)=3.34，P=0.028)，RMSy(F(2)=0.218，P=0.890)。其中，交互效應中只有RMSx有顯著性差異，進行簡單效應分析后發現，交互效應只出現在上背，事后檢驗表明上背時20%BW的RMSx值顯著大于0%BW(P=0.001)和10%BW(P=0.001)，說明AP方向的靜態姿勢穩定性在上背時顯著受背包重量的影響。

圖3　不同背包重心位置和不同背包重量對Area、Mx、My、RMSx、RMSy的影響(相比較0%BW，* p<0.05,** P<0.01，相比較10%BW，# P<0.05，## P<0.01)

3討論

3.1　背包負重增加姿勢擺動

3.1.1上背導致姿勢不穩。穩定性是指在沒有改變支撐面的情況下維持或者恢復垂直站立狀態平衡的能力[23]，反映姿勢穩定性最常用的方法是用力臺來測試壓力中心(COP)的動搖[25](見圖2)，COP動搖越大說明姿勢穩定性越差。背包負重作為外加載荷作用于人體，改變了身體質心的位置，為了對抗這種外加阻力的作用，保持身體平衡及穩定，人的身體姿勢必然也會做出相應調整。Heller等人[16]研究了負重18.1kg與無負重時年輕女性受試者的姿勢動搖發現，COP動搖的各指標都增加了50%以上。另外，研究發現COP動搖隨著背包重量增加而成直線的增加[3,17]。本研究中，背包處于上背時，20%BW的背包重量相比于0%BW和10%BW顯著增加了COP在A-P、M-L方向的動搖(見圖1)，姿勢動搖增加說明人體重心在向支撐面的邊界靠近從而導致摔倒的可能。有研究顯示，姿勢動搖增加對于社區老年人摔倒具有指示的作用[26]，COP動搖越大，越容易摔倒。

“倒鐘擺理論”認為人體的穩定性與COM距離支撐面的高度成負相關[27,28]，COM位置越高，穩定性越低。增加背包重量提高了人體COM位置[28]，從而導致COP動搖更大。在一般情況下，機體通過調節踝關節來維持COP在站立面之內，人在靜態站立時，增加背包重量導致身體靜態站立時角加速度增加，為了抵消這一角加速度，踝關節肌肉產生較大的凈肌力矩和較大的凈肌力矩變化率，增加的凈肌肉力矩導致的肌肉力量與肌力不穩定密切相關[29,30]，增加的凈肌力矩、凈肌力矩變化率、肌力不穩定共同導致了靜態站立時COP動搖的增加，進而引起姿勢不穩定性增加。

人類站立姿勢天生就是不穩定的，是通過整合來自視覺、本體感覺、前廳感覺信號來維持的[31]，任何影響感覺系統或者反饋機制的因素都會影響站立的穩定性和平衡。20%BW和10%BW的背包負重導致肌肉激活方式發生變化，從而影響人體的本體感覺，引起姿勢穩定性的反饋機制發生變化，為了避免失去平衡，任何遠離平衡位置的偏移都需要機體來調整以回到平衡位，從而導致了COP動搖的增加。除此之外，背包負重增加了心血管系統的負擔，導致心率增加和呼吸改變來適應負荷，內臟器官活動導致COP的動搖增加[32]。

3.1.2中背和下背只導致ML方向不穩定。本研究中背包處于中背和下背時，20%BW背包重量相比0%BW顯著增加了My、RMSy(見圖3ce)，導致COP在ML方向動搖增加，COP在ML方向動搖增加容易導致摔倒。Pilwon 等人[33]研究了消防員使用的不同大小的呼吸罐對姿勢控制的影響，他們發現9.1kg的呼吸罐只導致ML方向動搖增加，而對AP方向動搖沒有影響。Winter[34]認為靜態姿勢動搖在ML方向的控制機制不同于AP方向，調節采用“負荷-無負荷策略”。在靜態站立時，AP方向穩定性調節主要通過踝關節的伸肌和屈肌，而ML方向由于踝關節內翻肌和外翻肌不夠強大而不能產生足夠的平衡力矩，導致ML方向穩定性的調節的主要通過髖關節的內收肌和外展肌。通過在實驗中的觀察以及文獻研究發現，背包負重導致身體前傾[35]，踝關節背屈，踝關節背屈拉長了踝關節跖屈肌群，使跖屈肌群繃緊[36]，繃緊的跖屈肌群產生的力量來補償背包負重產生的破壞穩定的力矩，從而調節AP方向的姿勢穩定，而ML方向卻沒有此調節。

3.2　背包高度對姿勢動搖影響不顯著性

背包重心高度改變直接導致人體重心位置發生變化，基于人體靜態站立時的“倒鐘擺模型”推測，人體通過腳底的COP來調整COM[28]，在這一模型中對于COM在水平方向的加速， COP和它是成比例的[28]，COM位置越高，COP動搖越大。SAKO等人[7]比較了背包重量分別為23、33、43kg以及背包位置為背部三種高度下的姿勢穩定性，發現背包位置越低、COP軌跡長度越短，姿勢越穩定。Rosker等人[6]將重物系在腰間和舉在肩上，并且計算人體COM的變化的高度發現，COM從自然位置升高5.4cm和13.5cm導致COP擺動的指標呈線性上升。Xingda等人[19]也發現背包位置相對于COM越高，COP動搖越大。

本文將背包重心位置分為三個高度，分別平L4、T11、T5，每個高度測試了0%、10%、20%BW背包負重時的姿勢穩定性，背包負重的重量模擬年輕學生平時負重重量，其中， 10%BW背包重量為6.65kg左右，20%BW背包重量為13.12kg左右，而SAKO等人研究的背包重量最低是23kg，重量遠遠高于本實驗中20%BW的背包重量，本實驗中背包重量過低可能是導致背包重心位置對于姿勢穩定性影響不顯著的原因。

4結論

4.1背包高度對靜態姿勢穩定性沒有顯著性影響，背包重量導致姿勢擺動增加，靜態姿勢穩定性變差，上背負重時導致人體前后、左右都不穩定，而中背和下背負重只影響左右方向的姿勢穩定性。

4.2雖然背包高度對于靜態姿勢穩定性沒有顯著性影響，但上背背包相對于中背和下背背包不僅導致了左右方向的不穩定，還造成了前后方向的穩定性變差，因此推薦中背和低背。

4.3背包重量顯著增加姿勢動搖，造成穩定性變差，建議應盡量減少背包負重的重量，或者變背包為拉桿包。

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The Effect of Different Backpack Weight and Its Center of Gravity on Static Posture Stability

WU Jin-long,LU A-ming

(PE College, Suzhou University, Suzhou 215006, China)

Abstract:Objective: This study compared the different center of gravity position (CGP) and weight of the backpack to affect the body's static posture stability, and provide a theoretical basis to prevent fall that backpack load caused. Methods: 13 healthy male subjects performed a quiet stance balance task on the force platform (Kistler) with the backpack to measure centre of pressure (COP) excursions. The weight were 0%、10%、20% of the body weight(BW)and the different CGP position were upper,middle,lower on the back. A two-way repeated measures ANOVA was used to test the different backpack weight and position on body sway parameters of the main effects and interaction effects. Results:There was a significant effect of the backpack weight on the COP excursions (P<0.05).When the backpack on the upper back, compared to 0%BW, backpack load significantly increased COP excursions (P<0.05). When the CGP of the backpack on the middle and lower back, backpack load only increased medial-lateral COP excursions (P<0.05). CGP of the backpack had no significant effects on COP excursions (P>0.05). Conclusion:Center of gravity position of the backpack had no significant effects on postural sway. Backpack load increased postural sway. When the CGP of backpack on the upper back, the increased backpack weight led to postural sway in the anterior-posterior and medial-lateral direction. But when CGP of the backpack on the middle and lower back, the increased backpack weight led to postural sway in the medial-lateral direction. So we recommended that we should try to reduce the weight of the backpack load and place the backpack on the middle and lower back, or change backpack for the trolley bag.

Key words:backpack weight；backpack center of gravity；COP；postural sway

中圖分類號:G804.64

文獻標識碼：A

文章編號：1004-3624(2016)01-0101-06

作者簡介：吳金龍(1989-)，男，在讀碩士研究生，研究方向：運動生物力學.

收稿日期：2015-11-02

基金項目：江蘇省學術碩士創新計劃項目(KYLX151269)