女性雙肩包負重合理性及其肩帶舒適性測試

張未，干靜 ，李穎異 ，曹宇 ，蒲思懿

(四川大學 機械工程學院，成都 610065)

1 引言

背包是人們生活中最有效率的攜行用具。對比單肩包、挎包等其他種類背包，雙肩背包以其承重性能強、重力分布均衡、固定性好、解放雙手等優點，更受消費者青睞。但作為人體外部載荷，雙肩背包(以下簡稱為背包)不可避免的會對背負者的肩頸和脊柱造成壓迫，負載過重、背負時間過長等不合理的背負方式已經成為誘發人體肩頸酸痛與骨骼變形的重要原因。

國內外許多研究證實了背包負重的副作用，包括對人體肌肉、身體姿勢、平衡能力和步態等造成的影響。隨負重增加，背負者豎脊肌和斜方肌活性提高，頸椎、脊柱與骨盆的自然角度發生變化。靜態時，背包會干擾人體姿勢控制的有效性，降低平衡能力。負重行走時，受試者的步速與步長也均有變化。為弱化背包負重不利影響，規避人體損傷風險，有關背負重量合理范圍和背負舒適性的研究極具指導意義。

1.1 人體的合理負重研究進展

由于學齡青少年使用雙肩書包的普遍性，多數負重研究將試驗對象設定為未成年人。研究者們以人體相關生理指標未發生顯著性變化為依據，對背包的合理負重量作出指導。Hong等人通過對比9-10歲兒童背負0%BW、10%BW、15%BW和20%BW重量行走時的軀干前傾角度，建議背包重量不宜超過體重的15%[1]。周南等人分析了60名6-12歲小學生不同負重下肩-髖-膝的角度變化，建議學生書包的重量應在10%BW以內[2]。朱厚偉也指出當兒童負重達到10%BW時，大部分身體姿勢角度都開始發生改變[3]。由于數據測定受到試驗對象身體狀態與試驗條件控制等多方面因素交叉影響，各研究者結論之間存在差異。但總結來看，可發現0-10%BW始終被視為不會威脅人體健康的安全負重范圍，10%BW也常作為背包合理重量的上限值。

但目前對成年人負重行為關注度不足，致使有關合理背負重量的研究仍具有局限性。作為雙肩背包的重要使用群體，以及脊椎疾病的高發人群，成年人的背負行為研究應得到進一步深入。未成年人和成年人負重時的骨骼變化與恢復能力呈現差異，女性的負重能力低于男性，在進行負重研究時，還應充分考慮受試者的年齡、性別差異。

1.2 年輕人雙肩背包使用情況調研

舒適的背負體驗還依賴于背包的自身性能，人機協調性良好的背包能有效減少負載過程中的人體勞損。目前，較少的研究從背包這一工具出發，研究背包設計加工對負重行為造成的影響。

背包由包體與背負系統構成，包體用于裝載物品，背負系統是影響背負舒適性的核心結構。完整的背負系統包括“五帶三裝置”，分別為肩帶、腰帶、肩部受力帶、胸帶、包底受力帶、支撐裝置、通風裝置和調節裝置[4]，通常只有專業背包配備有完備的“五帶三裝置”。作者以問卷形式調查18-30周歲人群的背包日常使用情況，回收的231份有效問卷顯示，日常使用最廣的背包類型分別為休閑、商務及運動背包，其用戶覆蓋率達到94%以上，此三類背包的共同特征為輕便實用，但背負系統不完備且設計專業性低，大多只有肩帶，在舒適度上仍有較大提升空間。以1分為不舒適，5分為非常舒適，受訪用戶對日常背包的舒適評分為3.56分，對應描述為“不舒適感輕微，可忽略或忍受”；而在背包較重(達到5 kg及以上)時，背包舒適度評分降為2.77，對應描述為“不舒適，令人心理煩躁”，其中有80.31%的人將不舒適原因歸結為肩部受壓以致肩頸酸痛。因此，可將肩帶接觸部位舒適性作為衡量背包整體舒適感的重要指標。

結合人體合理負重的相關研究與背包的使用情況調研，本文以成年年輕女性為研究對象，通過對比無背負與10%BW負重兩種狀態下受試者的軀體姿態和血壓、心率，探討10%BW背負重量是否會對年輕女性的肌肉與骨骼產生健康威脅；提出并驗證通過綁縛柔性材料以加厚肩帶能否有效緩解背負過程中的疲勞與不適感，以期為背負行為提供科學指導，為快速便捷提升日常背包的背負舒適度提供有效方法，減少女性負重過程中的損傷風險。

2 對象與方法

2.1 對象

選取13名女性大學生作為受試者參加試驗，其基本信息如表1所示。所有受試者的身體質量指數(body mass index，BMI)均在正常范圍之內，且身體健康狀況良好，無骨骼、肌肉相關疾病，無心血管疾病，接受試驗前24 h內未進行劇烈運動，受試當天肌肉狀態良好。

表1 受試者基本信息

2.2 方法

試驗用背包如圖1(a)所示，與大多數用戶日常使用的背包類型相符。原肩帶寬70 mm，定義為肩帶A，如圖1(b)所示。在原肩帶頂端至下部300 mm段纏繞柔性布料進行加厚改造，改造后肩帶定義為肩帶B，如圖1(c)所示，寬度為95 mm。柔性布料為桔瓣式纖維材質，如圖1(d)所示，該材質使用超細纖維，纖維間孔隙多，柔軟蓬松且富有彈性。試驗中以書本作為配重，通過增減書本數量控制背包總重始終為被試者的10%BW。

圖1 試驗用背包及肩帶加厚材料

2.3 試驗過程

受試者首先在無背負狀態下進行信息填寫與人體數據測定，之后分別使用肩帶A和肩帶B完成兩組試驗。根據雙肩包使用情況調研結果，73.33%年輕人單次持續背包時長約為15 min,因此將每組試驗背負總時間定為15 min。為模擬日常情景，受試者需要按照125步/min的指定步頻完成2 min的上下樓梯任務與10 min的行走任務,并在剩余的3 min內保持靜止站立，同時完成主觀問卷填寫。

為排除無關因素對試驗結果造成的干擾，始終保持每組試驗運動總量相同，同一受試者兩組試驗間隔大于15min并確認其體能恢復到初始狀態。為避免試驗順序影響結果，每位被試者均先測量無背負狀態下的身體數據，使用肩帶A和肩帶B的兩組試驗順序隨機確定。

2.4 數據收集

(1)人體姿態測量

利用NOKOV光學三維運動捕捉系統測量靜立狀態下的人體軀干角度。如圖2所示，在受試者的頸部、肋部、髖部、足部對稱粘貼標記點，通過標記點的空間坐標位置計算相應角度。鎖骨、肋骨、髖骨三處骨性標記點靠近解剖學上的人體第七頸椎(C7)、第十二胸椎(T12)和第五腰椎(L5)，可表示人體在矢狀面上的軀干屈曲角度，定義為CTL角度。肋骨、髖骨與足部三處標記點可表示以髖骨為軸，人體在矢狀面上的軀干前傾角度(Truck Angle)，定義為TA角度。本試驗取左右標記點坐標計算所得角度的平均值為最終結果，以減小標記點因衣物變形等原因產生的位移誤差。數據共采集三次，分別記錄受試者無負重、使用肩帶A和肩帶B完成運動后的靜立姿態。測試時要求受試者安靜放松站立于指定位置，收集30 s數據，采樣頻率為60幀/秒。避免不穩定影響，去除測試前段與后段數據，截取中段1040幀數據作為最終樣本。

圖2 人體標記點及人體測量角度示意圖

(2)問卷信息收集

通過主觀問卷收集受試者的整體疲勞度及局部不舒適性評價，問卷中疲勞等級的劃分如表2所示，以醫學界廣泛應用的自我感知運動強度量表(Borg度量表)[5]為依據。在局部不舒適性的評估中，選擇肩中、肩前、肩后、前胸側、下胸側、上背、中背、下背共八個人-包接觸部位進行評估，不舒適等級劃分標準如表3所示，參考醫學疼痛評估數字分級法(NRS)[6]。

表2 Borg自我感知運動強度量表

表3 不舒適度自查量表

(3)血壓與心率測量

采用血壓計及運動手環記錄試驗前后被試者的舒張壓、收縮壓及心率變化，作為衡量受試者疲勞程度的生理依據。

2.5 數據分析

所有數據的整理與分析使用軟件Microsoft Excel及SPSS 25.0結合進行，各數據以均值±標準差表示。

對問卷主觀評分結果進行正態性檢驗，發現除肩中、前胸側與下胸側部位的不舒適性評分外，其余評分結果均符合正態分布。根據檢驗結果，采用配對樣本t檢驗與非參數檢驗分析使用背帶A和背帶B時的疲勞度及舒適性差異。

對計算所得人體姿態角度進行檢驗，發現無負重狀態、使用肩帶A和肩帶B后的身體姿態角度值均符合正態分布且滿足方差齊次性檢驗，因此對三組數據進行單因素方差分析。

對受試者的血壓與心率數據進行檢驗，結果顯示測量數據不符合方差齊次性，因此選用折線圖方式直觀表現實驗中受試者的生理數據變化。

3 結果

3.1 軀干屈曲角度和軀干前傾角度變化

對受試者在無負重、分別使用肩帶A和肩帶B負重10%BW三種情況下的軀干屈曲角度(CTL)和軀干前傾角度(TA)進行單因素方差分析。

CTL角度的單因素方差分析結果顯示P=0.881>0.05，說明三組數據中任意兩組之間均不存在顯著性差異。不同背包條件下受試者靜立時的CTL角度如表4所示，負重時角度大于無背負時角度，但其間差異不具有統計學意義。使用肩帶A負重10%BW時，受試者平均CTL角度比無背負時增加1.373，使用肩帶B時則增加1.443，變化略大于肩帶A組，但不同肩帶組間數據差異同樣不具有統計學意義。

表4 無背負狀態和負重10%BW狀態靜立時的人體CTL角度差異檢驗

TA角度的單因素方差分析結果顯示P=0.329>0.05，說明三組數據中任意兩組之間均不存在顯著性差異。不同背包條件下靜立時的TA角度變化如表5所示，負重時角度大于無背負時角度，但其間差異不具有統計學意義。使用肩帶A負重10%BW時，受試者平均TA角度比無背負時增加2.923，使用肩帶B時則增加2.804，角度變化略小于肩帶A組，但不同肩帶組間數據差異同樣不具有統計學意義。

表5 無背負狀態和負重10%BW狀態靜立時的人體TA角度差異檢驗

3.2 主觀疲勞度評分與局部不舒適度評分

(1) 主觀疲勞度評分

受試者使用背帶A和背帶B完成背負實驗后的主觀整體疲勞度評價結果如表6所示，負重10%BW運動時，肩帶A組的主觀疲勞度評分均值為5.538±1.030，肩帶B組的主觀疲勞度評分均值為4.462±1.136。配對樣本t檢驗結果顯示兩組數據存在顯著性差異(P=0.023<0.05)。

表6 主觀整體疲勞度問卷評分差異

(2)局部不舒適度評分

受試者使用背帶A和背帶B完成背負實驗后的局部不舒適度評價結果見表7、表8。負重10%BW運動過程中，對比所有問詢部位的不舒適度評分均值，肩帶A組均高于肩帶B組。對肩前、肩后、上背、中背、下背部位的評分進行配對樣本t檢驗，結果如表7所示，除中背部位外，其他部位的不舒適度評分均表現出顯著性差異(P<0.05)。對肩中、前胸側與下胸側部位的不舒適度評分進行Wilcoxon配對符秩檢驗，結果如表9所示，不同肩帶組的肩中、前胸側、下胸側不舒適度評分均具有顯著性差異(P<0.05)。

表7 人體局部部位不舒適度問卷評分差異參數檢驗

表8 人體局部部位不舒適度問卷評分

表9 人體局部部位不舒適度問卷評分差異非參數檢驗

3.3 血壓和心率變化

如圖3、圖4、圖5所示，將受試者正常水平下的血壓值和心率與完成試驗后測得的血壓值和心率以折線圖表示。由于身體情況差異，不同受試者的血壓與心率高低水平不同，但就同一受試者在三組數據中的變化情況來看，其舒張壓、收縮壓以及心率均未因試驗組別的不同而表現出規律性差異。

圖3 受試者無負重和負重10%BW狀態下的舒張壓變化

圖4 受試者無負重和負重10%BW狀態下的收縮壓變化

4 討論

4.1 女性10%BW負重的合理性驗證

背負重量是背負過程中影響脊柱健康的最顯著因素。雖然不同研究者提出的合理背包重量不盡相同，但0%-10%BW始終被認為是一個安全范圍。美國物理治療協會指出，若背包的重量超過10%BW-15%BW，會對人體增加成倍損傷，因此建議控制背包重量在10%BW以下。但目前的負重研究多以未成年人為對象，缺少針對不同年齡、性別人群的科學驗證。本研究以成年女大學生為研究對象，綜合記錄10%BW負重下受試者的軀干屈曲角度、軀干前傾角度、心率和血壓等參數，從生物力學與生理學兩個方面驗證10%BW作為成年女性合理背負重量的科學性。

(1)軀干姿態與人體負重的關系

人體姿態的變化與背負行為密切相關。Chow發現青年受試者的頸曲向前角度和軀干前傾角度在負重即刻發生明顯變化[7]。王敏等人試驗證實大學生背包行走時的胸椎在矢狀面和額狀面均有顯著變化[8]Watson等人也觀察到負重會增加年輕人的脊柱彎曲[9]。以上研究表明，背包負重會影響脊柱的自然直立形態與生理彎曲角度，進而誘發椎間盤突出與退變性疾病。

負重后軀干的傾斜度變化最為明顯。Chansirinukor等人[10]的研究表明，隨著背負重量的增加，軀干前傾角度也隨之加大。原因解釋為，背包屬于外界附加負荷，對人體產生向后的力矩，背負者需要通過身體前傾動作改變自身重心位置，以抵抗向后的作用力。重物越重，對人體產生的力矩越大，為保持平衡，軀干前傾的角度也越大。

(2)軀干角度的變化及分析

研究中計算得出負重前后人體CTL角度和TA角度，對比無背負狀態，使用肩帶A背負10%BW行走后的CTL角度和TA角度分別平均增加了1.373°和2.923°，可看出因負重影響，受試者的軀干屈曲角度增加，脊柱由正常直立位置發生偏移，向前彎曲程度增大；在負重時，受試者自發地進行自我姿勢調節，加深軀干前傾程度以增加背部支撐力，從而穩定人-包有機整體的重心位置并保持平衡。但是與無背負狀態相比，負重時的人體姿勢角度并未體現出顯著性差異，因此可以認為10%BW的背部負重并未對受試者的身體姿態造成明顯影響，從生物力學角度證實10%BW可以作為22-24歲女性的日常背負安全重量。對比肩帶A組和肩帶B組的CTL角度與TA角度，發現通過綁縛柔性材料以增厚肩帶的方法并未對受試者的CTL角度和TA角度變化產生顯著影響，說明人體姿態變化主要由背負重量決定，與局部部位的舒適度改變相關性不強。

(2)心率和血壓的變化及分析

負重過程中人體相關肌肉活性增加，整體輸出功率增加，反映在生理上表現為心率加快、血壓升高與呼吸速率加快。心率和呼吸速率與負重重量相關，馬軍等人[11]在研究中以心率及耗氧量變化為依據界定合理背負重量。本試驗選取血壓與心率作為衡量受試者背負疲勞度的客觀依據，進而探究負重合理性。負重10%BW完成運動任務前后的采集數據顯示，忽略情緒等無關因素干擾，受試者的心率及血壓始終處于正常波動范圍，且未表現出顯著變化趨勢，與無負重時相比無明顯規律性差異。同時，肩帶A組和肩帶B組在心率及血壓表現上亦無顯著差異。根據該結果可推測，10%BW的背部負重并未明顯引起受試者的生理疲勞，從生理學角度證實10%BW可作為年輕女性的日常背負安全重量，不會對心臟器官功能產生干擾；而通過柔性材料增厚肩帶并不影響受試者背負過程中的整體功率輸出，不會減輕受試者的客觀整體疲勞度。

4.2 增厚肩帶對背負舒適性的影響

(1) 肩部壓力與背負舒適性的關系

科學的負重分配比例為雙肩承擔10%，背部和腰胯分別承擔20%和70%。為實現合理的重量分布，可使用背包腰帶直接將負重轉移至骨盆，減少重力傳遞的環節，減輕肩部壓力。Bobet研究發現，使用無腰帶背包負荷行走過程中，受試者背部和腹部肌肉活性均無明顯變化[12]。由此推測使用日常背包負重時，背部與腹部并未有效承擔分配重量，背包重量大部分由肩周承擔。而人體肩部肌肉薄弱且血管、神經豐富，過度的重力壓迫會阻斷肩部血液循環，造成肩頸肌肉疲勞。有研究指出，肩帶部位壓力應低于10 KPa，以預防皮下水腫或真皮組織發炎等疾病的產生。因此，肩帶部位壓力是影響背負舒適體感的重要因素。

(2)受試者主觀背負感受的變化及分析

利用主觀量表，對負重10%BW過程中肩帶A組與肩帶B組的疲勞度及局部部位不舒適度進行評估。結果顯示，使用肩帶B組的主觀整體疲勞度顯著低于使用肩帶A組；對于肩前、肩中、肩后、上背、中背、下背、上胸側、下胸側八處受詢部位來說，使用肩帶B時的不舒適度均較使用肩帶A時有所降低，但在中背部位的不舒適度差異不具有顯著性。結合得分與對應描述可看出，使用肩帶A時，對于中背、下胸側兩部位，受試者不舒適感非常輕微；在下背位置，受試者略感不適；而在包括肩前、肩中、肩后在內的肩膀區域以及前胸側、上背部位，受試者不適感較強，接近痛感。使用肩帶B時，受試者中背、前胸側、下胸側三部位不舒適感非常輕微，肩前、肩中、上背、下背位置略感不適，而不適感較強的部位僅有肩后。根據該結果可推測，背負過程中，人體最不舒適部位主要為肩帶接觸區及附近區域，與調研結果一致。而在綁縛柔性材料使肩帶加寬增厚之后，增加了肩帶與肩膀的接觸面積，減小了接觸部位壓強，減輕了背包重量對肩膀神經血管的壓迫，可以有效緩解較長時間背負后的肩周區域酸痛感。同時，試驗中增厚肩帶所用柔性纖維材料多孔隙，綁縛在肩帶上部時能形成空氣層，在行走過程中起到抗壓減震作用，避免了因背包顛簸在人體肩部產生的額外壓力。因此，在疲勞度及局部不舒適度評估中，肩帶B的評分均優于肩帶A，符合基于理論的事先預測。

5 總結

與無背負狀態相比，背包重量達到體重的10%時，女性受試者的身體姿態會發生變化，出現軀干屈曲和前傾傾向。但相較于無背負狀態，身體姿態的變化并無顯著性。同時，在10%BW負重下完成日常運動任務后，受試者心率與血壓兩項生理指標并未發生明顯變化。因此，10%BW的背負重量對于22-24歲周歲的年輕女性來說較為安全，不會對脊柱與肌肉健康造成嚴重傷害。

負重10%BW時，在背包肩帶處增加柔性材料不能矯正人體因負重而產生的軀干姿勢補償，但能夠顯著減輕背負后的主觀疲勞度，并能有效緩解肩周等部位的不舒適感。對于負重過程中常感覺肩頸酸痛的女性用戶，可通過綁縛柔性透氣纖維材料的方式對日常背包肩帶進行增厚加寬改造，以提高背負過程的舒適度，緩解肩頸疲勞。

6 不足與展望

本研究中仍存在一定不足，首先，受試驗設備限制，僅使用主觀量表法評估疲勞度與不舒適度，未能使用肌電信號采集等更準確科學的方法。其次，試驗中并未探討在超過10%BW的負重情況下，受試者的身體姿態是否會發生顯著性變化，因此無法界定安全背負重量的最大限值，這些不足將通過后續的更多研究彌補。