小学生背包负重增加导致行走中躯干僵硬：一项探索躯干节段运动与步态适应性机制的试点研究

本研究针对小学生日常背负过重书包可能引发的躯干姿势与步态适应问题，通过模拟不同负重条件（0%、10%、20%、30%体重）下三维运动分析，发现负重增加会导致站立时腰椎前屈角增大，行走时腰椎与胸椎在额状面和横断面活动范围（RoM）显著减小，步长与速度降低。结果表明，过重背包可能通过改变躯干动力学与步态模式增加儿童肌肉骨骼负荷，为制定科学的背包使用指南提供了重要 biomechanical 依据。

　　

每天上下学途中，我们总能看到背着沉甸甸书包的小学生们匆匆走过。这些书包到底有多重？它们对孩子们正在发育的身体会产生怎样的影响？尽管世界卫生组织建议儿童背包重量不应超过体重的12.5%，但现实情况却令人担忧——研究表明，小学生实际背负的书包重量经常超过这一标准，甚至达到体重的30%以上。更令人关注的是，虽然过重的背包与背部疼痛的关联尚未完全确认，但孩子们普遍认为背负沉重书包是令人疲劳和负担的体验。

过往研究已经发现，背负重包会影响站立时的躯干姿势，主要表现为躯干前倾和头部角度的改变。然而，关于背包重量如何影响行走过程中躯干运动，特别是不同节段（胸椎和腰椎）的运动模式，我们仍然知之甚少。大多数研究将躯干视为一个整体段进行分析，忽略了胸椎和腰椎区域可能存在的差异反应，而这对于理解背包对脊柱不同区域的生物力学影响至关重要。

为了填补这一研究空白，由Juliane Mueller和Julia Simmer领衔的研究团队开展了一项创新性的试点研究，专注于探究不同背包重量对小学生站立和行走时节段性躯干运动学的影响。该研究最近发表在《Gait & Posture》期刊上。

研究人员招募了16名6-11岁的健康儿童，利用定制负重系统模拟不同重量的背包条件（0%、10%、20%、30%体重），并通过16摄像头三维运动分析系统采集全身运动数据。关键技术方法包括：使用Rizzoli全身模型和43个反光标记点建立上胸段（UTS）和腰段（LS）的节段化躯干模型；在5米步道上采集站立（5秒静态）和行走时的运动数据；通过MATLAB自定义程序计算各节段在矢状面、额状面和横断面的活动范围（RoM）和平均角度；使用重复测量方差分析和Tukey-Kramer事后检验进行统计学处理。

3.1. 行走时的躯干运动学

研究发现，随着负重增加，胸椎和腰椎在矢状面的活动范围没有显著变化，但在额状面和横断面的活动范围显著减小（p<0.001）。这表明附加的背包负载可能限制了躯干的旋转和侧向运动，可能是作为一种补偿策略来维持稳定性和减少能量消耗。

3.2. 站立时的躯干运动学

在站立条件下，腰椎节段（LS）的平均躯干屈曲角（矢状面）随着背包重量的增加而显著增加（p=0.002）。这意味着当背包负载增加时，下躯干的前倾角度相应增大，这可能是为了对抗负载并保持平衡。

3.3. 时空参数

在负重条件下，步长（p=0.047）和步速（p=0.041）显著降低，但步时在不同条件间没有显著差异。这表明较重的背包负载对行走的效率和动态产生了不利影响，可能是由于增加的生物力学需求和改变的姿势所致。

3.4. 儿童自身背包重量

孩子们自身背包的平均重量为体重的15.4±7.4%，范围从5.6%到34.0%，明显超过了WHO的建议标准，凸显了在实际生活中进行适当负载管理策略的必要性。

研究讨论部分指出，行走时横断面和额状面活动范围的减少表明，额外的背包负载可能限制了躯干的旋转和侧向运动，这很可能是一种补偿策略，通过减少躯干-背包系统的角动量来维持稳定性并减少能量消耗。这种调节有助于对抗背部位移的重心，特别是在非矢状面上，不受控制的运动可能会挑战负重儿童的平衡和姿势控制。

站立时腰椎屈曲随着背包重量的增加而增加，这与先前的研究一致，表明较重的负载导致更大的躯干前倾，这可能是为了平衡负载和维持平衡的需要。由于学童整天背着书包行走和站立，这些负载必须由躯干肌肉来补偿，否则可能导致改变或补偿性的躯干运动和姿势。

时空步态特征的改变与先前的研究一致，表明较重的背包负载对行走的效率和动态产生不利影响，可能是由于增加的生物力学需求和改变的姿势。尽管变化的方向和幅度与早期发现相当，但统计显著性差异较小，可能是由于样本个体间变异性较高、样本量相对较小和/或方法学差异所致。

孩子们自身背包重量的测量结果强调，儿童实际背负的背包负载存在很大差异，需要推广适当的负载管理策略。高达34%体重的负载几乎是推荐限度的三倍，强调了关于儿童背包使用和脊柱健康的持续研究和公共宣传的重要性。

该研究的局限性包括样本量相对较小且无疼痛，可能限制了对有背痛临床儿童群体的推广；定制负重系统可能无法完全代表标准学校背包，且在一些情况下，随着重量增加，背包的侧袋略微向侧面移动，可能导致负载的整体侧向位移，可能影响躯干运动学；未评估儿童的活动水平，因此不能排除不同活动水平对补偿策略的可能影响；特定的步道配置可能影响结果，这种受控和标准化的测量情况可能不能完全转移到较长距离的自由行走中。

研究结论强调，增加的背包重量可能导致躯干僵硬增加，这可能使儿童容易出现下背痛。研究结果强调了将背包重量视为肌肉骨骼不适和损伤的潜在风险因素的重要性，突出了在促进小学年龄儿童健康和福祉方面人体工程学指南和教育的重要性。需要进一步研究来探索背包使用对儿科群体脊柱健康和功能结果的长期影响。特别值得关注的是分析年龄特异性差异，特别是考虑到先前讨论的14岁开始出现背痛的方面。

这项研究为我们理解背包负载对儿童躯干生物力学的影响提供了重要见解，为制定科学的背包使用指南和预防儿童肌肉骨骼问题提供了实证依据。随着孩子们书包里的书本和物品越来越多，这项研究提醒我们关注这一日常习惯对儿童健康成长的潜在影响，也启示教育工作者和家长需要更加科学地管理孩子们的负重问题。