اثر حمل کوله‌پشتی با وزن‌های مختلف بر متغیرهای منتخب بیومکانیکی اندام تحتانی دختران و پسران 7 تا 10 سال حین راه رفتن

کوله‌پشتی یکى از ابزارهاى شایع و محبوب در میان اقشار متفاوت جامعه مخصوصاً در دانش‌آموزان کودک و نوجوان است [1، 2]. در میان روش‌های مختلف حمل وسایل مدرسه، کوله‌پشتی از محبوبیت و شیوع بیشترى برخوردار است [3، 4]. امروزه نحوه حمل، نوع کیف، وزن کیف و وضعیت قامت دانش‌آموزان حین حمل کوله‌پشتی از جمله مسائلی است که مورد توجه محققان متعددی در حوزه طب کودکان، متخصصان ارتوپد، ارگونومیست‌ها، محققان علوم ورزشی و یا حتی پزشکان، معلمان تربیت‌بدنی و والدین قرار گرفته است [5].

در بسیاری از کشورها حمل کوله‌پشتی به ‌عنوان یک نگرانی فزاینده مورد توجه است [6]. این مسئله به این دلیل است که پژوهشگران حمل بار در شکل‌ها و وزن‌های متفاوت را با ناراحتی، خستگی و برخی دردها و آسیب‌های اسکلتی‌عضلانی مانند درد پشت [7، 8]، شکستگی تنشی در اندام تحتانی بر اثر افزایش نیروی عکس‌العمل عمودی زمین حین حمل بار [9] و احتمال بروز ناهنجاری‌های وضعیتی و ناکارآمدی‌های حرکتی در نواحی مختلف بدن [10] مرتبط دانسته‌اند. از آنجا که وزن کوله‌پشتی از طریق بند آن به ‌طور مستقیم به شانه و ستون فقرات اعمال می‌شود، با بالا رفتن مقطع تحصیلی دانش‌آموزان، مقدار بار اعمال‌‌شده از طریق کوله‌پشتی روی بدن و ستون فقرات آن‌ها افزایش یافته و حتی کوله‌پشتی‌ها با کتاب‌های بیشتر و سایر وسایل اضافی همچون بسته تغذیه، تجهیزات ورزشی و لباس‌های بعد از مدرسه پر می‌شوند [11]. این در حالی است که حمل کیف‌های سنگین فشار فیزیکی زیادی بر دانش‌آموزان تحمیل می‌کند [5]. با توجه به ضعف و عدم استحکام سیستم اسکلتی‌عضلانی کودکان و نوجوانان در حال رشد، افزایش بیش‌ از حد وزن کوله‌پشتی ممکن است باعث ایجاد مشکلات اسکلتی‌ عضلانی و تغییر دائمی در ساختار بدنی آن‌ها شود [12 ،10].

راه رفتن فرایند بیومکانیکی پیچیده‌ای ناشی از فعل‌وانفعالات نیروهای عضلانی و اینرسی است که درنهایت منجر به پیشروی آرام بدن در محیط می‌شود [13]. امروزه نشان داده شده است کوله‌پشتی‌های سنگین اثرات منفی بسیاری بر بیومکانیک حرکات مختلف همچون راه رفتن ایجاد می‌کنند [14]. در یک پژوهش گزارش شد که حمل کوله‌پشتی سنگین باعث کاهش طول قدم، افزایش آهنگ قدم‌‌برداری و زوایای تمایل تنه، سر و گردن به جلو می‌شود [15]. در یک پژوهش دیگر محققان گزارش کردند که افزایش بار باعث افزایش معنادار میزان فلکشن تنه، کاهش معنادار ارتفاع قد و افزایش فاصله طول گام می‌شود [16]. به‌طورکلی، حین راه رفتن با حمل کوله‌پشتی تغییرات بیومکانیکی مختلفی همچون تمایل سر و تنه به جلو [17، 18]، افزایش ناهنجاری ناحیه تنه [10، 12]، تغییر در ویژگی‌های کینتیکی مانند افزایش نیروی عکس‌العمل عمودی و نیروهای ترمزی و پیشران [19-22]، خستگی عضلانی [23] و تغییر در ویژگی‌های مختلف فضایی‌زمانی [4 ،18 ،20] ایجاد می‌شود.

از طرف دیگر، وزن مناسب جهت حمل کوله‌پشتی، مورد بحث بسیاری از محققان بوده و همچنان اختلاف‌نظر درباره مقدار دقیق آن وجود دارد. بسیاری از محققان محدوده 15-10 درصد و برخی دیگر نیز محدوده 10-5 درصد وزن بدن را پیشنهاد می‌کنند. هرچند برخی پژوهشگران حداکثر بار مجاز برای کودکان را حداکثر 10 درصد وزن بدن توصیه کرده‌اند [24-27]. در یک مطالعه با هدف بررسی تأثیر حمل کوله‌پشتی بر تغییرات ریوی‌‌قلبی در بین دانش‌آموزان نوجوان ایرانی، وزن مناسب کوله‌پشتی برای دانش‌آموزان نوجوان 8 درصد وزن بدن آن‌ها معرفی شد [28]. این در حالی است که پژوهشی دیگر در ایران این محدوده وزنی را 5/7 درصد وزن بدن [29] و مطالعه‌ای در عربستان آن را تنها 5 درصد وزن بدن توصیه می‌کند [30]. در یک پژوهش دیگر نشان داده شد که بار کوله‌پشتی حتی با 5 درصد وزن بدن نیز می‌تواند زوایای بالاتنه و اندام تحتانی را به ‌طور معناداری تغییر دهد [31]. با وجود اینکه تغییرات منفی متعددی حین حمل کوله‌پشتی سنگین در متغیرهای بیومکانیکی نواحی مختلف بدن ایجاد می‌شود، کمبود مطالعات جهت شناسایی اثرات وزن‌های مختلف کوله‌پشتی بر بیومکانیک اندام تحتانی احساس می‌شود. با توجه به استفاده گسترده از دستگاه تردمیل در تحقیقات امروزی حوزه بیومکانیک، به جهت کنترل برخی متغیرها همچون اثر مداخله سطوح و یا کنترل سرعت و نحوه راه رفتن، هدف از انجام پژوهش حاضر بررسی اثر حمل کوله‌پشتی با وزن‌های مختلف بر متغیرهای منتخب بیومکانیکی اندام تحتانی دختران و پسران 7 تا 10 سال حین راه رفتن روی تردمیل بود.

پژوهش حاضر از نوع نیمه‌آزمایشگاهی است. جامعه آماری پژوهش حاضر شامل تمامی کودکان دانش‌آموز 10-7 سال شهر اصفهان بودند. حجم نمونه با استفاده از نرم‌افزار جی‌پاور (در توان آزمون آماری 0/8 و سطح معناداری 0/05 برای 4 وضعیت اندازه‌گیری تعداد 24 نفر) محاسبه شد [32]. برای کاهش هرچه بیشتر خطاهای موجود و همچنین افزایش توان آماری و دقت نتایج، تعداد 26 نفر از دانش‌آموزان سالم در دسترس (13 پسر و 13 دختر، سن‌= 1/07±‌8/54 سال، قد= 5/11±‌134/96 سانتی‌متر، وزن‌= 3/83±‌32/31 کیلوگرم) در این پژوهش شرکت کردند. معیارهای ورود دانش‌آموزان به این پژوهش شامل توانایی دانش‌آموزان جهت راه رفتن با حمل کوله‌پشتی با 20 درصد وزن بدن خود به مدت حداقل 2 دقیقه روی تردمیل، نداشتن مشکلات اسکلتی‌عضلانی، عصبی‌عضلانی و یا قلبی‌عروقی، نداشتن آسیب ارتوپدی یا ناهنجاری بدنی مشخص و نداشتن سابقه عمل جراحی در یک سال گذشته بود [33، 18]. تمامی دانش‌آموزان با رضایت آگاهانه خود و والدینشان در این پژوهش شرکت کردند. حین انجام آزمون‌ها دو مربی مسئول نظارت بر انجام حرکات و محافظت از کودکان در مقابل هرگونه خطرات احتمالی بودند.

این پژوهش در آزمایشگاه بیومکانیک دانشکده توان‌بخشی دانشگاه علوم‌پزشکی شهر اصفهان انجام شد. برای ثبت تغییرات ایجادشده در الگوی راه رفتن و ویژگی‌های کینماتیکی آزمودنی‌ها، از یک دوربین فیلم‌برداری دیجیتال با سرعت ضبط تصویر 50 هرتز و با دقت 21 مگاپیکسل استفاده شد. همچنین 3 نقطه آناتومیکی تروکانتر بزرگ ران، اپی‌کندیل خارجی زانو و قوزک خارجی پا و برجستگی استخوان کف‌پایی پنجم کف پا توسط مارکر پسیو نشانه‌گذاری شدند. فاصله دوربین از مسیر راه رفتن روی ترمدیل 3 متر، محور عدسی دوربین عمود بر صفحه حرکت و ارتفاع دوربین برابر با ارتفاع سطح لگن آزمودنی تنظیم شد [17]. همچنین از یک دستگاه نیروسنج شرکت کیسلر به ابعاد60 سانتی متر (طول) در 40 سانتی‌متر (عرض)برای ثبت متغیرهای نیروی عمودی عکس‌العمل زمین استفاده شد. به‌ طوری‌ که این دستگاه پیش از اندازه‌گیری در هر روز کالیبره و در فرکانس نمونه‌‌برداری 500 هرتز قرار داده می‌شد [34]. فرکانس نمونه‌برداری دستگاه بر اساس شیوه رایج در مطالعات پیشین و استفاده از الگوریتم تبدیل سریع فوریه انتخاب شد. دستگاه صفحه نیروسنج و دوربین سونی با استفاده از دستگاه دی‌کیو باکس با یکدیگر مطابقت زمانی داده شدند.

پیش از شروع آزمون‌های راه رفتن، پای برتر افراد با استفاده از سه آزمون ضربه به توپ، گام به بالا و بازیابی تعادل (برای حداقل 2 مورد از 3 آزمون) تعیین شد [35]. قبل از انجام آزمون، از آزمودنی‌ها خواسته شد به مدت 3 دقیقه روی دستگاه تردمیل راه بروند و نحوه صحیح راه رفتن به آن‌ها آموزش داده می‌شد [15، 23]. برای جلوگیری از افتادن آزمودنی‌ها و خطر ناشی از آسیب‌دیدگی دانش‌آموزان، به آن‌ها اجازه داده شد حین راه رفتن روی تردمیل دست‌های خود را روی دستگیره‌های مخصوص قرار دهند. به دلیل تفاوت در قد و جثه آزمودنی‌ها، سرعت راه رفتن روی دستگاه به‌ صورت خودانتخابی از سوی آزمودنی تعیین می‌شد و سرعت تعیین‌شده در این مرحله مختص هر آزمودنی در تمامی حالت‌های دیگر حمل کوله‌ها حین راه رفتن ثابت بود تا بر متغیرهای وابسته اثر نگذارد. به‌ علاوه، محل قرارگیری بار با تنظیم خط پایین بار در خط مهره دوازدهم پشتی (دنده دوازدهم) به‌ عنوان وضعیت میانه بار در نظر گرفته شد [34]. شیوه تنظیم محل قرارگیری بار در مطالعات موجود متنوع است که در بیشتر آن‌ها کوله ثابت است. بنابراین در مطالعه حاضر کل کوله تا حد ممکن و لازم با دست‌کاری بندهای آن بالا کشیده می‌شد. در ادامه و برای تنظیم دقیق خط بار کوله‌پشتی در خط محل‌های مذکور، بار داخل کوله با گذاشتن فیبر در کف کوله تا سطح مناسب تنظیم می‌شد [34]. در این پژوهش از یک کوله‌پشتی مدل اسکوت ایزی دارای دو بند با جرم 25/1 کیلوگرم برای حمل بار برای تمامی آزمون‌های راه رفتن در دانش‌آموزان استفاده شد.

آزمون راه رفتن برای هر شرکت‌کننده 4 مرتبه (در شرایط صفر، 10، 15 و 20 درصد وزن بدن برای کوله‌پشتی) انجام شد. تمامی آزمون‌ها در یک روز انجام گرفت و برای جلوگیری از اثر خستگی و خطای سیستماتیک، ترتیب اجرای آزمون راه رفتن با وزن‌های مختلف به‌ صورت تصادفی انجام شد [36]. بین آزمون‌ها زمان کافی برای استراحت به آزمودنی‌ها داده می‌شد تا خستگی انجام آزمون برطرف شود. برای هر وضعیت، آزمون راه رفتن یک دقیقه ادامه داشت و در دقیقه دوم به مدت 20 ثانیه بدون آنکه آزمودنی مطلع شود، ثبت داده صورت می‌گرفت [34]. با توجه به اینکه 6 تکرار در اجرا می‌تواند اطلاعات باثباتی فراهم کند [37]؛ برای هرکدام از آزمون‌های راه رفتن 6 آزمون موفق ثبت شد و میانگین متغیرهای وابسته در 6 حرکت محاسبه شد. تمامی آزمون‌ها در وضعیت پوشیدن کفش خود آزمودنی‌ها صورت گرفت. برای تنظیم وزن کوله‌ها متناسب با درصد وزن هر فرد، از وسایل مورداستفاده روزمره دانش‌آموزان شامل کتاب و دفتر، بطری آب، نوشت‌‌افزار، اغذیه و سایر ملزومات به شکلی متعادل در صفحات فرونتال و ساجیتال در درون کوله‌پشتی استفاده شد [34]. 

پردازش داده‌ها

تصاویر ویدئویی حاصل، توسط نرم‌افزار دارت فیش بررسی شده و متغیرهای مورد‌نظراستخراج شدند. پس از اندازه‌گیری و استخراج داده‌ها، با ورود داده‌های اصلی به نرم‌افزار اکسل فرایند محاسباتی انجام گرفت. متغیرهای طول گام و عرض گام (بر حسب سانتی‌متر) بر طول اندام تحتانی آزمودنی (تروکانتر بزرگ ران تا قوزک خارجی) تقسیم و نرمالیزه شدند (بدون واحد اندازه‌گیری) [34]. همچنین زمان حمایت یگانه، حمایت دوگانه و نوسان (بر حسب ثانیه) بر زمان کل سیکل راه رفتن (بر حسب ثانیه) تقسیم و نرمالیزه شد (بدون واحد اندازه‌گیری) [34]. به‌ علاوه، آهنگ قدم‌برداری نرمالیزه (بر حسب تعداد گام در ثانیه) نیز با استفاده از فرمول شماره 1 محاسبه شد [34].

1.

 

 

در این مطالعه، برای اندازه‌گیری میزان زاویه زانو، محور اندازه‌گیری روی اپی‌کندیل خارجی ران قرار گرفت. خط اتصال موازی با محور طولی ران، با اشاره به سمت تروکانتر بزرگ و خط اتصال دیگر موازی با محور طولی استخوان نازک‌نی با اشاره به سمت قوزک خارجی در نظر گرفته شد [38]؛ به ‌طوری‌ که کاهش در مقدار، نشان‌دهنده افزایش فلکشن زانوست. برای اندازه‌گیری زاویه نسبی مفصل مچ پا، نقطه نشانه‌گذاری برای اندازه‌گیری پلانتار فلکشن مچ پا روی بخش پایینی قوزک خارجی پا قرار گرفت. خط اتصال برای اندازه‌گیری زاویه نسبی پلانتار فلکشن مچ پا موازی با خط مرجع کف پا و خط دیگر در امتداد و موازی با سر استخوان نازک‌نی قرار گرفت؛ به ‌طوری‌که کاهش در این مقدار نشان‌‌دهنده افزایش پلانتار فلکشن مچ پا بود.

از طرف دیگر، داده‏های خام نیروی عکس‌العمل عمودیِ زمینِ دریافت‌شده توسط صفحه نیروسنج ابتدا با استفاده از یک فیلتر مرتبه دوم باترورث پایین‌گذر 6 هرتز فیلتر شدند [34]. سپس سیگنال حاصله با استفاده از وزن آزمودنی به نیوتن نرمالیزه شد و در عدد 100 ضرب شد تا تأثیر اختلاف وزن آزمودنی‏ها حذف شود(مقادیر برحسب درصدی از وزن بدن آزمودنی محاسبه شد). درنهایت، متغیرهای قله اول و دوم نیروی نرمالیزه عمودی عکس‌العمل زمین و همچنین نیروی عمق فرورفتگی برای هر حرکت راه رفتن اندازه‌گیری شدند.

روش آماری

ابتدا از آزمون ضریب پایایی درون‌کلاسی برای محاسبه میزان پایایی متغیرهای وابسته بین 6 تکرار حرکت راه رفتن با حمل کوله‌پشتی‌های با وزن مختلف استفاده شد (همراه با روش طبقه‌بندی مانرو جهت تعیین شدت پایایی متغیرهای وابسته) [39]. سپس آزمون‌های شاپیرو‌ویلک و لِوِن جهت تعیین طبیعی بودن توزیع داده‌ها و اطمینان از همگنی واریانس‌ها مورد استفاده قرار گرفتند. در ادامه برای تعیین اثرات استفاده حمل کوله‌پشتی در وزن‌های مختلف (صفر، 10، 15 و 20 درصد وزن بدن)، از آزمون آماری تجزیه‌‌و‌تحلیل واریانس (آنووا) با اندازه‌های تکراری استفاده شد (0/05>P). همچنین، ضریب تصحیح بونفرونی برای شناسایی وضعیت‌هایی که با یکدیگر اختلاف داشتند، مورد استفاده قرار گرفت. به ‌طوری ‌که برای 4 وضعیت 6 حالت مقایسه ایجاد می‌شود و در این حالت مقدار 0/05 به 6 تقسیم شده و ضریب تصحیح برابر با 0/008 محاسبه شد. تحلیل داده‌ها با استفاده از نرم‌افزار SPSS نسخه 18 انجام گرفت. 

بررسی میزان پایایی داده‌ها

نتایج آزمون ضریب پایایی درون‌کلاسی نشان داد که میزان پایایی متغیرهای فضایی‌زمانی، کینماتیکی و کینتیکی حین اجرای 6 حرکت راه رفتن با حمل انواع کوله‌پشتی در محدوده 0/9-0/7 است. بدین معنی که با توجه به روش طبقه‌بندی مانرو تمامی این شاخص‌ها دارای پایایی بالایی حین راه رفتن با حمل کوله‌پشتی هستند [39] (جدول شماره 1).

 

 

اثر حمل کوله‌پشتی بر متغیرهای فضایی‌زمانی دانش‌آموزان 10-7 سال حین راه رفتن

نتایج آزمون شاپیرو‌ویلک نشان داد که توزیع تمامی متغیرهای فضایی‌زمانی در وضعیت‌های مختلف حمل کوله‌پشتی به‌ صورت نرمال است (0/05<P). نتایج آزمون آنووا با اندازه‌های تکراری این موارد را نشان داد: کاهش معنادار در وضعیت صفر نسبت به وضعیت 20 درصد (0/006=P) در میزان طول گام نرمالیزه؛ کاهش معنادار در وضعیت صفر نسبت به وضعیت‌های 15 درصد (0/001=P) و 20 درصد (0/001=P) در میزان عرض گام نرمالیزه؛ افزایش معنادار در وضعیت صفر نسبت به وضعیت‌های 15 درصد (0/004=P) و 20 درصد (0/001=P) در میزان آهنگ قدم برداری نرمالیزه؛ کاهش معنادار در وضعیت صفر نسبت به وضعیت 20 درصد (0/001=P) در میزان درصد مرحله حمایت یگانه؛ کاهش معنادار در وضعیت صفر نسبت به وضعیت 20 درصد (0/002=P) در میزان درصد مرحله حمایت دوگانه و افزایش معنادار در وضعیت صفر نسبت به وضعیت 20 درصد (0/001=P) در میزان درصد مرحله نوسان (جدول شماره 2). به ‌طور کلی حین راه رفتن دانش‌آموزان، با افزایش وزن کوله‌پشتی (مخصوصاً در وضعیت‌های 15 و 20 درصد وزن بدن)، افزایش میزان طول گام و عرض گام نرمالیزه، کاهش میزان آهنگ قدم‌برداری نرمالیزه، افزایش درصد مراحل حمایت یگانه و حمایت دوگانه و کاهش درصد مرحله نوسان مشاهده شد.

 

 

اثر حمل کوله‌پشتی بر متغیرهای کینماتیکی دانش‌آموزان 10-7 سال حین راه رفتن

نتایج آزمون شاپیرو‌ویلک نشان داد که توزیع تمامی متغیرهای کینماتیکی در وضعیت‌های مختلف حمل کوله‌پشتی به‌ صورت نرمال است (0/05<P). نتایج آزمون آنووا با اندازه‌های تکراری، این موارد را نشان داد: افزایش معنادار در وضعیت صفر نسبت به وضعیت 20 درصد (0/006=P) در میزان حداکثر زاویه فلکشن زانو؛ افزایش معنادار در وضعیت صفر نسبت به وضعیت 20 درصد (0/002=P) در میزان حداکثر زاویه دورسی فلکشن مچ پا؛ کاهش معنادار در وضعیت صفر نسبت به وضعیت‌های 15 درصد (0/001=P) و 20 درصد (0/001=P) و همچنین کاهش معنادار در وضعیت 10 درصد نسبت به وضعیت 20 درصد (0/006=P)در میزان حداکثر زاویه پلانتار فلکشن مچ پا. به‌ طور کلی، حین راه رفتن دانش‌آموزان با افزایش وزن کوله‌پشتی (مخصوصاً شرایط 15 و 20 درصد وزن بدن) حداکثر زاویه فلکشن زانو و دورسی فلکشن مچ پا کاهش یافته و حداکثر زاویه پلانتار فلکشن مچ پا افزایش یافت (تصویر شماره 1).

 

 

 

اثر حمل کوله‌پشتی بر متغیرهای کینتیکی دانش‌آموزان 10-7 سال حین راه رفتن

نتایج آزمون شاپیرو‌ویلک نشان داد که توزیع تمامی متغیرهای کینتیکی در وضعیت‌های مختلف حمل کوله‌پشتی به‌ صورت نرمال است (0/05=P). نتایج آزمون آنووا با اندازه‌های تکراری این موارد را نشان داد: کاهش معنادار در وضعیت صفر نسبت به وضعیت‌های 15 درصد (0/001=P) و 20 درصد (0/001=P) و همچنین کاهش معنادار در وضعیت 10 درصد نسبت به وضعیت 20 درصد (0/003=P) در میزان قله اول نیروی عمودی نرمالیزه؛ کاهش معنادار در وضعیت صفر نسبت به وضعیت‌های 10 درصد (0/001=P)، 15 درصد (0/001=P) و 20 درصد (0/001=P) در میزان قله دوم نیروی عمودی نرمالیزه؛ کاهش معنادار در وضعیت صفر نسبت به وضعیت 20 درصد (0/001=P) در میزان نیروی عمق فرورفتگی نرمالیزه. به ‌طور کلی، حمل کوله‌پشتی با وزن‌های بیشتر (مخصوصاً شرایط 15 و 20 درصد وزن بدن) باعث افزایش میزان قله اول و دوم نیروی عمودی نرمالیزه و همچنین نیروی عمق فرورفتگی نرمالیزه در دانش‌آموزان حین راه رفتن شد (جدول شماره 3).

 

 

هدف پژوهش حاضر بررسی تأثیر حمل کوله‌پشتی در وزن‌های مختلف بر متغیرهای منتخب بیومکانیکی حین راه رفتن در دختران و پسران 10-7 سال بود. نتایج پژوهش حاضر نشان داد که با افزایش وزن کوله‌پشتی (مخصوصاً در وضعیت‌های 15 و 20 درصد وزن بدن) میزان طول گام و عرض گام نرمالیزه افزایش می‌یابد. این نتایج با نتایج مطالعات حسینی و همکاران، باباخانی، چوو همکاران و بورزکنز و همکاران همسوست [12 ،16 ،33 ،40]. با توجه به اینکه تغییرات مشاهده‌شده در شرایط کوله‌پشتی 15 و 20 درصد وزن بدن وجود داشت، به نظر می‌رسد که وزن کوله‌پشتی 10 درصد وزن بدن جهت حمل مناسب‌تر باشد که با نتایج برخی مطالعات پیشین هم‌خوانی دارد [24-27]. به‌ طور کلی، افزایش طول و عرض گام مشاهده‌شده در شرایط افزایش وزن کوله‌پشتی حین راه رفتن ممکن است به دو دلیل ایجاد شده باشد. اولاً افزایش طول گام در شرایط افزایش وزن کوله‌پشتی احتمالاً به دلیل به‌کارگیری نیروی بیشتر در لحظه فشار آوردن پا به زمین در مرحله پیشروی باشد [40]. این مسئله با توجه به افزایش نیروی عمودی حداکثر دوم عکس‌العمل زمین، حین افزایش وزن کوله‌پشتی محتمل است. ثانیاً افزایش طول و عرض گام ناشی از حمل کوله‌پشتی سنگین‌تر حین راه رفتن ممکن است به دلیل اتخاذ سازوکارهای جبرانی برای حفظ وضعیت پایداری بدن باشد [17]. به ‌طوری ‌که آزمودنی‌ها با افزایش طول و مخصوصاً عرض گام، سعی در افزایش سطح اتکای خود داشته‌اند تا بتوانند بر ناپایداری ایجاد‌شده ناشی از حمل کوله‌پشتی غلبه کنند [41]. این مسئله با توجه به اینکه برخی تحقیقات اثرات حمل کوله‌پشتی را بر کاهش میزان پایداری بدن نشان داده‌اند [42]، محتمل به نظر می‌رسد. در مقابل، نتایج پژوهش حاضر در زمینه افزایش طول گام متعاقب افزایش وزن کوله‌پشتی با نتایج مطالعات نمازی‌زاده و همکاران، سینگ و کوه، لیو و همکاران و اورانتز گونزالس و همکاران ناهمسوست [17 ،18 ،20 ،29]. به ‌طور کلی، برخی از دلایل ایجاد این ناهم‌خوانی در نتایج مطالعات می‌تواند ناشی از اختلاف در شیوه حمل کوله‌پشتی (یک‌طرفه در مقابل دوطرفه) [43]، تغییر در میزان زمان و مسافت حمل کوله‌پشتی (کوتاه‌‌مدت در مقابل بلند‌مدت) [44]، تفاوت در محل قرارگیری کوله‌پشتی در پشت بدن (نواحی مختلف ستون فقرات) [44]، تفاوت در جامعه آماری مطالعات مختلف (مانند سن، جنسیت، سطح فعالیت بدنی، محل جغرافیایی، سبک زندگی و غیره) و اختلاف در نوع وظیفه حرکتی انجام‌شده (راه رفتن روی تردمیل در مقابل راه رفتن عادی) باشد.

همچنین، نتایج پژوهش حاضر نشان داد که با افزایش وزن کوله‌پشتی (مخصوصاً در وضعیت‌های 15 و 20 درصد وزن بدن) میزان آهنگ قدم‌برداری نرمالیزه کاهش معناداری می‌یابد. این نتایج با نتایج مطالعات سینگ و کوه، لیو و همکاران، قمری هویدا و همکاران و اورانتز گونزالس و همکاران همسوست [17 ،18 ،20 ،45]. با توجه به اینکه تغییرات مشاهده‌شده در پژوهش حاضر در شرایط کوله‌پشتی 15 و 20 درصد وزن بدن وجود داشت، به نظر می‌رسد که وزن کوله‌پشتی 10 درصد وزن بدن جهت حمل مناسب‌تر باشد که با نتایج برخی مطالعات پیشین هم‌خوانی دارد [24-27، 44]. به‌ طور کلی، کاهش آهنگ قدم‌برداری مشاهده‌‌شده در پژوهش حاضر ممکن است به دو دلیل ایجاد شده باشد. دلیل اول با توجه به پیشنهاد سینگ و کوه خستگی عضلات اندام تحتانی حین حمل کوله‌پشتی است که به کاهش سرعت راه رفتن و آهنگ قدم‌برداری به‌‌موازات افزایش وزن کوله‌پشتی منجر شود [17]. هرچند در این پژوهش متغیرهای الکترومیوگرافی مورد بررسی قرار نگرفتند. دلیل دوم کاهش آهنگ قدم‌برداری، ممکن است افزایش طول گام باشد که احتمالاً زمان بیشتری را برای هر گام می‌طلبد. در‌نتیجه تعداد گام در یک زمان مشخص کاهش می‌یابد.

به‌علاوه، نتایج پژوهش حاضر نشان داد که با افزایش وزن کوله‌پشتی (مخصوصاً در وضعیت 20 درصد وزن بدن) درصد مراحل حمایت یگانه و حمایت دوگانه افزایش یافته و درصد مرحله نوسان کاهش معناداری می‌یابد. این نتایج با نتایج مطالعات سینگ و کوه، لیو و همکاران، بورزکنز و همکاران و اورانتز گونزالس و همکاران همسوست [17 ،18 ،20 ،33]. به نظر می‌رسد که افزایش درصد مراحل حمایت یگانه و دوگانه و کاهش مرحله نوسان حین حمل کوله‌پشتی مورد توافق محققان است. این تغییرات ممکن است به دلیل کاهش تعادل پویا حین حمل کوله‌پشتی باشد. به ‌طوری ‌که شخص به‌ منظور حفظ تعادل مدت‌زمان ایستادن روی دو پا را افزایش می‌دهد تا در این وضعیت سطح اتکا افزایش و ارتفاع مرکز ثقل کاهش یابد [17]. ایجاد تغییرات بیومکانیکی مختلف حین حمل کوله‌پشتی می‌تواند شیوع ناهنجاری‌های مختلف، دردهای اسکلتی‌عضلانی و میزان ناپایداری بدن را افزایش دهد [12 ،33 ،43 ،44]. افزایش درصد مراحل حمایت یگانه و دوگانه و کاهش مرحله نوسان حین راه رفتن با کوله‌پشتی ممکن است به افزایش بار وارده بر بدن دانش‌‌آموزان حین راه رفتن منجر شود و اثرات منفی بر عملکرد دانش‌آموزان داشته باشد. به‌ هر حال، در پژوهش حاضر ارتباط بین این متغیرها با دردهای اسکلتی‌عضلانی و یا شیوع ناهنجاری‌های مختلف بررسی نشد و نیاز به انجام مطالعات آتی دارد.

از طرف دیگر، نتایج پژوهش حاضر نشان داد که با افزایش وزن کوله‌پشتی (مخصوصاً در وضعیت‌های 15 و 20 درصد وزن بدن) حداکثر زاویه فلکشن زانو و دورسی فلکشن مچ پا کاهش یافته و حداکثر زاویه پلانتار فلکشن مچ پا افزایش می‌یابد. این نتایج با نتایج مطالعات باباخانی، محمدی و همکاران، رضایی و همکاران، دیمز و اسمیت، قمری هویدا و همکاران، نادری و همکاران و اورانتز گونزالس و همکاران همسوست [16، 18، 22، 25، 43-45]. تغییرات کینماتیکی ایجاد‌شده در مفاصل زانو و مچ پا حین راه رفتن با حمل کوله‌پشتی می‌توانند نشانه اتخاذ سازوکارهای جبرانی برای حفظ پایداری بدن باشند [17]. به ‌طوری ‌که با افزایش وزن کوله‌پشتی میزان فلکشن مفصل زانو افزایش یافت، پاها از یکدیگر فاصله گرفتند (افزایش در میزان عرض گام) و زاویه مفصل مچ پا نیز طوری تغییر کرد تا به حفظ تعادل فرد کمک کند. به‌ طور کلی، تغییرات کینماتیکی مشاهده‌شده در مفاصل زانو و مچ پا حین راه رفتن با کوله‌پشتی ممکن است اثرات منفی بر عملکرد دانش‌آموزان داشته باشند. در همین زمینه، رضایی و همکاران بیان کردند که حمل کوله‌پشتی به شیوه نامطلوب باعث افزایش معنادار میزان فلکشن مفصل زانو می‌شود که این مسئله خطر بروز آسیب را افزایش می‌دهد [43]. به ‌هر حال در پژوهش حاضر ارتباط بین حمل کوله‌پشتی با دردهای اسکلتی‌عضلانی و یا میزان شیوع ناهنجاری‌های مختلف مورد بررسی قرار نگرفت که در این زمینه مطالعات آتی ضروری به نظر می‌رسد. به‌ طور کلی، با توجه به اینکه تغییرات مشاهده‌شده در شرایط کوله‌پشتی 15 و 20 درصد وزن بدن وجود داشت، به نظر می‌رسد که وزن کوله‌پشتی 10 درصد وزن بدن جهت حمل مناسب‌تر باشد.

نتایج پژوهش حاضر نشان داد که حمل کوله‌پشتی با وزن‌های بیشتر (مخصوصاً وزن‌های 15 و 20 درصد وزن بدن) باعث افزایش میزان قله اول و دوم نیروی عمودی و همچنین نیروی عمق فرورفتگی (همگی به ‌صورت نرمالیزه) در دانش‌آموزان حین راه رفتن می‌شود که با نتایج مطالعات چو و همکاران، دیمز و اسمیت و لیو و همکاران همسوست [19، 20 ،22]. به نظر می‌رسد که افزایش میزان قله اول و دوم نیروی عمودی و همچنین نیروی عمق فرورفتگی حین راه رفتن با حمل کوله‌پشتی مورد توافق محققان است. افزایش نیروی عمودی عکس‌العمل زمین حین حمل کوله‌پشتی احتمالاً به اثر وزن بار مرتبط باشد [20]؛ به ‌طوری ‌که افزایش وزن و نیروی وارده بر زمین منجر به افزایش نیروی عکس‌العمل زمین به فرد می‌شود (قانون سوم نیوتن) [38، 41]. به‌ هر حال، افزایش نیروی عمودی عکس‌العمل زمین حین حمل کوله‌پشتی می‌تواند به افزایش بار وارده بر بدن آن‌ها حین راه رفتن منجر شود که این مسئله اثرات منفی بر عملکرد دانش‌آموزان داشته و خطر بروز دردهای اسکلتی‌عضلانی و یا شیوع ناهنجاری در نواحی مختلف بدن را افزایش می‌دهد [20-22]. برای مثال، برخی مطالعات گزارش کردند که افزایش نیروی عمودی عکس‌العمل و نیروی ترمزی و پیشران می‌تواند احتمال بروز ناهنجاری‌ها، دردهای اسکلتی‌عضلانی و یا شکستگی تنشی در اندام تحتانی را افزایش دهد [20-22]. این مسئله مخصوصاً برای کودکانی که در سن رشد هستند، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

هنگام استفاده از کوله‌پشتی با وزن‌های مختلف آگاهی از اثرات متعدد بیومکانیکی می‌تواند مفید بوده و به تجویز وزن مناسب جهت حمل کمک کند. با توجه به نتایج پژوهش حاضر، کوله‌پشتی‌های دارای 15 و 20 درصد وزن بدن تغییرات بیومکانیکی مختلفی در اندام تحتانی ایجاد می‌کنند و در نتیجه ممکن است برای حمل چندان مناسب نباشند. به نظر می‌رسد که حداکثر وزن حمل کوله‌پشتی برای کودکان در محدوده 10 درصد وزن بدن آن‌ها مناسب باشد. هرچند که در این زمینه به دلیل تفاوت‌های فردی احتیاط لازم باید صورت بگیرد.

از جمله مهم‌ترین محدودیت‌های پژوهش حاضر شامل عدم بررسی متغیرهای بیومکانیکی اندام فوقانی و ناحیه تنه، عدم بررسی موقعیت‌های مختلف قرارگیری کوله‌پشتی بر ویژگی‌های بیومکانیکی اندام تحتانی و عدم بررسی ارتباط بین تغییرات بیومکانیکی با دردهای اسکلتی‌عضلانی و شیوع ناهنجاری‌های بدنی بودند. مطالعات آتی جهت بررسی این محدودیت‌ها پیشنهاد می‌شوند.

در اجرای پژوهش ملاحظات اخلاقی مطابق با دستورالعمل کمیته اخلاق دانشگاه موسسه تحقیقات علوم حرکتی دانشگاه خوارزمی در نظر گرفته شده است و کد اخلاق به شماره ک.ا.پ. 112/1000دریافت شده است.

این مقاله برگرفته از پایان‌نامه کارشناسی نویسنده اول در گروه بیومکانیک ورزش، دانشکده تربیت بدنی، واحد تهران مرکزی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران است. 

تمام نویسندگان در آماده‌سازی این مقاله مشارکت یکسان داشته اند.

بنابر اظهار نویسندگاناین مقاله تعارض منافع نداد.

نویسندگان بدین‌وسیله ازتمام دانش‌آموزان استان اصفهان و تکنیسین آزمایشگاه بیومکانیک دانشکده توانبخشی دانشگاه علوم‌پزشکی اصفهان که در انجام این تحقیق یاری‌مان کردند، تشکر وقدردانی می‌کنند.

 

 

Refrences

1. Mohammadi S, Mokhtarinia H, Nejatbakhsh R, Scuffham A. Ergonomics evaluation of school bags in Tehran female primary school children. Work. 2017; 56(1):175-81. [DOI:10.3233/WOR-162469] [PMID]
2. Hoseini S, Khuri A, Siavashi M, Abdolmohammadi A. [Effect of carying backpacks with different weights on electromyography activity of rectus abdominis and lumbar erector spine muscles in elementary schools students (Persian)]. Olympic. 2012; 20(3):73-83. https://www.sid.ir/en/journal/ViewPaper.aspx?id=289338
3. Chow D, Ting J, Pope M, Lai A. Effects of backpack load placement on pulmonary capacities of normal schoolchildren during upright stance. International Journal of Industrial Ergonomics. 2009; 39(5):703-7. [DOI:10.1016/j.ergon.2009.03.002]
4. Singh T, Koh M. Lower limb dynamics change for children while walking with backpack loads to modulate shock transmission to the head. Journal of Biomechanics. 2009; 42(6):736-42 [DOI:10.1016/j.jbiomech.2009.01.035] [PMID]
5. Whittfield J, Legg S, Hedderley D. Schoolbag weight and musculoskeletal symptoms in New Zealand secondary schools. Applied Ergonomics. 2005; 36(2):193-8. [DOI:10.1016/j.apergo.2004.10.004] [PMID]
6. Chansirinukor W, Wilson D, Dansie B. Effects of backpacks on students: Measurement of cervical and shoulder posture. Australian Journal of Physiotherapy. 2001; 47(2):110-16. [DOI:10.1016/S0004-9514(14)60302-0]
7. Adeyemi A, Rohani J, Rani M. Backpack-back pain complexity and the need for multifactorial safe weight recommendation. Applied Ergonomics. 2017; 58:573-82. [DOI:10.1016/j.apergo.2016.009] [PMID]
8. Noll M, Candotti CT, Rosa BN da, Loss JF. Back pain prevalence and associated factors in children and adolescents: An epidemiological population study. Revista de Saúde Pública. 2016; 50:31. [DOI:10.1590/S1518-8787.2016050006175] [PMID] [PMCID]
9. Zadpoor AA, Nikooyan AA. The relationship between lower-extremity stress fractures and the ground reaction force: A systematic review. Clinical Biomechanics. 2011; 26(1):23-8. [DOI:10.1016/j.clinbiomech.20108.005] [PMID]
10. Chow D, Leung K, Holmes A. Changes in spinal curvature and proprioception of schoolboys carrying different weights of backpack. Ergonomics. 2007; 50(12):2148-56. [DOI:10.1080/00140130701459832] [PMID]
11. Grimmer K, Dansie B, Milanese S, Pirunsan U, Trott P. Adolescent standing postural response to backpack loads: A randomised controlled experimental study. BMC Musculoskeletal Disorders. 2002; 3:10. [DOI:10.1186/1471-2474-3-10] [PMID] [PMCID]
12. Chow D, Hin C, Ou D, Lai A. Carry-over effects of backpack carriage on trunk posture and repositioning ability. International Journal of Industrial Ergonomics. 2011; 41(5):530-5. [DOI:10.1016/j.ergon.2011.04.001]
13. Oatis C. [Kynesiology: The mechanics and pathomechanics of human movement (German)]. 2th ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins; 200 https://books.google.lu/books?id=SqZZSAAACAAJ&hl=de&source=gbs_navlinks_s
14. Xu X, Hsiang SM, Mirka G. The effects of a suspended-load backpack on gait. Gait & Posture. 2009; 29(1):151-3. [DOI:10.1016/j.gaitpost.2008.06.008] [PMID]
15. Hong Y, Brueggemann G-P. Changes in gait patterns in 10-year-old boys with increasing loads when walking on a treadmill. Gait & Posture. 2000; 11(3):254-9. [DOI:10.1016/S0966-6362(00)00055-2]
16. Babakhani F. The effect of backpack load on the posture of children and its relationship to trunk muscle activity during walking on a treadmill [PhD. Dissertation]. Germany: Saarland University; 2011. [DOI:10.22028/D291-23321]
17. Singh T, Koh M. Effects of backpack load position on spatiotemporal parameters and trunk forward lean. Gait & Posture. 2009; 29(1):49-53. [DOI:10.1016/j.gaitpost.2008.06.006] [PMID]
18. Orantes-Gonzalez E, Heredia-Jimenez J, Beneck G. Children require less gait kinematic adaptations to pull a trolley than to carry a backpack. Gait & Posture. 2017; 52:189-93. [DOI:10.1016/j.g2016.11.041] [PMID]
19. Chow D, Kwok M, Au-Yang A, Holmes A, Cheng J, Yao F, et al. The effect of backpack load on the gait of normal adolescent girls. Ergonomics. 2005; 48(6):642-56. [DOI:10.1080/00140130500070921] [PMID]
20. Liew B, Morris S, Netto K. The effect of backpack carriage on the biomechanics of walking: A systematic review and preliminary meta-analysis. Journal of Applied Biomechanics. 2016; 32(6):614-29. [DOI:10.1123/jab.2015-0339] [PMID]
21. Kellis E, Arampatzi F. Effects of sex and mode of carrying schoolbags on ground reaction forces and temporal characteristics of gait. Journal of Pediatric Orthopaedics. Part B. 2009; 18(5):275-82. [DOI:10.1097/BPB.0b013e32832d5d3b] [PMID]
22. Dames K, Smith J. Effects of load carriage and footwear on lower extremity kinetics and kinematics during overground walking. Gait & Posture. 2016; 50:207-11. [DOI:10.1016/j.gaitpost.2016.09.012] [PMID]
23. Hong Y, Li J-X, Fong DT-P. Effect of prolonged walking with backpack loads on trunk muscle activity and fatigue in children. Journal of Electromyography and Kinesiology. 2008; 18(6):990-6. [DOI:10.1016/j.jelekin.2007.06.013] [PMID]
24. Lucas G. Backpacks in children. Sri Lanka Journal of Child Health. 2011; 40(1):1-3. [DOI:10.1016/S0004-9514(14)60302-0]
25. Mohammadi S, Mokhtarinia HR, Tabatabaee F, Nejatbakhsh R. [Surveying ergonomic factors of backpack in tehranian primary school children (Persian)]. Razi Journal of Medical Sciences. 2012; 19(102):1-11. https://rjms.iums.ac.ir/files/site1/user_files_06b2a0/admin-A-10-1-1353-8ccaf4b.pdf
26. Daneshmandi H, Isanejhad A. [Coordination between student equipment and their anthropometric dimensions (Persian)]. Sport Sciences Research Institute of Iran. 2005; 7:73-89.
27. Mackie H, Stevenson J, Reid S, Legg S. The effect of simulated school load carriage configurations on shoulder strap tension forces and shoulder interface pressure. Applied Ergonomics. 2005; 36(2):199-206. [DOI:10.1016/j.apergo.2004.10.007] [PMID]
28. Daneshmandi H, Rahmani-Nia F, Hosseini S. Effect of carrying school backpacks on cardio-respiratory changes in adolescent students. Sport Sciences for Health. 2008; 4(1-2):7-14. [DOI:10.1007/s11332-008-0060-8]
29. Namazizadeh M, Ebrahim K, Sarreshteh M, Salehi H. [The kinematic effects of carrying backpack on wlking and posture of adolescents (Persian)]. Harakat. 2002; 16(16):5-25. https://joh.ut.ac.ir/article_10276.html?lang=en
30. Al-Hazzaa H. School backpack. How much load do Saudi school boys carry on their shoulders? Saudi Medical Journal. 2006; 27(10):1567-71. https://www.semanticscholar.org/paper/School-backpack.-How-much-load-do-Saudi-school-boys-Al-Hazzaa/2f78db6c075d4cc65ae549bd17ddb6ef58ccaa26
31. Ramprasad M, Alias J, Raghuveer A. Effect of backpack weight on postural angles in preadolescent child Indian Pediatrics. 2010; 47(7):575-80. [DOI:10.1007/s13312-010-0130-2] [PMID]
32. Erdfelder E, Faul F, Buchner A. GPOWER: A general power analysis program. Behavior Research Methods, Instruments, & Computers. 1996; 28(1):1-11. [DOI:10.3758/BF03203630]
33. Beurskens R, Muehlbauer T, Grabow L, Kliegl R, Granacher U. Effects of backpack carriage on dual-task performance in children during standing and walking. Journal of Motor Behavior. 2016; 48(6):500-8. [DOI:10.1080/00222895.2016.1152137] [PMID]
34. Jadidian AA, Shirzad E. [The effect of the height of placement of two types of backpacks on gait kinetic and kinematic parameters in schoolchildren aged between 8 and 11 (Persian)]. Journal of Exercise Science and Medicine. 2018; 10(1):91-110. [DOI:10.22059/JSMED.2019.264749.915]
35. Hoffman M, Schrader J, Applegate T, Koceja D. Unilateral postural control of the functionally dominant and nondominant extremities of healthy subjects. Journal of Athletic Training. 1998; 33(4):319-22. [PMID]
36. Ghamari Hoveyda SS, Babakhani F, Hajiloo B, Anbarian M. [The effect of backpack carriage with different loads on kinematics variables during walking in elementary school students in Hamedan city (Persian)]. Journal of Practical Studies of Biosciences in Sport. 2018; 5(10):87-97. [DOI:10.22077/JPSBS.2018.758]
37. Murley GS, Landorf KB, Menz HB. Do foot orthoses change lower limb muscle activity in flat-arched feet towards a pattern observed in normal-arched feet? Clinical Biomechanics. 2010; 25(7):728-36. [DOI:10.1016/j.clinbiomech.2010.05.001] [PMID]
38. Robertson G, Caldwell G, Hamill J, Kamen G, Whittlesey S. Research methods in biomechanics. 2th ed. Champaign: Human Kinetics; 2013. [DOI:10.5040/9781492595809]
39. Salavati M, Hadian MR, Mazaheri M, Negahban H, Ebrahimi I, Talebian S, et al. Test-retest reliabty of center of pressure measures of postural stability during quiet standing in a group with musculoskeletal disorders consisting of low back pain, anterior cruciate ligament injury and functional ankle instability. Gait & Posture. 2009; 29(3):460-4. [DOI:10.1016/j.gaitpost.2008.11.016] [PMID]
40. Hoseini H, Dastmanesh S, Daneshmandi H. [The examination of EMG changes of students’ trunk muscles when carrying traditional schoolbags (Persian)]. Journal of Exercise Science and Medicine. 2009; 1(2):5-25. https://jsmed.ut.ac.ir/article_21967_0.html
41. Winter DA. Biomechanics and motor control of human movement. 4th ed. United States: John Wiley & Sons, Inc; 2009. https://books.google.com/books/about/Biomechanics_and_Motor_Control_of_Human.html?id=_bFHL08IWfwC
42. Lucas-Cuevas A, Pérez-Soriano P, Bush M, Crossman A, Llana S, Cortell-Tormo J, et al. Effects of different backpack loads in acceleration transmission during recreational distance walking. Journal of Human Kinetics. 2013; 37:81-9. [DOI:10.2478/hukin-2013-0028] [PMID] [PMCID]
43. Rezaee J, Babakhani F, Balouchi R, Romiani S. [The effect of backpack load on the rural students posture and gait pattern in two modes of carrying (Persian)]. Journal of Applied Exercise Physiology. 2015; 12(23):141-52. [DOI:10.22080/JA2016.1315]
44. Naderi A, Shaabani F, Malki F, Khosravi F. [Kinematic changes of body alignment resulting from backpack weight, location and carrying duration in 10 to 12 years old boy schoolchildren (Persian)]. Journal of Applied Exercise Physiology. 2017; 13(25):25-36. [DOI:10.22080/JAEP.2017.1585]
45. Ghamari Hoveyda S, Babakhani F, Anbarian M, Hajiloo B. [Effect of carrying backpack with different loads on electromyography activity of selected lower limb muscles during walking in elementary school students in Hamedan city (Persian)]. Razi Journal of Medical Sciences. 2016; 23(148):89-97. http://rjms.iums.ac.ir/article-1-4041-en.html