美国儿童身体质量指数对足部形态的影响

时间：2026年1月29日

来源：Applied Ergonomics

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本研究通过采集490名3-17岁美国儿童的高精度三维足部数据，构建统计模型分析BMI对儿童足部形态的影响。结果显示BMI升高与足宽、周长、厚度增大及足弓高度降低显著相关，10-17岁儿童变化更明显。该模型为儿童鞋袜和矫形器设计提供三维数据支持，并发现高BMI组与中位数BMI组足部形态差异远大于低BMI组，未来需研究动态足部变化及更年轻儿童数据。

作者：Hayoung Jung、Byoung-Keon D. Park、Sheila M. Ebert、Monica L.H. Jones、Matthew P. Reed

所属机构：密歇根大学交通研究所生物科学组，地址：美国密歇根州安娜堡市Baxter Rd 2901号，邮编48109

摘要

了解儿童脚部的三维形状对于设计合适的鞋类和矫形装置、追踪生长轨迹以及促进足部健康与发展具有重要意义。近年来美国最重要的身体测量学变化是各年龄段体重的增加，但这些趋势对儿童足部形状的影响尚未得到研究。为填补这一空白，我们收集了490名3至17岁儿童的高分辨率三维（3D）足部表面数据，这些儿童的体重指数（BMI）范围从12.4到52.6 kg/m²，并建立了一个统计足部形状模型来分析BMI与足部形态变化之间的关系。在控制年龄因素后，发现较高的BMI与足部尺寸的变化有关，包括足部宽度增加、周长增大、厚度增加以及横截面积和体积增大。同时，较高的BMI还与足弓高度降低相关。特定足部区域（如内侧和外侧、足弓及足背）在不同BMI水平下表现出更显著的形状差异。这些差异在年龄较大的儿童中更为明显，10岁和17岁的儿童足部尺寸的差异最为显著。中位数BMI与第95百分位数BMI之间的足部形状差异远大于第5百分位数与中位数BMI之间的差异，尤其集中在足后部和前踝区域。本研究首次全面分析了儿童足部形状与BMI之间的关系，而以往的研究主要集中在线性尺寸上。研究结果表明，儿童体重的增加可能需要重新设计鞋类以确保良好的适配性。该足部形状模型可用于根据人口统计数据估算足部形状，准确匹配低分辨率足部扫描数据，并有助于鞋类和矫形装置的设计。未来的研究应致力于收集更多高BMI儿童的样本数据，改进对不同人群亚组的代表性，并考虑动态因素。儿童足部模型可在线公开获取：https://HumanShape.org/ChildFoot

引言

儿童足部形状的三维数据被用于设计鞋类和足部相关矫形装置，以及追踪足部生长轨迹。儿童在成长过程中足部会经历快速变化（Unger和Rosenbaum，2004年）。能够准确反映儿童足部形状的鞋类尺寸系统可以提高舒适度和稳定性（Mauch等人，2009年）。根据儿童足部形状设计的鞋类和矫形装置可以预防各种体育活动中的伤害，并促进足部正常发育（Fritz和Mauch，2013年）。为了利用三维足部形状数据进行儿童足部研究，研究人员还对3D扫描仪的几何捕捉精度、3D扫描的重复性以及尺寸进行了评估（Farhan等人，2023年）。

成人研究表明，体重指数（BMI）显著影响足部形状和足弓形态。较高的BMI与足部更宽、更扁平以及足印不对称性增加有关（Domjanic等人，2013年）。肥胖和超重个体的足中部宽度明显大于足跟区域，足底足弓角度较低，表明扁平足的发病率较高（Mallashetty等人，2019年）。此外，Rosende-Bautista等人（2021年）报告BMI与足弓指数之间存在正相关关系（Cavanagh和Rodgers，1987年）。类似地，多项儿童研究表明，超重和肥胖儿童往往具有更扁平的足部和较低的足弓，这表明过重的体重可能会扭曲足部形状，导致纵向和横向足弓的退化（Mauch等人，2008年；Villarroya等人，2008年；Puszczałowska-Lizis和Ciosek，2017年）。后续研究进一步表明，随着BMI的增加，足弓相关指标显著下降，尤其是当BMI达到21 kg/m²时（Yan等人，2023年）。然而，也有研究认为BMI对幼儿足部形状的影响可能不那么明显。Gijon-Nogueron等人（2016年）报告称，7岁以下儿童的扁平足姿势和形状是正常生长发育的一部分，受BMI的影响较小。Escalona-Marfil等人（2023年）发现，腰围（WC）和足中部宽度（MFW）与儿童足部尺寸的相关性更强。综上所述，虽然BMI是影响成人足部形状和足弓形态的关键因素，但在儿童和青少年中的作用尚不明确，且可能因年龄和分析方法的不同而有所差异。这种不一致性凸显了系统研究儿童和青少年BMI相关足部形状变化是否遵循与成人相似模式的必要性，或者是否存在特定于年龄的特征，特别是在使用三维足部形状分析时。

以往分析BMI与足部形态关联的研究主要集中在足长、角度以及足底表面或足弓高度的点对点测量上。研究人员关注儿童扁平足对健康足部发育的负面影响，并试图提出早期检测方法。例如Aurichio等人（2011年）、Domjanic等人（2013年）和Mallashetty等人（2019年）使用墨迹足迹或三维（3D）扫描方法快速捕捉足部形状并计算足弓指数和足弓角度以评估扁平足。Bautista等人（2021年）报告称足弓高度（MLA）与BMI之间存在高相关性。Mauch等人（2008年）利用德国儿童的三维足部扫描数据根据足弓、周长和长度对足部类型进行分类，并分析了不同体重下的足部类型分布。然而，他们的分析仅限于足部类型分类和尺寸测量，未探讨足部特定区域随体重增加而发生的形状或几何变化。此外，Lange等人（2021年）报告称，在COVID-19疫情期间，美国2至19岁儿童的BMI增长速度大约是疫情前的两倍，表明高BMI将成为影响美国儿童的重要问题。为填补这一空白，我们使用高分辨率三维表面测量方法捕捉了490名3至17岁美国儿童的足部形状，建立了统计足部形状模型来量化足部形状的变化，并分析了BMI和其他协变量的影响。

数据采集

我们收集了490名3至17岁美国儿童（246名男性和244名女性）的三维足部数据，同时记录了他们的身体测量数据和个人信息（表1）。参与者的身高范围为942毫米至1942毫米，体重指数（BMI）范围为11.9 kg/m²至52.6 kg/m²。图1显示了参与者的身高和体重（千克）分布以及年龄（月）和BMI（kg/m²）分布。采集了这些儿童站立时扁平足姿势下的三维足部形状数据。

结果

通过回归模型重建的三维足部形状数据中提取了足部尺寸（如足长和足底宽度），并比较了不同BMI水平下的足部形状变化（图6）。与4岁儿童相比，10岁和17岁儿童的足部形状变化更为明显，尤其是足部扁平化更为明显，表现为足部宽度增加、周长增大和足弓高度降低。如表3所示，在4岁儿童中，BMI……

讨论

通过回归分析，量化了BMI水平与足部形状和尺寸的变化。BMI较高的儿童具有更宽的足部、更大的周长、更厚的足部，以及更大的横截面积和体积。较高的BMI与足弓高度降低和更明显的扁平足倾向相关。此外，根据BMI水平还发现了足部各区域的横截面积和轮廓形状的差异。

结论

本研究通过将足部模板模型与三维足部扫描数据相结合，开发了一个高分辨率的统计足部形状模型。我们的研究揭示了体重指数（BMI）如何影响儿童足部的三维形状。通过主成分分析和回归模型，我们量化了不同BMI水平下的足部形状和尺寸变化。结果表明，随着BMI的增加，足部尺寸有所增大。

作者贡献声明

Hayoung Jung：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论设计、数据分析、概念构思。 Byoung-Keon D. Park：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计。 Sheila M. Ebert：撰写——审稿与编辑、数据收集与整理。 Monica L.H. Jones：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。 Matthew P. Reed：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、研究指导、方法论设计。