行走和慢跑狀態(tài)下護(hù)膝的防護(hù)效果

姚瑞祥， 王燕珍,2

(1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院, 上海 200051)

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行走和慢跑狀態(tài)下護(hù)膝的防護(hù)效果

姚瑞祥1， 王燕珍1,2

(1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院, 上海 200051)

為探究在行走和慢跑狀態(tài)下佩戴2種護(hù)膝對于膝關(guān)節(jié)角和單步周期的影響情況，測試者分別佩戴2種護(hù)膝，在模擬人體行走和慢跑的基礎(chǔ)上，運(yùn)用三維運(yùn)動測量系統(tǒng)獲取人體下肢不同步態(tài)的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，使用空間向量夾角計(jì)算方法計(jì)算不同運(yùn)動形勢下的膝關(guān)節(jié)角度，運(yùn)用單因素方差分析法(p<0.05)分析護(hù)膝對膝關(guān)節(jié)角與單步周期的影響情況。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在2種運(yùn)動狀態(tài)下2號護(hù)膝對膝關(guān)節(jié)的活動有明顯的限制作用，而1號護(hù)膝僅在行走的時候?qū)οリP(guān)節(jié)的活動有明顯的限制作用。

三維運(yùn)動測量； 膝關(guān)節(jié)角； 護(hù)膝； 防護(hù)性能

膝關(guān)節(jié)是人體內(nèi)最大同時也是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的一個關(guān)節(jié)，在日常生活與體育運(yùn)動中經(jīng)常會受到來自不同方向力的作用。有科學(xué)家研究表明，人在慢跑時，腳觸地的瞬間受到地面的反作用力將達(dá)到人體重的2～3倍，而在快速跑跳時足底所承受的反作用力是慢跑時的3倍以上[1-2]，這是造成膝關(guān)節(jié)損傷的外在因素；另外膝關(guān)節(jié)是人體所有關(guān)節(jié)中最表淺的關(guān)節(jié)之一，是股骨與脛骨交匯的地方，中間有半月板，前面有髕骨。髕骨被股四頭肌腱所包繞，懸浮在股骨滑車關(guān)節(jié)面前方，非常易滑動[3-4]，這是造成膝關(guān)節(jié)損傷的內(nèi)在原因。張積慧等[5]在研究中發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)外傷史對于膝關(guān)節(jié)炎的影響十分顯著；Mazzuca SA等[6]也發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增加，人體全身各關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率也明顯上升。因此，人們在日常生活中應(yīng)該提高對膝關(guān)節(jié)損傷的預(yù)防和加強(qiáng)對膝關(guān)節(jié)的保護(hù)。

徐小敏[7]對江蘇十余所高?；@球運(yùn)動員的調(diào)研顯示，膝關(guān)節(jié)損傷在運(yùn)動員中較為普遍，約有88.57%的籃球運(yùn)動員都發(fā)生過不同程度的膝關(guān)節(jié)損傷，但是需要指出的是膝關(guān)節(jié)的損傷程度大都屬于輕度損傷和中度損傷，一般不需要打石膏或去醫(yī)院做特殊治療，這就使得膝關(guān)節(jié)的損傷很易被人們所忽視，而佩戴護(hù)膝可對膝關(guān)節(jié)起到一定的固定作用防止二次損傷的發(fā)生。目前國內(nèi)的護(hù)膝生產(chǎn)執(zhí)行的是2011年頒布的GB 18401—2010《國家紡織產(chǎn)品基本安全技術(shù)規(guī)范》，該標(biāo)準(zhǔn)只對制作護(hù)膝所用紡織材料的基本安全技術(shù)作出了規(guī)定，但是沒有對護(hù)膝的防護(hù)性能參數(shù)作出相關(guān)要求，也沒有提供相應(yīng)的評測方法，這就使得市場上護(hù)膝的種類繁多，功能也各異。

本文在對人體下肢基本活動分析的基礎(chǔ)上，利用3-D Investigator三維運(yùn)動測量系統(tǒng)對佩戴不同護(hù)膝時人下肢的三維空間坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時采集，研究在行走和慢跑情況下護(hù)膝對于膝關(guān)節(jié)角和單步周期的影響，為護(hù)膝的防護(hù)性能參數(shù)設(shè)定和相應(yīng)評測方法的研究提供相關(guān)的參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)護(hù)膝

目前市面上銷售的護(hù)膝種類繁多，制作材料也有差異，但是最常見的同時也是使用最為廣泛的護(hù)膝主要有2種，因此購買了某品牌的這2款護(hù)膝作為實(shí)驗(yàn)用護(hù)膝，如圖1所示。1號護(hù)膝前方有一圓形開孔，孔的周圍縫有圓環(huán)形橡膠墊片，采用魔術(shù)貼綁縛的方式佩戴在膝關(guān)節(jié)上；2號護(hù)膝前方無開孔設(shè)計(jì)，直接由下往上從腳部穿入套在膝關(guān)節(jié)上。

實(shí)驗(yàn)開始之前對護(hù)膝的基本參數(shù)進(jìn)行測量，結(jié)果見表1。可看出，1號護(hù)膝大部分采用合成橡膠制成，2號護(hù)膝全部采用彈性纖維制成，2號護(hù)膝的長度要比1號護(hù)膝大，所以2號護(hù)膝與膝關(guān)節(jié)的接觸面積要更大一些。

表1 護(hù)膝的基本參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)對象

本文實(shí)驗(yàn)選取3名身材中等的女性來模擬人們正常的行走和慢跑動作，身高為(164.67±2.23) cm，體重為(51.64±1.53) kg。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用加拿大NDI公司制造的3-D Investigator三維運(yùn)動測量系統(tǒng)。其高速攝像頭的精度可達(dá)到0.1 mm，分辨率為0.01 mm。此系統(tǒng)可通過高速攝像頭捕捉標(biāo)記在人體上的mark點(diǎn)來記錄人體關(guān)節(jié)在運(yùn)動過程中的軌跡，以三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)形式直接輸出到Excel表中。其一個高速攝像頭的攝像空間約在26 m3左右，因此該套系統(tǒng)完全可滿足人體正常運(yùn)動測試的需求[8-9]。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

第1步在實(shí)驗(yàn)對象直立狀態(tài)下，用紅色記號筆在下肢皮膚上標(biāo)記出髖關(guān)節(jié)點(diǎn)、膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)、踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)；第2步將9個標(biāo)記點(diǎn)(包括探針的3個marker點(diǎn))分成3組，并且分別固定在三角托盤上，如圖2(d)所示；第3步將全局坐標(biāo)系的原點(diǎn)設(shè)定在位置傳感器的中心攝像頭上如圖2(a)所示；第4步利用三維運(yùn)動測量系統(tǒng)記錄下這3組marker點(diǎn)的靜態(tài)三維空間數(shù)據(jù)；第5步用6DArchitect軟件將除探針以外的另2組marker點(diǎn)設(shè)定為2個剛體，其中固定在股骨環(huán)節(jié)的為剛體1，固定在脛骨環(huán)節(jié)的為剛體2，如圖3所示；第6步將剛體分別綁在被測試者右腿大腿與小腿的前方，用探針分別在皮膚上紅色標(biāo)記點(diǎn)處設(shè)定虛擬點(diǎn)，分別命名為髖關(guān)節(jié)點(diǎn)(RGT)、膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)點(diǎn)(RMK)、膝關(guān)節(jié)外側(cè)點(diǎn)(RLK)、踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)點(diǎn)(RMA)、踝關(guān)節(jié)外側(cè)點(diǎn)(RLA)，如圖3所示；第7步讓被測試者佩戴相應(yīng)的護(hù)膝，佩戴過程中保持剛體的位置固定不變；第8步讓被測試者在實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)做好準(zhǔn)備，待到系統(tǒng)控制人員發(fā)出開始指令后，被測試者開始模擬人們正常的行走和慢跑動作；第9步，等到步態(tài)穩(wěn)定后控制人員開始記錄數(shù)據(jù)。

圖2 三維運(yùn)動采集工具 Fig.2 3-D motion collection tools.(a)Position Sensor;(b)Marker;(c)Probe;(d)Triangular tray

圖3 虛擬點(diǎn)位置Fig.3 Locations of virtual points

整個實(shí)驗(yàn)分為3組，依次為被測試者不佩戴護(hù)膝和佩戴1號護(hù)膝和2號護(hù)膝時的下肢的空間坐標(biāo)，每次數(shù)據(jù)的記錄時間設(shè)定為5 s(1 s=100幀)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)做3次，從中選擇比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。

1.5 實(shí)驗(yàn)原理

護(hù)膝的主要作用是給予膝關(guān)節(jié)一定的固定和支撐，屈曲運(yùn)動是膝關(guān)節(jié)最主要的運(yùn)動形式[10]，因此膝關(guān)節(jié)角AKJ(angle of knee joint)是反映膝關(guān)節(jié)活動情況的一個重要指標(biāo)，圖4示出人在行走和慢跑時下肢活動情況。由此可通過比較佩戴不同護(hù)膝和不佩戴護(hù)膝時的最大膝關(guān)節(jié)角度(AKJmax)、最小膝關(guān)節(jié)角度(AKJmin)和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動幅度來反映護(hù)膝對于膝關(guān)節(jié)的固定效果[11]，通過比較單步周期來反映護(hù)膝對于下肢活動頻率的影響。最大膝關(guān)節(jié)角度(AKJmax)為單個步幅周期內(nèi)膝關(guān)節(jié)所能達(dá)到的最大角度；最小膝關(guān)節(jié)角度(AKJmin)為單個步幅周期內(nèi)膝關(guān)節(jié)所能達(dá)到的最小角度；膝關(guān)節(jié)運(yùn)動幅度為單個步幅周期內(nèi)的最大膝關(guān)節(jié)角減去最小膝關(guān)節(jié)角；單步周期(T)為下肢完成1個完整步幅所用的時間。

圖4 下肢活動過程劃分Fig.4 Divided lower extremity process. (a) Walking; (b) Jogging

2 數(shù)據(jù)整理與分析

2.1 關(guān)節(jié)角度計(jì)算

由三維運(yùn)動測量系統(tǒng)輸出三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)RLK點(diǎn)與RMK點(diǎn)之間的關(guān)系可求得到膝關(guān)節(jié)運(yùn)動中心點(diǎn)坐標(biāo)(x2，y2，z2)，根據(jù)RLA點(diǎn)與RMA點(diǎn)之間的關(guān)系可求得踝關(guān)節(jié)運(yùn)動中心點(diǎn)坐標(biāo)(x3，y3，z3)，如圖5所示。

圖5 關(guān)節(jié)角的計(jì)算Fig.5 Joint angle calculation

由空間向量夾角原理根據(jù)式(1)可計(jì)算得出每一時刻的膝關(guān)節(jié)角，即圖5中的∠α的余弦值，再根據(jù)反三角函數(shù)公式(2)計(jì)算出對應(yīng)的膝關(guān)節(jié)角。之后依據(jù)步態(tài)特征將連續(xù)的運(yùn)動分解成若干個單一步態(tài)周期，并尋找出最大膝關(guān)節(jié)角、最小膝關(guān)節(jié)角、膝關(guān)節(jié)活動幅度以及單步周期來做分析。

(1)

式中：x1，y1，z1為髖關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；x2，y2，z2為膝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)坐標(biāo)；x3，y3，z3為踝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)坐標(biāo)。

(2)

2.2 結(jié)果分析

將連續(xù)變化的膝關(guān)節(jié)角按單步周期進(jìn)行分割，如圖6所示，其中圖6(a)為行走狀態(tài)下單步周期內(nèi)的膝關(guān)節(jié)角變化情況，圖6(b)為慢跑狀態(tài)下單步周期內(nèi)的膝關(guān)節(jié)角變化情況。從圖中可看出每個單步周期內(nèi)膝關(guān)節(jié)角的變化趨勢都是一致的，說明對連續(xù)下肢動作的分割合理，也符合實(shí)際情況。從圖6還可看出，在騰空期行走時的膝關(guān)節(jié)角度要大于慢跑時；在支撐期行走時膝關(guān)節(jié)角的變化相對穩(wěn)定，呈現(xiàn)出緩慢增大后又減小的趨勢，并且變化幅度比較小，而慢跑時膝關(guān)節(jié)角出現(xiàn)了突然減小后又繼續(xù)增大的情況。

圖6 不同運(yùn)動方式下的膝關(guān)節(jié)角變化情況Fig.6 Knee angle changes cycles in different ways of motion. (a)Walking; (b)Jogging

圖7示出不同運(yùn)動狀態(tài)下佩戴1號護(hù)膝、2號護(hù)膝和無防護(hù)情況下的膝關(guān)節(jié)角變化情況，其中圖7(a)為行走狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)角變化情況，圖7(b)為慢跑狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)角變化情況。

圖7 不同防護(hù)方式下的膝關(guān)節(jié)角變化情況Fig.7 Knee angle changes in different ways of protection. (a)Walking; (b)Jogging

從圖7(a)可看出，在行走狀態(tài)下，前騰空期佩戴2號護(hù)膝的膝關(guān)節(jié)角大于佩戴1號護(hù)膝和無防護(hù)時的膝關(guān)節(jié)角，支撐期佩戴1、2號護(hù)膝和無防護(hù)情況下的膝關(guān)節(jié)角差不多，在后騰空期佩戴1號護(hù)膝的膝關(guān)節(jié)角一直小于無防護(hù)情況下的膝關(guān)節(jié)角，而佩戴2號護(hù)膝的膝關(guān)節(jié)角先小于無防護(hù)情況下的膝關(guān)節(jié)角最后又大于無防護(hù)情況下的膝關(guān)節(jié)角。從圖7(b)可看出，在慢跑的狀態(tài)下，整個單步周期內(nèi)佩戴1、2號護(hù)膝的膝關(guān)節(jié)角始終大于無防護(hù)時的膝關(guān)節(jié)角，但值得注意的是在前騰空和后騰空期佩戴1、2號護(hù)膝的膝關(guān)節(jié)角都與無防護(hù)時的膝關(guān)節(jié)角相差較大，而在支撐期只有佩戴1號護(hù)膝時的膝關(guān)節(jié)角與無防護(hù)時的膝關(guān)節(jié)角相差較大。

2.3 顯著性檢驗(yàn)

將不同運(yùn)動狀態(tài)下佩戴1號護(hù)膝和2號護(hù)膝所得到的最小膝關(guān)節(jié)角分別與無防護(hù)情形下的最小膝關(guān)節(jié)角進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果如表2所示。

表2 最小膝關(guān)節(jié)角度(AKJmin)分析結(jié)果

注： ** 同一運(yùn)動狀態(tài)下，與無防護(hù)組相比變化非常顯著(P<0.01),下同。

從表2可看出：在行走時2號護(hù)膝對AKJmin的增大作用非常明顯，而1號護(hù)膝對AKJmin沒有顯著的影響；在慢跑時1號和2號護(hù)膝對AKJmin的增大作用都非常顯著。

將不同運(yùn)動狀態(tài)下佩戴1號和佩戴2號護(hù)膝所得到的最大膝關(guān)節(jié)角分別與無防護(hù)情形下的最大膝關(guān)節(jié)角進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果如表3所示。

表3 最大膝關(guān)節(jié)角度(AKJmax)分析結(jié)果

注：*同一運(yùn)動狀態(tài)下，與無防護(hù)組相比變化顯著(P<0.05)，下同。

從表3可看出在行走時1號護(hù)膝對于AKJmax的減小作用顯著，而2號護(hù)膝對于AKJmax沒有顯著的影響；在慢跑時1號和2號護(hù)膝對AKJmax的增大作用都非常顯著。

將不同運(yùn)動狀態(tài)下佩戴1號和2號護(hù)膝所得到的膝關(guān)節(jié)活動度分別與無防護(hù)情形下的膝關(guān)節(jié)活動度進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果如表4所示。

從表4可看出：在行走時1號護(hù)膝對于膝關(guān)節(jié)活動度的減小作用顯著，而2號護(hù)膝對于膝關(guān)節(jié)活動度的減小作用非常顯著；在慢跑時2號護(hù)膝對于膝關(guān)節(jié)活動度的減小作用非常顯著，1號護(hù)膝對于膝關(guān)節(jié)活動度沒有顯著影響。

表4 膝關(guān)節(jié)活動度分析結(jié)果

將不同運(yùn)動狀態(tài)下佩戴1號護(hù)膝和2號護(hù)膝所得到的單步周期分別與無防護(hù)情形下的單步周期進(jìn)行單因素方差分析，分析檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 單步周期分析結(jié)果

從表5可看出，1號護(hù)膝和2號護(hù)膝對步態(tài)周期都沒有顯著影響，也就是說在行走和慢跑時佩戴1號護(hù)膝和2號護(hù)膝對下肢活動的頻率并沒有影響。

3 結(jié) 論

1)不管在行走還是在慢跑情況下，2號護(hù)膝都可有效地減小膝關(guān)節(jié)的活動度，也就是說2號護(hù)膝可在2種步態(tài)情況下對膝關(guān)節(jié)起到固定的效果，膝關(guān)節(jié)發(fā)生損傷時佩戴2號護(hù)膝可有效固定關(guān)節(jié)及減少膝關(guān)節(jié)多余活動量，避免造成再次損傷。

2)1號護(hù)膝在行走時可對膝關(guān)節(jié)起到一定的固定作用，但是在慢跑時對膝關(guān)節(jié)并沒有起到固定作用。分析原因可能是1號護(hù)膝與膝關(guān)節(jié)接觸面積比2號護(hù)膝要小，提供給膝關(guān)節(jié)的壓力束縛較小，也可能是在慢跑過程成由于魔術(shù)貼黏性下降而造成防護(hù)效果的減弱。

3)佩戴2種護(hù)膝都不會影響步態(tài)的周期，也就是說佩戴這2種護(hù)膝對于行走和慢跑的速度不會造成影響。

FZXB

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Protective effect of kneepads in states of walking and jogging

YAO Ruixiang1, WANG Yanzhen1,2

(1. Fashion College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China; 2. Fashion Art Design Institute, Donghua University, Shanghai 200051, China)

In order to explore the effect of wearing different kneepads on the angle of knee joint and the single cycle in the states of walking and jogging, subjects were allowed to wear the two kneepads which are widely used in the daily life, respectively, the three-dimensional coordinate data about lower limb were acquired on the basis of simulating human walking and jogging through the three-dimensional capture system. Then the angle of the knee was calculated by using space vector angle calculation method, and one-way ANOVA model method (p<0.05) was adopted to analyze the protective effect on the knee joint of the two different knee pads in various forms of exercise. The results show that the No.2 kneepad has obvious restricting effects on the motion of the knee joint during walking and jogging, but the No.1 kneepad has obvious restricting effects only during walking

3-D motion measurement； knee joint angle； kneepad； protective performance

10.13475/j.fzxb.20140403206

2014-04-10

2014-10-08

上海工程技術(shù)大學(xué)課程建設(shè)項(xiàng)目(K201209006)；上海工程技術(shù)大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(E1-090-14-01173)

姚瑞祥(1990—)，男，碩士。研究方向?yàn)榉b樣板與服裝工效學(xué)。王燕珍,通信作者，E-mail:wangyanzhen1227@126.com。

TS 941.17

A