膝部緊身裝備對肌肉活動特征的影響

蘇 珊，李艷梅

(上海工程技術(shù)大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，上海 201620)

緊身防護裝備是以身體為模型設(shè)計的彈性服飾，其通過不同的材質(zhì)和設(shè)計方式將緊度施加在人體皮膚表面，從而在運動中對人體起到防護作用[1]。近年來，緊身裝備的防護性能一直是運動生物力學(xué)和運動醫(yī)學(xué)的研究熱點，其中損傷防護的研究具有重要的理論和實際價值。本文選取羽毛球運動的動作作為研究對象。據(jù)相關(guān)研究表明[2-4]，在羽毛球的運動中，每個動作都包含了膝關(guān)節(jié)的活動，膝關(guān)節(jié)在運動過程中不僅受到身體重心的重力作用，還受到下肢肌肉發(fā)力產(chǎn)生的拉伸力量，因此膝關(guān)節(jié)的損傷是十分常見的，半月板和髕骨是最常見的損傷部位，表面原因是動作不標(biāo)準(zhǔn)，根本原因是運動中膝關(guān)節(jié)承受了巨大的壓力，周圍肌肉力量不足，身體韌性不夠而導(dǎo)致了損傷?；谙リP(guān)節(jié)的運動損傷現(xiàn)狀，很多學(xué)者開展了關(guān)于護膝的系列研究。姜亞明等[5]編織了經(jīng)編間隔織物的護膝試樣，通過對比實際摔倒能量和緩壓材料吸收能量的大小評估了材料緩壓性能的優(yōu)劣。孫清峰等[6]從聚醚多元醇、擴鏈劑含量、異氰酸酯比例等因素對運動護膝制品性能的影響出發(fā)得出了聚氨酯運動護膝組合料的配方。謝亮玉等[7]從紗線原料、組織結(jié)構(gòu)和織物密度3個因素出發(fā)對護膝產(chǎn)品進行研究，得出了護膝制動區(qū)、緩沖區(qū)以及邊緣處適用的紗線原料、組織結(jié)構(gòu)和密度大??；龐欣[8]在分析原料、結(jié)構(gòu)、性能的基礎(chǔ)上，研究了高彈護膝的設(shè)計方法及其編織工藝，結(jié)合線圈的結(jié)構(gòu)模型和紗線應(yīng)力應(yīng)變對護膝的壓力分布進行了研究；劉青青等[9]選取了典型的籃球動作，通過膝關(guān)節(jié)的三維角度變化探究了護膝的防護性能。姚瑞祥等[10]從佩戴護膝對行走和慢跑狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)角和單步周期的影響出發(fā)，分析得出前方無孔的套戴式護膝固定防護效果最佳。以上研究從材料、壓力、防護效果3個方面對護膝進行了研究，但是骨骼肌是運動的主要來源，關(guān)于護膝對膝關(guān)節(jié)周圍肌肉活動的影響仍需要進行進一步研究。

本文圍繞護膝對膝關(guān)節(jié)周圍骨骼肌的影響機制展開研究。在不同的護膝提供不同壓力的情況下，通過屈曲運動實驗，研究膝關(guān)節(jié)周圍肌群(股內(nèi)側(cè)肌、半腱肌、股二頭肌)的肌電信號變化情況。探究膝部緊身裝備對肌肉活動的影響可以為緊身裝備的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗環(huán)境

為避免其他因素的干擾，本文實驗在人工氣候艙內(nèi)進行，相對濕度為65%，溫度為26 ℃。

1.2 實驗對象

從本校女研究生中挑選了4名羽毛球運動的愛好者，并要求中膝圍在34～35 cm。所有受試者在實驗前均接受問卷調(diào)查，確認24 h內(nèi)未進行任何劇烈運動，且在半年內(nèi)下肢肌肉和關(guān)節(jié)沒有損傷。選取右腿進行實驗，膝圍的測量數(shù)據(jù)如下，測量方式參照鮑爾芬實驗室的測量法：受試者站立狀態(tài)下，右腿向前跨一小步彎曲30°，找到膝蓋髕骨的上下界限，以中點向膝關(guān)節(jié)外側(cè)畫一條輔助線，以該輔助線向上14 cm測量一圈的長度為上膝圍，以該輔助線向下12 cm測量一圈的長度為下膝圍，髕骨中點繞一圈為中膝圍，相關(guān)數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 實驗對象基本信息

1.3 實驗樣本

選取市面上某一品牌的不同緊度的針織運動護膝作為實驗樣本，分別標(biāo)為護膝1、護膝2、護膝3，與之對應(yīng)的緊度分別表示為1#、2#、3#,緊度大小關(guān)系為3#>2#>1#。3種護膝均符合FZ/T 74001—2013《紡織品 針織運動護具》、GB 18401—2010《國家紡織產(chǎn)品基本安全技術(shù)規(guī)范》B類安全類別。

1.4 實驗設(shè)備

壓力值的測試設(shè)備：Pliance-X-32 型服裝壓力測試系統(tǒng)(德國 Novel公司)，選用Flexi Force薄膜壓力力敏傳感器(A201)進行壓力測試，這款壓力傳感器是將施加在傳感器薄膜區(qū)域的壓力轉(zhuǎn)換成電阻值，通過電阻值的變化獲得壓力信息。Flexi Force超薄型力量感測片具有如紙般薄的厚度，柔軟的卷曲性以及耐用性，該感測片厚度為0.208 mm，直徑9.53 mm,測量范圍在0～1 lbs(4.4 N)，即0～61.716 kPa。

肌電信號的測試設(shè)備：Trigno系列表面肌電測試系統(tǒng)(美國DELSYS公司)，支持無線測試，其配備了8個無線EMG傳感器，每個傳感器內(nèi)置三軸加速度計，傳輸范圍20 m，信號穩(wěn)定可靠，采樣頻率為2 000 Hz。該系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)流傳輸?shù)紼MG Works采集系統(tǒng)和EMG works Analysis分析系統(tǒng)，并且可以將數(shù)據(jù)輸出到Excel。

其他測量工具：軟尺、雙臂角度尺、刮毛刀、酒精棉球、鑷子、水消筆、電極貼、醫(yī)用膠帶等。

1.5 實驗方案

1.5.1 測試點選取

膝關(guān)節(jié)周圍參與運動的肌肉主要有2類：伸膝肌和屈膝肌。屈膝肌主要有股二頭肌，半腱肌和半膜??；伸膝肌主要有股四頭肌(股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、股中間肌、股直肌)，闊筋膜張肌輔助。結(jié)合護膝覆蓋區(qū)域，選取了股內(nèi)側(cè)肌、半腱肌和股二頭肌作為主要測試肌肉，測試點分布圖見圖1。傳感器固定的參考位置見表2。

表2 無線表面肌電測試傳感器固定位置參考

圖1 測試點分布圖

1.5.2 測試方法

受試者實驗當(dāng)天要求著短褲露出下肢，提前20 min進入氣候艙熟悉實驗流程，進行拉伸活動和實驗前的準(zhǔn)備。實驗動作：將動作分解為5步，如圖2所示，受試者身體站直在起始位(①站立)，右腿為實驗腿向前邁出一步觸地(②跨步)，右腳觸地后做屈膝下蹲動作(③下蹲)，然后做伸膝動作身體重心上升(④蹲起)；最后蹬腿離地使身體回到初始位置(⑤站立)，每步用1 s，整個動作5 s完成。

圖2 實驗動作5步驟分解圖

實驗前準(zhǔn)備：運行測試系統(tǒng)并進行調(diào)試；實驗環(huán)節(jié)分2步進行：壓力測試和表面肌電測試。首先進行壓力測試，將壓力傳感器的感測片放置在每塊肌肉做好標(biāo)記點的位置，每5 s為1個動作循環(huán)，重復(fù)3次，采集15 s的數(shù)據(jù)，所有受試者均采用右腿為實驗腿，分別佩戴3種護膝進行實驗。

壓力測試結(jié)束后休息10 min,再進行肌電測試，根據(jù)上訴肌肉分布特點用水消筆做好標(biāo)記，并用刮毛刀清除標(biāo)記點部位的毛發(fā)，進行酒精消毒。在傳感器上貼好電極貼后再固定好，采用對照組(即不佩戴護膝)進行實驗。每次實驗仍以5 s為1個動作循環(huán)，采集不佩戴護膝和分別佩戴每種護膝時每塊肌肉的肌電信號。

2 結(jié)果與分析

2.1 緊度與壓力值、肌電值的相關(guān)性分析

適度的緊度對防護部位有積極的防護效果，在運動中不同緊度的護膝對每塊肌肉的束縛產(chǎn)生的壓力值也有差異，通過計算肌肉積分肌電值、均方根等肌電指標(biāo)，統(tǒng)計學(xué)方法采用單因素方差檢驗(p<0.05)、LSD(Least Significant Difference，最小顯著性差異)多重比較,并繪制字母標(biāo)記法的柱狀圖中對結(jié)果進行可視化處理，柱狀圖越高表示緊度對壓力值的影響越大。緊度-壓力單因素方差分析可視圖見圖3字母標(biāo)記的含義：標(biāo)有相同字母的柱狀圖表示具有統(tǒng)計學(xué)意義，標(biāo)有不同字母的柱狀圖表示不具有統(tǒng)計學(xué)意義。結(jié)果表明：緊度與壓力的相關(guān)性分析中，組間相關(guān)性最顯著的是股內(nèi)側(cè)肌和股二頭肌，即在股內(nèi)側(cè)肌和股二頭肌處緊度顯著影響了該處的壓力變化；如圖3在組內(nèi)相關(guān)性中，佩戴護膝1、護膝2、護膝3時，股內(nèi)側(cè)肌壓力值柱狀圖都有相同的字母a，表示緊度變化對股內(nèi)側(cè)肌處的壓力影響顯著，緊度越大，壓力值越大；在佩戴護膝1和護膝2時，股二頭肌壓力值柱狀圖有相同字母b,表示緊度1#和緊度2#對該處肌肉壓力具有顯著差異。

圖3 緊度-壓力單因素方差分析可視圖

緊度-RMS單因素方差分析見圖4。在緊度與均方根值(root mean square，RMS)的組間相關(guān)性中，半腱肌、股內(nèi)側(cè)肌和股二頭肌之間具有顯著性，從圖4可以看到在佩戴護膝1、護膝3時，半腱肌均方根值的柱狀圖標(biāo)有相同字母a,表示緊度1#和緊度3#對半腱肌RMS的影響顯著，且在緊度3#時半腱肌的RMS達到最大值。以此類推，緊度1#和緊度3#對股內(nèi)側(cè)肌RMS的影響顯著，且在緊度3#時該處RMS值下降；在佩戴護膝1時，股二頭肌均方根值柱狀圖分別與佩戴護膝2、護膝3時有相同的字母f、g，表示該處肌肉在緊度1#時的RMS值分別和緊度2#、緊度3#時的RMS值具有顯著差異，但緊度2#和緊度3#的RMS值之間無顯著差異。

圖4 緊度-RMS單因素方差分析

緊度-IEMG單因素方差分析見圖5。在緊度與積分肌電(integrete EMG，IEMG)的組間相關(guān)性中，半腱肌和股二頭肌之間具有顯著差異。由圖5可知，在佩戴護膝1、護膝3時，半腱肌的積分肌電柱狀圖有相同字母a，即緊度3#和緊度1#時對半腱肌IEMG值影響顯著，且在緊度3#時該處IEMG值達到最大值；在佩戴護膝1時，股二頭肌的積分肌電柱狀圖分別和佩戴護膝2、護膝3時有相同字母f、g，即該處肌肉在緊度1#時的IEMG值分別和緊度2#、緊度3#的IEMG值影響顯著，但緊度2#和緊度3#的IEMG值之間無顯著影響。

圖5 緊度-IEMG單因素方差分析

2.2 緊度對肌肉活動的影響

2.2.1 緊度對RMS值的影響

根據(jù)表面肌電頻域分析指標(biāo)可知，RMS是肌肉收縮或放松時的肌電值，RMS值增加表明肌力水平的增強，RMS值與肌力大小成正比[11-12]。不同緊度對肌電均方根值的影響見圖6,如圖6所示，在不同緊度護膝對膝部周圍肌群(股內(nèi)側(cè)肌、半腱肌、股二頭肌)表面肌電均方根值的影響對比圖中，0#表示不佩戴護膝，1#、2#、3#表示護膝的緊度。如圖6所示，不同緊度對3塊肌肉肌電均方根值的影響有顯著差異。如圖6(a)所示，股內(nèi)側(cè)肌RMS值與護膝緊度成反比，隨著緊度的增加，股內(nèi)側(cè)肌的RMS值在減少，表明隨著緊度的增加，股內(nèi)側(cè)肌的肌力在下降；由圖6(b)可知，半腱肌的RMS值與護膝緊度成正比，緊度增加，半腱肌的肌力增強；由圖6(c)可知，股二頭肌的RMS值先增后減，由低緊度增加到中緊度時，股二頭肌肌力水平增加，當(dāng)緊度增加到高緊度時，肌力水平開始下降，說明中緊度相對于其他緊度能更好維持股二頭肌的肌力水平。

圖6 不同緊度對肌電均方根值的影響

由以上分析可知，佩戴高緊度的護膝3時，股內(nèi)側(cè)肌的肌力會小幅下降，但會使半腱肌的肌力增加，中緊度的護膝2對股二頭肌的肌力影響較為明顯。

2.2.2 緊度對IEMG的影響

根據(jù)表面肌電頻域分析指標(biāo)可知，IEMG(積分肌電值)是在一定時期內(nèi)肌肉中參加活動的運動單位的放電總量，放電量越大，表示運動中被測肌肉的活動貢獻度越大[11-12]。不同緊度下各肌肉積分肌電值對比見圖7。由圖示出，不同緊度對各肌肉積分肌電值大小的影響存在顯著差異。圖7中股內(nèi)側(cè)肌在運動過程中，IEMG的值變化趨于平緩，緊度大小對IEMG值影響不大。半腱肌：如圖7(a)所示，緊度1#在④蹲起位IEMG值達到最大，在圖7(b)中緊度2#時，在②跨步位和④蹲起位IEMG值達到最大，且由圖7(c)可知緊度越大，IEMG值越大。股二頭?。河蓤D7可知，在實驗過程中，隨著緊度的增加，受試者由①位到④位運動時，IEMG值會上升，隨后下降，且在中緊度2#時表現(xiàn)明顯，如圖7(b)所示。

圖7 不同緊度下各肌肉積分肌電值對比

圖8為各肌肉在不同緊度下的積分肌電值對比。在佩戴緊度1#護膝時，股內(nèi)側(cè)肌的放電量最大，活動貢獻度依次為:股內(nèi)側(cè)肌>半腱肌>股二頭?。辉谂宕骶o度2#護膝時，股內(nèi)側(cè)肌的放電量最大，活動貢獻度依次為:股內(nèi)側(cè)肌>半腱肌>股二頭?。辉谂宕骶o度3#護膝時，半腱肌的放電量最大，活動貢獻度依次為:半腱肌>股內(nèi)側(cè)肌>股二頭肌。由此可見，股內(nèi)側(cè)肌在該運動過程中積電總量最大，活動貢獻度最大，其次是半腱肌、股二頭肌。

圖8 不同緊度下對各肌肉積分肌電值的影響

3 結(jié)束語

本文從膝部緊身裝備對肌肉活動的影響出發(fā)，以羽毛球中的弓箭步動作作為實驗動作，選定膝部參與運動的股內(nèi)側(cè)肌、半腱肌、股二頭肌作為研究對象，采用肌電學(xué)的實驗方法，探究了膝部在佩戴不同緊度的護膝時，對各塊肌肉活動特征的影響。

實驗結(jié)果分析顯示佩戴高緊度護膝不會使股內(nèi)側(cè)肌的肌力增加，且緊度增加不會影響到該處肌肉放電量的大??；護膝緊度增加有助于增強半腱肌的肌力，且在佩戴高緊度護膝時，半腱肌在跨步和蹲起動作中的放電量顯著增加；股二頭肌在佩戴中等緊度護膝時肌力水平和放電量都達到最佳水平。因此，對緊身防護裝備生產(chǎn)企業(yè)而言,在設(shè)計運動護膝時,建議對股內(nèi)側(cè)肌施加合適的中低度緊身壓迫，對半腱肌應(yīng)施加高度緊身壓迫，對股二頭肌則應(yīng)施加中度緊身壓迫，以使各塊肌肉維持較好的肌力水平，在運動中更好的發(fā)揮作用。