褲子彈性及運(yùn)動(dòng)速度對(duì)人體膝關(guān)節(jié)角的影響

張飚雪　劉成霞

摘要： 為研究褲子彈性及運(yùn)動(dòng)速度對(duì)膝關(guān)節(jié)角的影響，文章選取身材相近的5名受試者和3條褲子，利用三維動(dòng)作捕捉儀獲取受試者在3種運(yùn)動(dòng)速度下的膝關(guān)節(jié)角。結(jié)果表明：褲子彈性對(duì)人體膝關(guān)節(jié)角有顯著影響，正常行走和慢跑時(shí)，穿彈力褲時(shí)的膝關(guān)節(jié)角比穿寬松褲在騰空期可減小7.87°;運(yùn)動(dòng)速度對(duì)支撐期和后騰空期的膝關(guān)節(jié)角有較大影響，即對(duì)于寬松褲，速度越大，膝關(guān)節(jié)角越小;褲子彈性及運(yùn)動(dòng)速度對(duì)平均單步周期都有顯著影響，即在運(yùn)動(dòng)速度相同、且較高時(shí)，彈力褲的平均單步周期明顯小于寬松褲。研究表明：穿彈性褲子對(duì)膝關(guān)節(jié)具有明顯的保護(hù)作用，建議在運(yùn)動(dòng)時(shí)盡量穿彈力緊身服。

關(guān)鍵詞： 褲子彈性;運(yùn)動(dòng)速度;膝關(guān)節(jié)角;三維動(dòng)作捕捉;顯著性檢驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TS941.17文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 10017003（2020）12006806

引用頁(yè)碼： 121111 DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2020.12.011（篇序）

Effect of pants elastic & motion speed on human angle of knee joint

ZHANG Biaoxue1， LIU Chengxia2

（1.Yuanpei College， Shaoxing University， Shaoxing 312000， China; 2.School of Fashion Design & Engineering，Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： In order to investigate the effect of pants elasticity and movement speed on angle of knee joint， 5 subjects with similar stature and 3 pants were chosen. The 3D motion capture instrument was employed to obtain the angle of knee joint（AKJ） when the 5 subjects were wearing the pants at different movement speeds. Results showed that pants elasticity had significant influence on human AKJ. When walking and jogging， AKJ in the suspension period of elastic pants can be reduced by 7.87°compared with that of slacks. The movement speed had significant influence on AKJ at supporting period and post-suspension period. For slacks， the higher the speed was， the smaller the AKJ would be. Besides， both pants elasticity and movement speed had significant influence on the average single step cycle. If the speed was the same and high， the average single step cycle of elastic pants was lower obviously than that of slacks. Since wearing elastic pants can have obvious protective function on human knee， it is advisable that elastic tight garment should be worn during exercise.

Key words： pants elasticity; movement speed; angle of knee joint; 3D motion capture; significance test

膝關(guān)節(jié)是人體最精妙、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，人體常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)損傷也大多來(lái)自膝關(guān)節(jié)。作為人們?nèi)粘＝∩碇饕绞降纳⒉胶吐埽矊?duì)膝關(guān)節(jié)有不同程度的磨損和傷害。膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)常用膝關(guān)節(jié)角表示，以往對(duì)關(guān)節(jié)角度的測(cè)量多采用身體靈活性ROM評(píng)價(jià)，該評(píng)價(jià)用角度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，操作繁瑣，準(zhǔn)確度低[1]，且測(cè)量膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)度過(guò)程龐雜、靈活多變[2]。三維動(dòng)作捕捉技術(shù)的發(fā)展，使膝關(guān)節(jié)的測(cè)量比以前更便捷[3]。基于三維動(dòng)作捕捉儀，高智英[4]研究了跑步運(yùn)動(dòng)中的護(hù)膝緊度對(duì)膝關(guān)節(jié)防護(hù)效果的影響，劉青青等[5-6]探討了籃球運(yùn)動(dòng)中膝關(guān)節(jié)的防護(hù)性，姚瑞祥等[7]研究了行走和慢跑狀態(tài)下護(hù)膝的防護(hù)效果。由于在跑步運(yùn)動(dòng)中，傳遞到膝關(guān)節(jié)的質(zhì)量可以接近運(yùn)動(dòng)者體重的10倍[8]，因此上述研究皆圍繞如何利用護(hù)膝保護(hù)膝關(guān)節(jié)展開(kāi)。

綜上，雖然有一些關(guān)于膝關(guān)節(jié)的研究，但基本都是關(guān)于護(hù)膝對(duì)膝關(guān)節(jié)的保護(hù)作用，而普通人在平時(shí)走路、飯后散步或慢跑時(shí)，很少有戴護(hù)膝的習(xí)慣，而且將護(hù)膝作為日常服飾多少有失美觀，因此從日常著裝的角度研究穿衣方式以達(dá)到保護(hù)膝蓋的作用更具實(shí)際意義。由于在飯后散步或慢跑時(shí)，人們通常喜歡換上寬松舒適的或彈性好的、便于運(yùn)動(dòng)的服裝。因此，本文以寬松褲和彈力褲這兩種日常運(yùn)動(dòng)中最為常見(jiàn)的下裝作為研究對(duì)象，利用三維動(dòng)作捕捉儀研究穿著不同褲子時(shí)膝關(guān)節(jié)角的差異，以期為運(yùn)動(dòng)服裝的設(shè)計(jì)及日常運(yùn)動(dòng)時(shí)的著裝提供一定的指導(dǎo)。

綜上，褲子彈性對(duì)膝關(guān)節(jié)角有較大影響，彈力褲對(duì)正常行走和慢跑時(shí)，騰空期膝關(guān)節(jié)角具有明顯的提高作用，即提高幅度≥7.87°（以提高效果較弱的彈力褲為準(zhǔn)），對(duì)支撐期的膝關(guān)節(jié)角影響小于騰空期。分析其原因?yàn)椋禾幱谥纹跁r(shí)，腿部受到地面較大的支持力，在一定程度上削弱了褲子彈性對(duì)腿的包覆力;而處于騰空期時(shí)，腿部完全懸空，此時(shí)褲子彈性對(duì)腿的束縛力更明顯，減小了膝關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)幅度，即對(duì)關(guān)節(jié)起到了保護(hù)作用。

2.2 運(yùn)動(dòng)速度對(duì)膝關(guān)節(jié)角的影響

以一個(gè)步態(tài)周期為例，同一褲子在不同運(yùn)動(dòng)速度（4、6、8 km/h）下的膝關(guān)節(jié)角如圖4所示。由圖4可知，3條褲子在4、6、8 km/h的速度下，膝關(guān)節(jié)角曲線呈現(xiàn)的共同規(guī)律是：速度對(duì)前騰空期的影響較小，對(duì)支撐期和后騰空期影響較大。

圖4（a）表明，隨運(yùn)動(dòng)速度的增加，步態(tài)周期明顯縮短，4 km/h時(shí)一個(gè)周期約96幀，6 km/h時(shí)約78幀，8 km/h時(shí)約64幀。隨運(yùn)動(dòng)速度的增加，曲線出現(xiàn)凹陷，且速度越大，凹陷越明顯。圖4（a）顯示，在前騰空期的開(kāi)始階段（0幀左右）、支撐期（20幀左右）和之后的后騰空期，膝關(guān)節(jié)角從大到小依次是4、6、8 km/h。也就是說(shuō)隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，前、后騰空期和支撐期的膝關(guān)節(jié)角整體變小（如圖1所示慢跑的膝關(guān)節(jié)角小于行走），表明穿寬松褲時(shí)，速度越高膝關(guān)節(jié)屈曲運(yùn)動(dòng)幅度更大，即越容易對(duì)膝關(guān)節(jié)造成損傷。

圖4（b）（c）顯示的規(guī)律與圖4（a）基本一致：隨著速度的增加，膝關(guān)節(jié)角曲線出現(xiàn)凹陷及步態(tài)周期逐漸縮短，不同之處在于6 km/h時(shí)的凹陷已經(jīng)非常明顯，此外6 km/h時(shí)的前、后騰空期最小值在3個(gè)速度中最小。換句話說(shuō)，穿緊身褲運(yùn)動(dòng)時(shí)，膝關(guān)節(jié)角隨運(yùn)動(dòng)速度的增加先減小后增加，即在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，緊身褲對(duì)膝關(guān)節(jié)的保護(hù)作用異常明顯。都以0幀處為例，圖4（a）中寬松褲在4 km/h時(shí)最大，稍高于100°，而圖4（b）（c）的緊身褲最小膝關(guān)節(jié)角也大于100°，保護(hù)作用顯而易見(jiàn)。

綜上，褲子不同，速度對(duì)其膝關(guān)節(jié)角的影響也不同。對(duì)于寬松褲，速度越大，騰空期和支撐期的膝關(guān)節(jié)角越小，即穿寬松褲快速運(yùn)動(dòng)時(shí)更容易對(duì)膝關(guān)節(jié)造成損傷;而穿彈力褲時(shí)，隨速度的增加膝關(guān)節(jié)角先減小再增大，即快速運(yùn)動(dòng)時(shí)緊身褲對(duì)膝關(guān)節(jié)的保護(hù)作用異常明顯。

為進(jìn)一步量化彈力褲與寬松褲在不同運(yùn)動(dòng)速度時(shí)的膝關(guān)節(jié)角差異本文，本文求出3條褲子在每個(gè)步態(tài)周期時(shí)膝關(guān)節(jié)角的最大與最小值，并求出最大平均值、最小平均值，簡(jiǎn)稱最大膝關(guān)節(jié)角、最小膝關(guān)節(jié)角，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，3個(gè)最小值處2條彈力褲的膝關(guān)節(jié)角均大于1#寬松褲，尤其對(duì)于4 km/h和6 km/h的速度，彈力褲大幅提升了最小膝關(guān)節(jié)角。同時(shí)，在3個(gè)最大值處有2處彈力褲的膝關(guān)節(jié)角小于寬松褲，但減小幅度不如提升最小膝關(guān)節(jié)角的幅度?？傊?個(gè)速度下彈力褲能有效降低膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度，起到良好的膝關(guān)節(jié)保護(hù)作用，尤其在正常行走（4 km/h）和慢跑時(shí)（6 km/h），保護(hù)作用更明顯。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于4 km/h的速度，1#、2#和3#的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度分別為66°、56°、45°;對(duì)于6 km/h，分別為64°、53°、54°;對(duì)于8 km/h，分別為64°、52°、44°。由此可見(jiàn)，在3個(gè)速度下穿彈力褲的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度均小于寬松褲，因此在正常行走、快速行走及慢跑（分別對(duì)應(yīng)4、6、8 km/h）時(shí)，為避免膝關(guān)節(jié)損傷，穿彈力褲非常有必要。

圖5還顯示，穿寬松褲時(shí)，隨速度的增加最大與最小膝關(guān)節(jié)角都在降低，這與圖1慢跑時(shí)的前、后騰空期與支撐期的膝關(guān)節(jié)角均小于行走時(shí)角度的結(jié)果完全一致。4 km/h到8 km/h的增加過(guò)程中，每增加2 km/h，最大和最小膝關(guān)節(jié)角約降低6°～9°。對(duì)于彈力褲，最小膝關(guān)節(jié)角出現(xiàn)在6 km/h;最大膝關(guān)節(jié)角出現(xiàn)在4 km/h，而6 km/h與8 km/h時(shí)基本一樣。也就是如前所述，穿寬松褲時(shí)速度越快越容易損傷膝關(guān)節(jié)，而穿彈力褲則可以改變這一規(guī)律，在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)膝關(guān)節(jié)起保護(hù)作用。

2.3 顯著性檢驗(yàn)

為進(jìn)一步從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度，驗(yàn)證褲子及運(yùn)動(dòng)速度對(duì)膝關(guān)節(jié)角的影響是否具有顯著性，進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果如表2和表3所示。

由表2可知，褲子彈性對(duì)3個(gè)運(yùn)動(dòng)速度下的最大與最小膝關(guān)節(jié)角都具有顯著影響（顯著性一欄的數(shù)值均小于0.05），組內(nèi)一欄顯示6 km/h速度時(shí)1#和2#的最小膝關(guān)節(jié)角差異不顯著，8 km/h速度下1#和2#的最大膝關(guān)節(jié)角差異不顯著，除此之外其余組內(nèi)3條褲子兩兩間的膝關(guān)節(jié)角差異顯著。這一結(jié)果與圖5顯示的結(jié)果完全一致（圖5中6 km/h時(shí)1#和2#的最小膝關(guān)節(jié)角及8 km/h時(shí)1#和2#的最大膝關(guān)節(jié)角非常接近）。

由表3可知，運(yùn)動(dòng)速度對(duì)3條褲子的最大與最小膝關(guān)節(jié)角都具有顯著影響（其顯著性一欄的數(shù)值均小于0.05），組內(nèi)一欄顯示2#與3#褲子在6 km/h與8 km/h時(shí)的最大膝關(guān)節(jié)角不顯著，除此其余3種速度兩兩間的膝關(guān)節(jié)角差異顯著。這一結(jié)果也與圖5顯示的結(jié)果完全一致（2#與3#褲子在6 km/h與8 km/h時(shí)的最大膝關(guān)節(jié)角極為相近，幾乎重疊）。

為進(jìn)一步研究褲子彈性與運(yùn)動(dòng)速度是否對(duì)平均單步周期（以幀為單位）有顯著影響，分別進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果如表4和表5所示。

表4表明，褲子彈性（顯著性一欄的數(shù)值均小于0.05）對(duì)3種速度下的平均單步周期都具有顯著影響。組內(nèi)一欄顯示4 km/h時(shí)1#與2#褲子及6 km/h時(shí)的2#與3#褲子的平均單步周期不顯著，除此其余3條褲子兩兩間的平均單步周期差異顯著。具體來(lái)說(shuō)，在4 km/h的速度下，1#、2#和3#的平均單步周期（以幀為單位）依次為92、92、80;6 km/h速度下的平均單步周期依次為75、67.2、67.4;8 km/h下的周期依次為63.7、57.2、50.1。由顯著性分析結(jié)果及具體周期數(shù)值可知：隨速度的增加，3條褲子的單步周期差異越明顯，且彈力褲的周期小于寬松褲，即在同樣的運(yùn)動(dòng)速度下，穿彈力褲比寬松褲的邁步頻率高（邁一步需要的時(shí)間越短，即邁步頻率越高），尤其是在較高速度時(shí)。這是因?yàn)閺椓ρ潓?duì)腿部有束縛作用，在一定程度上會(huì)限制走路速度，為了達(dá)到與寬松褲相同的速度，需要增加邁步頻率。

從表5可以看出，運(yùn)動(dòng)速度對(duì)3條褲子的平均單步周期都具有顯著影響，且每條褲子兩兩速度之間的平均單步周期差異顯著。具體來(lái)說(shuō)，1#褲子在從低到高3種速度下的平均單步周期分別為92、75、63.7;2#分別為92、67.2、57.1;3#分別為80、67.4、57.1（單位幀）。由顯著性分析結(jié)果及具體周期數(shù)值可知：無(wú)論是寬松褲還是彈力褲，隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，邁一步需要的時(shí)間逐漸減小，即邁步頻率逐漸提高。

3 結(jié) 論

為定量并客觀地研究在人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，褲子彈性及運(yùn)動(dòng)速度對(duì)人體膝關(guān)節(jié)角的影響，本文選取了5名身材相近的受試者和3條彈性不同的褲子，利用三維動(dòng)作捕捉儀獲取受試者在3種運(yùn)動(dòng)速度下的膝關(guān)節(jié)角，得到以下結(jié)論。

1）褲子彈性對(duì)膝關(guān)節(jié)角有顯著影響，尤其是對(duì)正常行走和慢跑的騰空期，能較大提高膝關(guān)節(jié)角（≥7.87°），對(duì)支撐期的膝關(guān)節(jié)角作用小于騰空期。

2）速度對(duì)支撐期和后騰空期的膝關(guān)節(jié)角有顯著影響，對(duì)于寬松褲，速度越大騰空期和支撐期的膝關(guān)節(jié)角越小，即穿寬松褲時(shí)運(yùn)動(dòng)速度越快越容易損傷膝關(guān)節(jié)。對(duì)于彈力褲，隨速度的增加膝關(guān)節(jié)角先減小再增大，即快速運(yùn)動(dòng)時(shí)緊身褲對(duì)膝關(guān)節(jié)的保護(hù)作用異常明顯。

3）褲子彈性及運(yùn)動(dòng)速度對(duì)平均單步周期都有顯著影響，在運(yùn)動(dòng)速度相同、且較高時(shí)，彈力褲的平均單步周期明顯小于寬松褲，即穿彈力褲比寬松褲的邁步頻率高。無(wú)論彈力褲還是寬松褲，運(yùn)動(dòng)速度越大，邁步頻率越高。

參考文獻(xiàn)：

[1]GAJDOSIK R， BOHANNON R W. Clinical measurement of range of motion review of goniometry emphasizing reliability and validity[J]. Physical Therapy， 1987， 67（12）： 1867-1872.

[2]HUCK J. Protective clothing systems： a technique for evaluating restriction of wearer mobility[J]. Physical Ergonomics， 1988， 19（3）： 185-190.

[3]謝亮玉， 閻玉秀， 陶建偉， 等. 基于三維動(dòng)態(tài)捕捉技術(shù)的無(wú)縫護(hù)膝防護(hù)性能研究[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2018， 39（4）： 396-402.

XIE Liangyu， YAN Yuxiu， TAO Jianwei， et al. Research on the protective performance of seamless knee pad based on 3D dynamic capture technology[J]. Journal of Zhejiang Sci-Tech University（Natural Sciences）， 2018， 39（4）： 396-402.

[4]高智英. 跑步運(yùn)動(dòng)中護(hù)膝緊度對(duì)女子膝關(guān)節(jié)防護(hù)效果的影響[D]. 杭州： 浙江理工大學(xué)， 2017.

GAO Zhiying. Protection Effect of Kneepad Compression on Knee Joint in Running[D]. Hangzhou： Zhejiang Sci-Tech University， 2017.

[5]劉青青. 籃球運(yùn)動(dòng)膝關(guān)節(jié)防護(hù)性研究及其功能防護(hù)服開(kāi)發(fā)[D]. 杭州： 浙江理工大學(xué)， 2017.

LIU Qingqing. Protective Research on Knee Joint of Baseketball and Development of Functional Protective Clothing[D]. Hangzhou： Zhejiang Sci-Tech University， 2017.

[6]劉青青， 閻玉秀. 基于三維運(yùn)動(dòng)捕捉的籃球護(hù)膝防護(hù)性能研究[J]. 現(xiàn)代紡織技術(shù)， 2019， 27（2）： 53-58.

LIU Qingqing， YAN Yuxiu. Study on protective ability of basketball kneepads based on 3D dynamic capture system[J]. Advanced Textile Technology， 2019， 27（2）： 53-58.

[7]姚瑞祥， 王燕珍. 行走和慢跑狀態(tài)下護(hù)膝的防護(hù)效果[J]. 紡織學(xué)報(bào)， 2015， 36（6）： 106-111.

YAO Ruixiang， WANG Yanzhen. Protective effect of kneepads in states of walkling and jogging[J]. Journal of Textile Research， 2015， 36（6）： 106-111.

[8]叢林， 朱靜華. 健身長(zhǎng)跑愛(ài)好者的膝關(guān)節(jié)養(yǎng)護(hù)[J]. 田徑， 2015（10）： 61.

CONG Lin， ZHU Jinghua. Protection of the knee joint for sports and long-distance running fan[J]. Journal of Track and Field， 2015（10）： 61.

[9]ARGUS C K. Performance effects of wearing compression stockings： physiological and perceptual responses during and after exercise[J]. Journal of Sports Sciences， 2007， 25（4）： 413-419.

[10]KRAEMER W J， BUSH J A， BAUER J A， et al. Influence of compression garments on vertical jump performance in NCAA division I volleyball players[J]. Journal of Strength and Conditioning Research， 1996， 10（3）： 180-183.

收稿日期： 20200608; 修回日期： 20201113

作者簡(jiǎn)介： 張飚雪（1975），女，講師，主要從事服裝設(shè)計(jì)的研究。