運動康復(fù)坐姿的生物力學(xué)仿真分析

于沖，于娜， 王寓棟， 張連勝， 王蓓蓓

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，南京 210037；2.南京醫(yī)科大學(xué)附屬明基醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，南京 210019)

1 引言

運動康復(fù)是一種應(yīng)用非常廣泛且重要的康復(fù)方法(圖1)，而在實際康復(fù)過程中，運動康復(fù)的舒適度則與坐姿密切相關(guān)。不良的坐姿會影響訓(xùn)練者的體驗，甚至?xí)蓴_訓(xùn)練者的情緒，以至對康復(fù)的效果產(chǎn)生負面影響[1]。調(diào)查顯示，多數(shù)患者對康復(fù)運動時的舒適度并不滿意，他們認為在康復(fù)運動過程中自己的部分健康部位(腕部、肘部、肩部等等)有疲憊感，希望能在患肢健康鍛煉的同時，減輕健肢的勞累程度。

本文的研究目的是測算出康復(fù)運動時最佳的姿勢，該姿勢合乎運動過程中的人體工程學(xué)，使患者能以最省力、舒適的狀態(tài)完成康復(fù)運動[2-3]。通過對康復(fù)運動過程中舒適度、疲勞程度的評價分析，得出影響康復(fù)運動的重要因素。同時，本實驗測算出的舒適姿勢可為康復(fù)坐具的設(shè)計提供建議[4-5]。

2 對象與方法

2.1 對象

本研究的對象為南京市某醫(yī)院康復(fù)科的8位肢體障礙患者。研究對象皆為右利手且狀態(tài)為當前狀態(tài)為偏癱(半側(cè)癱瘓)，無全癱或截癱患者，可獨立完成部分日?；顒?。由于研究對象身體狀態(tài)的特殊性，不能依序完成流程中不同角度的動作，因此選擇將研究對象的身體數(shù)據(jù)輸入仿真軟件代替[6-7]。表1為實驗對象的信息統(tǒng)計，表2為實驗對象的詳細身體數(shù)據(jù)與康復(fù)狀態(tài)。

表2 研究對象生理數(shù)據(jù)

2.2 方法

本研究使用美國密歇根大學(xué)人體工程學(xué)實驗室獨立研發(fā)的3DSSPP人體仿真軟件，可以將研究對象的身高、體重等數(shù)據(jù)輸入軟件后模擬患者進行康復(fù)運動的過程[8]。該軟件以人在作業(yè)中的靜態(tài)、動態(tài)力學(xué)為基礎(chǔ)，對人體不同的作業(yè)姿勢進行分析和評價。此外，它以美國NOISH(美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所)提出的一系列標準作為參考，可以有效地分析靜態(tài)姿勢和運動姿勢，并用來評價該研究中心工人作業(yè)時的生理需要。3DSSPP的使用可以將人體工程學(xué)量化，并對人進行作業(yè)時的不同姿勢進行評價，為人的作業(yè)方式提供建議。本文采用的3DSSPP軟件和美國NOISH系列標準主要目的是對人進行作業(yè)時規(guī)定的不同姿勢進行評價，在確認實驗對象詳細身體數(shù)據(jù)及康復(fù)狀態(tài)的情況下，除了評價正常人工作時的身體受力和疲勞程度，其結(jié)果對肢體障礙患者進行運動康復(fù)作業(yè)時的運動姿勢評價同樣具有參考意義。

本研究模擬患者進行運動康復(fù)時的軟件界面如圖2所示。軟件的五個界面分別為：俯視圖；前視圖；側(cè)視圖；立體圖和數(shù)據(jù)分析，通過這種方式可以清晰明了地對患者的各項身體數(shù)據(jù)做出分析評價，得出研究結(jié)果。

圖2 3DSSPP人體仿真軟件界面

3 實驗設(shè)計

3.1 研究變量

研究變量為進行康復(fù)運動時的三種坐姿：端坐、前傾、后躺。端坐即患者挺直軀干，盡量以標準坐姿進行康復(fù)運動；前傾即患者將重心前移，以運動姿態(tài)進行康復(fù)運動，該姿勢在健身房中較為常見；后躺即患者以半躺的姿勢進行康復(fù)運動。以D0、D15、D30、D-15、D-30、D0代表各坐姿。其中，D0為端坐狀態(tài)；D15為前傾15°坐姿；D30為前傾30°坐姿；D-15為后躺15°坐姿；D-30為后躺30°坐姿。研究變量共5組，如表3所示：

表3 研究變量

3.2 仿真結(jié)果評定標準

本研究針對腕部、肘部、肩部、軀干、臀部、膝部、腳裸七個部位以百分位的形式進行疲勞程度評定，數(shù)值的大小可以反映該部位的疲勞程度和承受能力。數(shù)值越大，意味著該部位當前可負荷的壓力大，舒適性較好；數(shù)值越小則意味著該部位可負荷的壓力較小，代表該部位已經(jīng)處于疲勞狀態(tài)。如圖3所示，綠色為舒適范圍，黃色為疲憊范圍，紅色則為危險范圍[9]。

圖3 仿真結(jié)果評定

4 結(jié)果

在3DSSPP中對研究對象的腰部進行受力分析，如圖4所示。根據(jù)NOISH(美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所)提出的理論，L4/S5腰椎間盤可以承受的最大壓力為3400N[10]。該數(shù)值是腰部壓力的臨界值，超過該值的運動可能導(dǎo)致腰部受傷[11]。也就是說，腰椎受力分析中顯示的數(shù)值越小，腰椎間盤壓力越小，腰部的舒適度越高[12]。

圖4 腰椎受力分析

以研究對象A的康復(fù)運動為例，仿真分析結(jié)果的輸出如表4所示。

表4 研究對象A的康復(fù)運動仿真分析結(jié)果

8位研究對象腕部、肘部、軀干、腳裸四個部位的承受能力百分位隨坐姿變化的折線圖如圖5-8所示。根據(jù)圖可知：①腕部、肘部、軀干、腳裸的疲勞程度受坐姿影響較?。虎诓还茏巳绾巫兓?，腕部、肘部、軀干、腳裸承受能力的百分位都很高。其中，腕部承受能力的百分位始終維持在94以上；肘部、軀干、腳裸承受能力的百分位維持在98以上。

圖5 腕部承受能力百分位

圖6 肘部承受能力百分位

圖7 軀干承受能力百分位

圖8 腳裸承受能力百分位

8位研究對象臀部、膝部承受能力的百分位以及腰椎間盤壓力隨坐姿變化的折線圖如圖9-11所示。根據(jù)下圖可知：①臀部、膝部的疲勞程度以及腰椎間盤壓力受坐姿影響較大；②不合理的康復(fù)運動坐姿可能導(dǎo)致膝部疲勞。

圖9 臀部承受能力百分位

圖10 膝部承受能力百分位

圖11 腰椎間盤壓力隨坐姿變化圖

5 討論

本研究利用人體仿真軟件，模擬了患者使用不同坐姿進行康復(fù)運動的過程。分別將研究對象的生理數(shù)據(jù)輸入軟件，模擬仿真在D0、D15、D30、D15、D30坐姿下的運動康復(fù)狀態(tài)，輸出數(shù)據(jù)結(jié)果經(jīng)過分析獲取最佳的康復(fù)運動姿勢。通過仿真結(jié)果分析，受試者在不同坐姿下進行康復(fù)運動時身體疲勞程度不同，但不同坐姿對不同體型(BMI)和性別的影響基本相同，即在D30的坐姿下，受試者身體各部位承受能力的總值最大，疲勞程度最低，康復(fù)鍛煉的舒適度最佳。另外，不同坐姿對受試者的身體部位產(chǎn)生的影響不同。首先，在五種坐姿下，腕部、肘部、軀干、腳裸的承受能力百分位都很高，其疲勞程度受坐姿的影響較??；其次，臀部、膝部的承受能力百分位和腰椎間盤壓力變化較大，其疲勞程度受坐姿的影響較大，且前傾的坐姿會加重膝部的疲勞程度。這些量化的結(jié)果能夠為提高患者在進行康復(fù)運動時的舒適度提供一定的參考價值。本研究也存在一定的局限性，僅在規(guī)定的運動康復(fù)模式和坐姿下的人體部位的疲勞程度進行了研究，而在實際運動康復(fù)過程中，比如腳踏蹬車運動康復(fù)的模式下，身體其他部位如足部有反作用力施加于腳踝、膝蓋和臀部等主要位置，也會增加負荷量。因此，在肢體障礙治療的過程中，所需要的不僅是單一運動康復(fù)模式，未來需要的工作，也要考慮不同模式的融合、考慮患者的康復(fù)體驗。

我國康復(fù)相關(guān)專業(yè)的發(fā)展時間相對較晚，運動康復(fù)器材的操作性能和體驗感有待進一步提升。本研究通過探究康復(fù)運動時的最佳姿勢，幫助優(yōu)化肢體障礙患者在進行康復(fù)運動中的舒適度體驗，從而提升鍛煉效果[13]。

6 結(jié)論

本文利用人體仿真軟件3DSSPP，對人體在不同坐姿角度下進行康復(fù)運動的過程進行了仿真分析，結(jié)果如下： ①合理的坐姿可以明顯改善康復(fù)運動的疲勞程度，不合理的坐姿則容易導(dǎo)致部分關(guān)節(jié)疲勞；②在本研究提供的5種坐姿(端坐、前傾15°、前傾30°、后躺15°、后躺30°)中，后躺30°是進行康復(fù)運動最舒適的姿勢，對不同身材、性別的研究對象皆適用；③疲勞程度受坐姿影響較大的部位有臀部、膝部、腰椎間盤壓力；而人體上肢各關(guān)節(jié)受坐姿的影響較小。本研究的實驗結(jié)果，可以幫助訓(xùn)練者更加舒適、規(guī)范地進行康復(fù)運動，同時也為今后康復(fù)坐具的相關(guān)設(shè)計提供一定的參考價值。