基于TENS低頻電脈沖的女性疲勞緩解壓力襪研制

吳海燕， 李艷梅

(上海工程技術大學 紡織服裝學院，上海 201620)

隨著全民健身的普及，越來越多的普通民眾加入運動健身的行列，使得肌肉疲勞現(xiàn)象變得更加普遍；同時，在部分體力消耗較大的行業(yè)(如建筑、物流、海關等)，長時間超負荷的工作導致人體肌肉疲勞，因而緩解肌肉疲勞受到更廣泛的關注。

目前，緩解肌肉疲勞主要通過藥物治療和物理治療。服用消炎藥和營養(yǎng)補劑是藥物治療常用的兩種方式，服用消炎藥可以減輕肌肉酸痛疲勞的癥狀；服用蛋白類的營養(yǎng)補劑則能維持肌肉結構，減輕肌肉酸痛的癥狀，促進身體機能恢復。物理治療主要包括冷療法、熱療法、神經(jīng)電刺激療法、電磁場療法、按摩推拿、針灸等[1]。雖然緩解肌肉疲勞的方法較多，但是以上方法均存在時間限制性或?qū)︶t(yī)生及醫(yī)學知識具有較大依賴性，使得人們對于緩解肌肉疲勞的便利性提出更加迫切的需求。

經(jīng)皮神經(jīng)電刺激(transcutaneous electrical nerve stimulation，簡稱TENS)是一種非藥物無創(chuàng)止痛法，主要是通過皮膚將特定的低頻脈沖電流輸入人體來治療疼痛、促進局部血液循環(huán)，從而達到緩解疲勞的目的[2]。目前，大量研究數(shù)據(jù)表明TENS在慢性背痛[3]、骨關節(jié)神經(jīng)肌肉疾病[4-5]、分娩鎮(zhèn)痛[6]、肌肉痙攣[7]等臨床治療中已取得較好的療效。因此，文中基于經(jīng)皮神經(jīng)電刺激(TENS)治療機制，研制TENS低頻電脈沖女性疲勞緩解運動壓力襪，以解決人們對肌肉疲勞緩解便利性的需求；并通過主客觀相結合的評價方法，驗證壓力襪疲勞緩解作用；探究導電紗線細度、導電區(qū)域面積及導電區(qū)域位置對疲勞緩解性能的影響。

1 壓力襪設計

1.1 面料的選擇

選用兩種細度(22.2,44.4 tex)鍍銀導電紗線作為壓力襪導電區(qū)域的編織材料，面紗和底紗使用8.3 tex滌綸，襯墊紗使用15.5 tex橡筋，運動壓力襪各步段原料及組織結構見表1。

表1 運動壓力襪各步段原料及組織結構

1.2 壓力襪結構設計

腓腸肌、比目魚肌和跖肌組成人體小腿三頭肌，在人類直立、行走及跑步方面發(fā)揮著巨大作用。通常，人體發(fā)生腿部肌肉疲勞時，其發(fā)生部位多在腓腸肌及比目魚肌處，具體如圖1所示。

圖1 腿部腓腸肌肌肉位置Fig.1 Position of the gastrocnemius muscle of the leg

為了緩解小腿處的肌肉疲勞，在壓力襪對應的腓腸肌內(nèi)外側(cè)增加了導電區(qū)域設計，以實現(xiàn)TENS電脈沖傳導至肌肉，具體設計如圖2所示。

圖2 壓力襪款式設計 Fig.2 Pressure socks style design drawing

2 實驗設計

2.1 影響因素的確定

由于不同的導電區(qū)域面積、導電區(qū)域位置及導電紗線細度對織物的導電性能有著不同的影響[8]，因此將導電區(qū)域面積、導電區(qū)域位置和導電紗線細度作為3個影響因素，進行正交實驗設計。導電區(qū)域面積取市售凝膠按摩貼的大小，即選取60 cm2和90 cm2兩個水平，分別標記為A1，A2；導電區(qū)域位置選取橫向和縱向兩個水平，分別標記為B1，B2；導電紗線細度選取22.2 tex和44.4 tex兩個水平，分別標記為C1，C2，使用Minitab軟件進行了三因素二水平正交實驗，具體見表2。為了探究導電區(qū)域面積、導電區(qū)域位置及導電紗線細度對產(chǎn)品導電性能影響，分別編織4雙含有導電區(qū)域和不含導電區(qū)域的壓力襪，進行對照實驗。

表2 三因素二水平正交實驗

2.2 實驗測試點的選取

考慮實驗的可操作性，選擇小腿部肌肉較大的腓腸肌內(nèi)外側(cè)作為實驗測試點，尋找待測肌肉的位置并做好標記，具體參考位點見表3。

表3 表面肌電電極安放參考位點

2.3 疲勞誘導實驗方案

以Bruce平板運動實驗方案為依據(jù)進行疲勞誘導實驗。具體方案見表4。通過表面肌電信號[9]和主觀體力感覺等級量表(RPE)[10]檢驗受試者是否真正達到疲勞狀態(tài)，若未達到疲勞狀態(tài)則重新開始實驗。

表4 疲勞誘導實驗方案

3 運動實驗

3.1 實驗對象

從在校大學生中挑選10名年齡在21～26歲、身高158～165 cm、體質(zhì)量47～55 kg的年輕健康女性作為測試對象。所有測試對象均要求無心血管疾病或代謝系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)障礙，未受過專業(yè)跑步訓練且在實驗前一周內(nèi)未進行跑步運動。

3.2 儀器

Delsys Trigno Mobile無線表面肌電測試儀，美國Delsys公司制造；運動型跑臺，德國h/p/cosmos公司制造。

3.3 實驗方法

每組實驗分為6個階段,其中： T1為疲勞誘導運動階段；T2～T6分別為運動結束、休息15，30， 45和60 min的時間點，具體如圖3所示。被試對象還要對疲勞誘導階段的疲勞程度進行主觀評價打分，評價標準見表5。

3.3.1疲勞誘導實驗 實驗開始前1 h打開恒溫恒濕氣候倉，設置溫度為25 ℃，濕度60%，30 min后實驗環(huán)境趨于穩(wěn)定，讓被測對象進入氣候倉靜坐30 min，待其狀態(tài)穩(wěn)定后開始實驗。首先在被測對象腿部內(nèi)外腓腸肌處分別粘貼上Delsys無線表面肌電系統(tǒng)的傳感器塊，然后按照導電區(qū)域面積由小到大的順序，依次穿上壓力襪進行肌電測試，疲勞誘導實驗運動時長為15 min。被測實驗對象的左腿穿著含有導電區(qū)域的壓力襪，右腿穿著不含導電區(qū)域的壓力襪，且兩腿均不接入脈沖裝置，具體如圖4所示。將疲勞誘導實驗分為6個時間段，每個時間段間隔2.5 min。

圖4 表面肌電電極安放位置及壓力襪穿著實驗Fig.4 Placement of surface EMG electrodes and the test diagram of wearing compression stockings

3.3.2疲勞恢復實驗 被測對象在運動結束進入休息階段時，左腿接入脈沖裝置進行第1次按摩休息，右腿正常坐立休息，15 min后，左腿去除脈沖裝置，左右腿進行同等高度的原地踏步30 s，每5 s為一個間隔，分6個階段記錄兩條腿的肌電數(shù)據(jù)。以上實驗步驟重復4次，分別記錄被測對象在休息狀態(tài)下接受低頻脈沖按摩15，30，45和60 min后的肌電數(shù)據(jù)。

圖3 運動階段和休息階段Fig.3 Exercise phase and rest phase

主觀疲勞感很不疲勞較不疲勞一般較疲勞很疲勞等級1～23～45～67～89～10

4 結果與分析

4.1 TENS對肌肉疲勞緩解的肌電結果分析

圖5為被測對象穿著導電面積為60 cm2、橫向?qū)щ妳^(qū)域、導電紗線細度為22.2 tex的壓力襪在疲勞誘導階段測試點RMS值的折線分布。由圖5可以看出，在疲勞誘導過程中各測試點的RMS值都有大幅提升，與主觀評價結果一致，表明疲勞誘導實驗成功。在12.5 min時兩測試點的實驗組和對照組均出現(xiàn)了峰值，說明此時被測對象已達到了自身肌肉疲勞狀態(tài)。

圖5 疲勞誘導階段各測試點的RMS值Fig.5 RMS value of each test point in fatigue induction stage

圖6為被測對象穿著導電面積為60 cm2、橫向?qū)щ妳^(qū)域、導電紗線細度為22.2 tex的壓力襪在疲勞恢復階段各測試點RMS值的折線分布。

由圖6(a)可以看出,在運動結束時，各測試點的RMS值呈現(xiàn)上升趨勢，表明小腿肌肉疲勞程度在不斷提升，且兩條腿的RMS值無明顯差異。

由圖6(b)可以看出，經(jīng)過15 min的低頻脈沖疲勞緩解后， RMSA′， RMSB′值分別低于RMSA和RMSB值，表明經(jīng)過15 min的低頻脈沖疲勞緩解后，兩條腿的肌肉疲勞緩解程度出現(xiàn)差異且接入脈沖裝置的肌肉疲勞程度開始低于正常坐立休息狀態(tài)下的肌肉疲勞程度。由圖6(c)可以看出，在原地踏步5 s時，RMSA和RMSB值高于正常坐立休息15 min時的RMS值，表明在運動結束后肌肉疲勞恢復不是即刻的，而是呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢。圖6(d)為運動結束休息45 min后各測試點RMS值的變化趨勢。由圖6(d)可知，各測試點的RMS值相較于運動結束時均呈現(xiàn)大幅下降趨勢，表明肌肉疲勞程度在逐漸恢復，此時RMSA′和RMSB′已逐漸趨近于初始狀態(tài)，表明添加TENS低頻電脈沖的運動壓力襪相較于普通壓力襪具有提升肌肉疲勞恢復速度的作用。由圖6(e)可以看出，在運動結束休息60 min后RMSA和RMSB開始趨近于初始狀態(tài)，表明隨著休息時間的增長，機體的自我調(diào)節(jié)能力已能促使肌肉恢復至初始未運動狀態(tài)。

圖6 疲勞恢復階段各測試點的RMS值Fig.6 RMS value of each test point in fatigue recovery stage

綜上所述，在穿著導電面積為60 cm2、橫向?qū)щ妳^(qū)域、導電紗線細度為22.2 tex的壓力襪在接入低頻電脈沖后， 其具有加快肌肉疲勞恢復的作用，驗證了TENS疲勞緩解的作用。

4.2 表面肌電RMS與肌肉疲勞相關性分析

文中選取表面肌電的時域指標均方根振幅(RMS)作為評價產(chǎn)品疲勞緩解性能的研究指標，采用Microsoft Excel和SPSS17.0統(tǒng)計軟件，對兩個測試部位的4個點位在不同導電區(qū)域下，RMS值和主觀評價得分進行相關性分析，具體見表6。由表6可以看出，當被測對象穿著不同壓力襪時，4個測試部位的RMS值均與主觀評價得分呈顯著正相關，說明表面肌電RMS值可以較好地反映被測對象在跑步過程中肌肉疲勞程度，且疲勞誘導實驗成功，被測對象達到自身最大疲勞狀態(tài)。

表6 不同導電區(qū)域位置下主觀疲勞評價與各測試點RMS值的相關性分析

4.3 不同TENS壓力襪對肌肉疲勞緩解的影響

在篩查、剔除錯誤實驗數(shù)據(jù)后，先對10名被測對象穿著4雙不同TENS壓力襪在運動結束時和4個休息階段A點與A′點的RMS差值(df=5個階段)，B點與B′點的RMS差值進行正態(tài)分布檢驗，具體見表7和表8。在Shapiro-Wilk檢驗中，4雙壓力襪的P≥0.05，說明數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，故可進行配對t檢驗。

表7 A點與A′點差值的正態(tài)性檢驗

表8 B點與B′點差值的正態(tài)性檢驗

對A點與A′點、B點與B′點的RMS值進行配對t檢驗，結果分別見表9和表10。由表9和表10可以看出，4雙壓力襪的P<0.05，說明該4雙壓力襪A點與A′點、B點與B′點的RMS值的總體平均數(shù)間具有顯著性差異，即表明實驗組與對照組在A點和B點的RMS值具有顯著性差異。

表9 A點與A′點平均值的配對t檢驗結果

表10 B點與B′點平均值的配對t檢驗結果

表9、表10的配對t檢驗結果表明，實驗組與對照組在A點和A′點、B點和B′點的RMS值具有顯著性差異，故可通過折線圖的形式進行更直觀的分析。

對在運動和休息狀態(tài)下所測各測試點的肌電均方根振幅值(RMS)分段求平均值，具體如圖7所示。由圖7可以看出，在休息結束時，各測試點的RMS值達到最高點，表明在實驗結束時被測對象的肌肉疲勞程度最大。

分別對比圖7(a)和圖7(b)、圖7(c)和圖7(d)可以看出，在休息階段，RMSA′均低于RMSA，RMSB′均低于RMSB。主要原因可能是在TENS低頻脈沖的作用下，人體的血液流動加快，使得肌肉的疲勞恢復速度提升。

RMS值越大，肌肉疲勞程度越高。比較圖7(b)和圖7(d)可以看出， 3#TENS脈沖壓力襪的疲勞緩解性能最佳，其原因是3#壓力襪的導電紗線較粗且導電區(qū)域的面積更大，使得壓力襪的導電性能更優(yōu)，故壓力襪在接入低頻脈沖后的疲勞緩解性能更優(yōu)。1#TENS脈沖壓力襪較其他3雙TENS脈沖壓力襪，其疲勞緩解性能較差,但是仍優(yōu)于對照組，其原因是其導電區(qū)域面積最小且導電紗線細度較細，故其導電性能較差。

以未進行運動前的RMS值作為基線，比較圖7(b)和圖7(c)可知，穿著3#TENS壓力襪，在休息30 min后其RMS值均恢復至運動初始前；穿著4#TENS壓力襪在休息45 min后RMS值恢復至為運動初始前；穿著2#TENS壓力襪在60 min后其RMS值逐漸恢復至為運動初始前。4雙壓力襪疲勞恢復時長排序依次為3#< 4#<2#< 1#，實驗組的疲勞恢復時長均小于對照組的，說明TENS低頻脈沖壓力襪能夠加快疲勞的恢復速度，且面積越大，紗線越粗，疲勞緩解性能越好。究其原因，導電紗線面積越大，與皮膚表面的接觸面積越大，這與TENS依靠皮膚傳導脈沖電流緩解疲勞的作用機制相吻合，即導電區(qū)域面積越大，將接入的低頻脈沖傳導至人體內(nèi)的脈沖電流越大，故其疲勞緩解性能更好。此外，導電紗線越粗，其導電性能越強，因此導電紗線與壓力襪疲勞緩解性能成正比。

圖7 不同TENS壓力襪的肌電均方根振幅值Fig.7 EMG root mean square amplitude values of different TENS compression stockings

利用Minilab軟件對三因素二水平的正交實驗進行因素影響程度分析，表11和表12列出休息30 min時A′，B′點的RMS值極差分析(其他休息階段的極差分析結果相同，故不一一列出)。由表11和表12可以看出，在A，B，C 3個因素中，對TENS低頻脈沖壓力襪疲勞緩解性能影響程度依次為A>C>B，RMS值越小，表明肌肉疲勞程度越低，因此最優(yōu)水平為A2C2B1，即在導電面積為90 cm2、44.4 tex導電紗線細度和橫向?qū)щ妳^(qū)域分布時，TENS脈沖壓力襪疲勞緩解性能達到最佳。

表11 在休息30 min時A′點RMS值的極差分析

表12 休息30 min時B′點RMS值的極差分析

5 結 語

TENS低頻電脈沖壓力襪對小腿部位的疲勞緩解會產(chǎn)生顯著性影響，并且可通過肌電信號反映。

1) 表面肌電時域指標RMS值可作為客觀指標對人體肌肉疲勞狀態(tài)進行評價。

2) TENS低頻電脈沖壓力襪對于肌肉疲勞會產(chǎn)生顯著性影響，具有緩解肌肉疲勞的作用。

3) 不同導電區(qū)域分布、導電區(qū)域面積和導電紗線細度的壓力襪對于肌肉疲勞緩解影響各異。其中：導電區(qū)域面積對于壓力襪疲勞緩解性能影響最大；其次是導電紗線細度；導電區(qū)域分布相較于其他兩因素對壓力襪疲勞緩解性能的影響較小。3#TENS脈沖壓力襪(導電面積為90 cm2、橫向?qū)щ妳^(qū)域分布和44.4 tex導電紗線細度)緩解肌肉疲勞的效果最佳。