閻玉秀 高智英 金子敏 趙佳雯 陶建偉

摘要： 為研究跑步運(yùn)動中不同緊度護(hù)膝對膝關(guān)節(jié)防護(hù)效果的影響，以20名熱愛跑步運(yùn)動的健康女性作為實(shí)驗(yàn)對象，運(yùn)用三維動態(tài)捕捉技術(shù)捕捉測試者佩戴不同緊度護(hù)膝在不同速度跑步下的膝關(guān)節(jié)三維角度數(shù)據(jù)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析與研究。從緊身壓迫角度出發(fā)對跑步過程中膝關(guān)節(jié)三維角度進(jìn)行探討，為緊身運(yùn)動護(hù)膝的開發(fā)研究提供理論指導(dǎo)。結(jié)果表明：緊身壓迫是衡量膝關(guān)節(jié)固定效果的一個重要因素，施加表面防護(hù)載荷對膝關(guān)節(jié)起到了一定的固定束縛作用；護(hù)膝緊身壓迫應(yīng)控制在2.1528～2.8617kPa內(nèi)，以滿足運(yùn)動過程中對膝關(guān)節(jié)的固定保護(hù)作用。該研究為運(yùn)動防護(hù)裝備開發(fā)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 緊身壓迫；膝關(guān)節(jié)三維角度；動態(tài)捕捉；固定效果；跑步運(yùn)動

中圖分類號： TS941.17文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號： 1001-7003（2018）08-0047-05引用頁碼： 081109

Abstract： To study the protection effect of kneepad with different tightness on the knee joint in running， twenty healthy females were employed as subjects. 3D motion capture technology was applied to capture 3D angle data of knee joint of testers wearing kneepads with different tightness at different running speeds. Mathematical statistical analysis and research of experimental data were conducted. From the perspective of tight oppression， the 3D knee angles during running were discussed to provide theoretical guidance for the development of knee movement. The results showed that compression of kneepad plays a key role in fixing and protecting the knee joint by exerting surface protection load on it； kneepad compression should be controlled within the scope of 2.1528～2.8617kPa， so that the kneepad can meet the fixed protection of the knee during running. The research provides the design basis for the development of sports protective equipment.

Key words： compression； three-dimensional knee angle； motion capture； fixed effect； running

跑步是膝關(guān)節(jié)發(fā)生損傷較高的運(yùn)動，相關(guān)科學(xué)研究顯示，高達(dá)35%～65%的專業(yè)運(yùn)動員與健身愛好者發(fā)生過下肢損傷，有50%～70%的跑步損傷表現(xiàn)為較長時(shí)間持續(xù)相同動作的不斷重復(fù)運(yùn)動所造成的過度使用性損傷[1]。脛骨和髕骨是膝關(guān)節(jié)的重要組成部分，通過傳遞載荷參與到下肢運(yùn)動，復(fù)雜的鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)致使其活動量較其他部位大[2]，這是造成膝關(guān)節(jié)極易發(fā)生損傷的內(nèi)在原因。另外，在跑步運(yùn)動過程中，膝關(guān)節(jié)所承受的質(zhì)量可達(dá)體重的7～10倍[3]，若運(yùn)動護(hù)具選擇不適當(dāng)，大腿肌肉的反復(fù)收縮會使膝關(guān)節(jié)重復(fù)地屈曲伸直，更容易造成髕骨、脛骨與股骨承受的壓應(yīng)力過大[4]，這是由跑步這種運(yùn)動方式?jīng)Q定的損傷。鑒于此，對跑步運(yùn)動中膝關(guān)節(jié)的損傷防護(hù)進(jìn)行相關(guān)研究勢在必行。

緊身裝備由于能夠給運(yùn)動肢體適當(dāng)?shù)陌?，從而減緩骨骼壓力避免勞損，同時(shí)能提供給人體壓力舒適感，常常被稱為人體的第二層皮膚[56]。Hang Xu等[7]通過讓佩戴五種不同材料護(hù)膝的被測者跪地工作，得出護(hù)膝可以通過重新分配受力來改變膝關(guān)節(jié)的損傷情況。姚瑞祥等[8]通過模擬人體行走和慢跑，研究了護(hù)膝對于膝關(guān)節(jié)和單步周期的影響，評價(jià)了不同種類護(hù)膝的防護(hù)性能。但在關(guān)于跑步運(yùn)動的研究中，并沒有對運(yùn)動損傷與緊身壓力進(jìn)行相關(guān)性研究，此外，對于人體運(yùn)動的測量也還停留在二維測量上，極少從三維空間的角度進(jìn)行探討研究，對緊身防護(hù)裝備壓迫與膝關(guān)節(jié)三維角度關(guān)系尚沒有系統(tǒng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與體系。鑒于此，本文通過運(yùn)用三維動態(tài)捕捉技術(shù)與動態(tài)傳感壓迫測試，從損傷防護(hù)性的角度出發(fā)，對跑步過程中膝關(guān)節(jié)角度的影響進(jìn)行探討，為緊身運(yùn)動護(hù)膝的開發(fā)研究提供理論指導(dǎo)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1對象

利用美國[TC]2非接觸式三維人體掃描儀采集相關(guān)人體的體型數(shù)據(jù)，從中挑選出20名符合以下條件的實(shí)驗(yàn)對象：性別女、年齡（22±3）歲、身高（1.60±0.13）m、體重（50±2）kg，腿部體型接近，且滿足膝圍35cm。所有的實(shí)驗(yàn)對象均要求下肢沒有傷病史，沒有足部疾病，無扁足，且運(yùn)動能力確保優(yōu)良。

1.2樣衣

本文所選無縫針織跑步褲，面料采用3種長絲纖維交織而成，纖維含量為71%錦綸、21%丙綸和8%氨綸。選用市場上最普遍的典型穿戴式針織護(hù)膝S、M、L三個型號，面料由彈性聚合物橡膠、合成纖維尼龍和氨綸構(gòu)成，其中60%橡膠、31%尼龍、9%氨綸?？椢餃y試結(jié)果縱向定伸長力為（5.2±0.5 ）N，橫向定伸長力為（4.1±0.5 ）N，定伸長力和為（9.3±1.0）N。運(yùn)動護(hù)膝具有較好的彈性，彈力接近，基本參數(shù)如表1所示。

1.3測試設(shè)備

1.3.1光學(xué)動態(tài)捕捉儀

采用瑞典Qualisys Track Manager光學(xué)動作捕捉儀，并配合9臺高速攝像機(jī)。此系統(tǒng)通過攝像頭精確捕捉標(biāo)記有Mark小球的跑步運(yùn)動，除精度、密度和實(shí)時(shí)標(biāo)記以外，還支持高性能2D/3D/六自由度跟蹤，將延遲降到最低（6ms），然后將捕捉到的文件傳輸?shù)絍isual 3D中，利用制表符分隔的ASCII文件導(dǎo)入Excel中，因此該系統(tǒng)完全可滿足人體跑步運(yùn)動測試的需求。

1.3.2Pliance多用途傳感測試設(shè)備

利用德國Novel公司的pliance多用途傳感器系統(tǒng)對跑步運(yùn)動中被測試者的護(hù)膝壓迫進(jìn)行相關(guān)測量，感應(yīng)區(qū)的厚度僅為0.2mm，直徑為9.52mm，由于服裝的壓值相對較小，為保證測試的準(zhǔn)確性，故將所測試范圍調(diào)整為0～24kPa，由系統(tǒng)自帶的測試軟件pliance X進(jìn)行緊身壓強(qiáng)數(shù)據(jù)的輸出。

1.3.3跑步機(jī)

采用IUBU優(yōu)步Y(jié)B521DL跑步機(jī)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要增減速度和設(shè)置跑步時(shí)間。

1.4方案

1.4.1測試點(diǎn)選取

結(jié)合光學(xué)動態(tài)捕捉儀的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)對象22個骨骼標(biāo)記點(diǎn)貼Mark小球，在大腿和小腿上固定剛體（每個剛體有4個Mark小球標(biāo)記點(diǎn)），共計(jì)38個標(biāo)記點(diǎn)，如圖1所示，右邊用R表示，左邊L對稱位置的標(biāo)記點(diǎn)與右邊一一對應(yīng)。

1.4.2方法

本實(shí)驗(yàn)在人工氣候室中進(jìn)行，保持室溫（23±2）℃，相對濕度（64±2）%。受試者進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室將傳感器前端感應(yīng)片貼在髕骨正前方凸出點(diǎn)、膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)上髁FME、外側(cè)上髁FLE三個測試點(diǎn)，之后佩戴相應(yīng)護(hù)膝將其覆蓋，在跑步機(jī)4、6、8km/h速度下進(jìn)行跑步運(yùn)動同時(shí)完成傳感壓強(qiáng)測試，每名受試者均需要在不佩戴護(hù)膝和佩戴S、M、L型號護(hù)膝穿著狀態(tài)下完成以上要求實(shí)驗(yàn)。

2結(jié)果與分析

垂直軸比較分析人體下肢骨骼結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)為橢圓滑車關(guān)節(jié)，是人體最為復(fù)雜的關(guān)節(jié)之一，人體的韌帶與下肢骨骼通過關(guān)節(jié)連接在一起。如圖2所示[9]，將人體三維運(yùn)動空間切割為冠狀面、矢狀面、水平面三個維度平面，X代表膝關(guān)節(jié)圍繞冠狀軸的屈伸運(yùn)動，Y代表膝關(guān)節(jié)圍繞矢狀軸的外收內(nèi)展運(yùn)動，Z代表膝關(guān)節(jié)圍繞垂直軸的旋內(nèi)旋外運(yùn)動，人體膝關(guān)節(jié)所實(shí)現(xiàn)的動作如圖3所示。

2.1護(hù)膝緊度與膝關(guān)節(jié)角度的相關(guān)性分析

為研究不同護(hù)膝緊度、跑步速度和屈伸角、收展角、旋內(nèi)旋外角之間的相互關(guān)系，測試20名受試者以不佩戴護(hù)膝和佩戴三種不同緊度護(hù)膝及3個不同跑步速度，共計(jì)12種運(yùn)動狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)的屈伸角、收展角、旋內(nèi)旋外角，然后對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知，護(hù)膝緊度與收展角和旋內(nèi)旋外角的相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)概率P值均接近為0，存在顯著的相關(guān)性，說明緊身壓力有效減少了膝關(guān)節(jié)的擺動和旋轉(zhuǎn)，是膝關(guān)節(jié)固定束縛的一個極其重要的因素，在表面施加護(hù)載荷對人體的骨骼起到了一定保護(hù)作用。而束縛緊度對膝關(guān)節(jié)的屈伸角影響并不顯著，得出在佩戴一定緊度護(hù)膝的時(shí)候?qū)οリP(guān)節(jié)起到防護(hù)效果的同時(shí)并不會對跑步運(yùn)動本身造成妨礙。從跑步速度快慢及膝關(guān)節(jié)三維角度變化看，跑步速度與膝關(guān)節(jié)屈伸角具有顯著相關(guān)性，這說明了跑步速度的變化會對膝關(guān)節(jié)屈伸造成影響，對膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)和屈伸并沒有明顯的相關(guān)性。

2.2護(hù)膝緊度與膝關(guān)節(jié)防護(hù)性的關(guān)系

防護(hù)緊身裝備是通過給運(yùn)動肢體適當(dāng)?shù)氖`包裹以到達(dá)限制膝關(guān)節(jié)活動度從而減少損傷的目的，通過對最大膝關(guān)節(jié)角、最小膝關(guān)節(jié)角和膝關(guān)節(jié)的活動度來評判對膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生的固定效果[10]。針對跑步運(yùn)動過程中對膝關(guān)節(jié)的保護(hù)固定作用，應(yīng)該在保證膝關(guān)節(jié)冠狀面的屈伸運(yùn)動同時(shí)盡量規(guī)避圍繞垂直軸和矢狀軸的內(nèi)旋外旋角和外收內(nèi)展活動度，盡量減少運(yùn)動帶來膝關(guān)節(jié)的滑動。本文將從不同護(hù)膝緊度與膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角和收展角的活動度的關(guān)系，以及對屈伸角的影響，做進(jìn)一步探討。

圖4、圖5分別代表不佩戴護(hù)膝、佩戴L、M、S型護(hù)膝的束縛狀態(tài)下對膝關(guān)節(jié)的收展角以及旋內(nèi)旋外角活動度帶來的的影響。從圖4、圖5可得出，隨護(hù)膝緊度逐漸增大，膝關(guān)節(jié)的收展和旋轉(zhuǎn)角的活動度逐漸減小，即一定程度的緊身壓迫可使膝關(guān)節(jié)避免過多的無用損耗，同時(shí)對中高緊度護(hù)膝的固定作用勝于較低緊身壓迫護(hù)膝，緊身壓強(qiáng)在1.6803～2.8617kPa時(shí)，膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)和伸展角活動度有明顯持續(xù)的減小。當(dāng)護(hù)膝緊度達(dá)到2.8617kPa時(shí)，對膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)和屈伸活動度的減小效果逐漸變得緩慢，說明緊身壓迫對膝關(guān)節(jié)的固定束縛效果作用在壓迫遞增的初期最顯著，這由于達(dá)到一定程度的緊身壓迫時(shí)，已經(jīng)足夠能緩減膝關(guān)節(jié)的滑動，可以達(dá)到對膝關(guān)節(jié)的束縛固定效果。

為進(jìn)一步探究緊身壓迫對膝關(guān)節(jié)屈伸角的影響作用，將在三種不同跑步速度狀態(tài)在佩戴三種不同緊度護(hù)膝的最大和最小屈伸角進(jìn)行單因素方差分析，分析如表3、表4所示。由表3對膝關(guān)節(jié)屈伸最大角的方差分析可以看出，隨緊身壓迫的逐漸增大，對膝關(guān)節(jié)最大屈伸角的減小作用越來越顯著，在速度達(dá)到8km/h時(shí)中高壓迫顯著性影響P<0.01。由表4對膝關(guān)節(jié)最小屈伸角的方差分析可以看出，隨緊身壓迫的逐漸增大，護(hù)膝的緊度對屈伸角最小膝關(guān)節(jié)角度的減小作用顯著，在6、8km/h時(shí)中高壓迫其顯著性水平P<0.01，其他的運(yùn)動狀態(tài)都為P<005顯著。其原因可能是隨跑步強(qiáng)度持續(xù)增大，運(yùn)動中的膝關(guān)節(jié)對護(hù)膝沖擊作用也越來越大，致使緊身壓迫對膝關(guān)節(jié)活動的影響更加明顯。

對屈伸角的活動度進(jìn)一步探討，如表5所示。隨護(hù)膝壓迫逐漸增大對于膝關(guān)節(jié)的屈伸角活動度作用基本不顯著，進(jìn)一步闡釋一定的壓迫尚不會對跑步運(yùn)動本身造成妨礙。但是，當(dāng)緊身壓強(qiáng)達(dá)到3.5705kPa時(shí)，在6km/h和8km/h兩個跑步速度下對膝關(guān)節(jié)屈伸角的活動度產(chǎn)生了影響；護(hù)膝的壓迫在達(dá)到2.8617kPa時(shí)處于8km/h跑步運(yùn)動狀態(tài)下對膝關(guān)節(jié)屈伸角活動度明顯產(chǎn)生了效果，這是因?yàn)閴浩忍髸r(shí)，隨表面載荷的進(jìn)一步增加，會在相當(dāng)程度上對運(yùn)動中膝關(guān)節(jié)的本身運(yùn)動需求的活動度造成了限制。

綜合分析，膝關(guān)節(jié)緊身壓強(qiáng)在2.1528～2.8617kPa時(shí)，可以對跑步運(yùn)動膝關(guān)節(jié)起到較好的固定效果，這也說明在設(shè)計(jì)跑步運(yùn)動護(hù)膝時(shí)，對人體膝蓋部位應(yīng)給予一定范圍的緊身壓迫。

3結(jié)論

1）護(hù)膝緊度越大對膝關(guān)節(jié)收展角和旋轉(zhuǎn)角的影響越顯著，即防護(hù)載荷對運(yùn)動人體膝關(guān)節(jié)角具有一定的固定束縛作用，緊身壓迫為衡量護(hù)膝固定效果的一個重要因素。

2）緊身運(yùn)動護(hù)膝壓強(qiáng)范圍應(yīng)控制在2.1528～2.8617kPa內(nèi)，以滿足運(yùn)動過程中護(hù)膝對膝關(guān)節(jié)的固定保護(hù)效果。

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