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(hù)裝備是以身體為模型設(shè)計(jì)的彈性服飾，其通過(guò)不同的材質(zhì)和設(shè)計(jì)方式將緊度施加在人體皮膚表面，從而在運(yùn)動(dòng)中對(duì)人體起到防護(hù)作用[1]。近年來(lái)，緊身裝備的防護(hù)性能一直是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)的研究熱點(diǎn)，其中損傷防護(hù)的研究具有重要的理論和實(shí)際價(jià)值。本文選取羽毛球運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作作為研究對(duì)象。據(jù)相關(guān)研究表明[2-4]，在羽毛球的運(yùn)動(dòng)中，每個(gè)動(dòng)作都包含了膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)，膝關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(jiàn)的，半月板和髕骨是最常見(jiàn)的損傷部位，表面原因是動(dòng)作不標(biāo)準(zhǔn)，根本原因是運(yùn)動(dòng)中膝關(guān)節(jié)承受了巨大的壓力，周?chē)∪饬α坎蛔?，身體韌性不夠而導(dǎo)致了損傷?；谙リP(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)損傷現(xiàn)狀，很多學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于護(hù)膝的系列研究。姜亞明等[5]編織了經(jīng)編間隔織物的護(hù)膝試樣，通過(guò)對(duì)比實(shí)際摔倒能量和緩壓材料吸收能量的大小評(píng)估了材料緩壓性能的優(yōu)劣。孫清峰等[6]從聚醚多元醇、擴(kuò)鏈劑含量、異氰酸酯比例等因素對(duì)運(yùn)動(dòng)護(hù)膝制品性能的影響出發(fā)得出了聚氨酯運(yùn)動(dòng)護(hù)膝組合料的配方。謝亮玉等[7]從紗線(xiàn)原料、組織結(jié)構(gòu)和織物密度3個(gè)因素出發(fā)對(duì)護(hù)膝產(chǎn)品進(jìn)行研究，得出了護(hù)膝制動(dòng)區(qū)、緩沖區(qū)以及邊緣處適用的紗線(xiàn)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(hù)膝的設(shè)計(jì)方法及其編織工藝，結(jié)合線(xiàn)圈的結(jié)構(gòu)模型和紗線(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變對(duì)護(hù)膝的壓力分布進(jìn)行了研究；劉青青等[9]選取了典型的籃球動(dòng)作，通過(guò)膝關(guān)節(jié)的三維角度變化探究了護(hù)膝的防護(hù)性能。姚瑞祥等[10]從佩戴護(hù)膝對(duì)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(wú)孔的套戴式護(hù)膝固定防護(hù)效果最佳。以上研究從材料、壓力、防護(hù)效果3個(gè)方面對(duì)護(hù)膝進(jìn)行了研究，但是骨骼肌是運(yùn)動(dòng)的主要來(lái)源，關(guān)于護(hù)膝對(duì)膝關(guān)節(jié)周?chē)∪饣顒?dòng)的影響仍需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

本文圍繞護(hù)膝對(duì)膝關(guān)節(jié)周?chē)趋兰〉挠绊憴C(jī)制展開(kāi)研究。在不同的護(hù)膝提供不同壓力的情況下，通過(guò)屈曲運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，研究膝關(guān)節(jié)周?chē)∪?股內(nèi)側(cè)肌、半腱肌、股二頭肌)的肌電信號(hào)變化情況。探究膝部緊身裝備對(duì)肌肉活動(dòng)的影響可以為緊身裝備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為避免其他因素的干擾，本文實(shí)驗(yàn)在人工氣候艙內(nèi)進(jìn)行，相對(duì)濕度為65%，溫度為26 ℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

從本校女研究生中挑選了4名羽毛球運(yùn)動(dòng)的愛(ài)好者，并要求中膝圍在34～35 cm。所有受試者在實(shí)驗(yàn)前均接受問(wèn)卷調(diào)查，確認(rèn)24 h內(nèi)未進(jìn)行任何劇烈運(yùn)動(dòng)，且在半年內(nèi)下肢肌肉和關(guān)節(jié)沒(méi)有損傷。選取右腿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，膝圍的測(cè)量數(shù)據(jù)如下，測(cè)量方式參照鮑爾芬實(shí)驗(yàn)室的測(cè)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(diǎn)向膝關(guān)節(jié)外側(cè)畫(huà)一條輔助線(xiàn)，以該輔助線(xiàn)向上14 cm測(cè)量一圈的長(zhǎng)度為上膝圍，以該輔助線(xiàn)向下12 cm測(cè)量一圈的長(zhǎng)度為下膝圍，髕骨中點(diǎn)繞一圈為中膝圍，相關(guān)數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象基本信息

1.3 實(shí)驗(yàn)樣本

選取市面上某一品牌的不同緊度的針織運(yùn)動(dòng)護(hù)膝作為實(shí)驗(yàn)樣本，分別標(biāo)為護(hù)膝1、護(hù)膝2、護(hù)膝3，與之對(duì)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(hù)膝均符合FZ/T 74001—2013《紡織品 針織運(yùn)動(dòng)護(hù)具》、GB 18401—2010《國(guó)家紡織產(chǎn)品基本安全技術(shù)規(guī)范》B類(lèi)安全類(lèi)別。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

壓力值的測(cè)試設(shè)備：Pliance-X-32 型服裝壓力測(cè)試系統(tǒng)(德國(guó) Novel公司)，選用Flexi Force薄膜壓力力敏傳感器(A201)進(jìn)行壓力測(cè)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(guò)電阻值的變化獲得壓力信息。Flexi Force超薄型力量感測(cè)片具有如紙般薄的厚度，柔軟的卷曲性以及耐用性，該感測(cè)片厚度為0.208 mm，直徑9.53 mm,測(cè)量范圍在0～1 lbs(4.4 N)，即0～61.716 kPa。

肌電信號(hào)的測(cè)試設(shè)備：Trigno系列表面肌電測(cè)試系統(tǒng)(美國(guó)DELSYS公司)，支持無(wú)線(xiàn)測(cè)試，其配備了8個(gè)無(wú)線(xiàn)EMG傳感器，每個(gè)傳感器內(nèi)置三軸加速度計(jì)，傳輸范圍20 m，信號(hào)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(cè)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(shí)驗(yàn)方案

1.5.1 測(cè)試點(diǎn)選取

膝關(guān)節(jié)周?chē)鷧⑴c運(yùn)動(dòng)的肌肉主要有2類(lèi)：伸膝肌和屈膝肌。屈膝肌主要有股二頭肌，半腱肌和半膜肌；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(hù)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(cè)試肌肉，測(cè)試點(diǎn)分布圖見(jiàn)圖1。傳感器固定的參考位置見(jiàn)表2。

表2 無(wú)線(xiàn)表面肌電測(cè)試傳感器固定位置參考

圖1 測(cè)試點(diǎn)分布圖

1.5.2 測(cè)試方法

受試者實(shí)驗(yàn)當(dāng)天要求著短褲露出下肢，提前20 min進(jìn)入氣候艙熟悉實(shí)驗(yàn)流程，進(jìn)行拉伸活動(dòng)和實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)動(dòng)作：將動(dòng)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(shí)驗(yàn)腿向前邁出一步觸地(②跨步)，右腳觸地后做屈膝下蹲動(dòng)作(③下蹲)，然后做伸膝動(dòng)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(gè)動(dòng)作5 s完成。

圖2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)作5步驟分解圖

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：運(yùn)行測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)試；實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)分2步進(jìn)行：壓力測(cè)試和表面肌電測(cè)試。首先進(jìn)行壓力測(cè)試，將壓力傳感器的感測(cè)片放置在每塊肌肉做好標(biāo)記點(diǎn)的位置，每5 s為1個(gè)動(dòng)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(shí)驗(yàn)腿，分別佩戴3種護(hù)膝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

壓力測(cè)試結(jié)束后休息10 min,再進(jìn)行肌電測(cè)試，根據(jù)上訴肌肉分布特點(diǎn)用水消筆做好標(biāo)記，并用刮毛刀清除標(biāo)記點(diǎn)部位的毛發(fā)，進(jìn)行酒精消毒。在傳感器上貼好電極貼后再固定好，采用對(duì)照組(即不佩戴護(hù)膝)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)仍以5 s為1個(gè)動(dòng)作循環(huán)，采集不佩戴護(hù)膝和分別佩戴每種護(hù)膝時(shí)每塊肌肉的肌電信號(hào)。

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(duì)防護(hù)部位有積極的防護(hù)效果，在運(yùn)動(dòng)中不同緊度的護(hù)膝對(duì)每塊肌肉的束縛產(chǎn)生的壓力值也有差異，通過(guò)計(jì)算肌肉積分肌電值、均方根等肌電指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)學(xué)方法采用單因素方差檢驗(yàn)(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(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化處理，柱狀圖越高表示緊度對(duì)壓力值的影響越大。緊度-壓力單因素方差分析可視圖見(jiàn)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(jì)學(xué)意義，標(biāo)有不同字母的柱狀圖表示不具有統(tǒng)計(jì)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(hù)膝1、護(hù)膝2、護(hù)膝3時(shí)，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(duì)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(hù)膝1和護(hù)膝2時(shí)，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(duì)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(jiàn)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(hù)膝1、護(hù)膝3時(shí)，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(duì)半腱肌RMS的影響顯著，且在緊度3#時(shí)半腱肌的RMS達(dá)到最大值。以此類(lèi)推，緊度1#和緊度3#對(duì)股內(nèi)側(cè)肌RMS的影響顯著，且在緊度3#時(shí)該處RMS值下降；在佩戴護(hù)膝1時(shí)，股二頭肌均方根值柱狀圖分別與佩戴護(hù)膝2、護(hù)膝3時(shí)有相同的字母f、g，表示該處肌肉在緊度1#時(shí)的RMS值分別和緊度2#、緊度3#時(shí)的RMS值具有顯著差異，但緊度2#和緊度3#的RMS值之間無(wú)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(jiàn)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(hù)膝1、護(hù)膝3時(shí)，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(shí)對(duì)半腱肌IEMG值影響顯著，且在緊度3#時(shí)該處IEMG值達(dá)到最大值；在佩戴護(hù)膝1時(shí)，股二頭肌的積分肌電柱狀圖分別和佩戴護(hù)膝2、護(hù)膝3時(shí)有相同字母f、g，即該處肌肉在緊度1#時(shí)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(wú)顯著影響。

圖5 緊度-IEMG單因素方差分析

2.2 緊度對(duì)肌肉活動(dòng)的影響

2.2.1 緊度對(duì)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(shí)的肌電值，RMS值增加表明肌力水平的增強(qiáng)，RMS值與肌力大小成正比[11-12]。不同緊度對(duì)肌電均方根值的影響見(jiàn)圖6,如圖6所示，在不同緊度護(hù)膝對(duì)膝部周?chē)∪?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(duì)比圖中，0#表示不佩戴護(hù)膝，1#、2#、3#表示護(hù)膝的緊度。如圖6所示，不同緊度對(duì)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(hù)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(hù)膝緊度成正比，緊度增加，半腱肌的肌力增強(qiáng)；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(shí)，股二頭肌肌力水平增加，當(dāng)緊度增加到高緊度時(shí)，肌力水平開(kāi)始下降，說(shuō)明中緊度相對(duì)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(duì)肌電均方根值的影響

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

2.2.2 緊度對(duì)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(shí)期內(nèi)肌肉中參加活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單位的放電總量，放電量越大，表示運(yùn)動(dòng)中被測(cè)肌肉的活動(dòng)貢獻(xiàn)度越大[11-12]。不同緊度下各肌肉積分肌電值對(duì)比見(jiàn)圖7。由圖示出，不同緊度對(duì)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中，IEMG的值變化趨于平緩，緊度大小對(duì)IEMG值影響不大。半腱?。喝鐖D7(a)所示，緊度1#在④蹲起位IEMG值達(dá)到最大，在圖7(b)中緊度2#時(shí)，在②跨步位和④蹲起位IEMG值達(dá)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著緊度的增加，受試者由①位到④位運(yùn)動(dòng)時(shí)，IEMG值會(huì)上升，隨后下降，且在中緊度2#時(shí)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(duì)比

圖8為各肌肉在不同緊度下的積分肌電值對(duì)比。在佩戴緊度1#護(hù)膝時(shí)，股內(nèi)側(cè)肌的放電量最大，活動(dòng)貢獻(xiàn)度依次為:股內(nèi)側(cè)肌>半腱肌>股二頭??；在佩戴緊度2#護(hù)膝時(shí)，股內(nèi)側(cè)肌的放電量最大，活動(dòng)貢獻(xiàn)度依次為:股內(nèi)側(cè)肌>半腱肌>股二頭肌；在佩戴緊度3#護(hù)膝時(shí)，半腱肌的放電量最大，活動(dòng)貢獻(xiàn)度依次為:半腱肌>股內(nèi)側(cè)肌>股二頭肌。由此可見(jiàn)，股內(nèi)側(cè)肌在該運(yùn)動(dòng)過(guò)程中積電總量最大，活動(dòng)貢獻(xiàn)度最大，其次是半腱肌、股二頭肌。

圖8 不同緊度下對(duì)各肌肉積分肌電值的影響

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從膝部緊身裝備對(duì)肌肉活動(dòng)的影響出發(fā)，以羽毛球中的弓箭步動(dòng)作作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)作，選定膝部參與運(yùn)動(dòng)的股內(nèi)側(cè)肌、半腱肌、股二頭肌作為研究對(duì)象，采用肌電學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，探究了膝部在佩戴不同緊度的護(hù)膝時(shí)，對(duì)各塊肌肉活動(dòng)特征的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析顯示佩戴高緊度護(hù)膝不會(huì)使股內(nèi)側(cè)肌的肌力增加，且緊度增加不會(huì)影響到該處肌肉放電量的大??；護(hù)膝緊度增加有助于增強(qiáng)半腱肌的肌力，且在佩戴高緊度護(hù)膝時(shí)，半腱肌在跨步和蹲起動(dòng)作中的放電量顯著增加；股二頭肌在佩戴中等緊度護(hù)膝時(shí)肌力水平和放電量都達(dá)到最佳水平。因此，對(duì)緊身防護(hù)裝備生產(chǎn)企業(yè)而言,在設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)護(hù)膝時(shí),建議對(duì)股內(nèi)側(cè)肌施加合適的中低度緊身壓迫，對(duì)半腱肌應(yīng)施加高度緊身壓迫，對(duì)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(yùn)動(dòng)中更好的發(fā)揮作用。