行走和慢跑狀態下護膝的防護效果

姚瑞祥， 王燕珍,2

(1. 上海工程技術大學 服裝學院， 上海 201620； 2. 東華大學 服裝·藝術設計學院, 上海 200051)

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行走和慢跑狀態下護膝的防護效果

姚瑞祥1， 王燕珍1,2

(1. 上海工程技術大學 服裝學院， 上海 201620； 2. 東華大學 服裝·藝術設計學院, 上海 200051)

為探究在行走和慢跑狀態下佩戴2種護膝對于膝關節角和單步周期的影響情況，測試者分別佩戴2種護膝，在模擬人體行走和慢跑的基礎上，運用三維運動測量系統獲取人體下肢不同步態的三維空間坐標數據，使用空間向量夾角計算方法計算不同運動形勢下的膝關節角度，運用單因素方差分析法(p<0.05)分析護膝對膝關節角與單步周期的影響情況。測試結果發現，在2種運動狀態下2號護膝對膝關節的活動有明顯的限制作用，而1號護膝僅在行走的時候對膝關節的活動有明顯的限制作用。

三維運動測量； 膝關節角； 護膝； 防護性能

膝關節是人體內最大同時也是結構最復雜的一個關節，在日常生活與體育運動中經常會受到來自不同方向力的作用。有科學家研究表明，人在慢跑時，腳觸地的瞬間受到地面的反作用力將達到人體重的2～3倍，而在快速跑跳時足底所承受的反作用力是慢跑時的3倍以上[1-2]，這是造成膝關節損傷的外在因素；另外膝關節是人體所有關節中最表淺的關節之一，是股骨與脛骨交匯的地方，中間有半月板，前面有髕骨。髕骨被股四頭肌腱所包繞，懸浮在股骨滑車關節面前方，非常易滑動[3-4]，這是造成膝關節損傷的內在原因。張積慧等[5]在研究中發現膝關節外傷史對于膝關節炎的影響十分顯著；Mazzuca SA等[6]也發現，隨著年齡的增加，人體全身各關節炎的發病率也明顯上升。因此，人們在日常生活中應該提高對膝關節損傷的預防和加強對膝關節的保護。

徐小敏[7]對江蘇十余所高校籃球運動員的調研顯示，膝關節損傷在運動員中較為普遍，約有88.57%的籃球運動員都發生過不同程度的膝關節損傷，但是需要指出的是膝關節的損傷程度大都屬于輕度損傷和中度損傷，一般不需要打石膏或去醫院做特殊治療，這就使得膝關節的損傷很易被人們所忽視，而佩戴護膝可對膝關節起到一定的固定作用防止二次損傷的發生。目前國內的護膝生產執行的是2011年頒布的GB 18401—2010《國家紡織產品基本安全技術規范》，該標準只對制作護膝所用紡織材料的基本安全技術作出了規定，但是沒有對護膝的防護性能參數作出相關要求，也沒有提供相應的評測方法，這就使得市場上護膝的種類繁多，功能也各異。

本文在對人體下肢基本活動分析的基礎上，利用3-D Investigator三維運動測量系統對佩戴不同護膝時人下肢的三維空間坐標進行實時采集，研究在行走和慢跑情況下護膝對于膝關節角和單步周期的影響，為護膝的防護性能參數設定和相應評測方法的研究提供相關的參考。

1 實驗設計

1.1 實驗護膝

目前市面上銷售的護膝種類繁多，制作材料也有差異，但是最常見的同時也是使用最為廣泛的護膝主要有2種，因此購買了某品牌的這2款護膝作為實驗用護膝，如圖1所示。1號護膝前方有一圓形開孔，孔的周圍縫有圓環形橡膠墊片，采用魔術貼綁縛的方式佩戴在膝關節上；2號護膝前方無開孔設計，直接由下往上從腳部穿入套在膝關節上。

實驗開始之前對護膝的基本參數進行測量，結果見表1。可看出，1號護膝大部分采用合成橡膠制成，2號護膝全部采用彈性纖維制成，2號護膝的長度要比1號護膝大，所以2號護膝與膝關節的接觸面積要更大一些。

表1 護膝的基本參數

1.2 實驗對象

本文實驗選取3名身材中等的女性來模擬人們正常的行走和慢跑動作，身高為(164.67±2.23) cm，體重為(51.64±1.53) kg。

1.3 實驗設備

采用加拿大NDI公司制造的3-D Investigator三維運動測量系統。其高速攝像頭的精度可達到0.1 mm，分辨率為0.01 mm。此系統可通過高速攝像頭捕捉標記在人體上的mark點來記錄人體關節在運動過程中的軌跡，以三維坐標數據形式直接輸出到Excel表中。其一個高速攝像頭的攝像空間約在26 m3左右，因此該套系統完全可滿足人體正常運動測試的需求[8-9]。

1.4 實驗步驟

第1步在實驗對象直立狀態下，用紅色記號筆在下肢皮膚上標記出髖關節點、膝關節內側點和外側點、踝關節內側點和外側點；第2步將9個標記點(包括探針的3個marker點)分成3組，并且分別固定在三角托盤上，如圖2(d)所示；第3步將全局坐標系的原點設定在位置傳感器的中心攝像頭上如圖2(a)所示；第4步利用三維運動測量系統記錄下這3組marker點的靜態三維空間數據；第5步用6DArchitect軟件將除探針以外的另2組marker點設定為2個剛體，其中固定在股骨環節的為剛體1，固定在脛骨環節的為剛體2，如圖3所示；第6步將剛體分別綁在被測試者右腿大腿與小腿的前方，用探針分別在皮膚上紅色標記點處設定虛擬點，分別命名為髖關節點(RGT)、膝關節內側點(RMK)、膝關節外側點(RLK)、踝關節內側點(RMA)、踝關節外側點(RLA)，如圖3所示；第7步讓被測試者佩戴相應的護膝，佩戴過程中保持剛體的位置固定不變；第8步讓被測試者在實驗空間內做好準備，待到系統控制人員發出開始指令后，被測試者開始模擬人們正常的行走和慢跑動作；第9步，等到步態穩定后控制人員開始記錄數據。

圖2 三維運動采集工具 Fig.2 3-D motion collection tools.(a)Position Sensor;(b)Marker;(c)Probe;(d)Triangular tray

圖3 虛擬點位置Fig.3 Locations of virtual points

整個實驗分為3組，依次為被測試者不佩戴護膝和佩戴1號護膝和2號護膝時的下肢的空間坐標，每次數據的記錄時間設定為5 s(1 s=100幀)，每組實驗重復做3次，從中選擇比較穩定的數據進行研究分析。

1.5 實驗原理

護膝的主要作用是給予膝關節一定的固定和支撐，屈曲運動是膝關節最主要的運動形式[10]，因此膝關節角AKJ(angle of knee joint)是反映膝關節活動情況的一個重要指標，圖4示出人在行走和慢跑時下肢活動情況。由此可通過比較佩戴不同護膝和不佩戴護膝時的最大膝關節角度(AKJmax)、最小膝關節角度(AKJmin)和膝關節運動幅度來反映護膝對于膝關節的固定效果[11]，通過比較單步周期來反映護膝對于下肢活動頻率的影響。最大膝關節角度(AKJmax)為單個步幅周期內膝關節所能達到的最大角度；最小膝關節角度(AKJmin)為單個步幅周期內膝關節所能達到的最小角度；膝關節運動幅度為單個步幅周期內的最大膝關節角減去最小膝關節角；單步周期(T)為下肢完成1個完整步幅所用的時間。

圖4 下肢活動過程劃分Fig.4 Divided lower extremity process. (a) Walking; (b) Jogging

2 數據整理與分析

2.1 關節角度計算

由三維運動測量系統輸出三維坐標數據，根據RLK點與RMK點之間的關系可求得到膝關節運動中心點坐標(x2，y2，z2)，根據RLA點與RMA點之間的關系可求得踝關節運動中心點坐標(x3，y3，z3)，如圖5所示。

圖5 關節角的計算Fig.5 Joint angle calculation

由空間向量夾角原理根據式(1)可計算得出每一時刻的膝關節角，即圖5中的∠α的余弦值，再根據反三角函數公式(2)計算出對應的膝關節角。之后依據步態特征將連續的運動分解成若干個單一步態周期，并尋找出最大膝關節角、最小膝關節角、膝關節活動幅度以及單步周期來做分析。

(1)

式中：x1，y1，z1為髖關節點坐標；x2，y2，z2為膝關節中心點坐標；x3，y3，z3為踝關節中心點坐標。

(2)

2.2 結果分析

將連續變化的膝關節角按單步周期進行分割，如圖6所示，其中圖6(a)為行走狀態下單步周期內的膝關節角變化情況，圖6(b)為慢跑狀態下單步周期內的膝關節角變化情況。從圖中可看出每個單步周期內膝關節角的變化趨勢都是一致的，說明對連續下肢動作的分割合理，也符合實際情況。從圖6還可看出，在騰空期行走時的膝關節角度要大于慢跑時；在支撐期行走時膝關節角的變化相對穩定，呈現出緩慢增大后又減小的趨勢，并且變化幅度比較小，而慢跑時膝關節角出現了突然減小后又繼續增大的情況。

圖6 不同運動方式下的膝關節角變化情況Fig.6 Knee angle changes cycles in different ways of motion. (a)Walking; (b)Jogging

圖7示出不同運動狀態下佩戴1號護膝、2號護膝和無防護情況下的膝關節角變化情況，其中圖7(a)為行走狀態下膝關節角變化情況，圖7(b)為慢跑狀態下膝關節角變化情況。

圖7 不同防護方式下的膝關節角變化情況Fig.7 Knee angle changes in different ways of protection. (a)Walking; (b)Jogging

從圖7(a)可看出，在行走狀態下，前騰空期佩戴2號護膝的膝關節角大于佩戴1號護膝和無防護時的膝關節角，支撐期佩戴1、2號護膝和無防護情況下的膝關節角差不多，在后騰空期佩戴1號護膝的膝關節角一直小于無防護情況下的膝關節角，而佩戴2號護膝的膝關節角先小于無防護情況下的膝關節角最后又大于無防護情況下的膝關節角。從圖7(b)可看出，在慢跑的狀態下，整個單步周期內佩戴1、2號護膝的膝關節角始終大于無防護時的膝關節角，但值得注意的是在前騰空和后騰空期佩戴1、2號護膝的膝關節角都與無防護時的膝關節角相差較大，而在支撐期只有佩戴1號護膝時的膝關節角與無防護時的膝關節角相差較大。

2.3 顯著性檢驗

將不同運動狀態下佩戴1號護膝和2號護膝所得到的最小膝關節角分別與無防護情形下的最小膝關節角進行單因素方差分析，結果如表2所示。

表2 最小膝關節角度(AKJmin)分析結果

注： ** 同一運動狀態下，與無防護組相比變化非常顯著(P<0.01),下同。

從表2可看出：在行走時2號護膝對AKJmin的增大作用非常明顯，而1號護膝對AKJmin沒有顯著的影響；在慢跑時1號和2號護膝對AKJmin的增大作用都非常顯著。

將不同運動狀態下佩戴1號和佩戴2號護膝所得到的最大膝關節角分別與無防護情形下的最大膝關節角進行單因素方差分析，結果如表3所示。

表3 最大膝關節角度(AKJmax)分析結果

注：*同一運動狀態下，與無防護組相比變化顯著(P<0.05)，下同。

從表3可看出在行走時1號護膝對于AKJmax的減小作用顯著，而2號護膝對于AKJmax沒有顯著的影響；在慢跑時1號和2號護膝對AKJmax的增大作用都非常顯著。

將不同運動狀態下佩戴1號和2號護膝所得到的膝關節活動度分別與無防護情形下的膝關節活動度進行單因素方差分析，結果如表4所示。

從表4可看出：在行走時1號護膝對于膝關節活動度的減小作用顯著，而2號護膝對于膝關節活動度的減小作用非常顯著；在慢跑時2號護膝對于膝關節活動度的減小作用非常顯著，1號護膝對于膝關節活動度沒有顯著影響。

表4 膝關節活動度分析結果

將不同運動狀態下佩戴1號護膝和2號護膝所得到的單步周期分別與無防護情形下的單步周期進行單因素方差分析，分析檢驗結果如表5所示。

表5 單步周期分析結果

從表5可看出，1號護膝和2號護膝對步態周期都沒有顯著影響，也就是說在行走和慢跑時佩戴1號護膝和2號護膝對下肢活動的頻率并沒有影響。

3 結 論

1)不管在行走還是在慢跑情況下，2號護膝都可有效地減小膝關節的活動度，也就是說2號護膝可在2種步態情況下對膝關節起到固定的效果，膝關節發生損傷時佩戴2號護膝可有效固定關節及減少膝關節多余活動量，避免造成再次損傷。

2)1號護膝在行走時可對膝關節起到一定的固定作用，但是在慢跑時對膝關節并沒有起到固定作用。分析原因可能是1號護膝與膝關節接觸面積比2號護膝要小，提供給膝關節的壓力束縛較小，也可能是在慢跑過程成由于魔術貼黏性下降而造成防護效果的減弱。

3)佩戴2種護膝都不會影響步態的周期，也就是說佩戴這2種護膝對于行走和慢跑的速度不會造成影響。

FZXB

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Protective effect of kneepads in states of walking and jogging

YAO Ruixiang1, WANG Yanzhen1,2

(1. Fashion College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China; 2. Fashion Art Design Institute, Donghua University, Shanghai 200051, China)

In order to explore the effect of wearing different kneepads on the angle of knee joint and the single cycle in the states of walking and jogging, subjects were allowed to wear the two kneepads which are widely used in the daily life, respectively, the three-dimensional coordinate data about lower limb were acquired on the basis of simulating human walking and jogging through the three-dimensional capture system. Then the angle of the knee was calculated by using space vector angle calculation method, and one-way ANOVA model method (p<0.05) was adopted to analyze the protective effect on the knee joint of the two different knee pads in various forms of exercise. The results show that the No.2 kneepad has obvious restricting effects on the motion of the knee joint during walking and jogging, but the No.1 kneepad has obvious restricting effects only during walking

3-D motion measurement； knee joint angle； kneepad； protective performance

10.13475/j.fzxb.20140403206

2014-04-10

2014-10-08

上海工程技術大學課程建設項目(K201209006)；上海工程技術大學研究生創新項目(E1-090-14-01173)

姚瑞祥(1990—)，男，碩士。研究方向為服裝樣板與服裝工效學。王燕珍,通信作者，E-mail:wangyanzhen1227@126.com。

TS 941.17

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