跑步運動中護膝壓迫對女子膝關節角度影響

閻玉秀 高智英 金子敏 趙佳雯 陶建偉

摘要： 為研究跑步運動中不同緊度護膝對膝關節防護效果的影響，以20名熱愛跑步運動的健康女性作為實驗對象，運用三維動態捕捉技術捕捉測試者佩戴不同緊度護膝在不同速度跑步下的膝關節三維角度數據，將實驗數據進行相關數理統計分析與研究。從緊身壓迫角度出發對跑步過程中膝關節三維角度進行探討，為緊身運動護膝的開發研究提供理論指導。結果表明：緊身壓迫是衡量膝關節固定效果的一個重要因素，施加表面防護載荷對膝關節起到了一定的固定束縛作用；護膝緊身壓迫應控制在2.1528～2.8617kPa內，以滿足運動過程中對膝關節的固定保護作用。該研究為運動防護裝備開發提供了設計依據。

關鍵詞： 緊身壓迫；膝關節三維角度；動態捕捉；固定效果；跑步運動

中圖分類號： TS941.17文獻標志碼： 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

跑步是膝關節發生損傷較高的運動，相關科學研究顯示，高達35%～65%的專業運動員與健身愛好者發生過下肢損傷，有50%～70%的跑步損傷表現為較長時間持續相同動作的不斷重復運動所造成的過度使用性損傷[1]。脛骨和髕骨是膝關節的重要組成部分，通過傳遞載荷參與到下肢運動，復雜的鉸鏈式結構致使其活動量較其他部位大[2]，這是造成膝關節極易發生損傷的內在原因。另外，在跑步運動過程中，膝關節所承受的質量可達體重的7～10倍[3]，若運動護具選擇不適當，大腿肌肉的反復收縮會使膝關節重復地屈曲伸直，更容易造成髕骨、脛骨與股骨承受的壓應力過大[4]，這是由跑步這種運動方式決定的損傷。鑒于此，對跑步運動中膝關節的損傷防護進行相關研究勢在必行。

緊身裝備由于能夠給運動肢體適當的包裹，從而減緩骨骼壓力避免勞損，同時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膝的被測者跪地工作，得出護膝可以通過重新分配受力來改變膝關節的損傷情況。姚瑞祥等[8]通過模擬人體行走和慢跑，研究了護膝對于膝關節和單步周期的影響，評價了不同種類護膝的防護性能。但在關于跑步運動的研究中，并沒有對運動損傷與緊身壓力進行相關性研究，此外，對于人體運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行探討研究，對緊身防護裝備壓迫與膝關節三維角度關系尚沒有系統的評價標準與體系。鑒于此，本文通過運用三維動態捕捉技術與動態傳感壓迫測試，從損傷防護性的角度出發，對跑步過程中膝關節角度的影響進行探討，為緊身運動護膝的開發研究提供理論指導。

1實驗

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人體的體型數據，從中挑選出20名符合以下條件的實驗對象：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。所有的實驗對象均要求下肢沒有傷病史，沒有足部疾病，無扁足，且運動能力確保優良。

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成，其中60%橡膠、31%尼龍、9%氨綸。織物測試結果縱向定伸長力為（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。運動護膝具有較好的彈性，彈力接近，基本參數如表1所示。

1.3測試設備

1.3.1光學動態捕捉儀

采用瑞典Qualisys Track Manager光學動作捕捉儀，并配合9臺高速攝像機。此系統通過攝像頭精確捕捉標記有Mark小球的跑步運動，除精度、密度和實時標記以外，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到Visual 3D中，利用制表符分隔的ASCII文件導入Excel中，因此該系統完全可滿足人體跑步運動測試的需求。

1.3.2Pliance多用途傳感測試設備

利用德國Novel公司的pliance多用途傳感器系統對跑步運動中被測試者的護膝壓迫進行相關測量，感應區的厚度僅為0.2mm，直徑為9.52mm，由于服裝的壓值相對較小，為保證測試的準確性，故將所測試范圍調整為0～24kPa，由系統自帶的測試軟件pliance X進行緊身壓強數據的輸出。

1.3.3跑步機

采用IUBU優步YB521DL跑步機，可根據實驗需要增減速度和設置跑步時間。

1.4方案

1.4.1測試點選取

結合光學動態捕捉儀的特點，在實驗對象22個骨骼標記點貼Mark小球，在大腿和小腿上固定剛體（每個剛體有4個Mark小球標記點），共計38個標記點，如圖1所示，右邊用R表示，左邊L對稱位置的標記點與右邊一一對應。

1.4.2方法

本實驗在人工氣候室中進行，保持室溫（23±2）℃，相對濕度（64±2）%。受試者進入實驗室將傳感器前端感應片貼在髕骨正前方凸出點、膝關節內側上髁FME、外側上髁FLE三個測試點，之后佩戴相應護膝將其覆蓋，在跑步機4、6、8km/h速度下進行跑步運動同時完成傳感壓強測試，每名受試者均需要在不佩戴護膝和佩戴S、M、L型號護膝穿著狀態下完成以上要求實驗。

2結果與分析

垂直軸比較分析人體下肢骨骼結構發現，膝關節為橢圓滑車關節，是人體最為復雜的關節之一，人體的韌帶與下肢骨骼通過關節連接在一起。如圖2所示[9]，將人體三維運動空間切割為冠狀面、矢狀面、水平面三個維度平面，X代表膝關節圍繞冠狀軸的屈伸運動，Y代表膝關節圍繞矢狀軸的外收內展運動，Z代表膝關節圍繞垂直軸的旋內旋外運動，人體膝關節所實現的動作如圖3所示。

2.1護膝緊度與膝關節角度的相關性分析

為研究不同護膝緊度、跑步速度和屈伸角、收展角、旋內旋外角之間的相互關系，測試20名受試者以不佩戴護膝和佩戴三種不同緊度護膝及3個不同跑步速度，共計12種運動狀態下膝關節的屈伸角、收展角、旋內旋外角，然后對所測數據進行皮爾遜相關分析，結果如表2所示。由表2可知，護膝緊度與收展角和旋內旋外角的相關系數檢驗概率P值均接近為0，存在顯著的相關性，說明緊身壓力有效減少了膝關節的擺動和旋轉，是膝關節固定束縛的一個極其重要的因素，在表面施加護載荷對人體的骨骼起到了一定保護作用。而束縛緊度對膝關節的屈伸角影響并不顯著，得出在佩戴一定緊度護膝的時候對膝關節起到防護效果的同時并不會對跑步運動本身造成妨礙。從跑步速度快慢及膝關節三維角度變化看，跑步速度與膝關節屈伸角具有顯著相關性，這說明了跑步速度的變化會對膝關節屈伸造成影響，對膝關節的旋轉和屈伸并沒有明顯的相關性。

2.2護膝緊度與膝關節防護性的關系

防護緊身裝備是通過給運動肢體適當的束縛包裹以到達限制膝關節活動度從而減少損傷的目的，通過對最大膝關節角、最小膝關節角和膝關節的活動度來評判對膝關節產生的固定效果[10]。針對跑步運動過程中對膝關節的保護固定作用，應該在保證膝關節冠狀面的屈伸運動同時盡量規避圍繞垂直軸和矢狀軸的內旋外旋角和外收內展活動度，盡量減少運動帶來膝關節的滑動。本文將從不同護膝緊度與膝關節旋轉角和收展角的活動度的關系，以及對屈伸角的影響，做進一步探討。

圖4、圖5分別代表不佩戴護膝、佩戴L、M、S型護膝的束縛狀態下對膝關節的收展角以及旋內旋外角活動度帶來的的影響。從圖4、圖5可得出，隨護膝緊度逐漸增大，膝關節的收展和旋轉角的活動度逐漸減小，即一定程度的緊身壓迫可使膝關節避免過多的無用損耗，同時對中高緊度護膝的固定作用勝于較低緊身壓迫護膝，緊身壓強在1.6803～2.8617kPa時，膝關節的旋轉和伸展角活動度有明顯持續的減小。當護膝緊度達到2.8617kPa時，對膝關節旋轉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節的固定束縛效果作用在壓迫遞增的初期最顯著，這由于達到一定程度的緊身壓迫時，已經足夠能緩減膝關節的滑動，可以達到對膝關節的束縛固定效果。

為進一步探究緊身壓迫對膝關節屈伸角的影響作用，將在三種不同跑步速度狀態在佩戴三種不同緊度護膝的最大和最小屈伸角進行單因素方差分析，分析如表3、表4所示。由表3對膝關節屈伸最大角的方差分析可以看出，隨緊身壓迫的逐漸增大，對膝關節最大屈伸角的減小作用越來越顯著，在速度達到8km/h時中高壓迫顯著性影響P<0.01。由表4對膝關節最小屈伸角的方差分析可以看出，隨緊身壓迫的逐漸增大，護膝的緊度對屈伸角最小膝關節角度的減小作用顯著，在6、8km/h時中高壓迫其顯著性水平P<0.01，其他的運動狀態都為P<005顯著。其原因可能是隨跑步強度持續增大，運動中的膝關節對護膝沖擊作用也越來越大，致使緊身壓迫對膝關節活動的影響更加明顯。

對屈伸角的活動度進一步探討，如表5所示。隨護膝壓迫逐漸增大對于膝關節的屈伸角活動度作用基本不顯著，進一步闡釋一定的壓迫尚不會對跑步運動本身造成妨礙。但是，當緊身壓強達到3.5705kPa時，在6km/h和8km/h兩個跑步速度下對膝關節屈伸角的活動度產生了影響；護膝的壓迫在達到2.8617kPa時處于8km/h跑步運動狀態下對膝關節屈伸角活動度明顯產生了效果，這是因為壓迫太大時，隨表面載荷的進一步增加，會在相當程度上對運動中膝關節的本身運動需求的活動度造成了限制。

綜合分析，膝關節緊身壓強在2.1528～2.8617kPa時，可以對跑步運動膝關節起到較好的固定效果，這也說明在設計跑步運動護膝時，對人體膝蓋部位應給予一定范圍的緊身壓迫。

3結論

1）護膝緊度越大對膝關節收展角和旋轉角的影響越顯著，即防護載荷對運動人體膝關節角具有一定的固定束縛作用，緊身壓迫為衡量護膝固定效果的一個重要因素。

2）緊身運動護膝壓強范圍應控制在2.1528～2.8617kPa內，以滿足運動過程中護膝對膝關節的固定保護效果。

參考文獻：

[1]VAN M W. A review of the epidemiological literature [J]. Sports Medicine， 1992， 14： 320-335.

[2]王威. 對跑步中下肢運動損傷的原因分析[J]. 精品運動， 2011（7）： 16-17.

WANG Wei. Analysis of the causes of lower limb injury in running [J]. Chinese Journal of Sports， 2011（7）： 16-17.

[3]叢林， 朱靜華. 健身長跑愛好者的膝關節養護[J]. 田徑， 2015（10）： 61.

CONG Lin， ZHU Jinghua. Fitness long-distance running lovers knee care [J]. Athletics， 2015（10）： 61.

[4]趙煥彬， 李建設. 運動生物力學[M]. 3版. 北京： 高等教育出版社， 2008： 69.

ZHAO Huanbin， LI Jianshe. Sports Biomechanics [M]. 3rd Edi. Beijing： Higher Education Press， 2008： 69.

[5]GLADFELTER R， CANNON J， KING M. The effects of compression garments 101 [J]. Plastic Surgical Nursing， 2007， 27（2）： 73-77.

[6]金子敏， 于施佳， 閻玉秀. 青年女性上體無縫內衣的壓力舒適性[J]. 紡織學報， 2010， 31（2）： 85-89.

JIN Zimin， YU Shijia， YAN Yuxiu. Pressure comfort of seamless underwear for young womens upper body [J]. Journal of Textile Research， 2010， 31（2）： 85-89.

[7]HANG Xu， SREE Jampala， DONALD Bloswick， et al. Evaluation of knee joint forces during kneeling work with different kneepads [J]. Applied Ergonomics， 2017， 58： 308-313.

[8]姚瑞祥， 王燕珍. 行走和慢跑狀態下護膝的防護效果[J]. 紡織學報， 2015， 36（6）： 106-111.

YAO Ruixiang， WANG Yanzhen. Protective effect of kneepads in states of walking and jogging [J]. Journal of Textile Research， 2015， 36（6）： 106-111.

[9]趙凌燕， 黃守剛， 隋立明， 等. 跑步機上行走與平地行走膝關節運動差異性研究[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2015， 36（9）：1259-1260.

ZHAO Lingyan， HUANG Shougang， SUI Liming， et al.Differences between knee movements walking on flat ground and on a treadmill [J]. Journal of Harbin Engineering University， 2015， 36 （9）： 1259-1260.

[10]朱忠林. 膝關節三維運動測量方法與應用研究[D]. 北京： 清華大學， 2012： 2-39.

ZHU Zhonglin. Measurement of Three-Dimensional Knee Joint Kinematics： Technique and Applications [D]. Beijing： Tsinghua University， 2012： 2-39.