老年人髖關節保護服裝研究現狀和發展趨勢

于曉坤 關娟娟 羅洋 李毓陵

摘要： 隨著中國老年人的健康監護成為熱點，髖關節保護開始受到關注，但目前關于髖關節保護服裝開發研究還較少。為了確定開發過程中的關鍵問題，文章對有關髖關節保護研究的典型案例進行文獻學習，分析了現有的髖關節保護產品、人體摔倒損傷機制研究、抗沖擊力研究方法三方面成果。提出髖關節抗沖擊保護服裝設計的一般模式，遵循以用戶為中心的設計理念，運用功能服裝的一般設計方法，引入抗沖擊性能測試方法進行防護性能測試，整個設計過程中以確保防護性能為核心，提高依從性、美觀性。

關鍵詞： 老年人;髖關節;抗沖擊保護;功能服裝;用戶為中心;產品依從性

Abstract： As the health care of the aging has become a hot issue，hip joint protection is starting to get attention. However，there is less research on the development of hip joint protection garment. Documentary study of several typical cases was performed in order to identify the key issues in the development process of hip joint protection garment. In this paper，the research results of the existing hip joint protection products，the fall injury mechanism of human body，and the impact resistance research methods were analyzed. A general design system for hip joint protection clothes was put forward，which adheres to user-oriented concept. The general design method of functional garment was applied，and anti-impact performance test method was introduced for the protective performance test. The entire design process is centered on protection performance，improving compliance and aesthetics.

Key words： elder; hip joint; anti-impact protection; functional garment; user-oriented; product compliance

老年人傷害是全死因順位第4位，跌倒是傷害死因順位的第1位[1]，跌倒易引起髖部骨折，髖部骨折后，身體素質和器官功能等方面下降明顯，導致死亡率較高，即便是有幸度過了前期風險，后期生活能力和生活質量影響巨大。所以，跌倒造成的一系列后果，不僅影響老年人的身心健康，同時也關系到家庭幸福[2]。相對于昂貴的治療費，如何預防和降低摔倒損傷開始受到關注，髖關節保護就是其中一個熱點和難點。

髖關節保護研究目的是建立老年人跌倒保護安全性的有效保障，核心問題是緩沖跌倒后人體股骨所承受的巨大沖擊力[3]。目前，中國及其他國家髖骨的抗沖擊及保護理論體系，主要研究人體摔倒損傷機制和抗沖擊力的方法[4-5]。相關產品實踐應用初步形成，相關材料應用在老年人服裝中，此特殊材料可吸收來自各方向的物體碰撞所產生沖擊力，以此來降低老年人受傷害程度[6]。本文對現有理論研究成果與產品進行整理與分析，結合功能服裝的一般設計開發模式，提出髖關節保護服裝的設計開發模式，并展望髖關節保護服裝的發展趨勢。

1 髖關節保護產品

現有的髖關節保護產品多為髖關節保護器，由一定材質、數量、面積、厚度和形狀的襯墊材料，通過縫制、內插等方式固定在內衣、服裝或紡織產品上，人體穿戴后襯墊貼附在股骨大轉子表面，主要用來預防側向跌倒致髖部骨折的保護裝置。老年人跌倒時接觸地面的反作用力對老年人股骨大轉子點產生直接沖擊。髖關節保護器多是利用吸收、分散能量的方式減少老年人髖部骨折的發生風險。

1.1 髖關節保護器

根據對沖擊力的緩沖方式，將現有髖關節保護器分為如下幾種類型：吸收能量型、分散能量型、吸收分散能量混合型。

1.1.1 吸收能量型

吸收能量型采用的是質地相對柔軟的材料，由于柔軟材料具有緩沖作用，在老年人跌倒的過程中能夠吸收地面產生的沖擊力，以此來降低老年人跌倒產生的風險。

目前正在將這種材料應用于老年人的內衣及粘貼在股骨大轉子附近，以此來減少老年人跌倒后造成的沖擊力[7]。

1.1.2 分散能量型

分散能量型采用的是相對較硬的材料，由于硬質材料本身具有分散沖擊力的作用，在老年人跌倒的過程中，將地面給股骨大轉子的沖擊力向周圍器官及肌肉分散，減輕股骨近端所承受的沖擊力，達到預防髖部骨折的目的。

致力于研究髖骨保護的研究者Daniel K等[8]，采用一種帶有減震功能的泡沫材料制作髖骨保護器，將泡沫材料制成一小塊的規則矩形，按照平行的排列方式制成。

1.1.3 吸收分散能量混合型

吸收分散能量混合型同時應用軟質和硬質兩種材料，對沖擊力既具有吸收作用又具有分散作用，兩種材料結合能夠更有效地降低地面對老年人髖骨沖擊力度，減少髖部骨折的發生，混合型是目前研究較多的一種。

王書軍等[9]利用高分子材料設計出一款獨特的髖骨保護器，以髖骨的外形作為參考依據，設計為橢圓形。橢圓形能夠很好地將髖骨保護器與髖骨保護部位接觸，同時將橢圓形周圍部分與髖骨周圍的器官及組織很好地過渡。橢圓中心鼓起部分設立適當氣孔，便于透氣，內部有1層軟性襯墊層，軟墊由氣墊或海綿、泡沫等輕質材料組成，增強緩沖能力。防護墊器材應用十分方便，將其置于髖骨附近的內褲袋內即可，如圖1所示。

Sze PC等研究者[10-11]制作的髖骨保護器類似于王書軍等的設計，其設計的器材形狀同樣以橢圓形為基礎，選用的材料則有所不同，外部采用密度較低的硬質硅材料，內部采用半柔性膠質材料，中間通過針織面料進行連接。

1.2 髖關節保護器影響因素

髖關節保護產品的效果有很多影響因素，有保護墊幾何形狀（高度、寬度、厚度、體積），墊材力變形性能和硬度，放置位置和移位程度。除了這些設計上的不足，髖關節保護器的另外一個常見的問題是依從性，即并非所有髖部骨折風險高的老年人都會愿意使用這些髖部保護產品。

Hui-Chi Huang等[12]在研究臺灣老年人穿戴護臀用品的依從性，以及護臀用品是否能預防骨折或減少跌倒后的傷害中發現，佩戴髖部保護產品在減少摔倒骨折風險是有效的，但依從性較差，原因是病人不愿意佩戴或者偶爾佩戴。

1.3 髖關節保護器效果評價研究

對于髖部保護器效果評價研究，通過建立對照組，然后進行觀察、統計與分析穿戴髖關節保護器是否可降低髖部骨折的發生率，是目前產品實踐方面采用較多的一種研究方法。Bentzen H等[13]進行觀察性研究發現，穿戴髖保護器可使跌倒導致髖部骨折的危險性降低60%。Kannus等[14]進行隨機對照研究顯示，沒戴髖保護器發生骨折的人數是穿戴髖保護器的6.3倍。

還有一種成本率評價法，可以在髖部骨折成本和應用髖骨保護器成本之間進行核算。Meyer G等[15]對髖骨保護器的成本效能評估研究，對于平均費用（成本、治療、護理），穿戴髖骨保護器比治療髖部骨折的每人少花費439美元。Gandjour A等[16]對使用髖骨和不使用髖骨保護器的成本進行評估，評估結果如下：德國使用髖骨保護器的老年人比未使用髖骨保護器發生骨折的老人，在醫療費用方面可每人每年節省300多歐元?？梢?，老年人使用髖骨保護器所帶來的效益是可觀的。

2 髖關節保護理論研究現狀

目前國內外髖關節保護的理論研究多聚焦于防護性能的研究，可歸為兩類：一類是人體摔倒損傷機制研究，另一類是抗沖擊力的研究方法。這兩方面為髖關節保護的研究發展提供了諸多可能，成為國內外研究的關鍵點。

2.1 人體摔倒損傷機制研究

髖關節保護指的是在人體摔倒后，對髖關節骨部位所受沖擊力的抵抗作用，人體摔倒損傷機制對研究老年人髖關節保護系統具有指導性作用。

2.1.1 摔倒方向

人體在重心不穩定的情況下易跌倒，一般情況下人體跌倒的方向是朝著某一個方向跌倒，跌倒的方向與人身體產生的一連串的機體反應有關。通常情況下，跌倒方向主要有以下幾種情況：向前趴下，向后躺下，向前側跌，向后側跌，向右側跌，向左側跌[14]。

2.1.2 摔倒損傷部位

摔倒損傷部位研究關注摔倒后髖關節骨部位所受沖擊力及受傷的程度。

國內外研究人體摔倒損傷部位的方法主要有真人摔倒實驗、回顧性分析、有限元分析方法。其中，真人摔倒實驗是由真人按照一定的摔倒方向進行摔倒實驗，通過視頻設備捕捉摔倒狀態，分析摔倒后哪些部位容易受到沖擊，附著在股骨大轉子部位的壓力傳感器測量髖部所受沖擊力;回顧性分析方法為醫學中常用，通過對已發生摔倒損傷的患者人群的摔倒經歷進行回顧統計分析，分析摔倒后哪些部位容易受傷及損傷程度情況;有限元分析方法[17]作為一種生物力學研究工具，是現代計算力學和計算機技術相結合的數值應力分析技術，通過構建關節部位有限元模型，采用有限元方法分析仿真人體相關關節部位著地的生物力學特征，可用于分析摔倒后人體部位所受沖力。

在西蒙弗雷澤大學[14]進行一項對25位真人摔倒實驗中發現，在向前和向后的兩種摔倒方向下，髖部受沖擊的概率是100%。Aizen等[18]通過統計大量的老年人跌倒案例發現，一半以上的髖部骨折案例中跌倒的方向是側方;通過跟蹤訪查發現，側向跌倒產生的損傷部位通常是臀部后外側和股骨大轉子。側向跌倒導致產生骨折的概率是向前和向后摔倒的5倍，而且當摔倒時力直接沖擊在股骨大轉子位置時，風險又提高32倍[19]。通過對人體摔倒損傷機制的研究已經驗證了側向跌倒造成髖關節骨折的概率大，需要通過緩解股骨大轉子的沖擊力起到保護的作用。

2.2 抗沖擊力性能測試

抗沖擊力性能測試是判斷所設計的保護系統有效性的研究。國內外所采用的主要有生物力學沖擊實驗、動態捕捉系統和有限元分析方法。

2.2.1 生物力學沖擊實驗

實驗模仿人體在實際的摔倒過程中產生的沖擊力，是驗證髖骨保護器性能的重要方法之一[20]。驗證方式主要有兩種，分別為舂米式沖擊錘[21]和懸吊式沖擊錘[22]，還有少量的研究采用直立式沖擊塔[23-24]進行評價研究。

髖骨保護器的性能評估還包括材料的減震性能測試，有兩種檢測方法被廣泛使用，分別為ASTM F1614-06和EN ISO 20344：2004-5.14。兩種檢測方法對應的檢測目標和目的各有不同，前者是對運動鞋緩解沖擊力的測評，后者是對安全靴對沖擊力的反應測評[25]。材料測驗均是采用沖擊測驗機進行測試，選用固定質量的物體從固定高度下落，落點下方放置目標測試材料，測量重物下落對材料產生的沖擊力并評估材料的受損傷程度，以此來測定目標材料所能承受的沖擊力范圍及緩沖能力。國內外應用于研究的沖擊實驗系統主要有落錘式、擺錘式、氣動式和滑道式[26]。

生物力學研究實驗[27]數據結果顯示，髖骨關節保護器大幅降低了老年人跌倒引起的髖部骨折風險。

2.2.2 動態捕捉系統

動態捕捉系統是進行三維動態測量，在測量過程中引用帶有運動軌跡的標記點，動作捕捉單元通過拍攝標記點來記錄運動軌跡，實時記錄肢體運動過程[28]。實驗數據以三維坐標數據形式輸出給Excel表，數據處理軟件對測量數據進行分析，得到人類肢體的運動數據。其作用有：根據人體的運動數據，獲得運動狀態和運動頻率數據，聯系實際應用，設計出符合人體運動狀態的保護器[29-30];根據實驗數據分析，了解保護裝置與選用的防護材料之間的聯系，選用最佳的材料作為防護材料。

2.2.3 三維有限元分析方法

三維有限元分析法將計算機科學與力學相結合的應力分析方法，已成為當前國際計算力學分析和現代肌骨生物力學研究的主要手段。王冬梅等[31]通過三維有限元分析髖部、胸腰椎、橈骨遠端的生物力學和損傷機制及保護器的有效性，構建加載護具關節部有限元模型，采用有限元方法分析仿真人體相關關節部位著地的生物力學特征，驗證保護器防護各關節部位骨折的有效性。

三維有限元分析方法作為一種生物力學的研究方法，屬于仿真性分析，人為進行的假定和設想是推算與預想出來的，預想的結果與實際情況必定存在一定的偏差。

3 髖關節保護服裝設計和發展趨勢

盡管髖關節保護器在減少摔倒骨折風險是有效的，但依從率仍較低，會使髖關節保護器的保護效果存在許多爭議，T.Koike等[32]在髖關節保護器功效的集群隨機對照實驗中發現其保護效果是受到穿著者的經歷和條件影響的，Hui-Chi Huang等[12]發現老年人穿著髖關節保護產品低依從性的原因有：1）不習慣使用;2）不舒適;3）只在白天穿著;4）缺少家庭看護人員的幫助。造成這些結果原因是目前髖關節保護產品的開發研究更多關注了產品本身，忽視了產品開發過程中的一些問題。

3.1 髖關節保護產品設計

基于以上對髖關節保護產品和抗沖擊力研究方法，結合功能服裝的設計和評價方法，本文提出“以用戶為中心”的概念模式，髖關節保護服裝的設計模式如圖2所示。

1）堅持以用戶為中心的設計原則，結合使用者的需求特點、使用場景、活動模式等，挖掘用戶需求。

2）結合防護功能和效果分析，選取優選材料，立足人體功效學設計方法，結合目標客戶的審美需求，提出設計方案，開發產品模型。

3）針對產品模型進行測試，結合醫學相關主觀評價方法，綜合評定產品防護性能，為產品改進提供參考依據。

3.2 髖關節保護服裝未來研究方向

現有防護產品的研究多基于防護材料的發展，防護材料與人和服裝的交互研究尚處于初級階段，相關研究理論尚未形成體系。

髖關節保護器首要問題是防護性能，現有的研究更側重生物力學研究，忽視用戶對于產品的美學需求、穿著舒適度、穿著意愿等研究，該類產品的防護效果較大程度依賴用戶對產品的信賴和穿著的主觀意愿，有效滿足用戶相關需求將促進提高產品依從性，從而真正發揮產品的防護作用。

目前髖關節保護器多是防護材料和服裝款式或紡織品的結合物，結合新型抗沖擊材料，探討分析突破傳統設計制作方式的產品將是該類產品未來的方向，同時也對產品性能評價研究提出了更高的挑戰。當前髖關節保護器的評價研究更側重于抗沖擊性能測試，應考慮到老年人群體的生理和心理變化，以及主觀的試穿評價也是不容忽視的。

盡管穿戴髖關節保護器可以有效地降低老年人髖部骨折概率，依從性仍是首要面臨的問題。依從性低的原因歸結為穿著不舒適、不合身、外觀不好看、穿著費時費力。

4 結 語

髖關節保護器防護性能的測試與分析一直是老年人健康監護的研究熱點，國內外對于髖關節抗沖擊保護理論研究和相關產品實踐應用初步形成，理論研究主要集中在生物力學方面，產品研發實踐缺少理論支撐。針對功能性保護產品設計流程分析，包括問題闡述、用戶需求分析、設計要素建立、設計方案形成、產品模型制作、評價分析、設計改進等仍缺少系統分析和參考案例。設計過程中的需求分析、產品使用評價直接影響用戶的穿著意愿，有效提高防護產品穿著依從性是改善該類產品應用前景和防護效果的關鍵因素，功能防護產品開發應遵循以用戶為中心的設計原則，綜合考慮產品的使用場景、用戶的生活模式等，設計開發合理、有效的產品。

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