褲子彈性及運動速度對人體膝關節角的影響

張飚雪　劉成霞

摘要： 為研究褲子彈性及運動速度對膝關節角的影響，文章選取身材相近的5名受試者和3條褲子，利用三維動作捕捉儀獲取受試者在3種運動速度下的膝關節角。結果表明：褲子彈性對人體膝關節角有顯著影響，正常行走和慢跑時，穿彈力褲時的膝關節角比穿寬松褲在騰空期可減小7.87°;運動速度對支撐期和后騰空期的膝關節角有較大影響，即對于寬松褲，速度越大，膝關節角越小;褲子彈性及運動速度對平均單步周期都有顯著影響，即在運動速度相同、且較高時，彈力褲的平均單步周期明顯小于寬松褲。研究表明：穿彈性褲子對膝關節具有明顯的保護作用，建議在運動時盡量穿彈力緊身服。

關鍵詞： 褲子彈性;運動速度;膝關節角;三維動作捕捉;顯著性檢驗

中圖分類號： TS941.17文獻標志碼： A 文章編號： 10017003（2020）12006806

引用頁碼： 121111 DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2020.12.011（篇序）

Effect of pants elastic & motion speed on human angle of knee joint

ZHANG Biaoxue1， LIU Chengxia2

（1.Yuanpei College， Shaoxing University， Shaoxing 312000， China; 2.School of Fashion Design & Engineering，Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： In order to investigate the effect of pants elasticity and movement speed on angle of knee joint， 5 subjects with similar stature and 3 pants were chosen. The 3D motion capture instrument was employed to obtain the angle of knee joint（AKJ） when the 5 subjects were wearing the pants at different movement speeds. Results showed that pants elasticity had significant influence on human AKJ. When walking and jogging， AKJ in the suspension period of elastic pants can be reduced by 7.87°compared with that of slacks. The movement speed had significant influence on AKJ at supporting period and post-suspension period. For slacks， the higher the speed was， the smaller the AKJ would be. Besides， both pants elasticity and movement speed had significant influence on the average single step cycle. If the speed was the same and high， the average single step cycle of elastic pants was lower obviously than that of slacks. Since wearing elastic pants can have obvious protective function on human knee， it is advisable that elastic tight garment should be worn during exercise.

Key words： pants elasticity; movement speed; angle of knee joint; 3D motion capture; significance test

膝關節是人體最精妙、結構最復雜的關節，人體常見的運動損傷也大多來自膝關節。作為人們日常健身主要方式的散步和慢跑，也對膝關節有不同程度的磨損和傷害。膝關節的運動常用膝關節角表示，以往對關節角度的測量多采用身體靈活性ROM評價，該評價用角度計進行測量，操作繁瑣，準確度低[1]，且測量膝關節的活動度過程龐雜、靈活多變[2]。三維動作捕捉技術的發展，使膝關節的測量比以前更便捷[3]。基于三維動作捕捉儀，高智英[4]研究了跑步運動中的護膝緊度對膝關節防護效果的影響，劉青青等[5-6]探討了籃球運動中膝關節的防護性，姚瑞祥等[7]研究了行走和慢跑狀態下護膝的防護效果。由于在跑步運動中，傳遞到膝關節的質量可以接近運動者體重的10倍[8]，因此上述研究皆圍繞如何利用護膝保護膝關節展開。

綜上，雖然有一些關于膝關節的研究，但基本都是關于護膝對膝關節的保護作用，而普通人在平時走路、飯后散步或慢跑時，很少有戴護膝的習慣，而且將護膝作為日常服飾多少有失美觀，因此從日常著裝的角度研究穿衣方式以達到保護膝蓋的作用更具實際意義。由于在飯后散步或慢跑時，人們通常喜歡換上寬松舒適的或彈性好的、便于運動的服裝。因此，本文以寬松褲和彈力褲這兩種日常運動中最為常見的下裝作為研究對象，利用三維動作捕捉儀研究穿著不同褲子時膝關節角的差異，以期為運動服裝的設計及日常運動時的著裝提供一定的指導。

綜上，褲子彈性對膝關節角有較大影響，彈力褲對正常行走和慢跑時，騰空期膝關節角具有明顯的提高作用，即提高幅度≥7.87°（以提高效果較弱的彈力褲為準），對支撐期的膝關節角影響小于騰空期。分析其原因為：處于支撐期時，腿部受到地面較大的支持力，在一定程度上削弱了褲子彈性對腿的包覆力;而處于騰空期時，腿部完全懸空，此時褲子彈性對腿的束縛力更明顯，減小了膝關節角的運動幅度，即對關節起到了保護作用。

2.2 運動速度對膝關節角的影響

以一個步態周期為例，同一褲子在不同運動速度（4、6、8 km/h）下的膝關節角如圖4所示。由圖4可知，3條褲子在4、6、8 km/h的速度下，膝關節角曲線呈現的共同規律是：速度對前騰空期的影響較小，對支撐期和后騰空期影響較大。

圖4（a）表明，隨運動速度的增加，步態周期明顯縮短，4 km/h時一個周期約96幀，6 km/h時約78幀，8 km/h時約64幀。隨運動速度的增加，曲線出現凹陷，且速度越大，凹陷越明顯。圖4（a）顯示，在前騰空期的開始階段（0幀左右）、支撐期（20幀左右）和之后的后騰空期，膝關節角從大到小依次是4、6、8 km/h。也就是說隨著運動速度的增加，前、后騰空期和支撐期的膝關節角整體變小（如圖1所示慢跑的膝關節角小于行走），表明穿寬松褲時，速度越高膝關節屈曲運動幅度更大，即越容易對膝關節造成損傷。

圖4（b）（c）顯示的規律與圖4（a）基本一致：隨著速度的增加，膝關節角曲線出現凹陷及步態周期逐漸縮短，不同之處在于6 km/h時的凹陷已經非常明顯，此外6 km/h時的前、后騰空期最小值在3個速度中最小。換句話說，穿緊身褲運動時，膝關節角隨運動速度的增加先減小后增加，即在快速運動時，緊身褲對膝關節的保護作用異常明顯。都以0幀處為例，圖4（a）中寬松褲在4 km/h時最大，稍高于100°，而圖4（b）（c）的緊身褲最小膝關節角也大于100°，保護作用顯而易見。

綜上，褲子不同，速度對其膝關節角的影響也不同。對于寬松褲，速度越大，騰空期和支撐期的膝關節角越小，即穿寬松褲快速運動時更容易對膝關節造成損傷;而穿彈力褲時，隨速度的增加膝關節角先減小再增大，即快速運動時緊身褲對膝關節的保護作用異常明顯。

為進一步量化彈力褲與寬松褲在不同運動速度時的膝關節角差異本文，本文求出3條褲子在每個步態周期時膝關節角的最大與最小值，并求出最大平均值、最小平均值，簡稱最大膝關節角、最小膝關節角，結果如圖5所示。

由圖5可以看出，3個最小值處2條彈力褲的膝關節角均大于1#寬松褲，尤其對于4 km/h和6 km/h的速度，彈力褲大幅提升了最小膝關節角。同時，在3個最大值處有2處彈力褲的膝關節角小于寬松褲，但減小幅度不如提升最小膝關節角的幅度?？傊?，在3個速度下彈力褲能有效降低膝關節的運動幅度，起到良好的膝關節保護作用，尤其在正常行走（4 km/h）和慢跑時（6 km/h），保護作用更明顯。具體來說，對于4 km/h的速度，1#、2#和3#的膝關節運動幅度分別為66°、56°、45°;對于6 km/h，分別為64°、53°、54°;對于8 km/h，分別為64°、52°、44°。由此可見，在3個速度下穿彈力褲的膝關節運動幅度均小于寬松褲，因此在正常行走、快速行走及慢跑（分別對應4、6、8 km/h）時，為避免膝關節損傷，穿彈力褲非常有必要。

圖5還顯示，穿寬松褲時，隨速度的增加最大與最小膝關節角都在降低，這與圖1慢跑時的前、后騰空期與支撐期的膝關節角均小于行走時角度的結果完全一致。4 km/h到8 km/h的增加過程中，每增加2 km/h，最大和最小膝關節角約降低6°～9°。對于彈力褲，最小膝關節角出現在6 km/h;最大膝關節角出現在4 km/h，而6 km/h與8 km/h時基本一樣。也就是如前所述，穿寬松褲時速度越快越容易損傷膝關節，而穿彈力褲則可以改變這一規律，在快速運動時對膝關節起保護作用。

2.3 顯著性檢驗

為進一步從統計學的角度，驗證褲子及運動速度對膝關節角的影響是否具有顯著性，進行單因素方差分析，結果如表2和表3所示。

由表2可知，褲子彈性對3個運動速度下的最大與最小膝關節角都具有顯著影響（顯著性一欄的數值均小于0.05），組內一欄顯示6 km/h速度時1#和2#的最小膝關節角差異不顯著，8 km/h速度下1#和2#的最大膝關節角差異不顯著，除此之外其余組內3條褲子兩兩間的膝關節角差異顯著。這一結果與圖5顯示的結果完全一致（圖5中6 km/h時1#和2#的最小膝關節角及8 km/h時1#和2#的最大膝關節角非常接近）。

由表3可知，運動速度對3條褲子的最大與最小膝關節角都具有顯著影響（其顯著性一欄的數值均小于0.05），組內一欄顯示2#與3#褲子在6 km/h與8 km/h時的最大膝關節角不顯著，除此其余3種速度兩兩間的膝關節角差異顯著。這一結果也與圖5顯示的結果完全一致（2#與3#褲子在6 km/h與8 km/h時的最大膝關節角極為相近，幾乎重疊）。

為進一步研究褲子彈性與運動速度是否對平均單步周期（以幀為單位）有顯著影響，分別進行單因素方差分析，結果如表4和表5所示。

表4表明，褲子彈性（顯著性一欄的數值均小于0.05）對3種速度下的平均單步周期都具有顯著影響。組內一欄顯示4 km/h時1#與2#褲子及6 km/h時的2#與3#褲子的平均單步周期不顯著，除此其余3條褲子兩兩間的平均單步周期差異顯著。具體來說，在4 km/h的速度下，1#、2#和3#的平均單步周期（以幀為單位）依次為92、92、80;6 km/h速度下的平均單步周期依次為75、67.2、67.4;8 km/h下的周期依次為63.7、57.2、50.1。由顯著性分析結果及具體周期數值可知：隨速度的增加，3條褲子的單步周期差異越明顯，且彈力褲的周期小于寬松褲，即在同樣的運動速度下，穿彈力褲比寬松褲的邁步頻率高（邁一步需要的時間越短，即邁步頻率越高），尤其是在較高速度時。這是因為彈力褲對腿部有束縛作用，在一定程度上會限制走路速度，為了達到與寬松褲相同的速度，需要增加邁步頻率。

從表5可以看出，運動速度對3條褲子的平均單步周期都具有顯著影響，且每條褲子兩兩速度之間的平均單步周期差異顯著。具體來說，1#褲子在從低到高3種速度下的平均單步周期分別為92、75、63.7;2#分別為92、67.2、57.1;3#分別為80、67.4、57.1（單位幀）。由顯著性分析結果及具體周期數值可知：無論是寬松褲還是彈力褲，隨著運動速度的增加，邁一步需要的時間逐漸減小，即邁步頻率逐漸提高。

3 結 論

為定量并客觀地研究在人體運動時，褲子彈性及運動速度對人體膝關節角的影響，本文選取了5名身材相近的受試者和3條彈性不同的褲子，利用三維動作捕捉儀獲取受試者在3種運動速度下的膝關節角，得到以下結論。

1）褲子彈性對膝關節角有顯著影響，尤其是對正常行走和慢跑的騰空期，能較大提高膝關節角（≥7.87°），對支撐期的膝關節角作用小于騰空期。

2）速度對支撐期和后騰空期的膝關節角有顯著影響，對于寬松褲，速度越大騰空期和支撐期的膝關節角越小，即穿寬松褲時運動速度越快越容易損傷膝關節。對于彈力褲，隨速度的增加膝關節角先減小再增大，即快速運動時緊身褲對膝關節的保護作用異常明顯。

3）褲子彈性及運動速度對平均單步周期都有顯著影響，在運動速度相同、且較高時，彈力褲的平均單步周期明顯小于寬松褲，即穿彈力褲比寬松褲的邁步頻率高。無論彈力褲還是寬松褲，運動速度越大，邁步頻率越高。

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收稿日期： 20200608; 修回日期： 20201113

作者簡介： 張飚雪（1975），女，講師，主要從事服裝設計的研究。