膝關節角度變化對壓力梯度分布和皮膚形變的影響

方琦，孫光武，陳郁

(上海工程技術大學 紡織服裝學院，上海 201600)

壓力襪作為預防和治療下肢靜脈類疾病的主要醫療產品，越來越受到人們的重視，通過自下而上建立由大到小的軸向壓力梯度分布能加快下肢靜脈血液的回流速度，防止靜脈血的淤滯和積聚，達到治療靜脈曲張、下肢血栓等疾病的目的[1-3]。顯然，合理的壓力梯度分布是影響壓力襪治療效果的關鍵因素。

壓力襪在機械性能測試[4]、織造工藝[5]、主觀評價[6]、治療效果[7]等方面的研究較多，其中壓力梯度分布研究主要從工藝參數設計以及腿部運動姿勢等方面展開。如孫玉釵等[8]在實驗中發現不同的腿部運動姿勢對壓力梯度分布影響較大，通過對壓力襪中襯墊紗送紗量的改進，使得壓力襪更符合人體的需求。宮魯蜀等[9]通過測量人體腿部靜、動態條件下的壓力梯度分布，得出兩者分布存在相對誤差，但沒有對該誤差進行具體的定量分析。 LIU R[10]通過實驗證明壓力襪產生的壓力梯度分布會隨著腿部姿勢的改變而變化，膝關節角度的變化對腿部壓力梯度分布有顯著影響。

目前，關于膝關節角度變化對壓力梯度分布影響的研究以單一角度為主，而人體在運動過程中膝關節會發生多角度的變化，同時會造成皮膚形變。因此，將站立、平躺姿勢的抬腿動作進行分解，并測量站立和平躺姿勢下不同膝關節角度的壓力分布和皮膚形變量，分析穿著壓力襪時膝關節角度變化對壓力梯度分布及腿部皮膚形變的變化規律。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

1.1.1材料 3種不同壓力級別(Ⅰ級：15～21 mmHg；Ⅱ級：23～32 mmHg；Ⅲ級：34～46 mmHg)的長筒壓力襪，材質為氨綸、錦綸混紡，其中Ⅰ級、Ⅱ級壓力襪中氨綸、錦綸質量分數分別為28%，72%，Ⅲ級壓力襪中氨綸、錦綸質量分數分別為36%，64%，均購自浙江義烏“中三院”。

1.1.2儀器 Novel Pliance-X-32服裝壓力測量系統，德國Novel公司制造；FlexiForce柔性薄膜傳感器[11]，中國臺灣麥思科技有限公司制造；YG(B)141D數字化織物厚度儀，浙江溫州際高檢測儀器有限公司制造。

1.2 測量點選取

圖1 腿部橫向測量圍度及測量點示意Fig.1 Transverse measurement girth and measuring points of legs flexible sensor

1.3 實驗對象

以健康的青年女性作為實驗對象，選擇1名體型均勻且腿型正常的25周歲女性(身高164.6 cm，體質量48.4 kg)作為實驗對象，其體型特征見表1。

表1 實驗對象的腿部原有尺寸數據

1.4 實驗動作

根據調查結果顯示，人體長期處于站立或平躺狀態，容易引發下肢靜脈疾病[12]。因此，實驗在測量腿部壓力和皮膚形變量時，分別選取站立和平躺姿勢下的4個膝關節角度(90°，120°，150°，180°)進行測量，具體如圖2所示。

圖2 站立、平躺姿勢下的膝關節角度示意Fig.2 Knee joint angle in standing and lying flat position

1.5 數據采集

1.5.1壓力的數據采集 壓力測量前需通過角度計測量并調整好膝關節角度，并讓受試者保持相應的實驗動作；其次將FlexiForce柔性傳感器固定在受試者腿部相應的測量部位；最后待傳感器獲取穩定的壓力數據后，利用Labview處理數據軟件獲得受試者各測量截面上的前、后、內、外4個測量點[3]的平均壓力值。實驗動作開始之前要確保受試者有30 min的恢復時間，避免前實驗時身體過度緊繃對后實驗造成影響。

1.5.2皮膚形變的數據采集 壓力襪厚度根據GB/T 3820—1997測量方法，采用YG(B)141D數字式織物厚度儀測量壓力襪多部位厚度并取平均值。通過皮尺測量穿著壓力襪的腿部圍度L，根據等效周長計算公式獲得腿部等效周長L1，計算腿部原有周長與L1的差即為皮膚形變量LD。在測量L前，受試者通過角度計調整膝關節角度并保持調整后的動作2 min，確保皮膚形變趨于穩定狀態。

2 結果與分析

2.1 膝關節角度變化對壓力梯度分布的影響

利用SPSS軟件中的單因素方差分析(ANOVA)對壓力數據進行統計分析，得出站立、平躺姿勢下膝關節角度變化對壓力梯度分布影響顯著(P<0.01)，具體見表2。

表2 膝關節角度變化對平均壓力分布的影響

Ⅲ級壓力襪在不同姿勢下的壓力分布數據[5]如圖3所示，分析穿著Ⅲ級壓力襪站立、平躺姿勢下的膝關節角度變化對截面B產生的壓力數據，發現站立時截面B的平均壓力值為2.74 kPa、極差為1.16 kPa，而平躺時的平均壓力值為2.01 kPa、極差為0.42 kPa，可以看出膝關節角度變化對站立姿勢的壓力分布影響更為顯著。根據拉普拉斯方程(P=T/r，式中P是壓強，r是表面的半徑，T是張力)可知，截面E壓力隨著膝關節角度的減小而增大，造成截面E的壓力大于截面D。平躺時截面G除壓力襪的外加壓力，還受到自身重力的作用，約為0.11～0.14 kPa，但對平均壓力值的影響較小。

圖3 Ⅲ級壓力襪在不同姿勢下的壓力分布數據Fig.3 Pressure distribution data of grade III pressure socks under different postures

將站立、平躺姿勢下測量壓力的分布結果與YY/T 0853—2011比較，如圖4所示，發現膝關節呈180°時兩者的壓力梯度分布均符合標準，膝關節呈150°時只有站立姿勢的壓力梯度分布符合標準，其余角度均不符合標準。

將Ⅰ級、Ⅱ級壓力襪的壓力分布與Ⅲ級壓力襪比較，發現3組形變量變化趨勢相似。比較截面B處的3組平均壓力值發現，站立和平躺姿勢下Ⅱ級與Ⅰ級的平均壓力差分別為0.28，0.19 kPa，Ⅲ級與Ⅱ級的平均壓力差分別為1.39，0.92 kPa。結果表明：膝關節角度變化對壓力梯度分布影響隨著壓力襪壓力級別的增加而增大；膝關節角度變化對站立姿勢的壓力梯度分布影響大于平躺姿勢的壓力梯度分布。

2.2 膝關節角度變化對皮膚形變的影響

同樣通過SPSS軟件中的單因素方差分析(ANOVA)對皮膚形變量進行統計分析，結果表明膝關節角度變化對皮膚形變影響顯著(P<0.01)，具體結果見表3。

Ⅲ級壓力襪在不同姿勢下的皮膚形變量如圖5所示。分析穿著Ⅲ級壓力襪在站立、平躺姿勢下膝關節角度變化對皮膚形變量的影響發現，皮膚形變量由下至上總體呈遞增趨勢。由于截面E的骨骼結構較多，導致平躺和站立時的平均皮膚形變量較小，分別為0.5，0.7 cm。小腿和大腿區域含有更多的肌肉和皮下脂肪組織，截面D，G分別是小腿和大腿部分的形變最大區域，平躺時截面D的平均形變量比站立時大0.1 cm，平躺時截面G的平均形變量比站立時大1.4 cm。

穿著Ⅰ級、Ⅱ級壓力襪時不同姿勢下的皮膚形變量[11]如圖6所示。將Ⅰ級、Ⅱ級壓力襪條件下的皮膚形變量與Ⅲ級壓力襪進行比較發現，3組壓力襪形變量的變化規律相似。截面G在Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級壓力襪條件下，站立時的平均皮膚形變量分別為1.4，1.7，2 cm，平躺時的平均形變量分別為2.9，3.1，3.4 cm。結果表明：膝關節角度變化對平躺姿勢的皮膚形變影響大于站立姿勢，并且對皮膚形變的影響隨著壓力襪壓力級別的增加而增大。

圖4 Ⅰ級、Ⅱ級壓力襪在不同姿勢下的壓力數據Fig.4 Pressure data of grade I and II pressure socks under different postures

表3 膝關節角度變化對皮膚形變的影響

圖5 穿著Ⅲ級壓力襪時不同姿勢下的皮膚形變量Fig.5 Skin shape variation of grade III pressure socks in different postures

圖6 穿著Ⅰ級、Ⅱ級壓力襪時不同姿勢下的皮膚形變量Fig.6 Skin shape variation of grade I and II pressure socks under different postures

2.3 壓力分布對皮膚形變的影響

除了膝關節角度變化造成皮膚形變外，壓力襪的外加壓力也會造成皮膚形變。通過SPSS線性歸回分析得出壓力襪在某一截面處的平均壓力值(x)與平均形變量(y)的函數關系，例如穿著Ⅲ級壓力襪在截面G處站立、平躺姿勢下兩者的函數關系分別為

y1=0.09x1+2.12,R2=0.01；

y2=0.0x2+2.72,R2=0.75。

通過分析兩組線性函數發現，不施加外加壓力時站立、平躺姿勢下的平均形變量分別為2.12，2.72 cm，且平躺姿勢下的函數斜率大于站立姿勢，說明平均壓力值對平躺姿勢形變量的影響大于站立姿勢的影響。

3 結語

通過分析站立、平躺姿勢下的膝關節各角度對壓力梯度分布和皮膚形變規律的影響，得出以下結論：

1) 穿著壓力襪過程中應避免膝關節長時間處于彎曲狀態，否則容易造成腿部遠端靜脈淤滯。

2) 膝關節角度變化對截面E前后側的壓力分布有顯著影響，在膝蓋彎曲時產生高壓對壓力梯度分布產生影響。站立姿勢下膝關節呈150°，180°，均符合YY/T 0853—2011的壓力梯度分布標準，而平躺姿勢下只有膝關節呈180°時符合此標準。

3) 腿部皮膚形變量與外加壓力、不同姿勢的膝關節角度變化都相關，膝關節角度變化引起的形變量大于壓力造成的形變量。相同外加壓力下，平躺姿勢下膝關節各角度變化的皮膚形變量均大于站立姿勢。