運動康復坐姿的生物力學仿真分析

于沖，于娜， 王寓棟， 張連勝， 王蓓蓓

(1.南京林業大學家居與工業設計學院，南京 210037；2.南京醫科大學附屬明基醫院康復醫學科，南京 210019)

1 引言

運動康復是一種應用非常廣泛且重要的康復方法(圖1)，而在實際康復過程中，運動康復的舒適度則與坐姿密切相關。不良的坐姿會影響訓練者的體驗，甚至會干擾訓練者的情緒，以至對康復的效果產生負面影響[1]。調查顯示，多數患者對康復運動時的舒適度并不滿意，他們認為在康復運動過程中自己的部分健康部位(腕部、肘部、肩部等等)有疲憊感，希望能在患肢健康鍛煉的同時，減輕健肢的勞累程度。

本文的研究目的是測算出康復運動時最佳的姿勢，該姿勢合乎運動過程中的人體工程學，使患者能以最省力、舒適的狀態完成康復運動[2-3]。通過對康復運動過程中舒適度、疲勞程度的評價分析，得出影響康復運動的重要因素。同時，本實驗測算出的舒適姿勢可為康復坐具的設計提供建議[4-5]。

2 對象與方法

2.1 對象

本研究的對象為南京市某醫院康復科的8位肢體障礙患者。研究對象皆為右利手且狀態為當前狀態為偏癱(半側癱瘓)，無全癱或截癱患者，可獨立完成部分日常活動。由于研究對象身體狀態的特殊性，不能依序完成流程中不同角度的動作，因此選擇將研究對象的身體數據輸入仿真軟件代替[6-7]。表1為實驗對象的信息統計，表2為實驗對象的詳細身體數據與康復狀態。

表2 研究對象生理數據

2.2 方法

本研究使用美國密歇根大學人體工程學實驗室獨立研發的3DSSPP人體仿真軟件，可以將研究對象的身高、體重等數據輸入軟件后模擬患者進行康復運動的過程[8]。該軟件以人在作業中的靜態、動態力學為基礎，對人體不同的作業姿勢進行分析和評價。此外，它以美國NOISH(美國國家職業安全衛生研究所)提出的一系列標準作為參考，可以有效地分析靜態姿勢和運動姿勢，并用來評價該研究中心工人作業時的生理需要。3DSSPP的使用可以將人體工程學量化，并對人進行作業時的不同姿勢進行評價，為人的作業方式提供建議。本文采用的3DSSPP軟件和美國NOISH系列標準主要目的是對人進行作業時規定的不同姿勢進行評價，在確認實驗對象詳細身體數據及康復狀態的情況下，除了評價正常人工作時的身體受力和疲勞程度，其結果對肢體障礙患者進行運動康復作業時的運動姿勢評價同樣具有參考意義。

本研究模擬患者進行運動康復時的軟件界面如圖2所示。軟件的五個界面分別為：俯視圖；前視圖；側視圖；立體圖和數據分析，通過這種方式可以清晰明了地對患者的各項身體數據做出分析評價，得出研究結果。

圖2 3DSSPP人體仿真軟件界面

3 實驗設計

3.1 研究變量

研究變量為進行康復運動時的三種坐姿：端坐、前傾、后躺。端坐即患者挺直軀干，盡量以標準坐姿進行康復運動；前傾即患者將重心前移，以運動姿態進行康復運動，該姿勢在健身房中較為常見；后躺即患者以半躺的姿勢進行康復運動。以D0、D15、D30、D-15、D-30、D0代表各坐姿。其中，D0為端坐狀態；D15為前傾15°坐姿；D30為前傾30°坐姿；D-15為后躺15°坐姿；D-30為后躺30°坐姿。研究變量共5組，如表3所示：

表3 研究變量

3.2 仿真結果評定標準

本研究針對腕部、肘部、肩部、軀干、臀部、膝部、腳裸七個部位以百分位的形式進行疲勞程度評定，數值的大小可以反映該部位的疲勞程度和承受能力。數值越大，意味著該部位當前可負荷的壓力大，舒適性較好；數值越小則意味著該部位可負荷的壓力較小，代表該部位已經處于疲勞狀態。如圖3所示，綠色為舒適范圍，黃色為疲憊范圍，紅色則為危險范圍[9]。

圖3 仿真結果評定

4 結果

在3DSSPP中對研究對象的腰部進行受力分析，如圖4所示。根據NOISH(美國國家職業安全衛生研究所)提出的理論，L4/S5腰椎間盤可以承受的最大壓力為3400N[10]。該數值是腰部壓力的臨界值，超過該值的運動可能導致腰部受傷[11]。也就是說，腰椎受力分析中顯示的數值越小，腰椎間盤壓力越小，腰部的舒適度越高[12]。

圖4 腰椎受力分析

以研究對象A的康復運動為例，仿真分析結果的輸出如表4所示。

表4 研究對象A的康復運動仿真分析結果

8位研究對象腕部、肘部、軀干、腳裸四個部位的承受能力百分位隨坐姿變化的折線圖如圖5-8所示。根據圖可知：①腕部、肘部、軀干、腳裸的疲勞程度受坐姿影響較小；②不管坐姿如何變化，腕部、肘部、軀干、腳裸承受能力的百分位都很高。其中，腕部承受能力的百分位始終維持在94以上；肘部、軀干、腳裸承受能力的百分位維持在98以上。

圖5 腕部承受能力百分位

圖6 肘部承受能力百分位

圖7 軀干承受能力百分位

圖8 腳裸承受能力百分位

8位研究對象臀部、膝部承受能力的百分位以及腰椎間盤壓力隨坐姿變化的折線圖如圖9-11所示。根據下圖可知：①臀部、膝部的疲勞程度以及腰椎間盤壓力受坐姿影響較大；②不合理的康復運動坐姿可能導致膝部疲勞。

圖9 臀部承受能力百分位

圖10 膝部承受能力百分位

圖11 腰椎間盤壓力隨坐姿變化圖

5 討論

本研究利用人體仿真軟件，模擬了患者使用不同坐姿進行康復運動的過程。分別將研究對象的生理數據輸入軟件，模擬仿真在D0、D15、D30、D15、D30坐姿下的運動康復狀態，輸出數據結果經過分析獲取最佳的康復運動姿勢。通過仿真結果分析，受試者在不同坐姿下進行康復運動時身體疲勞程度不同，但不同坐姿對不同體型(BMI)和性別的影響基本相同，即在D30的坐姿下，受試者身體各部位承受能力的總值最大，疲勞程度最低，康復鍛煉的舒適度最佳。另外，不同坐姿對受試者的身體部位產生的影響不同。首先，在五種坐姿下，腕部、肘部、軀干、腳裸的承受能力百分位都很高，其疲勞程度受坐姿的影響較小；其次，臀部、膝部的承受能力百分位和腰椎間盤壓力變化較大，其疲勞程度受坐姿的影響較大，且前傾的坐姿會加重膝部的疲勞程度。這些量化的結果能夠為提高患者在進行康復運動時的舒適度提供一定的參考價值。本研究也存在一定的局限性，僅在規定的運動康復模式和坐姿下的人體部位的疲勞程度進行了研究，而在實際運動康復過程中，比如腳踏蹬車運動康復的模式下，身體其他部位如足部有反作用力施加于腳踝、膝蓋和臀部等主要位置，也會增加負荷量。因此，在肢體障礙治療的過程中，所需要的不僅是單一運動康復模式，未來需要的工作，也要考慮不同模式的融合、考慮患者的康復體驗。

我國康復相關專業的發展時間相對較晚，運動康復器材的操作性能和體驗感有待進一步提升。本研究通過探究康復運動時的最佳姿勢，幫助優化肢體障礙患者在進行康復運動中的舒適度體驗，從而提升鍛煉效果[13]。

6 結論

本文利用人體仿真軟件3DSSPP，對人體在不同坐姿角度下進行康復運動的過程進行了仿真分析，結果如下： ①合理的坐姿可以明顯改善康復運動的疲勞程度，不合理的坐姿則容易導致部分關節疲勞；②在本研究提供的5種坐姿(端坐、前傾15°、前傾30°、后躺15°、后躺30°)中，后躺30°是進行康復運動最舒適的姿勢，對不同身材、性別的研究對象皆適用；③疲勞程度受坐姿影響較大的部位有臀部、膝部、腰椎間盤壓力；而人體上肢各關節受坐姿的影響較小。本研究的實驗結果，可以幫助訓練者更加舒適、規范地進行康復運動，同時也為今后康復坐具的相關設計提供一定的參考價值。