梯度壓力襪在跑步運(yùn)動(dòng)中的壓力分布

魯 虹，宋佳怡，李檉安

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051)

梯度壓力襪作為一種緊身運(yùn)動(dòng)服裝，是跑步運(yùn)動(dòng)中常見(jiàn)的輔助裝備。其采用由下至上遞減的梯度壓力分布給小腿肌肉提供支撐，同時(shí)促進(jìn)下肢血液循環(huán)，從而達(dá)到提高肢體穩(wěn)定性，延緩肌肉疲勞的效果。目前相關(guān)研究一方面聚焦于原材料、組織結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)等因素與壓力襪壓力分布的關(guān)系，另一方面多為研究肢體形態(tài)和人體運(yùn)動(dòng)對(duì)壓力分布的影響。在研究運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，一般將連續(xù)動(dòng)作分解成多個(gè)固定姿勢(shì)，以固定姿勢(shì)下受試者特定部位的服裝壓表征運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)壓力，但固定姿勢(shì)下與連續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的服裝壓具有一定的差異性，不足以代表運(yùn)動(dòng)中小腿肌肉所受壓力。壓力襪早期作為醫(yī)學(xué)治療的輔助用具，如今作為日常較普及的緊身運(yùn)動(dòng)裝備，對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的技能恢復(fù)起到積極作用，但梯度壓力襪在運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)際應(yīng)用方面的研究仍存在欠缺，且靜態(tài)壓力不足以代表運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中小腿肌肉所受服裝壓力。

本文自行搭建動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量人體穿著不同梯度壓力襪時(shí)，小腿各部位的動(dòng)態(tài)壓力，對(duì)比動(dòng)、靜態(tài)壓力分布，分析動(dòng)靜態(tài)壓力差異較大的部位并探討其原因，為梯度壓力分布設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

中國(guó)人正常的身體質(zhì)量指數(shù)(BMI)為18.5～23.9，本文研究選擇BMI指數(shù)為(21.5±2.5)、體重為(50±5) kg、年齡為(22±2)歲、小腿圍為(35±2) cm、鞋碼(36～39)碼、有跑步習(xí)慣的女大學(xué)生作為受試者。所有受試者均為身體健康，無(wú)關(guān)節(jié)、骨骼或韌帶受傷病史，且要求在實(shí)驗(yàn)前1周內(nèi)熟悉實(shí)驗(yàn)流程和實(shí)驗(yàn)方法，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前24 h避免進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)。初步選擇的9名受試者基礎(chǔ)情況如表1所示。為后續(xù)闡述方便，受試者編號(hào)依次為No.1～No.9。

表1 受試者基本情況一覽表Tab.1 Basic information of subjects

1.2 壓力襪樣本

實(shí)驗(yàn)樣本分為4組長(zhǎng)度及膝的中筒梯度壓力襪。參照標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 73031—2009《壓力襪》和YY/T 0853—2011《醫(yī)用靜脈曲張壓縮襪》，結(jié)合工廠實(shí)際生產(chǎn)情況，進(jìn)行4組梯度壓力襪打樣與梯度差設(shè)定，取標(biāo)準(zhǔn)中值壓力差的20%作為低壓壓力襪對(duì)照組，設(shè)計(jì)壓力值如表2所示。4組試樣分別是壓力梯度差為20%左右的低壓壓力襪1#(整體壓力較小的壓力襪，簡(jiǎn)稱(chēng)低壓壓力襪)、壓力梯度差為10%的高壓壓力襪2#、壓力梯度差為20%的高壓壓力襪3#和壓力梯度差為30%的高壓壓力襪4#(整體壓力較高的壓力襪，簡(jiǎn)稱(chēng)高壓壓力襪)。、′、分別指腳踝、小腿跟腱轉(zhuǎn)折處、小腿周長(zhǎng)最大處，壓力測(cè)量圍度示意圖圖1所示。各部位具體壓力差百分比如表2中(=′壓力壓力)、′(′=壓力壓力)所示。

圖1 壓力測(cè)量圍度示意圖Fig.1 Schematic diagram of pressure measurement circumference

表2 實(shí)驗(yàn)樣本各部位壓力值設(shè)計(jì)及百分比Tab.2 The expected pressure value and percentage of each part of the sample

實(shí)驗(yàn)用壓力襪紗線主要成分為氨綸/錦綸/滌綸；襪口和襪頭采用雙層平針組織(實(shí)驗(yàn)用壓力襪襪頭偏大，可容納不同大小的腳)；襪身部分采用平針襯墊組織，提供壓力的同時(shí)保持其透氣性；腳后跟采用緯平針組織。具體細(xì)部尺寸如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)壓力襪細(xì)部尺寸Tab.3 Detail dimensions of pressure hosiery cm

1.3 測(cè)量點(diǎn)確定

參考?jí)毫σm相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，考慮到動(dòng)靜態(tài)壓力的匹配性、測(cè)量便利性，選擇腳踝最細(xì)處、小腿跟腱轉(zhuǎn)折處、小腿周長(zhǎng)最大處3個(gè)橫截面的前、后、內(nèi)、外，共計(jì)12個(gè)點(diǎn)作為壓力測(cè)量點(diǎn)，標(biāo)號(hào)1～12，壓力測(cè)量點(diǎn)示意圖如圖2所示。

圖2 壓力測(cè)量點(diǎn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of pressure measuring point

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

動(dòng)靜態(tài)壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 動(dòng)靜態(tài)壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)流程Fig.3 Dynamic and static pressure measurement experiment flow

選用AMI3037-10氣囊式接觸壓力測(cè)量?jī)x(日本American Megatrends Inc公司)，測(cè)量站立狀態(tài)下受試者穿著4組梯度壓力襪時(shí)小腿各部位的靜態(tài)壓力。氣囊直徑為20 mm，測(cè)量精度達(dá)到(±0.2～±0.45) kPa。

靜態(tài)壓力測(cè)量在站立狀態(tài)下進(jìn)行，要求受試者軀干挺直，兩肩平齊，兩臂自然下垂，兩腳跟并攏，兩腳尖張開(kāi)60°，腿部自然放松，身體重心落于兩腿正中，維持站姿動(dòng)作，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄數(shù)值，同一圍度的壓力測(cè)量需重復(fù)3次取平均值。

根據(jù)圖4所示進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)的硬件搭建與軟件設(shè)計(jì)。

圖4 動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.4 Design scheme of dynamic pressure measurement system

硬件：采用直徑為20 mm的柔性薄膜壓力傳感器，采集受試者在跑步運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)服裝壓力。通過(guò)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將壓力信號(hào)傳輸至電腦端SSCOM串口軟件，實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的讀取。壓力轉(zhuǎn)換模塊擁有4個(gè)傳感器接入端口，可同時(shí)測(cè)量4個(gè)位置的壓力值。模塊內(nèi)置電路屬于TTL(Transistor-Transistor Logic)集成電路，輸出信號(hào)無(wú)法直接被USB端口識(shí)別，通過(guò)TTL轉(zhuǎn)USB模塊后，在電腦端的串口軟件中可被識(shí)別和讀取，并將其轉(zhuǎn)換成模擬AD(Analog/Digital signals)值。圖5為傳感器與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的接線圖。

圖5 傳感器與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊接線圖Fig.5 Wiring diagram of sensor and signal conversion module

壓力信號(hào)讀取后，采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼與壓力傳感器提供標(biāo)準(zhǔn)壓力值，對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。隨機(jī)選取1名受試者，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)試，采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)是否有顯著性差異，用以驗(yàn)證動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為驗(yàn)證動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，采用AMI3037-10氣囊式接觸壓力測(cè)量?jī)x測(cè)量受試者穿著相同壓力襪時(shí)相同部位的靜態(tài)壓力。對(duì)2組壓力測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到2組儀器所測(cè)得的壓力值在0.01顯著性水平下高度相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.961)，因此動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性良好。

跑步是一種周期性活動(dòng)，穿著壓力襪運(yùn)動(dòng)時(shí)，下肢各部位所受壓力隨肌肉反復(fù)收縮變形產(chǎn)生周期性波動(dòng)。動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)只有3個(gè)通道，因此1～12需要按4條縱向測(cè)試線(前、后、內(nèi)側(cè)和外側(cè))分4次進(jìn)行。

連接好動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)，在小腿前的壓力測(cè)量點(diǎn)上用醫(yī)用膠帶固定好柔性壓力傳感器，開(kāi)始勻速跑步，待受試者穩(wěn)定后記錄1 min的壓力數(shù)值，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖6所示，完成后依次測(cè)量小腿后、小腿內(nèi)側(cè)和小腿外側(cè)的動(dòng)態(tài)壓力。

圖6 動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量過(guò)程圖Fig.6 Diagram of dynamic pressure measurement process

2 結(jié)果與分析

根據(jù)受試者測(cè)量處圍度標(biāo)準(zhǔn)差及方差可知，數(shù)據(jù)離散程度較小，證明所篩選出的受試者測(cè)量部位差異較小。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)肌肉分布與圍度設(shè)定進(jìn)行點(diǎn)定位，以最大程度避免測(cè)量偏差，減少實(shí)驗(yàn)誤差。但不同人體腿部骨骼、肌肉、脂肪以及皮下組織的變化必然會(huì)導(dǎo)致壓力襪壓力產(chǎn)生差異分布，分析受試者No.1～No.9穿著醫(yī)療襪時(shí)右腿部在腳踝處()、小腿跟腱轉(zhuǎn)變折(′)、小腿周長(zhǎng)最大處()3個(gè)圍度上的服裝壓力分布，No.2～No.7、No.9均表現(xiàn)出由下至上遞減的壓力梯度，No.9穿著1#、3#、4#壓力襪在站立狀態(tài)下不能表現(xiàn)明顯的壓力梯度，因此最終選擇符合設(shè)計(jì)壓力分布的No.2～No.7號(hào)受試者進(jìn)行后續(xù)分析。

2.1 靜態(tài)壓力分析

在站立狀態(tài)下，壓力襪在腳踝、小腿跟腱轉(zhuǎn)折處、周長(zhǎng)最大處的平均壓力均呈現(xiàn)由下至上遞減的梯度壓力，1#～4#縱向圍度的壓力百分比分別為1#：100%、82.8%、69.3%；2#：100%、94.6%、85.2%；3#：100%、88.7%、76.9%；4#：100%、72.2%、61%。不同壓力分布的壓力襪整體分布相似，各部位壓力百分比與設(shè)計(jì)值有一定差距，但整體梯度變化一致。

圖7示出縱向壓力分布，可以看出壓力襪在前側(cè)和外側(cè)均能呈現(xiàn)較為明顯的壓力梯度；小腿前側(cè)脛前肌突出，導(dǎo)致前側(cè)壓力均大于其他側(cè)面。腳踝凸點(diǎn)使得小腿內(nèi)側(cè)壓力最小值出現(xiàn)在腳踝上方。

圖7 縱向壓力分布Fig.7 Longitudinal pressure distribution

橫向壓力分布如圖8所示。從同一圍度上來(lái)看，腳踝部位(B)的壓力分布差異較大。1#～4#壓力襪在腳踝處的壓力差值分別為2.098、1.900、2.064、2.038 kPa，且均為腳踝后面壓力最大、內(nèi)側(cè)壓力最小，這是由于腳踝后方曲率較大以及腳踝上方的凹陷造成的。腳踝后的跟腱導(dǎo)致皮膚表面曲率半徑較小，因此所受壓力大于前、內(nèi)、外處的壓力。小腿跟腱轉(zhuǎn)折處(′)和小腿周長(zhǎng)最大處()，壓力分布均為前側(cè)的壓力最大，依次為前、內(nèi)、后、外。

圖8 橫向壓力分布Fig.8 Transverse pressure distribution

2.2 動(dòng)態(tài)壓力分析

對(duì)受試者1 min勻速跑步運(yùn)動(dòng)過(guò)程中測(cè)量的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，去除明顯錯(cuò)誤值和缺失值，截取第20～40 s的壓力數(shù)值，按照?qǐng)D2所示前、后、內(nèi)、外4條縱向壓力測(cè)試線(即1-5-9，2-6-10，3-7-11，4-8-12)，繪制壓力-時(shí)間圖(見(jiàn)圖9)，觀察縱向壓力測(cè)量點(diǎn)的壓力波動(dòng)情況。

如圖9所示，從整體波動(dòng)情況來(lái)看，跑步運(yùn)動(dòng)過(guò)程中梯度壓力襪施加給各壓力測(cè)量點(diǎn)的動(dòng)態(tài)壓力隨時(shí)間呈周期性波動(dòng)，這種周期性波動(dòng)是小腿肌肉的周期性活動(dòng)導(dǎo)致的。從動(dòng)態(tài)壓力波動(dòng)的大小和范圍來(lái)看，小腿前側(cè)(1、5)和腳踝后側(cè)(2)的動(dòng)態(tài)壓力均較大且波動(dòng)范圍大，甚至超出了FZ/T 73031—2009《壓力襪》所規(guī)定的壓力范圍，在梯度壓力襪的壓力分布設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)考慮減小這2處的壓力。從縱向壓力梯度來(lái)看，小腿后側(cè)(2、6、10)的壓力梯度十分明顯，小腿前(1、5、9)、內(nèi)側(cè)(3、7、11)和外側(cè)(4、8、12)均不符合壓力梯度。從小腿主要活動(dòng)肌肉來(lái)看，脛前肌位于小腿前側(cè)，受到了由下至上遞減的梯度壓力且壓力較大；內(nèi)外側(cè)腓腸肌(11、12)所受的壓力相對(duì)穩(wěn)定且較小。

圖9 動(dòng)態(tài)壓力波動(dòng)情況Fig.9 Dynamic pressure fluctuation

將1 min勻速跑步運(yùn)動(dòng)過(guò)程中測(cè)量的壓力數(shù)據(jù)去除明顯的錯(cuò)誤值后，分別計(jì)算穿著不同壓力襪時(shí)的壓力平均值。發(fā)現(xiàn)1#～4#壓力襪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中仍能保持由下至上的遞減的壓力梯度。其壓力梯度分別為1#：100%、78.8%、70.3%；2#：100%、89.2%、86.7%；3#：100%、76.0%、73.3%；4#：100%、70.0%、66.5%，從縱向圍度來(lái)看，各圍度的壓力占比均在YY/T 0853—2011《醫(yī)用靜脈曲張壓縮襪》所規(guī)定的壓力占比范圍內(nèi)。

平均動(dòng)態(tài)壓力縱向分布如圖10所示，小腿內(nèi)側(cè)，壓力最小的位置仍為腳踝最細(xì)處(3)，但運(yùn)動(dòng)過(guò)程中內(nèi)側(cè)腓腸肌的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致11處壓力增大，小腿內(nèi)側(cè)呈現(xiàn)從下至上遞增的壓力分布。橫向壓力分布趨勢(shì)與靜態(tài)保持一致。

圖10 平均動(dòng)態(tài)壓力縱向分布Fig.10 Longitudinal distribution of mean dynamic pressure

對(duì)穿著不同壓力襪跑步運(yùn)動(dòng)中小腿脛前肌、內(nèi)側(cè)腓腸肌和外側(cè)腓腸肌所受的壓力是否具有顯著性差異進(jìn)行分析。將各壓力測(cè)量點(diǎn)的平均動(dòng)態(tài)壓力數(shù)值進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，并使用單因素方差分析檢驗(yàn)在跑步運(yùn)動(dòng)中各梯度壓力襪在各壓力點(diǎn)產(chǎn)生的壓力是否有顯著性差異，有顯著性差異的壓力測(cè)量點(diǎn)如表4所示。

表4 不同梯度壓力襪對(duì)各壓力測(cè)量點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力的影響Tab.4 The influence of different gradient pressure socks on the dynamic pressure at each pressure measuring point

在跑步運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，梯度壓力襪與各壓力測(cè)量點(diǎn)之間會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，且小腿肌肉活動(dòng)也會(huì)改變各部位所受壓力，因此不同的梯度壓力襪在各壓力測(cè)量點(diǎn)并不能完全表現(xiàn)出不同的壓力值，但在小腿主要活動(dòng)肌肉位置均表現(xiàn)出了顯著性差異：1#與2#、3#與4#、2#與4#梯度壓力襪在脛前肌(5～9)、內(nèi)側(cè)腓腸肌處(11)、外側(cè)腓腸肌(12)表現(xiàn)出了顯著差異。穿著1#～4#梯度壓力襪時(shí)不同肌肉受到的動(dòng)態(tài)平均壓力如表5所示。

表5 不同肌肉所受動(dòng)態(tài)平均壓力Tab.5 Dynamic average pressure on different muscles kPa

2.3 動(dòng)靜態(tài)壓力差異性分析

在站立與跑步狀態(tài)下測(cè)得的受試者穿著1#～4#梯度壓力襪各部位靜態(tài)壓力和平均動(dòng)態(tài)壓力對(duì)比如圖11所示。梯度壓力襪在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)狀態(tài)下的整體壓力分布相似，絕大部分測(cè)量點(diǎn)的動(dòng)態(tài)平均壓力大于靜態(tài)壓力，其中低壓梯度壓力襪中絕大部分測(cè)量點(diǎn)的動(dòng)靜態(tài)壓力差大于高壓梯度壓力襪，而在高壓梯度壓力襪中，壓力梯度越小，動(dòng)靜態(tài)壓力差越小。在壓力測(cè)量點(diǎn)1～9中，低壓梯度壓力襪及梯度差較小的高壓梯度壓力襪小腿前側(cè)的壓力測(cè)量點(diǎn)1、5、9的動(dòng)靜態(tài)壓力差較為明顯。

圖11 各部位動(dòng)靜態(tài)壓力分布對(duì)比Fig.11 Comparison of dynamic and static pressure distribution in each position

對(duì)穿著不同壓力襪時(shí)各壓力測(cè)量點(diǎn)的動(dòng)靜態(tài)壓力值進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表6所示。其中P1、P5、P9、P11這4個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)的動(dòng)靜態(tài)壓力具有顯著性差異，結(jié)合圖10可知，跑步時(shí)肌肉活動(dòng)使得小腿前側(cè)和小腿周長(zhǎng)最大處內(nèi)側(cè)的壓力明顯增大，即脛前肌和內(nèi)側(cè)腓腸肌所受動(dòng)態(tài)壓力顯著大于靜態(tài)壓力。

表6 各壓力測(cè)量點(diǎn)的動(dòng)靜態(tài)壓力配對(duì)樣本T檢驗(yàn)表Tab.6 T-test table of dynamic and static pressure paired samples at each pressure measuring point

考慮到1、5、9、11動(dòng)靜態(tài)壓力具有顯著性差異，而靜態(tài)壓力多被采用為壓力襪的參考標(biāo)準(zhǔn)，因此分別以各壓力測(cè)量點(diǎn)的靜態(tài)壓力、各部位對(duì)應(yīng)圍度為自變量，各壓力測(cè)量點(diǎn)的動(dòng)態(tài)壓力為因變量進(jìn)行回歸分析，1、5、9、11的回歸模型如表7所示。

表7 各壓力測(cè)量點(diǎn)的回歸分析Tab.7 Regression analysis of each pressure measuring point

除1點(diǎn)的動(dòng)態(tài)壓力受腳踝影響太大，擬合效果較差之外；其余點(diǎn)位方差膨脹因子(VIF)均在1左右，不存在多重共線性。5、9、11處的動(dòng)態(tài)壓力與其靜態(tài)壓力、各部位對(duì)應(yīng)小腿度的擬合方程分別為：

=0794+0165-3870

=0957+0124-3846

=1110+0034-1060

從上述擬合方程可知：各點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力與靜態(tài)壓力、對(duì)應(yīng)的小腿圍度成正相關(guān)。其中絕對(duì)誤差可反映擬合方程的預(yù)測(cè)效果，5、9、11這3點(diǎn)處動(dòng)態(tài)壓力計(jì)算值與測(cè)量值絕對(duì)誤差在±0.5 kPa范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)在73%左右，且模型調(diào)整后的均大于0.7，表明擬合效果較好。

3 結(jié) 論

本文測(cè)量了受試者穿著不同壓力襪在跑步時(shí)和站立狀態(tài)下，腳踝最細(xì)處、小腿跟腱轉(zhuǎn)折處、小腿周長(zhǎng)最大處3個(gè)橫截面的前、后、內(nèi)、外側(cè)共12個(gè)位置的動(dòng)態(tài)壓力與靜態(tài)壓力。對(duì)比發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓力顯著大于靜態(tài)壓力，其中小腿前側(cè)和腳踝后的壓力波動(dòng)較大且超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的壓力范圍。通過(guò)線性回歸得到了脛前肌中上端、內(nèi)側(cè)腓腸肌處的動(dòng)態(tài)壓力、靜態(tài)壓力及各部位對(duì)應(yīng)小腿度之間的相關(guān)關(guān)系，為壓力襪的壓力分布設(shè)計(jì)提供一定的參考意義。