行走和慢跑状态下护膝的防护效果

姚瑞祥， 王燕珍,2

(1. 上海工程技术大学 服装学院， 上海 201620； 2. 东华大学 服装·艺术设计学院, 上海 200051)



行走和慢跑状态下护膝的防护效果

姚瑞祥1， 王燕珍1,2

(1. 上海工程技术大学 服装学院， 上海 201620； 2. 东华大学 服装·艺术设计学院, 上海 200051)

为探究在行走和慢跑状态下佩戴2种护膝对于膝关节角和单步周期的影响情况，测试者分别佩戴2种护膝，在模拟人体行走和慢跑的基础上，运用三维运动测量系统获取人体下肢不同步态的三维空间坐标数据，使用空间向量夹角计算方法计算不同运动形势下的膝关节角度，运用单因素方差分析法(p<0.05)分析护膝对膝关节角与单步周期的影响情况。测试结果发现，在2种运动状态下2号护膝对膝关节的活动有明显的限制作用，而1号护膝仅在行走的时候对膝关节的活动有明显的限制作用。

三维运动测量； 膝关节角； 护膝； 防护性能

膝关节是人体内最大同时也是结构最复杂的一个关节，在日常生活与体育运动中经常会受到来自不同方向力的作用。有科学家研究表明，人在慢跑时，脚触地的瞬间受到地面的反作用力将达到人体重的2～3倍，而在快速跑跳时足底所承受的反作用力是慢跑时的3倍以上[1-2]，这是造成膝关节损伤的外在因素；另外膝关节是人体所有关节中最表浅的关节之一，是股骨与胫骨交汇的地方，中间有半月板，前面有髌骨。髌骨被股四头肌腱所包绕，悬浮在股骨滑车关节面前方，非常易滑动[3-4]，这是造成膝关节损伤的内在原因。张积慧等[5]在研究中发现膝关节外伤史对于膝关节炎的影响十分显著；Mazzuca SA等[6]也发现，随着年龄的增加，人体全身各关节炎的发病率也明显上升。因此，人们在日常生活中应该提高对膝关节损伤的预防和加强对膝关节的保护。

徐小敏[7]对江苏十余所高校篮球运动员的调研显示，膝关节损伤在运动员中较为普遍，约有88.57%的篮球运动员都发生过不同程度的膝关节损伤，但是需要指出的是膝关节的损伤程度大都属于轻度损伤和中度损伤，一般不需要打石膏或去医院做特殊治疗，这就使得膝关节的损伤很易被人们所忽视，而佩戴护膝可对膝关节起到一定的固定作用防止二次损伤的发生。目前国内的护膝生产执行的是2011年颁布的GB 18401—2010《国家纺织产品基本安全技术规范》，该标准只对制作护膝所用纺织材料的基本安全技术作出了规定，但是没有对护膝的防护性能参数作出相关要求，也没有提供相应的评测方法，这就使得市场上护膝的种类繁多，功能也各异。

本文在对人体下肢基本活动分析的基础上，利用3-D Investigator三维运动测量系统对佩戴不同护膝时人下肢的三维空间坐标进行实时采集，研究在行走和慢跑情况下护膝对于膝关节角和单步周期的影响，为护膝的防护性能参数设定和相应评测方法的研究提供相关的参考。

1 实验设计

1.1 实验护膝

目前市面上销售的护膝种类繁多，制作材料也有差异，但是最常见的同时也是使用最为广泛的护膝主要有2种，因此购买了某品牌的这2款护膝作为实验用护膝，如图1所示。1号护膝前方有一圆形开孔，孔的周围缝有圆环形橡胶垫片，采用魔术贴绑缚的方式佩戴在膝关节上；2号护膝前方无开孔设计，直接由下往上从脚部穿入套在膝关节上。

实验开始之前对护膝的基本参数进行测量，结果见表1。可看出，1号护膝大部分采用合成橡胶制成，2号护膝全部采用弹性纤维制成，2号护膝的长度要比1号护膝大，所以2号护膝与膝关节的接触面积要更大一些。

表1 护膝的基本参数

1.2 实验对象

本文实验选取3名身材中等的女性来模拟人们正常的行走和慢跑动作，身高为(164.67±2.23) cm，体重为(51.64±1.53) kg。

1.3 实验设备

采用加拿大NDI公司制造的3-D Investigator三维运动测量系统。其高速摄像头的精度可达到0.1 mm，分辨率为0.01 mm。此系统可通过高速摄像头捕捉标记在人体上的mark点来记录人体关节在运动过程中的轨迹，以三维坐标数据形式直接输出到Excel表中。其一个高速摄像头的摄像空间约在26 m3左右，因此该套系统完全可满足人体正常运动测试的需求[8-9]。

1.4 实验步骤

第1步在实验对象直立状态下，用红色记号笔在下肢皮肤上标记出髋关节点、膝关节内侧点和外侧点、踝关节内侧点和外侧点；第2步将9个标记点(包括探针的3个marker点)分成3组，并且分别固定在三角托盘上，如图2(d)所示；第3步将全局坐标系的原点设定在位置传感器的中心摄像头上如图2(a)所示；第4步利用三维运动测量系统记录下这3组marker点的静态三维空间数据；第5步用6DArchitect软件将除探针以外的另2组marker点设定为2个刚体，其中固定在股骨环节的为刚体1，固定在胫骨环节的为刚体2，如图3所示；第6步将刚体分别绑在被测试者右腿大腿与小腿的前方，用探针分别在皮肤上红色标记点处设定虚拟点，分别命名为髋关节点(RGT)、膝关节内侧点(RMK)、膝关节外侧点(RLK)、踝关节内侧点(RMA)、踝关节外侧点(RLA)，如图3所示；第7步让被测试者佩戴相应的护膝，佩戴过程中保持刚体的位置固定不变；第8步让被测试者在实验空间内做好准备，待到系统控制人员发出开始指令后，被测试者开始模拟人们正常的行走和慢跑动作；第9步，等到步态稳定后控制人员开始记录数据。

图2 三维运动采集工具 Fig.2 3-D motion collection tools.(a)Position Sensor;(b)Marker;(c)Probe;(d)Triangular tray

图3 虚拟点位置Fig.3 Locations of virtual points

整个实验分为3组，依次为被测试者不佩戴护膝和佩戴1号护膝和2号护膝时的下肢的空间坐标，每次数据的记录时间设定为5 s(1 s=100帧)，每组实验重复做3次，从中选择比较稳定的数据进行研究分析。

1.5 实验原理

护膝的主要作用是给予膝关节一定的固定和支撑，屈曲运动是膝关节最主要的运动形式[10]，因此膝关节角AKJ(angle of knee joint)是反映膝关节活动情况的一个重要指标，图4示出人在行走和慢跑时下肢活动情况。由此可通过比较佩戴不同护膝和不佩戴护膝时的最大膝关节角度(AKJmax)、最小膝关节角度(AKJmin)和膝关节运动幅度来反映护膝对于膝关节的固定效果[11]，通过比较单步周期来反映护膝对于下肢活动频率的影响。最大膝关节角度(AKJmax)为单个步幅周期内膝关节所能达到的最大角度；最小膝关节角度(AKJmin)为单个步幅周期内膝关节所能达到的最小角度；膝关节运动幅度为单个步幅周期内的最大膝关节角减去最小膝关节角；单步周期(T)为下肢完成1个完整步幅所用的时间。

图4 下肢活动过程划分Fig.4 Divided lower extremity process. (a) Walking; (b) Jogging

2 数据整理与分析

2.1 关节角度计算

由三维运动测量系统输出三维坐标数据，根据RLK点与RMK点之间的关系可求得到膝关节运动中心点坐标(x2，y2，z2)，根据RLA点与RMA点之间的关系可求得踝关节运动中心点坐标(x3，y3，z3)，如图5所示。

图5 关节角的计算Fig.5 Joint angle calculation

由空间向量夹角原理根据式(1)可计算得出每一时刻的膝关节角，即图5中的∠α的余弦值，再根据反三角函数公式(2)计算出对应的膝关节角。之后依据步态特征将连续的运动分解成若干个单一步态周期，并寻找出最大膝关节角、最小膝关节角、膝关节活动幅度以及单步周期来做分析。

(1)

式中：x1，y1，z1为髋关节点坐标；x2，y2，z2为膝关节中心点坐标；x3，y3，z3为踝关节中心点坐标。

(2)

2.2 结果分析

将连续变化的膝关节角按单步周期进行分割，如图6所示，其中图6(a)为行走状态下单步周期内的膝关节角变化情况，图6(b)为慢跑状态下单步周期内的膝关节角变化情况。从图中可看出每个单步周期内膝关节角的变化趋势都是一致的，说明对连续下肢动作的分割合理，也符合实际情况。从图6还可看出，在腾空期行走时的膝关节角度要大于慢跑时；在支撑期行走时膝关节角的变化相对稳定，呈现出缓慢增大后又减小的趋势，并且变化幅度比较小，而慢跑时膝关节角出现了突然减小后又继续增大的情况。

图6 不同运动方式下的膝关节角变化情况Fig.6 Knee angle changes cycles in different ways of motion. (a)Walking; (b)Jogging

图7示出不同运动状态下佩戴1号护膝、2号护膝和无防护情况下的膝关节角变化情况，其中图7(a)为行走状态下膝关节角变化情况，图7(b)为慢跑状态下膝关节角变化情况。

图7 不同防护方式下的膝关节角变化情况Fig.7 Knee angle changes in different ways of protection. (a)Walking; (b)Jogging

从图7(a)可看出，在行走状态下，前腾空期佩戴2号护膝的膝关节角大于佩戴1号护膝和无防护时的膝关节角，支撑期佩戴1、2号护膝和无防护情况下的膝关节角差不多，在后腾空期佩戴1号护膝的膝关节角一直小于无防护情况下的膝关节角，而佩戴2号护膝的膝关节角先小于无防护情况下的膝关节角最后又大于无防护情况下的膝关节角。从图7(b)可看出，在慢跑的状态下，整个单步周期内佩戴1、2号护膝的膝关节角始终大于无防护时的膝关节角，但值得注意的是在前腾空和后腾空期佩戴1、2号护膝的膝关节角都与无防护时的膝关节角相差较大，而在支撑期只有佩戴1号护膝时的膝关节角与无防护时的膝关节角相差较大。

2.3 显著性检验

将不同运动状态下佩戴1号护膝和2号护膝所得到的最小膝关节角分别与无防护情形下的最小膝关节角进行单因素方差分析，结果如表2所示。

表2 最小膝关节角度(AKJmin)分析结果

注： ** 同一运动状态下，与无防护组相比变化非常显著(P<0.01),下同。

从表2可看出：在行走时2号护膝对AKJmin的增大作用非常明显，而1号护膝对AKJmin没有显著的影响；在慢跑时1号和2号护膝对AKJmin的增大作用都非常显著。

将不同运动状态下佩戴1号和佩戴2号护膝所得到的最大膝关节角分别与无防护情形下的最大膝关节角进行单因素方差分析，结果如表3所示。

表3 最大膝关节角度(AKJmax)分析结果

注：*同一运动状态下，与无防护组相比变化显著(P<0.05)，下同。

从表3可看出在行走时1号护膝对于AKJmax的减小作用显著，而2号护膝对于AKJmax没有显著的影响；在慢跑时1号和2号护膝对AKJmax的增大作用都非常显著。

将不同运动状态下佩戴1号和2号护膝所得到的膝关节活动度分别与无防护情形下的膝关节活动度进行单因素方差分析，结果如表4所示。

从表4可看出：在行走时1号护膝对于膝关节活动度的减小作用显著，而2号护膝对于膝关节活动度的减小作用非常显著；在慢跑时2号护膝对于膝关节活动度的减小作用非常显著，1号护膝对于膝关节活动度没有显著影响。

表4 膝关节活动度分析结果

将不同运动状态下佩戴1号护膝和2号护膝所得到的单步周期分别与无防护情形下的单步周期进行单因素方差分析，分析检验结果如表5所示。

表5 单步周期分析结果

从表5可看出，1号护膝和2号护膝对步态周期都没有显著影响，也就是说在行走和慢跑时佩戴1号护膝和2号护膝对下肢活动的频率并没有影响。

3 结 论

1)不管在行走还是在慢跑情况下，2号护膝都可有效地减小膝关节的活动度，也就是说2号护膝可在2种步态情况下对膝关节起到固定的效果，膝关节发生损伤时佩戴2号护膝可有效固定关节及减少膝关节多余活动量，避免造成再次损伤。

2)1号护膝在行走时可对膝关节起到一定的固定作用，但是在慢跑时对膝关节并没有起到固定作用。分析原因可能是1号护膝与膝关节接触面积比2号护膝要小，提供给膝关节的压力束缚较小，也可能是在慢跑过程成由于魔术贴黏性下降而造成防护效果的减弱。

3)佩戴2种护膝都不会影响步态的周期，也就是说佩戴这2种护膝对于行走和慢跑的速度不会造成影响。

FZXB

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Protective effect of kneepads in states of walking and jogging

YAO Ruixiang1, WANG Yanzhen1,2

(1. Fashion College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China; 2. Fashion Art Design Institute, Donghua University, Shanghai 200051, China)

In order to explore the effect of wearing different kneepads on the angle of knee joint and the single cycle in the states of walking and jogging, subjects were allowed to wear the two kneepads which are widely used in the daily life, respectively, the three-dimensional coordinate data about lower limb were acquired on the basis of simulating human walking and jogging through the three-dimensional capture system. Then the angle of the knee was calculated by using space vector angle calculation method, and one-way ANOVA model method (p<0.05) was adopted to analyze the protective effect on the knee joint of the two different knee pads in various forms of exercise. The results show that the No.2 kneepad has obvious restricting effects on the motion of the knee joint during walking and jogging, but the No.1 kneepad has obvious restricting effects only during walking

3-D motion measurement； knee joint angle； kneepad； protective performance

10.13475/j.fzxb.20140403206

2014-04-10

2014-10-08

上海工程技术大学课程建设项目(K201209006)；上海工程技术大学研究生创新项目(E1-090-14-01173)

姚瑞祥(1990—)，男，硕士。研究方向为服装样板与服装工效学。王燕珍,通信作者，E-mail:wangyanzhen1227@126.com。

TS 941.17

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