运动康复坐姿的生物力学仿真分析

于冲，于娜， 王寓栋， 张连胜， 王蓓蓓

(1.南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037；2.南京医科大学附属明基医院康复医学科，南京 210019)

1 引言

运动康复是一种应用非常广泛且重要的康复方法(图1)，而在实际康复过程中，运动康复的舒适度则与坐姿密切相关。不良的坐姿会影响训练者的体验，甚至会干扰训练者的情绪，以至对康复的效果产生负面影响[1]。调查显示，多数患者对康复运动时的舒适度并不满意，他们认为在康复运动过程中自己的部分健康部位(腕部、肘部、肩部等等)有疲惫感，希望能在患肢健康锻炼的同时，减轻健肢的劳累程度。

本文的研究目的是测算出康复运动时最佳的姿势，该姿势合乎运动过程中的人体工程学，使患者能以最省力、舒适的状态完成康复运动[2-3]。通过对康复运动过程中舒适度、疲劳程度的评价分析，得出影响康复运动的重要因素。同时，本实验测算出的舒适姿势可为康复坐具的设计提供建议[4-5]。

2 对象与方法

2.1 对象

本研究的对象为南京市某医院康复科的8位肢体障碍患者。研究对象皆为右利手且状态为当前状态为偏瘫(半侧瘫痪)，无全瘫或截瘫患者，可独立完成部分日常活动。由于研究对象身体状态的特殊性，不能依序完成流程中不同角度的动作，因此选择将研究对象的身体数据输入仿真软件代替[6-7]。表1为实验对象的信息统计，表2为实验对象的详细身体数据与康复状态。

表2 研究对象生理数据

2.2 方法

本研究使用美国密歇根大学人体工程学实验室独立研发的3DSSPP人体仿真软件，可以将研究对象的身高、体重等数据输入软件后模拟患者进行康复运动的过程[8]。该软件以人在作业中的静态、动态力学为基础，对人体不同的作业姿势进行分析和评价。此外，它以美国NOISH(美国国家职业安全卫生研究所)提出的一系列标准作为参考，可以有效地分析静态姿势和运动姿势，并用来评价该研究中心工人作业时的生理需要。3DSSPP的使用可以将人体工程学量化，并对人进行作业时的不同姿势进行评价，为人的作业方式提供建议。本文采用的3DSSPP软件和美国NOISH系列标准主要目的是对人进行作业时规定的不同姿势进行评价，在确认实验对象详细身体数据及康复状态的情况下，除了评价正常人工作时的身体受力和疲劳程度，其结果对肢体障碍患者进行运动康复作业时的运动姿势评价同样具有参考意义。

本研究模拟患者进行运动康复时的软件界面如图2所示。软件的五个界面分别为：俯视图；前视图；侧视图；立体图和数据分析，通过这种方式可以清晰明了地对患者的各项身体数据做出分析评价，得出研究结果。

图2 3DSSPP人体仿真软件界面

3 实验设计

3.1 研究变量

研究变量为进行康复运动时的三种坐姿：端坐、前倾、后躺。端坐即患者挺直躯干，尽量以标准坐姿进行康复运动；前倾即患者将重心前移，以运动姿态进行康复运动，该姿势在健身房中较为常见；后躺即患者以半躺的姿势进行康复运动。以D0、D15、D30、D-15、D-30、D0代表各坐姿。其中，D0为端坐状态；D15为前倾15°坐姿；D30为前倾30°坐姿；D-15为后躺15°坐姿；D-30为后躺30°坐姿。研究变量共5组，如表3所示：

表3 研究变量

3.2 仿真结果评定标准

本研究针对腕部、肘部、肩部、躯干、臀部、膝部、脚裸七个部位以百分位的形式进行疲劳程度评定，数值的大小可以反映该部位的疲劳程度和承受能力。数值越大，意味着该部位当前可负荷的压力大，舒适性较好；数值越小则意味着该部位可负荷的压力较小，代表该部位已经处于疲劳状态。如图3所示，绿色为舒适范围，黄色为疲惫范围，红色则为危险范围[9]。

图3 仿真结果评定

4 结果

在3DSSPP中对研究对象的腰部进行受力分析，如图4所示。根据NOISH(美国国家职业安全卫生研究所)提出的理论，L4/S5腰椎间盘可以承受的最大压力为3400N[10]。该数值是腰部压力的临界值，超过该值的运动可能导致腰部受伤[11]。也就是说，腰椎受力分析中显示的数值越小，腰椎间盘压力越小，腰部的舒适度越高[12]。

图4 腰椎受力分析

以研究对象A的康复运动为例，仿真分析结果的输出如表4所示。

表4 研究对象A的康复运动仿真分析结果

8位研究对象腕部、肘部、躯干、脚裸四个部位的承受能力百分位随坐姿变化的折线图如图5-8所示。根据图可知：①腕部、肘部、躯干、脚裸的疲劳程度受坐姿影响较小；②不管坐姿如何变化，腕部、肘部、躯干、脚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终维持在94以上；肘部、躯干、脚裸承受能力的百分位维持在98以上。

图5 腕部承受能力百分位

图6 肘部承受能力百分位

图7 躯干承受能力百分位

图8 脚裸承受能力百分位

8位研究对象臀部、膝部承受能力的百分位以及腰椎间盘压力随坐姿变化的折线图如图9-11所示。根据下图可知：①臀部、膝部的疲劳程度以及腰椎间盘压力受坐姿影响较大；②不合理的康复运动坐姿可能导致膝部疲劳。

图9 臀部承受能力百分位

图10 膝部承受能力百分位

图11 腰椎间盘压力随坐姿变化图

5 讨论

本研究利用人体仿真软件，模拟了患者使用不同坐姿进行康复运动的过程。分别将研究对象的生理数据输入软件，模拟仿真在D0、D15、D30、D15、D30坐姿下的运动康复状态，输出数据结果经过分析获取最佳的康复运动姿势。通过仿真结果分析，受试者在不同坐姿下进行康复运动时身体疲劳程度不同，但不同坐姿对不同体型(BMI)和性别的影响基本相同，即在D30的坐姿下，受试者身体各部位承受能力的总值最大，疲劳程度最低，康复锻炼的舒适度最佳。另外，不同坐姿对受试者的身体部位产生的影响不同。首先，在五种坐姿下，腕部、肘部、躯干、脚裸的承受能力百分位都很高，其疲劳程度受坐姿的影响较小；其次，臀部、膝部的承受能力百分位和腰椎间盘压力变化较大，其疲劳程度受坐姿的影响较大，且前倾的坐姿会加重膝部的疲劳程度。这些量化的结果能够为提高患者在进行康复运动时的舒适度提供一定的参考价值。本研究也存在一定的局限性，仅在规定的运动康复模式和坐姿下的人体部位的疲劳程度进行了研究，而在实际运动康复过程中，比如脚踏蹬车运动康复的模式下，身体其他部位如足部有反作用力施加于脚踝、膝盖和臀部等主要位置，也会增加负荷量。因此，在肢体障碍治疗的过程中，所需要的不仅是单一运动康复模式，未来需要的工作，也要考虑不同模式的融合、考虑患者的康复体验。

我国康复相关专业的发展时间相对较晚，运动康复器材的操作性能和体验感有待进一步提升。本研究通过探究康复运动时的最佳姿势，帮助优化肢体障碍患者在进行康复运动中的舒适度体验，从而提升锻炼效果[13]。

6 结论

本文利用人体仿真软件3DSSPP，对人体在不同坐姿角度下进行康复运动的过程进行了仿真分析，结果如下： ①合理的坐姿可以明显改善康复运动的疲劳程度，不合理的坐姿则容易导致部分关节疲劳；②在本研究提供的5种坐姿(端坐、前倾15°、前倾30°、后躺15°、后躺30°)中，后躺30°是进行康复运动最舒适的姿势，对不同身材、性别的研究对象皆适用；③疲劳程度受坐姿影响较大的部位有臀部、膝部、腰椎间盘压力；而人体上肢各关节受坐姿的影响较小。本研究的实验结果，可以帮助训练者更加舒适、规范地进行康复运动，同时也为今后康复坐具的相关设计提供一定的参考价值。