基于TENS低频电脉冲的女性疲劳缓解压力袜研制

吴海燕， 李艳梅

(上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201620)

随着全民健身的普及，越来越多的普通民众加入运动健身的行列，使得肌肉疲劳现象变得更加普遍；同时，在部分体力消耗较大的行业(如建筑、物流、海关等)，长时间超负荷的工作导致人体肌肉疲劳，因而缓解肌肉疲劳受到更广泛的关注。

目前，缓解肌肉疲劳主要通过药物治疗和物理治疗。服用消炎药和营养补剂是药物治疗常用的两种方式，服用消炎药可以减轻肌肉酸痛疲劳的症状；服用蛋白类的营养补剂则能维持肌肉结构，减轻肌肉酸痛的症状，促进身体机能恢复。物理治疗主要包括冷疗法、热疗法、神经电刺激疗法、电磁场疗法、按摩推拿、针灸等[1]。虽然缓解肌肉疲劳的方法较多，但是以上方法均存在时间限制性或对医生及医学知识具有较大依赖性，使得人们对于缓解肌肉疲劳的便利性提出更加迫切的需求。

经皮神经电刺激(transcutaneous electrical nerve stimulation，简称TENS)是一种非药物无创止痛法，主要是通过皮肤将特定的低频脉冲电流输入人体来治疗疼痛、促进局部血液循环，从而达到缓解疲劳的目的[2]。目前，大量研究数据表明TENS在慢性背痛[3]、骨关节神经肌肉疾病[4-5]、分娩镇痛[6]、肌肉痉挛[7]等临床治疗中已取得较好的疗效。因此，文中基于经皮神经电刺激(TENS)治疗机制，研制TENS低频电脉冲女性疲劳缓解运动压力袜，以解决人们对肌肉疲劳缓解便利性的需求；并通过主客观相结合的评价方法，验证压力袜疲劳缓解作用；探究导电纱线细度、导电区域面积及导电区域位置对疲劳缓解性能的影响。

1 压力袜设计

1.1 面料的选择

选用两种细度(22.2,44.4 tex)镀银导电纱线作为压力袜导电区域的编织材料，面纱和底纱使用8.3 tex涤纶，衬垫纱使用15.5 tex橡筋，运动压力袜各步段原料及组织结构见表1。

表1 运动压力袜各步段原料及组织结构

1.2 压力袜结构设计

腓肠肌、比目鱼肌和跖肌组成人体小腿三头肌，在人类直立、行走及跑步方面发挥着巨大作用。通常，人体发生腿部肌肉疲劳时，其发生部位多在腓肠肌及比目鱼肌处，具体如图1所示。

图1 腿部腓肠肌肌肉位置Fig.1 Position of the gastrocnemius muscle of the leg

为了缓解小腿处的肌肉疲劳，在压力袜对应的腓肠肌内外侧增加了导电区域设计，以实现TENS电脉冲传导至肌肉，具体设计如图2所示。

图2 压力袜款式设计 Fig.2 Pressure socks style design drawing

2 实验设计

2.1 影响因素的确定

由于不同的导电区域面积、导电区域位置及导电纱线细度对织物的导电性能有着不同的影响[8]，因此将导电区域面积、导电区域位置和导电纱线细度作为3个影响因素，进行正交实验设计。导电区域面积取市售凝胶按摩贴的大小，即选取60 cm2和90 cm2两个水平，分别标记为A1，A2；导电区域位置选取横向和纵向两个水平，分别标记为B1，B2；导电纱线细度选取22.2 tex和44.4 tex两个水平，分别标记为C1，C2，使用Minitab软件进行了三因素二水平正交实验，具体见表2。为了探究导电区域面积、导电区域位置及导电纱线细度对产品导电性能影响，分别编织4双含有导电区域和不含导电区域的压力袜，进行对照实验。

表2 三因素二水平正交实验

2.2 实验测试点的选取

考虑实验的可操作性，选择小腿部肌肉较大的腓肠肌内外侧作为实验测试点，寻找待测肌肉的位置并做好标记，具体参考位点见表3。

表3 表面肌电电极安放参考位点

2.3 疲劳诱导实验方案

以Bruce平板运动实验方案为依据进行疲劳诱导实验。具体方案见表4。通过表面肌电信号[9]和主观体力感觉等级量表(RPE)[10]检验受试者是否真正达到疲劳状态，若未达到疲劳状态则重新开始实验。

表4 疲劳诱导实验方案

3 运动实验

3.1 实验对象

从在校大学生中挑选10名年龄在21～26岁、身高158～165 cm、体质量47～55 kg的年轻健康女性作为测试对象。所有测试对象均要求无心血管疾病或代谢系统、神经系统障碍，未受过专业跑步训练且在实验前一周内未进行跑步运动。

3.2 仪器

Delsys Trigno Mobile无线表面肌电测试仪，美国Delsys公司制造；运动型跑台，德国h/p/cosmos公司制造。

3.3 实验方法

每组实验分为6个阶段,其中： T1为疲劳诱导运动阶段；T2～T6分别为运动结束、休息15，30， 45和60 min的时间点，具体如图3所示。被试对象还要对疲劳诱导阶段的疲劳程度进行主观评价打分，评价标准见表5。

3.3.1疲劳诱导实验 实验开始前1 h打开恒温恒湿气候仓，设置温度为25 ℃，湿度60%，30 min后实验环境趋于稳定，让被测对象进入气候仓静坐30 min，待其状态稳定后开始实验。首先在被测对象腿部内外腓肠肌处分别粘贴上Delsys无线表面肌电系统的传感器块，然后按照导电区域面积由小到大的顺序，依次穿上压力袜进行肌电测试，疲劳诱导实验运动时长为15 min。被测实验对象的左腿穿着含有导电区域的压力袜，右腿穿着不含导电区域的压力袜，且两腿均不接入脉冲装置，具体如图4所示。将疲劳诱导实验分为6个时间段，每个时间段间隔2.5 min。

图4 表面肌电电极安放位置及压力袜穿着实验Fig.4 Placement of surface EMG electrodes and the test diagram of wearing compression stockings

3.3.2疲劳恢复实验 被测对象在运动结束进入休息阶段时，左腿接入脉冲装置进行第1次按摩休息，右腿正常坐立休息，15 min后，左腿去除脉冲装置，左右腿进行同等高度的原地踏步30 s，每5 s为一个间隔，分6个阶段记录两条腿的肌电数据。以上实验步骤重复4次，分别记录被测对象在休息状态下接受低频脉冲按摩15，30，45和60 min后的肌电数据。

图3 运动阶段和休息阶段Fig.3 Exercise phase and rest phase

主观疲劳感很不疲劳较不疲劳一般较疲劳很疲劳等级1～23～45～67～89～10

4 结果与分析

4.1 TENS对肌肉疲劳缓解的肌电结果分析

图5为被测对象穿着导电面积为60 cm2、横向导电区域、导电纱线细度为22.2 tex的压力袜在疲劳诱导阶段测试点RMS值的折线分布。由图5可以看出，在疲劳诱导过程中各测试点的RMS值都有大幅提升，与主观评价结果一致，表明疲劳诱导实验成功。在12.5 min时两测试点的实验组和对照组均出现了峰值，说明此时被测对象已达到了自身肌肉疲劳状态。

图5 疲劳诱导阶段各测试点的RMS值Fig.5 RMS value of each test point in fatigue induction stage

图6为被测对象穿着导电面积为60 cm2、横向导电区域、导电纱线细度为22.2 tex的压力袜在疲劳恢复阶段各测试点RMS值的折线分布。

由图6(a)可以看出,在运动结束时，各测试点的RMS值呈现上升趋势，表明小腿肌肉疲劳程度在不断提升，且两条腿的RMS值无明显差异。

由图6(b)可以看出，经过15 min的低频脉冲疲劳缓解后， RMSA′， RMSB′值分别低于RMSA和RMSB值，表明经过15 min的低频脉冲疲劳缓解后，两条腿的肌肉疲劳缓解程度出现差异且接入脉冲装置的肌肉疲劳程度开始低于正常坐立休息状态下的肌肉疲劳程度。由图6(c)可以看出，在原地踏步5 s时，RMSA和RMSB值高于正常坐立休息15 min时的RMS值，表明在运动结束后肌肉疲劳恢复不是即刻的，而是呈现先上升再下降的趋势。图6(d)为运动结束休息45 min后各测试点RMS值的变化趋势。由图6(d)可知，各测试点的RMS值相较于运动结束时均呈现大幅下降趋势，表明肌肉疲劳程度在逐渐恢复，此时RMSA′和RMSB′已逐渐趋近于初始状态，表明添加TENS低频电脉冲的运动压力袜相较于普通压力袜具有提升肌肉疲劳恢复速度的作用。由图6(e)可以看出，在运动结束休息60 min后RMSA和RMSB开始趋近于初始状态，表明随着休息时间的增长，机体的自我调节能力已能促使肌肉恢复至初始未运动状态。

图6 疲劳恢复阶段各测试点的RMS值Fig.6 RMS value of each test point in fatigue recovery stage

综上所述，在穿着导电面积为60 cm2、横向导电区域、导电纱线细度为22.2 tex的压力袜在接入低频电脉冲后， 其具有加快肌肉疲劳恢复的作用，验证了TENS疲劳缓解的作用。

4.2 表面肌电RMS与肌肉疲劳相关性分析

文中选取表面肌电的时域指标均方根振幅(RMS)作为评价产品疲劳缓解性能的研究指标，采用Microsoft Excel和SPSS17.0统计软件，对两个测试部位的4个点位在不同导电区域下，RMS值和主观评价得分进行相关性分析，具体见表6。由表6可以看出，当被测对象穿着不同压力袜时，4个测试部位的RMS值均与主观评价得分呈显著正相关，说明表面肌电RMS值可以较好地反映被测对象在跑步过程中肌肉疲劳程度，且疲劳诱导实验成功，被测对象达到自身最大疲劳状态。

表6 不同导电区域位置下主观疲劳评价与各测试点RMS值的相关性分析

4.3 不同TENS压力袜对肌肉疲劳缓解的影响

在筛查、剔除错误实验数据后，先对10名被测对象穿着4双不同TENS压力袜在运动结束时和4个休息阶段A点与A′点的RMS差值(df=5个阶段)，B点与B′点的RMS差值进行正态分布检验，具体见表7和表8。在Shapiro-Wilk检验中，4双压力袜的P≥0.05，说明数据符合正态分布，故可进行配对t检验。

表7 A点与A′点差值的正态性检验

表8 B点与B′点差值的正态性检验

对A点与A′点、B点与B′点的RMS值进行配对t检验，结果分别见表9和表10。由表9和表10可以看出，4双压力袜的P<0.05，说明该4双压力袜A点与A′点、B点与B′点的RMS值的总体平均数间具有显著性差异，即表明实验组与对照组在A点和B点的RMS值具有显著性差异。

表9 A点与A′点平均值的配对t检验结果

表10 B点与B′点平均值的配对t检验结果

表9、表10的配对t检验结果表明，实验组与对照组在A点和A′点、B点和B′点的RMS值具有显著性差异，故可通过折线图的形式进行更直观的分析。

对在运动和休息状态下所测各测试点的肌电均方根振幅值(RMS)分段求平均值，具体如图7所示。由图7可以看出，在休息结束时，各测试点的RMS值达到最高点，表明在实验结束时被测对象的肌肉疲劳程度最大。

分别对比图7(a)和图7(b)、图7(c)和图7(d)可以看出，在休息阶段，RMSA′均低于RMSA，RMSB′均低于RMSB。主要原因可能是在TENS低频脉冲的作用下，人体的血液流动加快，使得肌肉的疲劳恢复速度提升。

RMS值越大，肌肉疲劳程度越高。比较图7(b)和图7(d)可以看出， 3#TENS脉冲压力袜的疲劳缓解性能最佳，其原因是3#压力袜的导电纱线较粗且导电区域的面积更大，使得压力袜的导电性能更优，故压力袜在接入低频脉冲后的疲劳缓解性能更优。1#TENS脉冲压力袜较其他3双TENS脉冲压力袜，其疲劳缓解性能较差,但是仍优于对照组，其原因是其导电区域面积最小且导电纱线细度较细，故其导电性能较差。

以未进行运动前的RMS值作为基线，比较图7(b)和图7(c)可知，穿着3#TENS压力袜，在休息30 min后其RMS值均恢复至运动初始前；穿着4#TENS压力袜在休息45 min后RMS值恢复至为运动初始前；穿着2#TENS压力袜在60 min后其RMS值逐渐恢复至为运动初始前。4双压力袜疲劳恢复时长排序依次为3#< 4#<2#< 1#，实验组的疲劳恢复时长均小于对照组的，说明TENS低频脉冲压力袜能够加快疲劳的恢复速度，且面积越大，纱线越粗，疲劳缓解性能越好。究其原因，导电纱线面积越大，与皮肤表面的接触面积越大，这与TENS依靠皮肤传导脉冲电流缓解疲劳的作用机制相吻合，即导电区域面积越大，将接入的低频脉冲传导至人体内的脉冲电流越大，故其疲劳缓解性能更好。此外，导电纱线越粗，其导电性能越强，因此导电纱线与压力袜疲劳缓解性能成正比。

图7 不同TENS压力袜的肌电均方根振幅值Fig.7 EMG root mean square amplitude values of different TENS compression stockings

利用Minilab软件对三因素二水平的正交实验进行因素影响程度分析，表11和表12列出休息30 min时A′，B′点的RMS值极差分析(其他休息阶段的极差分析结果相同，故不一一列出)。由表11和表12可以看出，在A，B，C 3个因素中，对TENS低频脉冲压力袜疲劳缓解性能影响程度依次为A>C>B，RMS值越小，表明肌肉疲劳程度越低，因此最优水平为A2C2B1，即在导电面积为90 cm2、44.4 tex导电纱线细度和横向导电区域分布时，TENS脉冲压力袜疲劳缓解性能达到最佳。

表11 在休息30 min时A′点RMS值的极差分析

表12 休息30 min时B′点RMS值的极差分析

5 结 语

TENS低频电脉冲压力袜对小腿部位的疲劳缓解会产生显著性影响，并且可通过肌电信号反映。

1) 表面肌电时域指标RMS值可作为客观指标对人体肌肉疲劳状态进行评价。

2) TENS低频电脉冲压力袜对于肌肉疲劳会产生显著性影响，具有缓解肌肉疲劳的作用。

3) 不同导电区域分布、导电区域面积和导电纱线细度的压力袜对于肌肉疲劳缓解影响各异。其中：导电区域面积对于压力袜疲劳缓解性能影响最大；其次是导电纱线细度；导电区域分布相较于其他两因素对压力袜疲劳缓解性能的影响较小。3#TENS脉冲压力袜(导电面积为90 cm2、横向导电区域分布和44.4 tex导电纱线细度)缓解肌肉疲劳的效果最佳。