膝关节屈曲角度对压缩袜压力分布的影响

师亚楠， 方琦， 任雨佳， 陈郁

(上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201620)

医用压缩袜是预防、治疗下肢静脉疾病及淋巴血管疾病应用最广泛的医疗产品之一，具有可移动性、连续性治疗等优势[1]。治疗原理是通过施加自脚踝向上逐渐递减的梯度压力，从而加快下肢静脉血回流速度，以减少静脉血在肢体远端瘀滞、积聚的情况，达到预防和治疗的目的[2-3]。治疗效果的好坏与压力分布密切相关，在实际应用中影响压缩袜压力分布的因素有很多，包括环境温度[4]、穿着压缩袜时长[5]、穿着过程中腿部姿势[6]以及压缩袜压力级别[7]等，其中腿部不同姿势和压缩袜的压力级别均对压力分布有着重要作用。

压缩袜所产生的压力分布会随着腿部姿势的改变而变化[8]，从而影响穿着过程中的连续治疗效果。例如，LIU R等[9]研究发现腿部姿势的变化对压力分布有显著影响，姿势改变会影响皮肤表面的压力分布，从而影响压缩袜治疗下肢静脉疾病的效果；赵艳敏等[10]通过实验测量发现，压缩袜只有在站立姿势下的压力值符合压力梯度分布标准，而坐姿、躺姿的压力分布均不符合生理需求；倪海燕等[11]在压力测试过程中发现各测试点的压力值随着腿部姿势变化而产生波动；宫鲁蜀等[12]测量在原地踏步过程中腿部的动态压力分布，发现运动时各测量点的压力显著增大且增加幅度有所差异，但材料上只选用了Ⅱ级压缩袜，未对Ⅰ级、Ⅲ级压缩袜进行同等实验；刘艺等[13]研究了不同等级压缩袜以及蹲姿、站姿、坐姿对小腿围度的影响，结果表明小腿的围度受到压缩袜压力等级影响，且与人体踝关节、膝关节的角度有关。

腿部姿势和压缩袜的压力级别对压力分布的影响已有初步研究，而关于运动过程中膝关节多角度变化对压力分布的研究尚未深入展开，且部分姿势研究中没有考虑压力等级对压力分布的影响。因此，文中通过测量3种压力等级的压缩袜在10个膝关节屈曲角度下的压力值，分析膝关节屈曲角度与压缩袜压力级别对腿部压力分布的影响，为压缩袜设计提供参考。

1 实验设计

1.1 实验材料

选用符合YY/T 0853—2011[14]标准规定的Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级M号型长筒压缩袜作为实验材料，中三院有限公司提供。压缩袜具体参数见表1。

表1 压缩袜参数

1.2 实验设备

Novel PlianceX服装压力测量系统、角度计、皮尺，德国Novel公司制造。压力测量系统采用Flexi Force柔性薄膜传感器，有效传感区域为直径9.53 mm的圆，线性误差≤5%[15]。

1.3 选取测量点

人体腿部测量点位置示意如图1所示。按照FZ/T 73031—2009[16]标准选取人体右腿中的脚踝周长最细处B、跟腱与小腿肌转变处C、小腿最大周长处D、胫骨节下端E、大腿中部F及大腿根部G为测量截面，每个测量截面有前、后、内、外侧4个测量点，共计24个测量点。

图1 人体腿部测量点位置示意Fig.1 Measurement points of the human leg

1.4 实验对象

选取6名身体健康且腿型正常[17]的女大学生作为实验对象，受试者基本信息及描述性统计数据见表2和表3。

表2 6名受试者的体型特征

表3 6名受试者腿部截面描述性数据

1.5 实验过程

1.5.1实验动作 根据行走的单个步幅周期[18-19]及日常生活中膝关节不同姿势，如站姿、坐姿、驾车姿势等，将实验的最小膝关节屈曲角度设为90°，最大膝关节角度设为180°，实验过程中膝关节屈曲角度以10°进行划分，实验动作如图2所示。

图2 实验动作示意Fig.2 Schematic diagram of experimental action

1.5.2数据采集 在实验对象熟悉实验动作后，进行压力测量实验。实验对象穿着M号型Ⅰ级长筒压缩袜，测量前将压力传感器固定在腿部相应的测试点，调整压缩袜无重叠、扭曲现象。测量时首先通过角度计调整实验对象的膝关节角度，等待压力数据稳定后，保存平稳状态下连续8 s内所测量的压力值。压缩袜Ⅰ级的压力数据采集完毕后，按相同的步骤采集压缩袜Ⅱ级和Ⅲ级的压力值。每组实验开始前,实验对象有30 min的休息时间，避免腿部肌肉紧绷造成实验误差。

2 结果与分析

2.1 膝关节屈曲角度对压缩袜压力的影响

穿着Ⅲ级压缩袜，在膝关节屈曲角度发生改变时，压力分布变化如图3所示。由图3可以看出，每个测试截面的压力都会随着膝关节屈曲角度变化而发生波动，在截面B处的压力值pB波动幅度最大，当膝关节屈曲130°时取到最大值3.46 kPa，膝关节屈曲110°时为最小值2.98 kPa，两者的极差达到0.48 kPa。其余截面压力波动幅度从大到小依次为：pC(0.61 kPa)>pE(0.56 kPa)>pD(0.51 kPa) >pF(0.39 kPa)>pG(0.34 kPa)。

图3 Ⅲ级压缩袜在不同膝关节屈曲角度下的压力分布变化Fig.3 Pressure distribution changes of grade Ⅲ compression stockings at different knee joint angles

此外，随着膝关节屈曲角度的增大，除截面E，其余各截面压力的变化趋势都是先增大后减小，其他截面最大压力对应的膝关节屈曲角度是120°～140°，而截面E在膝关节屈曲100°时压力最大，为2.41 kPa。

Ⅰ级、Ⅱ级压缩袜在不同膝关节屈曲角度下的压力分布变化如图4所示。图4中，穿着Ⅰ级、Ⅱ级压缩袜的压力分布规律与Ⅲ级压缩袜所呈现的相似，Ⅰ级与Ⅱ级压缩袜测试截面的最大、最小极差分别为0.39，0.21 kPa和0.44，0.23 kPa。此外，在Ⅰ级、Ⅱ级压缩袜中，截面E分别在膝关节屈曲90°和100°时压力最大，数值分别为1.49，1.75 kPa。

图4 Ⅰ级、Ⅱ级压缩袜在不同膝关节屈曲角度下的压力分布变化Fig.4 Pressure distribution changes of grade Ⅰ and grade Ⅱ compression stockings under different knee joint angles

结果表明，穿着同一级别压缩袜时压力会随着膝关节屈曲角度增大呈先增大后减小的变化趋势。膝关节屈曲角度为90°～100°时，截面E的压力达到最大；在膝关节屈曲120°～140°时，剩余截面达到最大压力值。

2.2 不同等级压缩袜对腿部压力的影响

不同膝关节屈曲角度下3种级别压缩袜在截面B处的压力如图5所示。由图5可知，不同压力级别的压缩袜所产生的压力存在一定的分布规律，随着膝关节屈曲角度的变化，在同一测试截面上3种压力级别压缩袜的压力都呈现先增大后减小的变化趋势，其中Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级压缩袜在截面B处的平均压力分别为1.67，2.36，3.13 kPa。

图5 不同膝关节屈曲角度下3种级别压缩袜在截面B处的压力值Fig.5 Influence of three grades of compression socks on the pressure distribution of section B

将Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级压缩袜在各截面处的压力值进行平均化处理并作直方图，具体如图6所示。由图6可以看出，各截面Ⅱ级与Ⅰ级的压力差呈先递减后增加的变化趋势，在截面E处的压力差最小，为0.23 kPa；随后比较Ⅱ级与Ⅲ级压缩袜的压力分布，得出各测试截面的压力增幅排序为pD(0.95 kPa)>pB(0.77 kPa)>pE(0.7 kPa)>pC(0.34 kPa)>pG(0.29 kPa)>pF(0.11 kPa)。

图6 不同压力级别的压缩袜在各测量截面的压力Fig.6 Pressure bar graphs of compression stockings with different pressure levels for each measurement section

结果表明，截面D处的压力增幅最大，为0.95 kPa，说明穿着Ⅲ级压缩袜时小腿肌肉运动对压力分布的影响较大；截面F的压力增幅最小，为0.11 kPa，说明大腿中部肌肉运动对Ⅲ级压缩袜的压力变化影响较小。

2.3 膝关节屈曲角度对压力梯度分布的影响

当穿同一等级压缩袜，膝关节处于不同屈曲角度时，不同部位的压力梯度不同[20]。YY/T 0853—2011规定的压缩袜压缩等级及力系范围见表4。Ⅱ级压缩袜在不同膝关节屈曲角度下压力与压力分布见表5。

表4 YY/T 0853—2011规定的压缩袜压缩等级及力系范围

表5 Ⅱ级压缩袜在不同膝关节屈曲角度下压力与压力分布

结合表3，由表5可以得出以下结论：①膝关节屈曲150°，160°，180°时，压力分布不符合人体腿部自踝部向上逐步递减的规律，其他角度都符合；②膝关节屈曲140°时，pC∶pB大于相应标准规定；③膝关节屈曲110°时，pD∶pB大于相应标准规定；④膝关节屈曲120°～140°时，pE∶pB符合相应标准规定，其他角度均不符合。同理，Ⅰ级、Ⅲ级压缩袜可以得出类似结论。

3 结语

文中根据FZ/T 73031—2009标准选取人体腿部6个测量截面，前、后、内、外侧4条测量纵线，共24个测量点。在膝关节屈面角度变化以及不同压力等级压缩袜的基础上，对测量点进行压力测试，分析膝关节屈面角度变化对不同等级压缩袜压力分布规律的影响。

研究表明，在同一姿势下，不同压力等级压缩袜对各截面压力变化趋势的影响较小，但对压力的影响显著，且人体腿部的胫骨节下端截面E在膝关节屈曲90°～100°时压力最大，其余各截面在膝关节屈曲120°～140°时压力最大；穿着同一等级压缩袜时，随膝关节屈曲角度变化，压缩袜对各截面压力分布有不同的影响，各截面压力增幅不尽相同；同一等级压缩袜，截面E处大多均不符合压力梯度标准，截面C，D在膝关节屈曲140°，110°时，不符合压力梯度标准，其余均符合。

为使压缩袜得到更好应用，可针对测得的压力指标进行改良，在研发过程中应考虑到膝关节多角度的影响，确保压缩袜在膝关节不同屈曲角度下压力分布的合理性，符合人体生理需求。