护膝防护性能及其功能设计研究进展

陈凌娴，李 俊,2，王 敏,2

(1.东华大学 服装与艺术设计学院，上海 200051； 2.东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051)

膝关节是人体发病率最高的关节，会随年龄的增长发生功能性退变，影响正常的生理活动[1]。除生理因素外，不科学的运动姿势与过大的运动幅度都会引起关节、肌肉和韧带损伤。由于缺乏科学的指导，个体运动过程中难以避免意外事故，运动性损伤频繁发生。膝关节在活动过程中经常受到来自不同方向的力，虽然膝关节可以通过屈伸吸收部分反作用力，但由于其复杂的铰链结构，导致关节极不稳定容易受伤，如空降兵跳伞着陆损伤多发生于下肢，其中膝关节损伤占21.1%[2]。此外，在某些特殊职业的作业过程中，膝关节长期处于高负荷状态，增加膝关节疾病发生的风险，令其职业寿命缩短。地毯铺设行业的研究报告表明，8%～20%地毯铺设从业人员中患有膝盖滑囊炎[3]。

由于膝关节较为脆弱，膝关节防护备受人们关注。研究发现穿戴刚性护膝后运动员由跳台跳落着陆时的垂直地面反作用力降低[4]；Aaron等[5]基于逆动力学原理研究人体与护膝界面的压力值与肌肉负荷之间的相关性，通过肌电信号加以验证，证实行走期间压力与膝关节力矩具有初步相关性；阎玉秀等[6]通过三维动作捕捉仪计算膝关节活动角度，发现佩戴护膝可以限制人体矢状面和水平面上的关节活动角度；Michael等[7]用真实人体关节标本模拟人体的真实跌倒状态，佩戴护膝后膝关节部位与冲击平面的接触时间增加，膝关节所受的平均峰值冲击力衰减了15%。因此，护膝具有制动、固定和降低反作用力峰值等防护作用，可以预防与避免膝关节损伤的发生。然而运动过程中使用护膝的人群所占比例并不高[8-9]。事实上，护膝存在束缚感较强、稳定性较差、舒适性不佳等问题[10-11]，且现有护膝防护缺乏有效的反馈机制，用户无法获得关节损伤风险的预警信号。可见，现有护膝产品还不能完全满足用户需求，其性能还有待提升。

本文分析了致使膝关节损伤的常见原因，基于市场现有护膝种类的梳理，分析相关研究成果，阐述不同功能指向的护膝的工作原理与优化设计，总结当前相关性能评价指标，最后预测护膝未来的研究趋势，以期为护膝的功能性设计与评价提供一定的理论基础与科学依据，推进护膝产品的研究，扩大护膝的应用。

1 膝关节常见损伤原因

膝关节是人体重要的关节部位，连接着股骨与胫骨，由半月板、髌骨、韧带等部分构成，承担了人类下肢的全部运动。具体膝关节结构如图1 所示。由于膝关节的复杂结构，在人体所有的关节中，膝关节最为脆弱，极不稳定，容易受伤。导致膝关节损伤的常见原因大致可以归纳为以下4个方面：运动损伤、外力撞击损伤、长期劳损及生理机能退变。

图1 膝关节结构图Fig.1 Knee joint structure diagram

①运动损伤。运动过程中，膝关节过度屈曲、外展、外旋是导致膝关节损伤的重要原因。前交叉韧带和内侧副韧带在最大屈膝角度时容易发生撕裂[12]；半蹲式着陆过程中，膝关节内收外展幅度过大容易导致半月板损伤[2]。但膝关节活动角度过小也可能影响膝关节负荷的分散与吸收，导致力向远端传递，增加临近关节的损伤风险[13]。

②外力撞击损伤。直接撞击也是造成膝关节半月板及关节软骨损伤的原因之一。关节受到外部冲击时，软骨和关节液不具备弹性进行缓冲，继而引发软骨磨损或髌骨移位，关节内部力学平衡改变导致负荷传递紊乱，从而引起骨关节炎和半月板损伤等疾病发生。

③长期劳损。从事重体力劳动，或长期重复某个动作等会引起关节磨损，引发膝关节疾病。根据跪姿的不同，膝关节负荷在体重的22%～68%之间变化。膝关节长时间处于高负荷状态会加速膝关节软骨的磨损，导致半月板损伤或膝骨关节炎的发生[14-15]。资料显示屋顶维修工人有超过75%的工作时间花在爬行、蹲下、弯腰或跪下姿势上，其患肌肉骨骼疾病的风险在所有建筑工种中位居第2[16]。

④生理机能退变。人体下肢离心脏的距离较远，局部血流相对缓慢，并且膝关节部位的肌肉以及脂肪含量较少，相较于其他部位得不到足够的热量供给，因此膝关节部位容易受到寒冷刺激，诱发膝关节疼痛。随着年龄的增长，关节滑液减少，软骨出现退行性变，很容易导致膝骨关节炎等疾病的发生。

实际上，膝关节损伤不仅由一方面原因所致，是多方面共同作用的结果，但不同场景下致使膝关节损伤的主要原因不同，护膝防护功能的侧重也就不同。针对上述膝关节损伤的不同致病原因，护膝的防护功能相应可分为制动功能、抗冲击功能、缓压功能、生理机能加强，对应不同的防护功能要求，其设计重点及评价指标也有所不同。

2 护膝的防护功能及其设计评价

2.1 制动功能

具备制动功能设计的护膝可以在不影响运动正常进行的前提下，尽可能减少膝关节的活动幅度，保护固定膝骨关节和周边的关节软骨组织。一方面避免因不科学的运动姿势与过大的运动幅度而引起关节、肌肉和韧带损伤；另一方面有利于减少腿部肌肉的振动，减少不必要的能量损失，促进细胞和分子水平上的神经传递和力学的增强，提高对腿部的控制力[17]。

2.1.1 制动型护膝种类

制动型护膝如图2所示，主要利用弹性或半刚性材料来有效限制膝关节的活动范围，发挥防护固定作用。其种类多样，按护膝的款式来分，主要可分为髌骨带、绷带式护膝、轻薄式护膝、捆绑式护膝。不同运动的活动强度与关节活动范围不同，应根据不同运动所需选择合适的护膝款式。

图2 制动型护膝Fig.2 Braking kneepads.(a) Elastic kneepad; (b) Semi-rigid kneepad

2.1.2 制动功能设计

2.1.2.1材料性能

制动型护膝从整体材料类型上可分为弹性护膝、半刚性护膝以及刚性护膝。弹性护膝主要通过面料延伸对人体施加压力，从而起到防护固定及提高肌力水平的作用。但纤维具有应力松弛的天然属性，护膝适体性下降导致其防护性能减弱，增加弹性纤维含量及面料紧度可延缓应力衰减，以提高弹性护膝的稳定性。

半刚性以及刚性护膝常用的支撑材料包括金属固件、弹簧，主要起到稳定紧固两侧韧带的作用。相比于弹性护膝，半刚性及刚性护膝能显著降低膝关节在矢状面、冠状面、水平面的力矩峰值、膝关节活动角度或角位移，增加肌肉活性[8,18]。现有护膝支撑结构的设计较为单一，基本为沿膝关节屈曲运动方向排列弹簧支撑条，存在穿脱不便，制约人体正常行动等问题。

2.1.2.2支撑结构设计

护膝支撑结构设计主要可分为紧度设计和半刚性结构设计。不同肌群维持较好肌力水平时所需的压力不同[19]，为施加合理的护膝压力，应科学运用拉普拉斯定理(见下式)，选择初始模量合适的弹性面料，依据人体膝关节部位的围度，合理预估护膝的样板尺寸，以达到理想的防护效果[20-21]。

式中：P为压力，Pa；σ为单位面积的应力，N/m2；ω为面料厚度，m；E为面料弹性模量，Pa;ε为护膝自变；R为腿部半径，m；CL为穿戴部位的腿部围度，m；CS为护膝围度，m。

王亮[22]自主研发的新型军事跳伞膝关节防护装置，通过增加左右两侧的弹簧支撑条数量，以及对弹簧支撑条长度进行差异化设计，使膝关节具有内收、内旋的趋势，减少了活动过程中膝关节的外展外旋，降低膝关节损伤的风险。为兼顾防护性和舒适性，制动型护膝整体应以弹性为主，内外侧辅以半刚性材料，对不同年龄层[10]和运动种类进行不同的弹簧条长度和根数等的设计。

2.1.3 制动功能评价指标

制动型护膝面料的稳定性可通过仪器模拟测试面料的弹性模量、弹性回复率、弯曲刚度等机械指标，以及静态压力、动态压力、静态压力疲劳、动态压力疲劳等接触压力指标表征。同时，进行真人实验，应用三维动作捕捉仪和三维测力台测试膝关节活动角度、角速度、力矩等生物力学指标评价护膝的制动功能。通过测试关节活动角度和动态压迫，结合主观评价，高智英[23]测得跑步运动中，压力范围在2.152 8～2.550 3 kPa之间的护膝，同时兼顾护膝的防护性和穿着舒适性的要求。

2.2 抗冲击功能

抗冲击式护膝又称为填充式护膝，李宁等[24]研究认为缓冲材料具有储存能力，减少作用于膝盖部位的冲击力，降低膝盖损伤的作用。膝关节受到冲击时，抗冲击型护膝的弹性形变能吸收部分外力，降低关节部位的反作用力峰值，由此避免髌骨移位或软骨磨损。

2.2.1 抗冲击型护膝种类

抗冲击型护膝多为复合式护膝，通常填充普通海绵、聚氨酯海绵(PUS)或乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)等软质吸能材料，如图3(a)所示，抗冲击性较好，但填充式护膝较为厚重且长时间穿戴会对膝关节部位产生负担。

图3 抗冲击型护膝Fig.3 Impact-resistant kneepads. (a) Padded kneepad; (b) Built-in kneepad

基于服装整体美观性、便携性及穿着时长考虑，部分特殊职业服可以设计内置式护膝[25]，如图3 (b)所示。

2.2.2 抗冲击功能设计

2.2.2.1材料性能

经编间隔组织或空气层组织具有较好缓冲性能的，增加织物的面密度、层数可提高织物的抗冲击性能。护膝抗冲击性能不仅受护膝材料本身组织结构的影响，还与复合的缓冲材料性能有关。研究表明PUS和经编间隔织物的复合能满足正常体重的老年人在行走过程中的防护要求[24]。由于护膝缓冲材料硬度和厚度的限制，在快速冲击状态下，现有护膝存在缓冲时间短，能量吸收有限等问题[26]。缓冲材料与其他功能填料复合改性可以提高缓冲材料的力学性能和服用性能。邹海波等[27]通过将EVA与功能填料复合改性，显著提高EVA的力学性能和服用性能；PUS与炭黑(CB)/剪切增稠凝胶(STG)复合物柔软质轻，以STG-CB/PUS为缓冲材料的增强护膝的冲击力峰值仅为普通护膝的56%[28]。

2.2.2.2复合结构设计

不同种材料的复合试样的压缩吸收性能与复合试样的叠放次序有关[29]。通过增加缓冲材料的硬度和厚度，可以适当提高护膝的抗冲击性能，但同时降低了护膝的依从性及舒适性，一般通过对缓冲材料表面进行沟槽、孔洞和割口等表面设计，以改善护膝的透气性及贴体性。

因此，护膝设计过程中，应根据护膝应用场景的不同选择合适的护膝面料与缓冲材料，并对缓冲材料的形状、叠放位置和表面进行设计。

2.2.3 抗冲击功能评价指标

护膝的抗冲击性可以通过仪器模拟以及真人实验测试冲击加速度峰值、峰值持续时间、动态最大传递冲击力、膝部在缓冲时间段内速度的变化值、膝部触地速度最大值、垂直地面反作用力等生物力学指标表征[30-31]。

2.3 缓压功能

缓压功能的实现是通过增加负荷的分布面积或吸收存储载荷以降低膝关节反作用力的峰值。跪姿工作过程中，穿戴护膝后的最大膝关节接触力至少降低40%[32]。此外，根据工作性质选择合适的护膝和减少极端的工作姿势可以改变膝关节上的力分布，减少因高应力而产生膝关节疾病的风险[33]。

2.3.1 缓压型护膝种类

缓压型护膝如图4所示，可分为软质吸能型护膝、硬质分流型护膝以及软-硬复合型护膝。研究表明软质吸能型护膝在较短时间内进入致密化阶段护膝只能吸收部分反作用力；软-硬复合型护膝，外部防护和内部泡沫衬垫共同作用降低膝关节反作用力的峰值，但伴随着打破人体关节部位的平衡的风险；专业凝胶护膝通过增加覆盖面积提高防护性能，膝盖负荷下降高达70%，改善了人体-护膝界面的稳定性[33]，可根据不同应用场景所需选择合适的缓压型护膝。

图4 缓压型护膝Fig.4 Anti-compression kneepads. (a) Soft energy-absorbing kneepad; (b) Soft-hard composite kneepad

2.3.2 缓压功能设计

软质吸能型缓冲材料具有储存能量的能力，硬质分流型防护材料主要通过分散关键部位的外力至周围软组织。相比于抗冲击性护膝预防的瞬时冲击，缓压型护膝长期处于高负荷状态，且由于工作姿势相对稳定，以硬质材料作为外壳、软质材料作为内衬的软-硬组合型防护是当前较为理想的防护组合[31]。但护膝仅具有有限的重新分配累积负荷的能力，并没有改变膝关节交叉屈曲角度，除对护膝本身进行设计外，护膝与其他护具配套使用，如护膝与屈曲支撑装置，也可以降低发生关节损伤和髌骨肌腱相关疾病的风险[34]。

2.3.3 缓压功能评价指标

我国针对缓压型护膝的研究较少，欧洲标准学会制定的EN 14404—2004《个人防护设备 跪姿下工作用护膝》对护膝类型和防护等级进行分类，系统规定该应用场景下护膝的测试指标，如抗穿刺性、抗冲击性、力分布的均匀性等。德国标准化学会制定了DIN 23311—2—1998《矿山用护膝 第2部分：塑料护膝》、DIN 23311—1—1985《采矿用护膝 橡胶护膝》，对不同材质的矿山用护膝做出详细规定。

2.4 生理机能加强

2.4.1 生理机能加强型护膝种类

生理机能加强型护膝如图5所示，大致可分为保暖型护膝和保健型护膝2类。保暖型护膝通过对人体皮肤的覆盖，减少通过热对流而散失的人体热量；保健型护膝通过复合新型功能纤维，有效提高了护膝的生理防护性能。保暖型护膝的应用较为广泛，保健型护膝主要用于医疗康复领域。选择护膝功能时，消费者偏向选择附带保健功能的护膝，如电加热护膝、磁疗护膝、中医药护膝、远红外护膝等[26]。

图5 生理机能加强型护膝Fig.5 Physiologically enhanced kneepads. (a) Warm kneepad; (b) Health-care kneepad

2.4.2 生理机能加强设计

传统护膝材料与新型材料复合，可以针对性提高护膝的功能性，设计满足不同生理需求的护膝。Massimo等[35]的研究证明复合金属纤维的远红外护膝有助于膝关节置换术后的快速恢复。许祥生[36]通过三维步态分析系统对患者下肢关节的运动参数的变化进行分析，证实石墨烯智能理疗护膝治疗膝关节骨性关节炎的临床疗效确切，能够改善膝骨关节疾病，促进下肢功能恢复。

2.4.3 生理机能评价指标

针对生理防护型护膝的不同防护对象，对应提出不同的评价指标。如保暖型护膝可测试护膝的隔热性能；远红外护膝可测试护膝的远红外波长范围；石墨烯护膝可测试其导电性能与导热性能等。

3 结束语

护膝通过减少关节活动角度、吸收储存能量、降低反作用力峰值以及保暖保健以预防膝关节疾病的发生，是重要的个体防护装备。现阶段国内外科研人员针对护膝防护性能已展开一定的研究并取得了较丰富的成果，但有关护膝对膝关节内部结构、临近关节以及下肢肌肉活性的影响研究还有待进一步加强。实际上，现有护膝防护缺乏交互性，缺少有效的反馈机制，无法指导用户主动调整运动姿势以规避运动损伤。此外，护膝产品缺乏相关防护性标准，并且仪器模拟局限于护膝织物层面的测试，与实际着装状态存在差异，而真人实验耗时长且存在关节损伤的风险。基于以上研究不足，未来可以从下3个方面展开深入研究。

①针对不同防护场景展开多元化的护膝研究。针对护膝材料、结构以及防护性的偏向，展开不同应用场景的护膝的防护性能研究；另一方面护膝限制了膝关节对能量的吸收，势必增加临近关节的活动度，引起临近关节的损伤，因此护膝穿戴对人体的副作用需要进一步去研究。

②护膝的智能可穿戴设计。护膝作用于关节活动的特殊位置，与智能可穿戴技术结合，如纳米摩擦发电机、导电纱线、传感器等，可实现人体供能的同时进行健康监测，建立有效的反馈机制，预防由于超负荷或活动角度过大而造成的关节损伤。在万物互联的未来，智能可穿戴护膝将具有广阔的发展前景。

③护膝防护性能评价标准及方法的完善。国外已有EN 14404—2004、DIN 23311—2—1998等相关标准对护膝防护性能提出详细要求。而国内尚无专门的护膝标准，现行行业标准FZ/T 74001—2020《纺织品 针织运动护具》仅对针织运动护具的外观质量、安全指标、拉伸性能等做出规定，不涉及防护性能指标。借鉴国外劳动护膝的防护标准，制定不同应用场景下的护膝防护性标准与评价指标有重要的现实意义。再者，考虑到护膝真人着装测试过程中的风险，通过建立准确的生物力学损伤模型来评价护膝的防护性能将是未来护膝设计的重要手段。