跑步运动中护膝压迫对女子膝关节角度影响

阎玉秀 高智英 金子敏 赵佳雯 陶建伟

摘要： 为研究跑步运动中不同紧度护膝对膝关节防护效果的影响，以20名热爱跑步运动的健康女性作为实验对象，运用三维动态捕捉技术捕捉测试者佩戴不同紧度护膝在不同速度跑步下的膝关节三维角度数据，将实验数据进行相关数理统计分析与研究。从紧身压迫角度出发对跑步过程中膝关节三维角度进行探讨，为紧身运动护膝的开发研究提供理论指导。结果表明：紧身压迫是衡量膝关节固定效果的一个重要因素，施加表面防护载荷对膝关节起到了一定的固定束缚作用；护膝紧身压迫应控制在2.1528～2.8617kPa内，以满足运动过程中对膝关节的固定保护作用。该研究为运动防护装备开发提供了设计依据。

关键词： 紧身压迫；膝关节三维角度；动态捕捉；固定效果；跑步运动

中图分类号： TS941.17文献标志码： A文章编号： 1001-7003（2018）08-0047-05引用页码： 081109

Abstract： To study the protection effect of kneepad with different tightness on the knee joint in running， twenty healthy females were employed as subjects. 3D motion capture technology was applied to capture 3D angle data of knee joint of testers wearing kneepads with different tightness at different running speeds. Mathematical statistical analysis and research of experimental data were conducted. From the perspective of tight oppression， the 3D knee angles during running were discussed to provide theoretical guidance for the development of knee movement. The results showed that compression of kneepad plays a key role in fixing and protecting the knee joint by exerting surface protection load on it； kneepad compression should be controlled within the scope of 2.1528～2.8617kPa， so that the kneepad can meet the fixed protection of the knee during running. The research provides the design basis for the development of sports protective equipment.

Key words： compression； three-dimensional knee angle； motion capture； fixed effect； running

跑步是膝關节发生损伤较高的运动，相关科学研究显示，高达35%～65%的专业运动员与健身爱好者发生过下肢损伤，有50%～70%的跑步损伤表现为较长时间持续相同动作的不断重复运动所造成的过度使用性损伤[1]。胫骨和髌骨是膝关节的重要组成部分，通过传递载荷参与到下肢运动，复杂的铰链式结构致使其活动量较其他部位大[2]，这是造成膝关节极易发生损伤的内在原因。另外，在跑步运动过程中，膝关节所承受的质量可达体重的7～10倍[3]，若运动护具选择不适当，大腿肌肉的反复收缩会使膝关节重复地屈曲伸直，更容易造成髌骨、胫骨与股骨承受的压应力过大[4]，这是由跑步这种运动方式决定的损伤。鉴于此，对跑步运动中膝关节的损伤防护进行相关研究势在必行。

紧身装备由于能够给运动肢体适当的包裹，从而减缓骨骼压力避免劳损，同时能提供给人体压力舒适感，常常被称为人体的第二层皮肤[56]。Hang Xu等[7]通过让佩戴五种不同材料护膝的被测者跪地工作，得出护膝可以通过重新分配受力来改变膝关节的损伤情况。姚瑞祥等[8]通过模拟人体行走和慢跑，研究了护膝对于膝关节和单步周期的影响，评价了不同种类护膝的防护性能。但在关于跑步运动的研究中，并没有对运动损伤与紧身压力进行相关性研究，此外，对于人体运动的测量也还停留在二维测量上，极少从三维空间的角度进行探讨研究，对紧身防护装备压迫与膝关节三维角度关系尚没有系统的评价标准与体系。鉴于此，本文通过运用三维动态捕捉技术与动态传感压迫测试，从损伤防护性的角度出发，对跑步过程中膝关节角度的影响进行探讨，为紧身运动护膝的开发研究提供理论指导。

1实验

1.1对象

利用美国[TC]2非接触式三维人体扫描仪采集相关人体的体型数据，从中挑选出20名符合以下条件的实验对象：性别女、年龄（22±3）岁、身高（1.60±0.13）m、体重（50±2）kg，腿部体型接近，且满足膝围35cm。所有的实验对象均要求下肢没有伤病史，没有足部疾病，无扁足，且运动能力确保优良。

1.2样衣

本文所选无缝针织跑步裤，面料采用3种长丝纤维交织而成，纤维含量为71%锦纶、21%丙纶和8%氨纶。选用市场上最普遍的典型穿戴式针织护膝S、M、L三个型号，面料由弹性聚合物橡胶、合成纤维尼龙和氨纶构成，其中60%橡胶、31%尼龙、9%氨纶。织物测试结果纵向定伸长力为（5.2±0.5 ）N，横向定伸长力为（4.1±0.5 ）N，定伸长力和为（9.3±1.0）N。运动护膝具有较好的弹性，弹力接近，基本参数如表1所示。

1.3测试设备

1.3.1光学动态捕捉仪

采用瑞典Qualisys Track Manager光学动作捕捉仪，并配合9台高速摄像机。此系统通过摄像头精确捕捉标记有Mark小球的跑步运动，除精度、密度和实时标记以外，还支持高性能2D/3D/六自由度跟踪，将延迟降到最低（6ms），然后将捕捉到的文件传输到Visual 3D中，利用制表符分隔的ASCII文件导入Excel中，因此该系统完全可满足人体跑步运动测试的需求。

1.3.2Pliance多用途传感测试设备

利用德国Novel公司的pliance多用途传感器系统对跑步运动中被测试者的护膝压迫进行相关测量，感应区的厚度仅为0.2mm，直径为9.52mm，由于服装的压值相对较小，为保证测试的准确性，故将所测试范围调整为0～24kPa，由系统自带的测试软件pliance X进行紧身压强数据的输出。

1.3.3跑步机

采用IUBU优步YB521DL跑步机，可根据实验需要增减速度和设置跑步时间。

1.4方案

1.4.1测试点选取

结合光学动态捕捉仪的特点，在实验对象22个骨骼标记点贴Mark小球，在大腿和小腿上固定刚体（每个刚体有4个Mark小球标记点），共计38个标记点，如图1所示，右边用R表示，左边L对称位置的标记点与右边一一对应。

1.4.2方法

本实验在人工气候室中进行，保持室温（23±2）℃，相对湿度（64±2）%。受试者进入实验室将传感器前端感应片贴在髌骨正前方凸出点、膝关节内侧上髁FME、外侧上髁FLE三个测试点，之后佩戴相应护膝将其覆盖，在跑步机4、6、8km/h速度下进行跑步运动同时完成传感压强测试，每名受试者均需要在不佩戴护膝和佩戴S、M、L型号护膝穿着状态下完成以上要求实验。

2结果与分析

垂直轴比较分析人体下肢骨骼结构发现，膝关节为椭圆滑车关节，是人体最为复杂的关节之一，人体的韧带与下肢骨骼通过关节连接在一起。如图2所示[9]，将人体三维运动空间切割为冠状面、矢状面、水平面三个维度平面，X代表膝关节围绕冠状轴的屈伸运动，Y代表膝关节围绕矢状轴的外收内展运动，Z代表膝关节围绕垂直轴的旋内旋外运动，人体膝关节所实现的动作如图3所示。

2.1护膝紧度与膝关节角度的相关性分析

为研究不同护膝紧度、跑步速度和屈伸角、收展角、旋内旋外角之间的相互关系，测试20名受试者以不佩戴护膝和佩戴三种不同紧度护膝及3个不同跑步速度，共计12种运动状态下膝关节的屈伸角、收展角、旋内旋外角，然后对所测数据进行皮尔逊相关分析，结果如表2所示。由表2可知，护膝紧度与收展角和旋内旋外角的相关系数检验概率P值均接近为0，存在显著的相关性，说明紧身压力有效减少了膝关节的摆动和旋转，是膝关节固定束缚的一个极其重要的因素，在表面施加护载荷对人体的骨骼起到了一定保护作用。而束缚紧度对膝关节的屈伸角影响并不显著，得出在佩戴一定紧度护膝的时候对膝关节起到防护效果的同时并不会对跑步运动本身造成妨碍。从跑步速度快慢及膝关节三维角度变化看，跑步速度与膝关节屈伸角具有显著相关性，这说明了跑步速度的变化会对膝关节屈伸造成影响，对膝关节的旋转和屈伸并没有明显的相关性。

2.2护膝紧度与膝关节防护性的关系

防护紧身装备是通过给运动肢体适当的束缚包裹以到达限制膝关节活动度从而减少损伤的目的，通过对最大膝关节角、最小膝关节角和膝关节的活动度来评判对膝关节产生的固定效果[10]。针对跑步运动过程中对膝关节的保护固定作用，应该在保证膝关节冠状面的屈伸运动同时尽量规避围绕垂直轴和矢状轴的内旋外旋角和外收内展活动度，尽量减少运动带来膝关节的滑动。本文将从不同护膝紧度与膝关节旋转角和收展角的活动度的关系，以及对屈伸角的影响，做进一步探讨。

图4、图5分别代表不佩戴护膝、佩戴L、M、S型护膝的束缚状态下对膝关节的收展角以及旋内旋外角活动度带来的的影响。从图4、图5可得出，随护膝紧度逐渐增大，膝关节的收展和旋转角的活动度逐渐减小，即一定程度的紧身压迫可使膝关节避免过多的无用损耗，同时对中高紧度护膝的固定作用胜于较低紧身压迫護膝，紧身压强在1.6803～2.8617kPa时，膝关节的旋转和伸展角活动度有明显持续的减小。当护膝紧度达到2.8617kPa时，对膝关节旋转和屈伸活动度的减小效果逐渐变得缓慢，说明紧身压迫对膝关节的固定束缚效果作用在压迫递增的初期最显著，这由于达到一定程度的紧身压迫时，已经足够能缓减膝关节的滑动，可以达到对膝关节的束缚固定效果。

为进一步探究紧身压迫对膝关节屈伸角的影响作用，将在三种不同跑步速度状态在佩戴三种不同紧度护膝的最大和最小屈伸角进行单因素方差分析，分析如表3、表4所示。由表3对膝关节屈伸最大角的方差分析可以看出，随紧身压迫的逐渐增大，对膝关节最大屈伸角的减小作用越来越显著，在速度达到8km/h时中高压迫显著性影响P<0.01。由表4对膝关节最小屈伸角的方差分析可以看出，随紧身压迫的逐渐增大，护膝的紧度对屈伸角最小膝关节角度的减小作用显著，在6、8km/h时中高压迫其显著性水平P<0.01，其他的运动状态都为P<005显著。其原因可能是随跑步强度持续增大，运动中的膝关节对护膝冲击作用也越来越大，致使紧身压迫对膝关节活动的影响更加明显。

对屈伸角的活动度进一步探讨，如表5所示。随护膝压迫逐渐增大对于膝关节的屈伸角活动度作用基本不显著，进一步阐释一定的压迫尚不会对跑步运动本身造成妨碍。但是，当紧身压强达到3.5705kPa时，在6km/h和8km/h两个跑步速度下对膝关节屈伸角的活动度产生了影响；护膝的压迫在达到2.8617kPa时处于8km/h跑步运动状态下对膝关节屈伸角活动度明显产生了效果，这是因为压迫太大时，随表面载荷的进一步增加，会在相当程度上对运动中膝关节的本身运动需求的活动度造成了限制。

综合分析，膝关节紧身压强在2.1528～2.8617kPa时，可以对跑步运动膝关节起到较好的固定效果，这也说明在设计跑步运动护膝时，对人体膝盖部位应给予一定范围的紧身压迫。

3结论

1）护膝紧度越大对膝关节收展角和旋转角的影响越显著，即防护载荷对运动人体膝关节角具有一定的固定束缚作用，紧身压迫为衡量护膝固定效果的一个重要因素。

2）紧身运动护膝压强范围应控制在2.1528～2.8617kPa内，以满足运动过程中护膝对膝关节的固定保护效果。

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