裤子弹性及运动速度对人体膝关节角的影响

张飚雪　刘成霞

摘要： 为研究裤子弹性及运动速度对膝关节角的影响，文章选取身材相近的5名受试者和3条裤子，利用三维动作捕捉仪获取受试者在3种运动速度下的膝关节角。结果表明：裤子弹性对人体膝关节角有显著影响，正常行走和慢跑时，穿弹力裤时的膝关节角比穿宽松裤在腾空期可减小7.87°;运动速度对支撑期和后腾空期的膝关节角有较大影响，即对于宽松裤，速度越大，膝关节角越小;裤子弹性及运动速度对平均单步周期都有显著影响，即在运动速度相同、且较高时，弹力裤的平均单步周期明显小于宽松裤。研究表明：穿弹性裤子对膝关节具有明显的保护作用，建议在运动时尽量穿弹力紧身服。

关键词： 裤子弹性;运动速度;膝关节角;三维动作捕捉;显著性检验

中图分类号： TS941.17文献标志码： A 文章编号： 10017003（2020）12006806

引用页码： 121111 DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2020.12.011（篇序）

Effect of pants elastic & motion speed on human angle of knee joint

ZHANG Biaoxue1， LIU Chengxia2

（1.Yuanpei College， Shaoxing University， Shaoxing 312000， China; 2.School of Fashion Design & Engineering，Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： In order to investigate the effect of pants elasticity and movement speed on angle of knee joint， 5 subjects with similar stature and 3 pants were chosen. The 3D motion capture instrument was employed to obtain the angle of knee joint（AKJ） when the 5 subjects were wearing the pants at different movement speeds. Results showed that pants elasticity had significant influence on human AKJ. When walking and jogging， AKJ in the suspension period of elastic pants can be reduced by 7.87°compared with that of slacks. The movement speed had significant influence on AKJ at supporting period and post-suspension period. For slacks， the higher the speed was， the smaller the AKJ would be. Besides， both pants elasticity and movement speed had significant influence on the average single step cycle. If the speed was the same and high， the average single step cycle of elastic pants was lower obviously than that of slacks. Since wearing elastic pants can have obvious protective function on human knee， it is advisable that elastic tight garment should be worn during exercise.

Key words： pants elasticity; movement speed; angle of knee joint; 3D motion capture; significance test

膝關节是人体最精妙、结构最复杂的关节，人体常见的运动损伤也大多来自膝关节。作为人们日常健身主要方式的散步和慢跑，也对膝关节有不同程度的磨损和伤害。膝关节的运动常用膝关节角表示，以往对关节角度的测量多采用身体灵活性ROM评价，该评价用角度计进行测量，操作繁琐，准确度低[1]，且测量膝关节的活动度过程庞杂、灵活多变[2]。三维动作捕捉技术的发展，使膝关节的测量比以前更便捷[3]。基于三维动作捕捉仪，高智英[4]研究了跑步运动中的护膝紧度对膝关节防护效果的影响，刘青青等[5-6]探讨了篮球运动中膝关节的防护性，姚瑞祥等[7]研究了行走和慢跑状态下护膝的防护效果。由于在跑步运动中，传递到膝关节的质量可以接近运动者体重的10倍[8]，因此上述研究皆围绕如何利用护膝保护膝关节展开。

综上，虽然有一些关于膝关节的研究，但基本都是关于护膝对膝关节的保护作用，而普通人在平时走路、饭后散步或慢跑时，很少有戴护膝的习惯，而且将护膝作为日常服饰多少有失美观，因此从日常着装的角度研究穿衣方式以达到保护膝盖的作用更具实际意义。由于在饭后散步或慢跑时，人们通常喜欢换上宽松舒适的或弹性好的、便于运动的服装。因此，本文以宽松裤和弹力裤这两种日常运动中最为常见的下装作为研究对象，利用三维动作捕捉仪研究穿着不同裤子时膝关节角的差异，以期为运动服装的设计及日常运动时的着装提供一定的指导。

综上，裤子弹性对膝关节角有较大影响，弹力裤对正常行走和慢跑时，腾空期膝关节角具有明显的提高作用，即提高幅度≥7.87°（以提高效果较弱的弹力裤为准），对支撑期的膝关节角影响小于腾空期。分析其原因为：处于支撑期时，腿部受到地面较大的支持力，在一定程度上削弱了裤子弹性对腿的包覆力;而处于腾空期时，腿部完全悬空，此时裤子弹性对腿的束缚力更明显，减小了膝关节角的运动幅度，即对关节起到了保护作用。

2.2 运动速度对膝关节角的影响

以一个步态周期为例，同一裤子在不同运动速度（4、6、8 km/h）下的膝关节角如图4所示。由图4可知，3条裤子在4、6、8 km/h的速度下，膝关节角曲线呈现的共同规律是：速度对前腾空期的影响较小，对支撑期和后腾空期影响较大。

图4（a）表明，随运动速度的增加，步态周期明显缩短，4 km/h时一个周期约96帧，6 km/h时约78帧，8 km/h时约64帧。随运动速度的增加，曲线出现凹陷，且速度越大，凹陷越明显。图4（a）显示，在前腾空期的开始阶段（0帧左右）、支撑期（20帧左右）和之后的后腾空期，膝关节角从大到小依次是4、6、8 km/h。也就是说随着运动速度的增加，前、后腾空期和支撑期的膝关节角整体变小（如图1所示慢跑的膝关节角小于行走），表明穿宽松裤时，速度越高膝关节屈曲运动幅度更大，即越容易对膝关节造成损伤。

图4（b）（c）显示的规律与图4（a）基本一致：随着速度的增加，膝关节角曲线出现凹陷及步态周期逐渐缩短，不同之处在于6 km/h时的凹陷已经非常明显，此外6 km/h时的前、后腾空期最小值在3个速度中最小。换句话说，穿紧身裤运动时，膝关节角随运动速度的增加先减小后增加，即在快速运动时，紧身裤对膝关节的保护作用异常明显。都以0帧处为例，图4（a）中宽松裤在4 km/h时最大，稍高于100°，而图4（b）（c）的紧身裤最小膝关节角也大于100°，保护作用显而易见。

综上，裤子不同，速度对其膝关节角的影响也不同。对于宽松裤，速度越大，腾空期和支撑期的膝关节角越小，即穿宽松裤快速运动时更容易对膝关节造成损伤;而穿弹力裤时，随速度的增加膝关节角先减小再增大，即快速运动时紧身裤对膝关节的保护作用异常明显。

为进一步量化弹力裤与宽松裤在不同运动速度时的膝关节角差异本文，本文求出3条裤子在每个步态周期时膝关节角的最大与最小值，并求出最大平均值、最小平均值，简称最大膝关节角、最小膝关节角，结果如图5所示。

由图5可以看出，3个最小值处2条弹力裤的膝关节角均大于1#宽松裤，尤其对于4 km/h和6 km/h的速度，弹力裤大幅提升了最小膝关节角。同时，在3个最大值处有2处弹力裤的膝关节角小于宽松裤，但减小幅度不如提升最小膝关节角的幅度。总之，在3个速度下弹力裤能有效降低膝关节的运动幅度，起到良好的膝关节保护作用，尤其在正常行走（4 km/h）和慢跑时（6 km/h），保护作用更明显。具体来说，对于4 km/h的速度，1#、2#和3#的膝关节运动幅度分别为66°、56°、45°;对于6 km/h，分别为64°、53°、54°;对于8 km/h，分别为64°、52°、44°。由此可见，在3个速度下穿弹力裤的膝关节运动幅度均小于宽松裤，因此在正常行走、快速行走及慢跑（分别对应4、6、8 km/h）时，为避免膝关节损伤，穿弹力裤非常有必要。

图5还显示，穿宽松裤时，随速度的增加最大与最小膝关节角都在降低，这与图1慢跑时的前、后腾空期与支撑期的膝关节角均小于行走时角度的结果完全一致。4 km/h到8 km/h的增加过程中，每增加2 km/h，最大和最小膝关节角约降低6°～9°。对于弹力裤，最小膝关节角出现在6 km/h;最大膝关节角出现在4 km/h，而6 km/h与8 km/h时基本一样。也就是如前所述，穿宽松裤时速度越快越容易损伤膝关节，而穿弹力裤则可以改变这一规律，在快速运动时对膝关节起保护作用。

2.3 显著性检验

为进一步从统计学的角度，验证裤子及运动速度对膝关节角的影响是否具有显著性，进行单因素方差分析，结果如表2和表3所示。

由表2可知，裤子弹性对3个运动速度下的最大与最小膝关节角都具有显著影响（显著性一栏的数值均小于0.05），组内一栏显示6 km/h速度时1#和2#的最小膝关节角差异不显著，8 km/h速度下1#和2#的最大膝关节角差异不显著，除此之外其余组内3条裤子两两间的膝关节角差异显著。这一结果与图5显示的结果完全一致（图5中6 km/h时1#和2#的最小膝关节角及8 km/h时1#和2#的最大膝关节角非常接近）。

由表3可知，运动速度对3条裤子的最大与最小膝关节角都具有显著影响（其显著性一栏的数值均小于0.05），组内一栏显示2#与3#裤子在6 km/h与8 km/h时的最大膝关节角不显著，除此其余3种速度两两间的膝关节角差异显著。这一结果也与图5显示的结果完全一致（2#与3#裤子在6 km/h与8 km/h时的最大膝关节角极为相近，几乎重叠）。

为进一步研究裤子弹性与运动速度是否对平均单步周期（以帧为单位）有显著影响，分别进行单因素方差分析，结果如表4和表5所示。

表4表明，裤子弹性（显著性一栏的数值均小于0.05）对3种速度下的平均单步周期都具有显著影响。组内一栏显示4 km/h时1#与2#裤子及6 km/h时的2#与3#裤子的平均单步周期不显著，除此其余3条裤子两两间的平均单步周期差异显著。具体来说，在4 km/h的速度下，1#、2#和3#的平均单步周期（以帧为单位）依次为92、92、80;6 km/h速度下的平均单步周期依次为75、67.2、67.4;8 km/h下的周期依次为63.7、57.2、50.1。由显著性分析结果及具体周期数值可知：随速度的增加，3条裤子的单步周期差异越明显，且弹力裤的周期小于宽松裤，即在同样的运动速度下，穿弹力裤比宽松裤的迈步频率高（迈一步需要的时间越短，即迈步频率越高），尤其是在较高速度时。这是因为弹力裤對腿部有束缚作用，在一定程度上会限制走路速度，为了达到与宽松裤相同的速度，需要增加迈步频率。

从表5可以看出，运动速度对3条裤子的平均单步周期都具有显著影响，且每条裤子两两速度之间的平均单步周期差异显著。具体来说，1#裤子在从低到高3种速度下的平均单步周期分别为92、75、63.7;2#分别为92、67.2、57.1;3#分别为80、67.4、57.1（单位帧）。由显著性分析结果及具体周期数值可知：无论是宽松裤还是弹力裤，随着运动速度的增加，迈一步需要的时间逐渐减小，即迈步频率逐渐提高。

3 结 论

为定量并客观地研究在人体运动时，裤子弹性及运动速度对人体膝关节角的影响，本文选取了5名身材相近的受试者和3条弹性不同的裤子，利用三维动作捕捉仪获取受试者在3种运动速度下的膝关节角，得到以下结论。

1）裤子弹性对膝关节角有显著影响，尤其是对正常行走和慢跑的腾空期，能较大提高膝关节角（≥7.87°），对支撑期的膝关节角作用小于腾空期。

2）速度对支撑期和后腾空期的膝关节角有显著影响，对于宽松裤，速度越大腾空期和支撑期的膝关节角越小，即穿宽松裤时运动速度越快越容易损伤膝关节。对于弹力裤，随速度的增加膝关节角先减小再增大，即快速运动时紧身裤对膝关节的保护作用异常明显。

3）裤子弹性及运动速度对平均单步周期都有显著影响，在运动速度相同、且较高时，弹力裤的平均单步周期明显小于宽松裤，即穿弹力裤比宽松裤的迈步频率高。无论弹力裤还是宽松裤，运动速度越大，迈步频率越高。

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收稿日期： 20200608; 修回日期： 20201113

作者簡介： 张飚雪（1975），女，讲师，主要从事服装设计的研究。