膝关节角度变化对压力梯度分布和皮肤形变的影响

方琦，孙光武，陈郁

(上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201600)

压力袜作为预防和治疗下肢静脉类疾病的主要医疗产品，越来越受到人们的重视，通过自下而上建立由大到小的轴向压力梯度分布能加快下肢静脉血液的回流速度，防止静脉血的淤滞和积聚，达到治疗静脉曲张、下肢血栓等疾病的目的[1-3]。显然，合理的压力梯度分布是影响压力袜治疗效果的关键因素。

压力袜在机械性能测试[4]、织造工艺[5]、主观评价[6]、治疗效果[7]等方面的研究较多，其中压力梯度分布研究主要从工艺参数设计以及腿部运动姿势等方面展开。如孙玉钗等[8]在实验中发现不同的腿部运动姿势对压力梯度分布影响较大，通过对压力袜中衬垫纱送纱量的改进，使得压力袜更符合人体的需求。宫鲁蜀等[9]通过测量人体腿部静、动态条件下的压力梯度分布，得出两者分布存在相对误差，但没有对该误差进行具体的定量分析。 LIU R[10]通过实验证明压力袜产生的压力梯度分布会随着腿部姿势的改变而变化，膝关节角度的变化对腿部压力梯度分布有显著影响。

目前，关于膝关节角度变化对压力梯度分布影响的研究以单一角度为主，而人体在运动过程中膝关节会发生多角度的变化，同时会造成皮肤形变。因此，将站立、平躺姿势的抬腿动作进行分解，并测量站立和平躺姿势下不同膝关节角度的压力分布和皮肤形变量，分析穿着压力袜时膝关节角度变化对压力梯度分布及腿部皮肤形变的变化规律。

1 实验部分

1.1 实验材料和仪器

1.1.1材料 3种不同压力级别(Ⅰ级：15～21 mmHg；Ⅱ级：23～32 mmHg；Ⅲ级：34～46 mmHg)的长筒压力袜，材质为氨纶、锦纶混纺，其中Ⅰ级、Ⅱ级压力袜中氨纶、锦纶质量分数分别为28%，72%，Ⅲ级压力袜中氨纶、锦纶质量分数分别为36%，64%，均购自浙江义乌“中三院”。

1.1.2仪器 Novel Pliance-X-32服装压力测量系统，德国Novel公司制造；FlexiForce柔性薄膜传感器[11]，中国台湾麦思科技有限公司制造；YG(B)141D数字化织物厚度仪，浙江温州际高检测仪器有限公司制造。

1.2 测量点选取

图1 腿部横向测量围度及测量点示意Fig.1 Transverse measurement girth and measuring points of legs flexible sensor

1.3 实验对象

以健康的青年女性作为实验对象，选择1名体型均匀且腿型正常的25周岁女性(身高164.6 cm，体质量48.4 kg)作为实验对象，其体型特征见表1。

表1 实验对象的腿部原有尺寸数据

1.4 实验动作

根据调查结果显示，人体长期处于站立或平躺状态，容易引发下肢静脉疾病[12]。因此，实验在测量腿部压力和皮肤形变量时，分别选取站立和平躺姿势下的4个膝关节角度(90°，120°，150°，180°)进行测量，具体如图2所示。

图2 站立、平躺姿势下的膝关节角度示意Fig.2 Knee joint angle in standing and lying flat position

1.5 数据采集

1.5.1压力的数据采集 压力测量前需通过角度计测量并调整好膝关节角度，并让受试者保持相应的实验动作；其次将FlexiForce柔性传感器固定在受试者腿部相应的测量部位；最后待传感器获取稳定的压力数据后，利用Labview处理数据软件获得受试者各测量截面上的前、后、内、外4个测量点[3]的平均压力值。实验动作开始之前要确保受试者有30 min的恢复时间，避免前实验时身体过度紧绷对后实验造成影响。

1.5.2皮肤形变的数据采集 压力袜厚度根据GB/T 3820—1997测量方法，采用YG(B)141D数字式织物厚度仪测量压力袜多部位厚度并取平均值。通过皮尺测量穿着压力袜的腿部围度L，根据等效周长计算公式获得腿部等效周长L1，计算腿部原有周长与L1的差即为皮肤形变量LD。在测量L前，受试者通过角度计调整膝关节角度并保持调整后的动作2 min，确保皮肤形变趋于稳定状态。

2 结果与分析

2.1 膝关节角度变化对压力梯度分布的影响

利用SPSS软件中的单因素方差分析(ANOVA)对压力数据进行统计分析，得出站立、平躺姿势下膝关节角度变化对压力梯度分布影响显著(P<0.01)，具体见表2。

表2 膝关节角度变化对平均压力分布的影响

Ⅲ级压力袜在不同姿势下的压力分布数据[5]如图3所示，分析穿着Ⅲ级压力袜站立、平躺姿势下的膝关节角度变化对截面B产生的压力数据，发现站立时截面B的平均压力值为2.74 kPa、极差为1.16 kPa，而平躺时的平均压力值为2.01 kPa、极差为0.42 kPa，可以看出膝关节角度变化对站立姿势的压力分布影响更为显著。根据拉普拉斯方程(P=T/r，式中P是压强，r是表面的半径，T是张力)可知，截面E压力随着膝关节角度的减小而增大，造成截面E的压力大于截面D。平躺时截面G除压力袜的外加压力，还受到自身重力的作用，约为0.11～0.14 kPa，但对平均压力值的影响较小。

图3 Ⅲ级压力袜在不同姿势下的压力分布数据Fig.3 Pressure distribution data of grade III pressure socks under different postures

将站立、平躺姿势下测量压力的分布结果与YY/T 0853—2011比较，如图4所示，发现膝关节呈180°时两者的压力梯度分布均符合标准，膝关节呈150°时只有站立姿势的压力梯度分布符合标准，其余角度均不符合标准。

将Ⅰ级、Ⅱ级压力袜的压力分布与Ⅲ级压力袜比较，发现3组形变量变化趋势相似。比较截面B处的3组平均压力值发现，站立和平躺姿势下Ⅱ级与Ⅰ级的平均压力差分别为0.28，0.19 kPa，Ⅲ级与Ⅱ级的平均压力差分别为1.39，0.92 kPa。结果表明：膝关节角度变化对压力梯度分布影响随着压力袜压力级别的增加而增大；膝关节角度变化对站立姿势的压力梯度分布影响大于平躺姿势的压力梯度分布。

2.2 膝关节角度变化对皮肤形变的影响

同样通过SPSS软件中的单因素方差分析(ANOVA)对皮肤形变量进行统计分析，结果表明膝关节角度变化对皮肤形变影响显著(P<0.01)，具体结果见表3。

Ⅲ级压力袜在不同姿势下的皮肤形变量如图5所示。分析穿着Ⅲ级压力袜在站立、平躺姿势下膝关节角度变化对皮肤形变量的影响发现，皮肤形变量由下至上总体呈递增趋势。由于截面E的骨骼结构较多，导致平躺和站立时的平均皮肤形变量较小，分别为0.5，0.7 cm。小腿和大腿区域含有更多的肌肉和皮下脂肪组织，截面D，G分别是小腿和大腿部分的形变最大区域，平躺时截面D的平均形变量比站立时大0.1 cm，平躺时截面G的平均形变量比站立时大1.4 cm。

穿着Ⅰ级、Ⅱ级压力袜时不同姿势下的皮肤形变量[11]如图6所示。将Ⅰ级、Ⅱ级压力袜条件下的皮肤形变量与Ⅲ级压力袜进行比较发现，3组压力袜形变量的变化规律相似。截面G在Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级压力袜条件下，站立时的平均皮肤形变量分别为1.4，1.7，2 cm，平躺时的平均形变量分别为2.9，3.1，3.4 cm。结果表明：膝关节角度变化对平躺姿势的皮肤形变影响大于站立姿势，并且对皮肤形变的影响随着压力袜压力级别的增加而增大。

图4 Ⅰ级、Ⅱ级压力袜在不同姿势下的压力数据Fig.4 Pressure data of grade I and II pressure socks under different postures

表3 膝关节角度变化对皮肤形变的影响

图5 穿着Ⅲ级压力袜时不同姿势下的皮肤形变量Fig.5 Skin shape variation of grade III pressure socks in different postures

图6 穿着Ⅰ级、Ⅱ级压力袜时不同姿势下的皮肤形变量Fig.6 Skin shape variation of grade I and II pressure socks under different postures

2.3 压力分布对皮肤形变的影响

除了膝关节角度变化造成皮肤形变外，压力袜的外加压力也会造成皮肤形变。通过SPSS线性归回分析得出压力袜在某一截面处的平均压力值(x)与平均形变量(y)的函数关系，例如穿着Ⅲ级压力袜在截面G处站立、平躺姿势下两者的函数关系分别为

y1=0.09x1+2.12,R2=0.01；

y2=0.0x2+2.72,R2=0.75。

通过分析两组线性函数发现，不施加外加压力时站立、平躺姿势下的平均形变量分别为2.12，2.72 cm，且平躺姿势下的函数斜率大于站立姿势，说明平均压力值对平躺姿势形变量的影响大于站立姿势的影响。

3 结语

通过分析站立、平躺姿势下的膝关节各角度对压力梯度分布和皮肤形变规律的影响，得出以下结论：

1) 穿着压力袜过程中应避免膝关节长时间处于弯曲状态，否则容易造成腿部远端静脉淤滞。

2) 膝关节角度变化对截面E前后侧的压力分布有显著影响，在膝盖弯曲时产生高压对压力梯度分布产生影响。站立姿势下膝关节呈150°，180°，均符合YY/T 0853—2011的压力梯度分布标准，而平躺姿势下只有膝关节呈180°时符合此标准。

3) 腿部皮肤形变量与外加压力、不同姿势的膝关节角度变化都相关，膝关节角度变化引起的形变量大于压力造成的形变量。相同外加压力下，平躺姿势下膝关节各角度变化的皮肤形变量均大于站立姿势。