膝部紧身装备对肌肉活动特征的影响

苏 珊，李艳梅

(上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201620)

紧身防护装备是以身体为模型设计的弹性服饰，其通过不同的材质和设计方式将紧度施加在人体皮肤表面，从而在运动中对人体起到防护作用[1]。近年来，紧身装备的防护性能一直是运动生物力学和运动医学的研究热点，其中损伤防护的研究具有重要的理论和实际价值。本文选取羽毛球运动的动作作为研究对象。据相关研究表明[2-4]，在羽毛球的运动中，每个动作都包含了膝关节的活动，膝关节在运动过程中不仅受到身体重心的重力作用，还受到下肢肌肉发力产生的拉伸力量，因此膝关节的损伤是十分常见的，半月板和髌骨是最常见的损伤部位，表面原因是动作不标准，根本原因是运动中膝关节承受了巨大的压力，周围肌肉力量不足，身体韧性不够而导致了损伤。基于膝关节的运动损伤现状，很多学者开展了关于护膝的系列研究。姜亚明等[5]编织了经编间隔织物的护膝试样，通过对比实际摔倒能量和缓压材料吸收能量的大小评估了材料缓压性能的优劣。孙清峰等[6]从聚醚多元醇、扩链剂含量、异氰酸酯比例等因素对运动护膝制品性能的影响出发得出了聚氨酯运动护膝组合料的配方。谢亮玉等[7]从纱线原料、组织结构和织物密度3个因素出发对护膝产品进行研究，得出了护膝制动区、缓冲区以及边缘处适用的纱线原料、组织结构和密度大小；庞欣[8]在分析原料、结构、性能的基础上，研究了高弹护膝的设计方法及其编织工艺，结合线圈的结构模型和纱线应力应变对护膝的压力分布进行了研究；刘青青等[9]选取了典型的篮球动作，通过膝关节的三维角度变化探究了护膝的防护性能。姚瑞祥等[10]从佩戴护膝对行走和慢跑状态下膝关节角和单步周期的影响出发，分析得出前方无孔的套戴式护膝固定防护效果最佳。以上研究从材料、压力、防护效果3个方面对护膝进行了研究，但是骨骼肌是运动的主要来源，关于护膝对膝关节周围肌肉活动的影响仍需要进行进一步研究。

本文围绕护膝对膝关节周围骨骼肌的影响机制展开研究。在不同的护膝提供不同压力的情况下，通过屈曲运动实验，研究膝关节周围肌群(股内侧肌、半腱肌、股二头肌)的肌电信号变化情况。探究膝部紧身装备对肌肉活动的影响可以为紧身装备的优化设计提供理论依据。

1 实验设计

1.1 实验环境

为避免其他因素的干扰，本文实验在人工气候舱内进行，相对湿度为65%，温度为26 ℃。

1.2 实验对象

从本校女研究生中挑选了4名羽毛球运动的爱好者，并要求中膝围在34～35 cm。所有受试者在实验前均接受问卷调查，确认24 h内未进行任何剧烈运动，且在半年内下肢肌肉和关节没有损伤。选取右腿进行实验，膝围的测量数据如下，测量方式参照鲍尔芬实验室的测量法：受试者站立状态下，右腿向前跨一小步弯曲30°，找到膝盖髌骨的上下界限，以中点向膝关节外侧画一条辅助线，以该辅助线向上14 cm测量一圈的长度为上膝围，以该辅助线向下12 cm测量一圈的长度为下膝围，髌骨中点绕一圈为中膝围，相关数据如下表1所示。

表1 实验对象基本信息

1.3 实验样本

选取市面上某一品牌的不同紧度的针织运动护膝作为实验样本，分别标为护膝1、护膝2、护膝3，与之对应的紧度分别表示为1#、2#、3#,紧度大小关系为3#>2#>1#。3种护膝均符合FZ/T 74001—2013《纺织品 针织运动护具》、GB 18401—2010《国家纺织产品基本安全技术规范》B类安全类别。

1.4 实验设备

压力值的测试设备：Pliance-X-32 型服装压力测试系统(德国 Novel公司)，选用Flexi Force薄膜压力力敏传感器(A201)进行压力测试，这款压力传感器是将施加在传感器薄膜区域的压力转换成电阻值，通过电阻值的变化获得压力信息。Flexi Force超薄型力量感测片具有如纸般薄的厚度，柔软的卷曲性以及耐用性，该感测片厚度为0.208 mm，直径9.53 mm,测量范围在0～1 lbs(4.4 N)，即0～61.716 kPa。

肌电信号的测试设备：Trigno系列表面肌电测试系统(美国DELSYS公司)，支持无线测试，其配备了8个无线EMG传感器，每个传感器内置三轴加速度计，传输范围20 m，信号稳定可靠，采样频率为2 000 Hz。该系统能够将数据流传输到EMG Works采集系统和EMG works Analysis分析系统，并且可以将数据输出到Excel。

其他测量工具：软尺、双臂角度尺、刮毛刀、酒精棉球、镊子、水消笔、电极贴、医用胶带等。

1.5 实验方案

1.5.1 测试点选取

膝关节周围参与运动的肌肉主要有2类：伸膝肌和屈膝肌。屈膝肌主要有股二头肌，半腱肌和半膜肌；伸膝肌主要有股四头肌(股内侧肌、股外侧肌、股中间肌、股直肌)，阔筋膜张肌辅助。结合护膝覆盖区域，选取了股内侧肌、半腱肌和股二头肌作为主要测试肌肉，测试点分布图见图1。传感器固定的参考位置见表2。

表2 无线表面肌电测试传感器固定位置参考

图1 测试点分布图

1.5.2 测试方法

受试者实验当天要求着短裤露出下肢，提前20 min进入气候舱熟悉实验流程，进行拉伸活动和实验前的准备。实验动作：将动作分解为5步，如图2所示，受试者身体站直在起始位(①站立)，右腿为实验腿向前迈出一步触地(②跨步)，右脚触地后做屈膝下蹲动作(③下蹲)，然后做伸膝动作身体重心上升(④蹲起)；最后蹬腿离地使身体回到初始位置(⑤站立)，每步用1 s，整个动作5 s完成。

图2 实验动作5步骤分解图

实验前准备：运行测试系统并进行调试；实验环节分2步进行：压力测试和表面肌电测试。首先进行压力测试，将压力传感器的感测片放置在每块肌肉做好标记点的位置，每5 s为1个动作循环，重复3次，采集15 s的数据，所有受试者均采用右腿为实验腿，分别佩戴3种护膝进行实验。

压力测试结束后休息10 min,再进行肌电测试，根据上诉肌肉分布特点用水消笔做好标记，并用刮毛刀清除标记点部位的毛发，进行酒精消毒。在传感器上贴好电极贴后再固定好，采用对照组(即不佩戴护膝)进行实验。每次实验仍以5 s为1个动作循环，采集不佩戴护膝和分别佩戴每种护膝时每块肌肉的肌电信号。

2 结果与分析

2.1 紧度与压力值、肌电值的相关性分析

适度的紧度对防护部位有积极的防护效果，在运动中不同紧度的护膝对每块肌肉的束缚产生的压力值也有差异，通过计算肌肉积分肌电值、均方根等肌电指标，统计学方法采用单因素方差检验(p<0.05)、LSD(Least Significant Difference，最小显著性差异)多重比较,并绘制字母标记法的柱状图中对结果进行可视化处理，柱状图越高表示紧度对压力值的影响越大。紧度-压力单因素方差分析可视图见图3字母标记的含义：标有相同字母的柱状图表示具有统计学意义，标有不同字母的柱状图表示不具有统计学意义。结果表明：紧度与压力的相关性分析中，组间相关性最显著的是股内侧肌和股二头肌，即在股内侧肌和股二头肌处紧度显著影响了该处的压力变化；如图3在组内相关性中，佩戴护膝1、护膝2、护膝3时，股内侧肌压力值柱状图都有相同的字母a，表示紧度变化对股内侧肌处的压力影响显著，紧度越大，压力值越大；在佩戴护膝1和护膝2时，股二头肌压力值柱状图有相同字母b,表示紧度1#和紧度2#对该处肌肉压力具有显著差异。

图3 紧度-压力单因素方差分析可视图

紧度-RMS单因素方差分析见图4。在紧度与均方根值(root mean square，RMS)的组间相关性中，半腱肌、股内侧肌和股二头肌之间具有显著性，从图4可以看到在佩戴护膝1、护膝3时，半腱肌均方根值的柱状图标有相同字母a,表示紧度1#和紧度3#对半腱肌RMS的影响显著，且在紧度3#时半腱肌的RMS达到最大值。以此类推，紧度1#和紧度3#对股内侧肌RMS的影响显著，且在紧度3#时该处RMS值下降；在佩戴护膝1时，股二头肌均方根值柱状图分别与佩戴护膝2、护膝3时有相同的字母f、g，表示该处肌肉在紧度1#时的RMS值分别和紧度2#、紧度3#时的RMS值具有显著差异，但紧度2#和紧度3#的RMS值之间无显著差异。

图4 紧度-RMS单因素方差分析

紧度-IEMG单因素方差分析见图5。在紧度与积分肌电(integrete EMG，IEMG)的组间相关性中，半腱肌和股二头肌之间具有显著差异。由图5可知，在佩戴护膝1、护膝3时，半腱肌的积分肌电柱状图有相同字母a，即紧度3#和紧度1#时对半腱肌IEMG值影响显著，且在紧度3#时该处IEMG值达到最大值；在佩戴护膝1时，股二头肌的积分肌电柱状图分别和佩戴护膝2、护膝3时有相同字母f、g，即该处肌肉在紧度1#时的IEMG值分别和紧度2#、紧度3#的IEMG值影响显著，但紧度2#和紧度3#的IEMG值之间无显著影响。

图5 紧度-IEMG单因素方差分析

2.2 紧度对肌肉活动的影响

2.2.1 紧度对RMS值的影响

根据表面肌电频域分析指标可知，RMS是肌肉收缩或放松时的肌电值，RMS值增加表明肌力水平的增强，RMS值与肌力大小成正比[11-12]。不同紧度对肌电均方根值的影响见图6,如图6所示，在不同紧度护膝对膝部周围肌群(股内侧肌、半腱肌、股二头肌)表面肌电均方根值的影响对比图中，0#表示不佩戴护膝，1#、2#、3#表示护膝的紧度。如图6所示，不同紧度对3块肌肉肌电均方根值的影响有显著差异。如图6(a)所示，股内侧肌RMS值与护膝紧度成反比，随着紧度的增加，股内侧肌的RMS值在减少，表明随着紧度的增加，股内侧肌的肌力在下降；由图6(b)可知，半腱肌的RMS值与护膝紧度成正比，紧度增加，半腱肌的肌力增强；由图6(c)可知，股二头肌的RMS值先增后减，由低紧度增加到中紧度时，股二头肌肌力水平增加，当紧度增加到高紧度时，肌力水平开始下降，说明中紧度相对于其他紧度能更好维持股二头肌的肌力水平。

图6 不同紧度对肌电均方根值的影响

由以上分析可知，佩戴高紧度的护膝3时，股内侧肌的肌力会小幅下降，但会使半腱肌的肌力增加，中紧度的护膝2对股二头肌的肌力影响较为明显。

2.2.2 紧度对IEMG的影响

根据表面肌电频域分析指标可知，IEMG(积分肌电值)是在一定时期内肌肉中参加活动的运动单位的放电总量，放电量越大，表示运动中被测肌肉的活动贡献度越大[11-12]。不同紧度下各肌肉积分肌电值对比见图7。由图示出，不同紧度对各肌肉积分肌电值大小的影响存在显著差异。图7中股内侧肌在运动过程中，IEMG的值变化趋于平缓，紧度大小对IEMG值影响不大。半腱肌：如图7(a)所示，紧度1#在④蹲起位IEMG值达到最大，在图7(b)中紧度2#时，在②跨步位和④蹲起位IEMG值达到最大，且由图7(c)可知紧度越大，IEMG值越大。股二头肌：由图7可知，在实验过程中，随着紧度的增加，受试者由①位到④位运动时，IEMG值会上升，随后下降，且在中紧度2#时表现明显，如图7(b)所示。

图7 不同紧度下各肌肉积分肌电值对比

图8为各肌肉在不同紧度下的积分肌电值对比。在佩戴紧度1#护膝时，股内侧肌的放电量最大，活动贡献度依次为:股内侧肌>半腱肌>股二头肌；在佩戴紧度2#护膝时，股内侧肌的放电量最大，活动贡献度依次为:股内侧肌>半腱肌>股二头肌；在佩戴紧度3#护膝时，半腱肌的放电量最大，活动贡献度依次为:半腱肌>股内侧肌>股二头肌。由此可见，股内侧肌在该运动过程中积电总量最大，活动贡献度最大，其次是半腱肌、股二头肌。

图8 不同紧度下对各肌肉积分肌电值的影响

3 结束语

本文从膝部紧身装备对肌肉活动的影响出发，以羽毛球中的弓箭步动作作为实验动作，选定膝部参与运动的股内侧肌、半腱肌、股二头肌作为研究对象，采用肌电学的实验方法，探究了膝部在佩戴不同紧度的护膝时，对各块肌肉活动特征的影响。

实验结果分析显示佩戴高紧度护膝不会使股内侧肌的肌力增加，且紧度增加不会影响到该处肌肉放电量的大小；护膝紧度增加有助于增强半腱肌的肌力，且在佩戴高紧度护膝时，半腱肌在跨步和蹲起动作中的放电量显著增加；股二头肌在佩戴中等紧度护膝时肌力水平和放电量都达到最佳水平。因此，对紧身防护装备生产企业而言,在设计运动护膝时,建议对股内侧肌施加合适的中低度紧身压迫，对半腱肌应施加高度紧身压迫，对股二头肌则应施加中度紧身压迫，以使各块肌肉维持较好的肌力水平，在运动中更好的发挥作用。