运动速度及文胸支撑强度对乳房运动的影响

郭路清 吴巧英

摘要： 为探究在运动中不同支撑强度文胸对乳房晃动的影响，本文选择3名75C罩杯女性和3件不同支撑强度文胸，利用QUALISYS动态捕捉仪采集了受试者在3种运动速度下的乳房位移数据。通过建立躯干坐标系，获得乳房相对躯干的位移，并运用SPSS进行统计分析。结果表明：随着运动速度的增加，乳房相对位移极差在X、Y、Z方向上均随之增大，且当速度从6 km/h增加到8 km/h时，乳房在Z方向上的增幅约为X方向的2倍;相较于普通文胸，高支撑运动文胸可减少乳房X、Y方向上约30%～50%的晃动，Z方向约20%～40%，总体优于中支撑运动文胸约5%～15%。对C罩杯女性而言，运动时穿着高支撑运动文胸可有效减小乳房三维晃动幅度，尤其是前后和左右方向的晃动。

关键词： 运动速度;支撑强度;乳房晃动;三维动态捕捉;躯干坐标系;相对位移极差

中图分类号： TS941.17

文献标志码： A

文章编号： 1001-7003（2023）04-0080-08

引用页码：

041111

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2023.04.011（篇序）

随着自律、健康、体态美等观念的传播，越来越多女性开始积极投身于健身运动。然而由于乳房没有骨骼和肌肉的支撑，运动会导致乳房晃动，并拉扯皮肤和结缔组织［1-2］，使人产生生理上的不适和疼痛感，且这种影响与运动剧烈程度、罩杯大小及乳房晃动幅度呈正相关［3-4］。据研究显示，有超80%的大胸女性（>B罩杯）在运动中有乳房不适或疼痛经历，其中超过50%的调查对象认为是运动和文胸穿着不当导致的［5-6］，而在运动中穿着合适的运动文胸可使其得到有效缓解［7］。因此，很有必要研究不同运动强度下的乳房运动规律，为具有较好乳房运动舒适性的文胸产品的设计研发提供理论依据。

研究显示，依据运动的强度种类和罩杯大小可将运动文胸分为低、中、高支撑强度［8-9］，一般低支撑强度文胸是针对胸部偏小的A罩杯女性或进行瑜伽、步行等低强度运动而设计的;中支撑强度文胸适用于胸部较大的女性或竞走、慢跑、骑行等运动;高支撑强度文胸适用于快速跑、拳击、跳绳等运动

幅度较大的训练，对文胸的包裹性、面料及热湿性有更高的要求。但针对不同支撑强度文胸是否会影响乳房运动稳定性及其影响程度的研究比较有限，以至很多女性对运动文胸缺乏了解，在运动时，仍穿着普通文胸或紧身衣来代替运动文胸［10］。综上，本文以C罩杯年轻女性为实验对象，利用三维动态捕捉系统，研究在不同运动速度下，分别穿着普通文胸、中支撑运动文胸和高支撑运动文胸时，乳房不同部位在X、Y、

Z方向上相对位移极差的差異，进一步量化运动文胸对乳房所提供的生物力学支撑性能，以期为运动文胸的开发设计和消费者的合理选购提供指导。

1 实验与方法

1.1 对象和样衣

1.1.1 对 象

本文实验对象为3名体型接近、乳房尺寸为75C的未婚健康女性，无妊娠或哺乳经历。被试者基本信息如表1所示。

1.1.2 样 衣

基于对普通文胸和运动文胸的市场调研，本文选择了李宁品牌推荐的2款运动文胸和1款Ubra普通（软支撑）文胸，尺寸均为M码，适合75C罩杯女性穿着，款式如图1所示。文胸功能、成分、下围尺寸等如表2所示。

普通（软支撑）文胸为具有一定支撑能力但不会使乳房产生较大变形的无钢圈背心式文胸P-0。中支撑运动文胸为具有下围弹力带，单层弹性面料的适用于竞走、骑行等运动的文胸Y-Ⅰ。高支撑运动文胸为适用于跑步、球类、拳击等运动设计的双层带网眼面料的文胸Y-Ⅱ，2款运动文胸均为工字形结构。

1.2 动作捕捉实验

1.2.1 测试设备

QUALISYS三维动态捕捉系统被用于获取测试点位的三维运动轨迹。三维动作捕捉系统基于光学原理，利用粘贴在物体表面的被动Marker球，通过反光捕捉获得该标记点在运动中每一时刻（每0.01 s捕捉一次）的三维坐标，通过对坐标点的处理，得到其三维运动轨迹。测试场地中间放置一台优步YB-521DL跑步机，周围环绕9个Oqus500+高速视频运动捕捉摄像机。其他辅助工具有卷尺、记号笔、医用胶带等。

1.2.2 标记点的选取

前人研究表明人体左右乳房运动趋势相似［11］，故本文选择左乳房进行研究，选取乳头点（B1）、乳头点正上侧5 cm（B2）、乳头点正外侧5 cm（B3）、乳头点正下侧5 cm（B4）及乳头点正内侧5 cm（B5）共5点代表乳房运动。

乳房运动涉及乳房自身运动和人体躯干运动。尽管乳房自身运动是引起乳房不适的主要原因［12］，但其位移数据无法由动捕设备直接测得，因此，还需要在人体上选择参考点来代表躯干运动，以排除躯干6个自由度的运动［13］，将乳房自身运动与躯干运动分离开来。由于乳房位置受躯干前倾弯曲、身体扭转及呼吸作用的影响，在选择可代表躯干运动的参考点时，应尽量选择与骨骼运动、胸廓运动一致的躯干参考点，以获取较为精确的乳房位移数据。国家生物力学协会认证人体胸部中线处的胸骨上切迹点及剑突点可以相对准确地代表胸廓运动规律［14］，而左肋弓下缘可较为准确地代表骨骼运动［15］，且这3点分别位于乳房的内上侧、内侧和下侧，为3个独立非共线点，构成了乳房和躯干的分割平面。因此，本文选取了胸骨上切迹点（Oa）、剑突点（Ob）及左肋弓下缘（第十根肋骨下缘，与BP点对齐）（Oc）共3点作为躯干运动参考点，建立冠状面躯干坐标系。乳房点及躯干点的标记位置如图2所示。8个标记点应同时测量，以减少实验误差。

1.2.3 测试过程

首先对三维动作捕捉系统进行校正，并告知受试者在走路和跑步实验过程中应注意的事项，避免因姿势不符常态或出现多余动作而导致实验误差。然后让受试者先自主进行5 min拉伸运动，热身运动过后依次换上实验文胸，并在8个标记点处粘贴被动Marker球。接着让受试者在跑步机上分别以4 km/h（快走）、6 km/h（慢跑）、8 km/h（快速跑）的速度进行走路或跑步运动，待运动速度稳定后，采集15 s数据，截取其中采集率为100%的5 s数据作为实验数据，每款文胸在每种速度下的实验均重复3次。

1.3 相对坐标系的建立

由动态捕捉系统直接获得的三维坐标数据为各标记点在大地坐标系下的三维运动轨迹，因此需要通过建立相对坐标系，将大地坐标系下的乳房运动数据转化为相对躯干的位移数据。

1.3.1 确定相对坐标系方向

以躯干标记点Oa、Ob、Oc三个点确定相对位移坐标系i，规定Ob为坐标原点，相对坐标系方向如图3所示。ObOa确定Z轴方向，代表垂直方向，记为z→，向上为正，向下为负;三点确定平面法向量nx=ObOa×ObOc为X轴，代表前后方向，记为x→，向后为正，向前为负;根据向量叉积的右手定则XOZ面的法向量ny=nx×ObOa为Y轴，代表左右方向，记为y→，向右为正，向左为负。

1.3.2 坐标转换

运用空间向量理论建立相对位移坐标系后，得到的新三维坐标系由三个可计算得到的面构成，分别为XOY面、XOZ面和YOZ面。利用点到面的距离公式，计算乳房各点分别到

三个平面的距离，即可得到乳房各点的相对坐标。

设人体运动过程中的某一时刻，躯干3点坐标为（Oa（Xa，Ya，Za）、Ob（Xb，Yb，Zb）、Oc（Xc，Yc，Zc），则有：

z→=ObOa=（Xa-Xb，Ya-Yb，Za-Zb）（1）

XY面的点法式方程为：

（Xa-Xb）（X-Xb）+（Ya-Yb）（Y-Yb）+（Za-Zb）（Z-Zb）=0（2）

以乳头点B1（X1，Y1，Z1）为例，在新的躯干坐标系i中，B1点在Z轴的相对坐标为：

Zi=（Xa-Xb）（X1-Xb）+（Ya-Yb）（Y1-Yb）+（Za-Zb）（Z1-Zb）（Xa-Xb）（Xa-Xb）+（Ya-Yb）（Ya-Yb）+（Za-Zb）（Za-Zb）（3）

Xi、Yi计算原理同上，乳房其余点的相对坐标计算也同上。由于人体是持续运动的，所以运动周期中每个时刻都要进行计算，最终可得到乳房各点相对位移数据。

2 结果与分析

2.1 数据处理

首先对乳房和躯干各标记点的所有原始数据进行预处理，通过去除明显错误和异常的数据，平滑其三维运动轨迹。然后根据3个躯干点的三维坐标数据建立新的躯干坐标系（相对坐标系），接着将乳房5点的所有三维坐标数据分别带入1.3.2的公式中进行计算，便可得到乳房各点相对于躯干的位移数据，即相对位移。

乳房相对位移极差为1个稳定周期（5 s）内相对位移的最大值与最小值之差，3次重复实验所得数据的均值作为乳房相对位移极差测试结果。以Z方向为例，在新的躯干坐标系下，相对位移最大值代表了乳房各点向上运动的最大位移，最小值代表了其向下运动的最大位移。因此，相对位移极差值的大小可以反映乳房的晃动幅度。极差值越大，说明乳房位移幅度越大，乳房晃动越剧烈，表明文胸对乳房的减震效果越差［16］。计算3位受试者的3款文胸×3种运动速度×3个方向×5个标记点下的乳房相对位移极差平均值，如表3所示。

2.2 数据分析

2.2.1 多因素方差分析

选择运动速度n（3个水平）、文胸支撑强度m（3个水平）、乳房测量点位置l（5个水平）作为自变量，X、Y、Z方向的乳房相对位移极差为因变量，使用SPSS 22.0对数据进行多因素方差分析，显著水平为0.05。结果显示：X、Y方向因素n，m和l检验结果均为P<0.01;Z方向因素n和m为P<0.01，因素l为P<0.05;说明运动速度、文胸支撑强度及乳房测量位置对乳房在X、Y、Z三个方向上的相对位移极差均存在显著影响;且X方向运动速度×测量点存在交互作用（P<0.05）;Y方向运动速度×测量点，文胸支撑强度×测量点分别存在交互作用（P<0.05）。说明X方向上，乳房5个测量部位相对位移极差值的大小受运动速度的影响，Y方向则分别受到运动速度和文胸支撑强度的影响。综上可知，乳房5个测量点间的相对位移极差存在显著差异，即

在研究乳房运动时，不可仅取乳头点来代表整个乳房的运动规律。

2.2.2 不同运动速度对乳房X、Y、Z方向位移的影响

1） X方向。3种运动速度下乳房相对位移极差及两相邻速度间的差值如图4所示。由图4可知，运动速度的增加会导致乳房前后晃动愈加剧烈。在4 km/h和6 km/h的运动速度下，乳房5点相对位移极差均无明显差异，且当运动速度从4 km/h增加到6 km/h时，乳房5点相对位移极差变化具有一致性，均有不到5 mm的增幅;而从6 km/h变化为8 km/h时，乳房5点位移极差值的增幅存在显著差异（P<0.05），即B1、B3、B5点位移（約10 mm）显著大于B2、B4点处位移（约5 mm）。通过直观比较三种文胸，发现运动文胸可有效控制乳房晃动，且高支撑运动文胸表现较优，但B1、B3、B5点处位移始终保持偏大。由此可见，乳房乳头点及其水平线上位置的前后晃动在高速运动下会更加剧烈。

2） Y方向。3种文胸在不同运动速度（4、6、8 km/h）下乳房5点相对位移极差及两相邻速度间的差值如图5所示。由图5（a）可知，随着运动速度的增加，乳房5点相对位移极差值随之增加。相较于4 km/h，在6 km/h时乳房5点相对位移极差值均有不到5mm的增幅，5点间差异不明显（P>0.05）;而当运动速度从6 km/h增加到8 km/h时，乳房5点相对位移极差明显增大，且B1、B4、B5点处相对位移极差明显大于B2、B3（P<0.05），分析认为这是由于软支撑文胸对乳房的包裹作用较弱，使得乳房上过乳头点的竖直线及其内侧部位在跑步过程中左右晃动较明显。

比较图5可知，相对于普通文胸（P-0），穿着运动文胸（Y-Ⅰ和Y-Ⅱ）不仅能够有效减小乳房左右晃动，还使得乳房5点的左右晃动差异有所减小，表明运动文胸可在一定程度上增加乳房5点运动的一致性和稳定性。

3） Z方向。图6展示了穿着3种支撑强度文胸在4、6、8 km/h的运动速度下，乳房5点相对位移极差值随速度变化呈现的共同规律：运动速度从4 km/h增加到6 km/h时，乳房5点位移变化基本一致，也均明显小于5 mm;而当运动速度增加到8 km/h时，乳房上下晃动明显加剧，而乳房5点相对位移极差的增幅差异较小，穿着P-0时增幅约为14 mm，Y-Ⅰ时约为13 mm，Y-Ⅱ时约为12 mm。

综上，运动速度越大，乳房晃动越剧烈，而文胸支撑强度的提高对乳房有明显控制保护作用。当运动速度从4 km/h增加到6 km/h时，乳房在三个方向的位移幅度变化普遍低于5 mm;而从6 km/h增加到8 km/h时，乳房5点在X、Y、Z方向的增幅约在5～15 mm，不同方向位移增幅大小依次为Z>Y>X，其中Z方向增幅约为X方向的2倍，但X、Y方向不同测量点之间相对位移极差值的差异性更加明显。

2.2.3 不同支撑强度运动文胸对乳房减震效果比较

为进一步量化穿着不同支撑强度运动文胸在不同速度下的乳房运动差异，求取3名受试者在4、6 km/h和8 km/h的运动速度下，相较于穿着P-0，分别比较穿着Y-Ⅰ或Y-Ⅱ时，乳房各点在X、Y、Z方向上的相对位移极差减少百分比的平均值，结果如图7所示。相对位移极差减少百分比（S）为：

S/%=d0-dd0×100（4）

式中：d0为穿着P-0时乳房各点的位移极差值，d为穿着Y-Ⅰ or Y-Ⅱ时乳房各点位移极差值。

相对位移极差减少百分比越大，表明运动文胸减震效果越好［17］。

由图7（a）可知，在4 km/h下，穿着Y-Ⅰ时，X、Y方向乳房5个测量点位移幅度平均减小了约35%，其中B2和B3点在左右方向的相对位移极差减少百分比最大，B1、B4和B5点在前后方向的晃动得到了更好的控制，尤其是B1点处;Z方向平均减小约25%，低于X、Y方向。而穿着Y-Ⅱ时，B5点在Y方向减小幅度明显低于其他测量点，这是由于运动文胸对乳房的提拉和聚拢效果突出，乳房内侧B5点处更加丰满，导致其稳定性降低;其余乳房测量点在各方向上的位移减少百分比均高于Y-Ⅰ近15%，减震效果显而易见。

图7（b）所显示的Y-Ⅰ、Y-Ⅱ对乳房不同测量点的减震作用与图7（a）相似，Y-Ⅱ对乳房的保护效果仍优于Y-Ⅰ，且2款运动文胸均对乳房在Y方向上的晃动起到了更好的控制作用，尤其是靠近乳房外侧的B1、B2和B3点处，这说明较强包裹性的运动文胸可一定程度上减小乳房的左右晃动。但相较于4 km/h，在6 km/h速度下穿着Y-Ⅱ时，Y方向位移减少百分比总体下降了近10%，这说明在由快走（4 km/h）到慢跑（6 km/h）时，乳房左右晃动加剧，导致Y-Ⅱ对乳房的减震效果有所减弱。

由图7（c）表明，在8 km/h时，Y-Ⅱ对乳房5点的减震效果仍略优于Y-Ⅰ。穿着Y-Ⅱ时，乳房5点在X、Y方向上的相对位移极差减少百分比差别不大，均约为30%;Z方向约为20%。而穿着Y-Ⅰ时，X方向上乳房5点相对位移极差减少百分比约在15%～25%不等，Y方向位于乳房外侧的B3点最大，约为25%，B2最小;Z方向上乳房5点位移极差减小百分比基本一致，约为15%。进一步对比在4 km/h和6 km/h速度下运动文胸对乳房的减震效果，8 km/h运动速度下穿着Y-Ⅰ或Y-Ⅱ时，乳房各方向的位移减少百分比均降低了约10%～20%。由此可见，随着运动速度的增加，乳房晃动越加剧烈，而运动文胸对乳房运动的控制作用是有限的。

综上可知，穿着运动文胸可对乳房运动起到较好的减震效果，且在任意速度下，高支撑强度文胸（Y-Ⅱ）均優于中支撑强度文胸（Y-Ⅰ）对乳房的减震效果。另外在中低速运动时，运动文胸对乳房左右晃动和前后晃动的控制效果突出，而当速度增加到8 km/h时，乳房运动幅度增大，运动文胸对乳房的减震作用会有所降低。因此，在运动时尽量选择对乳房保护减震效果较好的运动文胸，尤其是在进行高强度运动时，以防止乳房在运动中损伤。对于设计者而言，应对运动文胸对乳房的减震效果进行充分研究测试，在研发运动文胸时，不仅仅是通过增强文胸的紧身包裹度来提高文胸的支撑强度，还需更加注重文胸的结构设计，以进一步提高文胸对乳房上下晃动的控制作用。

3 结 论

为评价人体运动时运动速度及文胸支撑强度对乳房运动的影响，本文选取了3种支撑强度运动文胸，利用三维动态捕捉系统获取3名受试者在3种运动速度下走或跑的乳房位移，并通过建立躯干坐标系得到乳房相对位移，分析后得出以下结论。

1） 乳房不同部位的相对位移极差存在不一致性，且其大小关系受速度和文胸类型的影响。说明研究乳房运动时应该测试多个部位，根据实际情况分析乳房运动，不能一概而论地以乳头点代表整个乳房运动。

2） 比较不同速度下的乳房三维运动，3个方向位移幅度始终保持Z>Y>X;从4～6 km/h，乳房晃动程度变化较小，而当速度达到8 km/h时，乳房各点在3个方向上运动均明显增大，Z方向增幅约为X方向的2倍。

3） 通过比较不同支撑强度文胸为乳房的减震效果，发现同一运动速度下，穿着运动文胸可明显减少乳房在3个方向上的位移幅度，对Y、X方向控制作用更突出;且随着文胸支撑强度提高，对于乳房运动的减震效果增强，同时对乳房整体运动的稳定性也有所控制。

今后研究可进一步增加文胸样本量，扩大研究群体，并可结合主观衡量标准，量化运动文胸对乳房的保护效果，以获得对运动文胸市场的整体了解。这将有助于规范化设计开发高性能运动文胸，同时为消费者合理选购提供依据。

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Effects of movement velocity and bra support condition on breast movement

GUO Luqinga， WU Qiaoyingb

（a.School of Fashion Design & Engineering; b.School of International Education & Zhejiang International Institute of Fashion Technology，Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：

With the wide spread of the concept of national fitness， a growing number of people begin to actively participate in all kinds of fitness sports. Fast walking and running are the most simple and common ways of fitness in life， which are beloved by the majority of females. However， the breast consists of mammary gland， fat and skin， without the hard support of bones. So in the process of physical exercise， the breast will shake violently by gravity and inertia， and pull the skin and connective tissue， making people feel uncomfortable. Whats more， long-term improper exercise will lead to breast ligament strain or even sagging. Especially for females with large breasts， exercise brings more serious impact on breast movement. Sports bras are designed to control excessive breast movement. Although there are many available sports bras with different support conditions in the market， many females do not pay attention to the importance of correctly wearing the bra when exercising. It also shows that the research on the specific effect of sports bras on breast movement is still insufficient.

In order to explore the effects of bras with different support conditions on breast shaking during exercise， three females with a bra size of 75C and similar figures and three bras with different support conditions were selected， and the QUALISYS three-dimensional motion capture instrument was used to collect the displacement data of eight points of subjects at the movement velocities of 4 km/h （fast walking）， 6 km/h （jogging） and 8 km/h （running）. The eight points include the nipple point and the points at the upper， lower， left and right 5cm of the nipple point on the breast site， and the suprasternal notch point， the xiphoid process point and the left anterior inferior rib （the inferior edge of the tenth rib， aligned with the nipple point） on the torso. Among them， the breast displacement data of the five points obtained from the experiment are related to the movement of the breast itself and the motion of the human torso. Through the establishment of the coronal trunk coordinate system， the breast displacement data in the geodetic coordinate system are transformed into the relative displacement data in the new reference coordinate system， that is， the breast displacement relative to the torso. The difference between the maximum value and the minimum value of relative displacement within a stable period （5 s） is called relative displacement differentiation of the breast， and it is statistically analyzed by SPSS. The results show that with the increase of sports speed， the value of relative displacement differentiation of the breast increases in X， Y and Z directions， and when the movement speed increases from 6 km/h to 8 km/h， the increase of the relative displacement differentiation of the breast in Z direction is about twice as much as that in X direction. Compared with the ordinary bra， the high support sports bra can reduce the displacement of the breast by about 30%-50% in the X and Y directions and about 20%-40% in the Z direction， which is generally better than the medium support sports bra by about 5%-15%. For C cup females， wearing a high support sports bra during exercise can effectively reduce the three-dimensional movement amplitude of breasts， especially in the front-back and left-right directions.

Understanding the law of breast movement is helpful to standardize the design and development of high-performance sports bras， and at the same time provides a theoretical basis for reasonable purchase of consumers. In future studies， we can further increase the sample size of bras， expand the research group， and combine with subjective criteria to quantify the protective effect of sports bra on breasts， and get a full picture of the sports bra market.

Key words：

movement velocity; support intensity; breast shaking; 3D motion capture; torso coordinate system; relative displacement differentiation

收稿日期：

2022-07-01;

修回日期：

2023-03-03

基金項目：

浙江省科技厅基金项目（2021C35110）

作者简介：

郭路清（1997），女，硕士研究生，研究方向为服装舒适性。通信作者：吴巧英，教授，bettywu2000@126.com。