膝關節(jié)屈曲角度對壓縮襪壓力分布的影響

師亞楠， 方琦， 任雨佳， 陳郁

(上海工程技術大學 紡織服裝學院，上海 201620)

醫(yī)用壓縮襪是預防、治療下肢靜脈疾病及淋巴血管疾病應用最廣泛的醫(yī)療產(chǎn)品之一，具有可移動性、連續(xù)性治療等優(yōu)勢[1]。治療原理是通過施加自腳踝向上逐漸遞減的梯度壓力，從而加快下肢靜脈血回流速度，以減少靜脈血在肢體遠端瘀滯、積聚的情況，達到預防和治療的目的[2-3]。治療效果的好壞與壓力分布密切相關，在實際應用中影響壓縮襪壓力分布的因素有很多，包括環(huán)境溫度[4]、穿著壓縮襪時長[5]、穿著過程中腿部姿勢[6]以及壓縮襪壓力級別[7]等，其中腿部不同姿勢和壓縮襪的壓力級別均對壓力分布有著重要作用。

壓縮襪所產(chǎn)生的壓力分布會隨著腿部姿勢的改變而變化[8]，從而影響穿著過程中的連續(xù)治療效果。例如，LIU R等[9]研究發(fā)現(xiàn)腿部姿勢的變化對壓力分布有顯著影響，姿勢改變會影響皮膚表面的壓力分布，從而影響壓縮襪治療下肢靜脈疾病的效果；趙艷敏等[10]通過實驗測量發(fā)現(xiàn)，壓縮襪只有在站立姿勢下的壓力值符合壓力梯度分布標準，而坐姿、躺姿的壓力分布均不符合生理需求；倪海燕等[11]在壓力測試過程中發(fā)現(xiàn)各測試點的壓力值隨著腿部姿勢變化而產(chǎn)生波動；宮魯蜀等[12]測量在原地踏步過程中腿部的動態(tài)壓力分布，發(fā)現(xiàn)運動時各測量點的壓力顯著增大且增加幅度有所差異，但材料上只選用了Ⅱ級壓縮襪，未對Ⅰ級、Ⅲ級壓縮襪進行同等實驗；劉藝等[13]研究了不同等級壓縮襪以及蹲姿、站姿、坐姿對小腿圍度的影響，結果表明小腿的圍度受到壓縮襪壓力等級影響，且與人體踝關節(jié)、膝關節(jié)的角度有關。

腿部姿勢和壓縮襪的壓力級別對壓力分布的影響已有初步研究，而關于運動過程中膝關節(jié)多角度變化對壓力分布的研究尚未深入展開，且部分姿勢研究中沒有考慮壓力等級對壓力分布的影響。因此，文中通過測量3種壓力等級的壓縮襪在10個膝關節(jié)屈曲角度下的壓力值，分析膝關節(jié)屈曲角度與壓縮襪壓力級別對腿部壓力分布的影響，為壓縮襪設計提供參考。

1 實驗設計

1.1 實驗材料

選用符合YY/T 0853—2011[14]標準規(guī)定的Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級M號型長筒壓縮襪作為實驗材料，中三院有限公司提供。壓縮襪具體參數(shù)見表1。

表1 壓縮襪參數(shù)

1.2 實驗設備

Novel PlianceX服裝壓力測量系統(tǒng)、角度計、皮尺，德國Novel公司制造。壓力測量系統(tǒng)采用Flexi Force柔性薄膜傳感器，有效傳感區(qū)域為直徑9.53 mm的圓，線性誤差≤5%[15]。

1.3 選取測量點

人體腿部測量點位置示意如圖1所示。按照FZ/T 73031—2009[16]標準選取人體右腿中的腳踝周長最細處B、跟腱與小腿肌轉變處C、小腿最大周長處D、脛骨節(jié)下端E、大腿中部F及大腿根部G為測量截面，每個測量截面有前、后、內(nèi)、外側4個測量點，共計24個測量點。

圖1 人體腿部測量點位置示意Fig.1 Measurement points of the human leg

1.4 實驗對象

選取6名身體健康且腿型正常[17]的女大學生作為實驗對象，受試者基本信息及描述性統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2和表3。

表2 6名受試者的體型特征

表3 6名受試者腿部截面描述性數(shù)據(jù)

1.5 實驗過程

1.5.1實驗動作 根據(jù)行走的單個步幅周期[18-19]及日常生活中膝關節(jié)不同姿勢，如站姿、坐姿、駕車姿勢等，將實驗的最小膝關節(jié)屈曲角度設為90°，最大膝關節(jié)角度設為180°，實驗過程中膝關節(jié)屈曲角度以10°進行劃分，實驗動作如圖2所示。

圖2 實驗動作示意Fig.2 Schematic diagram of experimental action

1.5.2數(shù)據(jù)采集 在實驗對象熟悉實驗動作后，進行壓力測量實驗。實驗對象穿著M號型Ⅰ級長筒壓縮襪，測量前將壓力傳感器固定在腿部相應的測試點，調(diào)整壓縮襪無重疊、扭曲現(xiàn)象。測量時首先通過角度計調(diào)整實驗對象的膝關節(jié)角度，等待壓力數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，保存平穩(wěn)狀態(tài)下連續(xù)8 s內(nèi)所測量的壓力值。壓縮襪Ⅰ級的壓力數(shù)據(jù)采集完畢后，按相同的步驟采集壓縮襪Ⅱ級和Ⅲ級的壓力值。每組實驗開始前,實驗對象有30 min的休息時間，避免腿部肌肉緊繃造成實驗誤差。

2 結果與分析

2.1 膝關節(jié)屈曲角度對壓縮襪壓力的影響

穿著Ⅲ級壓縮襪，在膝關節(jié)屈曲角度發(fā)生改變時，壓力分布變化如圖3所示。由圖3可以看出，每個測試截面的壓力都會隨著膝關節(jié)屈曲角度變化而發(fā)生波動，在截面B處的壓力值pB波動幅度最大，當膝關節(jié)屈曲130°時取到最大值3.46 kPa，膝關節(jié)屈曲110°時為最小值2.98 kPa，兩者的極差達到0.48 kPa。其余截面壓力波動幅度從大到小依次為：pC(0.61 kPa)>pE(0.56 kPa)>pD(0.51 kPa) >pF(0.39 kPa)>pG(0.34 kPa)。

圖3 Ⅲ級壓縮襪在不同膝關節(jié)屈曲角度下的壓力分布變化Fig.3 Pressure distribution changes of grade Ⅲ compression stockings at different knee joint angles

此外，隨著膝關節(jié)屈曲角度的增大，除截面E，其余各截面壓力的變化趨勢都是先增大后減小，其他截面最大壓力對應的膝關節(jié)屈曲角度是120°～140°，而截面E在膝關節(jié)屈曲100°時壓力最大，為2.41 kPa。

Ⅰ級、Ⅱ級壓縮襪在不同膝關節(jié)屈曲角度下的壓力分布變化如圖4所示。圖4中，穿著Ⅰ級、Ⅱ級壓縮襪的壓力分布規(guī)律與Ⅲ級壓縮襪所呈現(xiàn)的相似，Ⅰ級與Ⅱ級壓縮襪測試截面的最大、最小極差分別為0.39，0.21 kPa和0.44，0.23 kPa。此外，在Ⅰ級、Ⅱ級壓縮襪中，截面E分別在膝關節(jié)屈曲90°和100°時壓力最大，數(shù)值分別為1.49，1.75 kPa。

圖4 Ⅰ級、Ⅱ級壓縮襪在不同膝關節(jié)屈曲角度下的壓力分布變化Fig.4 Pressure distribution changes of grade Ⅰ and grade Ⅱ compression stockings under different knee joint angles

結果表明，穿著同一級別壓縮襪時壓力會隨著膝關節(jié)屈曲角度增大呈先增大后減小的變化趨勢。膝關節(jié)屈曲角度為90°～100°時，截面E的壓力達到最大；在膝關節(jié)屈曲120°～140°時，剩余截面達到最大壓力值。

2.2 不同等級壓縮襪對腿部壓力的影響

不同膝關節(jié)屈曲角度下3種級別壓縮襪在截面B處的壓力如圖5所示。由圖5可知，不同壓力級別的壓縮襪所產(chǎn)生的壓力存在一定的分布規(guī)律，隨著膝關節(jié)屈曲角度的變化，在同一測試截面上3種壓力級別壓縮襪的壓力都呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，其中Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級壓縮襪在截面B處的平均壓力分別為1.67，2.36，3.13 kPa。

圖5 不同膝關節(jié)屈曲角度下3種級別壓縮襪在截面B處的壓力值Fig.5 Influence of three grades of compression socks on the pressure distribution of section B

將Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級壓縮襪在各截面處的壓力值進行平均化處理并作直方圖，具體如圖6所示。由圖6可以看出，各截面Ⅱ級與Ⅰ級的壓力差呈先遞減后增加的變化趨勢，在截面E處的壓力差最小，為0.23 kPa；隨后比較Ⅱ級與Ⅲ級壓縮襪的壓力分布，得出各測試截面的壓力增幅排序為pD(0.95 kPa)>pB(0.77 kPa)>pE(0.7 kPa)>pC(0.34 kPa)>pG(0.29 kPa)>pF(0.11 kPa)。

圖6 不同壓力級別的壓縮襪在各測量截面的壓力Fig.6 Pressure bar graphs of compression stockings with different pressure levels for each measurement section

結果表明，截面D處的壓力增幅最大，為0.95 kPa，說明穿著Ⅲ級壓縮襪時小腿肌肉運動對壓力分布的影響較大；截面F的壓力增幅最小，為0.11 kPa，說明大腿中部肌肉運動對Ⅲ級壓縮襪的壓力變化影響較小。

2.3 膝關節(jié)屈曲角度對壓力梯度分布的影響

當穿同一等級壓縮襪，膝關節(jié)處于不同屈曲角度時，不同部位的壓力梯度不同[20]。YY/T 0853—2011規(guī)定的壓縮襪壓縮等級及力系范圍見表4。Ⅱ級壓縮襪在不同膝關節(jié)屈曲角度下壓力與壓力分布見表5。

表4 YY/T 0853—2011規(guī)定的壓縮襪壓縮等級及力系范圍

表5 Ⅱ級壓縮襪在不同膝關節(jié)屈曲角度下壓力與壓力分布

結合表3，由表5可以得出以下結論：①膝關節(jié)屈曲150°，160°，180°時，壓力分布不符合人體腿部自踝部向上逐步遞減的規(guī)律，其他角度都符合；②膝關節(jié)屈曲140°時，pC∶pB大于相應標準規(guī)定；③膝關節(jié)屈曲110°時，pD∶pB大于相應標準規(guī)定；④膝關節(jié)屈曲120°～140°時，pE∶pB符合相應標準規(guī)定，其他角度均不符合。同理，Ⅰ級、Ⅲ級壓縮襪可以得出類似結論。

3 結語

文中根據(jù)FZ/T 73031—2009標準選取人體腿部6個測量截面，前、后、內(nèi)、外側4條測量縱線，共24個測量點。在膝關節(jié)屈面角度變化以及不同壓力等級壓縮襪的基礎上，對測量點進行壓力測試，分析膝關節(jié)屈面角度變化對不同等級壓縮襪壓力分布規(guī)律的影響。

研究表明，在同一姿勢下，不同壓力等級壓縮襪對各截面壓力變化趨勢的影響較小，但對壓力的影響顯著，且人體腿部的脛骨節(jié)下端截面E在膝關節(jié)屈曲90°～100°時壓力最大，其余各截面在膝關節(jié)屈曲120°～140°時壓力最大；穿著同一等級壓縮襪時，隨膝關節(jié)屈曲角度變化，壓縮襪對各截面壓力分布有不同的影響，各截面壓力增幅不盡相同；同一等級壓縮襪，截面E處大多均不符合壓力梯度標準，截面C，D在膝關節(jié)屈曲140°，110°時，不符合壓力梯度標準，其余均符合。

為使壓縮襪得到更好應用，可針對測得的壓力指標進行改良，在研發(fā)過程中應考慮到膝關節(jié)多角度的影響，確保壓縮襪在膝關節(jié)不同屈曲角度下壓力分布的合理性，符合人體生理需求。