功能性護腰的研究進展

劉芝芹，覃 蕊,2

(1.青島大學 紡織服裝學院，山東 青島 266071；2.生態(tài)紡織省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266071)

據(jù)調查，1990—2015年間因老齡化和人口增加，腰痛(LBP)導致的殘疾人數(shù)增加了54%，其中腰部損傷人群在低收入群體和中等收入國家增幅最大且增幅更為迅速[1]。根據(jù)國家統(tǒng)計局《中國統(tǒng)計年鑒》和《中國人口和就業(yè)統(tǒng)計年鑒》，我國老年人口規(guī)模居全球前列，且呈現(xiàn)繼續(xù)擴大態(tài)勢，老齡化人群的快速增長使腰痛成為亟待解決的問題[2]。在青少年群體中，腰痛的平均患病率為40%[3]。Wu[4]分析了204個國家的腰痛發(fā)病率和患病率，結果顯示從1990—2019年，全球腰痛發(fā)病率、患病率、DALYs(傷殘調整壽命年)呈上升趨勢，分別增加了50%、47%、47%，而中國是這3項上升最多的3個國家之一。

腰部是連接人的上半身和下半身的樞紐，具有支撐身體的作用，因此腰部健康問題逐漸引起人們的重視。Foster等[5]認為，腰痛應該在初級保健時加以有效控制。腰痛產生的原因具有多樣性，其治療通常從自我護理和藥物治療開始，并結合非藥物的方法，如物理治療等[6]。隨著人們對于腰部防護意識的逐漸增強，腰部護理產品不斷出現(xiàn)。目前，護腰按照功能性主要分為：普通保暖護腰、自發(fā)熱護腰、電熱護腰、遠紅外護腰、高性能高位護腰等[7]。目前市面上的護腰產品對于腰部防護起到了一定的積極作用，但護腰仍存在舒適性較差、功能不全面、結構設計不合理等問題。著裝后護腰存在壓力分布不平衡、防護功能較差等現(xiàn)象，需要通過護腰壓力分布研究及結構設計改良對其舒適性能、結構性能及防護性能進行優(yōu)化和改進。

本文通過對國內外有關功能性護腰的研究文獻進行分析，總結了功能性護腰的基本類型，概括了功能性護腰在醫(yī)療保健領域和運動領域的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了目前功能性護腰存在的問題和不足，提出了通過對護腰新材料的選擇、護腰智能化發(fā)展、基于人體結構的護腰壓力分布合理化研究等方面對功能性護腰進行發(fā)展趨勢預測，以期使護腰的發(fā)展朝著智能化、個性化、舒適性、功能性方向發(fā)展。

1 腰部防護用品概述

1.1 腰部防護產生的背景

當前導致腰部受損的原因大致分為2類：一是姿勢原因，腰部損傷大多是由于坐姿不正確導致的。目前，越來越多的人群長期從事伏案工作，久坐導致腰部受力過多，腰部肌肉長期處于疲勞狀態(tài)，腰椎處于不自然狀態(tài)極易導致腰椎曲度發(fā)生病變，進而造成腰間盤突出等腰部疾病。二是年齡原因，隨著年齡的增長，大多數(shù)人群的腰椎神經壓迫癥狀也會隨之增多，腰間盤退行性病變較易發(fā)生，容易感到腰部疼痛進而受到損傷。李文生[8]發(fā)現(xiàn)腰痛主要源于腰肌勞損、椎骨退變和腰椎骨質增生。劉延青等[9]研究發(fā)現(xiàn)，39～49歲人群有腰痛癥狀的比例最大，占16.82%。調查發(fā)現(xiàn)，0～24歲年齡段與25～49歲年齡段中，影響DALYs的前10名原因中腰痛排第4位[10]。

為了減少腰部損傷，目前治療方法主要包括：運動療法、輔助用具治療、物理治療等[11]，其中輔助用具治療主要依靠護腰的使用[12]。

1.2 腰部防護用品的特性

1.2.1 功能性護腰的材料特性

在護腰的功能性分類中，普通保暖護腰最基本的功能是保暖，材料大多為羊絨和棉，其保暖性能優(yōu)良，但功能較為單一，不能很好地滿足使用者的其他功能需求，且穿著季節(jié)單一。自發(fā)熱護腰是在不同保暖護腰的基礎上進行自發(fā)熱，材料多采用磁石或活性炭，滿足人們對于護腰發(fā)熱時長的需求。但自發(fā)熱護腰存在不能長時間持續(xù)性發(fā)熱、磁石或活性炭的發(fā)熱時長較固定等問題，在一定時長之后會出現(xiàn)發(fā)熱性能降低的問題。電熱護腰是在普通護腰的基礎上通過加入碳纖維發(fā)熱體進行發(fā)熱，其缺陷是發(fā)熱溫度不均勻，使用效果很難達到預期。

隨著護腰的發(fā)展，護腰的功能性不斷增強，石墨烯開始廣泛應用于護腰的生產制作。姜新生等[13]研究發(fā)現(xiàn)，將石墨烯遠紅外智能理療護腰(護膝)貼敷在患處，對于減輕疼痛、改善癥狀方面有顯著效果。石墨烯的遠紅外特性使其可以直接對人體的神經以及微循環(huán)系統(tǒng)產生功效，可以有效促進人體新陳代謝，提升人體機能，并取得了較好的臨床效果。Anders等[14]在分析彈性腰部支撐帶的被動穩(wěn)定特性后發(fā)現(xiàn)，腹部肌肉的功能在急性背痛中起著關鍵作用，且實驗結果表明使用腰部支持撐帶后，所有患者的疼痛程度均有所降低，功能障礙有所改善。

以上關于護腰的研究主要從護腰的材料方面出發(fā)，通過材料的優(yōu)化改良使護腰具有緩解腰部疼痛、改善腰部癥狀等效果。

1.2.2 功能性護腰的著裝舒適性

在護腰的使用過程中，人體著裝后的舒適性是重要的參考指標。護腰的著裝舒適性主要體現(xiàn)為透氣性、熱濕舒適性以及壓感舒適性。

在護腰的使用中，透氣性是保證著裝舒適性的重要因素?；A性保暖護腰、自發(fā)熱護腰和電熱護腰因為材質問題極易導致透氣性差，使得護腰的使用在時間上存在限制，而石墨烯護腰以及高性能護腰在材質上注重透氣性同時兼具保溫性，滿足了人體的著裝舒適性需求。護腰除了具有優(yōu)良的透氣性，還應具備良好的熱濕舒適性能。當人體大量出汗或身處高濕環(huán)境時，服裝面料會被浸濕，使人產生潮濕感，嚴重影響服裝的保暖性能的同時，也會影響透氣性能[15]。在護腰的使用過程中，護腰產生的潮濕感不但會影響護腰的舒適性，其功能性也會大打折扣。服裝的壓感舒適性也會影響護腰的穿著效果，恰當?shù)姆b壓力會促進靜脈血液回流心臟[16]，有利于人體健康。護腰的壓力過小，達不到防護的效果，而壓力過度又會影響人體新陳代謝、器官功能，易產生疲勞感[17]，因此如何平衡功能性與壓感舒適性之間的關系是護腰結構優(yōu)化的重點。

1.2.3 腰部防護用品的功能特性

隨著科技的發(fā)展，護腰的功能性也在不斷完善，以滿足人們的多樣化需求。目前市面上的護腰產品大多具有加壓、治療、支撐、保溫、監(jiān)測等功能。Ludvig等[18]認為腰部安全帶可以通過增加腹內壓來提升脊柱穩(wěn)定性，且不會增加脊柱的壓縮負荷，因此該方法可以應用于腰痛患者。孟海濤[19]運用針織全成形技術，開發(fā)壓力恢復型針織護腰，其示意圖如圖1所示。開發(fā)的護腰產品舒適柔軟、貼體合身，而且具有較強的保溫功能，對人體具有護理和治療作用，可以滿足人們對護具的功能性和保健性要求。

圖1 壓力恢復型針織護腰示意圖

對于腰部骨折的人群來說護腰在后期可以對腰部起到一個很好的支撐作用，它可以有效減少腰椎的受力，對于腰部恢復有很好的促進作用。借助科學技術的發(fā)展，護腰開始配備身體監(jiān)測的功能，陳東來等[20]為老人設計了一款護腰，該護腰可以通過APP遠程監(jiān)護老人，APP可以對老人的心率、血壓等其它方面進行監(jiān)測，還設置了提醒吃藥、報警和語音呼救等功能。Lee等[21]對使用智能腰帶是否能改變腰圍這個問題進行研究，分別對佩戴腰帶的實驗群體在第4、8、12周進行實驗記錄，發(fā)現(xiàn)智能腰帶的佩戴能夠減少人的腰圍，所以智能腰帶對人體還具有塑形作用。

2 護腰的功能性應用

2.1 護腰在醫(yī)療保健方面的應用

由于腰部受損原因的多樣化，護腰在醫(yī)療保健領域的發(fā)展較為迅速，且相對較完善。例如女性在妊娠期以及產后時期的腰部受損現(xiàn)象較為普遍且受損程度較深。Backhausen等[22]研究發(fā)現(xiàn)，妊娠20周時有3/4的孕婦存在腰痛，妊娠32周時9/10的孕婦存在腰痛現(xiàn)象。在這些群體中，1/3的女性在20周時伴有中度至重度疼痛，32周時增加到1/2。姜雄春等[23]通過對廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院產科進行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，初產婦產后1、3、6個月腰背痛發(fā)生率分別為 50.37%、43.84%、39.18%。為了緩解妊娠期間出現(xiàn)的PLBP(妊娠期腰痛)，康雪蓮[24]建立了數(shù)字化集合模型，綜合考慮實際情況與模擬需求，實現(xiàn)了孕婦腰部支持帶的數(shù)字化模擬，為腰部支持帶的功效性評價提供了可行性參考。雖然應用于妊娠期和初產婦產后時期的功能性護腰對于緩解女性腰部疼痛起到了一定的效果，但是尚存在差異性較小，不能調節(jié)溫度等缺陷。楊琪等[25]研究發(fā)現(xiàn)，具有保健功能的新型EMS智能護腰可以有效控制溫度并保持適宜的人體熱敷最佳溫度。具有保健功能的新型EMS智能護腰示意圖如圖2所示，EMS智能腰圍采用了新型片材材料，產生的脈沖能夠刺激人體皮下神經，對人體產生積極效用，如改善皮膚、加速人體的新陳代謝和減輕疼痛等，尤其能夠改善痛經以及對剖腹產后女性腹部肌肉的修復，減輕女性的身體壓力。

圖2 保健功能的新型EMS智能護腰示意圖

目前關于孕產婦的腰腹帶產品已經較為成熟，且對于普通人群的功能性護腰產品也有較多的研究成果。魏夢嫻等[26]研究發(fā)現(xiàn)，不良坐姿和缺少日常身體活動是久坐引起腰痛的強預測因子，因此矯姿類護腰可以避免青少年在骨骼發(fā)育期間的脊椎變形。硅樹脂灌注4D打印CNT/PLA預成型體后可顯著提高最終形狀回復率，形狀回復過程中，硅樹脂彈性應變能釋放，可促進預成型體回復至初始形狀，同時明顯提高恢復力，此技術可應用到運動姿勢較為劇烈的護腰佩戴群體中，減少護腰的更換頻率[27]。Novak等[28]研究發(fā)現(xiàn)，佩戴電容式力傳感器的腰帶可作為反饋工具訓練腹壁活動，利用電容式傳感器對呼吸訓練具有指導意義，呼吸練習對LBP(腰痛)具有積極影響。Hosio等[29]設計了一款為腰痛(LBP)患者提供決策支持和指導的移動應用程序Back Pain Buddy，通過該程序解決LBP研究領域特有的2個問題：①缺乏明確的治療共識；②患者缺乏與LBP相關的背景信息和生活方式因素(如活動水平、物理環(huán)境、環(huán)境噪音和LBP的主觀體驗)的充分知識。Back Pain Buddy軟件的開發(fā)借助移動設備使得人們對腰部的防護更加便利，腰部防護的知識更加普及。

此外，護腰對于某些身體檢查也起到了一定的輔助作用，如使用后背支撐帶可以縮減結腸鏡檢查的時間，尤其對于行動不靈便的老年人，后背支撐帶可以減輕老人身體檢查的難度[30]，圖3所示為老人專用的后背支撐帶示意圖。

圖3 老人專用的后背支撐帶示意圖

2.2 護腰在運動防護方面的應用研究

運動領域的腰部損傷較其他領域更為普遍，腰部是舉重運動員發(fā)生損傷的主要部位[31]，約占44%[32]。此外，游泳運動員、跳水運動員的腰部損傷現(xiàn)象也極為普遍。跳水運動員腰部患先天隱性脊柱裂(隱裂)占所有傷病的26.92%，腰椎間盤突出癥占所有傷病的15.38%，腰肌勞損占所有傷病的5.77%[33]。在游泳競技中，腰部受到損傷的概率位列前3位[34]。李檉安等[35]針對運動員腰部容易受損的情況，研發(fā)了可穿戴式肌肉疲勞度檢測系統(tǒng)，使穿戴者可以實時了解自身肌肉疲勞狀況，并及時調整運動狀態(tài)，避免出現(xiàn)肌肉過度疲勞的情況，同時該服裝可以通過太陽能提升可持續(xù)性。肖閩杰[36]通過對舉重運動的分析，將肌電信號采集技術與傳感器結合，研發(fā)出對運動員進行肌肉監(jiān)測的設備。將智能硬件Adurino與表面?zhèn)鞲衅飨嘟Y合，針對不同的腰部肌肉狀態(tài)自動調節(jié)腰帶的松緊程度，當腰部肌肉出現(xiàn)疲勞時，為運動員提供相應的放松訓練計劃，以緩解肌肉疲勞狀態(tài)，為舉重運動員提供訓練過程中的腰部肌肉放松保護計劃，同時為運動員的訓練計劃制定相應的解決方案。

總的來說，功能性護腰的科技化發(fā)展使得護腰可以針對不同腰部受損人群實現(xiàn)不同的功能化。如智能化護腰可以調節(jié)溫度，新型片材材料的添加對人的皮膚起到保護作用。在運動防護方面可以監(jiān)測運動員的肌肉狀態(tài)并提供放松腰部肌肉的訓練計劃，緩解腰部疲勞，也可以使腰部受損人群進行呼吸訓練，緩解腰痛。

3 功能性護腰存在的問題及發(fā)展趨勢

3.1 功能性護腰存在的問題

雖然目前功能性護腰的發(fā)展已較為成熟，但通過對功能性護腰研究的分析與總結發(fā)現(xiàn)，功能性護腰仍存在以下幾個方面的問題：①短期佩戴護腰有助于防止腰部受損，但長期佩戴反而會損傷腰部肌肉，出現(xiàn)胸腹肌肉無力的情況。原因在于佩戴護腰的過程中，腰部肌肉處于靜止狀態(tài)，長期不使用會導致腰部肌肉退化，在摘除護腰之后腰部比較容易受到損傷；②目前護腰的應用范圍較小，很多人群對于護腰的認知還停留在淺層階段，對其功能性并沒有深層次的了解，所以目前護腰主要針對特定群體，應用于醫(yī)療保健領域和運動領域，尚未實現(xiàn)護腰的日?；推毡榛?；③護腰仍存在透氣性和透濕性較差、結構設計不合理、壓力分布不均衡等不完善之處，無法滿足使用者的多樣化需求；④并沒有很好的借助當前的科技成果，科技成果沒有很好地和護腰更好的融合，護腰科技化程度較低。

3.2 功能性護腰的發(fā)展趨勢

3.2.1 智能化監(jiān)測

腰部受損現(xiàn)象在運動領域比較普遍，比如游泳運動員的腰部損傷主要是由于慢性關節(jié)損傷以及急性肌肉韌帶拉傷。很多運動員都因腰部負擔過重而導致不同程度的扭傷，功能性護腰的智能化監(jiān)測對于有效防止運動員腰部損傷能夠起到積極的作用。比如在運動領域，通過在護腰中植入可以監(jiān)測人體腰部肌電信號的智能硬件、傳感器和緩解腰部疲勞方法的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)運動員的腰部狀態(tài)自主制定放松腰部的訓練計劃，提升運動技能，降低運動員腰部受損的概率，在此情況下運動員不僅可以大概率避免腰部肌肉損傷，同時也可以提高運動員的訓練效率。

3.2.2 個性化制定

為了使護腰能夠最大限度滿足不同群體的使用需求，實現(xiàn)護腰的個性化制定，護腰產品可以與移動設備相連接，在移動設備APP上根據(jù)提供的建議設置護腰的不同功能，進而根據(jù)使用者的不同需求有效緩解腰部的疲勞程度。通過功能性護腰監(jiān)測人體腰部的健康狀態(tài)，同時用戶可以通過APP設置群體類型、身體狀況等條件，根據(jù)用戶的設置生成不同的訓練計劃和緩解腰部疲勞的方案，做到護腰的個性化定制。

3.2.3 護腰的差異化設計

功能性護腰的受眾群體不同，突出的功能也不同，但是對于外觀的要求基本統(tǒng)一，一般要求護腰輕巧、方便和美觀、透氣性強，且佩戴后不影響正常生活等。因此，可以借助3D掃描儀，通過掃描人體、生成數(shù)據(jù)、進行數(shù)字化處理，生成個人的護腰數(shù)據(jù)模型，做到結構合理。此外，護腰也要根據(jù)受眾群體選擇恰當?shù)牟牧?，例如為了減少運動時的負擔，運動型護腰的材料應選擇輕盈、透氣性和吸濕性好的面料，同時對護腰結構進行合理化設計；針對保健理療類的護腰產品應弱化外觀處理，護腰材料宜選用具有可調節(jié)溫度和濕度的面料。智能化護腰易出現(xiàn)外觀醒目的現(xiàn)象，針對這個問題可以把研究重點放在護腰紗線上，通過紗線的智能化處理，縮小護腰體積，進行隱私化處理。

3.2.4 護腰的壓力分布研究

護腰在使用過程中，需要通過施加一定的壓力達到功能性的作用，然而護腰壓力過大很容易導致胸腹部位臟器受損。由于人體腰部結構復雜，不同部位的易損傷程度以及對壓力的承受能力不同要求護腰具有合理的結構特征。此外，不同的購買人群由于年齡、性別、生理方面的差異，相應的護腰結構和壓力分布特點也會有所區(qū)別，為了更好地實現(xiàn)護腰的功能性，需要依據(jù)腰部結構和使用人群進行護腰壓力分布的合理化設計。因此可以通過有限元模擬預測人體腰部壓力分布，研發(fā)出符合人體體型及運動特點的護腰，使護腰在保證其功能性的前提下盡可能滿足人體的著裝舒適性需求，以避免由于壓力過大導致的人體腰腹部內臟受損。

4 結束語

通過對功能性護腰的文獻查閱、對護腰的功能性進行分析，發(fā)現(xiàn)目前有關護腰的研究多針對醫(yī)療保健領域和運動領域，研究側重點主要集中在依托科技化使得護腰具有更好的監(jiān)測腰部狀態(tài)的功能。功能性護腰對于人體腰部防護具有積極的作用，但目前護腰仍然存在許多問題，包括體積大、功能不完善、壓力分布及結構設計不合理等問題，需要進一步優(yōu)化和完善。在對護腰的功能的分析基礎上，預測了護腰在未來的發(fā)展趨勢：即未來的研發(fā)可以從護腰的監(jiān)測功能、個性化設計、差異化設計、壓感舒適性等方面強化護腰的功能性。在此基礎上不斷擴大使用護腰產品的受眾，以降低腰部受損群體的比例。