足底壓力作用機(jī)制在功能性護(hù)膝研發(fā)中的應(yīng)用研究

顧慧紅　覃蕊

摘要： 合理的護(hù)膝設(shè)計(jì)對(duì)于運(yùn)動(dòng)人群具有重要的防護(hù)作用。然而，由于護(hù)膝對(duì)膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和肌肉具有限制作用，不合理的護(hù)膝設(shè)計(jì)容易造成運(yùn)動(dòng)人群足底負(fù)荷模式的改變，進(jìn)而導(dǎo)致足部潰瘍和足弓位置塌陷。為了減少護(hù)膝對(duì)運(yùn)動(dòng)人群足底壓力的負(fù)面影響，增強(qiáng)著裝者的步態(tài)穩(wěn)定性，避免由于下肢穩(wěn)定性差而造成的摔傷，以及足底負(fù)荷增加導(dǎo)致的足部損傷，增強(qiáng)護(hù)膝對(duì)人體的防護(hù)功能，文章通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)功能性護(hù)膝的研究文獻(xiàn)進(jìn)行整理分析，論述了護(hù)膝在醫(yī)療保健領(lǐng)域和運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了護(hù)膝對(duì)運(yùn)動(dòng)人群足底壓力的影響，以期通過(guò)護(hù)膝佩戴者的足底壓力狀態(tài)指導(dǎo)護(hù)膝的合理化設(shè)計(jì)。同時(shí)，從護(hù)膝的差異化、智能化設(shè)計(jì)和護(hù)膝配套運(yùn)動(dòng)鞋墊設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)護(hù)膝的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，為符合人體生理特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的合理化護(hù)膝研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞： 護(hù)膝;足底壓力;功能性;壓力舒適性;足踝;運(yùn)動(dòng)人群

中圖分類號(hào)： TS941.17 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

文章編號(hào)： 10017003（2023）080091－08

引用頁(yè)碼： 081111 DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2023.08.011

膝關(guān)節(jié)連接人體股骨、脛骨、髕骨和半月板等部位，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，因此膝關(guān)節(jié)在人體各關(guān)節(jié)中較易受損。隨著年齡增長(zhǎng)，膝關(guān)節(jié)還會(huì)出現(xiàn)功能性退變現(xiàn)象，如膝骨關(guān)節(jié)炎就是一種常見的高發(fā)性老年疾病，并且呈逐年上升趨勢(shì)。膝骨關(guān)節(jié)炎達(dá)到一定程度后，不僅影響正常生活，甚至?xí)?dǎo)致脊柱嚴(yán)重彎曲，引起神經(jīng)病變。近年來(lái)，骨關(guān)節(jié)炎更是導(dǎo)致殘疾的主要原因之一［1］。某些特殊職業(yè)也容易導(dǎo)致膝骨關(guān)節(jié)炎，據(jù)調(diào)查，50%的運(yùn)動(dòng)員受傷后10～20年會(huì)患有膝骨關(guān)節(jié)炎［2］。同時(shí)，體育鍛煉不當(dāng)也容易引起膝部損傷等問題。因此，運(yùn)動(dòng)人群在進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。

劉宸鋆等［3］研究表明，在膝關(guān)節(jié)部位穿著合適的護(hù)具，可以有效避免由于膝蓋的過(guò)度外翻而造成的傷害。林磊［4］指出，護(hù)膝可以通過(guò)在不同結(jié)構(gòu)的周圍施加壓力，減輕運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)不當(dāng)引起的疼痛，同時(shí)還可以增加膝蓋的穩(wěn)定性。因此，護(hù)膝對(duì)于運(yùn)動(dòng)人群具有重要的防護(hù)作用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于護(hù)膝的研究多以開發(fā)新型材料和醫(yī)用輔助治療為主，而關(guān)于護(hù)膝對(duì)足底壓力的研究相對(duì)較少。當(dāng)人體穿著護(hù)膝后，護(hù)膝對(duì)于膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和肌肉的約束會(huì)導(dǎo)致足底壓力分布發(fā)生變化，如果選擇不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致足部壓力的增加，進(jìn)而影響運(yùn)動(dòng)人群的步態(tài)穩(wěn)定性，增加摔倒概率，甚至導(dǎo)致更嚴(yán)重的損傷。因此，研究護(hù)膝對(duì)運(yùn)動(dòng)人群足底壓力分布的影響，通過(guò)足底壓力分布狀態(tài)指導(dǎo)符合人體生理特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的護(hù)膝設(shè)計(jì)，對(duì)于運(yùn)動(dòng)人群的有效防護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。

本研究通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)功能性護(hù)膝研究文獻(xiàn)的分析總結(jié)，論述了功能性護(hù)膝在醫(yī)療保健領(lǐng)域和運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了佩戴護(hù)膝對(duì)于改善運(yùn)動(dòng)人群足底壓力狀態(tài)的優(yōu)勢(shì)及不足之處，并提出從護(hù)膝的差異化、智能化設(shè)計(jì)和護(hù)膝配套運(yùn)動(dòng)鞋墊設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行深入研究，進(jìn)而提升護(hù)膝對(duì)人體的功能性作用，以期為運(yùn)動(dòng)人群下肢的科學(xué)防護(hù)提供理論參考。

1 護(hù)膝概述

1.1 膝關(guān)節(jié)受損的原因分析

導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)受損的原因主要有內(nèi)部因素和外部因素。其中，內(nèi)部因素為膝關(guān)節(jié)的構(gòu)造（圖1［5］）。由圖1可見，半月板位于膝關(guān)節(jié)的中央，髕骨位于前方。髕骨周圍是股四頭肌腱，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，較易受傷。外在因素包括外在傷害和年齡因素。外在傷害主要體現(xiàn)為直接碰撞和無(wú)外力沖擊兩種。無(wú)外力沖擊是由于運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)的不合理，如關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)，或者劇烈的高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致關(guān)節(jié)、肌肉和韌帶損傷［5］。對(duì)于年齡因素，有調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，骨關(guān)節(jié)炎在全球范圍內(nèi)45歲以上成年人中發(fā)病率為19.2%～27.8%，在60歲以上成年人中發(fā)病率為37.4%［6］，年齡被認(rèn)為是骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病的最強(qiáng)危險(xiǎn)因素［7］。根據(jù)聯(lián)合國(guó)人口組織調(diào)查結(jié)果，至2050年中國(guó)將一直是世界上老齡化程度最嚴(yán)重的國(guó)家，中國(guó)老年人的比例將至少占全球老年人口的20%［8］，人口老齡化因素使膝骨關(guān)節(jié)炎成為亟待解決的問題。

護(hù)膝是目前運(yùn)動(dòng)者滿意度最高、使用頻率最高的防護(hù)措施之一，它可以給關(guān)節(jié)和周圍的肌肉、韌帶提供舒適的壓力，幫助肌肉運(yùn)動(dòng)，減輕關(guān)節(jié)部位的張力，增強(qiáng)關(guān)節(jié)部位的支撐，從而提高身體的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性［9］。因此，合理的護(hù)膝設(shè)計(jì)對(duì)于運(yùn)動(dòng)人群能起到積極的防護(hù)作用。

1.2 護(hù)膝的功能性研究

1.2.1 護(hù)膝在運(yùn)動(dòng)防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用

如今，護(hù)膝等緊身服裝已廣泛應(yīng)用于健身和體育領(lǐng)域，運(yùn)動(dòng)員和健身愛好者佩戴護(hù)膝可以有效減少肌肉拉伸，進(jìn)而防止損傷。有研究發(fā)現(xiàn)，將繃帶緊緊纏繞在舉重運(yùn)動(dòng)員的膝蓋上，可以提高約8.7～14.1 kg的足部垂直力，進(jìn)而使他們可以多做1次蹲起［10］。Schwarze等［11］使用真實(shí)的人體關(guān)節(jié)標(biāo)本模擬實(shí)際的跌倒?fàn)顩r，發(fā)現(xiàn)護(hù)膝的使用可以使沖擊力峰值平均衰減15%。蘇珊等［12］以羽毛球中的弓步為例進(jìn)行屈曲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)不同的肌群施加不同緊度的壓迫，可以使各塊肌肉保持最好的肌力水平。Vries等［13］研究發(fā)現(xiàn)，在本體感覺敏銳度較差的運(yùn)動(dòng)員中，髕骨帶的使用可以改善膝關(guān)節(jié)的本體感覺，但是對(duì)于本身患有嚴(yán)重肌腱損傷的運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)時(shí)間佩戴髕骨帶會(huì)對(duì)膝關(guān)節(jié)本體感覺產(chǎn)生負(fù)面影響。

由此可見，合理的護(hù)膝不僅有助于改善運(yùn)動(dòng)員的本體感覺，而且可以增強(qiáng)其下肢穩(wěn)定性，為運(yùn)動(dòng)人群提供有效防護(hù)。

1.2.2 護(hù)膝在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用

目前對(duì)膝骨關(guān)節(jié)炎的治療以藥物為主，然而，藥物的長(zhǎng)期使用容易造成肝腎功能損害及心血管系統(tǒng)的不良反應(yīng)。因此，人們開始探討其他有效方法治療膝部損傷。

江慧杰等［14］采用中藥外敷的方式，將中藥打碎成粉末并混合均勻后用紗布袋封裝，制成護(hù)膝的內(nèi)襯，供膝骨關(guān)節(jié)炎患者佩戴使用，這種方式不僅能夠顯著緩解患者的疼痛，延緩病情發(fā)展，還能有效改善膝關(guān)節(jié)功能。Innocenti等［15］通過(guò)為膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后的患者使用復(fù)合金屬纖維的遠(yuǎn)紅外護(hù)膝，發(fā)現(xiàn)不僅緩解了疼痛而且加快了患者的康復(fù)速度。許祥生［16］研究表明，石墨烯智能理療護(hù)膝能有效治療膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎，促進(jìn)下肢功能恢復(fù)。Chuang等［17］研究發(fā)現(xiàn)，佩戴髕骨帶后，膝骨關(guān)節(jié)炎患者能改善靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡能力，這種改善可防止患者跌倒，增加其在體力活動(dòng)中的穩(wěn)定性。Sker等［18］研究表明，膝骨關(guān)節(jié)炎患者長(zhǎng)期佩戴髕骨帶后，顯著增加了站立中、后期股內(nèi)側(cè)肌的肌電活動(dòng)，明顯降低了站立中期半腱肌的肌電活動(dòng)。Scheicher等［19］通過(guò)為曾經(jīng)跌倒的老年人佩戴護(hù)膝，發(fā)現(xiàn)護(hù)膝可提高老年人的本體感覺并改善其靜態(tài)平衡能力。

護(hù)膝在運(yùn)動(dòng)防護(hù)和醫(yī)療保健方面具有重要作用，然而，不合理的護(hù)膝設(shè)計(jì)更容易影響運(yùn)動(dòng)機(jī)能及造成足部損傷。張子倩［20］通過(guò)研究不同護(hù)膝對(duì)跑步人群足底壓力的影響，發(fā)現(xiàn)護(hù)膝對(duì)膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和肌肉的限制作用會(huì)造成足底負(fù)荷模式的改變，進(jìn)而導(dǎo)致足部潰瘍和足弓位置塌陷，對(duì)其步態(tài)穩(wěn)定性也產(chǎn)生了一定的影響。因此，研究護(hù)膝對(duì)運(yùn)動(dòng)人群足底壓力分布的影響，進(jìn)而通過(guò)足底壓力分布狀態(tài)指導(dǎo)符合人體生理特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的護(hù)膝合理化設(shè)計(jì)，對(duì)于運(yùn)動(dòng)人群的科學(xué)防護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。

2 護(hù)膝與運(yùn)動(dòng)人群足底壓力的關(guān)系

2.1 足踝對(duì)膝關(guān)節(jié)功能的影響

膝關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受多種因素的制約，其中，足踝對(duì)膝關(guān)節(jié)的功能影響較大。如在膝關(guān)節(jié)疼痛時(shí)進(jìn)行下肢活動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生“避痛步態(tài)”，此時(shí)小腿傾斜程度和足底壓力分布等都會(huì)受到一定的限制，而足部的異常也會(huì)反向影響膝關(guān)節(jié)的功能。

從生物學(xué)角度考慮，膝關(guān)節(jié)是非常不穩(wěn)定的關(guān)節(jié)，它處在較為“靈活”的髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)之間。因此，髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和異?；顒?dòng)都會(huì)對(duì)膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生一定的影響。而對(duì)于直立行走的人體而言，足踝部（圖2［21］）是承受身體質(zhì)量和受到地面撞擊最直接的區(qū)域，因此足踝的生理狀態(tài)和功能對(duì)膝關(guān)節(jié)至關(guān)重要。當(dāng)足踝外翻時(shí)，人體的重心會(huì)朝著支撐側(cè)的下肢移動(dòng)，膝關(guān)節(jié)中心也會(huì)隨之向外側(cè)移動(dòng)，此時(shí)，膝關(guān)節(jié)的外側(cè)會(huì)受到壓縮應(yīng)力，而內(nèi)側(cè)受到拉伸應(yīng)力容易導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶的損傷。同理，當(dāng)足內(nèi)翻時(shí)，下肢股二頭肌及膝關(guān)節(jié)外側(cè)的副韌帶會(huì)受到牽拉作用。

當(dāng)足底承受重量時(shí)，由于足弓的高度和彈力的差異，對(duì)沖擊力的吸收也會(huì)產(chǎn)生很大影響。如果足弓無(wú)法保持足夠的高度和彈力，足部則較易受到撞擊，由于足膝的偶聯(lián)機(jī)制，膝關(guān)節(jié)的功能也會(huì)受到一定損傷。由于正常人第2～4跖骨區(qū)、中足、足跟及全足底的峰值壓強(qiáng)，足底沖量和足跟部壓力峰值均要高于骨關(guān)節(jié)炎患者［22］，因此，當(dāng)膝部合理受力時(shí)，足底各部位的壓力呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，進(jìn)而最大限度地保護(hù)足踝免受損傷。

Paterson等［23］以曾有膝關(guān)節(jié)疼痛和足踝疼痛的人作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)與沒有足踝疼痛癥狀的人相比，有足踝疼痛的人患膝骨關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加，說(shuō)明足部生物力學(xué)變化可能會(huì)增加膝骨關(guān)節(jié)炎的患病風(fēng)險(xiǎn)。陳妍［24］研究發(fā)現(xiàn)，踝足矯形器和外側(cè)楔形鞋墊均可改善內(nèi)側(cè)膝骨關(guān)節(jié)炎患者的生活質(zhì)量。Petersen等［25］展開的臨床試驗(yàn)結(jié)果表明，踝足矯形器在治療內(nèi)側(cè)膝骨關(guān)節(jié)炎的臨床效果方面與傳統(tǒng)的護(hù)膝相當(dāng)。Saito等［26］發(fā)現(xiàn)在全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)后1年，無(wú)足部疼痛組和足部疼痛緩解組的雙足跟區(qū)低壓力模式均有改善。由此可見，足跟區(qū)受壓現(xiàn)象與膝骨關(guān)節(jié)炎有關(guān)。

以上研究結(jié)果證實(shí)了足踝的生物學(xué)狀態(tài)對(duì)膝關(guān)節(jié)功能的影響，深入探討足踝與膝關(guān)節(jié)之間的生物力學(xué)關(guān)系，對(duì)于護(hù)膝的合理化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

2.2 護(hù)膝對(duì)運(yùn)動(dòng)人群足底壓力的影響

據(jù)調(diào)查，人慢速跑步或快走時(shí)，地面對(duì)腳的沖擊力是體重的1～3倍，如果進(jìn)行快速跑步或者跳遠(yuǎn)等運(yùn)動(dòng)，沖擊力是慢跑時(shí)的2.5倍以上［27-28］，甚至在籃球運(yùn)動(dòng)的“三步上籃”動(dòng)作中，這種沖擊力會(huì)達(dá)到快速跑步時(shí)的3倍［29］，這也是導(dǎo)致人體膝關(guān)節(jié)損傷的外部因素之一。在進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩只腳輪流承擔(dān)身體的質(zhì)量，此時(shí)足底會(huì)受到地面的反作用力［30］，足底壓力是這種反作用力在垂直方向上的分力。當(dāng)人體處于慢走狀態(tài)時(shí)，足跟內(nèi)側(cè)部位承受壓力較大，第2～5趾骨部位承受壓力較小，其他各部分足底壓力由大到小依次為足跟外側(cè)、第2～3跖骨、第1趾骨、第1跖骨、第4跖骨、足弓、第5跖骨，如圖3所示。足底壓力的主要影響因素包括自身生理因素和外部因素，其中生理因素主要指性別、年齡、體重等，外部因素包括運(yùn)動(dòng)速度、鞋靴及受試者的職業(yè)等［31］。目前最常用的足底壓力參數(shù)為壓力中心軌跡、峰值壓強(qiáng)、接觸面積和足底沖量。

紹洋洋等［32］研究發(fā)現(xiàn)，佩戴護(hù)膝跑步不但對(duì)青年的膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生影響，同時(shí)對(duì)踝、髖關(guān)節(jié)也會(huì)產(chǎn)生影響。不同種類的護(hù)膝對(duì)各關(guān)節(jié)影響有不同的體現(xiàn)，套筒式護(hù)膝對(duì)青年人預(yù)防運(yùn)動(dòng)造成的關(guān)節(jié)損傷有較好的效果。呂美蓮［33］等的研究表明，戴護(hù)膝可以降低老人跑步時(shí)前足部位的壓力，但容易導(dǎo)致足跟部位壓力負(fù)荷的增加。因此，可以將護(hù)膝與足部輔具相結(jié)合來(lái)減輕足跟部位的壓力，以提升肢體穩(wěn)定性。王超等［34］指出，羽毛球運(yùn)動(dòng)員穿戴傳統(tǒng)護(hù)膝后，緩沖階段垂直方向的地面反作用力，即足底壓力的峰值壓強(qiáng)變小，這為落地階段的動(dòng)作提供了緩沖，減少了對(duì)膝關(guān)節(jié)的損傷。但是對(duì)技術(shù)動(dòng)作未成熟的運(yùn)動(dòng)員，穿戴護(hù)膝進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)反而會(huì)增加損傷的風(fēng)險(xiǎn)。Rishiraj等［35］研究表明，當(dāng)跳水運(yùn)動(dòng)員穿戴剛性護(hù)膝在跳臺(tái)上跳下時(shí)，落地的垂直地面反作用力會(huì)減小。Lee等［36］指出，膝關(guān)節(jié)損傷是職業(yè)滑雪運(yùn)動(dòng)員最常見的問題，通過(guò)研究證實(shí)了可穿戴式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)對(duì)于測(cè)量滑雪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中足底壓力數(shù)據(jù)是有效的。在籃球比賽中，當(dāng)搶籃板球時(shí)，由于地面的作用，足底會(huì)受到強(qiáng)烈的反作用力，因此必須雙膝彎曲，同時(shí)旋轉(zhuǎn)用力以緩沖足底壓力。劉青青［37］通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，彈性護(hù)膝、繃帶、半剛性護(hù)膝在某種程度上都能起到保護(hù)膝蓋的作用，這是因?yàn)樽o(hù)膝可以有效地緩解足底壓力，降低膝蓋的屈曲，避免膝關(guān)節(jié)的前交叉韌帶受損。

佩戴護(hù)膝后，護(hù)膝對(duì)膝關(guān)節(jié)和肌肉具有制約作用，在一定程度上增加了足底壓力［38］，不恰當(dāng)?shù)淖o(hù)膝設(shè)計(jì)容易對(duì)足踝部位產(chǎn)生負(fù)面影響。由此可見，足部與膝關(guān)節(jié)之間存在著密切的聯(lián)系，當(dāng)人體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，足部的壓力狀態(tài)能夠真實(shí)地反映膝關(guān)節(jié)的受力狀況。因此，對(duì)佩戴護(hù)膝運(yùn)動(dòng)時(shí)的足底壓力分布狀態(tài)進(jìn)行深入探討，對(duì)于護(hù)膝的合理化設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

3 護(hù)膝存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 護(hù)膝存在的問題

目前有關(guān)護(hù)膝與足底壓力的研究主要集中在膝骨關(guān)節(jié)炎患者康復(fù)后的靜態(tài)平衡和步態(tài)研究［39］，而對(duì)于如何通過(guò)護(hù)膝的合理化使用改善運(yùn)動(dòng)人群足底壓力分布的應(yīng)用較少。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有資料的分析與總結(jié)發(fā)現(xiàn)，護(hù)膝存在的問題主要表現(xiàn)為：現(xiàn)有的護(hù)膝產(chǎn)品主要體現(xiàn)為防護(hù)功能，而缺乏有效的反饋機(jī)制［40］，不能引導(dǎo)使用者主動(dòng)進(jìn)行動(dòng)作姿態(tài)的調(diào)節(jié)來(lái)避免運(yùn)動(dòng)傷害;大部分關(guān)于護(hù)膝對(duì)足底壓力的影響研究偏向于受試者穿戴護(hù)膝后穩(wěn)定性和足底壓力分布變化的即時(shí)性效果，對(duì)于長(zhǎng)期佩戴護(hù)膝的人群來(lái)說(shuō)，使用時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)護(hù)膝的合理化設(shè)計(jì)具有更高的要求，而目前的研究對(duì)于長(zhǎng)期佩戴護(hù)膝過(guò)程中，足踝部與膝關(guān)節(jié)的力學(xué)作用機(jī)制研究較少，無(wú)法準(zhǔn)確獲取長(zhǎng)期使用護(hù)膝對(duì)足底壓力變化的影響。

基于護(hù)膝存在的問題，應(yīng)該從人體生物力學(xué)角度出發(fā)，研發(fā)符合人體生理特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的護(hù)膝產(chǎn)品。

3.2 功能性護(hù)膝的發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)于功能性護(hù)膝產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)可以從以下幾個(gè)方面入手。

3.2.1 護(hù)膝的差異化設(shè)計(jì)

對(duì)于不同年齡段的運(yùn)動(dòng)人群而言，青年人和老年人在佩戴護(hù)膝時(shí)，下肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、足底壓力等指標(biāo)均存在一定的差異，而市場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)護(hù)膝沒有針對(duì)消費(fèi)者的年齡進(jìn)行設(shè)計(jì)［41］。因此，可以通過(guò)有限元模擬和三維建模來(lái)預(yù)測(cè)護(hù)膝對(duì)足底壓力分布的影響，研發(fā)出符合不同年齡段人群骨骼和肌肉特性的運(yùn)動(dòng)護(hù)膝，使護(hù)膝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，同時(shí)避免由于壓力過(guò)大導(dǎo)致的足部損傷。

而對(duì)于同一年齡段的體育愛好者，更應(yīng)該注重差異化設(shè)計(jì)?？梢愿鶕?jù)對(duì)不同身高和體型人群的動(dòng)態(tài)測(cè)量，結(jié)合個(gè)體的膝圍與膝高建立相應(yīng)的號(hào)型系統(tǒng)，制作出不同號(hào)型且針對(duì)不同個(gè)體特點(diǎn)的護(hù)膝，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)中的有效防護(hù)。由于同一個(gè)人左右腳的足底壓力參數(shù)不同，因此在設(shè)計(jì)護(hù)膝時(shí)，應(yīng)考慮到左右腳的不同特征。如選擇支撐性能良好的材料減少一側(cè)膝關(guān)節(jié)的負(fù)重，對(duì)于另一側(cè)膝關(guān)節(jié)選擇彈性好的材料，達(dá)到既能有效保護(hù)膝關(guān)節(jié)，又能保證人體正常運(yùn)動(dòng)機(jī)能的效果。此外，同一個(gè)人處于不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)膝關(guān)節(jié)承受的壓力也有所差異。如與步行、慢跑相比，跑步、籃球等運(yùn)動(dòng)要求膝蓋彎曲度更大，但當(dāng)運(yùn)動(dòng)者穿著護(hù)膝時(shí)，護(hù)膝對(duì)膝蓋彎曲度的限制會(huì)直接影響運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)地面推動(dòng)力的獲取，進(jìn)而影響運(yùn)動(dòng)效率。同時(shí)，為了降低運(yùn)動(dòng)損傷，使用膝關(guān)節(jié)護(hù)具時(shí)要保證膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向的活動(dòng)量?；诖?，在設(shè)計(jì)護(hù)膝時(shí)，有必要進(jìn)行壓力分區(qū)設(shè)計(jì)，即對(duì)水平面和額狀面方向加壓以減小這兩個(gè)方向上的關(guān)節(jié)活動(dòng)量，進(jìn)而保證膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。鑒于職業(yè)運(yùn)動(dòng)員對(duì)運(yùn)動(dòng)效率的要求，在為職業(yè)運(yùn)動(dòng)員量身定做護(hù)膝時(shí)，還應(yīng)適當(dāng)降低其作用于矢狀面方向上的壓力，以確保運(yùn)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性。

未來(lái)可以運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析和人體工程學(xué)原理，采集并分析不同人群的膝部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特征、生活和運(yùn)動(dòng)習(xí)慣、工作和環(huán)境等信息，建立膝部模型和數(shù)據(jù)庫(kù)，為護(hù)膝的差異化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。隨著3D打印技術(shù)的日趨成熟，可以根據(jù)不同人群的體型、肌肉和骨骼結(jié)構(gòu)等個(gè)體差異進(jìn)行護(hù)膝個(gè)性化定制，以提高適應(yīng)性和舒適度?？傊?，未來(lái)護(hù)膝的差異化設(shè)計(jì)需要綜合運(yùn)用多種技術(shù)和原理，使護(hù)膝產(chǎn)品更加符合使用者的適應(yīng)性和舒適度需求。

3.2.2 護(hù)膝配套的減壓鞋墊設(shè)計(jì)

Davis等［42］研究發(fā)現(xiàn)，穿鞋不僅可以鍛煉足部肌肉，還能減少膝蓋的負(fù)荷和下肢扭矩，而足底壓力分析對(duì)于識(shí)別膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性具有重要作用［43］。鞋墊是鞋的重要組成部分，具有吸收地面反作用力、增強(qiáng)步態(tài)穩(wěn)定性和保護(hù)足底的功能。對(duì)于足底壓力不均勻而導(dǎo)致的膝關(guān)節(jié)疼痛，可以通過(guò)改變鞋墊的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)調(diào)來(lái)整足部的受力位置，進(jìn)而緩解膝關(guān)節(jié)疼痛和步態(tài)異常等問題。基于此，可以從足部壓力分布入手，研發(fā)與護(hù)膝配套的減壓鞋墊。

對(duì)于經(jīng)常佩戴護(hù)膝的人群，相應(yīng)的減壓鞋墊設(shè)計(jì)可依據(jù)人體足底壓力分布狀態(tài)，從結(jié)構(gòu)和材料兩方面入手，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)足部結(jié)構(gòu)的機(jī)械控制和增加感受器的刺激來(lái)提高下肢的穩(wěn)定性。在結(jié)構(gòu)上，減壓鞋墊應(yīng)盡量?jī)?yōu)化足底壓力分布。足底壓力集中于某個(gè)部位容易引起疼痛，甚至足弓變形，因此需要通過(guò)調(diào)節(jié)足底受力點(diǎn)合理分散足底壓力，以減輕局部壓力。為了合理分配受力點(diǎn)，在減壓鞋墊的設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)給足弓提供支撐加強(qiáng)其緩沖作用，并將前足和足跟區(qū)域的壓力分散，進(jìn)而減少各個(gè)部位的足底沖量。此外，基于足踝對(duì)膝關(guān)節(jié)功能產(chǎn)生的影響，足踝矯形器的運(yùn)用可以強(qiáng)化踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，對(duì)運(yùn)動(dòng)人體起到有效的防護(hù)作用。足踝矯形器是由足底不可彎折的鞋墊連接到帶襯墊的杠桿上，杠桿會(huì)在小腿外側(cè)施加一定的力，進(jìn)而減少脛骨在冠狀面的外旋，降低膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻畸形的風(fēng)險(xiǎn)。

膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)囊比較松散，無(wú)法將髕骨穩(wěn)定在股骨上，想要保持髕骨的穩(wěn)定必須依靠周圍的肌腱、肌肉等組織來(lái)維持。當(dāng)人體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，膝關(guān)節(jié)活動(dòng)幅度較大，同時(shí)髕骨移動(dòng)幅度也會(huì)增加，較易出現(xiàn)髕骨脫位、半脫位等情況，因此需要使用一些輔助產(chǎn)品進(jìn)行固定?；诖耍磥?lái)護(hù)膝的設(shè)計(jì)應(yīng)更多地考慮其對(duì)周邊肌群的約束與影響，以確保其對(duì)膝關(guān)節(jié)的整體功效。足踝矯形器不僅能穩(wěn)定足踝，還能限制脛骨周圍肌肉的活動(dòng)。因此，在未來(lái)的研發(fā)中可以將足踝矯形器的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于減壓鞋墊設(shè)計(jì)中。

在材料方面，可以通過(guò)恰當(dāng)?shù)牟牧线x擇改善著裝舒適性，同時(shí)通過(guò)刺激足底器官感受器增強(qiáng)肢體穩(wěn)定性和動(dòng)靜態(tài)平衡能力，為足踝部位提供更有效的防護(hù)。

3.2.3 護(hù)膝的智能可穿戴設(shè)計(jì)

將智能可穿戴技術(shù)與護(hù)膝結(jié)合，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)者的身體狀況，并根據(jù)個(gè)體的訓(xùn)練強(qiáng)度和需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，提供合適的訓(xùn)練強(qiáng)度以減少不當(dāng)運(yùn)動(dòng)對(duì)身體造成的刺激。如將柔性壓力傳感器用于壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有助于建立有效的反饋機(jī)制，幫助使用者及時(shí)避免運(yùn)動(dòng)不當(dāng)帶來(lái)的傷害。此外，可在護(hù)膝中內(nèi)置智能控制模塊，根據(jù)身體溫度、肌肉頻率等自動(dòng)檢測(cè)身體的運(yùn)動(dòng)狀況，以實(shí)時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)中的人體做出有效防護(hù)。

由于護(hù)膝的使用人群比較廣泛，將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)能夠最大限度地滿足著裝者的使用需求。當(dāng)人體佩戴護(hù)膝后，測(cè)量和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化，用戶可以即時(shí)了解身體狀態(tài)并隨時(shí)調(diào)整自己的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)以達(dá)到最佳的防護(hù)狀態(tài)。因此，將智能可穿戴技術(shù)應(yīng)用于功能性護(hù)膝設(shè)計(jì)是護(hù)膝未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)功能性護(hù)膝研究文獻(xiàn)的分析和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于穿戴膝關(guān)節(jié)護(hù)具的下肢生物力學(xué)研究主要集中在動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面，而對(duì)于足底壓力方面的研究較少。功能性護(hù)膝對(duì)于運(yùn)動(dòng)人群足底壓力的合理分布及防止足部損傷具有積極作用，但目前仍然存在一些問題，如目前的功能性護(hù)膝缺乏及時(shí)有效的反饋機(jī)制，無(wú)法引導(dǎo)使用者主動(dòng)進(jìn)行動(dòng)作姿態(tài)的調(diào)節(jié)來(lái)避免運(yùn)動(dòng)傷害。對(duì)于長(zhǎng)期佩戴護(hù)膝人群的生理和運(yùn)動(dòng)機(jī)制研究較少，其護(hù)膝的合理化設(shè)計(jì)具有更高的要求?；趯?duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的分析和總結(jié)，從護(hù)膝的差異化設(shè)計(jì)、智能化設(shè)計(jì)和護(hù)膝配套運(yùn)動(dòng)鞋墊設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)護(hù)膝的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，以期利用合理化護(hù)膝設(shè)計(jì)減緩足底負(fù)荷過(guò)載的情況，為符合人體運(yùn)動(dòng)機(jī)能和生理特點(diǎn)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)鞋墊及護(hù)膝產(chǎn)品的研發(fā)提供理論支撐。

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Application research on the plantar pressure mechanism in the development of functional knee pads

ZHANG Chi， WANG Xiangrong

GU Huihong1， DAN Rui1，2

（1.College of Textile & Clothing， Qingdao University， Qingdao 266071， China; 2.Collaborative Innovation Center forEco-textiles Co-built by Province and Ministry， Qingdao 266071， China）

Abstract： The knee joint is the most vulnerable joint in the human body because of its poor structural stability as it connects the femur， tibia， patella and meniscus. With the increase of age， the knee joint will also face functional degeneration. Knee osteoarthritis is a common high incidence of elderly diseases， and the trend is rising year by year.

Knee osteoarthritis can also be caused by certain professions， and it is reported that 50% of athletes will suffer from knee osteoarthritis within 10 to 20 years after injury. However， the current research on knee pads and plantar pressure mainly focuses on the static balance and gait of patients with knee osteoarthritis after rehabilitation， and there are few applications on how to improve the distribution of plantar pressure in exercisers through rational use of knee pads.

We aimed to reduce the negative impact of knee pads on the plantar pressure of sports people， enhance the gait stability of the wearer， avoid falling injuries caused by poor lower limb stability and foot injuries caused by increased plantar load， and enhance the protective function of knee pads on the human body. First of all， through the analysis and summary of domestic and foreign research literature on functional knee pads， we discussed the development status of functional knee pads in the field of health care and sports. Among them， knee pads and other tight clothing have been widely used in fitness and sports fields. Athletes and fitness enthusiasts can effectively reduce muscle stretching and prevent injury by wearing knee pads. Secondly， we analyzed the advantages and disadvantages of wearing knee pads to improve the plantar pressure state of sports people. It is found that after wearing knee pads， knee pads have a restrictive effect on the knee joint and muscles， and increase the plantar pressure to a certain extent. Improper knee pads are easy to have a negative impact on the foot and ankle. It can be seen that there is a close relationship between the foot and the knee joint， and when the human body is in motion， the pressure state of the foot can truly reflect the force of the knee joint. Finally， we proposed to conduct in-depth research from three aspects： differentiation of knee pads， intelligent design and sports insole design of knee pads， so as to improve the functional role of knee pads on human body， and to provide theoretical reference for scientific protection of lower limbs of sports people. On this basis， we adopted the corresponding analysis method to analyze the influence of the ankle on knee joint function and the influence of knee pads on the plantar pressure of sports people， hoping to guide the rational design of knee pads through the plantar pressure state of knee pad wearers.

Through the analysis and summary of the existing data， it is found that the limiting effect of knee pads on the structure and muscles of the knee joint will cause changes in the planar load pattern， and then lead to foot ulcers and arch position collapse， and also have a certain impact on the stability of the gait. At present， the existing problems of knee pads are mainly manifested as follows： the existing knee pads are mainly reflected in the protection function， and lack of effective feedback mechanism; most of the studies on the influence of knee pads on plantar pressure are biased to the stability of subjects wearing knee pads and the immediate effect of changes in plantar pressure distribution. For people who wear knee pads for a long time， the extension of use time has higher requirements for the rational design of knee pads. Therefore， it is of certain guiding significance to study the influence of knee pads on the distribution of plantar pressure of exercisers， and then guide the rational design of knee pads in line with human physiological characteristics and sports characteristics through the distribution of plantar pressure for scientific protection of exercisers.

Finally， the future development trend of knee pads is prospected from three aspects： differentiation of knee pads， intelligent design and sports insole design of knee pads， so as to provide reference for rational knee pad research and development in line with human physiological characteristics and sports characteristics.

Key words： knee pads; plantar pressure; functionality; pressure comfort; ankles; sports crowd

收稿日期： 20230210;

修回日期： 20230627

基金項(xiàng)目： 山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2019PEE022）

作者簡(jiǎn)介： 顧慧紅（2000），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榉b舒適性。通信作者：覃蕊，副教授，danrui0615@sina.com。