膝關(guān)節(jié)角度變化對(duì)壓力梯度分布和皮膚形變的影響

方琦，孫光武，陳郁

(上海工程技術(shù)大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，上海 201600)

壓力襪作為預(yù)防和治療下肢靜脈類(lèi)疾病的主要醫(yī)療產(chǎn)品，越來(lái)越受到人們的重視，通過(guò)自下而上建立由大到小的軸向壓力梯度分布能加快下肢靜脈血液的回流速度，防止靜脈血的淤滯和積聚，達(dá)到治療靜脈曲張、下肢血栓等疾病的目的[1-3]。顯然，合理的壓力梯度分布是影響壓力襪治療效果的關(guān)鍵因素。

壓力襪在機(jī)械性能測(cè)試[4]、織造工藝[5]、主觀評(píng)價(jià)[6]、治療效果[7]等方面的研究較多，其中壓力梯度分布研究主要從工藝參數(shù)設(shè)計(jì)以及腿部運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)等方面展開(kāi)。如孫玉釵等[8]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)不同的腿部運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)對(duì)壓力梯度分布影響較大，通過(guò)對(duì)壓力襪中襯墊紗送紗量的改進(jìn)，使得壓力襪更符合人體的需求。宮魯蜀等[9]通過(guò)測(cè)量人體腿部靜、動(dòng)態(tài)條件下的壓力梯度分布，得出兩者分布存在相對(duì)誤差，但沒(méi)有對(duì)該誤差進(jìn)行具體的定量分析。 LIU R[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明壓力襪產(chǎn)生的壓力梯度分布會(huì)隨著腿部姿勢(shì)的改變而變化，膝關(guān)節(jié)角度的變化對(duì)腿部壓力梯度分布有顯著影響。

目前，關(guān)于膝關(guān)節(jié)角度變化對(duì)壓力梯度分布影響的研究以單一角度為主，而人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中膝關(guān)節(jié)會(huì)發(fā)生多角度的變化，同時(shí)會(huì)造成皮膚形變。因此，將站立、平躺姿勢(shì)的抬腿動(dòng)作進(jìn)行分解，并測(cè)量站立和平躺姿勢(shì)下不同膝關(guān)節(jié)角度的壓力分布和皮膚形變量，分析穿著壓力襪時(shí)膝關(guān)節(jié)角度變化對(duì)壓力梯度分布及腿部皮膚形變的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

1.1.1材料 3種不同壓力級(jí)別(Ⅰ級(jí)：15～21 mmHg；Ⅱ級(jí)：23～32 mmHg；Ⅲ級(jí)：34～46 mmHg)的長(zhǎng)筒壓力襪，材質(zhì)為氨綸、錦綸混紡，其中Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)壓力襪中氨綸、錦綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為28%，72%，Ⅲ級(jí)壓力襪中氨綸、錦綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為36%，64%，均購(gòu)自浙江義烏“中三院”。

1.1.2儀器 Novel Pliance-X-32服裝壓力測(cè)量系統(tǒng)，德國(guó)Novel公司制造；FlexiForce柔性薄膜傳感器[11]，中國(guó)臺(tái)灣麥思科技有限公司制造；YG(B)141D數(shù)字化織物厚度儀，浙江溫州際高檢測(cè)儀器有限公司制造。

1.2 測(cè)量點(diǎn)選取

圖1 腿部橫向測(cè)量圍度及測(cè)量點(diǎn)示意Fig.1 Transverse measurement girth and measuring points of legs flexible sensor

1.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

以健康的青年女性作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，選擇1名體型均勻且腿型正常的25周歲女性(身高164.6 cm，體質(zhì)量48.4 kg)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其體型特征見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象的腿部原有尺寸數(shù)據(jù)

1.4 實(shí)驗(yàn)動(dòng)作

根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，人體長(zhǎng)期處于站立或平躺狀態(tài)，容易引發(fā)下肢靜脈疾病[12]。因此，實(shí)驗(yàn)在測(cè)量腿部壓力和皮膚形變量時(shí)，分別選取站立和平躺姿勢(shì)下的4個(gè)膝關(guān)節(jié)角度(90°，120°，150°，180°)進(jìn)行測(cè)量，具體如圖2所示。

圖2 站立、平躺姿勢(shì)下的膝關(guān)節(jié)角度示意Fig.2 Knee joint angle in standing and lying flat position

1.5 數(shù)據(jù)采集

1.5.1壓力的數(shù)據(jù)采集 壓力測(cè)量前需通過(guò)角度計(jì)測(cè)量并調(diào)整好膝關(guān)節(jié)角度，并讓受試者保持相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)作；其次將FlexiForce柔性傳感器固定在受試者腿部相應(yīng)的測(cè)量部位；最后待傳感器獲取穩(wěn)定的壓力數(shù)據(jù)后，利用Labview處理數(shù)據(jù)軟件獲得受試者各測(cè)量截面上的前、后、內(nèi)、外4個(gè)測(cè)量點(diǎn)[3]的平均壓力值。實(shí)驗(yàn)動(dòng)作開(kāi)始之前要確保受試者有30 min的恢復(fù)時(shí)間，避免前實(shí)驗(yàn)時(shí)身體過(guò)度緊繃對(duì)后實(shí)驗(yàn)造成影響。

1.5.2皮膚形變的數(shù)據(jù)采集 壓力襪厚度根據(jù)GB/T 3820—1997測(cè)量方法，采用YG(B)141D數(shù)字式織物厚度儀測(cè)量壓力襪多部位厚度并取平均值。通過(guò)皮尺測(cè)量穿著壓力襪的腿部圍度L，根據(jù)等效周長(zhǎng)計(jì)算公式獲得腿部等效周長(zhǎng)L1，計(jì)算腿部原有周長(zhǎng)與L1的差即為皮膚形變量LD。在測(cè)量L前，受試者通過(guò)角度計(jì)調(diào)整膝關(guān)節(jié)角度并保持調(diào)整后的動(dòng)作2 min，確保皮膚形變趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 膝關(guān)節(jié)角度變化對(duì)壓力梯度分布的影響

利用SPSS軟件中的單因素方差分析(ANOVA)對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出站立、平躺姿勢(shì)下膝關(guān)節(jié)角度變化對(duì)壓力梯度分布影響顯著(P<0.01)，具體見(jiàn)表2。

表2 膝關(guān)節(jié)角度變化對(duì)平均壓力分布的影響

Ⅲ級(jí)壓力襪在不同姿勢(shì)下的壓力分布數(shù)據(jù)[5]如圖3所示，分析穿著Ⅲ級(jí)壓力襪站立、平躺姿勢(shì)下的膝關(guān)節(jié)角度變化對(duì)截面B產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)站立時(shí)截面B的平均壓力值為2.74 kPa、極差為1.16 kPa，而平躺時(shí)的平均壓力值為2.01 kPa、極差為0.42 kPa，可以看出膝關(guān)節(jié)角度變化對(duì)站立姿勢(shì)的壓力分布影響更為顯著。根據(jù)拉普拉斯方程(P=T/r，式中P是壓強(qiáng)，r是表面的半徑，T是張力)可知，截面E壓力隨著膝關(guān)節(jié)角度的減小而增大，造成截面E的壓力大于截面D。平躺時(shí)截面G除壓力襪的外加壓力，還受到自身重力的作用，約為0.11～0.14 kPa，但對(duì)平均壓力值的影響較小。

圖3 Ⅲ級(jí)壓力襪在不同姿勢(shì)下的壓力分布數(shù)據(jù)Fig.3 Pressure distribution data of grade III pressure socks under different postures

將站立、平躺姿勢(shì)下測(cè)量壓力的分布結(jié)果與YY/T 0853—2011比較，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)呈180°時(shí)兩者的壓力梯度分布均符合標(biāo)準(zhǔn)，膝關(guān)節(jié)呈150°時(shí)只有站立姿勢(shì)的壓力梯度分布符合標(biāo)準(zhǔn)，其余角度均不符合標(biāo)準(zhǔn)。

將Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)壓力襪的壓力分布與Ⅲ級(jí)壓力襪比較，發(fā)現(xiàn)3組形變量變化趨勢(shì)相似。比較截面B處的3組平均壓力值發(fā)現(xiàn)，站立和平躺姿勢(shì)下Ⅱ級(jí)與Ⅰ級(jí)的平均壓力差分別為0.28，0.19 kPa，Ⅲ級(jí)與Ⅱ級(jí)的平均壓力差分別為1.39，0.92 kPa。結(jié)果表明：膝關(guān)節(jié)角度變化對(duì)壓力梯度分布影響隨著壓力襪壓力級(jí)別的增加而增大；膝關(guān)節(jié)角度變化對(duì)站立姿勢(shì)的壓力梯度分布影響大于平躺姿勢(shì)的壓力梯度分布。

2.2 膝關(guān)節(jié)角度變化對(duì)皮膚形變的影響

同樣通過(guò)SPSS軟件中的單因素方差分析(ANOVA)對(duì)皮膚形變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明膝關(guān)節(jié)角度變化對(duì)皮膚形變影響顯著(P<0.01)，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

Ⅲ級(jí)壓力襪在不同姿勢(shì)下的皮膚形變量如圖5所示。分析穿著Ⅲ級(jí)壓力襪在站立、平躺姿勢(shì)下膝關(guān)節(jié)角度變化對(duì)皮膚形變量的影響發(fā)現(xiàn)，皮膚形變量由下至上總體呈遞增趨勢(shì)。由于截面E的骨骼結(jié)構(gòu)較多，導(dǎo)致平躺和站立時(shí)的平均皮膚形變量較小，分別為0.5，0.7 cm。小腿和大腿區(qū)域含有更多的肌肉和皮下脂肪組織，截面D，G分別是小腿和大腿部分的形變最大區(qū)域，平躺時(shí)截面D的平均形變量比站立時(shí)大0.1 cm，平躺時(shí)截面G的平均形變量比站立時(shí)大1.4 cm。

穿著Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)壓力襪時(shí)不同姿勢(shì)下的皮膚形變量[11]如圖6所示。將Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)壓力襪條件下的皮膚形變量與Ⅲ級(jí)壓力襪進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，3組壓力襪形變量的變化規(guī)律相似。截面G在Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)壓力襪條件下，站立時(shí)的平均皮膚形變量分別為1.4，1.7，2 cm，平躺時(shí)的平均形變量分別為2.9，3.1，3.4 cm。結(jié)果表明：膝關(guān)節(jié)角度變化對(duì)平躺姿勢(shì)的皮膚形變影響大于站立姿勢(shì)，并且對(duì)皮膚形變的影響隨著壓力襪壓力級(jí)別的增加而增大。

圖4 Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)壓力襪在不同姿勢(shì)下的壓力數(shù)據(jù)Fig.4 Pressure data of grade I and II pressure socks under different postures

表3 膝關(guān)節(jié)角度變化對(duì)皮膚形變的影響

圖5 穿著Ⅲ級(jí)壓力襪時(shí)不同姿勢(shì)下的皮膚形變量Fig.5 Skin shape variation of grade III pressure socks in different postures

圖6 穿著Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)壓力襪時(shí)不同姿勢(shì)下的皮膚形變量Fig.6 Skin shape variation of grade I and II pressure socks under different postures

2.3 壓力分布對(duì)皮膚形變的影響

除了膝關(guān)節(jié)角度變化造成皮膚形變外，壓力襪的外加壓力也會(huì)造成皮膚形變。通過(guò)SPSS線(xiàn)性歸回分析得出壓力襪在某一截面處的平均壓力值(x)與平均形變量(y)的函數(shù)關(guān)系，例如穿著Ⅲ級(jí)壓力襪在截面G處站立、平躺姿勢(shì)下兩者的函數(shù)關(guān)系分別為

y1=0.09x1+2.12,R2=0.01；

y2=0.0x2+2.72,R2=0.75。

通過(guò)分析兩組線(xiàn)性函數(shù)發(fā)現(xiàn)，不施加外加壓力時(shí)站立、平躺姿勢(shì)下的平均形變量分別為2.12，2.72 cm，且平躺姿勢(shì)下的函數(shù)斜率大于站立姿勢(shì)，說(shuō)明平均壓力值對(duì)平躺姿勢(shì)形變量的影響大于站立姿勢(shì)的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析站立、平躺姿勢(shì)下的膝關(guān)節(jié)各角度對(duì)壓力梯度分布和皮膚形變規(guī)律的影響，得出以下結(jié)論：

1) 穿著壓力襪過(guò)程中應(yīng)避免膝關(guān)節(jié)長(zhǎng)時(shí)間處于彎曲狀態(tài)，否則容易造成腿部遠(yuǎn)端靜脈淤滯。

2) 膝關(guān)節(jié)角度變化對(duì)截面E前后側(cè)的壓力分布有顯著影響，在膝蓋彎曲時(shí)產(chǎn)生高壓對(duì)壓力梯度分布產(chǎn)生影響。站立姿勢(shì)下膝關(guān)節(jié)呈150°，180°，均符合YY/T 0853—2011的壓力梯度分布標(biāo)準(zhǔn)，而平躺姿勢(shì)下只有膝關(guān)節(jié)呈180°時(shí)符合此標(biāo)準(zhǔn)。

3) 腿部皮膚形變量與外加壓力、不同姿勢(shì)的膝關(guān)節(jié)角度變化都相關(guān)，膝關(guān)節(jié)角度變化引起的形變量大于壓力造成的形變量。相同外加壓力下，平躺姿勢(shì)下膝關(guān)節(jié)各角度變化的皮膚形變量均大于站立姿勢(shì)。