護膝防護性能及其功能設計研究進展

陳凌嫻，李 俊,2，王 敏,2

(1.東華大學 服裝與藝術(shù)設計學院，上海 200051； 2.東華大學 現(xiàn)代服裝設計與技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200051)

膝關節(jié)是人體發(fā)病率最高的關節(jié)，會隨年齡的增長發(fā)生功能性退變，影響正常的生理活動[1]。除生理因素外，不科學的運動姿勢與過大的運動幅度都會引起關節(jié)、肌肉和韌帶損傷。由于缺乏科學的指導，個體運動過程中難以避免意外事故，運動性損傷頻繁發(fā)生。膝關節(jié)在活動過程中經(jīng)常受到來自不同方向的力，雖然膝關節(jié)可以通過屈伸吸收部分反作用力，但由于其復雜的鉸鏈結(jié)構(gòu)，導致關節(jié)極不穩(wěn)定容易受傷，如空降兵跳傘著陸損傷多發(fā)生于下肢，其中膝關節(jié)損傷占21.1%[2]。此外，在某些特殊職業(yè)的作業(yè)過程中，膝關節(jié)長期處于高負荷狀態(tài)，增加膝關節(jié)疾病發(fā)生的風險，令其職業(yè)壽命縮短。地毯鋪設行業(yè)的研究報告表明，8%～20%地毯鋪設從業(yè)人員中患有膝蓋滑囊炎[3]。

由于膝關節(jié)較為脆弱，膝關節(jié)防護備受人們關注。研究發(fā)現(xiàn)穿戴剛性護膝后運動員由跳臺跳落著陸時的垂直地面反作用力降低[4]；Aaron等[5]基于逆動力學原理研究人體與護膝界面的壓力值與肌肉負荷之間的相關性，通過肌電信號加以驗證，證實行走期間壓力與膝關節(jié)力矩具有初步相關性；閻玉秀等[6]通過三維動作捕捉儀計算膝關節(jié)活動角度，發(fā)現(xiàn)佩戴護膝可以限制人體矢狀面和水平面上的關節(jié)活動角度；Michael等[7]用真實人體關節(jié)標本模擬人體的真實跌倒狀態(tài)，佩戴護膝后膝關節(jié)部位與沖擊平面的接觸時間增加，膝關節(jié)所受的平均峰值沖擊力衰減了15%。因此，護膝具有制動、固定和降低反作用力峰值等防護作用，可以預防與避免膝關節(jié)損傷的發(fā)生。然而運動過程中使用護膝的人群所占比例并不高[8-9]。事實上，護膝存在束縛感較強、穩(wěn)定性較差、舒適性不佳等問題[10-11]，且現(xiàn)有護膝防護缺乏有效的反饋機制，用戶無法獲得關節(jié)損傷風險的預警信號。可見，現(xiàn)有護膝產(chǎn)品還不能完全滿足用戶需求，其性能還有待提升。

本文分析了致使膝關節(jié)損傷的常見原因，基于市場現(xiàn)有護膝種類的梳理，分析相關研究成果，闡述不同功能指向的護膝的工作原理與優(yōu)化設計，總結(jié)當前相關性能評價指標，最后預測護膝未來的研究趨勢，以期為護膝的功能性設計與評價提供一定的理論基礎與科學依據(jù)，推進護膝產(chǎn)品的研究，擴大護膝的應用。

1 膝關節(jié)常見損傷原因

膝關節(jié)是人體重要的關節(jié)部位，連接著股骨與脛骨，由半月板、髕骨、韌帶等部分構(gòu)成，承擔了人類下肢的全部運動。具體膝關節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由于膝關節(jié)的復雜結(jié)構(gòu)，在人體所有的關節(jié)中，膝關節(jié)最為脆弱，極不穩(wěn)定，容易受傷。導致膝關節(jié)損傷的常見原因大致可以歸納為以下4個方面：運動損傷、外力撞擊損傷、長期勞損及生理機能退變。

圖1 膝關節(jié)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Knee joint structure diagram

①運動損傷。運動過程中，膝關節(jié)過度屈曲、外展、外旋是導致膝關節(jié)損傷的重要原因。前交叉韌帶和內(nèi)側(cè)副韌帶在最大屈膝角度時容易發(fā)生撕裂[12]；半蹲式著陸過程中，膝關節(jié)內(nèi)收外展幅度過大容易導致半月板損傷[2]。但膝關節(jié)活動角度過小也可能影響膝關節(jié)負荷的分散與吸收，導致力向遠端傳遞，增加臨近關節(jié)的損傷風險[13]。

②外力撞擊損傷。直接撞擊也是造成膝關節(jié)半月板及關節(jié)軟骨損傷的原因之一。關節(jié)受到外部沖擊時，軟骨和關節(jié)液不具備彈性進行緩沖，繼而引發(fā)軟骨磨損或髕骨移位，關節(jié)內(nèi)部力學平衡改變導致負荷傳遞紊亂，從而引起骨關節(jié)炎和半月板損傷等疾病發(fā)生。

③長期勞損。從事重體力勞動，或長期重復某個動作等會引起關節(jié)磨損，引發(fā)膝關節(jié)疾病。根據(jù)跪姿的不同，膝關節(jié)負荷在體重的22%～68%之間變化。膝關節(jié)長時間處于高負荷狀態(tài)會加速膝關節(jié)軟骨的磨損，導致半月板損傷或膝骨關節(jié)炎的發(fā)生[14-15]。資料顯示屋頂維修工人有超過75%的工作時間花在爬行、蹲下、彎腰或跪下姿勢上，其患肌肉骨骼疾病的風險在所有建筑工種中位居第2[16]。

④生理機能退變。人體下肢離心臟的距離較遠，局部血流相對緩慢，并且膝關節(jié)部位的肌肉以及脂肪含量較少，相較于其他部位得不到足夠的熱量供給，因此膝關節(jié)部位容易受到寒冷刺激，誘發(fā)膝關節(jié)疼痛。隨著年齡的增長，關節(jié)滑液減少，軟骨出現(xiàn)退行性變，很容易導致膝骨關節(jié)炎等疾病的發(fā)生。

實際上，膝關節(jié)損傷不僅由一方面原因所致，是多方面共同作用的結(jié)果，但不同場景下致使膝關節(jié)損傷的主要原因不同，護膝防護功能的側(cè)重也就不同。針對上述膝關節(jié)損傷的不同致病原因，護膝的防護功能相應可分為制動功能、抗沖擊功能、緩壓功能、生理機能加強，對應不同的防護功能要求，其設計重點及評價指標也有所不同。

2 護膝的防護功能及其設計評價

2.1 制動功能

具備制動功能設計的護膝可以在不影響運動正常進行的前提下，盡可能減少膝關節(jié)的活動幅度，保護固定膝骨關節(jié)和周邊的關節(jié)軟骨組織。一方面避免因不科學的運動姿勢與過大的運動幅度而引起關節(jié)、肌肉和韌帶損傷；另一方面有利于減少腿部肌肉的振動，減少不必要的能量損失，促進細胞和分子水平上的神經(jīng)傳遞和力學的增強，提高對腿部的控制力[17]。

2.1.1 制動型護膝種類

制動型護膝如圖2所示，主要利用彈性或半剛性材料來有效限制膝關節(jié)的活動范圍，發(fā)揮防護固定作用。其種類多樣，按護膝的款式來分，主要可分為髕骨帶、繃帶式護膝、輕薄式護膝、捆綁式護膝。不同運動的活動強度與關節(jié)活動范圍不同，應根據(jù)不同運動所需選擇合適的護膝款式。

圖2 制動型護膝Fig.2 Braking kneepads.(a) Elastic kneepad; (b) Semi-rigid kneepad

2.1.2 制動功能設計

2.1.2.1材料性能

制動型護膝從整體材料類型上可分為彈性護膝、半剛性護膝以及剛性護膝。彈性護膝主要通過面料延伸對人體施加壓力，從而起到防護固定及提高肌力水平的作用。但纖維具有應力松弛的天然屬性，護膝適體性下降導致其防護性能減弱，增加彈性纖維含量及面料緊度可延緩應力衰減，以提高彈性護膝的穩(wěn)定性。

半剛性以及剛性護膝常用的支撐材料包括金屬固件、彈簧，主要起到穩(wěn)定緊固兩側(cè)韌帶的作用。相比于彈性護膝，半剛性及剛性護膝能顯著降低膝關節(jié)在矢狀面、冠狀面、水平面的力矩峰值、膝關節(jié)活動角度或角位移，增加肌肉活性[8,18]。現(xiàn)有護膝支撐結(jié)構(gòu)的設計較為單一，基本為沿膝關節(jié)屈曲運動方向排列彈簧支撐條，存在穿脫不便，制約人體正常行動等問題。

2.1.2.2支撐結(jié)構(gòu)設計

護膝支撐結(jié)構(gòu)設計主要可分為緊度設計和半剛性結(jié)構(gòu)設計。不同肌群維持較好肌力水平時所需的壓力不同[19]，為施加合理的護膝壓力，應科學運用拉普拉斯定理(見下式)，選擇初始模量合適的彈性面料，依據(jù)人體膝關節(jié)部位的圍度，合理預估護膝的樣板尺寸，以達到理想的防護效果[20-21]。

式中：P為壓力，Pa；σ為單位面積的應力，N/m2；ω為面料厚度，m；E為面料彈性模量，Pa;ε為護膝自變；R為腿部半徑，m；CL為穿戴部位的腿部圍度，m；CS為護膝圍度，m。

王亮[22]自主研發(fā)的新型軍事跳傘膝關節(jié)防護裝置，通過增加左右兩側(cè)的彈簧支撐條數(shù)量，以及對彈簧支撐條長度進行差異化設計，使膝關節(jié)具有內(nèi)收、內(nèi)旋的趨勢，減少了活動過程中膝關節(jié)的外展外旋，降低膝關節(jié)損傷的風險。為兼顧防護性和舒適性，制動型護膝整體應以彈性為主，內(nèi)外側(cè)輔以半剛性材料，對不同年齡層[10]和運動種類進行不同的彈簧條長度和根數(shù)等的設計。

2.1.3 制動功能評價指標

制動型護膝面料的穩(wěn)定性可通過儀器模擬測試面料的彈性模量、彈性回復率、彎曲剛度等機械指標，以及靜態(tài)壓力、動態(tài)壓力、靜態(tài)壓力疲勞、動態(tài)壓力疲勞等接觸壓力指標表征。同時，進行真人實驗，應用三維動作捕捉儀和三維測力臺測試膝關節(jié)活動角度、角速度、力矩等生物力學指標評價護膝的制動功能。通過測試關節(jié)活動角度和動態(tài)壓迫，結(jié)合主觀評價，高智英[23]測得跑步運動中，壓力范圍在2.152 8～2.550 3 kPa之間的護膝，同時兼顧護膝的防護性和穿著舒適性的要求。

2.2 抗沖擊功能

抗沖擊式護膝又稱為填充式護膝，李寧等[24]研究認為緩沖材料具有儲存能力，減少作用于膝蓋部位的沖擊力，降低膝蓋損傷的作用。膝關節(jié)受到?jīng)_擊時，抗沖擊型護膝的彈性形變能吸收部分外力，降低關節(jié)部位的反作用力峰值，由此避免髕骨移位或軟骨磨損。

2.2.1 抗沖擊型護膝種類

抗沖擊型護膝多為復合式護膝，通常填充普通海綿、聚氨酯海綿(PUS)或乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)等軟質(zhì)吸能材料，如圖3(a)所示，抗沖擊性較好，但填充式護膝較為厚重且長時間穿戴會對膝關節(jié)部位產(chǎn)生負擔。

圖3 抗沖擊型護膝Fig.3 Impact-resistant kneepads. (a) Padded kneepad; (b) Built-in kneepad

基于服裝整體美觀性、便攜性及穿著時長考慮，部分特殊職業(yè)服可以設計內(nèi)置式護膝[25]，如圖3 (b)所示。

2.2.2 抗沖擊功能設計

2.2.2.1材料性能

經(jīng)編間隔組織或空氣層組織具有較好緩沖性能的，增加織物的面密度、層數(shù)可提高織物的抗沖擊性能。護膝抗沖擊性能不僅受護膝材料本身組織結(jié)構(gòu)的影響，還與復合的緩沖材料性能有關。研究表明PUS和經(jīng)編間隔織物的復合能滿足正常體重的老年人在行走過程中的防護要求[24]。由于護膝緩沖材料硬度和厚度的限制，在快速沖擊狀態(tài)下，現(xiàn)有護膝存在緩沖時間短，能量吸收有限等問題[26]。緩沖材料與其他功能填料復合改性可以提高緩沖材料的力學性能和服用性能。鄒海波等[27]通過將EVA與功能填料復合改性，顯著提高EVA的力學性能和服用性能；PUS與炭黑(CB)/剪切增稠凝膠(STG)復合物柔軟質(zhì)輕，以STG-CB/PUS為緩沖材料的增強護膝的沖擊力峰值僅為普通護膝的56%[28]。

2.2.2.2復合結(jié)構(gòu)設計

不同種材料的復合試樣的壓縮吸收性能與復合試樣的疊放次序有關[29]。通過增加緩沖材料的硬度和厚度，可以適當提高護膝的抗沖擊性能，但同時降低了護膝的依從性及舒適性，一般通過對緩沖材料表面進行溝槽、孔洞和割口等表面設計，以改善護膝的透氣性及貼體性。

因此，護膝設計過程中，應根據(jù)護膝應用場景的不同選擇合適的護膝面料與緩沖材料，并對緩沖材料的形狀、疊放位置和表面進行設計。

2.2.3 抗沖擊功能評價指標

護膝的抗沖擊性可以通過儀器模擬以及真人實驗測試沖擊加速度峰值、峰值持續(xù)時間、動態(tài)最大傳遞沖擊力、膝部在緩沖時間段內(nèi)速度的變化值、膝部觸地速度最大值、垂直地面反作用力等生物力學指標表征[30-31]。

2.3 緩壓功能

緩壓功能的實現(xiàn)是通過增加負荷的分布面積或吸收存儲載荷以降低膝關節(jié)反作用力的峰值。跪姿工作過程中，穿戴護膝后的最大膝關節(jié)接觸力至少降低40%[32]。此外，根據(jù)工作性質(zhì)選擇合適的護膝和減少極端的工作姿勢可以改變膝關節(jié)上的力分布，減少因高應力而產(chǎn)生膝關節(jié)疾病的風險[33]。

2.3.1 緩壓型護膝種類

緩壓型護膝如圖4所示，可分為軟質(zhì)吸能型護膝、硬質(zhì)分流型護膝以及軟-硬復合型護膝。研究表明軟質(zhì)吸能型護膝在較短時間內(nèi)進入致密化階段護膝只能吸收部分反作用力；軟-硬復合型護膝，外部防護和內(nèi)部泡沫襯墊共同作用降低膝關節(jié)反作用力的峰值，但伴隨著打破人體關節(jié)部位的平衡的風險；專業(yè)凝膠護膝通過增加覆蓋面積提高防護性能，膝蓋負荷下降高達70%，改善了人體-護膝界面的穩(wěn)定性[33]，可根據(jù)不同應用場景所需選擇合適的緩壓型護膝。

圖4 緩壓型護膝Fig.4 Anti-compression kneepads. (a) Soft energy-absorbing kneepad; (b) Soft-hard composite kneepad

2.3.2 緩壓功能設計

軟質(zhì)吸能型緩沖材料具有儲存能量的能力，硬質(zhì)分流型防護材料主要通過分散關鍵部位的外力至周圍軟組織。相比于抗沖擊性護膝預防的瞬時沖擊，緩壓型護膝長期處于高負荷狀態(tài)，且由于工作姿勢相對穩(wěn)定，以硬質(zhì)材料作為外殼、軟質(zhì)材料作為內(nèi)襯的軟-硬組合型防護是當前較為理想的防護組合[31]。但護膝僅具有有限的重新分配累積負荷的能力，并沒有改變膝關節(jié)交叉屈曲角度，除對護膝本身進行設計外，護膝與其他護具配套使用，如護膝與屈曲支撐裝置，也可以降低發(fā)生關節(jié)損傷和髕骨肌腱相關疾病的風險[34]。

2.3.3 緩壓功能評價指標

我國針對緩壓型護膝的研究較少，歐洲標準學會制定的EN 14404—2004《個人防護設備 跪姿下工作用護膝》對護膝類型和防護等級進行分類，系統(tǒng)規(guī)定該應用場景下護膝的測試指標，如抗穿刺性、抗沖擊性、力分布的均勻性等。德國標準化學會制定了DIN 23311—2—1998《礦山用護膝 第2部分：塑料護膝》、DIN 23311—1—1985《采礦用護膝 橡膠護膝》，對不同材質(zhì)的礦山用護膝做出詳細規(guī)定。

2.4 生理機能加強

2.4.1 生理機能加強型護膝種類

生理機能加強型護膝如圖5所示，大致可分為保暖型護膝和保健型護膝2類。保暖型護膝通過對人體皮膚的覆蓋，減少通過熱對流而散失的人體熱量；保健型護膝通過復合新型功能纖維，有效提高了護膝的生理防護性能。保暖型護膝的應用較為廣泛，保健型護膝主要用于醫(yī)療康復領域。選擇護膝功能時，消費者偏向選擇附帶保健功能的護膝，如電加熱護膝、磁療護膝、中醫(yī)藥護膝、遠紅外護膝等[26]。

圖5 生理機能加強型護膝Fig.5 Physiologically enhanced kneepads. (a) Warm kneepad; (b) Health-care kneepad

2.4.2 生理機能加強設計

傳統(tǒng)護膝材料與新型材料復合，可以針對性提高護膝的功能性，設計滿足不同生理需求的護膝。Massimo等[35]的研究證明復合金屬纖維的遠紅外護膝有助于膝關節(jié)置換術(shù)后的快速恢復。許祥生[36]通過三維步態(tài)分析系統(tǒng)對患者下肢關節(jié)的運動參數(shù)的變化進行分析，證實石墨烯智能理療護膝治療膝關節(jié)骨性關節(jié)炎的臨床療效確切，能夠改善膝骨關節(jié)疾病，促進下肢功能恢復。

2.4.3 生理機能評價指標

針對生理防護型護膝的不同防護對象，對應提出不同的評價指標。如保暖型護膝可測試護膝的隔熱性能；遠紅外護膝可測試護膝的遠紅外波長范圍；石墨烯護膝可測試其導電性能與導熱性能等。

3 結(jié)束語

護膝通過減少關節(jié)活動角度、吸收儲存能量、降低反作用力峰值以及保暖保健以預防膝關節(jié)疾病的發(fā)生，是重要的個體防護裝備。現(xiàn)階段國內(nèi)外科研人員針對護膝防護性能已展開一定的研究并取得了較豐富的成果，但有關護膝對膝關節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、臨近關節(jié)以及下肢肌肉活性的影響研究還有待進一步加強。實際上，現(xiàn)有護膝防護缺乏交互性，缺少有效的反饋機制，無法指導用戶主動調(diào)整運動姿勢以規(guī)避運動損傷。此外，護膝產(chǎn)品缺乏相關防護性標準，并且儀器模擬局限于護膝織物層面的測試，與實際著裝狀態(tài)存在差異，而真人實驗耗時長且存在關節(jié)損傷的風險。基于以上研究不足，未來可以從下3個方面展開深入研究。

①針對不同防護場景展開多元化的護膝研究。針對護膝材料、結(jié)構(gòu)以及防護性的偏向，展開不同應用場景的護膝的防護性能研究；另一方面護膝限制了膝關節(jié)對能量的吸收，勢必增加臨近關節(jié)的活動度，引起臨近關節(jié)的損傷，因此護膝穿戴對人體的副作用需要進一步去研究。

②護膝的智能可穿戴設計。護膝作用于關節(jié)活動的特殊位置，與智能可穿戴技術(shù)結(jié)合，如納米摩擦發(fā)電機、導電紗線、傳感器等，可實現(xiàn)人體供能的同時進行健康監(jiān)測，建立有效的反饋機制，預防由于超負荷或活動角度過大而造成的關節(jié)損傷。在萬物互聯(lián)的未來，智能可穿戴護膝將具有廣闊的發(fā)展前景。

③護膝防護性能評價標準及方法的完善。國外已有EN 14404—2004、DIN 23311—2—1998等相關標準對護膝防護性能提出詳細要求。而國內(nèi)尚無專門的護膝標準，現(xiàn)行行業(yè)標準FZ/T 74001—2020《紡織品 針織運動護具》僅對針織運動護具的外觀質(zhì)量、安全指標、拉伸性能等做出規(guī)定，不涉及防護性能指標。借鑒國外勞動護膝的防護標準，制定不同應用場景下的護膝防護性標準與評價指標有重要的現(xiàn)實意義。再者，考慮到護膝真人著裝測試過程中的風險，通過建立準確的生物力學損傷模型來評價護膝的防護性能將是未來護膝設計的重要手段。