基于灰色近優模型遠紅外壓力襪緩解運動疲勞性能評價

呂笛笛，李艷梅

(上海工程技術大學 紡織服裝學院，上海 201620)

遠紅外纖維作為功能材料，過去主要利用其保暖抗菌功能，隨著科技的發展，其保健功能也得到了應用。遠紅外纖維可以使機體產生溫熱效應，改善人體微循環，促進新陳代謝，減少機體乳酸的堆積，起到調節代謝、消炎、緩解肌肉疲勞、鎮痛的作用[1-2]。NUNES R F H等[3]通過對比遠紅外運動褲和普通運動褲的生化指標，監測延遲性肌肉酸痛，認為穿著遠紅外服裝可以緩解運動疲勞，尤其在強化訓練早期階段效果明顯。李萱等[4]研究了遠紅外騎行褲緩解疲勞的效果,發現不同遠紅外纖維質量分數的騎行褲具有不同的效果,遠紅外纖維質量分數為25%，50%的騎行褲緩解疲勞效果相似,作用較弱；遠紅外纖維質量分數為75%，100%的騎行褲緩解疲勞效果相近,作用較明顯。同時，還發現組織結構對騎行褲緩解運動疲勞具有一定的影響。文中選擇遠紅外錦綸和普通錦綸為原料，開發出不同遠紅外纖維質量分數和組織結構的壓力襪，并對其進行遞增負荷實驗,使用灰色近優法對測試指標進行綜合評價[5],選出效果最優的試樣，為壓力襪的開發與應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

1.1.1原料 普通錦綸和遠紅外錦綸(線密度均為7.8 tex)，錦氨包覆紗(規格為3070)，均為東莞高速紡織品有限公司生產；乳膠橡筋(規格為120#)，諸暨捷棟化纖有限公司生產。

1.1.2儀器 MP615 單針筒織襪機，圣東尼(上海)針織機器有限公司制造；h/p/cosmos跑臺，德國h/p/cosmos公司制造；Delsys Trigno Mobile無線表面肌電測試儀，美國Delsys公司制造；Tango M2血壓運動監護儀，美國Sun Tech公司制造；Ergoline心率帶，德國Ergoline公司制造。

1.2 織物規格參數

運動壓力襪產生作用的部位主要是襪筒，因此實驗針對襪筒進行遠紅外纖維質量分數設計。通過單針筒織襪機調節面紗比例，使遠紅外錦綸在面紗中的質量分數分別為0，25%，50%，75%，100%；組織結構設定為平針襯墊組織，襯墊比分別為1∶1和3∶1。壓力襪規格見表1。

表1 壓力襪規格Tab.1 Pressure socks specifications

1.3 測試方案

受試者：有運動習慣的5名女性，身高(162.5±2.5) cm，體質量(57±3) kg，年齡(21.5±0.5)歲，小腿圍度(34±2) cm。每次實驗均在相同時間段進行，每雙壓力襪測試時間最少間隔24 h。

測試部位：內外腓腸肌[6]。

測試過程：實驗在溫度為25 ℃、濕度為60%的恒溫恒濕實驗室進行。測試前，受試者身穿實驗壓力襪靜坐30 min。運動方案見表2，受試者運動過程如圖1所示。

表2 運動方案Tab.2 Movement process

圖1 受試者運動過程Fig.1 Subject exercise process

1.4 實驗指標

1.4.1表面肌電信號 文中使用幅頻聯合分析法，結合時域指標均方根振幅(RMS)和頻域指標中值頻率(MF)，對肌肉狀態等級展開分析。幅頻聯合分析示意如圖2所示。幅頻聯合分析法評判肌肉狀態原則為：第1象限中,橫縱坐標數值同時升高時，表明肌肉力量增大；第2象限中,橫坐標數值下降但縱坐標數值升高時，表明肌肉處在力量恢復階段；第3象限中，橫縱坐標數值同時下降時，表明肌肉力量減小；第4象限中，橫坐標數值升高但縱坐標數值下降，代表肌肉處在疲勞階段[4]。選用無線表面肌電測試儀對受試者進行肌電信號采集。

圖2 幅頻聯合分析示意Fig.2 Amplitude-frequency joint analysis schematic

1.4.2血壓 伴隨著運動時間的增加，脈壓差增大，血流量增多。運動結束時，脈壓差回到穩定狀態所需時間越短，身體狀態越好，運動產生的疲勞越微弱。受試者血壓的采集選擇運動血壓監護儀。脈壓差的恢復效果定量表示為運動結束前后脈壓差下降速率。脈壓差下降速率(V)的公式為：

V=(Δf-Δe)/Δe

式中：Δf為運動結束即刻的脈壓差；Δe為運動達到力竭狀態的脈壓差[7]。

1.4.3心率 運動初期，伴隨著血液輸出量的增加心率出現增大,促使機體較快進入運動狀態；運動中后期，血液輸出速度加快使得心率上升。“絕對心率”可定量表示為運動過程中實時心率與運動前安靜心率的差值，體現了運動過程中機體的運動狀態[7]。受試者心率的采集選擇心率帶。

1.4.4主觀評價 受試者穿著壓力襪進行運動，選用主觀體力感覺等級量表(RPE)進行測試，按照疲勞程度將評價等級分為輕松、稍費力、費力、很費力及非常費力5個等級，主觀疲勞評價為非常費力時表明受試者處于力竭階段[7]，記錄此時的時間，將其作為評價指標。

2 結果與分析

2.1 測試結果

10雙試樣測試結果見表3。依據幅頻聯合分析法可知，表面肌電評分數值越小，評價越優，緩解運動疲勞效果越好。10雙試樣的評分排序依次為5#<10#<8#<3#<9#<4#<7#<2#<6#<1#，整體而言，試樣10#和5#的緩解效果最好，試樣6#和1#的緩解效果最差。在1∶1平針襯墊組織試樣中，試樣5#的緩解效果最好，試樣1#的緩解效果最差。因此，表面肌電評分與壓力襪遠紅外纖維質量分數呈負相關。

表3 運動疲勞評價指標測試結果Tab.3 Results of sports fatigue evaluation index test

脈壓差下降速率越大，評價越優。10雙試樣的脈壓差下降速率依次為10#>5#>9#>4#>2#>3#>8#>7#>1#>6#，可以看出試樣10#和5#的下降速率最快，試樣1#和6#的下降速率最慢。在3∶1平針襯墊組織試樣中，試樣10#的下降速率最快，可知脈壓差下降速率與壓力襪遠紅外纖維質量分數呈正相關。與不含遠紅外纖維的試樣1#和6#相比，其余含有遠紅外纖維試樣的脈壓差下降速率均出現不同程度的上升。由此可以看出，加入遠紅外纖維的壓力襪可以加速機體的脈壓差回落至穩定狀態。

絕對心率數值越大，評價越優。10雙試樣的絕對心率依次為5#>4#>9#>10#>3#>8#>2#>7#>6#>1#，可以看出，受試者穿著試樣5#時的機體狀態最好。在組織結構為1∶1平針襯墊組織試樣中，機體絕對心率數值隨著遠紅外纖維質量分數的增加而增大。

主觀疲勞時間越長，評價越優。10雙試樣的主觀疲勞時間依次為10#>5#>9#>4#>7#>8#=3#>2#>1#=6#，可知，受試者穿著試樣10#時，疲勞感覺出現最晚。對比相同遠紅外纖維質量分數的試樣，可以看出，受試者穿著3∶1平針襯墊組織試樣時，出現疲勞感覺的時間整體大于穿著1∶1平針襯墊組織試樣的時間。

2.2 灰色近優系統的建立

依據衡量運動疲勞指標，選用灰色近優綜合評價法對10雙試樣緩解運動疲勞的優劣進行評價。該方法具有樣本需求量小、計算工作量少、各指標無權重、定量與定性分析結果相同等特點[8]，在紡織服裝性能評價中得到了廣泛應用。

首先，建立灰矩陣Rn×m[9]，

(1)

式中:Rn×m是試樣m的第n個測試指標的灰元值；Ai(i=1,2,…,n)為試樣的評價指標；m為測試樣個數。

將各測試指標的數據代入式(1)，得到白化灰矩陣R′n×m，即

(2)

式中:R′n×m是試樣m的第n個測試指標的白化灰元值。

(3)

式中:R″n×m是試樣m的第n個測試指標的近優白化灰元值。

其中單點效果測度共有3種方式，分別為：上限、中限、下限效果測度，分別適用于指標越大越優型、指標適中型和指標越小越優型[10]。

上限效果測度：

(4)

中限效果測度：

(5)

式中:u0為評價指標的均值。

下限效果測度：

(6)

式中:min{R′ij,umin}=min{R′i1,R′i2,…,R′im,umin};umin為最小最優值。

通過公式(3)已經得出各測試指標的近優度，為了全面得出各試樣的綜合近優度，對式(3)的近優白化灰量進行處理，得到近優度白化灰元行矩陣R″S，即

(7)

根據公式(7)對所有試樣的綜合近優度進行計算排序，綜合近優度的范圍為0～1，數據越大表明試樣的性能越好[11,12]。

2.3 壓力襪緩解運動疲勞性能綜合評價

選用2.1測得指標：表面肌電信號、血壓、心率、主觀疲勞時間(分別記為A1，A2，A3，A4)對不同遠紅外質量分數和組織結構壓力襪緩解運動疲勞效果進行評價，將測得結果代入式(1)，得到白化灰矩陣R′4×10，即

文中壓力襪主要用于緩解機體運動過程中的肌肉疲勞，不同測試指標對應不同效果測度：表面肌電評分值越小，性能越好，選擇下限效果測度；脈壓差下降速率、絕對心率、主觀疲勞時間值越大，性能越好，選擇上限效果測度。各測試指標按照對應公式，將近優白化灰元值代入，得到矩陣R″n×m，即

將數值代入式(7)，得到10雙試樣的綜合近優度，即

R″S=Sj[0.59 0.72 0.77 0.83 0.96 0.57 0.69 0.73 0.86 0.98]

對10雙試樣的綜合近優度按從大到小順序進行排列，得到其緩解運動疲勞效果的優劣順序為10#>5#>9#>4#>3#>8#>2#>7#>1#>6#。

依據綜合近優度及表2可知：組織結構為3∶1平針襯墊組織、遠紅外纖維質量分數為100%的壓力襪緩解運動疲勞效果最好，組織結構為3∶1平針襯墊組織、遠紅外纖維質量分數為0的壓力襪緩解運動疲勞效果最差；試樣9#和試樣4#只存在組織結構的差別，二者近優度數據相似，且各指標測試結果基本一致，這表明當壓力襪遠紅外質量分數為75%時，組織結構對其緩解運動疲勞效果影響不大；就遠紅外纖維質量分數而言，壓力襪緩解運動疲勞效果隨著遠紅外纖維質量分數的增加而增大。

3 結語

為了客觀合理評價壓力襪的遠紅外纖維質量分數和組織結構對運動疲勞的影響，測試受試者穿著10雙試樣的表面肌電信號、血壓、心率、主觀評價，運用灰色近優綜合評價法得到試樣性能的綜合評價。結果表明，隨著遠紅外纖維質量分數的增加，織物可有效緩解運動疲勞。因此，提高遠紅外纖維在壓力襪中的質量分數，有利于壓力襪更好地發揮緩解運動疲勞的作用。利用灰色近優綜合評價法對試樣緩解運動疲勞性能進行綜合評價，試樣10#的綜合性能最好，更適合于開發具有緩解運動疲勞的壓力襪。