梯度壓力襪作為一種緊身運動服裝，是跑步運動中常見的輔助裝備。其採用由下至上遞減的梯度壓力分布給小腿肌肉提供支撐，同時促進下肢血液循環，從而達到提高肢體穩定性，延緩肌肉疲勞的效果。目前相關研究一方面聚焦於原材料、組織結構、工藝參數等因素與壓力襪壓力分布的關係[1-2]，另一方面多為研究肢體形態和人體運動對壓力分布的影響[3-4]。在研究運動過程中，一般將連續動作分解成多個固定姿勢，以固定姿勢下受試者特定部位的服裝壓表徵運動過程中的動態壓力[5-6]，但固定姿勢下與連續運動過程中產生的服裝壓具有一定的差異性，不足以代表運動中小腿肌肉所受壓力。壓力襪早期作為醫學治療的輔助用具，如今作為日常較普及的緊身運動裝備，對於運動員的技能恢復起到積極作用[7-8]，但梯度壓力襪在運動學實際應用方面的研究仍存在欠缺，且静態壓力不足以代表運動應用中小腿肌肉所受服裝壓力。本文自行搭建動態壓力測試系統，測量人體穿著不同梯度壓力襪時，小腿各部位的動態壓力，對比動、靜壓力分布，分析動靜態壓力差異較大的部位並探討其原因，為梯度壓力分布設計提供參考。
- 實驗設計
1.1實驗對象 中國人正常的身體質量指數(BMI)為18.5 ~ 23.9 [9]，本文研究選擇BMI指數為(21.5±2.5)、體重為( 50 ± 5) kg、年齡為( 22 ± 2)歲、小腿圍為(35±2) cm、鞋碼(36 ~ 39)碼、有跑步習慣的女大學生作為受試者。所有受試者均為身體健康，無關節、骨骼或韌帶受傷病史，且要求在實驗前1周内熟悉實驗流程和實驗方法，在實驗開始前24 h避免進行劇烈運動。初步選擇的9名受試者基礎情況如表1 所示。為後續闡述方便，受試者編號依次為No.1~No.9。
1.2 壓力襪樣本
實驗樣本分為4組長度及膝的中筒梯度壓力襪。參照標準FZ/T 73031-2009《壓力襪》和 YY/ T 0853-2011《醫用靜脈曲張壓縮襪》，結合工廠實際生產情況，進行4組梯度壓力襪打樣與梯度差設定，取標準中值壓力差的20%作為低壓壓力襪對照組，設計壓力值如表2所示。4組試樣分别是壓力梯度差為20%左右的低壓壓力襪1#(整體壓力較小的壓力襪，簡稱低壓壓力襪)、壓力梯度差為10%的高壓壓力襪2#、壓力梯度差為20%的高壓壓力襪3#和壓力梯度差為30%的高壓壓力襪4#(整體壓力較高的壓力襪，簡稱高壓壓力襪)。B、B′、C 分別指腳踝、小腿跟腱轉折處、小腿周長最大處，壓力側量圍度示意圖圖1所示。各部位具體壓力差百分比如表2 中H(H = B′壓力/ B壓力)、H′( H′=C壓力/B壓力)所示。
實驗用壓力襪紗線主要成分為PU/Nylon/PET;襪口和襪頭採用雙層平針組織(實驗用壓力襪襪頭偏大，可容納不同大小的腳);襪身部分採用平針襯墊組織，提供壓力的同時保持其透氣性;腳後跟採用緯平針組織。具體細部尺寸如表3所示。
1.3 測量點確定
參考壓力襪相關標準，考慮到動靜態壓力的匹配性、測量便利性，選擇腳踝最細處、小腿跟腱轉折處、小腿周長最大處3個横截面的前、後、内、外，共計 12個點作為壓力測量點，標號P1 ~ P12，壓力測量點示意圖如圖2所示。
- 實驗方法
動靜態壓力測量實驗流程如圖3所示。
1.4.1 靜態壓力測量
選用AMI3037-10氣囊式接觸壓力測量儀(日本American Megatrends Inc 公司)，測量站立狀態下受試者穿著4組梯度壓力襪時小腿各部位的静態壓力。氣囊直徑為20 mm，測量精度達到( ± 0.2 ~ ±0.45) kPa。
靜態壓力測量在站立狀態下進行，要求受試者軀幹挺直，兩肩平齊，兩臂自然下垂，兩腳跟併攏，兩腳尖張開60°，腿部自然放鬆，身體重心落於兩腿正中，維持站姿動作，待數據穩定後，記錄數值，同一圍度的壓力測量需重複3次取平均值。
1.4.2 動態壓力測量
根據圖4所示進行動態壓力測量系統的硬體搭建與軟體設計。
硬體:採用直徑為20 mm的柔性薄膜壓力傳感器，採集受試者在跑步運動中的動態服裝壓力。通過壓力信號轉換模塊將壓力信號傳输至電腦端SSCOM串口軟體，實現壓力信號的讀取。壓力轉換模塊擁有4個傳感器接入端口，可同時測量4個位置的壓力值。模塊内置電路屬於TTL ( Transistor Transistor Logic)集成電路，輸出信號無法直接被USB端口識別，通過TTL轉USB模塊後，在電腦端 的串口軟體中可被識別和讀取，並將其轉換成模擬AD(Analog / Digital signals) 值。圖5為傳感器與信號轉換模塊的接線圖。
壓力信號讀取後，採用標準砝碼與壓力傳感器提供標準壓力值，對傳感器進行標定。隨機選取1名受試者，對該系統進行多次重複測試，採用獨立樣本T檢驗，分析數據是否有顯著性差異，用以驗證動態壓力測量系統的穩定性[10] 。
為驗證動態壓力測量系統的準確性，採用AMI3037-10氣囊式接觸壓力測量儀測量受試者穿著相同壓力襪時相同部位的靜態壓力。對2組壓力測量數據進行相關性分析，得到2組儀器所測得的壓力值在0.01顯著性水平下高度相關(相關系數為0.961)，因此動態壓力測量系統測量數據的準確性良好。跑步是一種周期性活動，穿著壓力襪運動時，下肢各部位所受壓力隨肌肉反覆收縮變形產生周期性波動[11-12]。動態壓力測量系統只有3個通道，因此P1~ P12需要按4條縱向測試線(前、後、内側和外側)分4次進行。
連接好動態壓力測量系統，在小腿前的壓力測量點上用醫用膠帶固定好柔性壓力傳感器，開始匀速跑步，待受試者穩定後記錄1 min的壓力數值，實驗過程如圖6所示，完成後依次測量小腿後、小腿内側和小腿外側的動態壓力。
- 結果與分析
根據受試者測量處圍度標準差及方差可知，數據離散程度較小，證明所篩選出的受試者測量部位差異較小。在此基礎上，根據肌肉分布與圍度設定進行點定位，以最大程度避免測量偏差，減少實驗誤差。但不同人體腿部骨骼、肌肉、脂肪以及皮下組織的變化必然會導致壓力襪壓力產生差異分布，分析受試者 No.1 ~ No.9穿著醫療襪時右腿部在腳踝處(B)、小腿跟腱轉變折( B′)、小腿周長最大處(C)3個圍度上的服裝壓力分布，No.2 ~ No.7、No.9均表現出由下至上遞減的壓力梯度，No. 9穿著1#、3#、4#壓力襪在站立狀態下不能表現明顯的壓力梯度，因此最終選擇符合設計壓力分布的No. 2~No. 7號受試者進行後續分析。
2. 1 靜態壓力分析
2. 1. 1 縱向壓力分布
在站立狀態下，壓力襪在腳踝、小腿跟腱轉折處、周長最大處的平均壓力均呈現由下至上遞減的梯度壓力，1#~4#縱向圍度的壓力百分比分別為1#: 100%、 82.8%、69.3%；2#:100%、94.6%、85.2%; 3#:100%、88.7%、76.9%；4 #:100%、72.2%、61%。不同壓力分布的壓力襪整體分布相似，各部位壓力百分比與設計值有一定差距，但整體梯度變化一致。圖7示出縱向壓力分布，可以看出壓力襪在前側和外側均能呈現較為明顯的壓力梯度；小腿前側脛肌突出，導致前側壓力均大於其他側面。腳踝凸點使得小腿内側壓力最小值出現在腳踝上方。
2. 1. 2 橫向壓力分布
橫向壓力分布如圖8所示。從同一圍度上來看，腳踝部位(B)的壓力分布差異較大。1# ~ 4#壓力襪在腳踝處的壓力差值分別為2.098、1.900、2.064、2.038 kPa，且均為腳踝後面壓力最大、内側壓力最小，這是由於腳踝後方曲率較大以及腳踝上方的凹陷造成的。腳踝後的跟腱導致皮膚表面曲率半徑較小，因此所受壓力大於前、内、外處的壓力。小腿跟腱轉折處(B′)和小腿周長最大處(C)，壓力分布均為前側的壓力最大，依次為前、内、後、外。
2.2 動態壓力分析
2.2.1 動態壓力波動範圍
對受試者1 min匀速跑步運動過程中測量的壓力數據進行篩選，去除明顯錯誤值和缺失值，截取第20~40s的壓力數值，按照圖2所示前、後、内、外4條縱向壓力測試線(即P1-P5-P9，P2-P6-P10，P3-P7-P11，P4-P8-P12)，繪製壓力-時間時間圖(見圖9)，觀察縱向壓力測量點的壓力波動情況。
如圖9所示，從整體波動情況來看，跑步運動過程中梯度壓力襪施加給各壓力測量點的動態壓力隨時間呈周期性波動，這種周期性波動是小腿肌肉的周期性活動導致的。從動態壓力波動的大小和範圍來看，小腿前側(P1、P5)和腳踝後側(P2)的動態壓力均較大且波動範圍大，甚至超出了FZ / T 73031-2009《壓力襪》所規定的壓力範圍，在梯度壓力襪的壓力分布設計時可適當考慮減小這2處的壓力。從縱向壓力梯度來看，小腿後側(P2、P6、P10)的壓力梯度十分明顯，小腿前(P1、P5、P9)、内側(P3、P7、 P11)和外側(P4、P8、P12)均不符合壓力梯度。從小腿主要活動肌肉來看，脛前肌位於小腿前側，受到了由下至上遞減的梯度壓力且壓力較大；内外側腓腸肌(P11、P12)所受的壓力相對穩定且較小。
2. 2. 2 平均動態壓力整體分布
將1 min匀速跑步運動過程中測量的壓力數據去除明顯的錯誤值後，分別計算穿著不同壓力襪時的壓力平均值。發現1#~4#壓力襪在運動過程中仍能保持由下至上的遞減的壓力梯度。其壓力梯度分別為1 #:100%、78.8%、70.3%；2 #:100%、89.2%、86.7%；3 #: 100%、76.0%、73.3%；4 #: 100%、70.0%、66.5%，從縱向圍度來看，各圍度的壓力占比均在YY/ T 0853-2011《醫用靜脈曲張壓縮襪》所規定的壓力占比範圍内。
平均動態壓力縱向分布如圖10所示，小腿内側，壓力最小的位置仍為腳踝最細處(P3)，但運動過程中内側腓腸肌的運動導致P11處壓力增大，小腿内側呈現從下至上遞增的壓力分布。橫向壓力分布趨勢與靜態保持一致。
對穿著不同壓力襪跑步運動中小腿脛前肌、内側腓腸肌和外側腓腸肌所受的壓力是否具有顯著性差異進行分析。將各壓力測量點的平均動態壓力數值進行正態性檢驗，並使用單因素方差分析檢驗在跑步運動中各梯度壓力襪在各壓力點產生的壓力是否有顯著性差異，有顯著性差異的壓力測量點如表4所示。
在跑步運動過程中，梯度壓力襪與各壓力測量點之間會發生相對位移，且小腿肌肉活動也會改變各部位所受壓力，因此不同的梯度壓力襪在各壓力測量點並不能完全表現出不同的壓力值，但在小腿主要活動肌肉位置均表現出了顯著性差異:1 #與2#、3#與4 #、2 #與4 #梯度壓力襪在脛前肌(P5~P9)、内側腓腸肌處(P11)、外側腓腸肌(P12)表現出了顯著差異。穿著1#~4#梯度壓力襪時不同肌肉受到的動態平均壓力如表5所示。
2. 3 動靜態壓力差異性分析
在站立與跑步狀態下測得的受試者穿著1#~ 4#梯度壓力襪各部位靜態壓力和平均動態壓力對比如圖11所示。梯度壓力襪在靜態和動態狀態下的整體壓力分布相似，絕大部分測量點的動態平均壓力大於靜態壓力，其中低壓梯度壓力襪中絕大部分測量點的動靜態壓力差大於高壓梯度壓力襪，而在高壓梯度壓力襪中，壓力梯度越小，動靜態壓力差越小。在壓力測量點P1~P9中，低壓梯度壓力襪及梯度差較小的高壓梯度壓力襪小腿前側的壓力測量點P1、P5、P9、P11對穿著不同壓力襪時各壓力測量點的動靜態壓力值進行配對樣本T檢驗，檢驗結果如表6所示。其中P1、P5、P9、P11這4個壓力測量點的動靜態壓力具有顯著性差異，結合圖10可知，跑步時肌肉活動使得小腿前側和小腿周長最大處内側的壓力明顯增大，即脛前肌和内側腓腸肌所受動態壓力顯著大於靜態壓力。
考慮到P1、P5、P9、P11動靜態壓力具有顯著性差異，而靜態壓力多被採用為壓力襪的參考標準，因此分別以各壓力測量點的靜態壓力、各部位對應圍度為自變量，各壓力測量點的動態壓力為因變量進行回歸分析, P1、P5、P9、P11的回歸模型如表7所示。
除 P1點的動態壓力受腳踝影響太大，擬合效果較差之外；其餘點位方差膨脹因子(VIF)均在 1左右，不存在多重共線性。P5、P9、P11處的動態壓力與其靜態壓力、各部位對應小腿度的擬合方程分別為:
y5 = 0. 794×1 + 0. 165×2 – 3. 870
y9 = 0. 957×1 + 0. 124×2 – 3. 846
y11 = 1. 110×1 + 0. 034×2 – 1. 060
從上述擬合方程可知:各點動態壓力與靜態壓力、對應的小腿圍度成正相關。 其中絕對誤差可反映擬合方程的預測效果，P5、P9、P11這3點處動態壓力計算值與測量值絕對誤差在±0.5kPa範圍内的數據在73%左右，且模型調整後的R 2均大於0.7，表明擬合效果較好。
3結論
本文測量了受試者穿著不同壓力襪在跑步時和站立狀態下，腳踝最細處、小腿跟腱轉折處、小腿周長最大處3個橫截面的前、後、内、外側共12個位置的動態壓力與靜態壓力。對比發現動態壓力顯著大於靜態壓力，其中小腿前側和腳踝後的壓力波動較大且超出相關標準所規定的壓力範圍。通過線性回歸得到了脛前肌中上端、内側腓腸肌處的動態壓力、靜態壓力及各部位對應小腿度之間的相關關係，為壓力襪的壓力分布設計提供一定的參考意義。