安徽农业大学学报, 2018, 45(2): 373-377 Journal of Anhui Agricultural University [DOI] 10.13610/j.cnki.1672-352x.20180427.008 网络出版时间 :2018/4/27 14:22:41 [URL] http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.s.20180427.1422.016.html 床垫支撑力对侧卧姿势下肩关节生物力学的影响 * 方菲, 申黎明 ( 南京林业大学家居与工业设计学院, 南京 210037) 摘要 : 对人体侧卧姿势下肩关节进行生物力学分析, 建立了肩关节中盂肱关节 三角肌和冈上肌肌力的计算公式, 探究了床垫支撑作用力对肩关节中盂肱关节力 三角肌和冈上肌肌力的影响 结果发现, 随着床垫对肩部支撑力的增大至 120 N 时, 盂肱关节力和三角肌肌力逐渐增大 ; 当床垫对肩部支撑力大于 120 N 时, 盂肱关节力和三角肌肌力逐渐减小 冈上肌肌力则随着床垫对肩部支撑力增大, 呈现先减小后增大的趋势, 在床垫支撑力在 85 N 左右时为该趋势的转折点 随着床垫对上肢支撑力的增大, 盂肱关节力和三角肌肌力逐渐增大 ; 冈上肌肌力则呈现先减小, 后增大再减小的趋势, 从生物力学角度阐明了人体在睡眠过程中需要进行睡姿调整的内在原因 关键词 : 床垫 ; 肩关节 ; 生物力学 ; 支撑力 ; 侧卧中图分类号 :TS664.01 文献标识码 :A 文章编号 :1672352X (2018)02037305 Research on biomechanical effect of mattress force on shoulder joint in lateral position FANG Fei,SHEN Liming (College of Furnishings and Industrial Design, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037) Abstract: Formulas were built to calculate the glenohumeral joint force, deltoid and supraspinatus muscle forces based on a biomechanical analysis on the shoulder joint in lateral position, The effect of mattress supporting force to shoulder and upper arm on the glenohumeral joint and muscle forces were also investigated. The results showed that: the glenohumeral joint and deltoid muscle forces were increased with the increasing mattress force on shoulder to 120 N. When the mattress force on shoulder was higher than 120 N, the glenohumeral joint and deltoid muscle forces were decreased, and the supraspinatus muscle force was decreased and then increased with the change of mattress force on the shoulder. With the increase of mattress force on upper arm, the glenohumeral joint and deltoid muscle forces were increased, while the supraspinatus muscle force was decreased firstly, and then increased and decreased lastly. It was demonstrated that the time to keep lateral position is limited. It also explained the illuminated intrinsic reason through the angle of biomechanics for a posture change during sleep. Key words: mattress; shoulder joint; biomechanics; supporting force; lateral position 侧卧是人体较常用的睡姿, 当床垫和枕头能够给予人体合理支撑条件时, 人体脊柱在冠状面上呈直线, 且能维持自然的脊柱曲度 ; 但与仰卧睡姿相比, 使用侧卧睡姿时人体与床垫接触面积减少 [1], 重心位置上移, 因此侧卧睡姿需要头颈部 上肢及上躯干的协调配合以增加睡姿稳定性 在侧卧姿势下, 人体与床垫接触的一侧肌肉受到床垫支撑的作用, 而相对一侧则不受床垫支撑, 可能产生肌肉施力的不对称性 [2] 而睡姿变换有利于避免人体局部软组织 压力过大和肌肉僵硬, 局部软组织缺血产生的代谢物质可以刺激人体感觉神经末端, 促使人在感知疼痛等不舒适情况时及时改变睡姿 [3] 人体睡姿调节如进行翻身动作则需要人体骨关节及肌肉的配合, 且随着睡姿的改变, 人体重心改变, 产生动作的力会使床垫在人体支撑部位产生相应的作用力 [4] 目前的床垫研究中较少运用生物力学原理对人 - 床垫界面关系进行研究, 也没有真正揭示人体在睡眠过程中进行睡姿变换的根本原因 因此, 本研究对人体侧卧 收稿日期 : 2017-07-16 基金项目 : 国家自然科学基金 (31070503/C160302) 和安徽省自然科学基金 (1308085QH133) 共同资助 作者简介 : 方菲, 博士研究生 E-mail:ffei_1988@163.com * 通信作者 : 申黎明, 教授, 博士生导师 E-mail:shenlimingda@hotmail.com
374 安徽农业大学学报 2018 年 姿势下肩关节进行生物力学分析, 及床垫支撑作用力对肩关节中盂肱关节力 三角肌和冈上肌肌力的影响, 以从生物力学角度分析人体在睡眠过程中进行卧姿变换的内在原因, 探究床垫的支撑作用力与人体卧姿之间是否存在一定的必然性关系 1 材料与方法 1.1 受试者和实验床垫选择一名身高 168 cm 体重 57.6 kg 的男性被试, 右侧卧于床垫上, 要求受试者全身放松, 躯干与大腿角度及小腿与大腿角度遵循舒适原则, 左臂自然弯曲置于身体上, 右臂置于身体一侧, 尽量靠 近身体躯干 利用人体压力分布测试系统对被试右侧卧在 10 张弹簧床垫上时肩部和上肢与床垫的接触面积和平均压力进行测量, 支撑作用力则为接触面积和平均压力二者的乘积, 床垫硬度采用 LGA 测试法进行实验获取 [5], 床垫详细参数如表 1 所示, 床垫对上述受试者肩部和上肢的支撑力如表 2 所示 实验床垫共 10 款非分区弹簧床垫, 芯层为袋装圆柱弹簧, 铺垫层有普通海绵 乳胶和记忆海绵等搭配组合而成, 复合面料层为针织面料绗缝普通海绵和丝绵 无纺布组合而成, 绗缝花纹为独立花型, 花型大小 15.24 mm 序号 No. 袋装弹簧床芯系数 Pocket spring core 表 1 10 张床垫的详细参数 Table 1 The detailed parameters of ten mattresses 铺垫层材料 ( 从上至下 ) Materials of bedding layer (from up to down) 床垫铺垫层厚度 /mm The width of bedding layer 1 1.8656 记忆 + 普通 + 乳胶 Slow rebound sponge,sponge and latex 80 2 1.8656 无铺垫层 No bedding material 0 3 1.8656 乳胶 Latex 30 4 2.0606 普通海绵 + 乳胶 Sponge and latex 50 5 2.0606 记忆 + 普通 + 乳胶 Slow rebound sponge,sponge and latex 80 6 2.0606 普通海绵 Sponge 20 7 2.0606 乳胶 + 普通海绵 Latex and sponge 50 8 1.8656 乳胶 + 普通海绵 Latex and sponge 50 9 2.0606 无铺垫层 No bedding material 0 10 2.0606 乳胶 Latex 30 注 : 袋装弹簧床芯系数 2.0 60 6 和 1.8 65 6 分别指弹簧的线径 口径和圈数 乳胶和记忆海绵厚度均为 30 mm, 普通海绵厚度为 20 mm, 克重为 22 kg m -3 Note: Coefficients of 2.0,60,6 and 1.8,65,6 for pocket spring core refer to wire diameter, and caliber and cycles, respectively. The thickness of latex and memory foam are all of 30 mm, while that of ordinary sponge is of 20 mm. Both are of 22 kg m -3 in weight. 序号 No. 表 2 床垫对肩部和上肢的支撑作用力 Table 2 Mattress supporting force on shoulder and upper arm 肩部支撑作用力 /N Supporting force on shoulder 上肢支撑作用力 /N Supporting force on upper arm 1 76.645 46.925 2 73.754 49.801 3 85.327 60.584 4 93.223 46.729 5 96.864 55.617 6 129.707 41.566 7 127.418 58.035 8 65.547 48.493 9 126.932 70.649 10 118.679 53.395 1.2 侧卧姿势下肩关节受力分析人体侧卧时肩关节与床垫直接接触, 且受力集 中 肩关节中的盂肱关节位于肱骨与肩胛骨的连接处, 属于球窝关节型, 可在 3 个平面上运动 [6] 如
45 卷 2 期方菲等 : 床垫支撑力对侧卧姿势下肩关节生物力学的影响 375 图 1 所示, 上肢在睡眠过程中起辅助人体保持平衡的作用, 在人体进行翻身动作时, 上肢常伴随着卧姿的变换多在水平面上围绕肱骨长轴做内旋和外旋运动, 伴有矢状面上外展 - 内收运动, 三角肌和冈上肌是肩部和上肢进行外展运动和维持姿势稳定的主动肌 [7] 因此本研究中的力学分析均在冠状面上进行, 如图 2 所示对人体侧卧姿势下肩关节中盂肱关节 三角肌和冈上肌肌力的受力分析, 基于现象模型 [8], 将人体各环节视为刚体, 无任何软组织和关节变形产生 [5], 同时将此时的人体侧卧状态视为静力平衡状态, 利用静力学原理计算盂肱关节受力和肌肉施力情况 和上肢的重量,N FS 和 N FA 为床垫分别对肩部和上肢的支撑作用力大小,d 为上肢肘部中心距盂肱关节中心的长度, 在人体测量学上为肩部外侧突出点至肘突的距离 根据合力和合力矩为零, 建立力学平衡方程如式 (1)~ 式 (3): FX 0FJsin FMDsin 0 (1) FY 0FMS FJ cos FMD cos NFS NFA Gs GA (2) M0NFA dga dfms bsin F MD sin 0 (3) 根据以上建立的平衡方程可得出盂肱关节力 三角肌和冈上肌肌力的计算公式, 如式 (4)~ 式 (6): dn FA GA sin bg A NFA Gs NFS sinsin FJ bsin sincos bsinsin (4) cos sinsin bg ANFAGsNFSsin dnfaga FMD (5) bsin cos bsinsin cot sin dn FAGA asin bg ANFA Gs NFS sin dn FA GA FMS (6) bsin bsin bsincos bsin sin cot sin 2 结果与分析 图 1 人体侧卧时肩关节结构 Figure 1 Shoulder joint in lateral position 人体在自然站姿状态下, 三角肌和冈上肌肌力线及肌肉止点位置与运动中心连线的夹角, 即 β 和 γ 分别为 5 和 80 ; 肌肉止点位置与运动中心的距离, 即 a 和 b 分别为 0.2 m 和 0.02 m [9], 上肢重心点位于肩部外侧突出点至肘突的长度的 0.43 倍处 [10], 通过人体测量可知该被试肩部外侧突出点至肘突的长度, 即 d 值为 0.258 m 根据式(4) (5) 和 (6) 计算出盂肱关节力 三角肌和冈上肌肌力大小, 并以床垫对肩部和上肢的支撑力大小为横坐标, 分别以盂肱关节力 三角肌肌力和冈上肌肌力大小作为纵坐标, 得出床垫支撑力与人体侧卧肩关节及肌肉受力之间的关系图 ( 图 3~ 图 6) 图 2 人体肩关节受力分析 Figure 2 Force analysis on shoulder joint 根据静力平衡原理, 所有施加在独立出来的人体部位上的合力及合力矩均为零 O 点为肩关节中盂肱关节活动中心 ;X 和 Y 轴组成的坐标系中 X 轴沿肱骨长轴方向,Y 轴与 X 轴垂直 ;F J 为肩关节中盂肱关节的关节力大小, 关节力方向与 Y 轴夹角为 α;f MD 为三角肌肌力大小,A 点为三角肌附着于肱骨粗隆止点位置,OA 为该点位置与盂肱关节运动中心的连线, 长度为 a, 三角肌肌力线与 OA 连线的夹角为 β;f MS 为冈上肌肌力大小,B 点为冈上肌在肱骨大粗隆及关节囊处的止点位置,OB 为该点位置与盂肱关节运动中心的连线, 长度为 b, 冈上肌肌力线与 OB 连线夹角为 γ;g S 和 G A 分别为肩部 图 3 肩部支撑力对盂肱关节力的影响 Figure 3 Effect of force on shoulder on glenohumeral joint force 由图 3 和图 4 可知, 随着床垫对肩部支撑力的增大至 120 N 时, 盂肱关节力和三角肌肌力逐渐增大 ; 当床垫对肩部支撑力大于 120 N 时, 盂肱关节
376 安徽农业大学学报 2018 年 力和三角肌肌力逐渐减小 冈上肌肌力则随着床垫对肩部支撑力增大, 呈现先减小后增大的趋势, 在床垫支撑力在 85 N 左右时为该趋势的转折点 由图 5 和图 6 可知, 随着床垫对上肢支撑力的增大, 盂肱关节力和三角肌肌力逐渐增大 ; 冈上肌肌力则呈现先减小 后增大再减小的趋势 床垫对上肢的支撑力小于对肩部的支撑力, 这是由于人体肩部占人体重量比例大于上肢, 对床垫施加的重力作用有所区别 人体在侧卧姿势下, 三角肌肌力明显大于冈上肌肌力, 因此可知三角肌为人体维持侧卧姿势稳定及上肢外展活动的主要力量来源 且床垫对肩部和上肢的支撑力对盂肱关节力大小 三角肌和冈上肌肌力值范围基本一致, 盂肱关节力 三角肌和冈上肌肌力的范围分别为 400~600 N 400~600 N 和 0~40 N 3 讨论 图 4 肩部支撑力对三角肌和冈上肌肌力的影响 Figure 4 Effect of force on shoulder on deltoid and supraspinatus muscle forces 图 5 上肢支撑力对盂肱关节力的影响 Figure 5 Effect of force on upper arm on glenohumeral joint force 图 6 上肢支撑力对三角肌和冈上肌肌力的影响 Figure 6 Effect of force on upper arm on deltoid and supraspinatus muscle forces 本研究将生物力学应用于人 - 床关系研究中, 以阐明人体在睡眠过程中进行睡姿调整或翻身动作的必要性及内在原因 在理论分析部分, 采用生物力学中最基础的现象模型对肩关节进行受力分析, 在后续研究中, 可在前期基础之上建立更完善更接近真实的生物力学模型, 对不同卧姿下人体肩关节 髋关节及膝关节等重要关节进行力学分析 在对肩关节受力分析中忽略了人与床垫 人与衣物之间存在的摩擦力, 在查阅大量的床垫研究后发现并未有对人 - 床摩擦力进行研究, 介于实验方法及设备的局限, 在本研究中将摩擦力视为极小值 且忽略了人体在与床垫接触时所产生的皮肤表面乃至深层软组织的形变, 避免利用生物力学对人 - 床生物力学关系的研究难度及复杂性 肩关节周围肌肉通过肌肉收缩引起关节面的压迫, 以及各肌肉的协调收缩改变关节作用力的方向, 使其经过肩盂关节面的中央等机制, 从而为盂肱关节提供稳定性, 动力性稳定指数表示冈上肌为代表的肩关节肌肉的作用力和盂肱关节凹陷压迫机制的综合稳定效应, 动力性稳定指数越高, 则盂肱关节的稳定作用越大 [11-12] 查阅文献可知, 当人体处于自然站立状态且上肢在冠状面内外展 30 时, 盂肱关节力越为 210 N, 外展 60 时三角肌肌力约为 230 N [9] 而人体在右侧卧姿势下的盂肱关节力 三角肌和冈上肌肌力远超过在一般活动情况下的关节力和肌力大小 因此在侧卧姿势下的肌肉更容易疲劳, 也便不能较长时间地为盂肱关节提供稳定性从而不能保持长时间侧卧睡姿, 人体会有意识或无意识地更换睡姿或进行睡姿微调以保证睡眠的舒适性
45 卷 2 期方菲等 : 床垫支撑力对侧卧姿势下肩关节生物力学的影响 377 4 结论 本研究对人体侧卧姿势下肩关节进行生物力学分析, 建立了肩关节中盂肱关节 三角肌和冈上肌肌力的计算公式, 探究了床垫支撑作用力对肩关节中盂肱关节力 三角肌和冈上肌肌力的影响 研究结果发现随着床垫对肩部支撑力的增大至 120 N 时, 盂肱关节力和三角肌肌力逐渐增大 ; 当床垫对肩部支撑力大于 120 N 时, 盂肱关节力和三角肌肌力逐渐减小 冈上肌肌力则随着床垫对肩部支撑力增大, 呈现先减小后增大的趋势, 在床垫支撑力在 85 N 左右时为该趋势的转折点 随着床垫对上肢支撑力的增大, 盂肱关节力和三角肌肌力逐渐增大 ; 冈上肌肌力则呈现先减小 后增大再减小的趋势, 从生物力学角度阐明了人体在睡眠过程中需要进行睡姿调整的内在原因 参考文献 : [1] HAEX B. Back and bed: ergonomic aspects of sleeping[m]. Boca Raton:CRC Press, 2004. [2] 陈玉霞. 床垫支撑特性对卧姿舒适性和睡眠质量影响的研究 [D]. 南京 : 南京林业大学, 2012. [3] DZVONIK M L, KRIPKE D F, KLAUBER M, et al. Body position changes and periodic movements in sleep[j]. Sleep, 1986, 9(4): 484-491. [4] MASSION J. Movement, posture and equilibrium: interaction and coordination[j]. Prog Neurobiol, 1992, 38(1): 35-56. [5] 鲍春雨, 孟庆华. 基于有限元法人体膝关节生物力学模型的建立与分析 [J]. 武汉体育学院学报, 2010, 44(5): 56-59. [6] SALADIN K S, MILLER L. Anatomy & physiology[m]. New York: WCB/McGraw-Hill, 1998. [7] 周士枋, 丁伯坦. 运动学 [M]. 北京 : 华夏出版社, 2004: 188. [8] 刘爱峰, 马剑雄, 魏强, 等. 膝关节生物力学模型研究进展 [J]. 中国矫形外科杂志, 2012, 20(19): 1774-1776. [9] CAROL A O. Kinesiology: The mechanics and pathomechanics of human movement [M]. 2 ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2009: 662-672. [10] WINTER D A. Biomechanics and motor control of human movement[m]. 4 Edition. New Jersey :John Wiley & Sons, 2009. [11] 蒋雷生, 戴力扬. 盂肱关节的稳定机制 [J]. 中国矫形外科杂志, 2003, 11(10): 697-699. [12] LEE S B, KIM K J, O'DRISCOLL S W, et al. Dynamic glenohumeral stability provided by the rotator cuff muscles in the mid-range and end-range of motion: a study in cadavera[j]. J Bone Joint Surg Am, 2000, 82(6): 849-857.