基于灰色近优模型远红外压力袜缓解运动疲劳性能评价

吕笛笛，李艳梅

(上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201620)

远红外纤维作为功能材料，过去主要利用其保暖抗菌功能，随着科技的发展，其保健功能也得到了应用。远红外纤维可以使机体产生温热效应，改善人体微循环，促进新陈代谢，减少机体乳酸的堆积，起到调节代谢、消炎、缓解肌肉疲劳、镇痛的作用[1-2]。NUNES R F H等[3]通过对比远红外运动裤和普通运动裤的生化指标，监测延迟性肌肉酸痛，认为穿着远红外服装可以缓解运动疲劳，尤其在强化训练早期阶段效果明显。李萱等[4]研究了远红外骑行裤缓解疲劳的效果,发现不同远红外纤维质量分数的骑行裤具有不同的效果,远红外纤维质量分数为25%，50%的骑行裤缓解疲劳效果相似,作用较弱；
远红外纤维质量分数为75%，100%的骑行裤缓解疲劳效果相近,作用较明显。同时，还发现组织结构对骑行裤缓解运动疲劳具有一定的影响。文中选择远红外锦纶和普通锦纶为原料，开发出不同远红外纤维质量分数和组织结构的压力袜，并对其进行递增负荷实验,使用灰色近优法对测试指标进行综合评价[5],选出效果最优的试样，为压力袜的开发与应用提供理论参考。

1.1 原料与仪器

1.1.1原料 普通锦纶和远红外锦纶(线密度均为7.8 tex)，锦氨包覆纱(规格为3070)，均为东莞高速纺织品有限公司生产；
乳胶橡筋(规格为120#)，诸暨捷栋化纤有限公司生产。

1.1.2仪器 MP615 单针筒织袜机，圣东尼(上海)针织机器有限公司制造；
h/p/cosmos跑台，德国h/p/cosmos公司制造；
Delsys Trigno Mobile无线表面肌电测试仪，美国Delsys公司制造；
Tango M2血压运动监护仪，美国Sun Tech公司制造；
Ergoline心率带，德国Ergoline公司制造。

1.2 织物规格参数

运动压力袜产生作用的部位主要是袜筒，因此实验针对袜筒进行远红外纤维质量分数设计。通过单针筒织袜机调节面纱比例，使远红外锦纶在面纱中的质量分数分别为0，25%，50%，75%，100%；
组织结构设定为平针衬垫组织，衬垫比分别为1∶1和3∶1。压力袜规格见表1。

表1 压力袜规格Tab.1 Pressure socks specifications

1.3 测试方案

受试者：有运动习惯的5名女性，身高(162.5±2.5) cm，体质量(57±3) kg，年龄(21.5±0.5)岁，小腿围度(34±2) cm。每次实验均在相同时间段进行，每双压力袜测试时间最少间隔24 h。

测试部位：内外腓肠肌[6]。

测试过程：实验在温度为25 ℃、湿度为60%的恒温恒湿实验室进行。测试前，受试者身穿实验压力袜静坐30 min。运动方案见表2，受试者运动过程如图1所示。

表2 运动方案Tab.2 Movement process

图1 受试者运动过程Fig.1 Subject exercise process

1.4 实验指标

1.4.1表面肌电信号 文中使用幅频联合分析法，结合时域指标均方根振幅(RMS)和频域指标中值频率(MF)，对肌肉状态等级展开分析。幅频联合分析示意如图2所示。幅频联合分析法评判肌肉状态原则为：第1象限中,横纵坐标数值同时升高时，表明肌肉力量增大；
第2象限中,横坐标数值下降但纵坐标数值升高时，表明肌肉处在力量恢复阶段；
第3象限中，横纵坐标数值同时下降时，表明肌肉力量减小；
第4象限中，横坐标数值升高但纵坐标数值下降，代表肌肉处在疲劳阶段[4]。选用无线表面肌电测试仪对受试者进行肌电信号采集。

图2 幅频联合分析示意Fig.2 Amplitude-frequency joint analysis schematic

1.4.2血压 伴随着运动时间的增加，脉压差增大，血流量增多。运动结束时，脉压差回到稳定状态所需时间越短，身体状态越好，运动产生的疲劳越微弱。受试者血压的采集选择运动血压监护仪。脉压差的恢复效果定量表示为运动结束前后脉压差下降速率。脉压差下降速率(V)的公式为：

V=(Δf-Δe)/Δe

式中：Δf为运动结束即刻的脉压差；
Δe为运动达到力竭状态的脉压差[7]。

1.4.3心率 运动初期，伴随着血液输出量的增加心率出现增大,促使机体较快进入运动状态；
运动中后期，血液输出速度加快使得心率上升。“绝对心率”可定量表示为运动过程中实时心率与运动前安静心率的差值，体现了运动过程中机体的运动状态[7]。受试者心率的采集选择心率带。

1.4.4主观评价 受试者穿着压力袜进行运动，选用主观体力感觉等级量表(RPE)进行测试，按照疲劳程度将评价等级分为轻松、稍费力、费力、很费力及非常费力5个等级，主观疲劳评价为非常费力时表明受试者处于力竭阶段[7]，记录此时的时间，将其作为评价指标。

2.1 测试结果

10双试样测试结果见表3。依据幅频联合分析法可知，表面肌电评分数值越小，评价越优，缓解运动疲劳效果越好。10双试样的评分排序依次为5#<10#<8#<3#<9#<4#<7#<2#<6#<1#，整体而言，试样10#和5#的缓解效果最好，试样6#和1#的缓解效果最差。在1∶1平针衬垫组织试样中，试样5#的缓解效果最好，试样1#的缓解效果最差。因此，表面肌电评分与压力袜远红外纤维质量分数呈负相关。

表3 运动疲劳评价指标测试结果Tab.3 Results of sports fatigue evaluation index test

脉压差下降速率越大，评价越优。10双试样的脉压差下降速率依次为10#>5#>9#>4#>2#>3#>8#>7#>1#>6#，可以看出试样10#和5#的下降速率最快，试样1#和6#的下降速率最慢。在3∶1平针衬垫组织试样中，试样10#的下降速率最快，可知脉压差下降速率与压力袜远红外纤维质量分数呈正相关。与不含远红外纤维的试样1#和6#相比，其余含有远红外纤维试样的脉压差下降速率均出现不同程度的上升。由此可以看出，加入远红外纤维的压力袜可以加速机体的脉压差回落至稳定状态。

绝对心率数值越大，评价越优。10双试样的绝对心率依次为5#>4#>9#>10#>3#>8#>2#>7#>6#>1#，可以看出，受试者穿着试样5#时的机体状态最好。在组织结构为1∶1平针衬垫组织试样中，机体绝对心率数值随着远红外纤维质量分数的增加而增大。

主观疲劳时间越长，评价越优。10双试样的主观疲劳时间依次为10#>5#>9#>4#>7#>8#=3#>2#>1#=6#，可知，受试者穿着试样10#时，疲劳感觉出现最晚。对比相同远红外纤维质量分数的试样，可以看出，受试者穿着3∶1平针衬垫组织试样时，出现疲劳感觉的时间整体大于穿着1∶1平针衬垫组织试样的时间。

2.2 灰色近优系统的建立

依据衡量运动疲劳指标，选用灰色近优综合评价法对10双试样缓解运动疲劳的优劣进行评价。该方法具有样本需求量小、计算工作量少、各指标无权重、定量与定性分析结果相同等特点[8]，在纺织服装性能评价中得到了广泛应用。

首先，建立灰矩阵Rn×m[9]，

(1)

式中:Rn×m是试样m的第n个测试指标的灰元值；
Ai(i=1,2,…,n)为试样的评价指标；
m为测试样个数。

将各测试指标的数据代入式(1)，得到白化灰矩阵R′n×m，即

(2)

式中:R′n×m是试样m的第n个测试指标的白化灰元值。

(3)

式中:R″n×m是试样m的第n个测试指标的近优白化灰元值。

其中单点效果测度共有3种方式，分别为：上限、中限、下限效果测度，分别适用于指标越大越优型、指标适中型和指标越小越优型[10]。

上限效果测度：

(4)

中限效果测度：

(5)

式中:u0为评价指标的均值。

下限效果测度：

(6)

式中:min{R′ij,umin}=min{R′i1,R′i2,…,R′im,umin};umin为最小最优值。

通过公式(3)已经得出各测试指标的近优度，为了全面得出各试样的综合近优度，对式(3)的近优白化灰量进行处理，得到近优度白化灰元行矩阵R″S，即

(7)

根据公式(7)对所有试样的综合近优度进行计算排序，综合近优度的范围为0～1，数据越大表明试样的性能越好[11,12]。

2.3 压力袜缓解运动疲劳性能综合评价

选用2.1测得指标：表面肌电信号、血压、心率、主观疲劳时间(分别记为A1，A2，A3，A4)对不同远红外质量分数和组织结构压力袜缓解运动疲劳效果进行评价，将测得结果代入式(1)，得到白化灰矩阵R′4×10，即

文中压力袜主要用于缓解机体运动过程中的肌肉疲劳，不同测试指标对应不同效果测度：表面肌电评分值越小，性能越好，选择下限效果测度；
脉压差下降速率、绝对心率、主观疲劳时间值越大，性能越好，选择上限效果测度。各测试指标按照对应公式，将近优白化灰元值代入，得到矩阵R″n×m，即

将数值代入式(7)，得到10双试样的综合近优度，即

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

对10双试样的综合近优度按从大到小顺序进行排列，得到其缓解运动疲劳效果的优劣顺序为10#>5#>9#>4#>3#>8#>2#>7#>1#>6#。

依据综合近优度及表2可知：组织结构为3∶1平针衬垫组织、远红外纤维质量分数为100%的压力袜缓解运动疲劳效果最好，组织结构为3∶1平针衬垫组织、远红外纤维质量分数为0的压力袜缓解运动疲劳效果最差；
试样9#和试样4#只存在组织结构的差别，二者近优度数据相似，且各指标测试结果基本一致，这表明当压力袜远红外质量分数为75%时，组织结构对其缓解运动疲劳效果影响不大；
就远红外纤维质量分数而言，压力袜缓解运动疲劳效果随着远红外纤维质量分数的增加而增大。

为了客观合理评价压力袜的远红外纤维质量分数和组织结构对运动疲劳的影响，测试受试者穿着10双试样的表面肌电信号、血压、心率、主观评价，运用灰色近优综合评价法得到试样性能的综合评价。结果表明，随着远红外纤维质量分数的增加，织物可有效缓解运动疲劳。因此，提高远红外纤维在压力袜中的质量分数，有利于压力袜更好地发挥缓解运动疲劳的作用。利用灰色近优综合评价法对试样缓解运动疲劳性能进行综合评价，试样10#的综合性能最好，更适合于开发具有缓解运动疲劳的压力袜。