老年人髋关节保护服装研究现状和发展趋势

来源:用户上传      作者:于晓坤 关娟娟 罗洋 李毓陵

　　摘要： 隨着中国老年人的健康监护成为热点，髋关节保护开始受到关注，但目前关于髋关节保护服装开发研究还较少。为了确定开发过程中的关键问题，文章对有关髋关节保护研究的典型案例进行文献学习，分析了现有的髋关节保护产品、人体摔倒损伤机制研究、抗冲击力研究方法三方面成果。提出髋关节抗冲击保护服装设计的一般模式，遵循以用户为中心的设计理念，运用功能服装的一般设计方法，引入抗冲击性能测试方法进行防护性能测试，整个设计过程中以确保防护性能为核心，提高依从性、美观性。
　　关键词： 老年人;髋关节;抗冲击保护;功能服装;用户为中心;产品依从性
　　Abstract： As the health care of the aging has become a hot issue，hip joint protection is starting to get attention. However，there is less research on the development of hip joint protection garment. Documentary study of several typical cases was performed in order to identify the key issues in the development process of hip joint protection garment. In this paper，the research results of the existing hip joint protection products，the fall injury mechanism of human body，and the impact resistance research methods were analyzed. A general design system for hip joint protection clothes was put forward，which adheres to user-oriented concept. The general design method of functional garment was applied，and anti-impact performance test method was introduced for the protective performance test. The entire design process is centered on protection performance，improving compliance and aesthetics.
　　Key words： elder; hip joint; anti-impact protection; functional garment; user-oriented; product compliance
　　老年人伤害是全死因顺位第4位，跌倒是伤害死因顺位的第1位[1]，跌倒易引起髋部骨折，髋部骨折后，身体素质和器官功能等方面下降明显，导致死亡率较高，即便是有幸度过了前期风险，后期生活能力和生活质量影响巨大。所以，跌倒造成的一系列后果，不仅影响老年人的身心健康，同时也关系到家庭幸福[2]。相对于昂贵的治疗费，如何预防和降低摔倒损伤开始受到关注，髋关节保护就是其中一个热点和难点。
　　髋关节保护研究目的是建立老年人跌倒保护安全性的有效保障，核心问题是缓冲跌倒后人体股骨所承受的巨大冲击力[3]。目前，中国及其他国家髋骨的抗冲击及保护理论体系，主要研究人体摔倒损伤机制和抗冲击力的方法[4-5]。相关产品实践应用初步形成，相关材料应用在老年人服装中，此特殊材料可吸收来自各方向的物体碰撞所产生冲击力，以此来降低老年人受伤害程度[6]。本文对现有理论研究成果与产品进行整理与分析，结合功能服装的一般设计开发模式，提出髋关节保护服装的设计开发模式，并展望髋关节保护服装的发展趋势。
　　1 髋关节保护产品
　　现有的髋关节保护产品多为髋关节保护器，由一定材质、数量、面积、厚度和形状的衬垫材料，通过缝制、内插等方式固定在内衣、服装或纺织产品上，人体穿戴后衬垫贴附在股骨大转子表面，主要用来预防侧向跌倒致髋部骨折的保护装置。老年人跌倒时接触地面的反作用力对老年人股骨大转子点产生直接冲击。髋关节保护器多是利用吸收、分散能量的方式减少老年人髋部骨折的发生风险。
　　1.1 髋关节保护器
　　根据对冲击力的缓冲方式，将现有髋关节保护器分为如下几种类型：吸收能量型、分散能量型、吸收分散能量混合型。
　　1.1.1 吸收能量型
　　吸收能量型采用的是质地相对柔软的材料，由于柔软材料具有缓冲作用，在老年人跌倒的过程中能够吸收地面产生的冲击力，以此来降低老年人跌倒产生的风险。
　　目前正在将这种材料应用于老年人的内衣及粘贴在股骨大转子附近，以此来减少老年人跌倒后造成的冲击力[7]。
　　1.1.2 分散能量型
　　分散能量型采用的是相对较硬的材料，由于硬质材料本身具有分散冲击力的作用，在老年人跌倒的过程中，将地面给股骨大转子的冲击力向周围器官及肌肉分散，减轻股骨近端所承受的冲击力，达到预防髋部骨折的目的。
　　致力于研究髋骨保护的研究者Daniel K等[8]，采用一种带有减震功能的泡沫材料制作髋骨保护器，将泡沫材料制成一小块的规则矩形，按照平行的排列方式制成。
　　1.1.3 吸收分散能量混合型
　　吸收分散能量混合型同时应用软质和硬质两种材料，对冲击力既具有吸收作用又具有分散作用，两种材料结合能够更有效地降低地面对老年人髋骨冲击力度，减少髋部骨折的发生，混合型是目前研究较多的一种。 　　王书军等[9]利用高分子材料设计出一款独特的髋骨保护器，以髋骨的外形作为参考依据，设计为椭圆形。椭圆形能够很好地将髋骨保护器与髋骨保护部位接触，同时将椭圆形周围部分与髋骨周围的器官及组织很好地过渡。椭圆中心鼓起部分设立适当气孔，便于透气，内部有1层软性衬垫层，软垫由气垫或海绵、泡沫等轻质材料组成，增强缓冲能力。防护垫器材应用十分方便，将其置于髋骨附近的内裤袋内即可，如图1所示。
　　Sze PC等研究者[10-11]制作的髋骨保护器类似于王书军等的设计，其设计的器材形状同样以椭圆形为基础，选用的材料则有所不同，外部采用密度较低的硬质硅材料，内部采用半柔性胶质材料，中间通过针织面料进行连接。
　　1.2 髋关节保护器影响因素
　　髋关节保护产品的效果有很多影响因素，有保护垫几何形状（高度、宽度、厚度、体积），垫材力变形性能和硬度，放置位置和移位程度。除了这些设计上的不足，髋关节保护器的另外一个常见的问题是依从性，即并非所有髋部骨折风险高的老年人都会愿意使用这些髋部保护产品。
　　Hui-Chi Huang等[12]在研究台湾老年人穿戴护臀用品的依从性，以及护臀用品是否能预防骨折或减少跌倒后的伤害中发现，佩戴髋部保护产品在减少摔倒骨折风险是有效的，但依从性较差，原因是病人不愿意佩戴或者偶尔佩戴。
　　1.3 髋关节保护器效果评价研究
　　对于髋部保护器效果评价研究，通过建立对照组，然后进行观察、统计与分析穿戴髋关节保护器是否可降低髋部骨折的发生率，是目前产品实践方面采用较多的一种研究方法。Bentzen H等[13]进行观察性研究发现，穿戴髋保护器可使跌倒导致髋部骨折的危险性降低60%。Kannus等[14]进行随机对照研究显示，没戴髋保护器发生骨折的人数是穿戴髋保护器的6.3倍。
　　还有一种成本率评价法，可以在髋部骨折成本和应用髋骨保护器成本之间进行核算。Meyer G等[15]对髋骨保护器的成本效能评估研究，对于平均费用（成本、治疗、护理），穿戴髋骨保护器比治疗髋部骨折的每人少花费439美元。Gandjour A等[16]对使用髋骨和不使用髋骨保护器的成本进行评估，评估结果如下：德国使用髋骨保护器的老年人比未使用髋骨保护器发生骨折的老人，在医疗费用方面可每人每年节省300多欧元。可见，老年人使用髋骨保护器所带来的效益是可观的。
　　2 髋关节保护理论研究现状
　　目前国内外髋关节保护的理论研究多聚焦于防护性能的研究，可归为两类：一类是人体摔倒损伤机制研究，另一类是抗冲击力的研究方法。这两方面为髋关节保护的研究发展提供了诸多可能，成为国内外研究的关键点。
　　2.1 人体摔倒损伤机制研究
　　髋关节保护指的是在人体摔倒后，对髋关节骨部位所受冲击力的抵抗作用，人体摔倒损伤机制对研究老年人髋关节保护系统具有指导性作用。
　　2.1.1 摔倒方向
　　人体在重心不稳定的情况下易跌倒，一般情况下人体跌倒的方向是朝着某一个方向跌倒，跌倒的方向与人身体产生的一连串的机体反应有关。通常情况下，跌倒方向主要有以下几种情况：向前趴下，向后躺下，向前侧跌，向后侧跌，向右侧跌，向左侧跌[14]。
　　2.1.2 摔倒损伤部位
　　摔倒损伤部位研究关注摔倒后髋关节骨部位所受冲击力及受伤的程度。
　　国内外研究人体摔倒损伤部位的方法主要有真人摔倒实验、回顾性分析、有限元分析方法。其中，真人摔倒实验是由真人按照一定的摔倒方向进行摔倒实验，通过视频设备捕捉摔倒状态，分析摔倒后哪些部位容易受到冲击，附着在股骨大转子部位的压力传感器测量髋部所受冲击力;回顾性分析方法为医学中常用，通过对已发生摔倒损伤的患者人群的摔倒经历进行回顾统计分析，分析摔倒后哪些部位容易受傷及损伤程度情况;有限元分析方法[17]作为一种生物力学研究工具，是现代计算力学和计算机技术相结合的数值应力分析技术，通过构建关节部位有限元模型，采用有限元方法分析仿真人体相关关节部位着地的生物力学特征，可用于分析摔倒后人体部位所受冲力。
　　在西蒙弗雷泽大学[14]进行一项对25位真人摔倒实验中发现，在向前和向后的两种摔倒方向下，髋部受冲击的概率是100%。Aizen等[18]通过统计大量的老年人跌倒案例发现，一半以上的髋部骨折案例中跌倒的方向是侧方;通过跟踪访查发现，侧向跌倒产生的损伤部位通常是臀部后外侧和股骨大转子。侧向跌倒导致产生骨折的概率是向前和向后摔倒的5倍，而且当摔倒时力直接冲击在股骨大转子位置时，风险又提高32倍[19]。通过对人体摔倒损伤机制的研究已经验证了侧向跌倒造成髋关节骨折的概率大，需要通过缓解股骨大转子的冲击力起到保护的作用。
　　2.2 抗冲击力性能测试
　　抗冲击力性能测试是判断所设计的保护系统有效性的研究。国内外所采用的主要有生物力学冲击实验、动态捕捉系统和有限元分析方法。
　　2.2.1 生物力学冲击实验
　　实验模仿人体在实际的摔倒过程中产生的冲击力，是验证髋骨保护器性能的重要方法之一[20]。验证方式主要有两种，分别为舂米式冲击锤[21]和悬吊式冲击锤[22]，还有少量的研究采用直立式冲击塔[23-24]进行评价研究。
　　髋骨保护器的性能评估还包括材料的减震性能测试，有两种检测方法被广泛使用，分别为ASTM F1614-06和EN ISO 20344：2004-5.14。两种检测方法对应的检测目标和目的各有不同，前者是对运动鞋缓解冲击力的测评，后者是对安全靴对冲击力的反应测评[25]。材料测验均是采用冲击测验机进行测试，选用固定质量的物体从固定高度下落，落点下方放置目标测试材料，测量重物下落对材料产生的冲击力并评估材料的受损伤程度，以此来测定目标材料所能承受的冲击力范围及缓冲能力。国内外应用于研究的冲击实验系统主要有落锤式、摆锤式、气动式和滑道式[26]。 　　生物力学研究实验[27]数据结果显示，髋骨关节保护器大幅降低了老年人跌倒引起的髋部骨折风险。
　　2.2.2 动态捕捉系统
　　动态捕捉系统是进行三维动态测量，在测量过程中引用带有运动轨迹的标记点，动作捕捉单元通过拍摄标记点来记录运动轨迹，实时记录肢体运动过程[28]。实验数据以三维坐标数据形式输出给Excel表，数据处理软件对测量数据进行分析，得到人类肢体的运动数据。其作用有：根据人体的运动数据，获得运动状态和运动频率数据，联系实际应用，设计出符合人体运动状态的保护器[29-30];根据实验数据分析，了解保护装置与选用的防护材料之间的联系，选用最佳的材料作为防护材料。
　　2.2.3 三维有限元分析方法
　　三维有限元分析法将计算机科学与力学相结合的应力分析方法，已成为当前国际计算力学分析和现代肌骨生物力学研究的主要手段。王冬梅等[31]通过三维有限元分析髋部、胸腰椎、桡骨远端的生物力学和损伤机制及保护器的有效性，构建加载护具关节部有限元模型，采用有限元方法分析仿真人体相关关节部位着地的生物力学特征，验证保护器防护各关节部位骨折的有效性。
　　三维有限元分析方法作为一种生物力学的研究方法，属于仿真性分析，人为进行的假定和设想是推算与预想出来的，预想的结果与实际情况必定存在一定的偏差。
　　3 髋关节保护服装设计和发展趋势
　　尽管髋关节保护器在减少摔倒骨折风险是有效的，但依从率仍较低，会使髋关节保护器的保护效果存在许多争议，T.Koike等[32]在髋关节保护器功效的集群随机对照实验中发现其保护效果是受到穿着者的经历和条件影响的，Hui-Chi Huang等[12]发现老年人穿着髋关节保护产品低依从性的原因有：1）不习惯使用;2）不舒适;3）只在白天穿着;4）缺少家庭看护人员的帮助。造成这些结果原因是目前髋关节保护产品的开发研究更多关注了产品本身，忽视了产品开发过程中的一些问题。
　　3.1 髋关节保护产品设计
　　基于以上对髋关节保护产品和抗冲击力研究方法，结合功能服装的设计和评价方法，本文提出“以用户为中心”的概念模式，髋关节保护服装的设计模式如图2所示。
　　1）坚持以用户为中心的设计原则，结合使用者的需求特点、使用场景、活动模式等，挖掘用户需求。
　　2）结合防护功能和效果分析，选取优选材料，立足人体功效学设计方法，结合目标客户的审美需求，提出设计方案，开发产品模型。
　　3）针对产品模型进行测试，结合医学相关主观评价方法，综合评定产品防护性能，为产品改进提供参考依据。
　　3.2 髋关节保护服装未来研究方向
　　现有防护产品的研究多基于防护材料的发展，防护材料与人和服装的交互研究尚处于初级阶段，相关研究理论尚未形成体系。
　　髋关节保护器首要问题是防护性能，现有的研究更侧重生物力学研究，忽视用户对于产品的美学需求、穿着舒适度、穿着意愿等研究，该类产品的防护效果较大程度依赖用户对产品的信赖和穿着的主观意愿，有效满足用户相关需求将促进提高产品依从性，从而真正发挥产品的防护作用。
　　目前髋关节保护器多是防护材料和服装款式或纺织品的结合物，结合新型抗冲击材料，探讨分析突破传统设计制作方式的产品将是该类产品未来的方向，同时也对产品性能评价研究提出了更高的挑战。当前髋关节保护器的评价研究更侧重于抗冲击性能测试，应考虑到老年人群体的生理和心理变化，以及主观的试穿评价也是不容忽视的。
　　尽管穿戴髋关节保护器可以有效地降低老年人髋部骨折概率，依从性仍是首要面临的问题。依从性低的原因归结为穿着不舒适、不合身、外观不好看、穿着费时费力。
　　4 结 语
　　髋关节保护器防护性能的测试与分析一直是老年人健康监护的研究热点，国内外对于髋关节抗冲击保护理论研究和相关产品实践应用初步形成，理论研究主要集中在生物力学方面，產品研发实践缺少理论支撑。针对功能性保护产品设计流程分析，包括问题阐述、用户需求分析、设计要素建立、设计方案形成、产品模型制作、评价分析、设计改进等仍缺少系统分析和参考案例。设计过程中的需求分析、产品使用评价直接影响用户的穿着意愿，有效提高防护产品穿着依从性是改善该类产品应用前景和防护效果的关键因素，功能防护产品开发应遵循以用户为中心的设计原则，综合考虑产品的使用场景、用户的生活模式等，设计开发合理、有效的产品。
　　参考文献：
　　[1]夏庆华，姜玉，唐传喜，等. 社区老年人跌倒的流行病学特征及医疗负担分析[J]. 中华疾病控制杂志，2010（7）： 647-649.
　　XIA Qinghua，JIANG Yu，TANG Chuanxi，et al. Study on the epidemiologic characteristics and medical burden of falls among older adults in community [J]. Chinese Journal of Disease Control & Prevention，2010（7）： 647-649.
　　[2]付棉，胡才友，吕泽平，等. 老年人跌倒的流行现状及危险因素分析[J]. 中国老年保健医学，2014，12（3）： 80-82.
　　FU Mian，HU Caiyou，L Zeping，et al. The prevalence and risk factors of falls in elderly people [J]. Chinese Journal of Geriatric Care，2014，12（3）： 80-82.
　　[3]CHOI W J，WAKELING J M，ROBINOVITCH S N. Kinematic analysis of video-captured falls experienced by older adults in long-term care [J]. Journal of Biomechanics，2015（2）： 911-920. 　　[4]NEVITT M C，CUMMINGS S R. Type of fall and risk of hip and wrist fracture： the study of osteoporotic fracture [J]. Journal of the American Geriatrics Society，1993（41）： 1226-1234.
　　[5]董谢平，张琳琳，何剑颖，等. 髋保护器防护髋部骨折的有限元建模与分析[J]. 中国矫形外科杂志，2011（18）： 1537-1541.
　　DONG Xieping，ZHANG Linlin，HE Jianying，et al. Prevention of hip fracture with a hip protector： a finite element analysis [J]. Orthopedic Journal of China，2011（18）： 1537-1541.
　　[6]吴小辉，肖强，董谢平. 髋保护器研究进展[J]. 中国矫形外科杂志，2011（6）： 482-484.
　　WU Xiaohui，XIAO Qiang，DONG Xieping. Research progress of hip protectors [J]. Orthopedic Journal of China，2011（6）： 482-484.
　　[7]KIEL D P，MAGAZINER J，ZIMMERMAN S. Efficacy of a hip protector to prevent hip fracture in nursing home residents： the HIP PRO randomized controlled trial [J]. The Journal of the American Medical Association，2007（4）： 413-422.
　　[8]CHAN D K，HILLIER G，COORE M，et al. Effectiveness and acceptability of a newly designed hip protector： a pilot study [J]. Archives of Gerontology and Geriatrics，2000（1）： 25-34.
　　[9]王書军，王丽霞，李桂兰. 老年人髋部骨折的机制及其防护垫的设计[J]. 中医正骨，2008（9）： 22.
　　WANG Shujun，WANG Lixia，LI Guilan. The mechanism of hip fracture in the elderly and the design of its protective pad [J]. The Journal of Traditional Chinese Orthopedics and Traumatology，2008（9）： 22.
　　[10]覃朝晖，于普林. 老年人跌倒与骨折的风险及其预防[J]. 中国实用内科杂志，2011（1）： 28-30.
　　QIN Zhaohui，YU Pulin. Risk factors and the preventing methods of fracture caused by falls in the elderly [J]. Chinese Journal of Practical Internal Medicine，2011（1）： 28-30.
　　[11]SZE P C，CHEUNG W C，QIN L，et al. Biomechanical study of an anthropometrically designed hip protector for older Chinese woman [J]. Geriatric Nursing，2008（1）： 64-69.
　　[12]HUANG H C，LEE C H，WU S L. Hip protectors： a pilot study of older people in Taiwan [J]. Journal of Clinical Nursing，2005，15： 436-443.
　　[13]BENTZEN H，BERGLAND A，FORSEN L. Risk of hip fractures in soft protected，hard protected，and unprotected falls [J]. Injury Prevention，2008（5）： 306-310.
　　[14]KANNUS P，PARKKARI J，NIEMI S，et al. Prevention of hip fracture in elderly people with use of a hip protector [J]. The New England Journal of Medicine，2000，343（21）： 13-15.
　　[15]MEYER G，WEGSCHEIDER K，KERSTEN J F，et al. Increased use of hip protectors in nursing homes： economic analysis of a cluster randomized，controlled trial [J]. Journal of the American Geriatrics Society，2005（12）： 2153-2158.
　　[16]GANDJOUR A，WEYLER E J. Cost-effectiveness of preventing hip fractures by hip protectors in elderly institutionalized residents in Germany [J]. Value Health，2008（7）： 1088-1095. 　　[17]HE Jianying，DONG Xieping. Normal hips and the hips covered with protective brace [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research，2011（35）： 6546-6550.
　　[18]AIZEN E，DRANKER N，SWARTZMAN R. Risk factors and characteristics of falls resulting in hip fractures in the elderly [J]. Israel Medical Association Journal，2003（5）： 333-338.
　　[19]WILSON C H，ELIZABETH R M，JONE N. Impact near hip dominates fracture risk in the elderly nursing home residents who fall [J]. Injury Prevention，1993（52）： 192-198.
　　[20]孙培栋，欧阳钧. 髋关节保护器的研究现况及展望[J]. 中国修复重建外科杂志，2012，26（1）： 41-45.
　　SUN Peidong，OUYANG Jun. Prospect and current research on hip protector [J]. Chinese Journal of Reparative and Reconstructive Surgery，2012，26（1）： 41-45.
　　[21]CHOI W J，HOFFER J A，ROBINOVITCH S N. The effect of positioning on the biomechanical performance of soft shell hip protectors [J]. Journal of Biomechanics，2010，5（43）： 818-825.
　　[22]POUTALA J，KANNUS P，PARKKARI J. Comparison of force attention properties of four different hip protectors under simulated falling conditions in the elderly： an vitro biomechanical study [J]. Bone，1999，2（25）： 229-235.
　　[23]O’LOUGHLIN J L，ROBITAILLE Y，BOIVIN J F，et al. Incidence of and risk factors for falls and injurious falls among the community-dwelling elderly [J]. American Journal of Epidemiology，1993，3（137）： 342-354.
　　[24]NABHANI F，BAMFORD J. Mechanical testing of hip protectors [J]. Journal of Material Processing Technology，2002，3（124）： 311-318.
　　[25]赵闯. 慢跑鞋减震鞋垫的设計与研究[D]. 西安： 陕西科技大学，2013： 15-22.
　　ZHAO Chuang. Design and Study on Jogging Shoes Cushioned Insoles [D]. Xi’an： Shannxi University of Science & Technology，2013： 15-22.
　　[26]王尚城. 侧面冲击下骨盆动脉损伤的生物力学研究[D]. 上海： 上海交通大学，2013： 19-30.
　　WANG Shangcheng. Biomechanical Investigation of the Pelvis Artery Injury under Side Impact [D]. Shanghai： Shanghai Jiaotong University，2013： 19-30.
　　[27]吴小辉，董谢平，李光勇，等. 髋保护器的设计及冲击实验研究[C]. 江西省中医药学会2011年学术年会论文集，2011.
　　WU Xiaohui，DONG Xieping，LI Guangyong，et al. Design of hip protectors and biomechanical impact test[C]. Jiangxi Academy of Traditional Chinese Medicine Academic Annual Meeting，2011.
　　[28]吴旭波. 基于生物力学的防护性网球运动服装的研究[D]： 上海： 上海工程技术大学，2014： 21-42.
　　WU Xubo. Study on Protective Tennis Sportswear Based on Biomechanical [D]. Shanghai： Shanghai University of Engineering Science，2014： 21-42.
　　[29]汪世奎，谢红，曹蕊超，等. 基于运动生物力学防护服装的研究[J]. 纺织导报，2014（1）： 91-93.
　　WANG Shikui，XIE Hong，CAO Ruichao，et al. A study on protective cloths based on sports biomechanics [J]. China Textile Leader，2014（1）： 91-93.
　　[30]王冬梅，董谢平，张琳琳. 侧向冲击载荷作用下股骨-骨盆复合体的生物力学响应[J]. 医用生物力学，2011（6）： 502-507.
　　WANG Dongmei，DONG Xieping，ZHANG Linlin. Biomechanical response of the pelvis femur complex under lateral pelvic impacts during sideways falls [J]. Journal of Medical Biomechanics，2011（6）： 502-507.
　　[31]王冬梅，董谢平，王尚城，等. 侧向冲击载荷作用下髋护具对股骨-骨盆复合体生物力学响应的影响[J]. 医用生物力学，2012，27（1）： 32-39.
　　WANG Dongmei，DONG Xieping，WANG Shangcheng，et al. Effects of hip protector on biomechanical response of the pelvis femur complex under lateral pelvic impacts during sideways falls [J]. Journal of Medical Biomechanics，2012，27（1）： 32-39.
　　[32]KOIKE T，ORITO Y，TOYODA H，et al. External hip protectors are effective for elderly with higher-than-average risk factors for hip fracture [J]. Osteoporosis International，2009（9）： 1613-1620.

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