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方法文章

下肢压力袜的制备及其对下肢施加压力特性的测量

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DOI：

10.3791/60852

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2020年5月27日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Fashion Engineering, Shanghai University of Engineering Science, 2Textile Industrial Key Laboratory of Ergonomics and Functional Clothing, Shanghai University of Engineering Science, 3Sino-British Joint Lab for Smart Sportswear, Shanghai University of Engineering Science, 4College of Textiles, Donghua University

本文内容

摘要

本文报道了采用直接法和间接法对压缩型袜类制品进行制备、结构分析及压力测量。

摘要

本文通过直接法和间接法测量了压缩袜的压力特性。在直接法中，使用界面传感器测量压缩袜对下肢施加的压力值。在间接法中，通过测试圆锥模型和圆柱模型所提及的必要参数来计算压力值。这些必要参数包括横列密度、纵行密度、周长、长度、厚度、张力以及压缩袜的形变。与直接法的测量结果相比，间接法中的圆锥模型更适合用于压力值的计算，因为该模型考虑了下肢从膝部到踝部半径的变化。基于该测量方法，本研究进一步探讨了压缩袜的制备工艺、结构与压力之间的关系。研究发现，织物牵拉是影响纵行密度的主要因素；而弹性纱线则直接影响织物的横列密度和袜筒周长。本研究报道的工作揭示了制备-结构-压力之间的关系，为梯度压缩袜的设计提供了指导依据。

引言

压缩袜（CH）可对下肢施加压力，压迫皮肤并进一步改变静脉半径，从而在患者穿着压缩袜时提高静脉血流速度。压缩袜及其他压缩类服装可改善下肢静脉循环1,2,3,4。其治疗效果取决于压缩袜的压力特性5。普遍认为，原材料和压缩袜结构对其压力特性具有显著影响。根据已发表的研究，压缩袜中的氨纶纱线是决定其压力特性的主要因素6。例如，Chattopadhyay7通过调节氨纶纱线的喂入张力，报道了针织圆筒形弹性织物的压力特性。此外，Ozbayraktar8也发现，随着氨纶纱线密度的增加，压缩袜的延展性降低。另外，线圈长度9、针织结构9以及纱线的线密度7,10也对压力特性产生影响。

提出了一种数值模型，用于研究绷带压力特性的生成机制。采用拉普拉斯定律（Laplace’s Law）预测压力值。Thomas11通过结合压力、张力与肢体尺寸，将拉普拉斯定律引入压力预测。Maklewska12也报道了类似的研究。为了更精确地预测织物施加的压力值，他们提出了一种半经验方程，该方程由拟合得到的应力-应变方程与拉普拉斯定律组合而成。此外，Leung13提出了杨氏模量（Young’s modulus），用于描述绷带的伸长特性。

上述数值研究由于忽略了CH厚度而得出与实验结果存在偏差的结论14。此外，一些研究人员认为，拉普拉斯定律中假设的圆柱体不适用于描述人体肢体，因为下肢从大腿到踝部的半径并非恒定，而是逐渐减小。Dale14 和 Al Khaburi15,16 分别结合厚壁圆筒理论与拉普拉斯定律，提出了用于研究多层CH施加压力的数值模型。Sikka17 提出了一种新的圆锥模型，该模型从大腿到踝部的半径逐渐减小。

由于以往研究中的大多数实验用弹力绷带（CH）通常为商业购买，其内在的压力特性难以进行定量研究，且图案、纱线、原材料等因素无法控制。因此，本研究中实验用CH在实验室内部可控地自行制备。此外，本研究旨在提供两种测量压力特性的方法，即直接法和间接法。在直接法中，将一个界面传感器（材料表）置于皮肤与织物之间，以直接测量压力值。而在间接法中，首先测量人工下肢上CH样品敷料的张力及某些结构参数，然后将结果代入圆锥模型和圆柱模型中计算压力值。通过对比和分析两种方法所得的压力值，以确定更合适的模型。所提出的方法为压缩服装施加压力的实验测量提供了指导依据。

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方案

1. CH 的制备

  1. 编程
    1. 打开 STAT-Ds 615 MP 袜子软件并选择 平纹织物 以创建一种新型的袜子结构。
    2. 依次选择以下内容： 双折边单送料, 无图案转移, 双明线单针送料医用小腿假肢, 从医用弹力袜脚跟处开始穿起, 脚跟末端与普通医学足部, 从普通足部开始进行脚趾操作 1f, 脚趾裸露，带有红色和夹扣, 无需翻转装置的袜子脱卸方法，以及 袜子末端. 按压 好的 按钮以完成袜子设计。
    3. 选择 200 对于 针 并将程序文件导出到U盘。
    4. 切换至 夸萨尔 调整制备参数，然后点击任意蓝色按钮 毕业 行以打开新窗口。为制备具有不同结构的CH，请输入 500 在 圆柱体 S 和 E 柱和点击 好的 完成设置。
    5. 点击任意一个蓝色按钮 弹性电机 行以打开新窗口并输入 800 在 WELT 行和列 圆柱体 S 和 E 柱。在 医学 划船运动，进入 800 在 S 柱和 650 在柱中 E。然后输入 650 在 踝关节 行和列 S 和 E 柱并单击 好的 完成设置。
    6. 重复步骤 1.1.4 和 1.1.5。分别输入 350 和 650 调整时 毕业分别输入 1000 和 1200 在 WELT 行，并保持 踝关节 行作为 650 调整时 弹性电机.
      注意：弹性马达可控制氨纶纱线的张力。所制备的弹力袜应确保从膝部到踝部的紧度逐渐增加。此处，弹性马达的数量在 踝关节 固定（650），而弹性马达数量在 WELT 根据设定的数值（800、1000、1200）调整以制备不同紧密度的CH样品。刻度值可控制整个CH样品的线圈大小：较大的线圈通常导致较松散的CH，而较小的线圈则始终生成较紧密的CH样品。因此，我们分别输入350、500和650作为刻度值。最终生成包含修改后弹性马达参数和刻度值的程序文件。
  2. 编织
    1. 在CH制备机上安装基底纱线和氨纶纱线。
    2. 打开机器，插入U盘，选择从步骤1.1.3获得的程序文件。机器将自动制备CH样品。将这些样品按字母顺序编号为A至I。
      注意： 表1 显示了这些CH样品的制备参数。

2. 直接测量

注意：所有壳聚糖（CH）样品在测量前应在标准大气环境（23 °C，65% 相对湿度 [RH]）中调节 24 小时。将壳聚糖（CH）样品穿在人工下肢上以测试压力值。所有测量应重复三次，以计算平均值并减小误差。

  1. 在压力袜样品上标记线条。
    1. 将样品穿在人工下肢上。
    2. 从膝部到踝部，在压力袜样品敷料上标记六个等距的环形线。将这些线编号为6线、5线、4线……这些线将压力袜样品分为五个部分，如图1a所示。
  2. 压力测量
    1. 进行压力测量时，将界面压力传感器分别置于压力袜样品第1部分的前侧、后侧、内侧和外侧下方。
    2. 在测量软件中选择合适的串行端口COM，并将最小阈值设为0。
    3. 点击开始测量，实时通道1~4将显示压力数据。
    4. 当压力稳定后，点击停止测量，软件将自动导出压力数据。
    5. 将界面压力传感器置于压力袜样品的其他部分，并重复步骤2.2.1−2.2.4。
  3. 完成整个压力袜样品的压力测量后，取下该样品，然后在人工下肢上穿戴另一个压力袜样品，以准备下一次测量。

3. 间接测量

注意：本实验旨在测量锥体-圆柱体模型所需的参数，这些参数包括敷料及未敷料壳聚糖（CH）样品的形变与结构参数、厚度、张力等。所有壳聚糖样品在测量前均需在标准大气环境（23 °C，65% 相对湿度）中调湿 24 小时。所有测量应重复三次，以计算平均值并减小误差。

  1. CH 样品的结构参数测量
    1. 将一个 CH 样品套在人工下肢上。
    2. 使用卷尺测量样品的总长度（L）。
    3. 使用织针镜测量每个分段部分的横列密度和纵行密度。
    4. 用卷尺测量每条圆周线的周长（c），然后通过取相邻圆周线周长（c）的平均值，计算 CH 样品每个分段部分的周长（w）。
    5. 当所有结构参数测量完成后，从肢体上取下样品，并将另一个样品套在人工下肢上，准备进行下一次测量。
    6. 测量未拉伸状态下的 CH 样品每条圆周线的周长（c’），然后通过取相邻圆周线周长的平均值，计算该 CH 样品每个分段部分的周长（w’）。
    7. 测量未拉伸状态下 CH 样品相同分段部分的横列密度和纵行密度。
  2. 厚度测量
    1. 将压缩后的袜类样品平整地放置在厚度计的钢制圆盘上。
    2. 打开厚度计，使另一个钢制圆盘缓慢下落并压在样品上，屏幕将显示厚度数据（t）。
    3. 移动样品位置，重复步骤 3.2.1 和 3.2.2，以测试其他部位的厚度。
  3. 拉伸实验
    1. 沿标记的圆周线将所有 CH 样品剪开。
    2. 将一片样品夹入拉伸测试仪中。
    3. 打开拉伸实验软件，输入初始张力为 5 N，拉伸速度为 60 mm/min，初始拉伸长度为 200 mm；其余参数保持默认设置。
    4. 当所有测量参数设置完成后，点击 START 开始自动进行拉伸实验。计算机将在屏幕上实时输出应力和应变数据。当 CH 样品断裂时，拉伸实验将自动停止。
    5. 然后将断裂的样品更换为新的样品片，进行下一轮测试，并重复步骤 3.3.3−3.3.4。

4. 理论计算

注意：在间接测量中采用圆柱模型和圆锥模型来计算施加的压力。每个下肢压力袜（CH）样本从膝部到踝部分为五个部分。在圆柱模型中，人体肢体被描述为具有恒定半径的圆柱体，而在圆锥模型中，肢体的半径是可变的。示意图见图1b和图1c。所有计算步骤均在Matlab 2018a中完成，计算程序见补充代码文件。

  1. 圆柱模型
    1. 根据步骤 3.1.3−3.1.5 中测得的结果，使用以下公式计算包扎后 CH 与未包扎 CH 之间的周长差（D）：
      静力平衡方程，Di=Wi-W'i，用于平衡分析研究的关键公式。
      其中 i 为由标记的圆线分隔的 CH 片段编号，按圆线编号顺序进行编号。
    2. 使用适当的线性方程拟合步骤 3.3.4 中获得的应力-应变曲线。该线性方程的斜率即为拉伸模量 E。
    3. 利用以下公式计算包扎状态下 CH 的张力（T）：
      公式 T<sub>i</sub>=E<sub>i</sub>⋅D<sub>i</sub>，表示能量传递概念。
      注：补充表 1 列出了测得的原始拉伸模量 E 和张力 T。
    4. 基于圆柱模型和薄壁假设15，将第 i 段 CH 所施加的压力表示为：
      流体动力学中的压力损失公式；公式：\(p_i = \frac{T_i \cdot t}{r_{w,i}}\)。
      其中 r 为分割部分的半径，等于 角频率公式，\(w/2\pi\)，用于波频率计算，数学符号。，t 为 CH 样品的厚度，T 为步骤 4.1.3 中计算得到的张力。
    5. 根据步骤 4.1.1−4.1.4 计算所有 CH 片段所施加的压力。
  2. 圆锥模型
    1. 通过以下公式计算第 i 段 CH 所施加的压力14：
      静力平衡方程 \(p_i = \frac{T_i \sqrt{l^2-(r_{c,i+1}-r_{c,i})^2}}{5l^2\cdot r_{c,i+1}}\)。
      其中 rc 为圆线的半径，等于 c 除以 2π 的分数，数学公式，物理方程，教学图示。，T 为步骤 4.1.3 中计算得到的张力，l 为每段分割部分的长度，可通过 l = L/5 计算得出（其中 L 按步骤 3.1.2 测量得到）。

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结果

在图2a中，线圈密度从膝部到踝部逐渐增加。这可归因于弹性驱动器的影响。在CH的制备过程中，从膝部到踝部，弹性驱动器逐渐增强，导致从第5部分到第1部分的张力逐步增大。因此，CH样品逐渐被拉紧，线圈方向上每厘米的线圈数量也随之增加。图2b中的实验曲线可分为三组：ABC、DEF、GHI。其中，ABC组采用最小的刻度值制备，获得最高的纵行密度；而GHI组采用最大的刻度值制备，得到最低的纵行密度。在制备过程中，刻度值影响针头的下沉深度。较大的下沉深度会形成更长的线圈，从而降低长度方向上每厘米的线圈数量。因此，采用最大刻度值制备的CH样品表现出最低的纵行密度，反之亦然。图2c和图2d分别展示了未包覆和已包覆CH样品各分段部分的周长。

为了研究制备方法对结构的影响，采用方差分析（ANOVA）对数据进行分析，结果列于表2中。

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讨论

本研究提供了两种测量压力袜样本施加压力的方法，这些方法也可用于测量其他服装对皮肤施加的压力。在直接测量法中，将压力袜样本穿在人工下肢上，并在样本与下肢之间放置界面传感器，压力值可通过数据采集软件在屏幕上显示。为了与直接法进行比较，我们还提供了一种间接测量方法。该方法采用圆柱模型和圆锥模型两种理论来计算压力。为了获得压力分布情况，通过标记六条等间距的环形线将压力袜样本分为五个部分（图1a）。在人工下肢上穿着和未穿着状态下，分别测量每个压力袜部分的结构参数，包括横密、纵密、长度、周长和厚度。为了获得拉伸模量分布，沿环形线将压力袜样本裁剪为五个试样，并在拉伸试验中逐个拉伸至断裂。结合拉伸模量与结构参数，分别利用圆锥模型和圆柱模型计算出各部位的压力值。

我们还展示了直接法与间接法之间的相关性分析（图4）。相关性分析证实，由于圆锥模型考虑了肢体半径的变化，其在预测压力特性方面优于圆柱模型。因此，圆锥模型可用于有效预测压缩服装的压力分布。本文提到的方法也为压缩服装的压力测量提...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者声明，本研究、撰稿和/或本文发表获得了以下资金支持：国家关键研发计划&中国国家重点研发计划项目（编号：2018YFC2000900）、国家自然科学基金（编号：11802171）、上海市高校特聘教授（东方学者）计划、上海工程技术大学人才计划。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
人工下肢Dayuan, Laizhou Electron Instrument Co., Ltd.YG065C用于测量袜子的强度，测试标准为 ISO 13934-1-2013，该标准在第 3.3 节中提及
CH 制造机器Hongda, Co., Ltd.YG14N用于测量袜子的厚度，测试标准为 ISO 5084:1996，在第 3.2 节中提及
氨纶纱线MathWorks, Co., Ltd.2018a用于计算压力，在第 4 节中提及
FlexiForce 接触压力传感器Qile, Co., Ltd.Y115B由带固定标尺的放大镜组成，用于统计所制备 CH 每厘米的线圈数量，在第 3.1.3 和 3.1.7 节中提及
FlexiForce 测量软件Santoni, Co., Ltd.GOAL 615MP用于袜子的制备，在第 1.2 节中提及
地纱Santoni, Co., Ltd.一种包覆纱，由 80% 橡胶和 20% 粘胶纤维组成，在第 1.2.1 节中提及
Matlab 软件Santoni, Co., Ltd.一种包覆纱，由 30% 聚酰胺和 70% 棉组成，在第 1.2.1 节中提及
力学测试仪器及软件Santoni, Co., Ltd.GOAL 615MP用于编程设定制备参数，在第 1.1 节中提及
织针镜Shenmei, Inc.F002标准中国女性人体模型，身高 160 cm，尺寸依据中国国家标准 GB 10000-1988 制定。该模型由玻璃纤维增强胶合板制成，并覆盖织物。在第 2.1 节中提及
STAT-Ds 615 MP 袜子软件Tekscan, Inc.A201用于测量皮肤表面压力，在第 2.2.1 节中提及
厚度规Weike, Co., Ltd.1lbs用于记录压力，在第 2.2.2–2.2.4 节中提及

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