基于生物力学成像与图像识别算法的运动紧身裤软组织形变精准评估新方法

本研究创新性地提出结合Boussinesq弹性理论解与图像识别算法的新型人体测量方法，通过Instron 4,411和KES-FB1系统测试五种紧身裤材料的力学性能（Ex、vxy、Gxy），建立静态（偏差1.15mm）与动态（偏差2.36mm）条件下组织形变预测模型，为运动科学研究和功能型运动服装设计提供精准评估工具。

　　

引言

运动紧身裤通过增强姿势稳定性和改善步态，能有效预防乳酸堆积、缓解肌肉酸痛并促进血液循环。然而高压力导致的组织形变常引发不适，准确评估形变对优化材料选择和设计至关重要。现有方法如拉普拉斯定律、压力传感器和有限元(FE)建模存在局限性，亟需开发直接可视化且能预测动态形变的新方法。

研究方法

样本制备
选取五种不同材质成分和尺寸的运动紧身裤，将其分为六个水平截面（高臀围、低臀围、大腿中段等），使用Instron 4,411系统测量单轴拉伸，KES-FB1系统测量纯剪切，获取弹性模量(E)、泊松比(v)和剪切模量(G)等参数。

分析模型构建
基于Boussinesq弹性理论解和应力函数法建立预测模型。假设腿部横截面为规则圆形，通过应力平衡方程推导组织位移(u_l)，结合Neo-Hookean非线性应变能密度函数（C₁=5000Pa，D₁=1.4×10^-7Pa^-1）表征软组织力学行为。

4D人体扫描
采用3dMD系统对BMI>24的受试者进行静态（标准A姿势）和动态（60Hz全身振动）扫描，通过Geomagic Design X软件分割径向曲线，MATLAB图像识别算法提取轮廓坐标，计算形变差异。

关键发现

1. 材料特性影响：Leggings Type 4因最高弹性模量(E_x=285.7MPa)导致最大形变（4.75mm），Type 5因尺寸宽松形变最小（1.60mm）。
2. 解剖位置差异：臀部区域（Section 1）形变达6.4mm，显著高于小腿（Section 6）的0.95mm，与截面曲率半径相关。
3. 动态形变机制：惯性力使动态形变值（16.37mm）高于静态，验证了振动条件下组织响应的复杂性。
4. 模型验证：预测与实测偏差在静态（1.15mm）和动态（2.36mm）条件下均保持良好一致性，但髋部等高曲率区域差异较大。

应用价值

该方法通过精准量化紧身裤-人体交互作用，指导支撑区与弹性区的战略布局，推动运动服装向数据驱动设计转型。未来可扩展至医疗压力服装、外骨骼接口等领域，为个性化可穿戴设备开发提供新范式。

（注：全文数据与结论均源自原文实验，未添加主观推断）