基于人体脊柱形态的床垫舒适性测试与评价方 - 脊柱后凸

TUhjnbcbe - 2022/3/9 16:20:00

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人一生中三分之一的时间在床垫上度过，床垫对人体脊柱形态有直接的影响，因此研究床垫软硬度对人体脊柱形态的影响具有重要意义。

国内外研究现状

·为此，早在年Lahm等已经开始从脊柱形态入手研究人们睡在不同硬度床垫上的生理反应。

·此后，Tetsuo等从脊柱形态的角度研究了床垫硬度对卧姿（仰卧、侧卧和半躺）的影响；

·Leilnahari等发现较软的乳胶床垫及独立袋装弹簧胜过传统弹簧床垫。

·同时，国内众多学者也在这方面做了大量研究，陈玉霞等总结并提出了评价床垫支撑性的方法；

·魏萌萌等研究了床垫弹性分布对脊柱形态的影响；

·董青研究了大学生群体在不同硬度床垫上的脊柱形态；

·赵晓东等利用X线检查了人体在不同软硬度床垫上的脊柱形态，指出中等硬度床垫较适合正常人使用。

由此可见，关于脊柱形态的研究已经引起了不少国内外学者的重视，这些学者普遍通过站卧脊柱形态的差异程度来判断仰卧脊柱形态的优劣，从而判断该床垫是否适合被试者。在获取仰卧和站姿脊柱形态时，虽然使用X线检查脊柱形态是最为科学的方法，但却受到辐射的影响，这种方法只在临床检查时使用，大部分研究者通过拍摄或利用插针法（使用多根标杆按一定间距插入床垫，使其紧贴人体脊柱，从而获得人体脊柱形态的方法）获得脊柱形态图进行直观对比，缺乏定量化的评价指标。为此，南京林业大学刘美，申黎明等利用脊柱形态测量仪，通过对5名被试者在8款实验床垫上的站卧脊柱形态进行对比，并结合前人的评价指标和研究结果，归纳出4项评价指标。在此基础上，对人体在床垫上仰卧脊柱形态与站姿脊柱形态的差异进行分析，探究影响站卧脊柱形态差异和人体舒适性的因素，从而为深入研究床垫个性化设计提供基础。

1　材料与方法

1.1　被试者

1.2　实验床垫

1.3　实验方法

1.3.1　站姿脊柱形态的测量

1.3.2　仰卧脊柱形态的测量

2　站卧脊柱形态差异性评价指标

脊柱形态对维持正常的脊柱生物力学至关重要，仰卧时软床垫会导致人体下腰椎L4/5和L5/S1生理曲度明显变小，腰椎过度弯曲；硬床垫不仅会使臀部支撑点的血管和神经受到压迫，还会使腰部悬空，腰椎得不到有效支撑。只有软硬度适当的床垫才能维持人体正常的脊柱形态，使仰卧脊柱形态最接近站姿脊柱形态。这就需要从床垫特性和人体特性2个方面入手，通过人?床之间界面关系对站姿和仰卧脊柱形态的差异性进行评价，以期整体观察脊柱形态在2种姿态下的差异程度，同时了解产生差异的具体身体部位。因此，就整体而言建立了2项指标：脊柱形态吻合度和脊柱曲度差，前者从形态角度测评脊柱形态在2种状态下的相似性，后者从脊柱角度测评卧姿下脊柱发生延展或弯曲的活动程度。就局部而言，建立了腰背间隙差和臀背倾角差2项指标，前者用于测评床垫对腰部的支撑力度是否恰当，后者用于测评床垫对背部和臀部的支撑力度是否恰当。2.1　脊柱形态吻合度站卧脊柱形态吻合度是将人站姿脊柱形态作为参考，来评价仰卧时人体脊柱的变形情况。如图2所示，将仰卧脊柱形态记作曲线a，将站姿脊柱形态记作曲线b，则设：2.2　腰背间隙差脊椎有颈椎、胸椎、腰椎、骶椎/尾椎等构成，其相应部位称为颈部、（前）胸部/背部（后）、（前）腹部/腰部（后）、（前）盆腔/臀部（后）等。根据中国国家标准GB/T—《用于技术设计的人体测量基础项目》和人体体型学规定，背部曲线是指从人体第7颈椎点到骼嵴，臀部曲线是指从骼嵴到臀沟。人体背部曲线呈现出“一峰一谷”的走势（图3），臀沟“峰”与“谷”之间的变化中，形成最凸点（a点）和最凹点（b点）。人体臀部曲线也有最凸点，即臀峰点（c点）。腰背间隙是指背部最凹点（b点）到背部最凸点（a点）和臀峰点（c点）连线的垂距，如图3所示。仰卧腰背间隙值与站姿腰背间隙值的差值越小，则床垫对人体腰椎的支撑性就越好。腰背间隙计算公式如下：2.3　臀背倾角差臀背倾角是指人体矢状面背部脊柱最凸点与臀峰点的连线与躯干中轴线所形成的夹角，如图4所示。在不同的床垫上睡眠时，人体所处的水平状态不同，以仰卧臀背倾角接近站姿臀背倾角为佳。当仰卧臀背倾角大于站姿臀背倾角时，二者差值为正，臀部相对下沉，如图4中仰卧脊柱形态1；反之，则二者差值为负，背部相对下沉，如图4中仰卧脊柱形态2。利用仰卧臀背倾角和站姿臀背倾角的差值表示站姿和仰卧下臀背倾角的接近程度，臀背倾角的计算公式如下：2.4　脊柱曲度差人体脊柱形态与各椎体及椎间盘的活动有关，其中椎间盘在人体脊柱活动中发生楔形形变，使脊柱发生不同方向的弯曲。因此，当人体就卧于不同软硬度的床垫上时，为了适应床垫，椎间盘会发生不同程度的形变，引起人体脊柱形态的变化。同臀背倾角，取人体矢状面背部最凸点至臀峰点之间的脊柱段进行研究。测量得到仰卧脊柱形态后，分别计算各测量点的切线斜率，从而求出各个测量点处脊柱与人体躯干方向的倾斜角。并将同一测量点处的仰卧和站姿倾斜角做差，来表示二者差异程度，差值越接近0，脊柱弯曲变形角度越小，仰卧脊柱形态越接近站姿脊柱形态，如图5所示。如图5所示，将仰卧背部最低点至臀部最低点（臀峰点）之间的脊柱形态记作曲线C；如图5b所示，将背部最凸点至臀部最凸点之间的自然脊柱形态记作曲线D，如图5a所示，则计算公式如下：

3　结果与分析

3.1　被试者个体特征对站卧脊柱形态差异性的影响
　　通过人体脊柱形态测量仪对5名被试者进行测量，得到了他们的站姿脊柱形态，如图6所示。从站姿脊柱形态来看，被试者1、2具有相同的个体特征：相对于背部，臀部更为凸出，臀背倾角为正（＋），如图6a、b所示。被试者3、4也具有相同的个体特征：相对于臀部，背部更为凸出，臀背倾角为负（-），如图6C、b所示。被试者5背部和臀部凸出程度相同，臀背倾角约为0，如图6e所示。由被试者站姿脊柱形态特征（图6）和被试者在8款床垫上的各指标平均值（表3）可知，臀部更凸出的被试者1、2在床垫上的吻合度值较高，脊柱曲度差较小，综合舒适性评价较好；但背部更凸出的被试者3、4在床垫上的吻合度值较低，脊柱曲度差较大，综合舒适性评价较差；而背、臀部相同的被试者5在床垫上的吻合度值居中，脊柱曲度差居中，综合舒适性评价居中。这可能与不分区床垫对人体各部位的支撑效应有关，总使轻的部位下陷浅而重的部位下陷深，导致背部延展而臀部下沉。这与临床观察结果一致：人体在不分区床垫上仰卧时腰曲变直、骶骨翘度过大、腰部肌肉紧张。由此可知，对于不分区床垫，脊柱形态的个体特征是影响站卧脊柱形态差异性和人体就卧舒适性的主要原因。不分区床垫不利于维持正常的人体生理曲度，特别是对于背部更凸出的人群。3.2　床垫软硬度对站卧姿脊柱形态差异性的影响3.2.1　床垫软硬度对臀部更凸的被试者站卧姿脊柱形态差异性的影响
　　以被试者1为例，由表4和图7可知：被试者的肩背部脊柱形态在床垫1上自然弯曲，最接近站姿脊柱形态；随着床垫硬度的逐渐增大，被试者肩背部的仰卧脊柱曲度逐渐减小，在床垫7、8上的脊柱形态平直，与站姿脊柱形态的差异显著。这表明较软的床垫有利于维持肩背部脊柱形态的曲度。被试者的腰部除了在床垫3上出现较大的腰背间隙差值，随着床垫硬度的增加，腰背间隙差值没有明显的变化，在7款床垫上均表现为支撑力略微欠缺，这表明床垫硬度的改变对维持腰部脊柱形态的作用甚小，需通过分区床垫或腰垫等单独给腰部提供较强支撑力。被试者的臀部形态随着床垫硬度缩，的增加，呈现出先变曲后变直的趋势，这可能是因为床垫过软时，腰部支撑不足使腰部肌肉紧张收紧挨着的臀部协助腰肌发力，使身体处于稳定状态，导致臀部的下陷较浅。随着床垫硬度的增大，其对肩背部的支撑力逐渐增大，身体稳定性增大，腰肌得以放松，从而使臀部自然下陷。而随着床垫硬度的继续增加，床垫对臀部的支撑力变大，臀部克服床垫支撑力的下陷深度逐渐变浅。由此可见，过软或过硬的床垫都不利于维持臀部形态。3.2.2　床垫软硬度对背部更凸的被试者站卧姿脊柱形态差异性的影响
　　以被试者4为例，由表5和图8可知，被试者在8款床垫上的吻合度极低，而脊柱曲度差极大，这表明不分区床垫不利于维持背部更凸出的脊柱形态。被试者肩背部的站姿脊柱曲度较大，仰卧时即便在最软的床垫上依然与站姿时差异较大，且随着床垫硬度的增大，这种差异更加明显。这可能是因为实验测试过程中未使用枕头的原因，同时说明对于背部较为凸出的被试者，床垫的软硬度对维持肩背部脊柱形态的作用较小。此外，被试者的腰背间隙差值随着床垫硬度的增加而减小，而臀背倾角差值反向变大，臀部下陷加深而背部下陷变浅，背部脊柱形态变直，这说明较硬的床垫加剧了站姿脊柱形态与仰卧脊柱形态的差异。3.2.3　床垫软硬度对背臀等凸的被试者站卧姿脊柱形态差异性的影响
　　以被试者5为例，由表6和图9可知，被试者在较软的床垫1、2上肩背部的脊柱曲度较大，随着床垫硬度的增大，肩背部的脊柱曲度逐渐变直。被试者的腰部除了在床垫4上出现稍大的腰背间隙差值，在其他床垫上的站卧腰背间隙差值几乎为0，这表明不分区床垫都能给予较好的腰部支撑，与床垫硬度无关。站卧臀背倾角差值为负，可见在仰卧睡姿下，臀部下沉而背部上浮，这可能也与不分区床垫对人体各部位的支撑效应有关。因此，对于背臀等凸的被试者来说，也不太适合不分区床垫。

结论

较低的脊柱形态吻合度是由多种因素引起的。从人体第7颈椎点到臀沟，包含肩背部、腰部和臀部，任何部位的偏差都会引起吻合度的降低。因此，只有足够高的吻合度（＞0.9）才能体现床垫的适宜性。在实际仰卧睡眠时，枕头会给予人体肩颈一定的支持力，对维持背部最凸点以上的脊柱形态具有重要作用。而床垫对人体脊柱形态的影响集中在背部最凸点至臀部最凸点之间，较大的脊柱曲度差意味着在仰卧睡姿下脊柱的活动度变大，这不利于减轻脊柱负荷，也不利于脊柱健康。因此，当吻合度并不太高（0.9≥吻合度＞0.85）而脊柱曲度差很小时，也能够反映床垫的适宜性。从局部而言，床垫对腰部的支撑至关重要，理想的床垫能使站卧腰背间隙差为0，对腰部起到适宜的支撑作用。此外，背部和臀部形态也会在各种因素的影响下发生改变，站卧臀背倾角差的正负和大小能够反映仰卧时背部与臀部的变化。本研究从人体脊柱形态的角度探究了床垫的舒适性，得出以下结论：1）本研究建立的4项评价指标对卧姿脊柱形态的变化起到了客观的评价作用。脊柱形态吻合度和脊柱曲度差对人体站卧脊柱形态的差异进行评价，腰背间隙差和臀背倾角差分别从腰部、背部和臀部出发，对人体各部位脊柱形态的变化进行评价，从而全方位地评价了站卧脊柱形态的差异性。2）对于不分区床垫，脊柱形态的个体特征是影响站卧脊柱形态差异性和人体就卧舒适性的主要原因，床垫软硬度是次要因素。不分区床垫不利于维持正常的人体生理曲度，特别是对于背部更凸出的人群。3）臀部更凸的被试者适合不分区床垫的使用，背部更凸的被试者不适合不分区床垫的使用，背臀等凸的被试者较适合不分区床垫的使用。4）床垫硬度直接影响人体背部脊柱形态，硬床垫使人体背部脊柱曲度逐渐变直。床垫软硬度对人体腰部和臀部的支撑效应受个体特征的影响呈现出不同的变化。该文发表于《林业工程学报》年第2期。引文格式：

刘美,申黎明,卢涛,等.基于人体脊柱形态的床垫舒适性测试与评价方法探讨[J].林业工程学报,,6(2):-.

LIUM,SHENLM,LUT,etal.Investigationonthetestandevaluationmethodsofhealthand