應用于健康領域的著裝壓力研究進展

胡艷瓊+張輝+鄧詠梅

摘要：主要從客觀服裝壓力測試方法、服裝壓力分布數字化模擬及生物力學模型以及軟體假人等 3 方面介紹了著裝壓力分布在國內外的研究進展，結合著裝壓力對人體生理方面影響和在輔助醫療方面的現有應用，分析了著裝壓力分布在人體健康領域中的應用特性和價值，從服裝壓力測試系統和服裝壓力分布預測系統兩方面預測了未來的發展方向。

關鍵詞：壓力分布；生理監測；壓力測試；數字化模擬；有限元

中圖分類號：TS 941.16 文獻標志碼：A

Progress in the Research of Health Field-oriented Clothing Pressure

Abstract： This article introduced the progress made in the research at home and abroad on clothing pressure distribution from three aspects： the methods for objective garment pressure testing， digital simulation of clothing pressure distribution， and biomechanical models & dummies. It analyzed the features and importance of using clothing pressure distribution in the field of human health and forecasts its developing trend according to clothing pressure testing system and clothing pressure distribution prediction system.

Key words： pressure distribution； physiological monitoring； pressure test； digital simulation； finite element

適當的服裝壓力大小及其分布對身體表面的包裹性效果、運動防護、康復治療等方面能起到促進的作用。本文從著裝壓力在健康領域中的應用角度出發，闡述了服裝壓力分布的研究進展，總結了服裝壓力在健康領域現有應用和對人體生理影響的研究成果，最后展望了服裝壓力測試及分布預測系統在未來的發展趨勢。

1 著裝壓力分布研究進展

1.1 服裝壓力測試方法

研究者在早期大都使用自主設計的壓力測試裝置，新的測試方法和測量儀器的出現促進了壓力測試精度和準確度的提高。目前廣泛用于測量服裝壓力的測試法原理及特點匯總見表 1。

1.2 壓力分布數字化模擬及生物力學模型

1.2.1 理論計算模型

基于Laplace方程和人體圍度方向上的橢圓力學模型，王金鳳建立了人體任意點在圍度上的服裝壓力模型，依據在人體圍度上彈性面料拉的伸變形，分析了人體各部位與服裝壓力的關系。Laplace服裝壓力公式如下：

式 1 中：P表示織物接觸壓力；R表示對應部位的曲率半徑；T表示織物拉伸張力；V表示垂直方向；H表示水平方向。

羅笑南等以彈性力學的薄膜大變形為理論，通過求解三維著裝緊身內衣上分布點的應力，利用拉格朗日乘數法，依據彈性力學最小位能原理，算出了彈性內衣作用于人體的三維著裝壓力，對服裝CAD試衣效果提供了方法。

王建民等利用基于物理模型的插值體細分方法，對服裝壓力分布和彈性體變形進行了研究，實現了人體著裝壓力分布的計算和動態體變形過程的模擬。采用MAPLE建立和計算數學模型，通過C++Builder和OpenGL生成了結果的顯示。

1.2.2 有限元預測模型

有限元全稱有限單元法，它運用力學分析中的數值法，把連續的介質或構件離散成由有限個單元組成的集合體來表示。

Mirjalili等采用Ansys9.0有限元分析軟件對彈性服裝和人體的接觸部位進行了有限元建模和數據分析，對比發現與儀器測試所得數值最大誤差不超過7%。證明了有限元壓力模擬法對人體著裝壓力的有效性。

在Li等的研究中將女體胸部看作為彈性體，軀體為剛體，胸罩作為幾何非線性和材料線性，接觸面為動態滑移界面，建立了女體三維力學模型。應用有限元法計算得到了文胸與女性胸部動態接觸的模擬結果。

參照醫學資料和中國可視化女體斷層照片，劉紅通過MATLAB 7.0編程得到女體胸圍截面及體內軟組織層、骨骼層曲線上的點坐標。將各點輸入Ansys10.0得到女體胸圍截面的實體模型。

1.2.3 軟體假人及智能假人測試系統

外界環境的改變、人體生理或心理的變化對壓力測試都有可能影響測試結果。且在極端氣候環境下對正常人進行實驗十分困難。為了有效避免以上問題，研究者開發出了可用于測試服裝壓力的假人系統。

2005年Fan等用標準假人模特代替真人模特預測了穿著腹帶后的壓力分布。所用假人經真人掃描數位化制成假人外形，彈性模量跟也真人相似，研究結果表明該假人的預測性比較準確。

智能人體假人測試系統LLY-56A將 8 個高精度壓力傳感器嵌入到了假人體表直接測量特定部位的壓力。此外，此款假人還可在前中線和后中線處最大橫向擴張 5 cm來模擬不同人體維度。

2 服裝壓力與醫療監護

2.1 服裝壓力對生理系統的影響

服裝生理學評價方法一般被用來評價服裝壓力對人體生理影響，評價指標有心率、血壓、血流量、心電圖、溫度、出汗率等。

（1）消化系統：受試者在靜態下穿著緊身衣可使睡液分泌率明顯降低，證明服裝壓力會影響人體消化功能。（2）循環系統：人體穿著束褲時，下體的皮膚血流量隨著所受壓力的增加而降低，說明服裝壓力引起了皮膚血管收縮。（3）呼吸系統：靜止狀態下，腰部以上及胸部壓力大小與呼吸因子具有相關性；運動狀態下，前胸處壓力大小與呼吸因子存在相關性。（4）神經系統：人在較強壓力的調整型內衣下注意力保持能力會降低，并且精神運動緩慢。（5）生殖系統：女性經常穿著過緊的內衣會使月經周期延長。（6）內分泌系統：緊身連體內衣產生的服裝壓力可以抑制了人體褪黑激素的分泌，從而對睡眠形成負面影響。

要保證人體正常生理代謝需要八大系統協調運作，人體特定系統在服裝壓力影響下產生的變化也有可能和其他系統的變化有關系。

2.2 服裝壓力在健康領域中的應用

2.2.1 輔助康復治療

在醫療領域，壓力服裝可以被用來輔助愈合增生性癥痕、防止骨位異化、預防靜脈和血栓和提高關節的靈活性等。Best發現緊身襪可以有效地預防血栓，穿著理想壓力階梯緊身襪比穿著相反壓力梯度緊身襪患靜脈血栓的概率小19.5%。Platts模擬了太空飛行的條件，結果表明美國航空航天局和俄羅斯聯邦航天局所用的壓力服裝都對防止直立不耐受有一定的效果。

2.2.2 生理監測

心電、血壓、呼吸和體溫等生理信號的采集可以起到監測人體健康狀況的作用。將醫用傳感器微型化并集成到服裝中就可以實現低心理負荷的信號連續監測。包括心電信號在內的大多數生理信號都十分微弱，需足夠的壓力保證傳感器或電極與皮膚密切接觸，才能穩定正常輸出。壓力過大或分布不合理又有可能影響到人體的心率、呼吸和體溫等。且服裝壓力的大小直接影響到服裝與人體之間的動態滑移，這種滑移有可能對生理信號造成干擾。

東華大學許俊鵬測試了不同運動強度下壓力服裝的心電信號，指出電極-皮膚之間壓力值與運動的劇烈程度正相關，壓力范圍在0.5 ～ 1.4 kPa之間可以同時保證著裝舒適性和心電信號的穩定采集。

3 前景展望

獲得服裝對人體的壓力值一般有直接測量和預測兩種方法。直接測量人體與服裝之間的壓力對測試系統的要求比較高；要做到準確地預測著裝壓力也需要準確把握人體與服裝的形狀等特性。

3.1 服裝壓力測試系統

服裝壓力測試系統主要被用來測試服裝與人體之間的壓力大小，也可以用來檢驗預測的壓力是否正確。目前，服裝壓力測試裝置還存在缺陷：（1）由于受到面料物理機械性能、人體表面皮膚變形、測試儀器和壓感元件大小的影響，通常無法達到很好的動態跟蹤測試；（2）由于服裝壓力的測試是獨立點測試，要對壓力的分布進行測量十分困難；（3）智能人體假人上面集成的傳感器數量有限，且不能進行人體一樣的動作。如何實現壓感元件緊密貼合測量部位、適應人體曲率變化、不引起皮膚不適和服裝的附加變形、連續而實時的記錄數據的壓力測試系統是服裝壓力測試研究的重點。

此外，想要利用壓力測試設備來測量服裝壓力分布大小就要對測試用服裝或人體進行網格的劃分，如何有效的進行網格的劃分也是有待解決的問題。

3.2 服裝壓力分布預測系統

服裝壓力分布預測系統可以幫助實現在服裝設計初期，通過面料彈性和服裝松量的設定就夠預測服裝的壓力分布，以此調整服裝結構和面料，設計出適當壓力的服裝；對于特殊體型的人，也可以調節人體模型或直接對其三維掃描再通過逆向工程技術獲取其人體模型，進行壓力預測模擬從而做到量身定制。預測壓力分布的準確性往往取決于各種邊界條件的設置，目前研究中，將人體視為彈性體，但這些研究對人體的組織結構沒有進行深入研究，只是考慮了皮膚和骨骼的彈性模量和密度等參數。要進一步提高服裝的舒適性與功能性，首先必須對人體進行深入研究，其中包括人體形態特征、人體運動時各部位的力學特征、人體著裝后的生理、心理變化等。

4 結束語

服裝壓力分布應用的范圍越來越廣。從塑身衣、彈力襪等到生理監測服裝，這些產品都與服裝壓力分布和大小有著密不可分的關系。本文通過綜述前人服裝壓力測試方法，壓力分布數字化模擬以及對醫療影響的研究，提出了自己的研究思路，今后將在服裝壓力測試及預測準確度上做進一步的探討。

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