不同體型對象的座面體壓分布探討

The Study of Sitting Pressure Distribution for Subjects With Different BMI

■胡玲玲1林作新2張繼雷3Hu Lingling1& Lin Zuoxin2& Zhang Jilei3

(1.2.北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083，3.Mississippi State University, Starkville, MS 39759 美國）

不同體型對象的座面體壓分布探討

The Study of Sitting Pressure Distribution for Subjects With Different BMI

■胡玲玲1林作新2張繼雷3Hu Lingling1& Lin Zuoxin2& Zhang Jilei3

(1.2.北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083，3.Mississippi State University, Starkville, MS 39759 美國）

摘 要：體壓分布是最常見的沙發(fā)舒適度客觀衡量指標之一，但是鮮少有針對不同體型對象體壓分布的研究。本文對三種體型對象（偏瘦、正常、肥胖）坐在六種不同硬度沙發(fā)座面上的臀部與座面之間的壓力等級、高壓力分布面積、以及壓力分布均勻度進行可測量分析。結(jié)果表明：正常體型對象與座面之間的壓力等級最低且高壓力分布面積最小；肥胖體型對象的壓力分布最為均勻。

關(guān)鍵詞：體壓分布；身體質(zhì)量指數(shù)；座面硬度

中圖分類號：TS664.01

文獻標識碼：?A

文章編號::1006-8260(2015)06-0092-04

引文格式:胡玲玲,林作新,張繼雷.不同體型對象的座面體壓分布探討[J].家具與室內(nèi)裝飾,2015,(06):92-95.

Abstrraacctt::The pressure distribution is one of popular objective measurement methods for sitting comfort, but a few studies were found for the pressure distribution between subjects with different body mass index and sofa cushion.This study measured the sitting pressure gradients, the high-pressure areas, and the seat pressure distribution for three subjects (underweight, normal, obese) seated on six kinds of sofa cushion with different stiffness.The results show that the pressure gradient is lowest and the high-pressure area is smallest during the normal subject seated; the obese subject has the lowest SPD%.

KeyWoorrddss::Pressure Distribution; Body Mass Index; Seat Cushion Stiffness

1 前言

體壓分布是最常見的沙發(fā)舒適度客觀衡量指標之一，但是鮮少有針對不同體型對象的體壓分布研究(Reed等人，1994；Thakurta等人，1995；Wu等人，1998；Gyi等人，1999；Hostens等人，2001)。為了更深入的了解人體和座面之間的體壓分布，本文對三種不同體型對象（偏瘦、正常、肥胖）坐在六種不同硬度座面上的臀部與座面之間的壓力等級、高壓力分布面積、以及壓力分布均勻度進行了測量分析，初步探討了使用者體型特征和座面材料硬度對體壓分布的影響。

2 實驗設(shè)備和參數(shù)

本實驗中使用加拿大Vista Medical 公司的FSA（Force Sensing Array）壓力測試系統(tǒng)(圖1a)，包括兩個長寬尺寸為430×430mm的可交替使用的測試墊。每個測試墊由256個電阻壓力傳感器矩陣排列構(gòu)成。每個傳感器由可變形元件和感應(yīng)電阻絲組成，人體對傳感器施加壓力時會導(dǎo)致電阻發(fā)生變化來連續(xù)獲取和傳遞壓力數(shù)據(jù)。標準精度測量允許±5% mmHg的浮動。FSA的軟件可以提供一系列的壓力分布參數(shù)，包括壓力峰值、平均壓力、最小壓力、方差、標準偏差、變量指數(shù)、水平中心、垂直中心、感應(yīng)面積等（圖1b）。

本實驗中主要分析的壓力分布參數(shù)包括：壓力峰值、平均壓力、高壓力分布面積和壓力分布均勻度。

（1）壓力峰值和平均壓力：兩者均可由壓力分布測試軟件自動獲得。由于傳感器滯后或其他外部因素容易導(dǎo)致壓力峰值和平均壓力處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此在本實驗中選取當座面和人體之間處于相對穩(wěn)定狀態(tài)下的壓力峰值和平均壓力值。

（2）高壓力分布面積：當臀部和座面之間的壓力大于35.25-37.75 mmHg時，坐骨附近的毛細血管血流就會停滯，周圍的軟組織就會有因缺血而被破壞的風(fēng)險(Reswick 和 Rogers，1976；Kosiak等人，1959；Dinsdale，1974；J.A.Sember，1994；Reenalda等人，2009)，因此在本實驗中將高壓力分布面積定義為≥35.25 mmHg的壓力面積，并通過傳感器數(shù)量可以計算出高壓力分布面積。一個FSA壓力分布測試墊有256個傳感器，總面積為1849 cm ，即每個傳感器代表的面積大概為7.22 cm 。

（3）壓力分布均勻度：通過公式1可獲得壓力分布均勻度（SPD%，SPD：Seat Pressure Distribution），其中，n代表所有非零的傳感器的數(shù)量，pi表示在第i個傳感器上的壓力，pm是指m個傳感器的平均壓力。SPD%數(shù)值越小代表壓力分布越均勻，如果 SPD%為零則代表壓力分布完全均勻（Seigler T.M等人，2002）。

■圖1(a) FSA壓力分布測試系統(tǒng)

■圖1(b)　壓力分布測試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)

■圖2　(a)壓力峰值(b)平均壓力

■圖3　身體指數(shù)和臀部脂肪厚度

3 實驗對象

如表1所示，3位實驗對象分別屬于不同身體質(zhì)量指數(shù)范圍：偏瘦、正常和肥胖（身體質(zhì)量指數(shù)是目前國際上常用的衡量人體胖瘦程度以及是否健康的一個標準，即Body Mass Index，簡稱為BMI，BMI = 體重kg/身高m2）。實驗進行之前，所有實驗對象都簽署了測量同意書。

4 實驗座面材料

本實驗選用了由美國密西西比州沙發(fā)制造企業(yè)Heritage HomeGroup，LLC.提供的6種沙發(fā)座面材料，包括三種海綿座面（海綿A、B、C）和三種海綿蛇形彈簧組合座面。沙發(fā)座面的25%壓陷硬度（25%IFD，Indentation Force Deflection）代表座面的表面柔軟程度，支撐因子（又稱壓縮因子，Support Factor=65%IFD／25%IFD）代表座面的支撐能力。如表2所示，從座面#1至座面#6，25%IFD逐漸增加，支撐因子也呈逐漸上升趨勢，座面硬度分別屬于中等的、硬的和超硬的三個范圍，沙發(fā)市場中90%的沙發(fā)座面屬于這三個范圍。

5 實驗程序

實驗室的溫度、濕度和燈光都為正常范圍，人體和座椅之間的剪應(yīng)力被假設(shè)為相同，此外實驗對象被要求穿著沒有后兜、紐扣、硬線的褲子。實驗中調(diào)查對象被要求坐在每一個座面上5分鐘，且坐下或起身時的動作較為緩和，坐穩(wěn)后參與者應(yīng)調(diào)整到自覺放松狀態(tài)。

6 實驗結(jié)果和分析

本文結(jié)合實驗對象身體質(zhì)量指數(shù)和座面硬度屬性對臀部與座面之間的壓力峰值、平均壓力、高壓力分布面積以及壓力分布均勻度進行探討。實驗中FSA壓力測試系統(tǒng)連續(xù)紀錄的五分鐘數(shù)據(jù)可分為三個階段：坐下階段、放松階段、起身階段，在此主要討論放松階段的壓力分布。

（1）壓力峰值和平均壓力

總的來說，如圖2（a）所示，除了實驗對象使用座面＃1和＃2以外，當三位參與者分別使用其他四種座面時，壓力峰值的趨勢表現(xiàn)為：正常體型對象所產(chǎn)生的壓力峰值最低，而肥胖體型對象所產(chǎn)生的壓力峰值最高。如圖2（b）所示，當三位實驗對象分別使用六種座面時，平均壓力的趨勢表現(xiàn)為：肥胖體型對象所產(chǎn)生的平均壓力最高，而偏瘦和正常體型對象所產(chǎn)生的平均壓力較為接近。每一位實驗對象分別與6種座面所產(chǎn)生的平均壓力較為穩(wěn)定。

由于座面＃1的硬度最低，當三位實驗對象使用座面＃1時會發(fā)生“觸底”現(xiàn)象。當偏瘦體型對象的臀部和座面之間發(fā)生觸底現(xiàn)象時，由于臀部軟組織厚度最小（圖3），坐骨與海綿下方的木板接觸產(chǎn)生較高的壓力峰值。而肥胖體型對象的坐骨和座面之間的臀部軟組織中的脂肪厚度較厚，

對壓力起到了較好的緩沖作用，最終產(chǎn)生的壓力峰值小于偏瘦體型對象所產(chǎn)生的壓力峰值。座面＃3、4、5、6的硬度較高，避免了“觸底”現(xiàn)象的發(fā)生。由于臀部和座面之間的壓力主要來自于垂直方向的身體重力，肥胖體型對象的體重是正常體型對象的兩倍，是偏瘦體型對象的3倍，所以肥胖體型對象所產(chǎn)生的壓力峰值和平均壓力均最高。雖然正常體型對象的體重大于偏瘦體型對象，但是由于偏瘦體型對象的臀部脂肪厚度較小，對臀部和座面之間的壓力起不到較好的緩沖作用，同時偏瘦體型對象的臀部面積較小，因此，偏瘦體型對象所產(chǎn)生的壓力峰值和平均壓力高于正常體型對象。

如圖2（a）所示，偏瘦和肥胖體型對象與座面之間的壓力峰值均大于35.25mmHg，尤其是使用座面＃1和＃2時，壓力峰值大于87.91mmHg。當臀部和座面之間的壓力大于35.25-37.75mmHg時，坐骨附近的毛細血管血流就會停滯，當壓力大于87.91mmHg時會導(dǎo)致皮膚細胞死亡周圍的軟組織就會有因缺血而被破壞的風(fēng)險(Reswick 和 Rogers,1976；Kosiak 等人1959; Dinsdale,1974；J.A.Sember，1994；Reenalda等人，2009)。因此，在沙發(fā)設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)不同使用者的體型特征選擇不同硬度的材料，不僅為使用者提供良好的支撐，避免“觸底”現(xiàn)象的同時，還能防止傷害臀部軟組織的壓力產(chǎn)生。

（2）高壓力分布面積分析

通常而言，臀部和座面之間的最大壓力集中于坐骨下方，成年人兩個坐骨之間的距離為11-11.5cm，坐骨區(qū)域大概為24.5×12.25cm (Wu 等人,1998)，本研究沿用以上坐骨區(qū)域面積的定義，將其轉(zhuǎn)化為傳感器的面積即FSA測試墊上42個傳感器所代表的面積。如圖4所示，坐骨區(qū)域的壓力分布圖可直觀的顯示大部分的高壓力分布數(shù)據(jù)。

表1　實驗參與者的基本信息

表2　座面試件的基本信息

表3　壓力分布均勻度

■圖4　坐骨區(qū)域壓力分布

高壓力分布面積數(shù)據(jù)表明，與偏瘦和肥胖對象相比，正常體型對象產(chǎn)生的高壓力分布面積最小。正常體型對象只有使用座面#1時產(chǎn)生了14.4cm2的高壓力區(qū)域，使用其他五種座面時的高壓力面積都為零。當肥胖體型對象使用三種海綿座面時，其高壓力分布面積范圍為324.9-397.1cm2，使用三種海綿彈簧組合座面時，其高壓力分布面積范圍為144.4-231.1cm2。海綿和蛇形彈簧組合座面減少了肥胖體型對象坐骨區(qū)域的高壓力分布面積，而對偏瘦體型對

象的影響并不明顯。當偏瘦對象使用座面＃6時沒有產(chǎn)生高壓力，而在使用其他五種座面時的高壓力面積范圍為3-36cm2。高壓力分布面積越大，導(dǎo)致不舒適程度越高，降低坐骨下方的壓力對優(yōu)化座面和人體之間的壓力分布至關(guān)重要（Kamijo 等人，1982）。因此，在設(shè)計座椅時，應(yīng)根據(jù)不同使用者的體型特征盡可能的降低高壓力的產(chǎn)生，或減小高壓力分布面積。

（3）壓力分布均勻度分析

如表3所示，當三位實驗對象分別使用六種座面中的同一座面時，壓力分布均勻度的趨勢表現(xiàn)為：實驗對象的身體質(zhì)量指數(shù)與壓力分布均勻度指數(shù)呈反向關(guān)系，即實驗對象的BMI越高，人體與座面之間的SPD%越低。肥胖對象與座面之間的SPD%值最低，偏瘦對象與座面之間的SPD%值最高，這可能是因為肥胖對象的臀部面積最大而且臀部脂肪厚度最厚，使得身體重力最為均勻的分布于座面上，因此壓力分布均勻度最低，而偏瘦對象的的臀部面積最小而且臀部脂肪厚度最小，身體重力都集中在較小的臀部面積上，使得壓力分布均勻度最高。

此外，當三位參與者使用海綿和蛇形彈簧組合座面時的SPD%明顯低于使用海綿座面時的SPD%。這可能是因為海綿和蛇形彈簧組合座面比海綿和木板組合座面具有更好的彈性，對臀部和座面之間的壓力起到了緩沖作用。SPD%數(shù)值越低，壓力分布越均勻，代表舒適程度越高(Seigler T.M等人，2002；Gyouhyung 和 Nussbaum，2007)。如果只考慮壓力分布均勻度這一個參考因素，三位參與者使用本實驗中的六種海綿座面時，肥胖參與者使用座面6時最舒適。

7 結(jié)論

雖然壓力分布是最常見的座椅舒適度客觀衡量方法之一(陳玉霞和申利明，2007；胡玲玲等人，2012)，一部分學(xué)者認為壓力分布與舒適和不舒適度之間關(guān)系明顯密切（例如，Yun et al.1992，Thakurta et al.1995，Vergara 和 Page 2000)，但是另一部分學(xué)者認為關(guān)系并不明顯（例如，Kamijo et al.1982，Tewari 和 Prasad 2000），這是因為人體和座面之間的壓力分布的影響因素眾多。本文對三種不同體型對象（偏瘦、正常、肥胖）坐在六種沙發(fā)座面上的臀部與座面之間的壓力等級、高壓力分布面積、以及壓力分布均勻度進行了測量分析。結(jié)果表明：正常體型對象與座面之間的壓力等級最低且高壓力分布面積最小；肥胖體型對象的壓力分布最為均勻；海綿蛇形彈簧組合座面比海綿木板組合座面與使用者臀部之間的壓力分布更均勻且高壓力分布面積更小。此外，由于實驗對象數(shù)量有限，本文僅對體型和座面硬度對壓力分布的影響進行了趨勢分析，并未進行統(tǒng)計學(xué)分析，希望在以后的研究中能夠進行更加系統(tǒng)的研究，為不同體型使用者設(shè)計舒適的座椅提供理論基礎(chǔ)。

（責任編輯：賀 輝）

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