基于壓瘡形成機理的軌道交通車輛座椅體壓分布測試分析

賈旭　戰雪

（中車長春軌道客車股份有限公司設備研發部，130062，長春∥第一作者，工程師）

軌道交通車輛座椅直接影響乘客整個旅途的乘坐舒適性，而如何設計出舒適的座椅也是座椅研究的焦點與核心。目前，汽車座椅的研究成果相對較多，而軌道交通車輛座椅研究成果相對較少。而在眾多研究中，對座椅舒適度的研究幾乎均為論述大體方法，沒有結合具體試驗給出量化值，故而對座椅設計沒有太多的指導意義。

本文基于壓瘡形成機理與體壓分布規律，對軌道交通車輛座椅舒適性問題進行研究，梳理相關理論［1-5］，探討目前軌道交通車輛座椅標準提升的一些設想，對基于目前動車組中設置的座椅進行測試分析，并給出評價指標的量化值建議。

1　軌道交通車輛座椅相關標準

目前，國內外軌道交通車輛座椅涉及的相關標準主要有：TB/T 3263—2011《動車組乘客座椅》；JIS E 7104—2002《鐵路車輛旅客座椅》；NF F 31-119-1995《鐵路車輛：在靜電應力、疲勞應力、振動和沖擊應力下鐵路車輛座位的特性》；TB/T 3264—2011《動車司機座椅》；UIC 566—1990《客車車體及其零部件的載荷》；UIC 567—2004《客車一般規定》；TB/T 2961—1999《機車司機室座椅》；UIC 660—2002《保證高速列車技術兼容性的措施》。

上述標準中，在座椅人機舒適性上的描述除UIC 567—2004中附件D.4.3“乘客列車及發電車內座椅坐墊檢查的最低要求”中要求“接觸區域溫度不應該超過35℃和濕度不應該超過70%，在接觸區域測試量值不應該保持比相應表面低”之外，其余標準無類似的量化舒適度相關要求。

2　壓瘡形成機理

2.1　壓瘡分級

由于受持續的壓力、剪切力、摩擦力引起的皮膚或組織損傷，主要是由于長期坐姿或臥姿引起局部毛細血管持續受壓，血液循環障礙，持續缺血缺氧，營養不良，從而發生組織變質壞死，在生理學上稱之為壓瘡。壓瘡根據嚴重程度分為4級（見圖1）：第一級皮膚完整，部分紅斑形成；第二級部分淺表面的皮膚缺損，損傷累及表皮及真皮；第三級皮膚全層缺損并伴有皮下組織損傷，累及筋膜層，表現為火山口樣；第四級皮膚全層的廣泛損傷，組織壞死，累及肌肉、骨和肌腱。

2.2　壓瘡形成原因

2.2.1垂直壓力

圖1　人體壓瘡分級示意圖

垂直壓力是壓瘡產生的主要因素。當人體處于坐姿時，無論臀部受什么形式的載荷，軟組織總是受到垂直于皮膚表面的支撐力。壓瘡發生率與受壓時間和壓力大小有緊密的聯系。文獻［6］提出持續受7.99 kPa（60 mmHg）的壓力1 h會導致組織缺血，而如果31.99 kPa（240 mmHg）的壓力瞬時能被釋放，組織不會發生損壞。文獻［7］表明持續受9.33 kPa（70 mmHg）的壓力2 h能引起壓瘡，但若壓力每隔5 min被釋放，組織不會受太大的影響。文獻［8-9］研究了引起壓瘡的壓力與時間關系，如圖2表示。

圖2　引起壓瘡的壓力與時間關系

2.2.2摩擦力和剪切力

當乘客入座時皮膚會承受座墊表面的逆行阻力，從而產生摩擦力。摩擦力會使組織溫度升高，在組織已經缺氧的情況下，溫度升高會加劇壓瘡的發生。剪切力是由壓應力和摩擦力共同作用產生的。文獻［9-10］表明，剪應力的存在會造成血管堵塞，即使低壓也會造成潰瘍。

座椅的設計要從減少壓瘡的形成為基準開展，即減少垂直壓力、摩擦力與剪切力，增加乘坐的舒適性。

3　座椅體壓分布試驗

理想座墊壓力分布應該是在坐骨結節下的壓力最高，壓力沿著大腿到膝蓋遞減；壓力均勻分配，壓力變化平緩無突變，且沒有應力集中點。理想座墊的等壓線如圖3所示。理想靠背壓力分布應該是支撐在整個人體表面，在肩胛骨和腰椎骨兩個部位的壓力最高，壓力變化平緩，在肩部和腰部有良好的支撐，沒有應力集中點。體壓分布典型測量系統如圖4所示。

圖3　理想座墊的等壓線

圖4　座椅體壓分布典型測量系統

依據上述的壓瘡形成機理，結合目前的試驗設備條件，對既有軌道交通車輛普通客室坐姿舒適性進行了試驗分析。在試驗前，對國外一款常用的乘坐舒適性較好的工程機械座椅進行測量與評估，結果顯示坐骨處的壓力值不大于30 kPa，腿部不大于6 kPa。

以目前中國標準動車組車輛座椅為例，座墊主要由聚氨酯發泡外包覆織物蒙面組成，靠背主要由內嵌金屬骨架外包裹聚氨酯發泡及織物蒙面組成。座椅主要外形尺寸參數見表1。

表1　普通客室座椅主要參數

考慮目前座椅靠背角度要求可調，且座椅上部要求可旋轉180°，故在布置座椅時，主要通過權衡列車整車的定員和座椅旋轉空間來確定座椅初始角度和舒適角度。因此，選擇最小角度、舒適角度、最大角度等3種狀態進行試驗。某型號動車組車輛客室一、二等座椅（全新座椅）體壓分布現場實測如圖5所示。

圖5　座椅體壓分布試驗現場實景

根據 UIC 660—2002標準和 GB10000—1988標準，試驗選取中國50%男性體格平均值（170 cm、61 kg），環境模擬動車組車內環境，溫度取23（1±2%）℃，相對濕度取（60±4）%，應用 SPI TACTILUS彈性壓力分布系統測試設備進行相應的試驗。

測出的試驗數據及云圖見表2～5及圖6～9。試測數據分析如下：

（1）一、二等座椅的座墊的體壓在坐骨處較大，在大腿的中部減小，到座墊前沿又增大，與理想的逐漸降低不一致，體壓分布不合理，反映了座墊外形不夠合理。

（2）一等座椅的座墊和靠背的壓力分布均勻性要明顯好于二等座椅。

表2　一等2人座椅座墊體壓分布參數

圖6　一等2人座椅座墊壓力云圖

表3　一等2人座椅靠背體壓分布參數

圖7　一等2人座椅靠背壓力云圖

表4　二等2人座椅座墊體壓分布參數

圖8　二等2人座椅座墊壓力云圖

表5　二等2人座椅靠背體壓分布參數

圖9　二等2人座椅靠背壓力云圖

（3）一等座椅的接觸面積和平均壓力要略好于二等座椅。

（4）各座墊最大壓強多數在0.3 kg/cm2以上，數值偏大，反映了座墊外形不合理或發泡硬度較大。

（5）二等座椅邊座墊左右壓陷量不一致問題（偏載）沒有通過體壓分布指標不對稱系數明顯地反映出來。

（6）一等座椅的側傾穩定系數要略好于二等座椅，一等座椅的抗傾覆能力更強。

4　結論

（1）座椅在舒適性上還需要進一步提升，如座墊和靠背的外形、硬度等，使之壓力分布更合理。

（2）體壓分布能較好地反映座椅舒適性，但對于偏載問題還需進一步尋找其量化指標。

（3）體壓分布舒適度量化指標可以固化到行業標準中，用于軌道交通車輛座椅的設計指導。

［1］曹志偉，李娟.軌道車輛座椅舒適度評價方法及研究展望［J］.包裝工程，2017，38（2）：21.

［2］劉璐.高速列車綜合舒適度評價方法研究及模擬系統設計［D］.成都：西南交通大學，2011.

［3］王迎紅.基于人體壓力分布的防壓瘡坐墊的研究［D］.天津：天津科技大學，2012.

［4］謝小燕.手術患者壓瘡危險因素評估的研究［D］.廣州：第一軍醫大學，2005.

［5］周敏.座椅溫覺特性與坐姿體壓分布的實驗研究［D］.南京：南京林業大學，2007.

［6］HENDERSON J L，PRICE S H，BRANDSTATER M E，et al.Efficacy of three measures to relieve pressure in seated persons with Spinal cord injury［J］.Arch Phys Med Rehabil，1994，75（5）：535.

［7］KOSIAK M.Etiology of decubitus uicers［J］.Arch Phys Med Rehabil，1961，42：9.

［8］BAR C A.Evaluation of cushion using dynamic pressure measurement［J］.Prosthot Orthot Int，1991，15（3）：232.

［9］RUDD J L.The hydraulic lift for decubitus：Report of a case［J］.Physiotherapy，1956，42（2）：39.