基于人體脊柱形態的床墊舒適性測試與評價方法探討

劉美，申黎明*，盧濤，房嬌嬌，堵夢麗

(1.南京林業大學家居與工業設計學院，南京 210037；2.南京金榜麒麟家居有限公司，南京 210032)

人一生中三分之一的時間在床墊上度過，床墊對人體脊柱形態有直接的影響，因此研究床墊軟硬度對人體脊柱形態的影響具有重要意義。為此，早在2002年Lahm等[1]已經開始從脊柱形態入手研究人們睡在不同硬度床墊上的生理反應。此后，Tetsuo等[2]從脊柱形態的角度研究了床墊硬度對臥姿(仰臥、側臥和半躺)的影響；Leilnahari等[3]發現較軟的乳膠床墊及獨立袋裝彈簧勝過傳統彈簧床墊。同時，國內眾多學者也在這方面做了大量研究，陳玉霞等[4-6]總結并提出了評價床墊支撐性的方法；魏萌萌等[7]研究了床墊彈性分布對脊柱形態的影響；董青[8]研究了大學生群體在不同硬度床墊上的脊柱形態；趙曉東等[9]利用X線檢查了人體在不同軟硬度床墊上的脊柱形態，指出中等硬度床墊較適合正常人使用。由此可見，關于脊柱形態的研究已經引起了不少國內外學者的重視，這些學者普遍通過站臥脊柱形態的差異程度來判斷仰臥脊柱形態的優劣，從而判斷該床墊是否適合被試者。在獲取仰臥和站姿脊柱形態時，雖然使用X線檢查脊柱形態是最為科學的方法，但卻受到輻射的影響，這種方法只在臨床檢查時使用，大部分研究者通過拍攝或利用插針法(使用多根標桿按一定間距插入床墊，使其緊貼人體脊柱，從而獲得人體脊柱形態的方法)獲得脊柱形態圖進行直觀對比，缺乏定量化的評價指標。為此，筆者利用脊柱形態測量儀，通過對5名被試者在8款實驗床墊上的站臥脊柱形態進行對比，并結合前人的評價指標和研究結果[10-12]，歸納出4項評價指標。在此基礎上，對人體在床墊上仰臥脊柱形態與站姿脊柱形態的差異進行分析，探究影響站臥脊柱形態差異和人體舒適性的因素，從而為深入研究床墊個性化設計提供基礎。

1 材料與方法

1.1 被試者

本研究挑選了5名被試者，年齡23～25歲，均身體健康，無腰背部疾病。在進行實驗之前，要求填寫《受試者信息采集表》，包括性別、年齡、身高、體質量、站姿脊柱形態等信息，并在人體測量尺寸的基礎上，引入體質指數BMI、腰背間隙[7]、臀背傾角3個派生變量。體質指數BMI是身高與體質量的比值；腰背間隙是腰部最凹點至臀背最凸點連線的垂距；臀背傾角是臀背最凸點連線與軀干中軸線的夾角。根據臀背傾角的正負，將人體脊柱形態分為3種：

1)臀部更凸，臀背傾角為正，如被試者1、2；

2)背部更凸，臀背傾角為負，如被試者3、4；

3)背臀等凸，臀背傾角為0°，如被試者5，詳見表1。

表1 受試者基本信息Table 1 Basic information of subjects

1.2 實驗床墊

本研究根據綜合剛度值共設置8款獨立袋裝彈簧床墊，床墊硬度按綜合剛度計算[13]，該值越小床墊越軟，反之則越硬。本研究所采用的實驗床墊均由面料層、鋪墊層和袋裝彈簧層構成。改變鋪墊層和袋裝彈簧層的構造，組成8款軟硬度不同的實驗床墊，詳見表2。

表2 實驗床墊配置Table 2 Experimental mattress configuration

1.3 實驗方法

1.3.1 站姿脊柱形態的測量

利用人體脊柱形態測量儀進行站姿測量。要求受試者雙臂自然垂落，雙腳并攏，腰背挺直站立于測試儀上，如圖1a所示。實驗操作者用手按壓測量標桿，使得標桿貼近背部脊柱，至測量標桿穩定后，讀取測量數據。將數據進行散點圖繪制，即可獲得站姿脊柱形態圖。

1.3.2 仰臥脊柱形態的測量

利用床墊下陷量測試儀和標桿獲得在人體床墊上的脊柱形態，如圖1b所示。測量范圍從大椎點(第7頸椎棘突)至臀溝，這兩點之間的垂直距離接近人體坐姿肩高。為合理確定測量點數量和間距，本研究對150名(25±3)歲的青年進行了坐姿肩高統計，發現人體坐姿肩高平均為59.76 cm。因此本次研究共設置(19±1)個測量點，間距3.5 cm，測距為(63±3.5)cm。測試時首先將標桿插入床墊，使用標尺讀取每根插針在床墊下方的最初伸出量。待受試者躺在床墊上，調整好睡姿后，再次讀取標桿的伸出量。兩次伸出量之差即為受試者脊柱測量點的下陷位移值，繪制散點圖即可獲得仰臥脊柱形態圖。

圖1 脊柱形態測試示意圖Fig.1 Schematic diagram of spinal shape test

圖2 站姿與仰臥脊柱形態對比圖Fig.2 Comparison of spinal morphology between standing posture and supine position

2 站臥脊柱形態差異性評價指標

脊柱形態對維持正常的脊柱生物力學至關重要[14-15]，仰臥時軟床墊會導致人體下腰椎 L4/5和L5/S1生理曲度明顯變小，腰椎過度彎曲；硬床墊不僅會使臀部支撐點的血管和神經受到壓迫，還會使腰部懸空，腰椎得不到有效支撐[9]。只有軟硬度適當的床墊才能維持人體正常的脊柱形態，使仰臥脊柱形態最接近站姿脊柱形態[16-17]。這就需要從床墊特性和人體特性2個方面入手，通過人-床之間界面關系對站姿和仰臥脊柱形態的差異性進行評價，以期整體觀察脊柱形態在2種姿態下的差異程度，同時了解產生差異的具體身體部位。因此，就整體而言建立了2項指標：脊柱形態吻合度和脊柱曲度差，前者從形態角度測評脊柱形態在2種狀態下的相似性，后者從脊柱角度測評臥姿下脊柱發生延展或彎曲的活動程度。就局部而言，建立了腰背間隙差和臀背傾角差2項指標，前者用于測評床墊對腰部的支撐力度是否恰當，后者用于測評床墊對背部和臀部的支撐力度是否恰當。

2.1 脊柱形態吻合度

站臥脊柱形態吻合度是將人站姿脊柱形態作為參考，來評價仰臥時人體脊柱的變形情況。如圖2所示，將仰臥脊柱形態記作曲線A，將站姿脊柱形態記作曲線B，則設：

A=(a1,a2…an)，a1,a2…an為曲線A上的點，a1(x1a，y1a)，a2(x2a,y2a)…an(xna,yna)；

B=(b1,b2…bn)，b1,b2…bn為曲線B上的點，b1(x1b，y1b)，b2(x2b,y2b)…bn(xnb,ynb)。

(1)

則吻合度W(A/B)：

(3)

式中：W(A/B)≤1，其值越小，吻合度越低。

2.2 腰背間隙差

脊椎有頸椎、胸椎、腰椎、骶椎/尾椎等構成，其相應部位稱為頸部、(前)胸部/背部(后)、(前)腹部/腰部(后)、(前)盆腔/臀部(后)等。根據中國國家標準GB/T 5703—2010《用于技術設計的人體測量基礎項目》和人體體型學規定，背部曲線是指從人體第7頸椎點到骼嵴，臀部曲線是指從骼嵴到臀溝[18]。人體背部曲線呈現出“一峰一谷”的走勢(圖3)，臀溝“峰”與“谷”之間的變化中，形成最凸點(a點)和最凹點(b點)。人體臀部曲線也有最凸點，即臀峰點(c點)。

圖3 腰背間隙計算示意圖Fig.3 Schematic diagram for calculation of lumbar back space

腰背間隙是指背部最凹點(b點)到背部最凸點(a點)和臀峰點(c點)連線的垂距，如圖3所示。仰臥腰背間隙值與站姿腰背間隙值的差值越小，則床墊對人體腰椎的支撐性就越好。腰背間隙計算公式如下：

S差=S臥-S站

圖4 仰臥/自然站立臀背傾角圖Fig.4 Figure of hip back angle between supine and natural standing

2.3 臀背傾角差

臀背傾角是指人體矢狀面背部脊柱最凸點與臀峰點的連線與軀干中軸線所形成的夾角，如圖4所示。在不同的床墊上睡眠時，人體所處的水平狀態不同，以仰臥臀背傾角接近站姿臀背傾角為佳。當仰臥臀背傾角大于站姿臀背傾角時，二者差值為正，臀部相對下沉，如圖4中仰臥脊柱形態1；反之，則二者差值為負，背部相對下沉，如圖4中仰臥脊柱形態2。利用仰臥臀背傾角和站姿臀背傾角的差值表示站姿和仰臥下臀背傾角的接近程度，臀背傾角的計算公式如下：

2.4 脊柱曲度差

人體脊柱形態與各椎體及椎間盤的活動有關，其中椎間盤在人體脊柱活動中發生楔形形變，使脊柱發生不同方向的彎曲。因此，當人體就臥于不同軟硬度的床墊上時,為了適應床墊，椎間盤會發生不同程度的形變，引起人體脊柱形態的變化[19]。同臀背傾角，取人體矢狀面背部最凸點至臀峰點之間的脊柱段進行研究。測量得到仰臥脊柱形態后，分別計算各測量點的切線斜率，從而求出各個測量點處脊柱與人體軀干方向的傾斜角。并將同一測量點處的仰臥和站姿傾斜角做差，來表示二者差異程度，差值越接近0，脊柱彎曲變形角度越小，仰臥脊柱形態越接近站姿脊柱形態，如圖5所示。

圖5 仰臥/自然站立臀背傾角圖Fig.5 Figure of hip back angle between supine and natural standing

式中：C曲線上各點處的切線角度為(α1,α2…αn)；D曲線上各點處的切線角度為(β1,β2…βn);n為測量點數。

3 結果與分析

3.1 被試者個體特征對站臥脊柱形態差異性的影響

通過人體脊柱形態測量儀對5名被試者進行測量，得到了他們的站姿脊柱形態，如圖6所示。從站姿脊柱形態來看，被試者1、2具有相同的個體特征：相對于背部，臀部更為凸出，臀背傾角為正(+)，如圖6a、b所示。被試者3、4也具有相同的個體特征：相對于臀部，背部更為凸出，臀背傾角為負(-)，如圖6c、b所示。被試者5背部和臀部凸出程度相同，臀背傾角約為0，如圖6e所示。

由被試者站姿脊柱形態特征(圖6)和被試者在8款床墊上的各指標平均值(表3)可知，臀部更凸出的被試者1、2在床墊上的吻合度值較高，脊柱曲度差較小，綜合舒適性評價較好；但背部更凸出的被試者3、4在床墊上的吻合度值較低，脊柱曲度差較大，綜合舒適性評價較差；而背、臀部相同的被試者5在床墊上的吻合度值居中，脊柱曲度差居中，綜合舒適性評價居中。這可能與不分區床墊對人體各部位的支撐效應有關，總使輕的部位下陷淺而重的部位下陷深，導致背部延展而臀部下沉。這與臨床觀察結果一致：人體在不分區床墊上仰臥時腰曲變直、骶骨翹度過大、腰部肌肉緊張[4]。由此可知，對于不分區床墊，脊柱形態的個體特征是影響站臥脊柱形態差異性和人體就臥舒適性的主要原因。不分區床墊不利于維持正常的人體生理曲度，特別是對于背部更凸出的人群。

圖6 5名被試者的站姿脊柱形態及其在8款床墊上的仰臥脊柱形態示意圖Fig.6 Diagrams of the standing and lying spine pattern on eight mattresses of the five subjects

表3 5名被試者在8款床墊上的各項指標平均值Table 3 The average of the five participants’ scores on each of the eight mattresses

3.2 床墊軟硬度對站臥姿脊柱形態差異性的影響

3.2.1 床墊軟硬度對臀部更凸的被試者站臥姿脊柱形態差異性的影響

以被試者1為例，由表4和圖7可知：被試者的肩背部脊柱形態在床墊1上自然彎曲，最接近站姿脊柱形態；隨著床墊硬度的逐漸增大，被試者肩背部的仰臥脊柱曲度逐漸減小，在床墊7、8上的脊柱形態平直，與站姿脊柱形態的差異顯著。這表明較軟的床墊有利于維持肩背部脊柱形態的曲度。被試者的腰部除了在床墊3上出現較大的腰背間隙差值，隨著床墊硬度的增加，腰背間隙差值沒有明顯的變化，在7款床墊上均表現為支撐力略微欠缺，這表明床墊硬度的改變對維持腰部脊柱形態的作用甚小，需通過分區床墊或腰墊等單獨給腰部提供較強支撐力。被試者的臀部形態隨著床墊硬度縮，的增加，呈現出先變曲后變直的趨勢，這可能是因為床墊過軟時，腰部支撐不足使腰部肌肉緊張收緊挨著的臀部協助腰肌發力，使身體處于穩定狀態，導致臀部的下陷較淺。隨著床墊硬度的增大，其對肩背部的支撐力逐漸增大，身體穩定性增大，腰肌得以放松，從而使臀部自然下陷。而隨著床墊硬度的繼續增加，床墊對臀部的支撐力變大，臀部克服床墊支撐力的下陷深度逐漸變淺。由此可見，過軟或過硬的床墊都不利于維持臀部形態。

表4 被試者1在8款床墊上的各項指標值Table 4 Test Subject 1’s measurements on eight different mattresses

圖7 被試者1在8款床墊上的脊柱形態對比圖Fig.7 Comparison of spine morphology of Subject 1 on eight mattresses

圖8 被試者4在8款床墊上的脊柱形態對比圖Fig.8 Comparison of spine morphology of Subject 4 on eight mattresses

3.2.2 床墊軟硬度對背部更凸的被試者站臥姿脊柱形態差異性的影響

以被試者4為例，由表5和圖8可知，被試者在8款床墊上的吻合度極低，而脊柱曲度差極大，這表明不分區床墊不利于維持背部更凸出的脊柱形態。被試者肩背部的站姿脊柱曲度較大，仰臥時即便在最軟的床墊上依然與站姿時差異較大，且隨著床墊硬度的增大，這種差異更加明顯。這可能是因為實驗測試過程中未使用枕頭的原因，同時說明對于背部較為凸出的被試者，床墊的軟硬度對維持肩背部脊柱形態的作用較小。此外，被試者的腰背間隙差值隨著床墊硬度的增加而減小，而臀背傾角差值反向變大，臀部下陷加深而背部下陷變淺，背部脊柱形態變直，這說明較硬的床墊加劇了站姿脊柱形態與仰臥脊柱形態的差異。

式中 Ps為標準軸載（kN），我國水泥混凝土路面設計和瀝青路面設計選用雙輪組單軸軸載100kN作為標準軸載；Pmij為m類車輛中i種軸型在j級軸重區間的單軸荷載；b為換算指數，瀝青層疲勞和瀝青層永久變形時，b=4，路基永久變形時，b=5，無機結合料層疲勞時，b=13；C1，C2為被換算軸型的軸組系數。

表5 被試者4在8款床墊上的各項指標值Table 5 Test Subject 4’s measurements on eight different mattresses

3.2.3 床墊軟硬度對背臀等凸的被試者站臥姿脊柱形態差異性的影響

以被試者5為例，由表6和圖9可知，被試者在較軟的床墊1、2上肩背部的脊柱曲度較大，隨著床墊硬度的增大，肩背部的脊柱曲度逐漸變直。被試者的腰部除了在床墊4上出現稍大的腰背間隙差值，在其他床墊上的站臥腰背間隙差值幾乎為0，這表明不分區床墊都能給予較好的腰部支撐，與床墊硬度無關。站臥臀背傾角差值為負，可見在仰臥睡姿下，臀部下沉而背部上浮，這可能也與不分區床墊對人體各部位的支撐效應有關。因此，對于背臀等凸的被試者來說，也不太適合不分區床墊。

表6 被試者5在8款床墊上的各項指標值Table 6 Test Subject 5’s measurements on eight different mattresses

圖9 被試者5在8款床墊上的脊柱形態對比圖Fig.9 Comparison of spine morphology of Subject 5 on eight mattresses

4 結 論

較低的脊柱形態吻合度是由多種因素引起的。從人體第7頸椎點到臀溝，包含肩背部、腰部和臀部，任何部位的偏差都會引起吻合度的降低。因此，只有足夠高的吻合度(>0.9)才能體現床墊的適宜性。在實際仰臥睡眠時，枕頭會給予人體肩頸一定的支持力，對維持背部最凸點以上的脊柱形態具有重要作用。而床墊對人體脊柱形態的影響集中在背部最凸點至臀部最凸點之間，較大的脊柱曲度差意味著在仰臥睡姿下脊柱的活動度變大，這不利于減輕脊柱負荷，也不利于脊柱健康。因此，當吻合度并不太高(0.9≥吻合度>0.85)而脊柱曲度差很小時，也能夠反映床墊的適宜性。從局部而言，床墊對腰部的支撐至關重要，理想的床墊能使站臥腰背間隙差為0，對腰部起到適宜的支撐作用。此外，背部和臀部形態也會在各種因素的影響下發生改變，站臥臀背傾角差的正負和大小能夠反映仰臥時背部與臀部的變化。

本研究從人體脊柱形態的角度探究了床墊的舒適性，得出以下結論：

1)本研究建立的4項評價指標對臥姿脊柱形態的變化起到了客觀的評價作用。脊柱形態吻合度和脊柱曲度差對人體站臥脊柱形態的差異進行評價，腰背間隙差和臀背傾角差分別從腰部、背部和臀部出發，對人體各部位脊柱形態的變化進行評價，從而全方位地評價了站臥脊柱形態的差異性。

2)對于不分區床墊，脊柱形態的個體特征是影響站臥脊柱形態差異性和人體就臥舒適性的主要原因，床墊軟硬度是次要因素。不分區床墊不利于維持正常的人體生理曲度，特別是對于背部更凸出的人群。

3)臀部更凸的被試者適合不分區床墊的使用，背部更凸的被試者不適合不分區床墊的使用，背臀等凸的被試者較適合不分區床墊的使用。

4)床墊硬度直接影響人體背部脊柱形態，硬床墊使人體背部脊柱曲度逐漸變直。床墊軟硬度對人體腰部和臀部的支撐效應受個體特征的影響呈現出不同的變化。