久坐人群坐姿調整背心的研制與性能評價

嚴芳英 何夢秋 柯瑩

摘要： 不良坐姿是導致久坐人群脊椎變形、下腰酸痛的主要原因。為調整久坐人群的坐姿，本文基于人體功效學，設計研發了一款坐姿調整背心。通過真人著裝試驗，對坐姿調整背心的熱濕舒適性和坐姿調整功能進行性能測試與評價。研究結果表明：在溫度為23 ℃、相對濕度為60%的環境下，受試者穿著背心處于靜坐狀態時，衣下局部表面溫度范圍在30.7～32.0 ℃，局部表面濕度范圍在47%～58%，無出汗現象，熱濕舒適性良好，且穿戴背心后的受試者較穿戴前，后背上角減小，后背下角增大，胸椎后凸和腰椎后傾的不良體態得到顯著改善，適合久坐人群長時間穿著。

關鍵詞： 坐姿調整;久坐人群;不良坐姿;矯正帶;背心設計;功能服裝;服用舒適性

中圖分類號： TS941.17

文獻標志碼： A

隨著社會的發展，人們的工作方式逐漸由體力勞動向腦力勞動轉變，而腦力工作者長期處于久坐狀態。久坐狀態是指人體保持坐立姿勢日均長達6 h以上，且維持單次坐立姿勢時長達30 min以上［1］。有研究指出久坐人群的脊柱機能水平低于非久坐人群，原因之一是久坐狀態常常伴隨著伏案前傾等不良坐姿，加重了人體脊椎、腰椎的負擔［2］。因此，當人體不可避免需要保持久坐狀態時，應盡量保持脊柱處于自然彎曲狀態，以減小脊椎、腰椎的受力。

可穿戴坐姿矯正產品有助于調整人體坐姿，緩解腰背部的疲勞。目前市場上可穿戴坐姿矯正產品以矯正帶為主，通過增加對肩、背、腰的牽引力調整上身的體態，但此類內穿式的坐姿矯正器束縛感較強，長時間佩戴會導致胸椎活動度不夠，并可能引發肩關節、腰椎過度后伸等問題。近年來，智能可穿戴式坐姿矯正服裝研究日益受到重視。張晶晶等［3］基于Lumo健形元件，設計開發了一款針對青少年兒童的坐姿矯正背心。Jiang等［4］研制了一款自供電坐姿監測背心，可對頸椎、胸椎、腰椎部位的拉伸、彎曲等坐姿變化進行實時監測。Sikligar等［5］基于可連續監測坐姿的可穿戴系統，設計了一款紡織品傳感器嵌入式服裝。但以上研究均通過將具有坐姿監測和警示功能的傳感器設置在傳統服裝上，輔助穿戴者進行不良坐姿的調整，其核心為智能坐姿矯正系統，缺乏對服裝自身坐姿矯正功能的設計。

功能性服裝的常用評價方法為真人試驗法，主要分為功能性評價和熱濕舒適性評價兩類，且常采用客觀數據測量和主觀評價相結合的方式［6-8］。本文通過對現有坐姿矯正產品的面料與結構進行研究并改善，設計開發了一款針對久坐人群的坐姿調整背心，并經真人穿著試驗，對其坐姿調整功能性及熱濕舒適性進行評估。該坐姿調整背心的設計可結合智能坐姿矯正系統，為智能坐姿矯正服裝的設計開發提供參考，使其兼具被動坐姿矯正功能和智能警示功能。

1 坐姿調整背心設計

1.1 款式結構設計

坐姿調整背心的設計不同于傳統的矯正帶，從美觀性和功能性兩個角度出發，在結構上將其分為外部背心（圖1（a）（b））和內部坐姿矯正帶（圖1（c）（d））兩部分。該坐姿調整背心為一體式結構，外部背心和內部矯正帶在后腰處進行縫合固定。成衣規格尺寸設計如表1所示。

外部背心版型設計為合體款式，領型設計為V領，簡潔大方，門襟處采用大面積魔術貼實現扣合，可以根據人體圍度的變化調整背心的大小。

內部坐姿矯正帶則根據功能進行分區，分為大身約束區和肩部彈性區。

1） 大身約束區位于腰腹部和背部，主要功能為固定脊椎形態，防止胸椎、腰椎等過度前傾彎曲，同時為增強后背的透氣性，對其肩胛骨兩側進行了打孔設計，后腰部分則設有四支仿生軟骨條進行支撐，起到緩解腰部疲勞的作用，前中設有兩列排扣，間距2 cm，以實現坐姿調節背心的可調節性。

2） 肩部彈性區位于左右兩側肩部，各設有兩條彈力帶，主要起到牽引拉伸的作用，并在一定程度上緩解約束區束縛感，借助肩部彈力帶可以使人體脊椎在小范圍內活動彎曲，避免長時間保持固定姿勢給脊椎帶來不適感。此外，靠近肩側的彈力帶由背部經過側肩點連接至側腰處，遠離肩側的彈力帶則由背部經過側頸點連接至前腹部，所有彈力帶均避開了腋下部分，區別于傳統的坐姿矯正帶，能有效降低對人體的束縛感和提高穿著舒適度，靠近肩側的彈力帶兩端固定，遠離肩側的彈力帶與大身約束區前片通過尼龍插扣進行連接，起到固定作用并實現內部坐姿矯正帶的穿脫便利性。

1.2 面輔料選擇

根據面料的選擇應與服裝的功能性和版型相適應的原則［9］，相關面料參數如表2所示。內部坐姿矯正帶的約束區選用了微彈PU軟皮革復合面料，約束區分布在脊椎區域（胸椎、腰椎），PU皮革面料其具有較好的硬挺度和保形性能［10］，此外該面料以棉織物為基布，兼具親膚和良好的吸濕透氣性能。彈性區則選用薄款彈力氨綸面料，彈性區主要從肩部進行牽引拉伸，且同時能夠減輕束縛感，要求面料具有較好的彈性。外部背心外層選用粉紅色的彈力嗶嘰西服面料，內層則選用吸濕速干的低彈網眼面料，增加美觀性的同時能夠保證較好的服用舒適性，嗶嘰面料為滌綸和黏膠纖維混紡織物，外表平整挺括、質地柔軟，且兼具優良的抗皺性、導濕排汗性能，粉紅色則具有放松和安撫情緒的效果，可對緊繃的肌肉起到放松舒緩的作用［11］。輔料選用魔術貼、內衣排扣和插扣，確保背心尺寸具有良好的調節功能并且穿脫便利。

2 坐姿調整背心性能評價

2.1 受試者選取

本試驗共選取5名身體健康的女大學生作為受試者，年齡（20.2±1.3）歲;身高（162.3±2.1）cm;體重（50.3±2.0）kg;BMI（19.1±0.7）kg/m2。所有受試者均對試驗目的、試驗內容及試驗要求知情，且在試驗前24 h內作息規律，無吸煙、飲酒行為，無劇烈運動。試驗過程中，受試者被要求穿著相同的合體上衣和褲子。

2.2 熱濕舒適性評價

熱濕舒適性評價試驗在人工氣候環境艙（日本ESPEC公司）內進行，環境溫度為（23±0.5） ℃，相對濕度為（60±5）%，風速＜0.1 m/s，試驗模擬環境如圖2所示。通過MSR145傳感器（瑞士MSR公司），精度為溫度±0.1 ℃、濕度±2%。記錄指定部位的溫度和濕度數據，記錄時間間隔為1 min。測試部位分布在內部矯正帶的后背部和后腰部，標記為A、B、C、D 4個點，標記位置如圖3所示。

試驗前，在環境艙內靜坐15 min至熱中性狀態后，穿上試驗提供的服裝和帶有傳感器的坐姿調整背心。待受試者穿戴好背心且坐在模擬工位時，試驗正式開始計時，受試者需要填寫熱濕舒適性主觀評價問卷，且每隔10 min填寫一次，共填寫三次，分別在試驗開始10、20、30 min的時間節點進行填寫，主觀評價指標如表3所示。在試驗過程中，受試者需保持30 min的坐立狀態，可進行伏案作業、使用電腦等行為。

2.3 坐姿調整性能評價

坐姿調整性能評價采用VitusSmartXXL三維人體掃描儀對人體姿態進行掃描，三維人體掃描儀可以從長度、弧度等多個維度對人體各部位數據進行測量。人體在久坐狀態下坐姿的變化主要表現在腰部及以上部分的彎曲，即前傾姿態，因此本試驗提取人體左側矢狀面的體表圖像數據進行評價分析。為保證掃描效果清晰且數據準確，受試者在試驗過程中需穿著相同淺色長袖緊身針織衫，以自然狀態（雙腿稍分開，雙手自然垂放在大腿上）坐在凳子上，在穿戴坐姿調整背心前后分別進行兩次掃描。掃描結束后，通過電腦軟件處理，提取左側矢狀面輪廓圖，并分別測量后背上角和后背下角，如圖4所示。通過體表角度測量可直觀反映人體體態的變化，后背上角和后背下角可對脊柱后凸情況進行初步判斷［12-13］。其中，后背上角為第七頸椎點和肩胛骨最凸點連線與豎直方向所成的夾角，是正值，其值越小說明胸椎段越挺拔;后背下角則為后腰中點與肩胛骨最凸點連線與豎直方向所成的夾角，可為正值或負值，正值表示背部舒展或腰部前傾，負值表示脊柱后凸。若后背上角減小，后背下角增大，則表明有矯正坐姿的效果［13］。

在熱濕舒適性評價試驗結束后，受試者需要填寫坐姿調整背心穿著滿意度調查問卷，對坐姿調整性能進行主觀評價。

2.4 數據分析

采用IBM SPSS Statistics軟件對數據進行Shapiro-Wilk檢驗，檢驗數據是否符合正態分布，對局部溫濕度進行單因素重復測量方差分析（One-way repeated ANOVA），并采用配對樣本T檢驗比較穿戴背心前后熱濕舒適性主觀評價及體表角度是否存在顯著差異。當P＜0.05，則存在顯著性差異。

3 結果與分析

3.1 熱濕舒適性

3.1.1 局部表面溫度

受試者穿著坐姿調整背心狀態下的各點局部溫度隨時間的變化如圖5所示。試驗開始5 min內，基于熱傳遞原理，人體熱量傳遞到皮膚表面，A、B、C、D 4個點溫度迅速升高，當人體、服裝、環境的熱交換達到平衡后，溫度逐漸趨于平穩，且維持在32.5 ℃以下，處于人體熱舒適的溫度范圍內。其中，在5～30 min，A、B點平均溫度顯著高于C、D點（P＜0.05），后背部平均溫度比后腰部平均溫度高1.12 ℃。爐慶洪等［14］研究得出正常青年女性后背部體表平均溫度比后腰部高0.5 ℃，相較于體表平均溫差，背心內局部表面溫差更大，其原因可能是相比腰背部，坐姿調整背心的胸背部與人體表面的貼合度更高，散熱相對較差，可以適當增加胸背部的透氣孔，使得人體在較高環境溫度下穿著坐姿調整背心仍能處于熱舒適狀態。

3.1.2 局部表面濕度

受試者穿著坐姿調整背心時的各點局部表面濕度隨時間的變化如圖6所示。從圖6可以看出，A、B、C、D 4個點濕度初始值范圍在55%～60%，接近于環境倉設置濕度。在試驗過程中，各點的濕度隨著時間的變化呈逐漸下降的趨勢，局部濕度變化在6.6%～9.5%，說明背心吸濕透氣性能較好，使得衣下微環境濕度明顯低于室內環境濕度，且受試者無出汗現象。在5～30 min，B點和D點的表面濕度存在顯著性差異（P＜0.05），D點濕度比B點濕度高3.6%，考慮到受試者并未出汗，導致該差異的原因可能是D點位置的貼體度比B點差，衣下環境空間較大，從而使得D點表面濕度更接近于環境濕度。

3.1.3 熱濕舒適性主觀評價

坐姿調整背心的熱濕舒適性主觀評價分為熱感、濕感及熱舒適感三部分，試驗過程中，受試者的主觀熱濕舒適性評價結果如圖7所示。在0～10 min，受試者的熱感、濕感與熱舒適感評分均有所上漲，與客觀熱濕舒適性實驗結果相符，其中熱感存在顯著性差異（P＜0.05）;但在10～30 min，熱濕舒適性主觀評分小幅波動并趨于穩定，主觀評價結果范圍在0～1，處于舒適范圍內，說明該款背心熱濕舒適性能良好，可滿足久坐人群長時間穿著的需求。

3.2 坐姿調整性能

3.2.1 脊椎曲線狀態

利用三維人體掃描軟件提取出受試者穿戴坐姿調整背心前后左側矢狀面的輪廓圖，如圖8（左側為穿戴前，右側為穿戴后）所示。從圖8可以看出，穿戴背心前人體多處于前傾狀態，且脊椎曲線多呈C型，而當人體保持正確坐姿狀態時，正常的脊椎曲線狀態呈S型［15］。穿戴坐姿調整背心后，受試者的脊椎不良形態明顯得到改善，脊椎曲線更加接近人體脊椎正常彎曲狀態。穿戴該款背心顯然有助于調整不良坐姿，改善脊椎的不良形態，從而減少對脊椎、腰部的壓迫。

3.2.2 體表角度測量

通過對左側矢狀面輪廓圖進行體表角度測量，受試者穿戴坐姿調整背心前后人體后背上角和后背下角測量結果如圖9所示。分析圖9可見，受試者穿戴背心后的后背上角比穿戴前減小，且存在顯著性差異（P＜0.05），即穿戴背心后人體的胸椎段較穿戴背心前挺拔，這表明坐姿調整背心能有效解決胸椎后凸的問題，調整前傾的不良坐姿體態;此外，對比穿戴前，穿戴后受試者的后背下角增大，腰部后傾狀態有所改善，但數據不存在顯著性差異（P＞0.05），該結果表明坐姿調整背心調整腰椎后凸的能力有限，效果不明顯。

3.2.3 坐姿調整性能主觀評價

坐姿調整性能主觀評價問卷由5位受試者在熱濕舒適性評價試驗結束后填寫。問卷調查結果顯示：關于“對此款服裝調節不良坐姿的功能是否滿意”這一問題，80%的受試者選擇了“滿意”，20%的受試者選擇了“一般”選項;關于“您認為此款背心對您的坐姿調整有幫助嗎”這一問題，100%的受試者選擇了“有一點幫助”選項;關于“您認為長時間穿著此背心會給您的身體帶來不適嗎”這一問題，100%的受試者選擇了“不會”選項。問卷調查結果表明，該款坐姿調整背心對穿著者的坐姿具有一定的被動調整作用，但又不會過度牽引肩、背、腰，從而影響胸椎活動度，適合久坐人群長時間穿著。

4 結 論

本文設計開發了一款坐姿調整背心，通過真人著裝試驗對坐姿調整背心的熱濕舒適性和坐姿調整功效性進行性能測試與評價，主要結論如下：

1） 坐姿調整背心的熱濕舒適性良好，在溫度為23 ℃、相對濕度為60%的環境下穿著時，背心衣下表面溫度穩定在32.5 ℃以下，表面濕度逐漸下降且顯著低于環境濕度，下降幅度為6.6%～9.5%，人體處于熱濕舒適狀態。

2） 坐姿調整背心具有較好的功能性，能有效調整胸椎后凸的不良坐姿體態，從而降低久坐人群背部的疲勞感和不舒適，適合久坐人群長時間穿著。

在后續的研究中，可結合智能坐姿矯正系統，在坐姿調整背心中加入柔性坐姿監測傳感器，將被動矯姿和主動矯姿功能緊密結合，設計出更適合久坐人群的可穿戴坐姿矯正服裝。

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Abstract： With the change of work styles， more and more people sit in front of computer desks for a long time. People who keep a sitting posture for more than six hours a day are classified as the sedentary people. For most sedentary people， it is unconscious to sit with a poor sitting posture and hard to correct. Poor sitting posture may lead to harm to the cervical， thoracic and lumbar spines， even to the breathing and digestion system. Therefore， sedentary people should correct their poor sitting posture to keep the spine in a natural bending state， which can avoid the injury of the spine. Wearable sitting posture correction products can effectively correct the sitting posture and relieve the fatigue of the waist and back. Currently， the main wearable sitting correction products in the market are posture correction belts. However， wearing a traditional posture correction belt with strong sense of bondage for a long period would possibly cause excessive posterior extension of the shoulder joint and lumbar spine. In addition， the development of science and technology promotes the innovation of smart sitting posture correction garments. The core of such products is a smart posture correction system， while the style， structure and correction function of the sitting posture correction garment itself are neglected.

Based on ergonomics and garment material science， we developed a sitting posture adjustment vest that can correct the sitting posture of the sedentary people. Different from traditional posture correction belts， the sitting posture adjustment vest consists of an external vest and an internal correction belt in structure. The internal correction belt is divided into the body restraint and shoulder elastic area based on specific functions. In the body restraint area， there are lots of small holes on the scapula to increase the breathability. And the bionic cartilage strip on the back waist can support the waist and relieve fatigue. In the shoulder elastic area， two elastic straps are set separately on the two sides of the shoulder and avoid the underarm part， which decreases the binding sensation of the armpit. Additionally， different functional areas are matched with different clothing fabrics to improve the wearable comfort. All of the fabrics selected have great moisture-absorbing and breathable performance. Through the use of Velcro， buckles and snaps， the sitting posture adjustment vest has a good adjustable function and is easy to put on and take off. In this study， five female subjects were invited to participate in the experiment of human wearing to test and evaluate the thermal and humidity comfort and the sitting posture reclamation function of the sitting posture adjustment vest. Measurements include physiological indicators and a subjective questionnaire. During the experiment of thermal and humidity comfort evaluation， subjects were required to keep sitting for 30 min and fill out the subjective evaluation questionnaire every 10 min. The temperature and humidity of the four marked points of the vest were recorded with an interval of 1 min. As for the evaluation of sitting posture adjustment function， we observed and measured the change in the curve of the human back and the angle of the body surface. And the subjects needed to fill out the subjective evaluation questionnaire for sitting adjustment performance. The measurement results show that the vest has favorable thermal and humidity comfort. For subjects sitting still at a temperature of 23 ℃ and a relative humidity of 60%， the local surface temperature under the clothing increases at first and stabilizes below 32.5 ℃ after 5 min while the humidity decreases with a change range of 6.6%-9.5%. The mean temperature of the back is 1.12 ℃ higher than that of the waist because of the better fit between clothing and body. And subjects are not sweating. After wearing the sitting posture adjustment vest， the poor spine shape of subjects is significantly improved and the spine curve is closer to the normal curvature of the human spine. Furthermore， the upper back angle of the subjects wearing the vest significantly decreases while the lower back angle increases. It indicates that the vest has good sitting posture correction performance. According to the results of subjective evaluation， the subjects are basically satisfied with the comfort and correction function of the sitting posture adjustment vest. The sitting posture adjustment vest can meet the needs of wearing for a long time for the sedentary people.

In recent years， there has been increasing attention on the research of smart wearable posture correction products. The sitting posture adjustment vest can provide reference for the design of smart sitting posture correction clothing. Combined with the smart posture correction system that is based on the machine learning algorithm， a smart sitting posture correction garment with both passive correction and warning correction can be developed.

Key words： sitting posture adjustment; sedentary people; poor sitting posture; correction belt; vest design; function clothing; wearing comfort