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(duì)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(biāo)之一，但是鮮少有針對(duì)不同體型對(duì)象體壓分布的研究。本文對(duì)三種體型對(duì)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(jí)、高壓力分布面積、以及壓力分布均勻度進(jìn)行可測(cè)量分析。結(jié)果表明：正常體型對(duì)象與座面之間的壓力等級(jí)最低且高壓力分布面積最??；肥胖體型對(duì)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(hào)：TS664.01

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A

文章編號(hào)::1006-8260(2015)06-0092-04

引文格式:胡玲玲,林作新,張繼雷.不同體型對(duì)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(biāo)之一，但是鮮少有針對(duì)不同體型對(duì)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(duì)三種不同體型對(duì)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(jí)、高壓力分布面積、以及壓力分布均勻度進(jìn)行了測(cè)量分析，初步探討了使用者體型特征和座面材料硬度對(duì)體壓分布的影響。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)中使用加拿大Vista Medical 公司的FSA（Force Sensing Array）壓力測(cè)試系統(tǒng)(圖1a)，包括兩個(gè)長(zhǎng)寬尺寸為430×430mm的可交替使用的測(cè)試墊。每個(gè)測(cè)試墊由256個(gè)電阻壓力傳感器矩陣排列構(gòu)成。每個(gè)傳感器由可變形元件和感應(yīng)電阻絲組成，人體對(duì)傳感器施加壓力時(shí)會(huì)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(biāo)準(zhǔn)精度測(cè)量允許±5% mmHg的浮動(dòng)。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(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(cè)試軟件自動(dòng)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(shí)驗(yàn)中選取當(dāng)座面和人體之間處于相對(duì)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(dāng)臀部和座面之間的壓力大于35.25-37.75 mmHg時(shí)，坐骨附近的毛細(xì)血管血流就會(huì)停滯，周圍的軟組織就會(huì)有因缺血而被破壞的風(fēng)險(xiǎn)(Reswick 和 Rogers，1976；Kosiak等人，1959；Dinsdale，1974；J.A.Sember，1994；Reenalda等人，2009)，因此在本實(shí)驗(yàn)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(jì)算出高壓力分布面積。一個(gè)FSA壓力分布測(cè)試墊有256個(gè)傳感器，總面積為1849 cm ，即每個(gè)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(gè)傳感器上的壓力，pm是指m個(gè)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(cè)試系統(tǒng)

■圖1(b)　壓力分布測(cè)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(shí)驗(yàn)對(duì)象

如表1所示，3位實(shí)驗(yàn)對(duì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即Body Mass Index，簡(jiǎn)稱為BMI，BMI = 體重kg/身高m2）。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前，所有實(shí)驗(yàn)對(duì)象都簽署了測(cè)量同意書。

4 實(shí)驗(yàn)座面材料

本實(shí)驗(yàn)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(shì)，座面硬度分別屬于中等的、硬的和超硬的三個(gè)范圍，沙發(fā)市場(chǎng)中90%的沙發(fā)座面屬于這三個(gè)范圍。

5 實(shí)驗(yàn)程序

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)對(duì)象被要求穿著沒有后兜、紐扣、硬線的褲子。實(shí)驗(yàn)中調(diào)查對(duì)象被要求坐在每一個(gè)座面上5分鐘，且坐下或起身時(shí)的動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)象身體質(zhì)量指數(shù)和座面硬度屬性對(duì)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(jìn)行探討。實(shí)驗(yàn)中FSA壓力測(cè)試系統(tǒng)連續(xù)紀(jì)錄的五分鐘數(shù)據(jù)可分為三個(gè)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(shí)驗(yàn)對(duì)象使用座面＃1和＃2以外，當(dāng)三位參與者分別使用其他四種座面時(shí)，壓力峰值的趨勢(shì)表現(xiàn)為：正常體型對(duì)象所產(chǎn)生的壓力峰值最低，而肥胖體型對(duì)象所產(chǎn)生的壓力峰值最高。如圖2（b）所示，當(dāng)三位實(shí)驗(yàn)對(duì)象分別使用六種座面時(shí)，平均壓力的趨勢(shì)表現(xiàn)為：肥胖體型對(duì)象所產(chǎn)生的平均壓力最高，而偏瘦和正常體型對(duì)象所產(chǎn)生的平均壓力較為接近。每一位實(shí)驗(yàn)對(duì)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(dāng)三位實(shí)驗(yàn)對(duì)象使用座面＃1時(shí)會(huì)發(fā)生“觸底”現(xiàn)象。當(dāng)偏瘦體型對(duì)象的臀部和座面之間發(fā)生觸底現(xiàn)象時(shí)，由于臀部軟組織厚度最?。▓D3），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(duì)象的坐骨和座面之間的臀部軟組織中的脂肪厚度較厚，

對(duì)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(duì)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(duì)象的體重是正常體型對(duì)象的兩倍，是偏瘦體型對(duì)象的3倍，所以肥胖體型對(duì)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(duì)象的體重大于偏瘦體型對(duì)象，但是由于偏瘦體型對(duì)象的臀部脂肪厚度較小，對(duì)臀部和座面之間的壓力起不到較好的緩沖作用，同時(shí)偏瘦體型對(duì)象的臀部面積較小，因此，偏瘦體型對(duì)象所產(chǎn)生的壓力峰值和平均壓力高于正常體型對(duì)象。

如圖2（a）所示，偏瘦和肥胖體型對(duì)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(shí)，壓力峰值大于87.91mmHg。當(dāng)臀部和座面之間的壓力大于35.25-37.75mmHg時(shí)，坐骨附近的毛細(xì)血管血流就會(huì)停滯，當(dāng)壓力大于87.91mmHg時(shí)會(huì)導(dǎo)致皮膚細(xì)胞死亡周圍的軟組織就會(huì)有因缺血而被破壞的風(fēng)險(xiǎn)(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(jì)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(shí)，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(gè)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(cè)試墊上42個(gè)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(shí)驗(yàn)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(duì)象相比，正常體型對(duì)象產(chǎn)生的高壓力分布面積最小。正常體型對(duì)象只有使用座面#1時(shí)產(chǎn)生了14.4cm2的高壓力區(qū)域，使用其他五種座面時(shí)的高壓力面積都為零。當(dāng)肥胖體型對(duì)象使用三種海綿座面時(shí)，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(shí)，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(duì)象坐骨區(qū)域的高壓力分布面積，而對(duì)偏瘦體型對(duì)

象的影響并不明顯。當(dāng)偏瘦對(duì)象使用座面＃6時(shí)沒有產(chǎn)生高壓力，而在使用其他五種座面時(shí)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(duì)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(jì)座椅時(shí)，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(dāng)三位實(shí)驗(yàn)對(duì)象分別使用六種座面中的同一座面時(shí)，壓力分布均勻度的趨勢(shì)表現(xiàn)為：實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)對(duì)象的BMI越高，人體與座面之間的SPD%越低。肥胖對(duì)象與座面之間的SPD%值最低，偏瘦對(duì)象與座面之間的SPD%值最高，這可能是因?yàn)榉逝謱?duì)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(duì)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(dāng)三位參與者使用海綿和蛇形彈簧組合座面時(shí)的SPD%明顯低于使用海綿座面時(shí)的SPD%。這可能是因?yàn)楹＞d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(duì)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(gè)參考因素，三位參與者使用本實(shí)驗(yàn)中的六種海綿座面時(shí)，肥胖參與者使用座面6時(shí)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(rèn)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(rèn)為關(guān)系并不明顯（例如，Kamijo et al.1982，Tewari 和 Prasad 2000），這是因?yàn)槿梭w和座面之間的壓力分布的影響因素眾多。本文對(duì)三種不同體型對(duì)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(jí)、高壓力分布面積、以及壓力分布均勻度進(jìn)行了測(cè)量分析。結(jié)果表明：正常體型對(duì)象與座面之間的壓力等級(jí)最低且高壓力分布面積最??；肥胖體型對(duì)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(shí)驗(yàn)對(duì)象數(shù)量有限，本文僅對(duì)體型和座面硬度對(duì)壓力分布的影響進(jìn)行了趨勢(shì)分析，并未進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，希望在以后的研究中能夠進(jìn)行更加系統(tǒng)的研究，為不同體型使用者設(shè)計(jì)舒適的座椅提供理論基礎(chǔ)。

（責(zé)任編輯：賀 輝）

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