邱江元，李　瑾，戴曉群,2

(1.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.南通蘇州大學(xué)紡織研究院，江蘇 南通 226018)

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床墊材料支撐性能評價

邱江元1，李瑾1，戴曉群1,2

(1.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.南通蘇州大學(xué)紡織研究院，江蘇 南通 226018)

摘要：床墊與人體的接觸狀態(tài)及支撐效果，會影響人體感知舒適性并進一步影響睡眠質(zhì)量，對長期臥床的患者更可能是引起壓瘡的直接原因。對床墊材料的支撐性能的評價至關(guān)重要。選擇6種典型的床墊材料，對它們進行了厚度壓縮測試和床墊與人體接觸體壓分布測試。通過壓強、壓縮厚度曲線，結(jié)合床墊的人體體壓分布測試結(jié)果，實現(xiàn)對人體與床墊接觸壓陷深度的預(yù)測，進而綜合評價床墊材料的支撐效果。

關(guān)鍵詞：床墊材料；體壓分布；厚度壓縮測試；壓陷

床墊與人體的接觸狀態(tài)，會影響人體感知舒適性并進一步影響睡眠質(zhì)量，對長期臥床的患者更可能是引起壓瘡的直接原因。1998年P(guān)eter和Avalino[1]使用人體體壓測試和舒適性主觀評價對床墊進行了研究，結(jié)果顯示，所測床墊比不可壓縮的木板表面具有更好的舒適性。1988年Shelton[2]綜合平均壓力平均值時，壓力峰值、壓力峰值量級等因素，通過大量數(shù)據(jù)分析提出了壓力指數(shù)(Pindex)，并通過與床墊減壓測試效果對比，表現(xiàn)出了很好的一致性。2000年Defloor[3]對不同睡覺姿態(tài)對床墊壓力的影響進行了研究，研究表明30°半坐臥位和俯臥位對床墊接觸面壓力最小，而90°側(cè)臥位對床墊的壓力最大，其中還發(fā)現(xiàn)，所使用的標(biāo)準(zhǔn)海綿床墊減少了20%至30%的界面壓力。2000年Bader[4]對睡眠質(zhì)量和床表面硬度之間的關(guān)系進行了研究，發(fā)現(xiàn)能更好適應(yīng)偏軟床墊的人比更好適應(yīng)偏硬床墊的人多。2010年Jacobson等[5]對有輕度腰背疼痛或僵硬的患者進行了研究，研究認為，睡眠時人體接觸界面對睡眠質(zhì)量有影響，更換中等硬度的床墊能改善睡眠不適，緩解患者腰背疼痛和僵硬。

近些年來，我國學(xué)者也加大對床墊的研究，主體仍表現(xiàn)在床墊舒適性、睡眠質(zhì)量與床墊厚度、材料性能等之間的關(guān)系。2009年李莉等[6-7]通過改變床墊表層海綿厚度，對人體進行體壓分布指標(biāo)測量，綜合主客觀分析，發(fā)現(xiàn)海綿厚度對床墊舒適性有重要影響。2010年又選用不同類型的海綿床墊， 分析比較了海綿類型對人體總體以及各局部舒適度的影響。2014年侯建軍[8]在研究床墊材料對人體仰臥體壓分部特性影響時發(fā)現(xiàn)，床墊與人體接觸面積大，長時間接觸容易導(dǎo)致人體疲勞。

由上可見，對床墊的研究主要在于壓力分布的測試，也局限于某些材料。對床墊材料支撐效果的客觀評價方法比較鮮見。本文選擇6種典型的床墊材料，對它們進行了厚度方向的壓縮測試和人體體壓分布測試，并通過結(jié)合兩方面的測試結(jié)果實現(xiàn)對人體在床墊表面的壓陷深度的預(yù)測，進一步判斷床墊材料的支撐效果。

1實驗方法

本文選取一名健康女大學(xué)生進行測試，受試者無肌肉骨骼疾病史，年齡24歲，身高165 cm，體重55 kg。本實驗選取的材料分別為普通海綿，記憶海綿，立綿，兩種不同密度的噴膠綿和3D材料，材料特征參數(shù)如表1所示。

表1　床墊材料密度和厚度

床墊材料壓縮性能測試采用美國Instron-3365材料試驗機，該設(shè)備主要用于材料的拉伸性能測試。為測試床墊材料的壓縮性能，一對特制的10cm×10cm方形鐵板分別被附接在上下夾頭上，實現(xiàn)壓縮測試。將床墊材料裁剪成直徑6.6mm的圓柱，置于下部測試板上，上部鐵板緩慢向下壓縮床墊材料，至厚度為5mm時停止壓縮，記錄從剛開始壓縮至實驗結(jié)束過程中的壓力。

體壓分布測試選用日本AMI公司的著裝舒適性測試系統(tǒng)。該設(shè)備采用氣囊式壓力傳感器，測試時每隔0.1s采集一個數(shù)據(jù)。體壓分布測試選擇第7頸椎點、肩點、背、腿部、大腿和小腿6個部位進行測試，在各測試點分別貼上直徑20mm的氣囊傳感器。測試者平躺于床墊上，當(dāng)壓力數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)2min。

圖1　體壓測試點分布

2結(jié)果與分析

2.1材料壓縮性能

圖2　壓強隨壓縮厚度變化曲線

從圖2中可以看出，壓強-壓縮厚度曲線可分成三類：

(1)立綿與3D材料基本呈直線上升，反映出線彈性變形，隨壓縮量增加壓強急劇增加，表明材料不易被壓縮。

(2)兩種海綿(普通海綿和記憶海綿)呈現(xiàn)反S形，在起始較小的壓縮范圍(2～3mm)內(nèi)，隨壓縮量增加壓強急劇上升，表現(xiàn)出線彈性變形；其后在較長的一段壓縮范圍(3～20mm)內(nèi)，隨壓縮量增加壓強緩慢上升，呈現(xiàn)出材料的屈服性能；此后隨著壓縮，壓強又呈現(xiàn)出比較急劇的上升。

(3)兩種噴膠綿隨著壓縮增加呈現(xiàn)比較平緩的曲線上升，反映出典型的粘彈性變形。

2.2體壓分布

圖3　各種床墊材料上體壓分布

圖4　人體與床墊接觸壓陷深度預(yù)測

受試者不同測試部位在不同床墊材料的接觸壓力分布情況如圖3。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

(1)就不同部位壓力大小分布來看，肩部、背部、臀部和小腿壓力明顯高于其它部位，可以反映這些部位為主要承壓部位。

(2)從不同床墊材料的接觸壓力來看，立綿、噴膠綿2以及3D材料在承壓部位壓力明顯比其它材料大，最大值甚至高于臨床醫(yī)學(xué)上認為的阻斷皮膚及皮下軟組織血流導(dǎo)致壓瘡的臨界值[9]4.27kPa(32mmHg)。

(3)立綿、噴膠綿2和3D材料的壓力最大和最小值的差異遠大于其它材料，相比較而言，另外三種材料的壓力分布在各部位間更均勻。進而可以推知，普通海綿、記憶海綿以及噴膠綿1的接觸承壓面積更大。

2.3人體與床墊接觸壓陷深度預(yù)測

人體與床墊接觸時的壓陷深度，不僅會影響學(xué)者們長期研究的人體與床墊的有效接觸面積、接觸壓力變化、舒適性和疲勞程度等問題，也與企業(yè)設(shè)計床墊時材料厚度成本考慮有著密切關(guān)系。通過分析床墊材料的力學(xué)性能測試的壓力-壓縮量曲線和床墊人體體壓分布測試結(jié)果，能很好的預(yù)測出人體與床墊的接觸壓陷深度，見圖4。

從圖4人體與床墊接觸壓陷深度預(yù)測可以看到：

(1)記憶海綿和兩種噴膠綿的預(yù)測壓陷深度遠比立綿、普通海綿以及3D材料的大，主要承壓部位壓陷深度都超過了15mm。這種大程度的壓陷會導(dǎo)致平躺的人體軀干部位不再呈直線，除了垂直于接觸面的壓力外，還會產(chǎn)生平行于接觸面的剪切力。有研究表明[10]這種剪切力對人體皮膚等軟組織內(nèi)血流阻斷作用更大。這應(yīng)該也是許多研究中發(fā)現(xiàn)太軟的床墊材料比較容易導(dǎo)致人體疲勞感覺的原因。

(2)立綿和3D材料雖然壓陷深度很小，但是接觸壓力都很大，主要承壓部位壓力都接近或高于臨界值4.27kPa，長期躺臥會導(dǎo)致血流阻斷，有產(chǎn)生壓瘡的風(fēng)險。

(3) 普通海綿的預(yù)測壓陷深度很小(各測試部位基本都低于5mm)，同時壓力分布比較均勻，數(shù)值也遠低于4.27kPa。綜合看來，屬于身體支撐效果比較好，同時壓迫舒適性也比較好的材料。

3結(jié)論

通過床墊材料壓縮性能測試和床墊體壓分布測試可以得出以下結(jié)論。

(1)人體平躺于床墊時，所測部位中，肩部、背部、臀部和小腿為主要的承壓部位。

(2)通過床墊材料力學(xué)性能測試和床墊人體體壓分布測試可以實現(xiàn)對人體與床墊接觸壓陷深度的預(yù)測。

(3)六種床墊材料中，普通海綿屬于身體支撐效果較好，同時壓迫舒適性也比較好的材料。

參考文獻：

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[8]侯建軍.基于人體工程學(xué)的不同床墊材料對人體影響分析[J].南京工程學(xué)院學(xué)報，2014， 12(3):14-18.

[9] 鄭櫻，周紅俊，劉根林，等.壓瘡的預(yù)防和治療[J].中國康復(fù)理論與實踐，2003， 9(4):237-238.

[10]Jiricka M, Ryan P, Carvalho M, et al. Pressure ulcer risk factors in an ICU population[J]. American journal of respiratory and critical care medicine, 1955, 4(5): 361-367.

收稿日期：2015-12-08