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(píng)價(jià)

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(huì)影響人體感知舒適性并進(jìn)一步影響睡眠質(zhì)量，對(duì)長(zhǎng)期臥床的患者更可能是引起壓瘡的直接原因。對(duì)床墊材料的支撐性能的評(píng)價(jià)至關(guān)重要。選擇6種典型的床墊材料，對(duì)它們進(jìn)行了厚度壓縮測(cè)試和床墊與人體接觸體壓分布測(cè)試。通過(guò)壓強(qiáng)、壓縮厚度曲線，結(jié)合床墊的人體體壓分布測(cè)試結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體與床墊接觸壓陷深度的預(yù)測(cè)，進(jìn)而綜合評(píng)價(jià)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(cè)試；壓陷

床墊與人體的接觸狀態(tài)，會(huì)影響人體感知舒適性并進(jìn)一步影響睡眠質(zhì)量，對(duì)長(zhǎng)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(cè)試和舒適性主觀評(píng)價(jià)對(duì)床墊進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，所測(cè)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(shí)，壓力峰值、壓力峰值量級(jí)等因素，通過(guò)大量數(shù)據(jù)分析提出了壓力指數(shù)(Pindex)，并通過(guò)與床墊減壓測(cè)試效果對(duì)比，表現(xiàn)出了很好的一致性。2000年Defloor[3]對(duì)不同睡覺(jué)姿態(tài)對(duì)床墊壓力的影響進(jìn)行了研究，研究表明30°半坐臥位和俯臥位對(duì)床墊接觸面壓力最小，而90°側(cè)臥位對(duì)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(duì)睡眠質(zhì)量和床表面硬度之間的關(guān)系進(jìn)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(duì)有輕度腰背疼痛或僵硬的患者進(jìn)行了研究，研究認(rèn)為，睡眠時(shí)人體接觸界面對(duì)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(lái)，我國(guó)學(xué)者也加大對(duì)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(guò)改變床墊表層海綿厚度，對(duì)人體進(jìn)行體壓分布指標(biāo)測(cè)量，綜合主客觀分析，發(fā)現(xiàn)海綿厚度對(duì)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(duì)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(duì)人體仰臥體壓分部特性影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，床墊與人體接觸面積大，長(zhǎng)時(shí)間接觸容易導(dǎo)致人體疲勞。

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

1實(shí)驗(yàn)方法

本文選取一名健康女大學(xué)生進(jìn)行測(cè)試，受試者無(wú)肌肉骨骼疾病史，年齡24歲，身高165 cm，體重55 kg。本實(shí)驗(yàn)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(cè)試采用美國(guó)Instron-3365材料試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備主要用于材料的拉伸性能測(cè)試。為測(cè)試床墊材料的壓縮性能，一對(duì)特制的10cm×10cm方形鐵板分別被附接在上下夾頭上，實(shí)現(xiàn)壓縮測(cè)試。將床墊材料裁剪成直徑6.6mm的圓柱，置于下部測(cè)試板上，上部鐵板緩慢向下壓縮床墊材料，至厚度為5mm時(shí)停止壓縮，記錄從剛開始?jí)嚎s至實(shí)驗(yàn)結(jié)束過(guò)程中的壓力。

體壓分布測(cè)試選用日本AMI公司的著裝舒適性測(cè)試系統(tǒng)。該設(shè)備采用氣囊式壓力傳感器，測(cè)試時(shí)每隔0.1s采集一個(gè)數(shù)據(jù)。體壓分布測(cè)試選擇第7頸椎點(diǎn)、肩點(diǎn)、背、腿部、大腿和小腿6個(gè)部位進(jìn)行測(cè)試，在各測(cè)試點(diǎn)分別貼上直徑20mm的氣囊傳感器。測(cè)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(cè)試點(diǎn)分布

2結(jié)果與分析

2.1材料壓縮性能

圖2　壓強(qiáng)隨壓縮厚度變化曲線

從圖2中可以看出，壓強(qiáng)-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(qiáng)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(qiáng)急劇上升，表現(xiàn)出線彈性變形；其后在較長(zhǎng)的一段壓縮范圍(3～20mm)內(nèi)，隨壓縮量增加壓強(qiáng)緩慢上升，呈現(xiàn)出材料的屈服性能；此后隨著壓縮，壓強(qiáng)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(cè)

受試者不同測(cè)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(lái)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(lái)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(rèn)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(yuǎn)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(jìn)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(cè)

人體與床墊接觸時(shí)的壓陷深度，不僅會(huì)影響學(xué)者們長(zhǎng)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(wèn)題，也與企業(yè)設(shè)計(jì)床墊時(shí)材料厚度成本考慮有著密切關(guān)系。通過(guò)分析床墊材料的力學(xué)性能測(cè)試的壓力-壓縮量曲線和床墊人體體壓分布測(cè)試結(jié)果，能很好的預(yù)測(cè)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(cè)可以看到：

(1)記憶海綿和兩種噴膠綿的預(yù)測(cè)壓陷深度遠(yuǎn)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(guò)了15mm。這種大程度的壓陷會(huì)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(huì)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(duì)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(jué)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(zhǎng)期躺臥會(huì)導(dǎo)致血流阻斷，有產(chǎn)生壓瘡的風(fēng)險(xiǎn)。

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

3結(jié)論

通過(guò)床墊材料壓縮性能測(cè)試和床墊體壓分布測(cè)試可以得出以下結(jié)論。

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

(2)通過(guò)床墊材料力學(xué)性能測(cè)試和床墊人體體壓分布測(cè)試可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體與床墊接觸壓陷深度的預(yù)測(cè)。

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

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收稿日期：2015-12-08