房嬌嬌，申黎明*，陳浩

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，南京 210037；2.無錫科逸新材料有限公司，江蘇 無錫 214000)

睡眠質(zhì)量受到人、床、睡眠環(huán)境等多種因素影響，其中人與床墊的接觸界面上，床墊力學(xué)性能與人體重力間的相互作用力，即人-床界面壓力對睡眠質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。除亞健康群體外，睡眠中健康群體的頻繁翻身、睡醒后身體不適感的外在因素多為人體部位長時間承載過大壓力而導(dǎo)致酸痛等局部性損傷[1]。因此，合理的人-床界面壓力是衡量床墊性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)[2]。

人體特征參量是決定人-床界面壓力的首要因素，不同年齡、性別、體型及臥姿均會引起界面壓力的差異[3]。為優(yōu)化床墊結(jié)構(gòu)，Esquirol等[4]與Chen等[5]根據(jù)身體周長及形狀建立了不同體型的人體模型。K?llman等[6]發(fā)現(xiàn)與其他臥姿相比，0°仰臥和90°側(cè)臥時產(chǎn)生較大的界面壓力。同時，人體各部位的界面壓力也不同，4.27 kPa毛細(xì)血管壓力是發(fā)生壓力性潰瘍的閾值[7]，人體枕骨、肩胛骨、臀部、腳跟等骨突部位最易出現(xiàn)壓力損傷。Singh等[8]設(shè)計的壓力再分配床墊有效改善了重癥嬰兒枕骨部位的壓力損傷。因此，為提高人-床界面的舒適性，應(yīng)依據(jù)某一群體的特征參量進(jìn)行床墊設(shè)計。

此外，床墊材料也是影響人-床界面壓力的重要因素。海綿類泡沫墊是使用最廣泛的墊層減壓材料[9]。Low等[10]與Wu等[11]研究表明，與海綿及棕櫚相比，乳膠墊較好的回彈性能實現(xiàn)均勻的體壓分布。熱塑性聚酯彈性體是3D網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)材料，具有較好的彈性和透氣性。Nagamachi等[12]通過測試界面壓力、血流量及主觀評價，結(jié)合追蹤調(diào)研得出該聚酯纖維床墊界面壓力適中，且利于人體翻身及血液流通。同時該材料用作輪椅坐墊及床墊也能有效避免病患出現(xiàn)壓力損傷[13-14]。上述研究集中于此材料與存在壓瘡風(fēng)險的患者間的匹配性，以評估人體生理指標(biāo)的健康性，尚未探究該材料力學(xué)性能及其對健康群體的適用性。而作為床墊材料，其組合后的彈性及硬度綜合決定床墊的減壓性能，針對人體部位及臥姿，該纖維材料的壓力分散性還需進(jìn)一步探究。

本課題以熱塑性聚酯彈性體(thermoplastic polyester elastomer，TPEE)為研究對象，將TPEE用于床墊墊層，并以普通海綿為對照組，通過材料力學(xué)測試及人-床界面體壓分布的實驗，對比分析TPEE材料和普通海綿的力學(xué)性能，并探究TPEE不同密度、人體各部位及臥姿對人-床界面減壓性能的影響，以此綜合評估TPEE材料用于床墊的可行性，從而為床墊結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 受試者

共有8名女性和8名男性參與實驗，均為在校研究生，具體信息見表1。這16名參與者均無肩背部疼痛史或肌肉損傷，骨骼生長正常。實驗前，讓受試者了解實驗內(nèi)容及臥姿等注意事項，指導(dǎo)受試者正確進(jìn)行測試。

表1 受試者的人體測量數(shù)據(jù)Table 1 Anthropometric data of the participants

1.2 床墊材料

選取3種密度的TPEE用于床墊墊層，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 1952.2—2011《軟體家具 彈簧軟床墊》，搭配袋裝彈簧芯及普通海綿，共配置出4款實驗床墊，其剖面圖如圖1所示，所用材料的基本參數(shù)見表2。

圖1 TPEE作鋪墊層的床墊結(jié)構(gòu)Fig. 1 Mattress configuration of different TPEE bedding layers

表2 材料的基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of materials

1.3 實驗設(shè)計

1.3.1 材料的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能試驗

依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2439: 2008“Flexible cellular polymeric materials-Determination of hardness (indentation technique)”，使用萬能力學(xué)試驗機(AGS-X20KN型，日本島津公司)對材料進(jìn)行壓縮。壓頭直徑100 mm，加載速度5 mm/min，最大壓縮率為80%。材料的壓陷硬度為壓縮應(yīng)變?yōu)?0%時的壓力值。當(dāng)材料在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時，采用以下公式[15]計算材料吸收的能量W和材料的吸能效率E，以評估材料的吸能性能。

(1)

(2)

式中：εm為任意應(yīng)變；σ(ε)為對應(yīng)應(yīng)力；吸能效率E為材料所吸收的能量與對應(yīng)應(yīng)力的比值。

1.3.2 人-床界面的體壓分布測試

人-床界面壓力采用Tekscan公司的體壓分布測量系統(tǒng)(body pressure measure system, BPMS, BCE5530-2型)測量，采樣率為8次/s，測試壓力為0～34.5 kPa。測試前依據(jù)被試身高、體質(zhì)量校準(zhǔn)體壓墊，實驗期間提供被試棉質(zhì)睡衣以營造舒適的測試環(huán)境。

選取0°仰臥和90°右側(cè)臥進(jìn)行實驗[6]。為確保讀數(shù)準(zhǔn)確性，要求受試者在規(guī)定臥姿下靜躺3 min后記錄數(shù)據(jù)，記錄時間為2 min。每張床墊2個姿勢為一組，每2組實驗的間隔為5 min。此外，為避免影響肩頸部的壓力分布，排除個體與枕頭間匹配的差異性，試驗中均不使用枕頭。

為評估TPEE位于墊層時床墊的減壓性能，提取人體頭部、肩胛-背部、臀部、腿部和腳跟5個部位在2種臥姿下的最大壓力，結(jié)合對照組床墊，采用公式(3)計算人體各部位的減壓百分比：

(3)

式中：R為人體各部位的減壓百分比，%；PCmax為對照組床墊上人體各部位最大壓力的均值，kPa；PTmax為實驗組床墊上人體各部位最大壓力的均值，kPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 墊層材料的力學(xué)性能

材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，TPEE與普通海綿均符合多孔材料的3個階段，即彈性階段、塑性加強階段和致密緊實階段。彈性階段應(yīng)變較小，塑性加強階段的應(yīng)力波動較小而應(yīng)變變化較大，致密緊實階段的應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而急劇增高。由圖可知，當(dāng)0<ε<0.492時，普通海綿所需加載的力值較大；當(dāng)ε>0.492，TPEE65能承載更大的應(yīng)力；且同等應(yīng)變下，普通海綿的應(yīng)力始終高于TPEE45。此外，隨TPEE密度增加，塑性加強階段的應(yīng)力波動更大、上升速度加快，且致密點的位置越不明顯，這與普通海綿較長的塑性階段形成鮮明對比。

TPEE45、TPEE55、TPEE65分別表示墊層TPEE的密度為45，55，65 kg/m3。下同。圖2 墊層材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 2 Stress-strain curves of cushion material

墊層材料力學(xué)性能的測試結(jié)果見表3。隨TPEE密度的增加，材料的屈服強度和壓陷硬度逐漸增大，TPEE45的屈服強度和壓陷硬度最小，分別為2.01 kPa和20.01 N。彈性模量則不呈規(guī)律變化，TPEE55彈性模量最大為22.33 kPa。這是因為TPEE材料是由條狀細(xì)絲縱橫交錯式無序排列而成，如圖3所示。材料表面的孔隙不同，正視圖上孔隙較小，最大橢圓孔隙的長軸為10.1 mm；俯視圖上孔隙較多且尺寸較大，其中橢圓孔隙的長軸最大為26.56 mm。同時不同截面上材料的孔隙大小及分布也不同，導(dǎo)致材料密度分布的不均勻，因此壓縮過程中不同應(yīng)變時的應(yīng)力存在差異，易造成TPEE材料在不同密度下彈性階段的劃分不一致，彈性模量隨密度變化無明顯規(guī)律。此外，TPEE的三類測試數(shù)值均小于普通海綿?？梢?，該密度范圍內(nèi)TPEE的硬度相對較小，用于墊層利于增加人-床界面的接觸面積、降低界面壓力。

表3 材料力學(xué)性能的測試結(jié)果Table 3 Results of compressive properties of materials

圖3 TPEE材料的表面孔隙Fig. 3 Surface porosity diagram of TPEE material

材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時，主要通過前2個階段的變形來吸能，其吸能-應(yīng)力曲線如圖4a所示。隨著應(yīng)力的增加，材料吸收的能量逐漸增大。當(dāng)0<σ≤6.71 kPa及σ>22.92 kPa時，TPEE能吸收更多的能量；當(dāng)6.71 kPa<σ≤22.92 kPa時，普通海綿的吸能高于TPEE。隨TPEE密度的增大，當(dāng)0<σ≤2.01 kPa時，其吸收的能量先減小后增大；當(dāng)2.01 kPa<σ≤6.43 kPa時，其吸收能量逐漸降低；當(dāng)6.43 kPa<σ≤21.4 kPa時，其吸能先增大后減??；當(dāng)σ>21.4 kPa時，其吸能性能逐漸增大。材料吸收能量的不同與其變形機制相關(guān)，當(dāng)TPEE被壓縮時，在同等應(yīng)力下，材料的應(yīng)變越小，即其能承受的載荷越大，則材料吸收的能量越多。由于TPEE的質(zhì)地不均勻，不同應(yīng)力作用時3種密度材料的應(yīng)變不呈規(guī)律變化，因而吸能性能在不同應(yīng)力下存在較大差異。

圖4b為材料的吸能效率曲線。隨應(yīng)力的增大，材料的吸能效率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。同等應(yīng)力下，普通海綿及TPEE不同密度的吸能效率的變化規(guī)律與其吸收的能量相一致。當(dāng)吸能效率最大時，表明材料在該應(yīng)力處的吸能能力最好。當(dāng)應(yīng)力為9.16 kPa時，普通海綿的吸能效率最高為43.21%。TPEE 3種密度(45，55，65 kg/m3)吸能能力最佳時的應(yīng)力分別為5.16，7.99和9.7 kPa；隨TPEE密度的增大，其最大吸能效率逐漸降低，TPEE45吸能效率最高為30%?？梢姡牧系奈苄室搽S應(yīng)力的變化而不同，TPEE 3種密度間的吸能效率也存在顯著差異(P<0.05)。因此應(yīng)針對不同應(yīng)力限值，選擇具有最優(yōu)吸能性能的TPEE材料及其參數(shù)。

圖4 墊層材料的緩沖吸能特性Fig. 4 Energy absorption characteristics of cushion material

2.2 人-床界面的體壓分布

不同床墊上，人體頭部、肩胛-背部、臀部、腿部和腳跟的最大壓力的均值如圖5所示。由圖可知，2種臥姿下，ST床墊上人體各部位最大壓力均低于SP床墊，如側(cè)臥時，頭部在ST床墊上的最大壓力分別為3.93，4.37及4.16 kPa，而SP床墊上為5.47 kPa，分別減少了27.86%，19.89%和23.7%?？梢?，TPEE墊層的使用能降低界面最大壓力。

注：SP為對照組，支撐層袋裝彈簧芯+墊層普通海綿；ST為實驗組，支撐層袋裝彈簧芯+墊層TPEE，其中TPEE45、TPEE55、TPEE65分別表示墊層TPEE的密度為45，55，65 kg/m3。圖中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)偏差，n=16。下同。圖5 人體各部位在不同墊層床墊上的最大壓力Fig. 5 Average of maximum interface pressures at various positions

此外，側(cè)臥時人體頭部、肩胛-背部及臀部最大壓力均大于仰臥，而腿部和腳跟最大壓力在仰臥時較大，如墊層TPEE55上，肩胛-背部側(cè)臥最大壓力為5.02 kPa，比仰臥增加了37.91%，而仰臥時腿部最大壓力比側(cè)臥增加11.85%。這是由于人體側(cè)面頭部-臀部間的體表面積較小、下肢體表面積較大，背面則相反。因此，側(cè)臥時頭部、肩胛-背部和臀部與床墊接觸面積較小，其壓力較大；而下肢與床墊接觸面積較大，使其壓力小于仰臥。同時，側(cè)臥時，人體支撐點位于肩部肱骨頂端及臀部髂骨，肩部三角肌和臀部髂腰肌是維持側(cè)臥穩(wěn)定的力量來源，人體趨向于將重心上移而使下肢受力較小；但仰臥時人體支撐點集中于臀部髖關(guān)節(jié)，重心下移且由髖骨連接股骨共同受力，下肢受力較大。

2.3 TPEE床墊的減壓性能

2.3.1 TPEE密度對減壓百分比的影響

在3種不同密度的TPEE墊層上，人體各部位減壓百分比如表4所示。隨TPEE密度的增加，除側(cè)臥時臀部減壓百分比逐漸降低外，其余部位在2種臥姿下的減壓百分比均呈現(xiàn)先減小后增大的變化。墊層TPEE45上人體各部位減壓百分比最大，TPEE65次之，TPEE55最小，如側(cè)臥時，頭部減壓百分比由墊層TPEE45上的27.86%減小到TPEE55上的19.89%，而后增加到TPEE65上的23.70%。

表4 不同密度的TPEE墊層與界面減壓百分比的方差分析Table 4 Analysis of variance results of the effect of TPEE density on interface pressure reduction

受TPEE密度的影響，2種臥姿及不同部位時，3種墊層間的減壓百分比均存在顯著差異(P<0.05)，尤其在墊層TPEE45上，人體各部位減壓百分比顯著高于另2種墊層(P<0.05)。側(cè)臥時，肩胛-背部、臀部及腿部的減壓百分比在墊層TPEE55與TPEE65間的差異均不顯著(P>0.05)。仰臥時臀部減壓百分比在TPEE45與TPEE65間無顯著差異(P>0.05)，其余部位減壓百分比在每2種密度的TPEE墊層間均存在顯著差異(P<0.05)。可見，TPEE墊層的不同密度可明顯改變?nèi)?床界面的減壓百分比，且當(dāng)TPEE密度為45 kg/m3時，床墊的減壓性能最好。

2.3.2 人體不同部位對減壓百分比的影響

人體各部位人-床界面的減壓百分比如表5所示。側(cè)臥時，除墊層TPEE55上臀部減壓百分比較大，其余墊層上人體各部位減壓百分比均為肩胛-背部>臀部>腳跟>頭部>腿部。仰臥時，TPEE墊層上各部位減壓百分比均為肩胛-背部>臀部>頭部>腳跟>腿部。可見，TPEE墊層更利于緩解肩胛-背部和臀部的最大壓力，其減壓百分比均在25%以上。其中墊層TPEE45上，仰臥時肩胛-背部減壓百分比最大為45.89%，是腿部的1.91 倍。

此外由表5可知，3種墊層及2種臥姿下，人體各部位間的減壓百分比均存在顯著差異(P<0.05)。側(cè)臥時，不同墊層上肩胛-背部與臀部的減壓百分比均無顯著差異(P>0.05)，但該2個部位分別與腳跟、腿部和頭部間差異顯著(P<0.05)；仰臥時，TPEE墊層上肩胛-背部減壓百分比顯著高于其他部位(P<0.05)?？梢?，肩胛-背部和臀部在TPEE墊層上的減壓效果更為明顯。同時，這2個部位是臥姿時的主要受力部位，即最大壓力的集中點，該2個部位界面壓力的降低更利于改善人體睡眠的舒適與健康。

表5 人體各部位及臥姿與界面減壓百分比的方差分析Table 5 Analysis of variance results of interface pressure reduction at various positions in lying positions

2.3.3 不同臥姿對減壓百分比的影響

由表5可知，仰臥時人體頭部、肩胛-背部和臀部的減壓百分比均大于側(cè)臥，而腿部和腳跟的減壓百分比在側(cè)臥時較大，該結(jié)果在3種TPEE墊層上相一致。圖5所示，頭部、肩胛-背部和臀部的最大壓力在仰臥時較小，腿部和腳跟在側(cè)臥時較小?？梢?，當(dāng)某種臥姿下人體部位的壓力較小時，使用TPEE墊層的減壓效果更好，即合理的臥姿與TPEE墊層的搭配能更好地降低界面壓力。此外，除墊層TPEE45上腳跟及TPEE55上頭部的減壓百分比在2種臥姿間無顯著差異(P>0.05)，其余TPEE墊層上，人體各部位在臥姿間的減壓百分比均存在顯著差異(P<0.05)。

2.4 界面減壓百分比與墊層材料性能及人體不同部位間的關(guān)系

臥姿狀態(tài)下，人體與床墊相接觸，呈現(xiàn)出基本的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。人體重力施加到床墊上，人體下陷的位移隨床墊材料硬度的不同而變化，進(jìn)而導(dǎo)致人體與床墊的接觸面積產(chǎn)生差異，最終形成不同的界面壓力。假設(shè)人體與床墊接觸面積為A，人體對床墊的壓力即為人體各部位重力之和N，則人體對床墊施加的應(yīng)力為P=N/A。由此可見，人體對床墊施加的應(yīng)力與墊層材料的力學(xué)性能是構(gòu)成人-床界面體壓分布的關(guān)鍵。研究結(jié)果表明，TPEE密度、人體不同部位以及臥姿都會影響人-床界面的減壓百分比。據(jù)此，綜合這三類因素，進(jìn)一步分析人-床界面減壓百分比差異化的原因。

人與床墊的接觸面積總是大于人的體表面積，因而當(dāng)90°側(cè)臥和0°仰臥時，以人體側(cè)面及背面的體表面積計算，可獲得人體對床墊施加應(yīng)力的最大值。基于Winter[16]及Moon等[17]提出的近似人體模型，計算受試者各部位的重力及體表面積，確定人體各部位在不同臥姿下對床墊施加的應(yīng)力如表6所示。

表6 人體各部位對床墊施加的應(yīng)力Table 6 Stress in various parts of human body /kPa

2種臥姿下，人體各部位對床墊施加的應(yīng)力為臀部>肩胛-背部>腳跟>頭部>腳跟，其中，側(cè)臥時臀部施加的應(yīng)力最大為2.2 kPa，其余部位的應(yīng)力均小于2 kPa。由圖2可知，在0<σ≤2.2 kPa范圍內(nèi)，材料壓縮均處于彈性階段，此時材料硬度隨TPEE密度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，即TPEE45較軟，TPEE65次之，TPEE55上最硬。因而研究得出，墊層TPEE45的減壓性能較好。此外，結(jié)合圖4可知，當(dāng)應(yīng)力為0<σ≤6.43 kPa時，TPEE45吸收的能量最大且吸能效率較高，而σ<2.01 kPa時，TPEE65吸收的能量及吸能效率均大于TPEE55。因此，隨TPEE密度的增大，臀部減壓百分比逐漸減小，其余部位則隨之先減小后增大。綜上可知，墊層TPEE45上人體各部位的減壓百分比最大，其減壓性能較好。

3 結(jié) 論

1)隨著TPEE密度從45 kg/m3增加到65 kg/m3，材料的屈服強度和壓陷硬度逐漸增大。與50 kg/m3的普通海綿相比，該密度范圍內(nèi)TPEE材料的硬度較小，將其用于床墊墊層利于增加人-床界面的接觸面積，從而降低界面壓力。

2)TPEE的吸能性能隨應(yīng)力變化而不同，3種密度間TPEE吸收的能量及吸能效率存在顯著差異。TPEE的最大吸能效率隨密度的增大而減小，TPEE45吸能效率最大為30%。此外，當(dāng)應(yīng)力小于6.71 kPa時，TPEE的吸能效率始終高于普通海綿。實際應(yīng)用中，可根據(jù)不同的應(yīng)力范圍，選擇最優(yōu)吸能性能的TPEE材料參數(shù)。

3)與海綿墊層相比，TPEE墊層能有效降低界面最大壓力。隨著TPEE密度的增大，人體臀部減壓百分比逐漸減小，其余部位則先減小后增大，且墊層TPEE45上人體各部位的減壓百分比最大。對比其余部位，人體肩胛-背部和臀部在TPEE墊層上的減壓百分比較大，均大于25%。在分區(qū)床墊設(shè)計中，將TPEE材料用于人體肩胛-背部和臀部更利于降低界面壓力。此外，TPEE密度、人體不同部位及臥姿三類因素的不同條件之間的減壓百分比均存在顯著差異。

4)人體對床墊施加的力及墊層材料的力學(xué)性能共同決定人-床界面體壓分布和墊層減壓性能?；诒辉嚨娜梭w各部位對床墊施加的應(yīng)力，結(jié)合材料力學(xué)性能及臥姿，進(jìn)一步驗證了2種臥姿下墊層TPEE45對人體各部位的減壓性能最佳。