坐具設(shè)計(jì)對青少年脊柱側(cè)彎的影響

王 鈁，馮 希

(1. 衡水學(xué)院 美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，河北 衡水 053000；2. 燕山大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)系，河北 秦皇島 066004)

坐具設(shè)計(jì)對青少年脊柱側(cè)彎的影響

王 鈁1，馮 希2

(1. 衡水學(xué)院 美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，河北 衡水 053000；2. 燕山大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)系，河北 秦皇島 066004)

座椅設(shè)計(jì)人性化對青少年骨骼發(fā)育有著非常重要的作用．根據(jù)青少年人體尺寸與成年人的區(qū)別以及動作域?qū)θ粘Ｐ袨楹腿粘Ｗ说挠绊?，對青少年進(jìn)行個性化定制，得到適宜青少年這一年齡階段發(fā)育的座椅設(shè)計(jì)．利用虛擬仿真技術(shù)更可以檢測設(shè)計(jì)的坐具產(chǎn)品造型是否符合虛擬人體坐姿情景下人性化程度，從而得到最為有效的關(guān)于坐姿人體的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)椅背弧線．此方式將大大提高座椅舒適性，減少因設(shè)計(jì)不良引起的身體不適，達(dá)到預(yù)前預(yù)后效果．

人性化設(shè)計(jì)；特發(fā)性脊柱側(cè)彎；坐具設(shè)計(jì)

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎(AIS)是一種表現(xiàn)為脊柱旋轉(zhuǎn)不對稱的疾病，迄今為止病因不是很明確，這給它的早期干預(yù)、早期治療帶來了困難，大量的流行病學(xué)調(diào)查可以認(rèn)為 AIS的發(fā)病率為 2%～3%．占整個脊柱側(cè)彎的80%．有關(guān)青少年脊柱側(cè)彎根據(jù)目前研究，誘發(fā)原因分為 4種：1) 褪黑素引起的脊柱發(fā)育畸形；2) 基因遺傳因素引起的畸形；3) 生物力學(xué)角度關(guān)于骨骼、肌肉以及終板結(jié)構(gòu)畸形引發(fā)；4) 椎旁肌發(fā)育不均衡．作為設(shè)計(jì)學(xué)研究，對于因遺傳或褪黑素引起的病變不做過多陳述．通過對寄宿小學(xué)的學(xué)生志愿者肌電圖記錄日常作習(xí)時間內(nèi)的坐姿的改變肌電圖活動記錄觀察，得到了日常作習(xí)下被測者肌肉靜疲勞程度與時間坐姿之間的關(guān)系，分析數(shù)據(jù)得到不同坐姿對被測者椎旁肌收縮力、疲勞程度的影響．比較現(xiàn)有坐具設(shè)計(jì)上的差異性，得到坐具設(shè)計(jì)上設(shè)計(jì)差異對坐姿的影響．

1 脊柱側(cè)彎與坐具的關(guān)系

1.1 影響人體坐姿形態(tài)的主要因素

1.1.1 坐姿舒適度的生理學(xué)影響

坐姿狀態(tài)下，支撐人體的主要是脊柱、盆骨、腿和腳，對于椅背的舒適度研究而言，我們主要研究的是怎樣的椅背能使人的脊柱在坐姿狀態(tài)下呈自然彎曲的形態(tài)，以及緩解人體自身壓力所形成的反作用力，作用于坐骨結(jié)節(jié)．

當(dāng)人體坐姿工作時，骨盆向后方傾轉(zhuǎn)，因而使背下端的骶骨也傾轉(zhuǎn)，使脊柱由S形向拱形變化，這樣使脊柱的椎間盤受很大壓力，加速疲勞，并產(chǎn)生腰部酸痛等不適癥狀．由于腰椎幾乎承擔(dān)著人體的全部重量，并且要實(shí)現(xiàn)彎腰、側(cè)曲、扭轉(zhuǎn)等人體運(yùn)動，所以最容易損傷或彎曲變形，因此，這部分是研究和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)．如果座椅設(shè)計(jì)能讓人的腰部得到充分的支撐，使腰部恢復(fù)到自然狀態(tài)，那么疲勞就會延緩，使人獲得輕松舒適感．正常的姿勢下，脊柱的腰椎部前凸，至骶骨時則后凹，良好的坐姿狀態(tài)下，脊柱所受壓力適當(dāng)?shù)胤植加诟髯甸g盤上，肌肉組織承受均勻的靜態(tài)負(fù)荷．

英國《福布斯新聞網(wǎng)》上發(fā)表的一項(xiàng)研究結(jié)果顛覆了這一傳統(tǒng)思維．在北美放射線學(xué)會的年會上，英國一個由放射線學(xué)者組成的小組通過核磁共振成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，長時間筆直坐著，會造成脊椎過度疲勞，使神經(jīng)受到牽制，背部感覺很不舒服，從而導(dǎo)致背部慢性疼痛，不利于脊柱健康．對于那些需要長期坐著工作的人來說，背部與地板成135°角是理想的角度．

1.1.2 坐姿的脊柱形態(tài)

人體的坐姿本身就是一對矛盾體．當(dāng)直腰就座時，身體保持S型，椎間盤內(nèi)壓小，但肌肉負(fù)荷大；當(dāng)人彎腰就座時，可以減小背部肌肉的負(fù)荷，使整個身體感覺舒服，又利于身體平衡，但增加了椎間盤內(nèi)壓力，容易造成駝背．

脊柱的穩(wěn)定系統(tǒng)分為 3部分：被動穩(wěn)定系統(tǒng)、主動穩(wěn)定系統(tǒng)和神經(jīng)控制系統(tǒng)[1]，被動穩(wěn)定系統(tǒng)包括椎體、椎間關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)囊、韌帶、椎間盤及韌帶的固有張力，它們在脊柱活動中起著支撐作用和應(yīng)力感應(yīng)作用，并將應(yīng)力的變化及時反饋至神經(jīng)控制系統(tǒng)．神經(jīng)系統(tǒng)對外來信號作出反應(yīng)，通過主動穩(wěn)定系統(tǒng)來達(dá)到穩(wěn)定脊柱的目的．主動穩(wěn)定系統(tǒng)包括所有參與脊柱穩(wěn)定的軀干肌群，無論脊柱是靜止還是運(yùn)動，它們都在神經(jīng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下共同維持著脊柱的穩(wěn)定，因此脊柱的主動穩(wěn)定系統(tǒng)即軀干肌群在脊柱的穩(wěn)定中有著重要作用，近年來的研究多集中在直接作用于脊柱的椎旁肌群和間接作用于脊柱的腹部肌群上[2]．

通過對椎旁肌與 AIS關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，腹部肌群、椎旁肌與脊柱側(cè)彎有著緊密的關(guān)系[3]，發(fā)現(xiàn)長時間保持日常坐姿導(dǎo)致椎旁肌兩側(cè)肌力不均，一側(cè)椎旁肌肉收縮力減弱，引起腹部肌肉及椎旁肌肉疲勞從而改變原有坐姿．其所引起的椎旁肌肉負(fù)荷增加，可能導(dǎo)致椎旁肌失代償，影響椎旁肌群和腹部肌群收縮力，并影響其對脊柱的穩(wěn)定作用，從而導(dǎo)致AIS[4]．

臨床骨科學(xué)認(rèn)為，AIS的改變是漸進(jìn)的過程，采取支具治療可以緩解AIS進(jìn)展，改善病理變化，支具治療的目的是在曲線進(jìn)展危險期內(nèi)防止曲線的進(jìn)展直到患者達(dá)到骨骼成熟．那么在未成年人骨骼成熟前實(shí)施干預(yù)，可以減輕和預(yù)防AIS的形成與進(jìn)展[5]．未成年人坐具設(shè)計(jì)的改良會產(chǎn)生相應(yīng)的預(yù)防與理療效應(yīng)．

1.2 青少年日常規(guī)作息時間規(guī)律調(diào)查

通過調(diào)查，小學(xué)生的全天21.8%時間，大約5.25 h用于上課學(xué)習(xí)．而對9～14歲學(xué)生的脊柱側(cè)彎流行病學(xué)調(diào)查顯示．如果以 Cobb角＞5°為標(biāo)準(zhǔn)，AIS發(fā)病率約為 5%～15%；以 Cobb角＞l0°為標(biāo)準(zhǔn)，約為1.5%～3%；以 Cobb角＞20°為標(biāo)準(zhǔn)，約為 0.3%～0.5%；以 Cobb角＞30°，則為 0.2%～0.3%．目前，人們已經(jīng)傾向于采取Cobb角＞10°[6-7]．為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此，可以認(rèn)為AIS的發(fā)病率約為1.5%～3%．如果睡眠時間按8.5 h/d計(jì)算，大約占全天時間的35.4%．也就是說坐臥時間占將近一半，證明坐具、臥具對AIS形成有一定程度的影響．青少年日常上學(xué)每45 min休息10 min，但許多情況下，學(xué)生并沒有進(jìn)行身體運(yùn)動，在一定程度上沒有起到緩解肌肉疲勞的效果，身體保持坐姿．通過測試不同坐具的壓力分布情況發(fā)現(xiàn)：坐具的設(shè)計(jì)材質(zhì)，尤其是表面材料對壓力分布有明顯影響．

2 坐具人性化設(shè)計(jì)減少脊柱側(cè)彎發(fā)生

2.1 坐面設(shè)計(jì)

1) 坐面大?。娴目偯娣e大小因其 8～14歲青少年正處于身體發(fā)育期，身高、體重、下肢長度均有明顯差異，坐面設(shè)計(jì)盡可能貼合青少年身體發(fā)育特點(diǎn)為其量身訂制不同大小的坐面尺寸，然后與其他預(yù)置構(gòu)件進(jìn)行組裝可最大程度滿足不同年齡發(fā)育階段的青少年身體要求．

2) 坐面的力學(xué)支撐系統(tǒng)．當(dāng)人體呈坐姿時，坐骨結(jié)節(jié)處壓力最強(qiáng)，支撐力應(yīng)是以滿足最大支撐力，否則坐骨結(jié)節(jié)處塌陷加大了盆骨轉(zhuǎn)動角度，無法支撐整個身體重量．以往有關(guān)休閑沙發(fā)設(shè)計(jì)，只著重坐面柔軟舒適提供較高的舒適度，忽略了較大的盆骨轉(zhuǎn)動角度，將致使腰部受力增加，一定程度上導(dǎo)致腰部椎旁肌失代償，引發(fā)脊柱彎曲病變．

3) 坐面表面材質(zhì)．坐面材質(zhì)需要考慮人體皮膚接觸舒適度，包括溫度、濕度、刺激度．運(yùn)用呼吸性材料可以提供空氣流通性降低坐面表面的溫濕度．現(xiàn)代新型材料例如特種尼龍織物、萊卡棉織物、記憶棉等均具備較好的透氣性，傳統(tǒng)材料，譬如，皮革、棉麻、藤類編織、優(yōu)質(zhì)木材等也具有相對較好的透氣性．根據(jù)上述原則，坐面表面材料設(shè)計(jì)可以選用目前泳裝塑型衣的設(shè)計(jì)方式，將織物表面的不同壓力分布以及支撐力的要求相結(jié)合，使用彈性模數(shù)不同的材料進(jìn)行拼接構(gòu)成平面，當(dāng)人體重力作用于不同彈性材料時反作用力施用于人體，同時這種力可以得到有效的控制，從而達(dá)到坐姿舒適性效果．不同彈性模數(shù)的相同材質(zhì)織物可以根據(jù)不同部位的彈力的彈性要求，改變織物的編織方向和織數(shù)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)不同區(qū)域的彈力要求．從舒適角度考慮接觸性刺激較少的材料例如木材、石材、棉麻、皮革，盡量減少使用染色劑、化學(xué)合成材料以及金屬等易致使皮膚過敏性的材料[8]．

2.2 椅背的設(shè)計(jì)

椅背設(shè)計(jì)包括：椅背上緣距地面高度；椅背弧線設(shè)計(jì)；椅背與坐面所成的夾角度數(shù)；椅背的表面材料．對于以往的座椅設(shè)計(jì)上述問題也多次出現(xiàn)，并且也針對該問題擁有很多的解決方案，但多數(shù)都未能專門就未成年人尤其是 8～14歲處于身體發(fā)育旺盛期的青少年生長發(fā)育特點(diǎn)、人體動作的特點(diǎn)、活動頻率將進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)．新的椅背設(shè)計(jì)將引入虛擬人體3D模型技術(shù)進(jìn)行分析．英國科學(xué)家證實(shí)得到人體坐姿舒適度夾角為135°，此夾角度數(shù)不利于學(xué)生上課和學(xué)習(xí)．90°夾角會加重肌肉骨骼神經(jīng)的靜疲勞的程度[9]．

隨著仿生學(xué)深入工業(yè)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)已經(jīng)不能只停留于工業(yè)造型，而是深入到工業(yè)產(chǎn)品構(gòu)造，從而影響工業(yè)造型．使設(shè)計(jì)產(chǎn)品功能優(yōu)化，成為更為人性化的合理設(shè)計(jì)．目前美國尖端假肢設(shè)計(jì)已經(jīng)利用對人體運(yùn)動系統(tǒng)結(jié)合機(jī)械工程技術(shù)，制造出仿生人體上肢的輔助運(yùn)動系統(tǒng)．利用模型研究人體的運(yùn)動原理和規(guī)律，是人體運(yùn)動研究的一個重要手段和有效工具．座椅設(shè)計(jì)的仿真技術(shù)將依賴于人體筋骨骼模型．試驗(yàn)用人體模型都是三維的，所以又稱模擬人，或虛擬人．根據(jù)試驗(yàn)要求的不同，有模擬人體全身的模擬人以及模擬人體一部分的脊柱 3D模型[10]．可以有效提供脊柱在人體正常坐姿情況下的運(yùn)動形態(tài)、肌肉靜疲勞程度數(shù)據(jù)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析設(shè)計(jì)產(chǎn)品造型．虛擬仿真技術(shù)更可以檢測設(shè)計(jì)的坐具產(chǎn)品造型是否符合虛擬人體坐姿情景下人性化程度，從而得到最為有效的關(guān)于坐姿人體的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)椅背弧線．此方式將大大提高座椅舒適性，減少因設(shè)計(jì)不良引起的身體不適．

總之，坐具設(shè)計(jì)在人們的身體健康中的地位是舉足輕重的，坐具設(shè)計(jì)的差異會引發(fā)坐姿的變化其所引起的椎旁肌肉負(fù)荷增加，可能導(dǎo)致椎旁肌失代償，影響椎旁肌群和腹部肌群收縮力，并影響其對脊柱的穩(wěn)定作用，從而導(dǎo)致脊柱側(cè)彎，符合人體工程學(xué)的坐具能夠在生活中矯正不良坐姿避免不良坐姿的形成，從而減少了青少年脊柱側(cè)彎形成的概率．盡管經(jīng)過科學(xué)研究制訂了有關(guān)“好”的坐具設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，但真正要為廣大消費(fèi)者所接受并真正地保證有利身體健康還需很長的時間．這就要求未成年人坐具設(shè)計(jì)的改良，根據(jù)生物理學(xué)測定的壓力分布得到哪些坐姿會影響肌肉、骨骼、中板結(jié)構(gòu)的發(fā)育，分析數(shù)據(jù)得到適合青少年骨骼發(fā)育的要求，根據(jù)青少年人體尺寸與成年人的區(qū)別以及動作域?qū)θ粘Ｐ袨楹腿粘Ｗ说挠绊懀瑢η嗌倌曜芜M(jìn)行個性化定制，得到適宜青少年這一年齡階段發(fā)育的坐具．

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Abstract:Humanized design is very important for youngster’s body growth. According to the anthropometrical differences between adults and teenagers, and influence of actions on daily behavior and sitting posture, special designs of chairs have been made for teenagers Using this virtual simulation technique can detect whether the design of the modeling accords with human body posture, thus obtain the most effective data about the postures of the human body. According to the data the back arc of the chair is designed. This method will greatly improve the comfort level of the chairs. It will get a better effect.

Key words:humanized design; adolescent idiopathic scoliosis (AIS); chairs’ design

(責(zé)任編校：李建明英文校對：李玉玲)

Influence of Chairs’ Design on Adolescent Scoliosis

WANG Fang1, FENG Xi2

(1. College of Art Design, Hengshui University, Hengshui, Hebei 053000, China;
2. Department of Industrial Design, Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei 066004, China)

TB47

A

1673-2065(2011)01-0119-03

2010-09-05

衡水學(xué)院科研基金課題(2009050)

王 鈁(1982-),女,天津人,衡水學(xué)院美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院教師；

馮 希(1983-),女,天津人,燕山大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)系教師.