應(yīng)用于健康領(lǐng)域的著裝壓力研究進(jìn)展

胡艷瓊+張輝+鄧詠梅

摘要：主要從客觀服裝壓力測試方法、服裝壓力分布數(shù)字化模擬及生物力學(xué)模型以及軟體假人等 3 方面介紹了著裝壓力分布在國內(nèi)外的研究進(jìn)展，結(jié)合著裝壓力對人體生理方面影響和在輔助醫(yī)療方面的現(xiàn)有應(yīng)用，分析了著裝壓力分布在人體健康領(lǐng)域中的應(yīng)用特性和價值，從服裝壓力測試系統(tǒng)和服裝壓力分布預(yù)測系統(tǒng)兩方面預(yù)測了未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：壓力分布；生理監(jiān)測；壓力測試；數(shù)字化模擬；有限元

中圖分類號：TS 941.16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Progress in the Research of Health Field-oriented Clothing Pressure

Abstract： This article introduced the progress made in the research at home and abroad on clothing pressure distribution from three aspects： the methods for objective garment pressure testing， digital simulation of clothing pressure distribution， and biomechanical models & dummies. It analyzed the features and importance of using clothing pressure distribution in the field of human health and forecasts its developing trend according to clothing pressure testing system and clothing pressure distribution prediction system.

Key words： pressure distribution； physiological monitoring； pressure test； digital simulation； finite element

適當(dāng)?shù)姆b壓力大小及其分布對身體表面的包裹性效果、運(yùn)動防護(hù)、康復(fù)治療等方面能起到促進(jìn)的作用。本文從著裝壓力在健康領(lǐng)域中的應(yīng)用角度出發(fā)，闡述了服裝壓力分布的研究進(jìn)展，總結(jié)了服裝壓力在健康領(lǐng)域現(xiàn)有應(yīng)用和對人體生理影響的研究成果，最后展望了服裝壓力測試及分布預(yù)測系統(tǒng)在未來的發(fā)展趨勢。

1 著裝壓力分布研究進(jìn)展

1.1 服裝壓力測試方法

研究者在早期大都使用自主設(shè)計的壓力測試裝置，新的測試方法和測量儀器的出現(xiàn)促進(jìn)了壓力測試精度和準(zhǔn)確度的提高。目前廣泛用于測量服裝壓力的測試法原理及特點(diǎn)匯總見表 1。

1.2 壓力分布數(shù)字化模擬及生物力學(xué)模型

1.2.1 理論計算模型

基于Laplace方程和人體圍度方向上的橢圓力學(xué)模型，王金鳳建立了人體任意點(diǎn)在圍度上的服裝壓力模型，依據(jù)在人體圍度上彈性面料拉的伸變形，分析了人體各部位與服裝壓力的關(guān)系。Laplace服裝壓力公式如下：

式 1 中：P表示織物接觸壓力；R表示對應(yīng)部位的曲率半徑；T表示織物拉伸張力；V表示垂直方向；H表示水平方向。

羅笑南等以彈性力學(xué)的薄膜大變形為理論，通過求解三維著裝緊身內(nèi)衣上分布點(diǎn)的應(yīng)力，利用拉格朗日乘數(shù)法，依據(jù)彈性力學(xué)最小位能原理，算出了彈性內(nèi)衣作用于人體的三維著裝壓力，對服裝CAD試衣效果提供了方法。

王建民等利用基于物理模型的插值體細(xì)分方法，對服裝壓力分布和彈性體變形進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了人體著裝壓力分布的計算和動態(tài)體變形過程的模擬。采用MAPLE建立和計算數(shù)學(xué)模型，通過C++Builder和OpenGL生成了結(jié)果的顯示。

1.2.2 有限元預(yù)測模型

有限元全稱有限單元法，它運(yùn)用力學(xué)分析中的數(shù)值法，把連續(xù)的介質(zhì)或構(gòu)件離散成由有限個單元組成的集合體來表示。

Mirjalili等采用Ansys9.0有限元分析軟件對彈性服裝和人體的接觸部位進(jìn)行了有限元建模和數(shù)據(jù)分析，對比發(fā)現(xiàn)與儀器測試所得數(shù)值最大誤差不超過7%。證明了有限元壓力模擬法對人體著裝壓力的有效性。

在Li等的研究中將女體胸部看作為彈性體，軀體為剛體，胸罩作為幾何非線性和材料線性，接觸面為動態(tài)滑移界面，建立了女體三維力學(xué)模型。應(yīng)用有限元法計算得到了文胸與女性胸部動態(tài)接觸的模擬結(jié)果。

參照醫(yī)學(xué)資料和中國可視化女體斷層照片，劉紅通過MATLAB 7.0編程得到女體胸圍截面及體內(nèi)軟組織層、骨骼層曲線上的點(diǎn)坐標(biāo)。將各點(diǎn)輸入Ansys10.0得到女體胸圍截面的實(shí)體模型。

1.2.3 軟體假人及智能假人測試系統(tǒng)

外界環(huán)境的改變、人體生理或心理的變化對壓力測試都有可能影響測試結(jié)果。且在極端氣候環(huán)境下對正常人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)十分困難。為了有效避免以上問題，研究者開發(fā)出了可用于測試服裝壓力的假人系統(tǒng)。

2005年Fan等用標(biāo)準(zhǔn)假人模特代替真人模特預(yù)測了穿著腹帶后的壓力分布。所用假人經(jīng)真人掃描數(shù)位化制成假人外形，彈性模量跟也真人相似，研究結(jié)果表明該假人的預(yù)測性比較準(zhǔn)確。

智能人體假人測試系統(tǒng)LLY-56A將 8 個高精度壓力傳感器嵌入到了假人體表直接測量特定部位的壓力。此外，此款假人還可在前中線和后中線處最大橫向擴(kuò)張 5 cm來模擬不同人體維度。

2 服裝壓力與醫(yī)療監(jiān)護(hù)

2.1 服裝壓力對生理系統(tǒng)的影響

服裝生理學(xué)評價方法一般被用來評價服裝壓力對人體生理影響，評價指標(biāo)有心率、血壓、血流量、心電圖、溫度、出汗率等。

（1）消化系統(tǒng)：受試者在靜態(tài)下穿著緊身衣可使睡液分泌率明顯降低，證明服裝壓力會影響人體消化功能。（2）循環(huán)系統(tǒng)：人體穿著束褲時，下體的皮膚血流量隨著所受壓力的增加而降低，說明服裝壓力引起了皮膚血管收縮。（3）呼吸系統(tǒng)：靜止?fàn)顟B(tài)下，腰部以上及胸部壓力大小與呼吸因子具有相關(guān)性；運(yùn)動狀態(tài)下，前胸處壓力大小與呼吸因子存在相關(guān)性。（4）神經(jīng)系統(tǒng)：人在較強(qiáng)壓力的調(diào)整型內(nèi)衣下注意力保持能力會降低，并且精神運(yùn)動緩慢。（5）生殖系統(tǒng)：女性經(jīng)常穿著過緊的內(nèi)衣會使月經(jīng)周期延長。（6）內(nèi)分泌系統(tǒng)：緊身連體內(nèi)衣產(chǎn)生的服裝壓力可以抑制了人體褪黑激素的分泌，從而對睡眠形成負(fù)面影響。

要保證人體正常生理代謝需要八大系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作，人體特定系統(tǒng)在服裝壓力影響下產(chǎn)生的變化也有可能和其他系統(tǒng)的變化有關(guān)系。

2.2 服裝壓力在健康領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.2.1 輔助康復(fù)治療

在醫(yī)療領(lǐng)域，壓力服裝可以被用來輔助愈合增生性癥痕、防止骨位異化、預(yù)防靜脈和血栓和提高關(guān)節(jié)的靈活性等。Best發(fā)現(xiàn)緊身襪可以有效地預(yù)防血栓，穿著理想壓力階梯緊身襪比穿著相反壓力梯度緊身襪患靜脈血栓的概率小19.5%。Platts模擬了太空飛行的條件，結(jié)果表明美國航空航天局和俄羅斯聯(lián)邦航天局所用的壓力服裝都對防止直立不耐受有一定的效果。

2.2.2 生理監(jiān)測

心電、血壓、呼吸和體溫等生理信號的采集可以起到監(jiān)測人體健康狀況的作用。將醫(yī)用傳感器微型化并集成到服裝中就可以實(shí)現(xiàn)低心理負(fù)荷的信號連續(xù)監(jiān)測。包括心電信號在內(nèi)的大多數(shù)生理信號都十分微弱，需足夠的壓力保證傳感器或電極與皮膚密切接觸，才能穩(wěn)定正常輸出。壓力過大或分布不合理又有可能影響到人體的心率、呼吸和體溫等。且服裝壓力的大小直接影響到服裝與人體之間的動態(tài)滑移，這種滑移有可能對生理信號造成干擾。

東華大學(xué)許俊鵬測試了不同運(yùn)動強(qiáng)度下壓力服裝的心電信號，指出電極-皮膚之間壓力值與運(yùn)動的劇烈程度正相關(guān)，壓力范圍在0.5 ～ 1.4 kPa之間可以同時保證著裝舒適性和心電信號的穩(wěn)定采集。

3 前景展望

獲得服裝對人體的壓力值一般有直接測量和預(yù)測兩種方法。直接測量人體與服裝之間的壓力對測試系統(tǒng)的要求比較高；要做到準(zhǔn)確地預(yù)測著裝壓力也需要準(zhǔn)確把握人體與服裝的形狀等特性。

3.1 服裝壓力測試系統(tǒng)

服裝壓力測試系統(tǒng)主要被用來測試服裝與人體之間的壓力大小，也可以用來檢驗(yàn)預(yù)測的壓力是否正確。目前，服裝壓力測試裝置還存在缺陷：（1）由于受到面料物理機(jī)械性能、人體表面皮膚變形、測試儀器和壓感元件大小的影響，通常無法達(dá)到很好的動態(tài)跟蹤測試；（2）由于服裝壓力的測試是獨(dú)立點(diǎn)測試，要對壓力的分布進(jìn)行測量十分困難；（3）智能人體假人上面集成的傳感器數(shù)量有限，且不能進(jìn)行人體一樣的動作。如何實(shí)現(xiàn)壓感元件緊密貼合測量部位、適應(yīng)人體曲率變化、不引起皮膚不適和服裝的附加變形、連續(xù)而實(shí)時的記錄數(shù)據(jù)的壓力測試系統(tǒng)是服裝壓力測試研究的重點(diǎn)。

此外，想要利用壓力測試設(shè)備來測量服裝壓力分布大小就要對測試用服裝或人體進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，如何有效的進(jìn)行網(wǎng)格的劃分也是有待解決的問題。

3.2 服裝壓力分布預(yù)測系統(tǒng)

服裝壓力分布預(yù)測系統(tǒng)可以幫助實(shí)現(xiàn)在服裝設(shè)計初期，通過面料彈性和服裝松量的設(shè)定就夠預(yù)測服裝的壓力分布，以此調(diào)整服裝結(jié)構(gòu)和面料，設(shè)計出適當(dāng)壓力的服裝；對于特殊體型的人，也可以調(diào)節(jié)人體模型或直接對其三維掃描再通過逆向工程技術(shù)獲取其人體模型，進(jìn)行壓力預(yù)測模擬從而做到量身定制。預(yù)測壓力分布的準(zhǔn)確性往往取決于各種邊界條件的設(shè)置，目前研究中，將人體視為彈性體，但這些研究對人體的組織結(jié)構(gòu)沒有進(jìn)行深入研究，只是考慮了皮膚和骨骼的彈性模量和密度等參數(shù)。要進(jìn)一步提高服裝的舒適性與功能性，首先必須對人體進(jìn)行深入研究，其中包括人體形態(tài)特征、人體運(yùn)動時各部位的力學(xué)特征、人體著裝后的生理、心理變化等。

4 結(jié)束語

服裝壓力分布應(yīng)用的范圍越來越廣。從塑身衣、彈力襪等到生理監(jiān)測服裝，這些產(chǎn)品都與服裝壓力分布和大小有著密不可分的關(guān)系。本文通過綜述前人服裝壓力測試方法，壓力分布數(shù)字化模擬以及對醫(yī)療影響的研究，提出了自己的研究思路，今后將在服裝壓力測試及預(yù)測準(zhǔn)確度上做進(jìn)一步的探討。

參考文獻(xiàn)

[1] 王永榮.彈性針織物壓力性能研究及測試系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D].上海：東華大學(xué)，2010，102-104.

[2] 王金鳳.導(dǎo)電針織柔性傳感器的電-力學(xué)性能及內(nèi)衣壓力測試研究[D].上海：東華大學(xué)，2013.79- 108.

[3] 羅笑南，曾龍，聶卉.三維緊身內(nèi)衣的壓力分布計算模型[J].中山大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2001，40（6）：99- 101.

[4] Wang J M， Luo X N， Li Y.The application of the volumetric subdivision scheme in the simulation of elastic human body deformation and garment pressure[J].Textile Research Journal，2005：591- 597.

[5] Mirjalili S A， Rafeeyan M.The analytical study of garment pressure on the human body using finite elements[J].Fibres & Textiles in Eastern Europe，2008，16（3）：69- 73.

[6] Li Y，Zhang X，Yeung K W，A 3D biomechanical model for numerical simulation of dynamic mechanical interactions of bra and breast during wear[J].Sen-i Gakkaishi，2003，59（1）： 46-55.

[7] 劉紅.彈力運(yùn)動背心的壓感舒適性研究[D].無錫：江南大學(xué)，2012.

[8] Fan J，Chan A P.Prediction of girdles pressure on human body from the pressure measurement on a dum-my[J].International Journal of Clothing Science and Technology，2005，17（1）：6-12.

[9] 占輝，徐軍.服裝壓力舒適性研究及應(yīng)用[J].北京紡織，2004，25（5）： 58- 60.

[10] 劉莉，張渭源，王永進(jìn).調(diào)整型內(nèi)衣壓力對人體生理指標(biāo)的影響[J].紡織學(xué)報，2008， 29（11）：97- 102.

[11] 崔箏.調(diào)整型內(nèi)衣壓力對青年女性注意力保持影響的ERPs研究[D].北京：北京服裝學(xué)院，2013. 37-51.

[12] Kikufuji N，Tokura H.Disturbance of the duration in the menstrual cycle under the influence of tight clothing[J].Biological Rhythm Research.2002.33（3）：279- 285.

[13] Jeong R J，Hee E K.Effects of skin pressure by an all-in-one undergarment on core temperature and the secretion of urinary melatonin[J].Biological Rhythm Research，2009，40（4）：317- 324.

[14] Best A J， Williams S， et al.Graded compression stockings in elective orthopedic surgery[J].J Bone Joint Surg，2000，8（2）：116- 118.

[15] Platts S， Tuxhorn B， Ribeiro L， et al.Compression garments as countermeasures to orthostatic intolerance[J].Aviation， Space，and Environmental Medicine， 2009， 80（5）： 437-442.

[16] 許鵬俊.用于體表心電監(jiān)測的紡織結(jié)構(gòu)電極與皮膚之間機(jī)械作用分析及動態(tài)噪音研究[D].上海：東華大學(xué)，2012： 62-63.