基于士兵腰腹部生理特征的防爆內(nèi)褲結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226000

講究城市作戰(zhàn)的21世紀(jì)，新式殺傷性武器不斷涌現(xiàn)，且殺傷力和破壞力越來越大。高速、大面積且密集的爆破小碎片對人體致命部位的侵徹、瞬時空腔、壓力波作用及爆炸效應(yīng)，是導(dǎo)致士兵傷亡的首要原因[1]，它們也使得士兵下體受傷和腿部高位截肢的比例更高[2]。目前，士兵作戰(zhàn)內(nèi)褲缺乏針對性，不僅面料單一，而且形式結(jié)構(gòu)無功能性，缺乏有效防護，嚴(yán)重影響著士兵安全。

本文從人體的內(nèi)臟器官、骨骼和血管的分布出發(fā)，結(jié)合男性體器官的安全性和內(nèi)褲的舒適性，對防爆內(nèi)褲進行功能分區(qū)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)與面料，以期提高防爆內(nèi)褲的防護性能與穿著舒適性。

1 士兵腰腹部生理與體型特征

1.1 腰腹部生理與體型特征的測量

1.1.1 腰腹部生理特征

士兵腰腹部生理特征：腰節(jié)線在第2腰椎處；左右髂嵴點的水平線經(jīng)過第4腰椎；腹主動脈在第4腰椎處結(jié)束，并分出左、右兩支髂總動脈；髂總動脈在骶髂關(guān)節(jié)的前方結(jié)束，并分出髂外動脈和髂內(nèi)動脈；髂外動脈在腹股溝韌帶中點結(jié)束。人體腰椎間盤的厚度為0.80～1.00 cm，腰椎體的厚度為3.00～4.00 cm[3]。

如圖1所示，解剖學(xué)將人體腹部分為三部九區(qū)。兩側(cè)肋弓下緣連線、兩側(cè)髂前上棘連線將腹部分為三部(上腹部、中腹部、下腹部)。再通過兩側(cè)腹股溝韌帶中點向上作2條垂直線。4條線相交將腹部分為九區(qū)，分別為左右季肋區(qū)、腹上區(qū)、左右腹外側(cè)區(qū)、臍區(qū)、左右腹股溝區(qū)、恥區(qū)[4]89-90。防爆內(nèi)褲主要涉及腰節(jié)線及以下部位，因此本文的研究重點為中腹部和下腹部。

圖1 腰腹部的標(biāo)志線和分區(qū)

基于內(nèi)臟器官及血管在腹部各區(qū)的分布，將中腹部和下腹部按照重要程度由高至低排序：臍區(qū)、恥區(qū)、左右腹外側(cè)區(qū)、左右腹股溝區(qū)[4]89-90。其中，臍區(qū)與恥區(qū)是防爆內(nèi)褲的關(guān)鍵防護區(qū)域。

1.1.2 腰腹部體型特征的測量及數(shù)據(jù)分析

本試驗將醫(yī)學(xué)影像與人體測量相結(jié)合。測量對象為年齡22～26歲、身高170.00～176.00 cm、體質(zhì)量60～70 kg的30名成年男性。醫(yī)學(xué)影像采用東軟NeuViz 16 Pro多層螺旋CT數(shù)字成像，手工測量采用軟尺、馬丁測量儀等工具，共測量了腰圍、臀圍、腰高、會陰點高、髂嵴間寬等15項腰腹部體型特征指標(biāo)。

利用SPSS軟件對上述測量數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗、Pearson相關(guān)分析，并在此基礎(chǔ)上進行主成分分析，得到初始特征值中前4個因子特征值大于1，累計貢獻率達83.2%。因此，可認(rèn)為這4個因子能夠涵蓋原始數(shù)據(jù)中的大部分信息。對這4個因子進一步分析，得到旋轉(zhuǎn)后的因子負(fù)荷矩陣，通過各因子與變量間的相關(guān)程度及累計貢獻率，提取出8個代表性體型特征指標(biāo)。其中，腰圍、臀圍、大腿根圍、腰高、會陰點高及直襠長是設(shè)計內(nèi)褲結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)，胯寬是表現(xiàn)人體體態(tài)的指標(biāo)，髂嵴間寬是決定人體防護區(qū)域大小的指標(biāo)，它們對防爆內(nèi)褲的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有著至關(guān)重要的作用。表1為8個代表性體型特征指標(biāo)的描述性統(tǒng)計量。

表1 代表性體型特征指標(biāo)的描述性統(tǒng)計量

1.2 生理定位點的確定

骨盆位于軀干與自由下肢骨之間，主要起傳導(dǎo)重力和支持、保護盆腔臟器的作用。因此，為更好地保護腹部、盆部內(nèi)臟器官與血管，將左右髂嵴點設(shè)為關(guān)鍵生理定位點。如圖2所示，ICR為右髂嵴點，ICL為左髂嵴點。

圖2 生理定位點

因臍區(qū)與恥區(qū)是防爆內(nèi)褲的關(guān)鍵防護區(qū)域，故將腹部2條垂直線所經(jīng)過的腹股溝韌帶中點作為關(guān)鍵生理定位點。如圖2所示，髂外動脈末端在腹股溝韌帶中點處，即EIAR為右髂外動脈末端，EIAL為左髂外動脈末端。

2 結(jié)構(gòu)模型的建立

2.1 結(jié)構(gòu)模型

基于士兵腰腹部生理與體型特征，提出了防爆內(nèi)褲的結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。

圖3 骨盆梯形及髂動脈三角形模型

依次連接點ICR、ICL、EIAR、EIAL，形成梯形ACDB。由于ICR與ICL、EIAR與EIAL分別關(guān)于腹中線對稱，因此該梯形可看成等腰梯形，命名為骨盆梯形。

將人體血管近似看作直線，連接點EIAR、EIAL，則這條直線與兩側(cè)髂總動脈、髂外動脈可形成圖3中的髂動脈三角形ECD。其中，ED、EC分別為左右髂總動脈與髂外動脈的長度和。

從人體醫(yī)學(xué)影像可知，骨盆梯形與髂動脈三角形發(fā)生了重疊，髂動脈三角形的頂點E落在骨盆梯形的底邊AB上。

2.2 模型的計算

在骨盆梯形中，根據(jù)人體測量數(shù)據(jù)，髂嵴間寬即骨盆梯形的底邊AB的生理參數(shù)變化范圍為24.00～36.00 cm，均值為30.43 cm。

在髂動脈三角形ECD中，根據(jù)余弦定理：

(1)

式中：θ為左、右髂總動脈的夾角。

從活體形態(tài)學(xué)可知：EC=EM+MC，ED=EN+ND，同時EM=5.00 cm，MC=11.30 cm，EN=4.00 cm，ND=10.50 cm，θ=60°～65°[5]。將這些數(shù)值代入式(1)可得CD=15.48～16.62 cm。

3 功能區(qū)域的劃分與優(yōu)化

3.1 功能區(qū)域的劃分

3.1.1 定位線

眾所周知，男性生殖器是男性生殖和繁衍后代的器官。失去生殖器的男性士兵大都存在嚴(yán)重的心理問題，更有甚者會喪失生活的勇氣[6]。恥區(qū)分布有動脈血管。此外，人體大腿內(nèi)側(cè)也分布有極其重要的股動脈。若股動脈被切斷，則人體全身血液將在大約3 min內(nèi)全部流完[7]。因此，生殖器、股動脈與腹部都需要很好的防護。

圖4 內(nèi)褲定位線與功能區(qū)域

如圖4所示，為保護臍區(qū)、恥區(qū)及生殖器，從襠底分別過定位點EIAR、EIAL向腰部作順滑弧線，形成2條定位線。同時，為保護左右腹外側(cè)區(qū)、左右腹股溝區(qū)及股動脈，從褲口內(nèi)側(cè)縫分別過定位點ICR、ICL向腰部作弧線，形成2條定位線；內(nèi)褲的背面，以相同的方式作2條定位線。

3.1.2 功能區(qū)域劃分

圖4中，正面4條定位線將內(nèi)褲正面分割成5個部分；背面2條定位線及后中縫將內(nèi)褲背面分割成4個部分。基于腹部、生殖器、股動脈的重要程度，以及防爆內(nèi)褲的防護功能，本文將這9個部分劃分為3個等級：臍區(qū)、恥區(qū)與生殖器是防爆內(nèi)褲的第1防護區(qū)域，為特級防護區(qū)(Z1區(qū))；腹外側(cè)區(qū)、腹股溝區(qū)及大腿內(nèi)側(cè)股動脈是第2防護區(qū)域，為加強防護區(qū)(Z2區(qū))；剩余區(qū)域以大塊的肌肉為主，如腹外斜肌、臀中肌、股四頭肌等，為一般防護區(qū)(Z3區(qū))。

3.2 功能區(qū)域的優(yōu)化

3.2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于褲片結(jié)構(gòu)：

(1)Z1區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要為髂動脈三角形中CD值的確定。已知CD=15.48～16.62 cm，考慮到此處需完全包覆住人體重要器官及血管，縫跡線分別左右外放0.50 cm。因此，CD的閾值范圍為16.48～17.62 cm。

(2)Z2區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要為骨盆梯形中底邊AB的優(yōu)化。已知AB為30.43 cm。服裝壓力是人體與服裝共同作用的結(jié)果，過度的服裝壓力會增加人體負(fù)荷，甚至引起骨骼變形[8]。因此，綜合考慮人體與服裝間的摩擦及服裝扭曲變形對服裝壓力分布的影響[9]，對人體骨骼點進行避讓，縫跡線左右各外放0.50 cm。另根據(jù)解剖學(xué)，人體腰節(jié)線在第2腰椎處，ICR、ICL點的水平連線經(jīng)過第4腰椎處，腰椎間盤的厚度為0.80～1.00 cm，腰椎體的厚度為3.00～4.00 cm，因此腰節(jié)線應(yīng)在ICR、ICL點上方7.60～10.00 cm處。

3.2.2 面料優(yōu)化配置

為加強對人體不同區(qū)域的防護，共研制了2種織物：一種是100%的桑蠶絲平針織物，面密度44.0 g/m2，厚度0.23 mm；另一種是桑蠶絲/芳綸(50/50)雙層針織物[10]，面密度45.5 g/m2，厚度0.38 mm，如圖5所示，表層為芳綸(抗沖擊層)，里層為桑蠶絲(舒適層)，外層和里層通過芳綸紗連接(緩沖層)，這種組合兼顧了芳綸的防護功能和桑蠶絲的服用功能，同時緩沖層中的芳綸紗可增加利器與織物間的摩擦，有效提高織物的防護性能[11]。

圖5 桑蠶絲/芳綸(50/50)雙層針織物

如表2所示，為加強防爆內(nèi)褲的防護性，對不同功能區(qū)域進行了面料配置。

表2 不同功能區(qū)域的面料配置

4 結(jié)論

1) 運用解剖學(xué)分析人體生理特征參數(shù)，為制定防爆內(nèi)褲的定位點、定位線提供了依據(jù)。

2) 運用醫(yī)學(xué)影像與人體測量相結(jié)合的手段，進一步探索代表性人體生理與體型特征參數(shù)，為防爆內(nèi)褲的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3) 根據(jù)定位點、定位線及人體腹部三部九區(qū)的分布，制定了不同等級的防護區(qū)域——特級保護區(qū)、加強保護區(qū)、一般保護區(qū)。

4) 根據(jù)建立的骨盆梯形與髂動脈三角形，并結(jié)合服裝工藝，優(yōu)化了防爆內(nèi)褲的結(jié)構(gòu)與面料。