基于女性頭面部形態(tài)的護(hù)目鏡適配性設(shè)計(jì)

王晶晶，駱雯，盧雨薇，李哲林，2，姜立軍，2

( 1．華南理工大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東 廣州 510006;2．廣東省人機(jī)交互設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510006)

1 引言

新冠疫情期間，一線醫(yī)護(hù)人員因使用醫(yī)療防護(hù)用品造成器械相關(guān)性壓力性損傷(DRPI，Device-related Pressure Injury)的問題十分普遍，其中頭面部醫(yī)療防護(hù)用品造成的DRPI現(xiàn)象尤其顯著[1]。一項(xiàng)對中國21個(gè)省和自治區(qū)共計(jì)145家醫(yī)院2 901名COVID-19疫情防控醫(yī)護(hù)人員的調(diào)研顯示，醫(yī)用防護(hù)用品引起的 DRPI發(fā)生率為26.58%(771/2901年)，且防護(hù)用品的不適感會大大降低醫(yī)護(hù)人員對醫(yī)用防護(hù)用品的使用頻率[1]。因此，關(guān)于醫(yī)用防護(hù)用品，一方面需要建立相關(guān)佩戴標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行引導(dǎo)、培訓(xùn)，另一方面需要重視產(chǎn)品的適配性設(shè)計(jì)[2]。在設(shè)計(jì)與人體直接接觸的產(chǎn)品的曲面形態(tài)時(shí)，為了給用戶提供一個(gè)安全、舒適和體驗(yàn)良好的空間，尤其需要關(guān)注“產(chǎn)品—用戶”相互的適配性問題[3]。

目前，我國醫(yī)用防護(hù)用品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中僅《呼吸防護(hù)用品 實(shí)用性能評價(jià)》對呼吸器的佩戴便捷性和舒適性提出檢驗(yàn)方案，其余文件鮮有涉及適配性標(biāo)準(zhǔn)[4]?，F(xiàn)有頭面部防護(hù)用品適配性研究通常包含客觀定量分析與主觀定性分析兩類。其中客觀定量分析主要包含計(jì)算機(jī)虛擬試戴[5-8]，及基于壓力測量系統(tǒng)的實(shí)戴分析[9]。主觀定性分析則是由受試者完成一系列實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，通過調(diào)研問卷、視覺模擬量表等工具收集受試者關(guān)于防護(hù)用品的舒適度分?jǐn)?shù)以及使用痛點(diǎn)反饋[10]。然而，客觀定量分析與主觀定性分析常常割裂開來。同時(shí)結(jié)合客觀擠壓情況與主觀舒適性感受進(jìn)行頭面部防護(hù)產(chǎn)品適配性設(shè)計(jì)的研究甚少。因此，本文綜合真人佩戴主觀評測方法和數(shù)字化頭模虛擬試戴客觀實(shí)驗(yàn)，探索護(hù)目鏡適配性并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 對象與方法

2.1 對象

前期以重慶醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院和宜賓市第一人民醫(yī)院的部分醫(yī)護(hù)人員為調(diào)研對象，人數(shù)為87人，其中含71名(81.61%)女性，大部分為手術(shù)室和住院部的護(hù)士，年齡在18-30歲?？紤]到醫(yī)護(hù)行業(yè)女性占比超過90%，遠(yuǎn)高于男性[11]。且生理上18-30歲青年女性已經(jīng)發(fā)育成熟，頭面部骨骼發(fā)展生長較為固定，因此本次研究的主要人群定位為18-30歲青年女性。后期實(shí)驗(yàn)招募10名女性志愿者為主要研究對象。

2.2 方法

(1)問卷調(diào)研

以線上問卷的形式獲取醫(yī)護(hù)人員關(guān)于護(hù)目鏡安全性、舒適性和便捷性的評分(5分為滿分)，結(jié)果顯示大部分受試者認(rèn)為佩戴護(hù)目鏡能加強(qiáng)安全感(3.74/5.00)，但護(hù)目鏡舒適性較低(3.18/5.00)，護(hù)目鏡尺寸結(jié)構(gòu)與人體頭面部曲面的匹配度不足(3.80/5.00)，且佩戴護(hù)目鏡會影響正常工作(3.32/5.00)，佩戴存在一定的困難(3.93/5.00)。在使用過程中，存在著臉部疼痛發(fā)紅、產(chǎn)生壓痕(78.16%)，眼鏡起霧、影響個(gè)人近視眼鏡的使用(80.46%)、影響視野(88.51%)等問題。在上述問題中，圍繞護(hù)目鏡尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的適配性問題尤為嚴(yán)重。

(2)真人佩戴實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)佩戴頭面部防護(hù)用品的接觸區(qū)域及參考頭面部區(qū)域分類文獻(xiàn)[12]，將人體面部接觸區(qū)域分為額頭(A)、太陽穴(B)、鼻梁(C)、顴骨(D)、內(nèi)臉頰(E)、鼻唇溝(F)、外臉頰(G)、下巴(H)八個(gè)區(qū)域，如圖1所示。

護(hù)目鏡作為新冠防疫防護(hù)用品常與醫(yī)用防護(hù)口罩共同使用。為了模擬真實(shí)使用情況，本文測試中受試者需同時(shí)佩戴護(hù)目鏡和醫(yī)用防護(hù)口罩，但醫(yī)用防護(hù)口罩相關(guān)內(nèi)容并不納入本文研究范圍。本文測試使用的護(hù)目鏡為3M-1621，詳細(xì)尺寸如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)共招募10名女性志愿者為受試者，年齡為18-30歲。根據(jù)BMI值計(jì)算，其中7名為正常體型，3名為偏瘦體型。實(shí)驗(yàn)前，受試者需在認(rèn)真查看產(chǎn)品佩戴說明后佩戴防護(hù)用品，自行調(diào)整至舒適性和密封性最佳的佩戴位置。佩戴時(shí)長為1小時(shí)，佩戴過程中盡量不調(diào)整防護(hù)用品的佩戴位置。在這1個(gè)小時(shí)內(nèi)受試者可自由活動。由工作人員拍攝佩戴前、佩戴1小時(shí)后的正前、正左、正右、左側(cè)45°和右側(cè)45°共五個(gè)方向的照片以及壓痕的細(xì)節(jié)圖。實(shí)驗(yàn)后，受試者針對護(hù)目鏡和醫(yī)用防護(hù)口罩對不同面部區(qū)域的舒適度分別打分。

圖3 10名受試者壓痕圖片

佩戴1小時(shí)后受試者臉部壓痕圖像如圖3所示，可見護(hù)目鏡造成的壓痕主要分布在額頭、顴骨和鼻梁三處，不受體型影響。額頭處壓痕尤其明顯，基本覆蓋整個(gè)前額且壓痕較深。顴骨處的壓痕來源于醫(yī)用防護(hù)口罩和護(hù)目鏡的雙重壓迫，與人體面部直接接觸的為醫(yī)用防護(hù)口罩，因此壓痕面積較大，表面形狀與醫(yī)用防護(hù)口罩內(nèi)部紋理對應(yīng)。

測試發(fā)現(xiàn)，部分受試者佩戴后，護(hù)目鏡的鼻托正好位于醫(yī)用防護(hù)口罩鼻夾之上，加重了醫(yī)用防護(hù)用品對鼻梁的壓迫感，如圖4(a)所示。相反，圖4(b)所示部分受試者的鼻托與鼻夾處存在縫隙，在她們的打分中護(hù)目鏡對鼻梁并未造成很大的不適。

圖4 真人佩戴測試鼻梁處細(xì)節(jié)圖

如表1所知，舒適度打分結(jié)果與壓痕分布基本對應(yīng)，護(hù)目鏡分?jǐn)?shù)最低的區(qū)域依次為鼻梁、顴骨、額頭。并無壓痕的內(nèi)臉頰在部分情況下并未得到滿分，主要原因?yàn)殚L時(shí)間佩戴后護(hù)目鏡內(nèi)部潮濕悶熱。除上述面部壓迫造成的不適問題，大概佩戴10-20分鐘后護(hù)目鏡便出現(xiàn)起霧問題，單側(cè)和雙側(cè)起霧的情況均存在。

表1 舒適度評分(0分嚴(yán)重不舒服—5分無不舒服)

(3)數(shù)字化模型分析

為進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)影響佩戴適配性的護(hù)目鏡結(jié)構(gòu)問題，開展數(shù)字化模型的虛擬試戴效果分析。首先使用3D掃描儀 (Reeyee Pro 2X Wiiboox，中國)采集了護(hù)目鏡模型與10名女性受試者的數(shù)字化頭部模型。根據(jù)GB/T 23461-2009對頭型分類的定義[13]，計(jì)算出10個(gè)樣本包含中正型5個(gè)、圓高型3個(gè)、中高型2個(gè)?？紤]頭型的代表性，在三種頭型中各選取樣本3(中高型)、樣本8(圓高型)和樣本9(中正型)進(jìn)行數(shù)字化頭模試戴分析。如圖5所示，護(hù)目鏡模型與數(shù)字化頭模在額頭、顴骨處存在十分嚴(yán)重的干涉。且護(hù)目鏡的左右寬度大于人體頭面部寬度，存在一定的空隙。在實(shí)際使用中，使用者需要調(diào)節(jié)頭帶使護(hù)目鏡兩側(cè)更好的貼合頭面部，導(dǎo)致前額的壓迫力加重。

綜合真實(shí)佩戴和虛擬試戴的分析，上述壓痕集中、壓痕較深、鼻梁壓迫與間隙等問題都可以通過產(chǎn)品的尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，因此接下來將圍繞護(hù)目鏡尺寸結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行護(hù)目鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 數(shù)字化頭模試戴

3 護(hù)目鏡適配性設(shè)計(jì)

3.1 護(hù)目鏡佩戴傾斜角

根據(jù)數(shù)字化模型試戴和真人佩戴測試發(fā)現(xiàn)，護(hù)目鏡在眼周的著力點(diǎn)為額頭、顴骨、鼻梁部分，在側(cè)視圖中護(hù)目鏡傾斜角度與額頭頂點(diǎn)至顴骨最高點(diǎn)連線角度相平行。根據(jù)現(xiàn)有護(hù)目鏡的寬度(覆蓋面從額頭到顴骨處)72mm，傾斜角度為額頭頂點(diǎn)至顴骨最高點(diǎn)連線角度，可以在數(shù)字化頭部模型中模擬護(hù)目鏡覆蓋部分。

(a)數(shù)字化模型試戴側(cè)視圖

(b)真人佩戴測試側(cè)視圖

3.2 護(hù)目鏡接觸區(qū)域特征提取

為針對女性頭面部特征進(jìn)行護(hù)目鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖7所示，首先基于GB/T 2428-1998和GB/T 23461-2009構(gòu)建第5百分位、第50百分位、第 95 百分位女性頭部參考模型[13-14]。

圖7 女性頭部參考模型

在上述第50百分位女性頭部參考模型中的側(cè)視圖平面建立由額頭頂點(diǎn)至顴骨最高點(diǎn)的直線L，該直線長度為72 mm，如圖8(a)，表征在側(cè)視圖中為護(hù)目鏡在頭部參考模型上應(yīng)覆蓋的寬度。在圖8(b)側(cè)視圖和圖8(c)俯視圖中基于直線L延伸出一個(gè)長方體，長度和寬度覆蓋面部整體至合適位置，該長方體與頭部參考模型的相交面即為特征面。使用3Ds MAX(Autodesk，美國)的布爾運(yùn)算提取特征面，重復(fù)以上步驟對第5百分位、第50百分位、第95百分位女性頭部參考模型進(jìn)行特征面的提取。

圖8 護(hù)目鏡特征面的提取

如圖9(a)，女性正前額弧度較大，兩側(cè)稍平緩，頭部向側(cè)面過渡時(shí)兩側(cè)弧度較大。女性面部的鼻基底部分(鼻翼兩側(cè))較低，有凹陷趨勢。顴骨部分較高，呈外凸趨勢，因此護(hù)目鏡下方在顴骨至鼻基底部分由一條外凸至內(nèi)凹曲線組成。如圖9(b)按照護(hù)目鏡與頭面部接觸區(qū)域的不同，使用建模軟件Alias 2019(Autodesk，美國)根據(jù)第50百分位頭部參考模型所獲取的特征面從護(hù)目鏡上方(額頭部分)、護(hù)目鏡兩側(cè)(太陽穴部分)、鼻梁處軟片(鼻梁部分)、護(hù)目鏡下方(面頰部分)四個(gè)部分進(jìn)行參數(shù)提取，圖9(b)中 ①為護(hù)目鏡上方、②為護(hù)目鏡兩側(cè)、③為護(hù)目鏡鼻梁軟片、④為護(hù)目鏡下方曲線。

(a)3個(gè)百分位女性頭部參考模型特征面曲線

(b)護(hù)目鏡特征曲線提取

3.3 護(hù)目鏡形態(tài)曲面設(shè)計(jì)

連接圖9(b)中四部分曲線形成完整封閉曲線，投射建立前方鏡片曲線，構(gòu)成護(hù)目鏡鏡身曲面，如圖10所示。

圖10 護(hù)目鏡曲面構(gòu)建

將建立好的曲面與上述3個(gè)百分位的女性頭部參考模型進(jìn)行匹配，發(fā)現(xiàn)該曲面模型仍存在弧度不匹配的共性問題。對原有兩段封閉線條在第50百分位女性頭部參考模型中再次進(jìn)行取點(diǎn)調(diào)整，最終共進(jìn)行了四次取點(diǎn)調(diào)整，結(jié)果如圖11所示。根據(jù)第5百分位和第95百分位女性頭部參考模型進(jìn)行護(hù)目鏡緩沖帶與容量設(shè)計(jì)，使本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的護(hù)目鏡適配更多用戶。

圖11 模型匹配與迭代結(jié)果(第50百分位女性頭部參考模型)

4 實(shí)證分析

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)虛擬試戴分析

將3個(gè)被試數(shù)字化頭模與優(yōu)化產(chǎn)品模型進(jìn)行試戴分析。如圖12所示，護(hù)目鏡與人體頭面部在額頭、太陽穴、顴骨、鼻梁處的干涉區(qū)域有效減少，兩者曲面更加貼合，適配性得到明顯提升。

圖12 基于被試數(shù)字化頭模的適配性分析

4.2 試制樣品實(shí)戴測試

使用不透明軟膠材料3D打印制作優(yōu)化護(hù)目鏡，如圖13所示。以相同的10名受試者為測試對象，采取完全相同的實(shí)驗(yàn)過程，比較兩次壓痕情況和主觀舒適性問卷結(jié)果。

圖13 優(yōu)化護(hù)目鏡試制樣品

如表2，太陽穴與內(nèi)臉頰區(qū)域主觀舒適度分?jǐn)?shù)保持不變，額頭、鼻梁和顴骨區(qū)域的舒適度都得到0.1-0.3分的提升?？梢?，本次設(shè)計(jì)具有一定的優(yōu)化效果。

表2 兩次舒適性問卷結(jié)果對比(0分嚴(yán)重不舒服—5分無不舒服)

4.3 評價(jià)分析

如表3所示，根據(jù)部分樣本的壓痕圖像與舒適度差值進(jìn)行綜合分析。首先在額頭區(qū)域， 4號、8號、9號和10號樣本分?jǐn)?shù)有所提高，其額頭部分佩戴優(yōu)化產(chǎn)品后的壓痕寬度、壓痕面積明顯變小，壓痕變淺。在鼻梁處，舒適度分?jǐn)?shù)有所提高的6號、8號、9號樣本在鼻梁處的壓痕面積略有減少，從原來的線狀壓痕變成點(diǎn)狀壓痕。在顴骨部分，壓痕顏色明顯變淺的4號、8號樣本舒適度分?jǐn)?shù)有所提高。但壓痕寬度明顯變窄的3號、9號樣本在顴骨處分?jǐn)?shù)反而降低。

表3 優(yōu)化前后面部壓痕對比與舒適度差值統(tǒng)計(jì)

綜上所述，在軟組織厚度較高的顴骨、臉頰區(qū)域，使用者對于壓痕深度更加敏感。在壓痕面積方面受試者傾向于分散式的均勻受壓，壓痕面積的減少會帶來壓力的集中，加深壓痕，降低舒適性。在軟組織厚度較低的額頭、鼻梁部分，舒適性相關(guān)因素主要為壓痕寬度和壓痕面積，壓痕深度次之。大面積的“硬碰硬”會加重使用者對于壓迫感的關(guān)注。因此，護(hù)目鏡的適配性設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)不同面部區(qū)域軟組織厚度區(qū)別考慮。

5 結(jié)論

本文結(jié)合人體頭面部三維數(shù)字化模型與主觀性舒適性測試對現(xiàn)有3M品牌護(hù)目鏡進(jìn)行了適配性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究發(fā)現(xiàn)：

(1)護(hù)目鏡造成的壓痕主要分布在額頭、鼻梁與顴骨三處。額頭處壓痕最為明顯，顴骨與鼻梁處會受到護(hù)目鏡與醫(yī)用防護(hù)口罩雙重壓迫。

(2)護(hù)目鏡在兩側(cè)寬度、鼻托高度方面存在適配性問題。前者加重額頭前端壓力的集中。后者與口罩鼻夾存在干涉與空隙兩種情況，干涉情況下會加大鼻梁處壓迫。此外，口罩可緩沖護(hù)目鏡下邊緣對顴骨的部分壓力。

(3)在主觀舒適性方面，對于軟組織厚度較高的顴骨、內(nèi)臉頰等處，分散式的均勻受壓更優(yōu)。相反，在軟組織厚度較低的鼻梁、額頭等處，減小壓痕面積與壓痕深度更為重要。

(4)頭面部醫(yī)用防護(hù)用品的適配性設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)人體面部區(qū)域、面部曲率和面部軟組織厚度進(jìn)行權(quán)衡考慮。

本文為小樣本研究，后續(xù)研究可根據(jù)更多樣本擴(kuò)充頭面部數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行更具普適性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并逐步建立頭面部醫(yī)用防護(hù)用品適配性設(shè)計(jì)的參考標(biāo)準(zhǔn)。