坐具設計對青少年脊柱側彎的影響

王 鈁，馮 希

(1. 衡水學院 美術與設計學院，河北 衡水 053000；2. 燕山大學 工業設計系，河北 秦皇島 066004)

坐具設計對青少年脊柱側彎的影響

王 鈁1，馮 希2

(1. 衡水學院 美術與設計學院，河北 衡水 053000；2. 燕山大學 工業設計系，河北 秦皇島 066004)

座椅設計人性化對青少年骨骼發育有著非常重要的作用．根據青少年人體尺寸與成年人的區別以及動作域對日常行為和日常坐姿的影響，對青少年進行個性化定制，得到適宜青少年這一年齡階段發育的座椅設計．利用虛擬仿真技術更可以檢測設計的坐具產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于坐姿人體的數據，根據數據設計椅背弧線．此方式將大大提高座椅舒適性，減少因設計不良引起的身體不適，達到預前預后效果．

人性化設計；特發性脊柱側彎；坐具設計

青少年特發性脊柱側彎(AIS)是一種表現為脊柱旋轉不對稱的疾病，迄今為止病因不是很明確，這給它的早期干預、早期治療帶來了困難，大量的流行病學調查可以認為 AIS的發病率為 2%～3%．占整個脊柱側彎的80%．有關青少年脊柱側彎根據目前研究，誘發原因分為 4種：1) 褪黑素引起的脊柱發育畸形；2) 基因遺傳因素引起的畸形；3) 生物力學角度關于骨骼、肌肉以及終板結構畸形引發；4) 椎旁肌發育不均衡．作為設計學研究，對于因遺傳或褪黑素引起的病變不做過多陳述．通過對寄宿小學的學生志愿者肌電圖記錄日常作習時間內的坐姿的改變肌電圖活動記錄觀察，得到了日常作習下被測者肌肉靜疲勞程度與時間坐姿之間的關系，分析數據得到不同坐姿對被測者椎旁肌收縮力、疲勞程度的影響．比較現有坐具設計上的差異性，得到坐具設計上設計差異對坐姿的影響．

1 脊柱側彎與坐具的關系

1.1 影響人體坐姿形態的主要因素

1.1.1 坐姿舒適度的生理學影響

坐姿狀態下，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下呈自然彎曲的形態，以及緩解人體自身壓力所形成的反作用力，作用于坐骨結節．

當人體坐姿工作時，骨盆向后方傾轉，因而使背下端的骶骨也傾轉，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，并產生腰部酸痛等不適癥狀．由于腰椎幾乎承擔著人體的全部重量，并且要實現彎腰、側曲、扭轉等人體運動，所以最容易損傷或彎曲變形，因此，這部分是研究和設計的重點．如果座椅設計能讓人的腰部得到充分的支撐，使腰部恢復到自然狀態，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，良好的坐姿狀態下，脊柱所受壓力適當地分布于各椎間盤上，肌肉組織承受均勻的靜態負荷．

英國《福布斯新聞網》上發表的一項研究結果顛覆了這一傳統思維．在北美放射線學會的年會上，英國一個由放射線學者組成的小組通過核磁共振成像技術發現，長時間筆直坐著，會造成脊椎過度疲勞，使神經受到牽制，背部感覺很不舒服，從而導致背部慢性疼痛，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

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

脊柱的穩定系統分為 3部分：被動穩定系統、主動穩定系統和神經控制系統[1]，被動穩定系統包括椎體、椎間關節、關節囊、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力感應作用，并將應力的變化及時反饋至神經控制系統．神經系統對外來信號作出反應，通過主動穩定系統來達到穩定脊柱的目的．主動穩定系統包括所有參與脊柱穩定的軀干肌群，無論脊柱是靜止還是運動，它們都在神經系統的協調下共同維持著脊柱的穩定，因此脊柱的主動穩定系統即軀干肌群在脊柱的穩定中有著重要作用，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關系的研究發現，腹部肌群、椎旁肌與脊柱側彎有著緊密的關系[3]，發現長時間保持日常坐姿導致椎旁肌兩側肌力不均，一側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荷增加，可能導致椎旁肌失代償，影響椎旁肌群和腹部肌群收縮力，并影響其對脊柱的穩定作用，從而導致AIS[4]．

臨床骨科學認為，AIS的改變是漸進的過程，采取支具治療可以緩解AIS進展，改善病理變化，支具治療的目的是在曲線進展危險期內防止曲線的進展直到患者達到骨骼成熟．那么在未成年人骨骼成熟前實施干預，可以減輕和預防AIS的形成與進展[5]．未成年人坐具設計的改良會產生相應的預防與理療效應．

1.2 青少年日常規作息時間規律調查

通過調查，小學生的全天21.8%時間，大約5.25 h用于上課學習．而對9～14歲學生的脊柱側彎流行病學調查顯示．如果以 Cobb角＞5°為標準，AIS發病率約為 5%～15%；以 Cobb角＞l0°為標準，約為1.5%～3%；以 Cobb角＞20°為標準，約為 0.3%～0.5%；以 Cobb角＞30°，則為 0.2%～0.3%．目前，人們已經傾向于采取Cobb角＞10°[6-7]．為統一標準，因此，可以認為AIS的發病率約為1.5%～3%．如果睡眠時間按8.5 h/d計算，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．青少年日常上學每45 min休息10 min，但許多情況下，學生并沒有進行身體運動，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現：坐具的設計材質，尤其是表面材料對壓力分布有明顯影響．

2 坐具人性化設計減少脊柱側彎發生

2.1 坐面設計

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育期，身高、體重、下肢長度均有明顯差異，坐面設計盡可能貼合青少年身體發育特點為其量身訂制不同大小的坐面尺寸，然后與其他預置構件進行組裝可最大程度滿足不同年齡發育階段的青少年身體要求．

2) 坐面的力學支撐系統．當人體呈坐姿時，坐骨結節處壓力最強，支撐力應是以滿足最大支撐力，否則坐骨結節處塌陷加大了盆骨轉動角度，無法支撐整個身體重量．以往有關休閑沙發設計，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動角度，將致使腰部受力增加，一定程度上導致腰部椎旁肌失代償，引發脊柱彎曲病變．

3) 坐面表面材質．坐面材質需要考慮人體皮膚接觸舒適度，包括溫度、濕度、刺激度．運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，傳統材料，譬如，皮革、棉麻、藤類編織、優質木材等也具有相對較好的透氣性．根據上述原則，坐面表面材料設計可以選用目前泳裝塑型衣的設計方式，將織物表面的不同壓力分布以及支撐力的要求相結合，使用彈性模數不同的材料進行拼接構成平面，當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，從而達到坐姿舒適性效果．不同彈性模數的相同材質織物可以根據不同部位的彈力的彈性要求，改變織物的編織方向和織數，從而達到調節不同區域的彈力要求．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 椅背的設計

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

隨著仿生學深入工業設計，設計已經不能只停留于工業造型，而是深入到工業產品構造，從而影響工業造型．使設計產品功能優化，成為更為人性化的合理設計．目前美國尖端假肢設計已經利用對人體運動系統結合機械工程技術，制造出仿生人體上肢的輔助運動系統．利用模型研究人體的運動原理和規律，是人體運動研究的一個重要手段和有效工具．座椅設計的仿真技術將依賴于人體筋骨骼模型．試驗用人體模型都是三維的，所以又稱模擬人，或虛擬人．根據試驗要求的不同，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動形態、肌肉靜疲勞程度數據，可以根據數據分析設計產品造型．虛擬仿真技術更可以檢測設計的坐具產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于坐姿人體的數據，根據數據設計椅背弧線．此方式將大大提高座椅舒適性，減少因設計不良引起的身體不適．

總之，坐具設計在人們的身體健康中的地位是舉足輕重的，坐具設計的差異會引發坐姿的變化其所引起的椎旁肌肉負荷增加，可能導致椎旁肌失代償，影響椎旁肌群和腹部肌群收縮力，并影響其對脊柱的穩定作用，從而導致脊柱側彎，符合人體工程學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彎形成的概率．盡管經過科學研究制訂了有關“好”的坐具設計的標準，但真正要為廣大消費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計的改良，根據生物理學測定的壓力分布得到哪些坐姿會影響肌肉、骨骼、中板結構的發育，分析數據得到適合青少年骨骼發育的要求，根據青少年人體尺寸與成年人的區別以及動作域對日常行為和日常坐姿的影響，對青少年座椅進行個性化定制，得到適宜青少年這一年齡階段發育的坐具．

[1] Panjabi M M.The stabilizing system of the spine.Part 1.Function. Dysfunction[J].Adaption.and enhancement.J spinal Discord,1992(5):383-389.

[2] 劉邦忠,李澤兵.軀干肌在腰椎穩定性中的作用[J].中華物理學與康復雜志,2003,25(1):47-48.

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[9] 馬江彬.人機工程學及其應用[M].北京:機械工業出版社,1993:27-46.

[10] 沈翔.人機系統中的人體運動仿真及其應用[D].北京:北京航空航天大學博士學位論文,1995:23-26.

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

衡水學院科研基金課題(2009050)

王 鈁(1982-),女,天津人,衡水學院美術與設計學院教師；

馮 希(1983-),女,天津人,燕山大學工業設計系教師.