女性老年人髖關節抗沖擊保護褲裝的設計開發

于曉坤，關娟娟，羅 洋

(1. 東華大學a.服裝與藝術設計學院;b.現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海200051；2.天津科技大學 藝術設計學院，天津300457)

老年人幾乎95%的髖部骨折是由跌倒造成的[1]。相比昂貴的治療費，髖部保護產品[2-3]可有效降低摔倒后髖部骨折的發生率，通過將具有震動吸收功能的材料整合在特殊設計的服裝或紡織品中，以吸收來自跌倒或物體沖撞而突然引起的沖擊力震動[4]。目前，商用髖部保護產品多為貼身穿著的緊身內褲，兩側髖關節部位裝有可拆卸的防護墊，但其穿脫便利性和產品依從性較差，致使用戶不愿意穿著或者穿著時間短，使得該產品的應用受到限制。少量商用髖部保護產品為外穿型[5]，需穿在外褲的外面，造型突兀，難以和日常穿著服裝搭配，美觀性較差。

女性屬于易發生髖部骨折的群體，但市面上專門針對女性老年人日常穿著的髖部保護產品很少。本文將調研所獲得的用戶穿著需求轉化為具體服裝設計制作解決方案，進行女性老年人髖關節保護日常服裝的設計開發和跌倒保護測試，在滿足保護功能性需求的同時解決目標群體在日常穿著過程中遇見的問題。

1 用戶需求分析

深入用戶日常生活場景，圍繞10項日常活動內容進行深度訪談，從用戶穿著過程中遇到的需求和問題入手，分析和確定抗沖擊髖關節保護褲裝的設計要素。通過線下走訪，采取一對一問答形式對目標人群進行15～20 min的訪談。訪談問題項結合Clothing Taskscape[6]的10項內容，包括選擇、購物、穿脫、如廁、盥洗、吃飯、睡覺、鍛煉、護理以及存儲，共設置10項問題。通過深入穿著者的日常生活，并對服裝的功能設計提出要求，為本文探索服裝功能屬性提供了切實可行的思路。

采用靈動性非隨機取樣法選取樣本，共26名60～89歲的女性，其中，8名來自東華大學，5名來自老年大學，13名來自江蘇省新星苑社區中心。

應用扎根理論收集歸納和分析訪談資料。扎根理論可以從產品最終用戶的角度歸納總結要點，研究過程包括開放式編碼、主軸編碼和選擇式編碼3個階段。開放式編碼是指對收集到的資料進行整理并提取包含需求的語句，最終得到原始語句130條。主軸編碼是指建立各原始語句的內在聯系，最終形成38個初始概念。選擇性編碼是指根據不同初始概念之間的關系和邏輯次序進行歸類，得到功能、美學、表現及自我實現4個主要的需求范疇[7]。根據這4種需求建立4級需求層次模型，如圖1所示。

圖1 需求層次模型Fig.1 Hierarchy model of requirements

2 服裝設計方案

從深度訪談的資料中了解到，77%訪問對象對市場上髖部保護產品的接受度較低，其中65%認為有壓迫感，70%認為外觀上保護墊太過突出，還有54%額外關注膝部保護產品。因此，本文以日常褲裝為切入點，同時應用髖部及膝部保護墊，并兼顧保護褲裝的穿著舒適性和保護功能性。基于需求層次模型的前3級制定設計方案(見表1)，以提出具體的服裝設計方法。

表1 髖部保護褲裝的設計方案

(續表)

3 髖部保護襯墊設計

3.1 材質及厚度選擇

選用常用的6種軟質緩沖材料，即海綿、彈力棉、丁苯橡膠(styrene butadiene rubber，SBR)、乙烯丙烯二烯單體(ethylene propylene diene monomer，EPDM)、氯丁二烯橡膠(chloroprene rubber，CR)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(ethylene-vinyl acetate copolymer，EVA)，進行材料抗沖擊性能測試。

試樣厚度為5、10、15、20和25 mm，尺寸為100 mm×100 mm，采用Instron Dynatup 2950型落錘沖擊試驗儀進行試驗，其中落錘沖擊頭采用半球形沖擊頭，直徑為25 mm，落錘質量m=7.293 kg。在其他條件不變的情況下，設定落錘高度為51 mm，初始速度為1 m/s[8-9]。根據能量守恒定律，得出落錘瞬時初始沖擊能量為最大沖擊動能，即沒有任何緩沖時的初始沖擊能量為3.65 J。沖擊試驗時試樣放置在氣動夾持器上，脈沖數據采集系統共捕獲8192個數據點。每個試樣進行5次試驗，結果求取平均值。

圖2 不同材料試樣的能量吸收情況Fig.2 Energy absorption of different material samples

不同材料的不同厚度試樣吸收能量如圖2所示。由圖2可知，材料吸收的能量隨材料厚度的增加而增加，表明緩沖性能不斷增加，但是當厚度超過20 mm后，緩沖性能趨于平緩，EVA的緩沖性能在材料厚度約為20 mm時達到最佳且趨于穩定。此外，針對商用款部保護產品的調研結果表明，緩沖材料的厚度為15～22 mm的產品約占69%。綜合考慮之下，本文選擇厚度為20 mm的EVA作為保護襯墊的材料。

3.2 形態設計

形態設計考慮兩方面：一是覆蓋面積的尺寸大小；二是符合人體髖部曲面。文獻[9-10]研究表明，人體股骨大轉子區域是重點保護的位置。選擇腰圍為78 cm、臀圍為94 cm的女體模特，采用石膏復模法獲取人體股骨大轉子區域的曲面形狀，即結合髖關節的理論位置與實際位置確定保護區域，然后將薄膜貼服于人體髖關節所在區域，用石膏輕輕涂覆在薄膜表面上，待石膏變干剝離后得到人體體表形狀的硬質復制品。這種方法有助于把握人體的形態以及測量人體體表尺寸和形狀變化[11]。石膏復模過程見圖3。

(a) 確定位置

(b) 涂抹石膏

(c) 石膏模型

通過分析石膏模型尺寸獲得特征數據，然后模擬石膏模型形態，用EVA材料設計制作護墊。其中，護墊的長度取17 cm，寬度取15 cm，厚度取2 cm，則其凹立面的深度為2.3 cm，如圖4所示。

(a) 俯視圖

(b) 主視圖

4 服裝設計與制作

4.1 功能設計

(1)保護功能性設計：髖部為主要保護部位，膝部為次級保護位置。通過試穿試驗確定髖部大轉子區域的服裝結構數據，確定緩沖材料放置位置。將髖關節保護墊放入外置的口袋中，周圍用魔術粘貼定位以減小保護墊滑移程度，且髖部周圍尺寸設計需較為合體，避免移動范圍太大而影響保護效果。膝蓋部位使用防滑的可調節松緊帶，老年人在活動的時候可根據自身情況自由調節膝部圍度。

(2)隱蔽性和活動舒適性設計：髖部設計立體口袋，膝部設計貼袋，保護墊置入后，對人體沒有壓迫感。人體下半段軀干處于運動狀態時，髖部的動靜態形態幾乎不發生變化，膝部主要為縱向形態變化，而老年人的膝部更為突出。因此為滿足活動舒適性要求，在膝部采取立體彎曲設計，以增加膝部的縱向松量。

(3)穿脫方便性設計：由于老年人身體機能減弱，四肢關節活動能力減弱，對穿脫方便性有一定要求，因此褲裝腰部設有松緊帶。為使讓使用者輕松拆卸保護袋，保護墊外部采用有拉手袢的拉鏈設計。

4.2 款式設計

在分析深度訪談資料中發現，目標人群喜歡穿著寬松舒適的休閑居家褲，而且跌倒易發生的生活場景主要分為外出和家中活動過程中，比如外出購物、在家做家務，但在鍛煉期間反而不易發生摔倒，這可能與鍛煉期間身體素質和心理警惕有關系。綜合考慮需求進行功能褲裝款式設計，如圖5所示。細節說明如下：(1)整體較寬松，腰部松緊帶設計，4片分割為滿足髖部保護襯墊置入和膝部彎曲前后褲片的長度差異處理；(2)為隱藏髖部襯墊突出外觀，在髖部設計有褶裥的羅馬裝飾立體袋；(3)為彌補膝關節部位加入保護襯墊外觀突出以及老年人走路時腿部本身的彎曲，褲子設計為前長后短，即加長前褲片以掩蓋膝關節部位突出的部分，最終制成立體彎曲的褲裝。

圖5 功能褲裝款式圖Fig.5 Sketch of developed functional pants

4.3 尺寸規格與結構設計

結合老年女性體型變化特征，本設計采用160/80A尺碼進行規格設計，結合筆者課題組前期針對中老年女性體型的相關測量分析成果[12]進行尺寸設計，經3次試樣修正，得到髖關節保護褲裝的相關成品規格尺寸，如表2示。

表2 尺寸規格表

本文設計的功能褲裝結構圖如圖6所示。為最大限度提高褲裝的運動舒適度，采用側縫拼接的方法進行褲身結構設計[13]。通過加大襠部寬度、增加內襠縫傾斜角設計量來提高穿著舒適度。根據3.2節確定的髖部大轉子區域位置，通過試穿試驗確定此區域位置的服裝結構數據，從而確定緩沖材料放置位置，并結合側部暗袋的設計在暗袋兩側設計貫穿褲身的分割線。考慮膝部前側放置的防護墊以及膝部活動彎曲量，在前褲片中檔位置通過縱向分割拉展2 cm，以增加膝部活動松量。

圖6 服裝結構圖Fig.6 Pattern of garment

4.4 成衣制作

試穿時，觀察服裝整體外觀以及尺寸合體性，護具與服裝配置是否統一，以及護具是否覆蓋保護區域。經3次試穿，修正腰部尺寸、側縫位置、髖部立體口袋大小和膝部保護襯墊的放置位置，根據修正后的紙樣圖，用黑色毛滌針織面料進行成衣制作，成品試穿效果如圖7所示。由圖7可以看出，髖部與膝蓋部位的保護襯墊覆蓋住了髖關節和膝蓋骨，可滿足遮蔽性要求。

(a) 紙樣圖

(b) 試穿效果

5 跌倒保護測試

5.1 試驗裝置設計與原理

本試驗通過側向摔倒試驗，驗證此款髖關節保護服裝的抗沖擊力學性能效果。利用壓電薄膜傳感器、電荷放大器、低噪聲線性穩壓電源和示波器搭建測量裝置，如圖8所示。PVDF(polyvinylidene fluoride)壓電薄膜傳感器是一種可將機械能轉換電能的動態應變傳感器，其具有輕薄、柔軟以及對力的變化敏感等特點，因此可將其直接固定在人體皮膚上，以測試摔倒狀態下髖部的受力情況。電荷放大器能夠將壓電薄膜傳感器輸出的微弱電荷信號轉化為放大的電壓信號。電荷放大模塊在使用過程中需供電，同時選用低噪聲線性穩壓電源進行降噪，電荷放大器的輸出偏置電壓為1.25 V。電路的輸出設備為InfiniiVision MSOX4104A型示波器。

(a) 電路連接原理

(b) 電路連接

5.2 模擬摔倒試驗

鑒于老年人的身體情況不適合做模擬摔倒試驗，選擇體型相似的5名青年進行試驗，其年齡為(25±2)歲、體質量為(60±5)kg、身高為(163±5)cm、腰圍為(78±4)cm、臀圍為(96±4)cm。試驗過程中，受試者均采用側向姿勢跌倒進行預跌倒試驗(見圖9(a))。具體方法：用膠布將壓電薄膜傳感器固定于人體大轉子部位(見圖9(b))，以測量大轉子受到的沖擊力；然后進行預試驗，試驗中觀察測試數據是否穩定，受試者是否有不適感或皮膚表面是否有淤青擦傷，若無任何異常進行下一步正式試驗；受試者分別在無護具、本研究開發的褲裝和SHK-6010(一款防護性能較好的商用髖部產品)著裝狀態下進行跌倒試驗，每個著裝狀態下進行5次平行試驗，去除最高值和最低值，中間做適當調整和休息。記錄數據并求取平均值。

(a) 跌倒姿勢圖

(b) 髖部測量位置示意圖

5.3 結果與分析

試驗所得數據為電壓值，根據式(1)計算得到電壓值對應的壓電薄膜傳感器受到的沖擊力值。

F=(U-Up)×K/Ks

(1)

式中：F為髖部壓電薄膜傳感器受到的沖擊力，N；U為傳感器輸出電壓，V；Up為電荷放大器偏置電壓，為1.25 V；K為電荷放大器的電荷/電壓轉換倍數，10 000 pC/V；Ks為壓電薄膜的電荷/力轉換倍數，為33 pC/N。

壓力薄膜傳感器的面積S1為3.7 cm2，人體髖關節大轉子面積S2為8.0 cm2，通過式(2)計算大轉子所受到的沖擊力。

F1=F×S2/S1

(2)

式中：F1為髖部大轉子受到的沖擊力N。

通過計算得到不同受試者在不同保護狀態下髖部受到的沖擊力峰值均值及保護效果。相比無護具時所受到的沖擊力為1 724.49 N，穿著SHK-6010內褲時沖擊力為1 383.78 N，保護效果為19.76%；穿著筆者課題褲裝的沖擊力為1 208.45 N，保護效果為29.92%。相比SHK-6010內褲，本文設計的保護褲裝的抗沖擊效果提高了12.67%。

在其他影響因素固定情況下，對不同保護狀態與沖擊力的影響進行統計分析。KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和Bartlett檢驗結果如表3所示。其中KMO檢驗用于比較變量間的相關系數，KMO=0.724>0.7，表明保護狀態與峰沖擊力間存在較強相關性。采用兩配對t樣本檢驗法對不同狀態下峰沖擊力進行兩兩比較，結果如表4所示。由表4可知，P值(Sig.)均小于0.05，表明無襯墊和保護組、SHK-6010組和保護褲裝組均存在顯著性差異，因此可認為本文所設計的褲裝具有顯著保護效果。

表3 KMO和Bartlett檢驗結果

表4 配對樣本相關系數

6 結 語

為解決髖關節保護服裝的外觀凸出、緊身壓迫等造成的不舒適穿著體驗，本文以老年女性用戶需求為中心，通過深度訪談探索用戶在不同日常生活場景中的需求與問題，應用扎根理論建立用戶在功能、美學、表現和自我實現的需求。結合服裝設計制作，將用戶需求轉化為髖部保護和褲裝設計制作的具體解決方案。通過市場調研和試驗驗證選擇厚度為20 mm的EVA作為保護襯墊材料，通過石膏復模法獲得髖部保護襯墊的形態和數據特征(高17 cm，寬15 cm，凹立面的深度約為2.3 cm)，解決了護墊的保護功能性問題。充分考慮服裝的保護功能性、隱蔽性、穿著舒適性以及穿脫方便性，在褲裝結構設計中進行分割拼合、剪開拉展，完成一款膝部彎曲且髖部立體口袋內設有EVA緩沖襯墊，適合老年女性日常穿著的保護褲裝。跌倒保護試驗結果表明，相比商用SHK-6010產品，本文所設計的抗沖擊褲裝的抗沖擊效果提高了12.67%。