中國青年男性側睡睡枕高度相關因素研究

王笑語，楊蕾，陳順微，鄧倩囡，王雪琴

(浙江理工大學 紡織科學與工程學院(國際絲綢學院)，杭州 310018)

1 引言

人的一生中有三分之一的時間在睡眠中度過，科學舒適的睡枕有助于提高睡眠質量，促進健康睡眠[1]。不正確的睡眠姿勢會加重頸椎的壓力，從而導致頸椎疼痛、僵硬，頸椎疾病的惡化[2]。隨著生活水平的提高，中國青年男性身型整體數據也在變化。與此同時，快節奏的生活以及工作壓力的增加使人們對頸椎問題的重視度日益加大，因此促進頸椎健康睡枕的需求逐漸增加。當下，對于健康睡枕高度的研究正在深入，且多項實驗研究表明，側睡比仰睡更健康[3-4]。側臥位時,脊柱形狀越接近水平的自然狀態,內部擠壓力最小[5-6]，即人體面向方向上頭部枕后點、頸椎、脊椎呈直線時，更符合人體生理結構健康[7-8](圖1)。

圖1 側睡健康脊椎形態

許林海等人[9]測量68名成年人(年齡17-58歲，男26例，女42例)的肩寬及肩顴距，將肩顴距定為側睡高度，得到肩寬與側睡高度的公式。熊毅等人[10]對比了30名志愿者(年齡22-30歲，男女各15例)側睡高度0 cm、10 cm、20 cm時的頸胸段脊柱曲度參數，認為健康側睡枕高應在10 cm附近。周毅強等人[11]通過三維有限元法分析比較不同高度下1名25歲健康男性(身高172 cm，體重65 kg)側臥位時頸椎間盤應力大小，發現枕高為17 cm頸椎近似中立位，此時頸椎間盤應力最小。祝杭琪等人[12]通過測量90名青年女性的肩顴距，將側睡高度分為小(9.5 cm)、中(10 cm)、大(11 cm)三種。

目前研究普遍認為側睡高度與身體尺寸有關，但不同年齡、性別的人群體型有明顯差異[13]，針對上述不同人群的側睡高度探究卻寥寥可數，因此本文主要針對青年男性進行體型及側睡睡枕高度相關性研究，通過對201名青年男性的身體數據及側睡數據的采集，通過SPSS軟件進行數據處理及分析，根據數據結果對青年男性側睡枕高設計提出建議。

2 側睡枕高分析

2.1 側睡枕高理論模型

側睡主要分為側臥與半側臥兩種[14]，本文只研究側臥時的高度。

側臥時，由于人體上半身呈倒三角形狀(見圖2)，肩寬大于胸寬，脊椎與床面具有一定的傾斜角度。根據幾何關系，該角度直接影響了側睡時頸椎所需健康生理高度。側睡傾斜角由一個主要因素以及三個次要因素決定。主要因素為人體自然形態下的肩部寬度與胸部寬度。由于側睡時肱骨向內旋轉，鎖骨不動，最大肩寬變小，肩寬不變，肩部寬度取決于骨骼肩寬(圖3)。次要因素為(1)自身重力影響，側臥時肩部寬度與身體寬度略小于自然形態；(2)床墊緩壓影響，床墊的緩壓效果使側臥時自身重力對身體寬度影響減小；(3)床墊下陷影響，床墊的下陷深度使幾何意義上決定脊椎傾斜角的肩部寬度及身體寬度變小。理想化密度的床墊可使側睡時頸椎保持水平，而在沒有彈性的床板上脊椎傾斜角度完全由生理形態及自重導致的身體壓縮決定。因此本文通過無床墊、低彈薄床墊、高彈厚床墊影響下的側睡高度，討論不同睡眠環境下的側睡健康枕高范圍以及高度設計公式，為睡枕設計提供參考。

圖2 側睡枕高計算肩寬

如圖2所示，AB為二分之一肩寬，B’為AB至床墊壓陷最低處水面平交點，A點沿頸椎向下20 cm處為C點，CD為C點處二分之一身寬，CD’為側躺時著床一側半身寬實際距離，E為鼻根點，EF為眼睛水平面上二分之一頭部寬度，G為側躺時EF延長線至床面交點處，d1為側躺時著床一側床面至B’的下陷深度，d2為側躺時著床一側床面至D’的下陷深度，α為側睡脊椎傾斜角，h為側睡生理健康高度。

由圖中幾何關系可得h表達公式：

h=FG*cosα(1)

其中：

FG=AB'+AE*tanα-EF-d1

(2)

(3)

(4)

2.2 主要因素分析

側睡傾斜角的主要影響因素為二分之一肩部寬度與二分之一胸部寬度，其中二分之一肩部寬度AB由201名青年男性基本數據采集直接測量得到，二分之一胸部寬度CD通過身型測量擬合實驗得到。

如圖4所示，被測量者放松直立，將左手搭于右肩以模擬側睡身體形態。測量左半肩寬AB、點A懸垂向下20 cm，C點處至身體左側水平距離CD。

圖3 肩寬與最大肩寬 圖4 未知參數CD測量

本實驗共采集采集93人，使用SPSS軟件進行初步處理，去除異常值后保留有效數據82人，有效率88.17%。AB偏度0.366，峰度-0.721；CD偏度0.581，峰度-0.045。上述偏度及峰度均小于一，可認為數據呈正態分布。

通過皮爾遜相關性分析，半個肩寬(AB)與半個身寬(CD)的相關性0.928，且P值小于0.05 ，具有統計學意義。通過線性擬合，得到半個肩寬(AB)與半個身寬(CD)公式，R方0.861。

CD=0.92*AB-2.59

(5)

2.3 次要因素分析

針對身體自重及床墊緩壓、下陷對脊椎傾斜角α的影響，設計如下實驗：

被測試者分別側躺于無床墊光潔床板、2.2 cm厚低彈針織間隔織物床墊、4.5 cm厚高彈3D打印床墊上(見圖5、圖6)，頭枕高度為12 cm，記錄數據內容如表1。

表1 側躺實驗記錄項目

圖5 2.2 cm厚低彈床墊 圖6 4.5 cm厚高彈床墊

參考公式(1-2)，側睡生理健康枕高主要影響因子為肩寬，因此本次實驗共測7名青年男性，肩寬分別位于青年男性身體數據測量數據中14.87%、26.67%、42.56%、47.69%、75.90%、75.90%、75.90%，基本滿足四分位測量需求。

圖7 肩寬長度變化 圖8 身寬長度變化

分別對肩寬、身寬做不同測試條件下的長度繪制折線圖(圖7、圖8)并進行相關性分析(表2、表3)。

表2 肩寬在不同測試條件下的長度相關性

表3 身寬在不同測試條件下的長度相關性

肩寬變化在無床墊時無明顯相關性，71.43%的數據集中于18cm，其余二人分別為18.5 cm、19.0 cm；低彈薄床墊時無明顯相關性，71.43%的數據集中于18cm，其余二人分別為17.5 cm、18.5 cm；高彈厚床墊時與體重相關性系數為0.917，且P值小于0.05，具有統計學意義。將AB3’與體重M進行線性擬合得到公式(6)，R方為0.787。

AB3'=0.08*M+13.36

(6)

身寬變化在各條件下相關系數均高于0.850，且P值均小于0.05，具有統計學意義。通過SPSS軟件分別將CD1’、CD2’、CD3’分別與CD進行線性擬合，得到關系公式(7-9)，R方分別為0.940、0.854、0.804。

CD1'=0.79*CD+2.54

(7)

CD2'=0.65*CD+4.75

(8)

CD3'=0.79*CD+2.69

(9)

如圖9所示，高彈厚床墊下陷深度較為均衡穩定，肩部下陷深度d13恒為2.5 cm，身側D’點下陷深度d23測量中85.7%的數據集中在2 cm，其余一人為2.2 cm。而低彈薄床墊下陷深度變化幅度較大。通過SPSS軟件分析身高、體重、AB、CD、AB2’、CD2’、d12、d22雙變量相關性，如表4所示：(1)肩部下陷深度d12與體重相關系數為0.925，且P值小于0.005，相關性顯著且具有統計學意義，但與肩部自然寬度AB、著床一側肩部寬度AB2’無明顯相關性；(2)身側D’點下陷深度d22與體重、CD、CD2’相關性系數分別為0.889、0.908、0.815，其中與CD的相關性分析中P值為0.005，具有統計學意義；(3)肩部下陷深度d12與身側D’點下陷深度d22相關性系數為0.962，且P值小于0.005，具有統計學意義。

圖9 不同床墊體壓下陷情況

表4 身體數據與低彈薄床墊壓縮數據相關性分析

通過SPSS軟件將CD與d22、d22與d12分別進行線性擬合，得到公式(10-11)，R方分別為0.771、0.953。

d22=0.14×CD-1.61

(10)

d12=0.92×d22+0.33

(11)

3 側睡枕高計算

3.1 眼高與肩高差AE擬合分析

經第二節側睡枕高分析及影響因素分析，針對未得到參數眼高與肩高差AE進行擬合分析。根據國家標準中國成年人人體尺寸[13]提供的18-25歲男性身高、眼高、肩高百分位數據分析，身高與眼高、肩高的皮爾遜相關性均為1，且P小于0.05，具有統計學意義。通過線性回歸擬合分析，得到眼高h2、肩高h3分別與身高h1的公式。R方分別為1.000，0.999。

h2=0.98×h1-8.18

(12)

h3=0.93×h1-20.24

(13)

由此得到AE距離：

AE=0.050×h1+12.06

(14)

3.2 青年男性身體數據測量

通過上述影響因素分析及公式擬合，可認為側睡生理健康枕高由身高h1、體重M、肩寬2AB、眼睛水平面上頭部寬度2EF及床墊決定。為探求當代青年男性側睡生理健康高度分布情況，本實驗共測量201名青年男性的身高、體重、肩寬、眼睛水平面上頭部寬度數據，使用SPSS軟件進行預處理，去除異常值后(見表5)保留有效數據192人，有效率95.5%。

表5 身體數據異常值統計

3.3 側睡枕高公式

根據上述參數分析及擬合公式，可得到：

(1)無床墊時影響側睡生理健康枕高的因素為身高、肩寬、眼睛水平面上頭部寬度、自重導致側躺著床一側身體壓縮，即無床墊時影響側睡生理健康枕高ha，如公式(15)所示。

(2)低彈薄枕墊時影響側睡生理健康枕高的因素為身高、肩寬、眼睛水平面上頭部寬度、自重及床墊緩壓影響的身體壓縮、床墊下陷深度，即低彈薄枕墊時影響側睡生理健康枕高hb，如公式(16)所示。

(3)高彈厚枕墊時影響側睡生理健康枕高的因素為身高、肩寬、眼睛水平面上頭部寬度、自重及床墊緩壓影響的身體壓縮、床墊下陷深度，即高彈厚枕墊時影響側睡生理健康枕高hc，如公式(17)所示。

(15)

(16)

(17)

3.4 實例驗證

為證明上述公式合理性，尋找三名身高、體重、肩寬、最大肩寬處于201名中國青年男性數據庫中25、50、75分位附近的志愿者進行實例驗證，身體數據如表6所示。

表6 志愿者身體數據

如圖10，在志愿者脊柱C4、T1、T4、T6、T8處背部做標記。通過公式(15-17)分別計算在無床墊、低彈薄枕墊、高彈厚枕墊上所需側睡高度。志愿者分別躺在不同床墊環境中，通過調整硬紙板厚度模擬側躺時睡枕壓縮后的實際枕高。使用佳能(EOS M6)相機在固定位置上拍下三種環境照片，如圖11。

圖10 背部標記 圖11 側睡模擬照片

將照片于Adobe Illustrator軟件中進行脊柱點的描繪，如圖12。三種床墊環境上三名志愿者脊柱均趨于直線，與本文設想基本相符。

圖12 三種床墊上的脊柱形態

3.5 側睡枕高計算

結合201名青年男性身體數據庫，得到在無床墊、低彈薄床墊、高彈厚床墊上所需側睡生理健康高度，頻數分布如圖13所示。

圖13 不同床墊所需枕高分布

K-means聚類方法通過樣本進行聚類，通常可以應用于維數、數值都很小且連續的數據集，需在明確類別數量下使用。為符合市場需求，本文通過SPSS軟件對不同床墊所需枕高分別進行3階K-means聚類分析，結果如表7所示。

表7 三種床墊上的側睡高度聚類中心

4 討論

4.1 主要因素分析

側睡生理健康枕高主要因素為人體自然形態下的肩部寬度與胸部寬度。根據未知參數CD確定實驗，肩部寬度與胸部寬度相關性系數為0.928，因此結合公式(5)，在設計產品時，可以通過僅調查消費者肩寬，來估算消費者肩部與胸部的形態。

4.2 次要因素分析

(1)在次要因素影響分析實驗中，由圖7、圖8可以發現側睡時由于自身重力影響，著床一側肩部寬度及身體寬度均有縮小，但縮小幅度隨著床墊彈性及厚度的增加而減小。上述結論同樣可以通過圖9證明，隨著床墊彈性及厚度的增加，脊椎傾斜角變小，所需睡枕高度變小。

(2)在無床墊與低彈薄床墊條件下，多數測試者肩寬趨于相近的范圍內，但在高彈薄床墊條件下肩寬數據分散并與體重相關系數為0.917。基于上述現象可猜測當床墊緩壓效果較差時，由于自重影響，肌肉及骨骼壓縮至某臨界值附近，隨著床墊緩壓效果提高，自重影響減輕，肌肉及骨骼壓縮變小。但同時不排除樣本量較小、樣本間體重相差較小因素導致，因此在后續需通過大樣本測試進行研究分析。

(3)在各床墊條件下，胸寬壓縮不同于肩寬壓縮，相關系數均高于0.850，可認為由于胸部骨骼結構穩定，不同于肩部骨骼靈活，因此壓縮具有一定規律。

(4)在床墊下陷測試中，由于床墊材料、厚度、彈性的不同，低彈薄床墊形變能力與身體寬度有關，肩部與胸部下陷深度差值在0.2 cm～0.3 cm之間；高彈厚床墊形變穩定，肩部與胸部下陷深度差值在0.3 cm～0.5 cm之間。可考慮肩部與胸部下陷深度差值與床墊彈力有關，而不同材質床墊影響了總體下陷深度。根據公式(16)、(17)，在實際設計工作中，在床墊因素中可以以下陷深度為主要考慮因素。

4.3 側睡枕高分析

以201名青年男性的身體數據計算在三種不同床墊條件下的側臥生理健康枕高，并通過K-means聚類分析，各分為小、中、大三種高度尺寸，如圖14。

圖14 不同床墊所需枕高分布

5 總結

基于當下市場現狀對產品型號數量的要求及對消費者個人睡眠習慣信息的獲取限制，綜合不同床墊環境下的睡枕高度聚類中心及聚類中心四分位，推薦設計側睡生理健康枕高：小號(12.5 cm)，中號(13.5 cm)，大號(14.5 cm)。上述高度為實際需要高度，即睡枕壓縮后高度。與祝杭琪[12]等人對于青年女性側睡枕高設計相對比，青年男性整體側睡高度高于女性約3 cm，該結論可用男性身型較大于女性解釋(見圖15)。

圖15 青年男性與女性側睡高度對比