兩種坐姿下身體壓力分布與坐姿舒適度研究

吳勘 門龍龍

（西安科技大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，陜西西安 710054）

現(xiàn)代工作環(huán)境下，辦公人員多數(shù)情況處于坐姿狀態(tài)，不同坐姿狀態(tài)下人體舒適感不盡相同，長時間持續(xù)不良坐姿會引發(fā)肌肉疲勞和下背部病痛問題危及骨骼系統(tǒng)[1]。良好的坐姿能夠使壓力適當(dāng)?shù)胤植荚诟骷棺倒侵g的椎間盤上，靜載荷適當(dāng)且均勻地分布在附著的肌肉組織上，目的就是減少久坐給人體造成的傷害。因此，不同坐姿狀態(tài)下身體壓力分布對于研究坐姿舒適度具有重要意義。體壓分布是研究坐姿舒適性非常有效的實驗方法與舒適度評價方法之一[2]，目前使用該系統(tǒng)對坐具各項特征的相關(guān)研究較多，為相應(yīng)的設(shè)計提供可觀的理論依據(jù)。為了量化表征體壓分布，徐明等[3]使用總壓力、平均壓強和不對稱系數(shù)等8 個體壓指標(biāo)，結(jié)合實驗驗證8 個指標(biāo)與舒適性的相關(guān)性較強。同時座椅的體壓分布和人體坐姿姿勢密切相關(guān)[4]。Looze 等[5]幾乎將所有研究坐姿舒適性的方法，用于坐姿舒適性的分析，最終發(fā)現(xiàn)體壓分布與主觀評價結(jié)果的相關(guān)性最顯著。周敏[6]結(jié)合主觀評價研究了不同坐姿下靜態(tài)體壓分布的情況，唐立華等[7]結(jié)合主觀評價與人體坐姿狀態(tài)的壓力分布測量，綜合分析人體坐姿的差異對坐姿舒適度的影響，并以人體工程學(xué)原理為基礎(chǔ)提出合理的坐姿建議和相應(yīng)的座椅優(yōu)化方法。文章使用人體壓力測試系統(tǒng)來關(guān)聯(lián)兩種不同坐姿對人體舒適度的影響，分析兩種常見坐姿形態(tài)與體壓分布指標(biāo)間的關(guān)系，并進一步明確兩種坐姿狀態(tài)下腰、臀、腿部疼痛與作用力的大小及分布間的關(guān)系；并根據(jù)實驗結(jié)果及人體工程學(xué)相關(guān)理論，提出合理的坐姿建議。

1 不同坐姿下的體壓測試

人體處于不同坐姿狀態(tài)下，體壓分布會有較大差異，體壓各項指標(biāo)的分布會直接反映人體坐姿的舒適性，且舒適性與體壓指標(biāo)間的相關(guān)性較強。例如，平均壓力能夠感知壓力刺激程度，最大壓力反映座面的軟硬度和坐骨結(jié)節(jié)的受力等。所以，文章使用體壓分布測試實驗進行驗證。

1.1 實驗方法

坐姿對人體舒適度的影響主要是通過分析人體壓力評估指標(biāo)來確定的。通過主觀和客觀評價相結(jié)合，確定舒適度與評價指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，以達到糾正坐姿的目的。

1.1.1 試驗條件及過程 受試者為男性3 名，女性2 名，平均年齡為24 歲，平均身高和體重分別為171.6cm 和57.4kg，其中兩名男性的體質(zhì)量相對較小，身體狀況良好。主觀評價根據(jù)語義微分法采用五級量表[8]，如表1。評價內(nèi)容主要是腰部、臀部、腿部以及由外部因素引起的情緒波動而產(chǎn)生的主觀感覺指標(biāo)。

表1 不同坐姿下受試者主觀評價表

實驗過程：①被試者按落座指令坐在座椅上，落座后保持直立坐姿進行學(xué)習(xí)，持續(xù)40min；然后記錄體壓數(shù)據(jù)，受試者每5min 填寫一次主觀評估表。②受試者坐下后找自己最舒適的休息坐姿，同①。③每一位受試者做完①后，適當(dāng)放松休息5～10min，再進行②。依次進行受試者的測試，直到實驗結(jié)束。

1.1.2 體壓分布 文章使用Tekscan 開發(fā)的壓力分布測量系統(tǒng)來測量人體的靜態(tài)壓力分布。壓力墊感測區(qū)域面積大小為471mm×471mm，內(nèi)含傳感器1 024 個，厚度約為1. 0mm，與座椅輪廓表面很好地貼合。根據(jù)實驗需要采樣頻率將設(shè)定為60.0Hz。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

（1）存儲實驗中獲取的數(shù)據(jù)，進行后期的計算和統(tǒng)計分析；

（2）40min 內(nèi)的最大壓力和最大壓力梯度等指標(biāo)直接由體壓分布系統(tǒng)讀??；

（3）主觀評價結(jié)果取被試評價結(jié)果的均值，與五級量表的評價內(nèi)容進行對比分析。

2 坐姿舒適度與壓力分布的關(guān)系

座椅對人體的影響主要表現(xiàn)為對人體的壓力刺激，即是一種作用力與反作用力，這種觸壓使人體獲得支撐的同時產(chǎn)生舒適或不舒適的感覺，人體這種感覺的舒適和不舒適與壓力的大小及分布有密切關(guān)系[9]。

2.1 兩種坐姿下座面壓力分布參數(shù)

收集并整理受試的實驗數(shù)據(jù)目的是獲得一系列定量指標(biāo)，用來對舒適性進行客觀評估。文章主要以最大壓力，最大壓力梯度，平均壓力，接觸壓力和平均壓強為指標(biāo)來評估兩種坐姿的身體壓力分布。

2.1.1 最大壓力 實驗中最大壓力受坐姿因素的影響極為顯著，因為最大壓力反映的是所有壓力測量點中的最大值以及座面的軟硬度和坐骨結(jié)節(jié)的受力大小，值越大說明座面材質(zhì)越硬，坐骨結(jié)節(jié)受壓越大。如圖1 所示，可看出直立坐姿的最大壓力大于斜倚坐姿，且最大壓力值的差距較大。對坐骨結(jié)節(jié)受壓程度的分析表明，在斜倚坐姿下坐骨壓力最小，直立坐姿較大。根據(jù)受試者體征參數(shù)和最大壓力，我們得知最大壓力與體質(zhì)量呈正相關(guān)，原因是計算出兩者的相關(guān)系數(shù)（相關(guān)系數(shù)按積差方法計算，以最大壓力和體質(zhì)量兩個變量與各自平均值的離差為基礎(chǔ)，通過兩個離差相乘來反映最大壓力和體質(zhì)量兩變量之間的相關(guān)程度），說明體壓分布不但受人體坐姿影響，還受受試者的個體參數(shù)，即體質(zhì)量的影響，體質(zhì)量越大最大壓力就越大。

圖1 兩種坐姿下的身體壓力

圖3 兩種坐姿40min 時的平均壓強、接觸面積

2.1.2 平均壓力 平均壓力是所有受壓點壓力的算術(shù)均值，對平均壓力最直接的影響是座椅表面的剛度，即座椅表面材料的柔軟性和硬度，并且極大地受到辦公椅座椅表面形狀的影響。如圖3 所示，反映出直立坐姿時，平均壓力對人體的刺激度較強烈以及臀部坐骨結(jié)節(jié)受壓程度較明顯。平均壓力越大，座面材質(zhì)越硬，臀部受壓越嚴(yán)重。臀部受壓程度分析表明直立坐姿時臀部壓力普遍較斜坐姿大。

2.1.3 接觸壓力

（1）當(dāng)人體處于坐姿時，它主要由腳、腿、骨盆和脊柱支撐，而軀干上部的大部分負(fù)荷由腰椎、骶骨和椎間盤來承擔(dān)。那么直立坐姿下主要是腰椎、骶骨和椎間盤承受人體上半身的所有負(fù)荷，若長時間處于這種坐姿時腰椎就會處于非正常的彎曲，會出現(xiàn)肌肉疲勞或骨骼系統(tǒng)勞損。斜倚坐姿下由臀部承擔(dān)人體上部分軀干的絕大部分負(fù)荷，座椅靠背承擔(dān)一部分負(fù)荷，出現(xiàn)肌肉疲勞或骨骼系統(tǒng)勞損較直立坐姿小。

（2）如圖1 所示，清晰看出被試者間的接觸壓力差距較大，且直立坐姿時的接觸壓力明顯大于斜倚坐姿；原因一是人體指數(shù)（體重、身高）是接觸壓力重要的影響因素，原因二是斜倚坐姿時人體上部分軀干的負(fù)荷絕大部分由臀部承擔(dān)，另外一部分壓力由座椅的靠背來承擔(dān)，所以斜倚坐姿時在坐墊上產(chǎn)生的壓力就比直立坐姿時小。

2.1.4 最大壓力梯度 壓力梯度反映了沿一定方向的壓力變化，對人體的影響主要是壓力梯度的大小和分布。最大壓力梯度越大，人體對壓力刺激的敏感程度就越大，舒適度就越低。人體的不同部位對壓力刺激的敏感度不同，如大腿內(nèi)側(cè)對壓力刺激非常敏感，坐骨結(jié)的附近非常脆弱?？陀^上需要合理的壓力梯度分布以適應(yīng)人體的生理結(jié)構(gòu)。

人體的生理結(jié)構(gòu)顯示，最大壓力梯度出現(xiàn)在人體臀部坐骨結(jié)節(jié)附近（如圖2 右所示），值越大表明座椅表面越硬，坐骨結(jié)節(jié)受壓程度就越大；另外座面材質(zhì)分布越合理壓力梯度值就越小。在實驗中，最大壓力梯度受座面的形態(tài)和坐姿的影響顯著。如圖2 左所示，坐姿舒適度的表現(xiàn)為斜倚大于直立。因為直立坐姿時最大壓力梯度出現(xiàn)了較大值，此時體壓產(chǎn)生突變，不適感增強，舒適度降低，受試者就會感到臀部不適。

圖4 斜倚、直立坐姿下面積體壓二維圖

2.1.5 平均壓強 平均壓強指單位面積上的力的算術(shù)均值。如圖3 左所示，看出被試者1、2、4 在直立坐姿時產(chǎn)生的平均壓強值小于斜倚坐姿，坐骨結(jié)節(jié)受壓明顯，此處會出現(xiàn)壓力的峰值，也易產(chǎn)生疲勞；3、5 則相反。原因是平均壓強與接觸面積成負(fù)相關(guān)，其BMI 指數(shù)較小（BMI 指衡量人體胖瘦的數(shù)字百分比，體重除以身高的平方），其直立坐姿接觸面積大于斜倚坐姿；對比直立與斜倚坐姿下的被試者接觸面積二維體壓圖就能很明顯看出（圖4）。

總之，當(dāng)接觸面積大時，意味著人體可以更好地適應(yīng)座椅的輪廓。因此，接觸面積越大人體越容易獲得座椅的舒適性。相反，接觸面積越小，舒適度越低。當(dāng)接觸面積小而接觸壓強大時，這意味著人體的局部壓強大，不適感增加。

2.2 壓力分布與坐姿

分析實驗數(shù)據(jù)表明，不同的坐姿使得人體壓力分布呈現(xiàn)顯著差異。在直立坐姿下，腰背部全無支撐，上身重量都由腰、臀部承擔(dān)，臀部總壓力增加，導(dǎo)致最大壓力梯度和平均壓力出現(xiàn)最大值。在傾斜的坐姿下，背部靠在椅背上，骨盆向后旋轉(zhuǎn)，壓力中心向后移動，身體重量移至腰部，坐骨結(jié)節(jié)的壓縮中心也向后移動，椅背起到支撐作用，分擔(dān)了身體的一部分重量使臀部與座面接觸壓力減少，所以臀部的總壓力就降低。斜倚坐姿時臀部與座面的接觸面積減少，平均壓力和最大壓力梯度降低，腰椎的負(fù)荷減輕。為了減小胸椎與腰椎的負(fù)荷，通常會增大身體軀干上半部分與大腿之間的角度。

研究表明，從生物力學(xué)和生理學(xué)角度看，坐姿隨椅背角度的變化而變化，并對身體產(chǎn)生顯著影響。椅背角度的增加會降低椎間盤的壓力，直立坐姿時椎間盤壓力是斜倚坐姿壓力的兩倍，這表明斜倚有利于減少就坐者的椎間盤壓力，同時也有利于減少臀部與座面的接觸面積，降低臀部肌肉平均壓力[10]。

根據(jù)上面的分析描述，腰部不適感在斜倚坐姿時最小，直立坐姿時最強烈；臀部的不適感在直立坐姿時最明顯，而在斜倚坐姿時最弱（圖5）。

3 兩種坐姿的比對分析

從坐姿舒適度與壓力分布的關(guān)系得知，各項體壓分布指標(biāo)與坐姿舒適性之間建立聯(lián)系，并且從不同的層面體現(xiàn)坐姿舒適性，每項體壓分布指標(biāo)都有自己適宜評價的關(guān)聯(lián)內(nèi)容。

3.1 問卷調(diào)研

（1）主觀評分

整體主觀評分隨實驗時間延長而呈下降的趨勢，但直立坐姿下降的速度明顯慢于斜倚坐姿，可見在工作、學(xué)習(xí)狀態(tài)下更適宜選擇相對長時間的直立坐姿，而在休息時就選擇斜倚坐姿。利用式（1）計算身體部位的得分，

表2 不同坐姿下主觀評價總的舒適度

（2）人體坐姿形態(tài)對比

通過回收的調(diào)查問卷知，保持直立、斜倚坐姿的極限時間如圖6 所示，直立、斜倚坐姿超過極限就會出現(xiàn)下圖錯誤的坐姿，對身體就會產(chǎn)生一定的傷害。

如圖7 左所示，錯誤坐姿會使腰椎扭曲變形，導(dǎo)致腰部疼痛，供血不足；如圖7 右所示，錯誤坐姿會使腰部曲線過度，導(dǎo)致腰椎前凸減少，椎間盤壓力增大，長時間持續(xù)會導(dǎo)致腰椎間盤退變加重。

3.2 坐姿相關(guān)性分析對比

圖5 直立（左）斜倚（右）坐姿下身體各部位的主觀評分值

圖6 直立、斜倚坐姿持續(xù)時間統(tǒng)計圖

圖7 上為直立錯圖，下為斜倚錯圖

（1）臀部與坐墊直接接觸，產(chǎn)生的各種不適感也直接受坐墊的壓力分布影響。根據(jù)受試者的描述，在直立坐姿實驗中，臀部不適主要有坐骨痛、發(fā)熱等；斜倚坐姿中，臀部不適主要是壓力集中在尾骨，尾骨壓強強烈、肌肉發(fā)麻。兩種坐姿相比，臀部在斜倚坐姿中更加舒適。

（2）腰部是上半身與臀部相連的部位，不適感表現(xiàn)為酸痛。腰部疲勞在斜倚坐姿時也較為嚴(yán)重，不會因比直立坐姿多一支撐點而得到較多緩解；相反，腰部起到支撐上半身的重量和控制上半身平衡的作用，導(dǎo)致酸痛感增加；而直立坐姿可以更好地減輕腰椎壓力。

（3）在直立或斜倚的坐姿下，身體對腿部的壓力遠(yuǎn)小于站立時的壓力，但是在長時間坐姿中，由于臀部的壓力，腿部血液循環(huán)不暢而產(chǎn)生麻木。根據(jù)受試者的反應(yīng)，在直立的坐姿實驗中，腿部出現(xiàn)大腿不適，小腿發(fā)麻；而在斜倚坐姿中，上述不適感得到了極大的改善。

4 結(jié)論

良好坐姿的條件是，壓力適當(dāng)?shù)胤植荚诟骷棺倒侵g的椎間盤上，靜載荷適當(dāng)且均勻地分布在附著的肌肉組織上。自然放松的斜倚坐姿，各體壓指標(biāo)最小，是舒適性最好的坐姿形式。

臀部是人體處于坐姿狀態(tài)下與坐具最直接接觸的部位，在斜倚坐姿中臀部舒適度評分較高，所以斜倚坐姿是長時間坐姿狀態(tài)中臀部感覺最舒適的坐姿；但在斜倚坐姿中腰部的疲勞嚴(yán)重，沒有因比直立坐姿多一處支撐而使疲勞程度得到緩解，相反，腰部更多地承擔(dān)了上半身的重量，使腰椎壓力增加，造成腰部酸痛程度加劇。直立坐姿中腰椎壓力較斜倚坐姿小很多，明顯減輕腰部酸痛，腰部疲勞得到很好地緩解。腿部在人體處于坐姿狀態(tài)下不承擔(dān)人體的主要平衡及支撐作用，其舒適度與坐姿形態(tài)的關(guān)系不顯著，卻易因血液循環(huán)受阻產(chǎn)生麻木感。坐姿舒適度與壓力分布間存在相關(guān)性關(guān)系將對基于人體工程學(xué)領(lǐng)域下的座椅的設(shè)計具有指導(dǎo)性意義。