坐具设计对青少年脊柱侧弯的影响

王 钫，冯 希

(1. 衡水学院 美术与设计学院，河北 衡水 053000；2. 燕山大学 工业设计系，河北 秦皇岛 066004)

坐具设计对青少年脊柱侧弯的影响

王 钫1，冯 希2

(1. 衡水学院 美术与设计学院，河北 衡水 053000；2. 燕山大学 工业设计系，河北 秦皇岛 066004)

座椅设计人性化对青少年骨骼发育有着非常重要的作用．根据青少年人体尺寸与成年人的区别以及动作域对日常行为和日常坐姿的影响，对青少年进行个性化定制，得到适宜青少年这一年龄阶段发育的座椅设计．利用虚拟仿真技术更可以检测设计的坐具产品造型是否符合虚拟人体坐姿情景下人性化程度，从而得到最为有效的关于坐姿人体的数据，根据数据设计椅背弧线．此方式将大大提高座椅舒适性，减少因设计不良引起的身体不适，达到预前预后效果．

人性化设计；特发性脊柱侧弯；坐具设计

青少年特发性脊柱侧弯(AIS)是一种表现为脊柱旋转不对称的疾病，迄今为止病因不是很明确，这给它的早期干预、早期治疗带来了困难，大量的流行病学调查可以认为 AIS的发病率为 2%～3%．占整个脊柱侧弯的80%．有关青少年脊柱侧弯根据目前研究，诱发原因分为 4种：1) 褪黑素引起的脊柱发育畸形；2) 基因遗传因素引起的畸形；3) 生物力学角度关于骨骼、肌肉以及终板结构畸形引发；4) 椎旁肌发育不均衡．作为设计学研究，对于因遗传或褪黑素引起的病变不做过多陈述．通过对寄宿小学的学生志愿者肌电图记录日常作习时间内的坐姿的改变肌电图活动记录观察，得到了日常作习下被测者肌肉静疲劳程度与时间坐姿之间的关系，分析数据得到不同坐姿对被测者椎旁肌收缩力、疲劳程度的影响．比较现有坐具设计上的差异性，得到坐具设计上设计差异对坐姿的影响．

1 脊柱侧弯与坐具的关系

1.1 影响人体坐姿形态的主要因素

1.1.1 坐姿舒适度的生理学影响

坐姿状态下，支撑人体的主要是脊柱、盆骨、腿和脚，对于椅背的舒适度研究而言，我们主要研究的是怎样的椅背能使人的脊柱在坐姿状态下呈自然弯曲的形态，以及缓解人体自身压力所形成的反作用力，作用于坐骨结节．

当人体坐姿工作时，骨盆向后方倾转，因而使背下端的骶骨也倾转，使脊柱由S形向拱形变化，这样使脊柱的椎间盘受很大压力，加速疲劳，并产生腰部酸痛等不适症状．由于腰椎几乎承担着人体的全部重量，并且要实现弯腰、侧曲、扭转等人体运动，所以最容易损伤或弯曲变形，因此，这部分是研究和设计的重点．如果座椅设计能让人的腰部得到充分的支撑，使腰部恢复到自然状态，那么疲劳就会延缓，使人获得轻松舒适感．正常的姿势下，脊柱的腰椎部前凸，至骶骨时则后凹，良好的坐姿状态下，脊柱所受压力适当地分布于各椎间盘上，肌肉组织承受均匀的静态负荷．

英国《福布斯新闻网》上发表的一项研究结果颠覆了这一传统思维．在北美放射线学会的年会上，英国一个由放射线学者组成的小组通过核磁共振成像技术发现，长时间笔直坐着，会造成脊椎过度疲劳，使神经受到牵制，背部感觉很不舒服，从而导致背部慢性疼痛，不利于脊柱健康．对于那些需要长期坐着工作的人来说，背部与地板成135°角是理想的角度．

1.1.2 坐姿的脊柱形态

人体的坐姿本身就是一对矛盾体．当直腰就座时，身体保持S型，椎间盘内压小，但肌肉负荷大；当人弯腰就座时，可以减小背部肌肉的负荷，使整个身体感觉舒服，又利于身体平衡，但增加了椎间盘内压力，容易造成驼背．

脊柱的稳定系统分为 3部分：被动稳定系统、主动稳定系统和神经控制系统[1]，被动稳定系统包括椎体、椎间关节、关节囊、韧带、椎间盘及韧带的固有张力，它们在脊柱活动中起着支撑作用和应力感应作用，并将应力的变化及时反馈至神经控制系统．神经系统对外来信号作出反应，通过主动稳定系统来达到稳定脊柱的目的．主动稳定系统包括所有参与脊柱稳定的躯干肌群，无论脊柱是静止还是运动，它们都在神经系统的协调下共同维持着脊柱的稳定，因此脊柱的主动稳定系统即躯干肌群在脊柱的稳定中有着重要作用，近年来的研究多集中在直接作用于脊柱的椎旁肌群和间接作用于脊柱的腹部肌群上[2]．

通过对椎旁肌与 AIS关系的研究发现，腹部肌群、椎旁肌与脊柱侧弯有着紧密的关系[3]，发现长时间保持日常坐姿导致椎旁肌两侧肌力不均，一侧椎旁肌肉收缩力减弱，引起腹部肌肉及椎旁肌肉疲劳从而改变原有坐姿．其所引起的椎旁肌肉负荷增加，可能导致椎旁肌失代偿，影响椎旁肌群和腹部肌群收缩力，并影响其对脊柱的稳定作用，从而导致AIS[4]．

临床骨科学认为，AIS的改变是渐进的过程，采取支具治疗可以缓解AIS进展，改善病理变化，支具治疗的目的是在曲线进展危险期内防止曲线的进展直到患者达到骨骼成熟．那么在未成年人骨骼成熟前实施干预，可以减轻和预防AIS的形成与进展[5]．未成年人坐具设计的改良会产生相应的预防与理疗效应．

1.2 青少年日常规作息时间规律调查

通过调查，小学生的全天21.8%时间，大约5.25 h用于上课学习．而对9～14岁学生的脊柱侧弯流行病学调查显示．如果以 Cobb角＞5°为标准，AIS发病率约为 5%～15%；以 Cobb角＞l0°为标准，约为1.5%～3%；以 Cobb角＞20°为标准，约为 0.3%～0.5%；以 Cobb角＞30°，则为 0.2%～0.3%．目前，人们已经倾向于采取Cobb角＞10°[6-7]．为统一标准，因此，可以认为AIS的发病率约为1.5%～3%．如果睡眠时间按8.5 h/d计算，大约占全天时间的35.4%．也就是说坐卧时间占将近一半，证明坐具、卧具对AIS形成有一定程度的影响．青少年日常上学每45 min休息10 min，但许多情况下，学生并没有进行身体运动，在一定程度上没有起到缓解肌肉疲劳的效果，身体保持坐姿．通过测试不同坐具的压力分布情况发现：坐具的设计材质，尤其是表面材料对压力分布有明显影响．

2 坐具人性化设计减少脊柱侧弯发生

2.1 坐面设计

1) 坐面大小．坐面的总面积大小因其 8～14岁青少年正处于身体发育期，身高、体重、下肢长度均有明显差异，坐面设计尽可能贴合青少年身体发育特点为其量身订制不同大小的坐面尺寸，然后与其他预置构件进行组装可最大程度满足不同年龄发育阶段的青少年身体要求．

2) 坐面的力学支撑系统．当人体呈坐姿时，坐骨结节处压力最强，支撑力应是以满足最大支撑力，否则坐骨结节处塌陷加大了盆骨转动角度，无法支撑整个身体重量．以往有关休闲沙发设计，只着重坐面柔软舒适提供较高的舒适度，忽略了较大的盆骨转动角度，将致使腰部受力增加，一定程度上导致腰部椎旁肌失代偿，引发脊柱弯曲病变．

3) 坐面表面材质．坐面材质需要考虑人体皮肤接触舒适度，包括温度、湿度、刺激度．运用呼吸性材料可以提供空气流通性降低坐面表面的温湿度．现代新型材料例如特种尼龙织物、莱卡棉织物、记忆棉等均具备较好的透气性，传统材料，譬如，皮革、棉麻、藤类编织、优质木材等也具有相对较好的透气性．根据上述原则，坐面表面材料设计可以选用目前泳装塑型衣的设计方式，将织物表面的不同压力分布以及支撑力的要求相结合，使用弹性模数不同的材料进行拼接构成平面，当人体重力作用于不同弹性材料时反作用力施用于人体，同时这种力可以得到有效的控制，从而达到坐姿舒适性效果．不同弹性模数的相同材质织物可以根据不同部位的弹力的弹性要求，改变织物的编织方向和织数，从而达到调节不同区域的弹力要求．从舒适角度考虑接触性刺激较少的材料例如木材、石材、棉麻、皮革，尽量减少使用染色剂、化学合成材料以及金属等易致使皮肤过敏性的材料[8]．

2.2 椅背的设计

椅背设计包括：椅背上缘距地面高度；椅背弧线设计；椅背与坐面所成的夹角度数；椅背的表面材料．对于以往的座椅设计上述问题也多次出现，并且也针对该问题拥有很多的解决方案，但多数都未能专门就未成年人尤其是 8～14岁处于身体发育旺盛期的青少年生长发育特点、人体动作的特点、活动频率将进行相关设计．新的椅背设计将引入虚拟人体3D模型技术进行分析．英国科学家证实得到人体坐姿舒适度夹角为135°，此夹角度数不利于学生上课和学习．90°夹角会加重肌肉骨骼神经的静疲劳的程度[9]．

随着仿生学深入工业设计，设计已经不能只停留于工业造型，而是深入到工业产品构造，从而影响工业造型．使设计产品功能优化，成为更为人性化的合理设计．目前美国尖端假肢设计已经利用对人体运动系统结合机械工程技术，制造出仿生人体上肢的辅助运动系统．利用模型研究人体的运动原理和规律，是人体运动研究的一个重要手段和有效工具．座椅设计的仿真技术将依赖于人体筋骨骼模型．试验用人体模型都是三维的，所以又称模拟人，或虚拟人．根据试验要求的不同，有模拟人体全身的模拟人以及模拟人体一部分的脊柱 3D模型[10]．可以有效提供脊柱在人体正常坐姿情况下的运动形态、肌肉静疲劳程度数据，可以根据数据分析设计产品造型．虚拟仿真技术更可以检测设计的坐具产品造型是否符合虚拟人体坐姿情景下人性化程度，从而得到最为有效的关于坐姿人体的数据，根据数据设计椅背弧线．此方式将大大提高座椅舒适性，减少因设计不良引起的身体不适．

总之，坐具设计在人们的身体健康中的地位是举足轻重的，坐具设计的差异会引发坐姿的变化其所引起的椎旁肌肉负荷增加，可能导致椎旁肌失代偿，影响椎旁肌群和腹部肌群收缩力，并影响其对脊柱的稳定作用，从而导致脊柱侧弯，符合人体工程学的坐具能够在生活中矫正不良坐姿避免不良坐姿的形成，从而减少了青少年脊柱侧弯形成的概率．尽管经过科学研究制订了有关“好”的坐具设计的标准，但真正要为广大消费者所接受并真正地保证有利身体健康还需很长的时间．这就要求未成年人坐具设计的改良，根据生物理学测定的压力分布得到哪些坐姿会影响肌肉、骨骼、中板结构的发育，分析数据得到适合青少年骨骼发育的要求，根据青少年人体尺寸与成年人的区别以及动作域对日常行为和日常坐姿的影响，对青少年座椅进行个性化定制，得到适宜青少年这一年龄阶段发育的坐具．

[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] 刘邦忠,李泽兵.躯干肌在腰椎稳定性中的作用[J].中华物理学与康复杂志,2003,25(1):47-48.

[3] 郑斌,周永德,吉士俊,等.特发性脊柱侧弯症椎旁肌肌电活动人的观察[J].中国脊柱脊髓杂志,1996,6(3):128-130.

[4] 王洋,李明,王建军.青少年特发性脊柱侧弯椎旁肌肌梭的病理学研究[J].中国矫形外科杂志,2001,8(9):841-843.

[5] 张强.青少年特发性脊柱侧弯研究国外进展[J].中国矫形外科杂志,2009,17(15):1184-1187.

[6] Stein L.Adolescent idiopathic scoliosis[J].Lancent,1994,344:1407-1412.

[7] 郑振耀,唐盛平,郭霞,等.青少年脊柱侧凸病因研究进展(一)[J].中国脊柱脊髓杂志,2002 (2):139.

[8] 郭青山,汪元辉.人机工程设计[M].天津:天津大学出版社,1994:12-111.

[9] 马江彬.人机工程学及其应用[M].北京:机械工业出版社,1993:27-46.

[10] 沈翔.人机系统中的人体运动仿真及其应用[D].北京:北京航空航天大学博士学位论文,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

(责任编校：李建明英文校对：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

衡水学院科研基金课题(2009050)

王 钫(1982-),女,天津人,衡水学院美术与设计学院教师；

冯 希(1983-),女,天津人,燕山大学工业设计系教师.