基于成年女性头颈肩部参数的健康睡枕的设计

祝杭琪，张蕾，王雪琴1，

(1.浙江理工大学 浙江省丝绸与时尚文化研究中心，杭州 310018；2.浙江理工大学 材料与纺织学院、丝绸学院，杭州 310018)

1 引言

现代人对手机、平板、电脑等电子产品的依赖，使低头族日益增多，加上部分人群长期不良的睡眠姿势等原因，脊椎病的发病率也在增高。目前市场上的睡枕大多侧重于外观结构和功能设计两个方面，且并未将人体仰睡与侧睡时不同的睡枕高度进行区分。所以，设计一款符合人体头颈肩生理参数的健康睡枕，使脊椎在睡眠时得到良好的休息便有了意义。

健康睡枕的设计需要考虑以下三点：睡枕的相关参数、人体头颈肩的生理参数、侧卧仰卧时不同的生理参数。

睡枕的主要作用是维持人体在睡眠时正常的生理曲线不变形[1]。选用符合人体头颈肩部生理参数的睡枕，可以保护脊椎从而提高睡眠质量[2]。通过与睡枕相关的文献的研究，可以获得普通睡枕的各项参数，为健康睡枕的设计提供理论与方向指导。在文献研究结果的基础上，文章进行了健康睡枕的枕形与枕体设计，设计的主要考虑因素是睡枕的功能性。为了得出符合成年女性头颈肩生理参数的健康睡枕的具体参数范围，本文又进行了90名中国成年女性人体头颈肩数据的采集与相关性分析，90名实验对象中穿衣尺码为S、M、L的各30名。这些数据的采集不仅对健康睡枕的设计有参考价值，在其他相关产品的设计中也可以提供有益的参考。

最后文章结合文献研究结果与数据分析结果，得出了符合成年女性头颈肩生理参数的健康睡枕的具体参数范围，并参考文献研究结果设计了一款中号多功能健康睡枕。

2 睡枕需求分析

2.1 睡枕物理学需求

(1)枕形。睡枕的形状关系着人体睡眠时脊椎的受力点，合适的枕形可以使脊椎有一个良好的受力情况，使脊椎得到放松从而提高睡眠质量[3]。所以，枕形是睡枕设计的重要考虑因素之一。

目前市场上的睡枕形状品种较多，主要有扁平形、凹形、立方形、圆柱形、凸形、S形和蝴蝶形[4]，如表图1所示。扁平型睡枕不符合人体工学，长期使用易患上颈椎疾病。同样的，凹形睡枕与立方枕也无法提供脊椎在睡眠时良好的受力，舒适度评价也不高。立方形睡枕由古时延续而来，高度较高亦不适合使用。圆柱形、凸形与S形睡枕因其形状较贴合睡眠时的脊椎状态而拥有较好的舒适性[5]。

表1 枕形示意图

(2)枕高。睡枕过高或过低，都会使颈椎长期处于过度拉伸的状态，这样容易导致颈椎及肌肉劳损，诱发或加重颈椎病[6-8]。所以，枕高也是睡枕设计的重要考虑因素之一。

针对枕高的研究，不同学者的研究结果大致相似，但也不尽相同。如表2所示，未区分侧睡枕高与仰睡枕高的研究，枕高范围有(8,15)cm[1]和10 cm左右[9]两种结论。多数研究都对侧睡枕高与仰睡枕高进行了区分，且侧睡枕高一般比仰睡枕高略高。侧睡枕高的结论除了男性不高于(12.36±0.92) cm，女性不高于10.95±0.98) cm[10]，还有三分之二握拳高度[11]、(7,8)cm[12]、(7,15)cm[13]与(9,10)cm[5]四种结论。仰睡枕高的范围则有一半握拳高度[11]、(6,7)cm[12]、(6,12)cm[13]与(7,8)cm[5]四种结论。一款睡枕的合适侧睡枕高与仰睡枕高因人而异，所以在健康睡枕的设计时也要具体考虑。

表2 文献研究中的枕高整理表

(3)枕长与枕宽。针对枕长和枕宽的研究较少,且定论均有差异，不同学者提出的合适枕长总结整理后如表3所示。与枕高不同，一款睡枕的合适枕长与枕宽有一个大致的范围，在健康睡枕的设计时可以视情况具体设置。

表3 文献研究中的枕长和枕宽整理表

(4)材质类型。

在古代，睡枕有软枕与硬枕之分。硬枕的材质则有玉、瓷、石、铜、竹。软枕的材质有丝绸、棉、麻等，其填充材料有棉花、荞麦、干花、中草药等，不同的填充材料可以带来不同的气味、质感与疗效，但也存在易变形、易滋生细菌、弹性不佳等缺点[16]。

到了现代，睡枕的材质有羽绒、天然乳胶、PE弹性管与慢回弹材料等。现代睡枕填充材料在支撑力、吸湿性、抗菌性、透气性、弹性等方面都比传统的枕芯材料优越，但是也存在着缺点，例如羽绒材质不易清洗，乳胶材质价格较昂贵，PE弹性管可水洗清洗，而慢回弹材料的普及范围不大[17]。综合考虑后，本文健康睡枕的材质将选择乳胶。

2.2 睡姿生理学需求

颈椎在自然站立位时呈前凸弧形生理曲线，如图1所示，可以起到缓冲保护作用。在人体睡眠时，需要合适的睡枕对脊椎进行支撑，以防止脊椎的生理曲线变形，从而引发相应的脊椎生理疾病[18]。

图1 正常的颈椎生理曲线

根据脊椎的前凸弧形生理曲线，一款符合人体工学的健康睡枕应该在人体仰卧时，在颈后正中间位置提供支撑点，在人体侧卧时，在颈部侧方的中央提供支撑点[13]。由此，健康睡枕在具体参数设置时将对侧睡高度与仰睡高度进行区分。

3 健康睡枕的外观设计

3.1 外观结构设计

基于前文枕形的总结以及睡姿生理学的需求，一款符合人体头颈肩参数的健康睡枕应该满足人体在仰卧、侧卧时的不同生理状态，所以本文创新性地设计了一种正面倒置“H”形、侧面“S”形的枕形。“S”形的设计更加符合人体睡眠时颈椎曲线呈前凸形，而后脑勺向后凸起的生理状态。倒置“H”型的设计使人体在侧睡时只有下巴与额头接触枕体的两翼，而侧脸大面积悬空，可以减少侧卧时脸部的压力，从而减缓压纹的产生。参考人体的头型，本文又增加了头窝的设计，使人体的头部在睡眠时更加贴合睡枕，一定程度上可以减少脱枕与落枕情况的发生。

在枕体的设计上，本文创新性地设计了短翼睡枕与长翼睡枕两款睡枕。两款睡枕的枕体都由四翼、侧睡区域与仰睡区域三部分组成。其中短翼睡枕的仰睡区域下陷，高度比侧睡区域略低，更加符合人体睡眠时的头颈肩部状态，同时也能够减少睡眠时的脱枕情况。而长翼睡枕由于没有下陷的仰睡区域，所以四翼长度更长，其生产制作工序也更简单。

为了增加健康睡枕的功效性，在枕体下部设计了可变形铁丝与中空填充区。可变性铁丝可以一定程度上改变枕体下部的形状，从而满足使用过程中的个性化需要。中空填充区可以填充不同的材料，如传统枕芯材料，来满足不同人群对睡枕软硬度、高度以及特殊功效的不同要求。同时，枕体的材质参考前文枕芯材料总结后选择乳胶，综合比较下乳胶不仅具有优良的性能和性价比，也更适用于实际生产。

3.2 外观结构图

短翼睡枕包括枕体(1)、下陷的仰睡区域(2)、颈部支撑(3)、头窝区域(4)、侧睡区域(5)和四翼(6)，其中枕体(1)下部可内置可变形铁丝(7)或中空填充区(8)，结构图如图2所示。

图2 短翼睡枕的结构图

长翼睡枕是在短翼睡枕的基础上进行的省程序设计，它包括枕体(1)、仰侧睡区域(2)、颈部支撑区(3)、头窝区域(4)、四翼(5)，其中枕体(1)下部可内置可变形铁丝(6)或中空填充区(7)，结构图如图3所示。

图3 长翼睡枕的结构图

4 成年女性个体化睡枕参数的设计

多功能健康睡枕的枕形、材质及功能性在前文中已设计完成，为了进一步得出更加符合中国年青女性头颈肩生理参数的各项睡枕参数范围,如枕高、枕长、枕宽等，本文又进行了90名中国成年女性人体的头部、肩部、颈部各处睡枕相关数据的采集，并对所采集的数据进行了归纳分析与数据之间的相关性分析。

4.1 成年女性睡枕相关数据采集

本次数据采集以中国现代年青女性为对象，实际采集了90例在校女大学生头颈肩各处与睡枕相关的数据，其中90名实验对象中穿衣尺码为S、M、L的各30名。采集的数据分两类，一类是“身体数据”：身高、体重、上衣尺码、肩颧距(s)[9](见图4)与肩宽；一类是“睡枕数据”：头围、头围上的AB弧线(见图5)、脸部CD直线(见图6)、颈高、头窝高度、颈窝高度、侧睡高度与仰睡区域宽度，数据由采集者对调查对象实际测量获得。

图6 CD直线示意图

“身体数据”的采集，是为了后续睡枕与人体体型之间的关系的研究，而“睡枕数据”的采集，是为了得出符合人体头颈肩具体生理参数的健康睡枕的具体参数。作为确定健康睡枕主要参数的头窝高度、颈窝高度以及侧睡高度三组数据用颈椎测量尺(见图7)测量获得，其余数据用头围测量尺测量获得(见图8)。

图7 颈椎测量尺

图8 头围测量尺

数据采集过程中，被测者均呈自然直立状态，双目水平直视前方，头颈肩部放松。身高、体重、上衣尺码三组数据根据被测者的自身实际情况进行记录。肩颧距根据图4的方法进行测量记录，肩宽用软尺测量两肩峰之间的垂直距离来获得。头围利用头围尺测量经过眉心与后脑勺凸点的最小曲面的周长来获得，AB弧线与CD弧线根据图5与图6的方法进行测量记录，颈高用软尺测量两侧锁骨中央凹陷处到下巴里的垂直距离来获得。头窝高度与颈窝高度的测量，利用颈椎测量尺获得，测量时使A尺与背部保持平行状态，调节B尺到颈窝中间、C尺到头窝中间，则B尺和C尺的读数分别为颈窝高度和头窝高度。侧睡高度测量时，使脊椎测量尺的A尺与颈部垂直，与肩部保持水平，C尺在耳侧垂直，B尺移到肩峰凸点，记录A尺的读数即可获得侧睡高度数据。

4.2 成年女性睡枕参数相关性分析

通过研究“身体数据”数据间的相关性和“睡枕数据”与“身体数据”之间的相关性，可以获得睡枕参数与体型之间的相关性情况，对健康睡枕的设计有一定的指导作用。所以本文研究了两组数据之间的相关性：“身高、体重、肩颧距、肩宽”与“头窝高度、颈窝高度、侧睡高度”之间的相关性、“上衣尺码”与“肩颧距、肩宽、头窝高度、颈窝高度、侧睡高度”之间的相关性，所有相关性分析均使用SPSS 20.0完成。

(1)“身高、体重、肩颧距、肩宽”与“头窝高度、颈窝高度、侧睡高度”之间的相关性分析。由于“身高、体重、肩颧距、肩宽”等采集的信息是连续性数值，因此采用双变量相关分析法进行分析，结果如表4所示。

表4 “身高、体重、肩颧距、肩宽”与“睡枕数据”的相关矩阵

**Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed)，*Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed).

侧睡高度与肩颧距、肩宽、身高、体重、头窝高度、颈窝高度的相关系数r分别为0.941、0.616、0.499、0.461、0.355、0.168，即侧睡高度与肩颧距、肩宽、身高、体重、头窝高度、颈窝高度分别极强的正相关、呈强的正相关、中度正相关、中度正相关、弱的正相关、极弱的正相关。因此可以得出结论：侧睡高度的研究主要从肩宽和肩颧距着手，其次是身高和体重。

仰睡高度参考颈窝高度，颈窝高度与头窝高度相关系数r为0.776，呈强的正相关，观察表6可知，颈窝高度、头窝高度与身高、体重、肩宽、肩颧距的相关系数都<0.4，即无明显相关性。因此可以得出结论：仰睡高度的研究主要从颈窝高度入手，头窝高度与颈窝高度有强的相关性，但头窝高度和颈窝高度两个数据与身体数据并无明显的相关性。

(2)“上衣尺码”与“头窝高度、颈窝高度、侧睡高度”之间的相关性分析。“上衣尺码”数据不是连续性数值，故用单因素方差分析法进行相关性分析。经软件SPSS处理后得到相关性表格，如表5所示。

表5 上衣尺码与“睡枕数据”的相关性结果

由于只有当P值<0.05时，相关才有统计学意义，所以P值皆为0.000的三个应变量：肩颧距、肩宽与侧睡高度，与上衣尺码显著相关，而P值分别为0.058和0.048的两个应变量：头窝高度与颈窝高度，则与上衣尺码相关性太弱或不存在相关性。

结合表4的结论可得：侧睡高度与上衣尺码存在明显相关性，而仰睡高度与上衣尺码无明显相关性。

4.3 侧睡枕高参数分析

由前文相关性分析的结果可知，侧睡高度与上衣尺码存在明显相关性，且与肩颧距有极强的正相关，又由肩颧距与侧睡高度的数据分析可知，侧睡高度约等于肩颧距，所以在健康睡枕设计时，可以通过对肩颧距的分类来获得不同的侧睡枕高。对肩颧距的分类，主要是利用SPSS对90例成年女性的肩颧距样本做四分位数分析，其分析结果，如表6所示。

表6 肩颧距的四分位数结果

肩颧距数据的四分位数的25%、50%、75%三个分割点分别为9.5 cm、10 cm、11 cm，所以睡枕的侧睡枕高可参考这三个数值来适应不同体型的人群。

4.4 成年女性睡枕参数设计

为了获得睡枕各项参数的集中趋势与精确分布情况，来为健康睡枕的参数设置提供参考与指导，本文对所采集的AB弧线、CD弧线数、颈高、头窝高度、颈窝高度、仰睡区域宽度等“睡枕数据”进行了均值分析，并计算了置信率为95%的置信区间，所得的数值精确到小数点后两位，具体计算结果如表7所示。

表7 “睡枕数据”的均值及其置信区间

由表7的均值与置信区间可以得出成年女性睡枕的各项生理参数的范围，其AB弧线长、CD直线、颈高、头窝高度、颈窝高度、仰睡区域宽度范围区间分别为各自对应的置信区间(15.16,15.47)cm、(12.08,12.32)cm、(12.08,12.32)cm、(4.61,4.93)cm、(6.31,6.62)cm、(16.24,16.98)cm。

5 讨论

根据前文的文献研究可知，S形的枕形更符合人体工学，使用时压力分布较均匀，脊柱变形相对较小，整体舒适性较高，成为本文健康睡枕枕形的首选。结合正面倒置的“H”形，创新设计了健康睡枕的枕形。睡枕的材质则选择各方面性能优良、性价比高且易投入生产的乳胶。枕宽、枕长的研究并无定论，枕长在45-70 cm之间，枕宽都>25 cm，具体数值在设计时可以视情况而定。仰睡枕高在6-12 cm之间，侧睡高度在7-15 cm之间，两者需经成年女性头颈肩数据的采集与分析来确定。

通过“身高、体重、肩颧距、肩宽”与“头窝高度、颈窝高度、侧睡高度”之间的相关性分析可知，侧睡高度的研究主要从肩宽和肩颧距着手，其次是身高和体重。仰睡高度的研究主要从颈窝高度入手，头窝高度与颈窝高度有强的相关性，但头窝高度和颈窝高度两个数据与身体数据并无明显相关性。又由“上衣尺码”与“头窝高度、颈窝高度、侧睡高度”之间的相关性分析可知，上衣尺码与肩颧距、肩宽和侧睡高度均显著相关，与头窝高度、颈窝高度相关性太弱或不存在相关性。所以综合两个结果可得：侧睡高度与上衣尺码存在明显相关性，而仰睡高度则与上衣尺码无明显相关性。

由于侧睡高度与上衣尺码有显著的相关性，而上衣尺码与肩颧距有显著相关性，所以侧睡高度的确定可以通过对90例成年女性肩颧距数据的四分位分析获得。肩颧距样本的四分位数的三个分割点分别为9.5 cm、10 cm、11 cm，故睡枕设计时考虑将睡枕分为三类尺码，分别是侧睡枕高为9.5 cm、10 cm、11 cm的小码、中码、大码睡枕。

经睡枕各项参数的均值及均值置信区间分析，可以获得符合成年女性头颈肩生理参数的睡枕具体参数范围：仰睡区域宽度范围是(16.24,16.98)cm,参考AB弧线的单侧侧睡区域宽度的范围是(15.16,15.47)cm，参考颈高的两侧下侧翼宽度的范围是(8.94,9.23)cm，参考CD弧线的单侧侧翼之间的空白宽度的范围是(12.08,12.32)cm，头窝高度的范围是(4.61,4.93)cm，参考颈窝高度的仰睡高度的范围是(6.31,6.62)cm。

文献研究所得的普通睡枕参数，以及通过90例成年女性头颈肩生理数据分析所得的个性化睡枕参数，使得符合成年女性头颈肩生理参数的多功能健康睡枕的各项参数设计有了考量范围。

6 结论

本文设计的符合成年女性头颈肩生理参数的多功能健康睡枕，侧睡枕高取中号尺寸10 cm，仰睡高度取6.5 cm，头窝高度取4.8 cm。这里的三种高度为成品经过弹性压缩后的高度。睡枕宽度取25 cm，仰睡区域宽度取16.6 cm，两翼之间的空白宽度取12.2 cm，单侧侧睡区域宽度15.3 cm，其中长翼睡枕的仰睡区域宽度为两倍单侧侧睡区域宽度长30.6 cm，两侧下侧翼的宽度取9.1 cm。短翼和长翼睡枕的长度综合考虑取为59 cm，睡枕的材质选择天然乳胶。长翼、短翼多功能健康睡枕的具体参数设置与结构图如下图9与图10。

(a)正面

(b)侧面

(a)正面

(b)侧面