基于女性头面部形态的护目镜适配性设计

王晶晶，骆雯，卢雨薇，李哲林，2，姜立军，2

( 1．华南理工大学 设计学院，广东 广州 510006;2．广东省人机交互设计工程技术研究中心，广东 广州 510006)

1 引言

新冠疫情期间，一线医护人员因使用医疗防护用品造成器械相关性压力性损伤(DRPI，Device-related Pressure Injury)的问题十分普遍，其中头面部医疗防护用品造成的DRPI现象尤其显著[1]。一项对中国21个省和自治区共计145家医院2 901名COVID-19疫情防控医护人员的调研显示，医用防护用品引起的 DRPI发生率为26.58%(771/2901年)，且防护用品的不适感会大大降低医护人员对医用防护用品的使用频率[1]。因此，关于医用防护用品，一方面需要建立相关佩戴标准进行引导、培训，另一方面需要重视产品的适配性设计[2]。在设计与人体直接接触的产品的曲面形态时，为了给用户提供一个安全、舒适和体验良好的空间，尤其需要关注“产品—用户”相互的适配性问题[3]。

目前，我国医用防护用品相关标准中仅《呼吸防护用品 实用性能评价》对呼吸器的佩戴便捷性和舒适性提出检验方案，其余文件鲜有涉及适配性标准[4]。现有头面部防护用品适配性研究通常包含客观定量分析与主观定性分析两类。其中客观定量分析主要包含计算机虚拟试戴[5-8]，及基于压力测量系统的实戴分析[9]。主观定性分析则是由受试者完成一系列实验任务后，通过调研问卷、视觉模拟量表等工具收集受试者关于防护用品的舒适度分数以及使用痛点反馈[10]。然而，客观定量分析与主观定性分析常常割裂开来。同时结合客观挤压情况与主观舒适性感受进行头面部防护产品适配性设计的研究甚少。因此，本文综合真人佩戴主观评测方法和数字化头模虚拟试戴客观实验，探索护目镜适配性并进行优化设计。

2 对象与方法

2.1 对象

前期以重庆医科大学第二附属医院和宜宾市第一人民医院的部分医护人员为调研对象，人数为87人，其中含71名(81.61%)女性，大部分为手术室和住院部的护士，年龄在18-30岁。考虑到医护行业女性占比超过90%，远高于男性[11]。且生理上18-30岁青年女性已经发育成熟，头面部骨骼发展生长较为固定，因此本次研究的主要人群定位为18-30岁青年女性。后期实验招募10名女性志愿者为主要研究对象。

2.2 方法

(1)问卷调研

以线上问卷的形式获取医护人员关于护目镜安全性、舒适性和便捷性的评分(5分为满分)，结果显示大部分受试者认为佩戴护目镜能加强安全感(3.74/5.00)，但护目镜舒适性较低(3.18/5.00)，护目镜尺寸结构与人体头面部曲面的匹配度不足(3.80/5.00)，且佩戴护目镜会影响正常工作(3.32/5.00)，佩戴存在一定的困难(3.93/5.00)。在使用过程中，存在着脸部疼痛发红、产生压痕(78.16%)，眼镜起雾、影响个人近视眼镜的使用(80.46%)、影响视野(88.51%)等问题。在上述问题中，围绕护目镜尺寸结构产生的适配性问题尤为严重。

(2)真人佩戴实验分析

根据佩戴头面部防护用品的接触区域及参考头面部区域分类文献[12]，将人体面部接触区域分为额头(A)、太阳穴(B)、鼻梁(C)、颧骨(D)、内脸颊(E)、鼻唇沟(F)、外脸颊(G)、下巴(H)八个区域，如图1所示。

护目镜作为新冠防疫防护用品常与医用防护口罩共同使用。为了模拟真实使用情况，本文测试中受试者需同时佩戴护目镜和医用防护口罩，但医用防护口罩相关内容并不纳入本文研究范围。本文测试使用的护目镜为3M-1621，详细尺寸如图2所示。

实验共招募10名女性志愿者为受试者，年龄为18-30岁。根据BMI值计算，其中7名为正常体型，3名为偏瘦体型。实验前，受试者需在认真查看产品佩戴说明后佩戴防护用品，自行调整至舒适性和密封性最佳的佩戴位置。佩戴时长为1小时，佩戴过程中尽量不调整防护用品的佩戴位置。在这1个小时内受试者可自由活动。由工作人员拍摄佩戴前、佩戴1小时后的正前、正左、正右、左侧45°和右侧45°共五个方向的照片以及压痕的细节图。实验后，受试者针对护目镜和医用防护口罩对不同面部区域的舒适度分别打分。

图3 10名受试者压痕图片

佩戴1小时后受试者脸部压痕图像如图3所示，可见护目镜造成的压痕主要分布在额头、颧骨和鼻梁三处，不受体型影响。额头处压痕尤其明显，基本覆盖整个前额且压痕较深。颧骨处的压痕来源于医用防护口罩和护目镜的双重压迫，与人体面部直接接触的为医用防护口罩，因此压痕面积较大，表面形状与医用防护口罩内部纹理对应。

测试发现，部分受试者佩戴后，护目镜的鼻托正好位于医用防护口罩鼻夹之上，加重了医用防护用品对鼻梁的压迫感，如图4(a)所示。相反，图4(b)所示部分受试者的鼻托与鼻夹处存在缝隙，在她们的打分中护目镜对鼻梁并未造成很大的不适。

图4 真人佩戴测试鼻梁处细节图

如表1所知，舒适度打分结果与压痕分布基本对应，护目镜分数最低的区域依次为鼻梁、颧骨、额头。并无压痕的内脸颊在部分情况下并未得到满分，主要原因为长时间佩戴后护目镜内部潮湿闷热。除上述面部压迫造成的不适问题，大概佩戴10-20分钟后护目镜便出现起雾问题，单侧和双侧起雾的情况均存在。

表1 舒适度评分(0分严重不舒服—5分无不舒服)

(3)数字化模型分析

为进一步发现影响佩戴适配性的护目镜结构问题，开展数字化模型的虚拟试戴效果分析。首先使用3D扫描仪 (Reeyee Pro 2X Wiiboox，中国)采集了护目镜模型与10名女性受试者的数字化头部模型。根据GB/T 23461-2009对头型分类的定义[13]，计算出10个样本包含中正型5个、圆高型3个、中高型2个。考虑头型的代表性，在三种头型中各选取样本3(中高型)、样本8(圆高型)和样本9(中正型)进行数字化头模试戴分析。如图5所示，护目镜模型与数字化头模在额头、颧骨处存在十分严重的干涉。且护目镜的左右宽度大于人体头面部宽度，存在一定的空隙。在实际使用中，使用者需要调节头带使护目镜两侧更好的贴合头面部，导致前额的压迫力加重。

综合真实佩戴和虚拟试戴的分析，上述压痕集中、压痕较深、鼻梁压迫与间隙等问题都可以通过产品的尺寸结构进行改进，因此接下来将围绕护目镜尺寸结构问题进行护目镜优化设计。

图5 数字化头模试戴

3 护目镜适配性设计

3.1 护目镜佩戴倾斜角

根据数字化模型试戴和真人佩戴测试发现，护目镜在眼周的着力点为额头、颧骨、鼻梁部分，在侧视图中护目镜倾斜角度与额头顶点至颧骨最高点连线角度相平行。根据现有护目镜的宽度(覆盖面从额头到颧骨处)72mm，倾斜角度为额头顶点至颧骨最高点连线角度，可以在数字化头部模型中模拟护目镜覆盖部分。

(a)数字化模型试戴侧视图

(b)真人佩戴测试侧视图

3.2 护目镜接触区域特征提取

为针对女性头面部特征进行护目镜优化设计，如图7所示，首先基于GB/T 2428-1998和GB/T 23461-2009构建第5百分位、第50百分位、第 95 百分位女性头部参考模型[13-14]。

图7 女性头部参考模型

在上述第50百分位女性头部参考模型中的侧视图平面建立由额头顶点至颧骨最高点的直线L，该直线长度为72 mm，如图8(a)，表征在侧视图中为护目镜在头部参考模型上应覆盖的宽度。在图8(b)侧视图和图8(c)俯视图中基于直线L延伸出一个长方体，长度和宽度覆盖面部整体至合适位置，该长方体与头部参考模型的相交面即为特征面。使用3Ds MAX(Autodesk，美国)的布尔运算提取特征面，重复以上步骤对第5百分位、第50百分位、第95百分位女性头部参考模型进行特征面的提取。

图8 护目镜特征面的提取

如图9(a)，女性正前额弧度较大，两侧稍平缓，头部向侧面过渡时两侧弧度较大。女性面部的鼻基底部分(鼻翼两侧)较低，有凹陷趋势。颧骨部分较高，呈外凸趋势，因此护目镜下方在颧骨至鼻基底部分由一条外凸至内凹曲线组成。如图9(b)按照护目镜与头面部接触区域的不同，使用建模软件Alias 2019(Autodesk，美国)根据第50百分位头部参考模型所获取的特征面从护目镜上方(额头部分)、护目镜两侧(太阳穴部分)、鼻梁处软片(鼻梁部分)、护目镜下方(面颊部分)四个部分进行参数提取，图9(b)中 ①为护目镜上方、②为护目镜两侧、③为护目镜鼻梁软片、④为护目镜下方曲线。

(a)3个百分位女性头部参考模型特征面曲线

(b)护目镜特征曲线提取

3.3 护目镜形态曲面设计

连接图9(b)中四部分曲线形成完整封闭曲线，投射建立前方镜片曲线，构成护目镜镜身曲面，如图10所示。

图10 护目镜曲面构建

将建立好的曲面与上述3个百分位的女性头部参考模型进行匹配，发现该曲面模型仍存在弧度不匹配的共性问题。对原有两段封闭线条在第50百分位女性头部参考模型中再次进行取点调整，最终共进行了四次取点调整，结果如图11所示。根据第5百分位和第95百分位女性头部参考模型进行护目镜缓冲带与容量设计，使本次优化设计的护目镜适配更多用户。

图11 模型匹配与迭代结果(第50百分位女性头部参考模型)

4 实证分析

4.1 优化设计虚拟试戴分析

将3个被试数字化头模与优化产品模型进行试戴分析。如图12所示，护目镜与人体头面部在额头、太阳穴、颧骨、鼻梁处的干涉区域有效减少，两者曲面更加贴合，适配性得到明显提升。

图12 基于被试数字化头模的适配性分析

4.2 试制样品实戴测试

使用不透明软胶材料3D打印制作优化护目镜，如图13所示。以相同的10名受试者为测试对象，采取完全相同的实验过程，比较两次压痕情况和主观舒适性问卷结果。

图13 优化护目镜试制样品

如表2，太阳穴与内脸颊区域主观舒适度分数保持不变，额头、鼻梁和颧骨区域的舒适度都得到0.1-0.3分的提升。可见，本次设计具有一定的优化效果。

表2 两次舒适性问卷结果对比(0分严重不舒服—5分无不舒服)

4.3 评价分析

如表3所示，根据部分样本的压痕图像与舒适度差值进行综合分析。首先在额头区域， 4号、8号、9号和10号样本分数有所提高，其额头部分佩戴优化产品后的压痕宽度、压痕面积明显变小，压痕变浅。在鼻梁处，舒适度分数有所提高的6号、8号、9号样本在鼻梁处的压痕面积略有减少，从原来的线状压痕变成点状压痕。在颧骨部分，压痕颜色明显变浅的4号、8号样本舒适度分数有所提高。但压痕宽度明显变窄的3号、9号样本在颧骨处分数反而降低。

表3 优化前后面部压痕对比与舒适度差值统计

综上所述，在软组织厚度较高的颧骨、脸颊区域，使用者对于压痕深度更加敏感。在压痕面积方面受试者倾向于分散式的均匀受压，压痕面积的减少会带来压力的集中，加深压痕，降低舒适性。在软组织厚度较低的额头、鼻梁部分，舒适性相关因素主要为压痕宽度和压痕面积，压痕深度次之。大面积的“硬碰硬”会加重使用者对于压迫感的关注。因此，护目镜的适配性设计应根据不同面部区域软组织厚度区别考虑。

5 结论

本文结合人体头面部三维数字化模型与主观性舒适性测试对现有3M品牌护目镜进行了适配性分析与优化设计。研究发现：

(1)护目镜造成的压痕主要分布在额头、鼻梁与颧骨三处。额头处压痕最为明显，颧骨与鼻梁处会受到护目镜与医用防护口罩双重压迫。

(2)护目镜在两侧宽度、鼻托高度方面存在适配性问题。前者加重额头前端压力的集中。后者与口罩鼻夹存在干涉与空隙两种情况，干涉情况下会加大鼻梁处压迫。此外，口罩可缓冲护目镜下边缘对颧骨的部分压力。

(3)在主观舒适性方面，对于软组织厚度较高的颧骨、内脸颊等处，分散式的均匀受压更优。相反，在软组织厚度较低的鼻梁、额头等处，减小压痕面积与压痕深度更为重要。

(4)头面部医用防护用品的适配性设计应根据人体面部区域、面部曲率和面部软组织厚度进行权衡考虑。

本文为小样本研究，后续研究可根据更多样本扩充头面部数据库，进行更具普适性的优化设计，并逐步建立头面部医用防护用品适配性设计的参考标准。