床垫睡眠脊柱形态与睡眠质量关系.pdf

床垫对人体睡眠舒适性与睡眠质量产生重要的影响。提出了一种睡眠脊柱形态的表征方法，测量了仰卧在6 种弹簧床垫上人体脊椎曲线，同时通过真人睡眠脑电试验评价了人体的睡眠质量，建立了人体脊柱形态与睡眠质量指标之间的关系。结果表明：采用床垫贴合度指标可以反映人体脊柱曲线的变化程度，材质为乳胶、云柔深睡绵和独立筒弹簧的床垫睡眠舒适感最好；床垫贴合度与深睡眠占比和睡眠效率均呈现显著的非线性相关关系；贴合度越接近于1，脊柱形态变化越小，深睡眠占比和睡眠效率越高，睡眠体验感越好。研究结果为弹簧床垫的科学设计提供参考。关键词：脊柱曲线；睡眠质量；深睡眠；三维人体扫描；弹簧床垫中图分类号：TS664文献标志码：A文章编号：10 0 0-46 2 9(2 0 2 3)0 3-0 0 12-0 5D0l:10.16610/ki.jiaju.2023.03.003The Relationship between Spine Shape and Sleep Qualityon MattressSHI Jiayu,LU Yehu,LI Qiusheng,XU Yan?(1.College of Textile and Clothing Engineering,Soochow University,Suzhou 215006,China;2.Hangzhou Gujia Bedding Co.,Ltd.,Hangzhou 311228,China)Abstract:As one of the important sleep beddings,the spring mattress has a very important impact on human sleep com-fort and sleep quality.In order to investigate the relationship between mattress and sleep quality,the method to measureand characterize human sleep spine morphology was proposed by using a homemade human spine curve measurementdevice to measure the human spine curve of subjects lying on their backs on six different materials of spring mattresses.Through the human spine form of the degree of coincidence that the mattress fit to characterize the spring mattress,andat the same time,the parameters related to human sleep quality were evaluated through real sleep EEG experiments,andthe relationship between human spine morphology and sleep quality,deep sleep ratio was established.The relationshipbetween human spine morphology and sleep quality,and the percentage of deep sleep was established.The research re-sults show that:the mattress fit index can reflect the degree of change of human spine curve,the closer to 100%of themattress fit,the smaller the change of human spine shape;the mattresses made of latex,cloud soft deep sleep cotton andindependent cylinder spring have the best sleep comfort,with 90.06%sleep efficiency and 28.67%deep sleep ratio.Themattress fit of the six mattresses showed a significant non-linear correlation with the percentage of deep sleep and sleepefficiency.It was concluded that the closer to 100%of the mattress fit,the higher the percentage of deep sleep and sleepefficiency of the subjects,and the better the sleep experience.The research results will provide reference for the scientificdesign of spring mattress.Key words:spinal curve;sleep quality;deep sleep;3D body scanning;spring mattress近年来，人们开始关注睡眠寝具对睡眠质量的影响。根据世界卫生组织调查，世界上有2 7%的人存在睡眠问题；作为重要寝具之一，床垫与人体直接接触并对睡眠有一定的影响2。Lahm等3结合脊柱形态与人们睡在不同材料床垫上的舒适感来评价床垫。Leilnahari等4发现较软的乳胶床垫及独立袋装弹簧在提高睡眠质量方面优于传统弹簧床垫。国内众多学者也在这方面做了大量研究，陈玉霞等5研究了弹簧床芯对床垫性能及卧姿舒适性的影响，睡眠质量可以很好地反映床垫的使用舒适性。董青6 研究了大学生群体在不同硬度床垫上的脊柱形态，不同质重的男女生分别有最适合的床基金项目：江苏省高等学校基础科学（自然科学）重大项目（2 1KJA540004）；苏州市科技计划项目（SS202147）；南通市科技计划项目(JC2021004)。作者简介：史家宇（19 9 8 一），男，本科生，研究方向为人体工程学。E-mail：547 2 6 39 9 4 q q.c o m。通信作者：卢业虎（19 8 6 一），男，教授，研究方向为智能和防护服装、健康睡眠产品工效设计。E-mail：y h l u s u d a.e d u.c n。引文格式：史家宇，卢业虎，李秋生，等.床垫睡眠脊柱形态与睡眠质量关系J.家具，2 0 2 3，44(3)：12-16.Furniture013No.3应用技术家具2023年第44卷Furniture2023Vol.44第44卷第3期垫。刘美等7 发现了床垫软硬度对人体腰部和臀部的支撑效应受个体特征的影响呈现出的变化。床垫与人体曲度的贴合性主要取决于床垫的软硬程度，仰卧在过软或者过硬的床垫上，身体都会感觉到不适，进而影响睡眠效率，只有软硬适中的床垫可以使脊柱维持人体正常脊柱形态8-。因此，只有顺应人体脊椎生理曲度的床垫，才可以提升睡眠质量。然而，在床垫上睡眠时的脊柱形态特征与睡眠质量的关系尚不明确，通过表征弹簧床垫的脊柱曲线以及测量睡眠脑电波，建立脊柱形态与睡眠质量的关系，为弹簧床垫的科学设计提供参考。1试验设计与方法1.1受试者选取无睡眠障碍的10 名青年（5名男性和5名女性）参与此次试验，年龄（2 5.11.3)岁，身高（17 0.310.8）c m，（58.38.5）k g，质量指数BMI为（2 0.0 11.0 0）kg/m。为减少个体的差异性，需确保受试者均无特殊的体型状态(如驼背和左右身体不对称等)或者背部疾病,所有受试者均应具有良好且相似的睡眠习惯，并通过主观调查了解其睡眠质量。睡眠试验前，要求受试者在试验当天及前一天避免食用含酒精、咖啡因的食品和进行剧烈的身体活动，并让受试者了解试验中注意事项等。1.2试验样品试验选用居民春夏交替时常用的被子（羽绒填充料：150 g/m，尺寸：1.5m2m），受试者在睡眠中穿春秋季薄棉针织长袖和针织长裤，选择市场上典型的弹簧床垫，如表1所示。表1主要测试床垫及相应参数Table 1 Main test mattress and corresponding parameters床垫面料填充层弹簧编号乳胶、零感深睡Free智感AA类高档针织面料绵、舒压峰谷绵弹簧天丝纤维面料、DA-乳胶、云柔深独立筒袋BCRON?吸湿快干纤维睡绵装弹簧天山宁泰抗菌防螨面料、独立筒袋C乳胶DACEON?吸湿快干纤维装弹簧独立筒袋D涤纶针织面料乳胶装弹簧天丝纤维面料、DA-乳胶、云柔深独立筒袋ECRON?吸湿快干纤维睡绵装弹簧F涤纶针织面料普通海绵整网弹簧1.3试验内容及流程1.3.1脊柱曲线测量(1）站姿脊柱形态测定采用手持式三维激光扫描仪HandyScan700(Creaform，加拿大）来扫描测量人体站立时脊柱的形态曲线，要求受试者双手自然下垂，双脚自然并拢，全身自然放松，腰背挺直站立。使用Geomagicstudio软件将测量后的数据进行去噪和平滑处理后，提取获得准确的人体站立脊柱形态曲线，如图1所示。以等间距选取主要关键点，计算与竖直线的水平距离。a.原始图b.曲线图c.数据图图1站立状态下的脊柱曲线图Fig.1Spinal curve in standing position(2)仰卧脊柱形态测定将床垫放置在特制的金属可调节床架上，在床垫上按照7.5cm间距均匀打孔，将标杆穿插到床垫中，如图2 所示。分别测量空置床垫与人体卧在床垫上时各标杆伸出床架测得的长度，其差值即为人体脊柱对应部分的床垫下陷量。绘制散点图可以得到仰卧时的床垫下陷曲线即人体仰卧脊柱形态曲线。图2 仰卧脊柱曲线测量Fig.2Measurement of spinal curve in supine position（3）床垫的贴合度通过比较不同测量点处人体直立时脊柱曲线014FurnitureFurniture2023Vol.44No.3应用技术家具2023年第44卷第3期与人体仰卧时脊柱曲线的差异,判断受试者仰卧在几种床垫上的人体曲度的贴合情况。将站立脊柱曲线记作曲线L，仰卧曲线记作L2;L,和L,上的点分别为（xia,yla）、（x 2 b,2 b），此时纵坐标平均差值即人体曲度偏差为：=(y ya)(y-ya)+(y-a)1)人体曲度偏差反映了人体躺在床垫上时，整体曲线与人体站立曲线的差值，人体曲度偏差越小，受试者的睡眠舒适感越好。则床垫的贴合度W12-131为：一Wnany2bynbV1当yiy时,采用Vib(2)yia其中W1,W越接近1,贴合度越大，说明受试者在试验床垫上的脊柱形态越接近站立时的脊柱形态，则该床垫更加舒适。如图3所示，通过两条曲线可以分别算出背入角、腰部角度等角度指标。选取曲线对应腰部y值最大的值为C点，对应背部y值最小的点为A点，对于颈部部y值最小的点为B点，则此时背入角为AB与水平线成的角,腰背倾角为AC与水平线成的角。L,、L,上的角分别为iv2,2。(X2 Xi)=arctan(3)(y2 y)床垫长度/cm55/0510152025303540455060657075808590951000-2345970BCA一人体曲线图3脊柱曲线角度Fig.3Angleofspinal curve背人角偏差反映了人体脊柱曲线肩部的偏移状况，腰背倾角偏差反映了人体脊柱形态腰部的偏移情况，背入角和腰背倾角接近站立时的角度，受试者腰部承受的压力就越小，床垫支撑腰部且不会让受试者的腰部感觉紧绷，受试者的睡眠舒适感越好。1.3.2睡眠质量模拟春夏交替时的室内环境（温度2 10.5，RH6010%，风速为0.2 0.1m/s），使用多导睡眠记录仪 SOMNOscreen plus PSG+(SOMNOmedicsGmbH,德国)对受试者进行睡眠监测,基于广泛流行的美国睡眠医学学会（AASM)的睡眠分期计算人睡时长及深度睡眠时间，得到在测试床垫下人体的不同阶段的总睡眠时间、睡眠效率及睡眠时长分布，如图4所示。N1和N2的时长之和为浅睡眠时长，N3时长为深睡眠时长。相关指标的定义如下：总睡眠时间=人体自关灯后卧床至试验结束的时间；总人睡时长=总睡眠时间-人体觉醒的时间；睡眠效率=总入睡时长/总睡眠时间10 0%00:0001:0002:0003:0004:0005:0006:0007:00WRN2N2N2N2N2N3N3N3图4睡眠分期示意图Fig.4Schematic diagram of sleep staging2结果与分析2.1床垫软硬度对脊柱形态的影响如图5所示，展示了使用6 种不同材质的床垫时人体脊柱曲线。在人体最重要的颈椎至腰椎区间（横坐标为156 0 之间），相比于普通弹簧床垫F来说，躺在其他床垫上的人体脊柱形态更接近人体直立时的脊柱形态。如表2 所示，进一步计算了此区域内仰卧在不同床垫上人体与直立状态人体曲线的评价指标。结合图5的分析，可以计算出站立时背人角和腰入角分别为13.5和12.7，在肩胛骨部位，人体距离颈椎的凸起约为6.0 cm。床垫A的人体曲度偏差最小（1.0 2 0 cm），平均贴合度最高（0.7 0 9），说明了A床垫最适合人体脊柱曲线；床垫C与B效果次Furniture015No.3应用技术第44卷第3期家具2023年第44卷Furniture2023Vol.44之，人体曲度偏差分别为1.30 cm和1.36 cm。床垫E的背人角偏差和腰人角偏差都比较小，那是由于床垫稍硬，让腰部不能贴在床垫上，导致角度变化较小。测量位置/cm测量位置/cm0102030405060708090100110010203040506070809000/Ro/AR-2B-2ACBC-4D-4DEEF-6-6F-8-8a.男生b.女生图5不同床垫上人体脊柱曲线Fig.5Human spine curves on different mattressesAE共计5款床垫的基础材质是由乳胶填充层和独立筒袋装弹簧等组成,其中床垫A使用的材料和其余4种床垫的填充材料有所不同，所以贴合度比较高，优于其他床垫，有最好的睡眠舒适感。床垫B填充了云柔深睡绵材质，从贴合度和曲度偏差来说都较好，睡眠舒适感较好。床垫C相比床垫B缺少了云柔深睡绵材质，平均贴合度低于B，故对人体脊柱曲线的影响比较大，睡眠舒适感稍差。其余几款床垫的贴合度小且人体曲度偏差大，睡眠舒适感较差。这5款床垫的睡眠脊柱曲线与人体脊柱曲线的贴合程度要优于弹簧床垫，一定程度上说明了这些材质的床垫将更有助于人体睡眠表2 测试床垫的脊柱形态分析Table 2Analysis of spine morphology of test mattress床垫平均人体曲度偏差背人角偏差腰入角偏差型号贴合度/cm/）A0.7091.026.39.5B0.6981.366.510.0C0.6061.306.57.7D0.5791.735.69.5E0.5531.613.55.9F0.2622.1810.56.72.2脊柱曲线吻合度对睡眠质量的影响如表3所示，10 位受试者在不同的床垫上睡眠8h后所得到的平均深睡眠占比和睡眠效率数据。相比于F床垫，其余床垫的贴合度都比较高，而对于床垫受试者的睡眠效率和深睡眠占比也都有比较大的差距。其中床垫A的贴合度最高，睡眠效率也最高，达到了9 1.2 1%，但是深睡眠占比只有27.37%，不如贴合度稍小的C床垫。D床垫的深睡眠占比2 8.6 7%，并且睡眠效率达到了9 0.0 6%因此床垫贴合度与受试者的深睡眠占比和睡眠效率具有一定的关联性。表3#测试床垫睡眠数据Table 3Test mattress sleep data床垫型号贴合度深睡眠占比/%睡眠效率/%A0.70927.3791.21B0.69825.3688.25C0.60631.4887.88D0.57928.6790.06E0.55328.0689.45F0.26218.1485.54为了探究床垫贴合度与受试者深睡眠占比和平均睡眠效率之间的关系，将10 名受试者的深睡眠占比、平均睡眠效率和测试床垫的贴合度进行回归分析，分别拟合了深睡眠效率和睡眠效率与测试床垫的贴合度的关系。根据回归分析结果显示，两者存在较为明显的曲线拟合关系。S深睡眠占比e(-0.083-0.19/x)(4)S睡眠效率e(-0.976 0.185/x)(5)回归系数的方差分析结果显示，深睡眠占比检验统计量F值为14.155，R为0.7 8 0,P0.05，睡眠效率检验统计量F值为8.446,R为0.6 2 8,P0.05，均具有显著的统计学意义。深睡眠占比和睡眠效率与床垫贴合度的曲线拟合关系分别如图6 和图7所示。通过分析床垫睡眠质量与脊柱形态，验证了贴合度对深睡眠占比和睡眠效率有积极影响。3结 论通过睡眠脊柱形态和睡眠质量分布对几种床垫系统下人体的睡眠状态进行研究，得到的结论如下：其一，通过睡眠脊柱形态研究方法发现床垫的脊柱形态具有明显的差异，证实了这种睡眠脊柱形016Furniture婷）周橙（责任编辑黄上接第51页）婷）黄吴智慧（责任编辑Furniture2023Vol.44No.3应用技术家具2023年第44卷第3期态研究方法的可行性。使用床垫时，材质为乳胶、云柔深睡绵和独立筒袋装弹簧的床垫对于人体的贴合感更好。相较于弹簧床垫，这几种床垫从人体323028%/262422y=exp(-0.976-0.185/x)2018203040506070贴合度/%图6 床垫贴合度与深睡眠占比的非线性关系Fig.6 Nonlinear curve correlation between mattress fitdegreeanddeep sleepratio其二，对于不同材质的床垫，睡眠质量也不同，独立筒袋装弹簧和乳胶填充物组合对于睡眠质量的提升要优于网装弹簧和普通海绵组合，特别是深睡眠占比。其三，仰卧时人体脊柱曲线与站立时的人体曲线贴合度越高，受试者的深睡眠占比和睡眠效率也会随之升高，当人体贴合度达到一定范围时，睡眠质量增加不明显。参考文献：1 SABRA M A,KRISTEN L K,PHYLLIS C Z.Health implicationsof sleep and circadian rhythm research in 2017JJ.Lancet Neurolo-gy,2018,17(1):1718.2杨丹仁，申黎明，显圭等垫层及充气压对空气弹簧床垫硬度的影响J.林业工程学报，2 0 2 3,8(1)：2 0 2-2 0 7.3 LAHM R,IAIZZO P A.Physiologic responses during rest on asleep system at varied degrees of firmness in a normal 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