中国青年男性侧睡睡枕高度相关因素研究

王笑语，杨蕾，陈顺微，邓倩囡，王雪琴

(浙江理工大学 纺织科学与工程学院(国际丝绸学院)，杭州 310018)

1 引言

人的一生中有三分之一的时间在睡眠中度过，科学舒适的睡枕有助于提高睡眠质量，促进健康睡眠[1]。不正确的睡眠姿势会加重颈椎的压力，从而导致颈椎疼痛、僵硬，颈椎疾病的恶化[2]。随着生活水平的提高，中国青年男性身型整体数据也在变化。与此同时，快节奏的生活以及工作压力的增加使人们对颈椎问题的重视度日益加大，因此促进颈椎健康睡枕的需求逐渐增加。当下，对于健康睡枕高度的研究正在深入，且多项实验研究表明，侧睡比仰睡更健康[3-4]。侧卧位时,脊柱形状越接近水平的自然状态,内部挤压力最小[5-6]，即人体面向方向上头部枕后点、颈椎、脊椎呈直线时，更符合人体生理结构健康[7-8](图1)。

图1 侧睡健康脊椎形态

许林海等人[9]测量68名成年人(年龄17-58岁，男26例，女42例)的肩宽及肩颧距，将肩颧距定为侧睡高度，得到肩宽与侧睡高度的公式。熊毅等人[10]对比了30名志愿者(年龄22-30岁，男女各15例)侧睡高度0 cm、10 cm、20 cm时的颈胸段脊柱曲度参数，认为健康侧睡枕高应在10 cm附近。周毅强等人[11]通过三维有限元法分析比较不同高度下1名25岁健康男性(身高172 cm，体重65 kg)侧卧位时颈椎间盘应力大小，发现枕高为17 cm颈椎近似中立位，此时颈椎间盘应力最小。祝杭琪等人[12]通过测量90名青年女性的肩颧距，将侧睡高度分为小(9.5 cm)、中(10 cm)、大(11 cm)三种。

目前研究普遍认为侧睡高度与身体尺寸有关，但不同年龄、性别的人群体型有明显差异[13]，针对上述不同人群的侧睡高度探究却寥寥可数，因此本文主要针对青年男性进行体型及侧睡睡枕高度相关性研究，通过对201名青年男性的身体数据及侧睡数据的采集，通过SPSS软件进行数据处理及分析，根据数据结果对青年男性侧睡枕高设计提出建议。

2 侧睡枕高分析

2.1 侧睡枕高理论模型

侧睡主要分为侧卧与半侧卧两种[14]，本文只研究侧卧时的高度。

侧卧时，由于人体上半身呈倒三角形状(见图2)，肩宽大于胸宽，脊椎与床面具有一定的倾斜角度。根据几何关系，该角度直接影响了侧睡时颈椎所需健康生理高度。侧睡倾斜角由一个主要因素以及三个次要因素决定。主要因素为人体自然形态下的肩部宽度与胸部宽度。由于侧睡时肱骨向内旋转，锁骨不动，最大肩宽变小，肩宽不变，肩部宽度取决于骨骼肩宽(图3)。次要因素为(1)自身重力影响，侧卧时肩部宽度与身体宽度略小于自然形态；(2)床垫缓压影响，床垫的缓压效果使侧卧时自身重力对身体宽度影响减小；(3)床垫下陷影响，床垫的下陷深度使几何意义上决定脊椎倾斜角的肩部宽度及身体宽度变小。理想化密度的床垫可使侧睡时颈椎保持水平，而在没有弹性的床板上脊椎倾斜角度完全由生理形态及自重导致的身体压缩决定。因此本文通过无床垫、低弹薄床垫、高弹厚床垫影响下的侧睡高度，讨论不同睡眠环境下的侧睡健康枕高范围以及高度设计公式，为睡枕设计提供参考。

图2 侧睡枕高计算肩宽

如图2所示，AB为二分之一肩宽，B’为AB至床垫压陷最低处水面平交点，A点沿颈椎向下20 cm处为C点，CD为C点处二分之一身宽，CD’为侧躺时着床一侧半身宽实际距离，E为鼻根点，EF为眼睛水平面上二分之一头部宽度，G为侧躺时EF延长线至床面交点处，d1为侧躺时着床一侧床面至B’的下陷深度，d2为侧躺时着床一侧床面至D’的下陷深度，α为侧睡脊椎倾斜角，h为侧睡生理健康高度。

由图中几何关系可得h表达公式：

h=FG*cosα(1)

其中：

FG=AB'+AE*tanα-EF-d1

(2)

(3)

(4)

2.2 主要因素分析

侧睡倾斜角的主要影响因素为二分之一肩部宽度与二分之一胸部宽度，其中二分之一肩部宽度AB由201名青年男性基本数据采集直接测量得到，二分之一胸部宽度CD通过身型测量拟合实验得到。

如图4所示，被测量者放松直立，将左手搭于右肩以模拟侧睡身体形态。测量左半肩宽AB、点A悬垂向下20 cm，C点处至身体左侧水平距离CD。

图3 肩宽与最大肩宽 图4 未知参数CD测量

本实验共采集采集93人，使用SPSS软件进行初步处理，去除异常值后保留有效数据82人，有效率88.17%。AB偏度0.366，峰度-0.721；CD偏度0.581，峰度-0.045。上述偏度及峰度均小于一，可认为数据呈正态分布。

通过皮尔逊相关性分析，半个肩宽(AB)与半个身宽(CD)的相关性0.928，且P值小于0.05 ，具有统计学意义。通过线性拟合，得到半个肩宽(AB)与半个身宽(CD)公式，R方0.861。

CD=0.92*AB-2.59

(5)

2.3 次要因素分析

针对身体自重及床垫缓压、下陷对脊椎倾斜角α的影响，设计如下实验：

被测试者分别侧躺于无床垫光洁床板、2.2 cm厚低弹针织间隔织物床垫、4.5 cm厚高弹3D打印床垫上(见图5、图6)，头枕高度为12 cm，记录数据内容如表1。

表1 侧躺实验记录项目

图5 2.2 cm厚低弹床垫 图6 4.5 cm厚高弹床垫

参考公式(1-2)，侧睡生理健康枕高主要影响因子为肩宽，因此本次实验共测7名青年男性，肩宽分别位于青年男性身体数据测量数据中14.87%、26.67%、42.56%、47.69%、75.90%、75.90%、75.90%，基本满足四分位测量需求。

图7 肩宽长度变化 图8 身宽长度变化

分别对肩宽、身宽做不同测试条件下的长度绘制折线图(图7、图8)并进行相关性分析(表2、表3)。

表2 肩宽在不同测试条件下的长度相关性

表3 身宽在不同测试条件下的长度相关性

肩宽变化在无床垫时无明显相关性，71.43%的数据集中于18cm，其余二人分别为18.5 cm、19.0 cm；低弹薄床垫时无明显相关性，71.43%的数据集中于18cm，其余二人分别为17.5 cm、18.5 cm；高弹厚床垫时与体重相关性系数为0.917，且P值小于0.05，具有统计学意义。将AB3’与体重M进行线性拟合得到公式(6)，R方为0.787。

AB3'=0.08*M+13.36

(6)

身宽变化在各条件下相关系数均高于0.850，且P值均小于0.05，具有统计学意义。通过SPSS软件分别将CD1’、CD2’、CD3’分别与CD进行线性拟合，得到关系公式(7-9)，R方分别为0.940、0.854、0.804。

CD1'=0.79*CD+2.54

(7)

CD2'=0.65*CD+4.75

(8)

CD3'=0.79*CD+2.69

(9)

如图9所示，高弹厚床垫下陷深度较为均衡稳定，肩部下陷深度d13恒为2.5 cm，身侧D’点下陷深度d23测量中85.7%的数据集中在2 cm，其余一人为2.2 cm。而低弹薄床垫下陷深度变化幅度较大。通过SPSS软件分析身高、体重、AB、CD、AB2’、CD2’、d12、d22双变量相关性，如表4所示：(1)肩部下陷深度d12与体重相关系数为0.925，且P值小于0.005，相关性显著且具有统计学意义，但与肩部自然宽度AB、着床一侧肩部宽度AB2’无明显相关性；(2)身侧D’点下陷深度d22与体重、CD、CD2’相关性系数分别为0.889、0.908、0.815，其中与CD的相关性分析中P值为0.005，具有统计学意义；(3)肩部下陷深度d12与身侧D’点下陷深度d22相关性系数为0.962，且P值小于0.005，具有统计学意义。

图9 不同床垫体压下陷情况

表4 身体数据与低弹薄床垫压缩数据相关性分析

通过SPSS软件将CD与d22、d22与d12分别进行线性拟合，得到公式(10-11)，R方分别为0.771、0.953。

d22=0.14×CD-1.61

(10)

d12=0.92×d22+0.33

(11)

3 侧睡枕高计算

3.1 眼高与肩高差AE拟合分析

经第二节侧睡枕高分析及影响因素分析，针对未得到参数眼高与肩高差AE进行拟合分析。根据国家标准中国成年人人体尺寸[13]提供的18-25岁男性身高、眼高、肩高百分位数据分析，身高与眼高、肩高的皮尔逊相关性均为1，且P小于0.05，具有统计学意义。通过线性回归拟合分析，得到眼高h2、肩高h3分别与身高h1的公式。R方分别为1.000，0.999。

h2=0.98×h1-8.18

(12)

h3=0.93×h1-20.24

(13)

由此得到AE距离：

AE=0.050×h1+12.06

(14)

3.2 青年男性身体数据测量

通过上述影响因素分析及公式拟合，可认为侧睡生理健康枕高由身高h1、体重M、肩宽2AB、眼睛水平面上头部宽度2EF及床垫决定。为探求当代青年男性侧睡生理健康高度分布情况，本实验共测量201名青年男性的身高、体重、肩宽、眼睛水平面上头部宽度数据，使用SPSS软件进行预处理，去除异常值后(见表5)保留有效数据192人，有效率95.5%。

表5 身体数据异常值统计

3.3 侧睡枕高公式

根据上述参数分析及拟合公式，可得到：

(1)无床垫时影响侧睡生理健康枕高的因素为身高、肩宽、眼睛水平面上头部宽度、自重导致侧躺着床一侧身体压缩，即无床垫时影响侧睡生理健康枕高ha，如公式(15)所示。

(2)低弹薄枕垫时影响侧睡生理健康枕高的因素为身高、肩宽、眼睛水平面上头部宽度、自重及床垫缓压影响的身体压缩、床垫下陷深度，即低弹薄枕垫时影响侧睡生理健康枕高hb，如公式(16)所示。

(3)高弹厚枕垫时影响侧睡生理健康枕高的因素为身高、肩宽、眼睛水平面上头部宽度、自重及床垫缓压影响的身体压缩、床垫下陷深度，即高弹厚枕垫时影响侧睡生理健康枕高hc，如公式(17)所示。

(15)

(16)

(17)

3.4 实例验证

为证明上述公式合理性，寻找三名身高、体重、肩宽、最大肩宽处于201名中国青年男性数据库中25、50、75分位附近的志愿者进行实例验证，身体数据如表6所示。

表6 志愿者身体数据

如图10，在志愿者脊柱C4、T1、T4、T6、T8处背部做标记。通过公式(15-17)分别计算在无床垫、低弹薄枕垫、高弹厚枕垫上所需侧睡高度。志愿者分别躺在不同床垫环境中，通过调整硬纸板厚度模拟侧躺时睡枕压缩后的实际枕高。使用佳能(EOS M6)相机在固定位置上拍下三种环境照片，如图11。

图10 背部标记 图11 侧睡模拟照片

将照片于Adobe Illustrator软件中进行脊柱点的描绘，如图12。三种床垫环境上三名志愿者脊柱均趋于直线，与本文设想基本相符。

图12 三种床垫上的脊柱形态

3.5 侧睡枕高计算

结合201名青年男性身体数据库，得到在无床垫、低弹薄床垫、高弹厚床垫上所需侧睡生理健康高度，频数分布如图13所示。

图13 不同床垫所需枕高分布

K-means聚类方法通过样本进行聚类，通常可以应用于维数、数值都很小且连续的数据集，需在明确类别数量下使用。为符合市场需求，本文通过SPSS软件对不同床垫所需枕高分别进行3阶K-means聚类分析，结果如表7所示。

表7 三种床垫上的侧睡高度聚类中心

4 讨论

4.1 主要因素分析

侧睡生理健康枕高主要因素为人体自然形态下的肩部宽度与胸部宽度。根据未知参数CD确定实验，肩部宽度与胸部宽度相关性系数为0.928，因此结合公式(5)，在设计产品时，可以通过仅调查消费者肩宽，来估算消费者肩部与胸部的形态。

4.2 次要因素分析

(1)在次要因素影响分析实验中，由图7、图8可以发现侧睡时由于自身重力影响，着床一侧肩部宽度及身体宽度均有缩小，但缩小幅度随着床垫弹性及厚度的增加而减小。上述结论同样可以通过图9证明，随着床垫弹性及厚度的增加，脊椎倾斜角变小，所需睡枕高度变小。

(2)在无床垫与低弹薄床垫条件下，多数测试者肩宽趋于相近的范围内，但在高弹薄床垫条件下肩宽数据分散并与体重相关系数为0.917。基于上述现象可猜测当床垫缓压效果较差时，由于自重影响，肌肉及骨骼压缩至某临界值附近，随着床垫缓压效果提高，自重影响减轻，肌肉及骨骼压缩变小。但同时不排除样本量较小、样本间体重相差较小因素导致，因此在后续需通过大样本测试进行研究分析。

(3)在各床垫条件下，胸宽压缩不同于肩宽压缩，相关系数均高于0.850，可认为由于胸部骨骼结构稳定，不同于肩部骨骼灵活，因此压缩具有一定规律。

(4)在床垫下陷测试中，由于床垫材料、厚度、弹性的不同，低弹薄床垫形变能力与身体宽度有关，肩部与胸部下陷深度差值在0.2 cm～0.3 cm之间；高弹厚床垫形变稳定，肩部与胸部下陷深度差值在0.3 cm～0.5 cm之间。可考虑肩部与胸部下陷深度差值与床垫弹力有关，而不同材质床垫影响了总体下陷深度。根据公式(16)、(17)，在实际设计工作中，在床垫因素中可以以下陷深度为主要考虑因素。

4.3 侧睡枕高分析

以201名青年男性的身体数据计算在三种不同床垫条件下的侧卧生理健康枕高，并通过K-means聚类分析，各分为小、中、大三种高度尺寸，如图14。

图14 不同床垫所需枕高分布

5 总结

基于当下市场现状对产品型号数量的要求及对消费者个人睡眠习惯信息的获取限制，综合不同床垫环境下的睡枕高度聚类中心及聚类中心四分位，推荐设计侧睡生理健康枕高：小号(12.5 cm)，中号(13.5 cm)，大号(14.5 cm)。上述高度为实际需要高度，即睡枕压缩后高度。与祝杭琪[12]等人对于青年女性侧睡枕高设计相对比，青年男性整体侧睡高度高于女性约3 cm，该结论可用男性身型较大于女性解释(见图15)。

图15 青年男性与女性侧睡高度对比