桌面倾角对儿童前倾坐行为健康的影响研究

任 宏，张芷琦，宋卓著，王 蕊，刘 洋 Ren Hong &Zhang Zhiqi &Song Zhuozhu &Wang Rui &Liu Yang

(1.沈阳航空航天大学设计艺术学院，辽宁沈阳 110000；2.山东光明园迪儿童家具科技有限公司，山东聊城 252000）

儿童是人类的未来，他们的健康既是增强民族素质的基础，也是经济社会可持续发展的重要保障。然而随着学段升高，学业压力变大，学习时间的增加为维护及促进儿童的健康带来了新的挑战。在学习过程中坐行为贯穿全程，不正确的坐行为对于儿童的视力及骨骼健康均会产生负面影响。学习桌椅作为儿童学习时的重要媒介，不同结构的调节范围较为宽泛，其中关于桌面倾角的调节暂未形成统一规范，因此在一定程度上增加了家长们正确调节的难度。本文将以儿童书写时主要采用的前倾坐行为为中心，通过实验的方式收集数据，评估不同桌面倾角下儿童的坐行为，试图提出有助于健康坐行为形成的桌面倾角，助力儿童的健康成长。

1 前倾坐行为下的人机系统分析

坐行为是学习场景中最常见的基本行为。人体主要的支撑结构为脊椎、骨盆和腿部，同时肌肉通过收缩和产生肌力的方式维持人体的平衡稳定或进行运动。对于儿童来说，学习场景可以概括为书写场景、阅读场景与听讲场景三类，这几类场景下儿童所完成的任务不同，形成的坐行为也会有所差异（表1）。

表1 不同学习场景下儿童的坐行为

据《儿童蓝皮书：中国儿童发展报告》中的调查显示，近年来平均每个儿童的生活时间分配中，花费时间最长的类别就是“伏案作业”。“伏案作业”隶属于学习中的书写场景，由于人眼的最佳铅锤观察视野约为0°～-65°[1]，因此人会通过将身体向前倾斜的方式以满足最佳视野。此时，颈部与躯干产生弯曲，臀部与座面紧贴，背部离开座椅靠背，因此前倾的坐行为几乎贯穿了整个书写过程。前倾的姿势会使自然向前凸出的腰椎向后弯曲,影响胸椎和颈椎的正常曲度,持续较长时间时,支撑头部的肌肉组织内静态肌力增大,使颈部和背部产生疲劳，最后容易演变成驼背的姿势[2]。此外，长时间的前倾作业也会使眼部睫状肌持续收缩导致其功能提前退化，悬韧带的松弛促使水晶体变厚，增加近视眼的度数。

在儿童步入学龄期后，学习活动逐渐替代了游戏活动的主导，除去睡眠时间外，接触时间最长的家具就是学习桌椅[3]。由于物体具有基于环境传递信息的特征，因此可以对人的行为产生引导[4]。儿童在做作业时，桌椅与人体会共同组成一个人机系统，桌椅的物理特征可以帮助人实现其动作，同时人也会通过改变坐行为来适应桌椅及环境的变化[5]，因此学习桌椅功能尺度的合理有助于健康坐行为的形成。随着市场的发展和新产品的普及，一种系统可持续的设计观——可成长性理念在儿童家具的设计中得到了广泛应用，其目的在于通过产品自身来协调儿童成长期间的需求变化[6]。学习桌椅的可调节结构越来越完善，除了需要调节桌面高度、座面高度以及座面深度至最佳功能尺寸外，桌面倾角的调节也会对前倾坐行为产生影响。人机工程学的相关理论中提到：视觉观察是对作业空间起决定性影响的因素，首先需要满足的便是视觉的可视性要求，视觉决定了人的坐行为[7]；罗玉明[8]等人提出桌面固定平放时视线与桌面上的目标物体不平行，迫使儿童在学习时头部前倾低垂以获取清晰的图像；Maria[9]等人提出使用倾斜桌面的学习桌可以减少躯干和颈部的屈曲，保留腰椎和颈部的自然前凸；易熙琼[10]提出倾斜桌面有利于保持躯干的自然姿势,改善身体的作业姿势并减少躯干运动；王丽君[11]指出书写导致了更大的头颈部弯曲和脊柱的不对称性，推断书写比电脑操作更易患肌肉骨骼疾病。综上可知，桌面倾角在一定程度上有助于缩短头部与桌面的距离，缓解颈部与躯干的弯曲并减轻前倾坐行为下相关人体部位的肌肉施力与压力。

2 不同桌面倾角下的前倾坐行为对比实验

2.1 实验对象

为保证实验结果覆盖到更多儿童，选择不同性别坐姿测量项目中眼高的较小、中间、较大尺寸为参照挑选该年龄段的被试共12名，其中男女各6名作为本研究的实验对象。根据实验场地空间将被试分为4组，被试均为右利手，身体健康状况良好，裸视或矫正视力正常且无散光，脊柱发育健康，24小时内无剧烈运动且休息充分。被试分组及身体基本参数如表2所示。

表2 被试分组及身体基本参数(厘米)

2.2 实验方法

便携式人体工学观测方法[12]（Portable Ergonomic Observation Method，简称PEO）是以视频录制的方式来收集人体主体姿势和活动变化数据的一种便捷观察方法，手臂、颈部、躯干和膝盖这四个身体区域是其主要评估的内容。当观察方向为人体的矢状面时，PEO模型中的参考点为颈部中心点、双肩中心点和下背固定点，这三个点位于同一条头、颈、躯干中心线上时为理想坐行为，耳屏同双肩中心点的连线与理想坐行为的夹角为颈部弯曲，双肩中心点同下背固定点的连线与理想坐行为的夹角为躯干弯曲。当颈部弯曲与躯干弯曲在20°之内时判定为健康坐行为，颈部弯曲大于20°、躯干弯曲在20°～60°之间及60°以上时判定为不良坐行为。除了上述对坐行为的判定之外，还可以通过PEO得出被试者保持健康或不良坐行为的时长与频率。根据第一节可知，前倾坐行为与其他坐行为的差异集中于人体的上半身，因此选择PEO模型中的颈部弯曲、躯干弯曲，并加入衡量眼部健康的视距做为本研究的关键指标，提出了一种基于PEO模型的坐行为健康判定模型（图1）。

图1 PEO模型（左）与基于PEO模型的坐行为健康判定模型（右）

在坐行为检测与分析的研究中，国内外学者较常使用的人体关节点数据采集方式有两种：一是使用Kinect或其他传感器，对被试关键身体部位标记后进行实时运动捕捉，并通过编程等途径获取测量数据；二是使用OpenPose[13]、AlphaPose或其他人体姿态检测系统实现人体关键节点与姿态的捕捉,其中由美国卡耐基梅隆大学开发的OpenPose二维多人姿态检测系统支持输入图片、视频、网络摄像头、深度摄像头等等并输出人体及五官关键节点的基本图像与坐标信息。对比两种方式发现，后者除了成本较低外，还具备更高的灵活度、准确度与稳定性，同时运行时间更短。根据本研究的实验属性可知，实时性并不是刚需，因此选择使用彩色摄像头录制视频，录制完成后将视频导入至OpenPose系统的方式获取与前倾坐行为相关的人体关键节点数据。采集完成后，使用自定义代码对坐行为健康判定模型中的指标进行计算。

2.3 实验环境与设备

本实验在山东省聊城市光明园迪实验摄影棚进行，摄影棚光环境及通风良好，场地空间与学校标准教室相同，无噪音干扰。目前市场上的学习桌按照桌面形态可以分为直边桌与弧边桌两种，王小飞[14]通过主客观实验结合的方式发现被试使用弧边桌时主观舒适度得分更高、臀部和肘部承受的压力更小，提出在伏案坐姿状态下，弧边桌较比直边桌更加舒适健康，因此选择由光明园迪生产的弧边学习桌及学习椅为本实验参照学习桌椅。录像使用的摄像机为佳能5D4,捕捉的每帧彩色图像分辨率为1280*720，位置设定在儿童正左侧2米处，实验准备如图2所示。

图2 实验环境及设置

2.4 实验流程

（1）将学习桌椅调节至被试使用的最佳功能尺寸。根据已有研究得出的结论调整座面高度、座面深度、靠背高度以及桌面高度。完成调节后请被试尝试任务，并询问当前设置是否舒适，根据被试主观感受可进行微调。

（2）人正常的视线为水平视线以下的25°～35°，当取其中间值30°为人的正常视线参考时，30°的桌面倾角会促成相对水平观察的理想状态，因此选择30°这一倾角为实验角度之一，同时加入桌面倾角0°、以及相关文献中广泛提到且位于0°～30°之间的桌面倾角12°为另外两组实验角度。根据不同阶段的实验分别将弧边学习桌桌面倾角调节至0 °、12°、30°，并请每4组的3位被试分别入座。

（3）根据被试的学龄阶段设置适宜难度的书写任务，向被试发放试卷，开始实验，整个实验过程中不对儿童的书写行为进行干预与限制。实验时长为10分钟，完成试卷后被试做出手势示意，一阶段实验结束。

（4）完成每个阶段的实验后，请被试进行10分钟左右的休息放松，缓解肌肉的压力和大脑信息处理负荷，完成下一阶段的实验桌面倾角设置后，继续进行实验，共计三阶段实验。

3 结果与讨论

实验完成后将视频导入至OpenPose中，可以得到对应被试的25个关键节点标记与坐标，如图3-图4所示。由于OpenPose只实现对人体关键节点的识别，无法对桌面物体进行标定，结合儿童的书写行为可知，右利手儿童在书写过程中的观察目标更接近于右手，因此选择点4“RWrist”作为视距计算的参考点之一。根据坐行为健康判定模型最终确定对应的5个关节点，分别为点1“Neck”、点4“RWrist”、点8“MidHip”、点16“LEye”以及点18“LEar”。

图3 OpenPose BODY_25 关键节点示意

图4 彩色图像中的BODY_25关键节点标记

得出上述关键节点在彩色图像中的坐标后，将其导入至写好对应计算公式的自定义代码中计算颈部、躯干的弯曲角度与视距，坐标与相关指标的关系如图5所示，主要代码如下：

图5 关键节点坐标及相关指标

统计完成后，使用SPSS计算以上关键指标的均值、标准差以及振幅概率分布函数APDF（90-10）（即振幅范围），并对上述内容进行单因素ANOVA检验以验证桌面倾角与各项指标是否存在显著关系（P＜0.05），同时结合不良坐行为的时长与频率，对比不同桌面倾角下儿童前倾坐行为的差异。

3.1 颈部弯曲

通过单因素ANOVA检验发现：桌面倾角与颈部弯曲显著相关（P＜0.05），随着桌面倾角的上调，被试者的颈部弯曲呈下降趋势，如图6所示，详细数据结果见表3。参照PEO模型对于不良坐行为的定义可知，当桌面倾角为30°时，被试者的颈部弯曲均值更接近于20°，说明30°这一桌面倾角更有助于健康坐行为的形成，其次为12°。同时，通过计算不同桌面倾角下颈部弯曲的振幅概率分布函数APDF（90-10）发现，颈部弯曲的变化幅度随桌面倾角的上升减小，但桌面倾角对于颈部弯曲APDF（90-10）的影响并不显著（P＞0.05）（表4）。

图6 不同桌面倾角下的颈部弯曲、躯干弯曲

表3 不同桌面倾角下相关指标的结果

表4 不同桌面倾角下相关指标的APDF（90-10）

3.2 躯干弯曲

躯干弯曲随桌面倾角的变化情况如图6所示，相关数据如表3、表4所示。不同的桌面倾角下躯干弯曲的差异较小且均位于健康坐行为的阈值之内，随着桌面倾角的上升，躯干弯曲轻微减少，桌面倾角对于躯干弯曲及其APDF（90-10）的影响均不显著（P＞0.05）。通过与桌面倾角同颈部弯曲的显著影响关系及变化趋势进行对比可以推断，被试者更习惯通过调整头部的位置来适应桌面上的书写目标。此外，通过分析颈部弯曲与躯干弯曲的相关性发现，两项指标的相互影响较显著（P=0.014＜0.05），因此二者存在一定的关联。

3.3 视距

据表3所示，不同桌面倾角下的视距均值从大到小依次为12°>30°>0°，使用12°的桌面倾角所形成的视距更接近于健康用眼距离，桌面倾角对于视距及其APDF（90-10）的影响均不显著（P＞0.05）。同时，对视距和上述两项身体弯曲指标进行双变量相关性分析发现，视距与颈部弯曲显著相关(P＜0.05),躯干弯曲对视距的影响不显著 (P=0.119＞0.05)。结合相关性分析可知，通常视距会随着颈部弯曲的减小而增大，但本研究得出的数据情况为12°>30°>0°，推断出现此情况的原因是：对比12°的桌面倾角，30°会更大程度的抬高书写目标物体的垂直高度，因此即使颈部与躯干的弯曲角度降低，整体的视距仍会相对缩短。

以上三项关键指标随时间的变化如图7所示。通过观察图像发现，随着时间的流逝，0°桌面倾角下被试的颈部弯曲与躯干弯曲波动较大，且呈上升趋势，12°与30°的情况下上述两项指标的波动较小。同时，使用12°桌面倾角时视距的波动相对最小，不同桌面倾角下视距随时间变化的趋势不明显。由此可知，桌面倾角的适当升高有助于减少坐行为的大幅度调节，同时作业时长的增加存在加重颈部不良弯曲的风险。

图7 不同桌面倾角下的颈部弯曲、躯干弯曲、视距随时间的变化

3.4 健康坐行为持续时长

不同桌面倾角下各指标健康阈值的时间占比情况如表5所示。颈部弯曲与躯干弯曲角度在健康阈值内的时间占比随着桌面倾角的增加而上升，当桌面倾角为30°时，身体弯曲关键指标健康阈值的时间占比均达到最高，进一步说明了12°与30°的桌面倾角均有助于健康坐行为的形成，其中12°的桌面倾角更有助于视力健康。

表5 不同桌面倾角下各指标健康阈值的时间占比（%）

4 结论

使用彩色摄像头与OpenPose结合的方式可以实现对人体坐行为的精准捕捉，经统计与分析发现，在本实验选取的三个角度下，桌面倾角对颈部弯曲的影响最为显著且负相关，说明人在书写场景下的坐行为习惯是通过调整头颈部来适应桌面上的目标。同时，在30°这一桌面倾角下，颈部弯曲、躯干弯曲相对最优，变化幅度较小，两项指标位于健康阈值的时间更长；在12°这一桌面倾角下，与视距相关的数据相对最优，因此30°的桌面倾角对健康坐行为的形成存在积极的影响，12°的桌面倾角更容易形成健康视距。在三项关键指标之间，颈部弯曲与躯干弯曲、视距的相关性显著，躯干弯曲与视距无显著关联。

结合对实验视频的观察可知，人在书写过程中产生的前倾坐行为是多样且多变的，因此合适的桌面倾角也不应该是绝对的。关于桌面倾角的最佳尺寸暂时无法形成定论，可以通过更多的对比实验或应用其他实验手段如体压分布测试等做进一步的验证。还需要注意的是，时间也是影响儿童坐行为健康的一项重要因素，坐行为时长的上升会加重儿童的疲劳感，促进不良坐行为的形成，因此除了保证儿童学习桌椅的合理功能尺度外，还需要适当增加站立活动并合理控制儿童的坐行为时长。