针对特定区域和姿势的压力分布影响及舒适度感知的详细分析

本研究评估了六种不同硬度床垫在仰卧和侧卧姿势下对34名健康成人的压力分布及主观舒适度影响。结果显示，较软床垫在臀部和大腿区域显著降低峰值压力（P95）和压力指数（PI），同时增加接触面积（CA），但腰部舒适度评分最低。分析表明，舒适感知不仅与界面压力相关，提示床垫设计需考虑区域特异性支撑。

吴颖|黄佳琪|徐彦静|柯颖

江南大学纺织科学与工程学院，无锡，214122，中国

摘要

虽然众所周知床垫的硬度会影响压力分布和舒适度，但现有的研究主要依赖于全局性指标，这可能会掩盖特定区域的关键反应。本研究评估了六种不同硬度的床垫（B1-B6）对34名健康成年人在仰卧和侧卧姿势下的影响。通过客观测量方法（平均压力P₅₀、峰值压力P₉₅、压力指数PI和接触面积CA），以及主观舒适度评分，对四个身体部位（肩部-背部、腰部、臀部和下肢）进行了评估。单因素方差分析（ANOVA）显示所有压力指数存在显著的硬度相关差异（p < 0.001）。较软的床垫降低了峰值压力和压力指数，并增加了接触面积，其中臀部和下肢的变化最为明显。腰部通常获得最低的舒适度评分。压力与舒适度之间的弱相关性表明，舒适度的感知超出了界面压力的范畴。这些发现强调了在人体工程学床垫设计中需要针对特定区域优化硬度的重要性。

引言

人类大约三分之一的时间用于睡眠，而恢复性睡眠被广泛认为是身体恢复、认知表现和长期健康所必需的（Hale等人，2020年）。流行病学证据表明，睡眠不足或睡眠质量差与心血管疾病、代谢紊乱、免疫力下降和肌肉骨骼疼痛的风险增加有关（Cappuccio等人，2010年）。

在睡眠研究中，睡眠质量通常通过客观的睡眠连续性和结构指标（例如睡眠效率和慢波睡眠时长）以及经过验证的自我报告问卷来衡量（Reed和Sacco，2016年）。在本研究中，我们关注在受控条件下的感知躺卧舒适度和界面压力。作为人体与睡眠环境之间的主要接口，床垫通过影响脊柱对齐、身体压力分布和感知舒适度，在塑造睡眠质量方面起着关键作用（Jacobson等人，2009年）。床垫性能的一个关键因素是其调节身体-表面压力的能力。长时间超过毛细血管闭合阈值（25-35毫米汞柱）的压力会损害微循环，这种情况如果持续存在，可能会导致缺血、痛觉激活和组织损伤（Gefen，2008年）。此外，较高的峰值压力会引发频繁的姿势变化，从而破坏睡眠结构（De Koninck等人，1992年）。Kovacs等人发现，腰部支撑不足可能会促进脊柱错位和肌肉疲劳，增加腰痛的风险（Kovacs等人，2003年）。因此，人体工程学床垫设计需要在压力缓解和结构支撑之间取得谨慎的平衡。睡眠姿势是影响人体与床垫相互作用和区域负荷模式的另一个关键因素。Skarpsno等人发现，成年人大部分睡眠时间处于仰卧和侧卧姿势，而俯卧姿势所占比例较小（Skarpsno等人，2017年）。Kawabata和Sugama发现，仰卧和侧卧姿势对身体的生物力学要求不同，仰卧主要需要后躯支撑，而侧卧则将负荷集中在肩部和大转子（Kawabata和Sugama，2022年）。因此，本研究中包括了这两种姿势，以捕捉与姿势相关的压力重新分布情况。

先前的研究已经广泛调查了各种材料（如乳胶、记忆泡沫和聚氨酯）制成的床垫的性能。Fang和Shen研究了TPEE-3D纤维材料作为床垫结构层，发现与传统材料相比，它可以改善压力分布和舒适度（Fang和Shen，2023年）。相比之下，Low等人报告称乳胶床垫在降低峰值压力方面比聚氨酯更有效（Low等人，2017年）。这些不一致的结果可能源于制造工艺、硬度定义和研究设计上的差异，这表明仅靠材料本身无法完全解释舒适度表现。除了材料之外，床垫硬度也被证明会直接影响脊柱对齐和椎间盘负荷，中等硬度通常会产生有利的生物力学特性（Hong等人，2022年）。Verhaert等人证明，使用可调节的床垫优化脊柱对齐对参与者的睡眠感知有积极影响（Verhaert等人，2013年）。使用空气垫来促进从骨盆到腰部区域的压力过渡，可以减少对腰部脊柱的不利压缩和剪切力。最近的研究采用了互补的客观方法来评估与床垫相关的舒适度。例如，Wu等人提出了一种使用三维扫描技术评估仰卧姿势舒适度的方法（Wu等人，2018年），而Lee等人通过生理测量研究了顶层厚度和硬度的综合效应（Yu-Chi等人，2020年）。这些研究强调了客观测量在描述床垫舒适度方面的价值。除了基于测量的床垫评估外，最近的研究还结合了生物力学和接触力学来建模和预测人体与支撑表面之间的界面压力分布。例如，Liu等人提出了一个基于生物力学和接触力学的框架，以估计不同姿势下的身体-支撑压力分布（Liu等人，2020年），Zhong等人进一步开发了一个三维生物力学模型来模拟接触压力分布，并通过实验测量验证了预测结果（Zhong等人，2025年）。这些建模进展为解释与姿势和区域相关的压力反应提供了更机械化的基础。总体而言，这些发现强调了床垫硬度和支撑分布是人体工程学性能的核心决定因素。

然而，许多现有研究主要报告全局性压力指数或整体舒适度评分，可能无法完全捕捉特定区域的反应以及整体和局部结果之间的潜在差异。不同解剖区域的负荷要求和组织组成各不相同：腰部脊柱需要稳定的支撑以保持生理曲度，骨盆和臀部由于骨骼突出而集中负荷，而肩部和下肢的软组织厚度和压力耐受性也有所不同（Kozinc等人，2021年；Pires等人，2025年）。观察性研究进一步表明，即使整体舒适度被认为是可接受的，不适感也常常出现在局部区域，如坐骨结节、臀部或肩部（de Mare等人，2021年；Games等人，2016年）。Chen等人还表明，压力分布过于集中或过于均匀都会导致自我报告的睡眠舒适度降低，这表明适当的分布平衡是必要的（Chen等人，2014年）。尽管市场上越来越多地推出商用或区域适应性床垫，但此类设计的实证验证仍然有限。例如，Wei等人（2023年）报告称，使用可调节分区空气床垫可以改善睡眠参数，但这表明需要更系统的评估。

这些考虑表明，有必要进一步进行系统的研究，以明确床垫硬度如何影响不同解剖区域和姿势下的压力分布和感知舒适度。为此，本研究评估了六种不同硬度床垫在仰卧和侧卧姿势下的压力分布指数（P₅₀、P₉₅、压力指数、接触面积）和主观舒适度评分。招募了34名健康成年人，并使用单因素方差分析（ANOVA）测试来检查不同硬度水平之间的差异，并通过Spearman相关性分析来评估客观和主观测量之间的关联。通过整合全局和区域层面的生物力学和感知数据，本研究旨在提供关于床垫舒适度机制的新证据。

部分摘录

参与者

本研究以健康的年轻成年人为对象，作为初步调查，以建立基线的生物力学和感知反应特征。研究招募了34名没有肌肉骨骼疼痛症状的健康大学生。参与者包括16名男性和18名女性。所有参与者的体重指数（BMI）均根据世界卫生组织为亚洲成年人制定的标准进行计算（表1）。研究方案已获得批准

不同硬度床垫下的压力分布

方差分析（ANOVA）结果证实，在两种姿势下（仰卧：F = 4.57-18.42；侧卧：F = 8.45-19.13；所有p < 0.01）（表3），不同类型床垫在所有与压力相关的变量上存在显著差异。值得注意的是，硬度与整体压力参数之间的关系并非严格线性（图4）。

在仰卧姿势下，P₅₀值的范围从2.04 ± 0.35千帕（B6）到2.40 ± 0.42千帕（B2），而P₉₅的值在4.63 ± 0.80千帕（B6）到5.88 ± 1.29千帕（B2）之间变化。B6床垫的PI值最低

讨论

本研究提供了额外的证据，表明床垫硬度的影响并非均匀分布，而是因解剖区域和睡眠姿势而异。如图6所示，全局指数可以捕捉到整体的压力重新分布，而区域分析则揭示了不同的舒适模式。在仰卧姿势下，尽管整体舒适度得分较高，但腰部和臀部的舒适度评分相对较低。在侧卧姿势下，下肢的舒适度评分甚至更高

局限性

应承认本研究的局限性。第一个局限性是参与者都是健康的年轻人。年龄和健康状况可能会影响组织的机械性能和感知舒适度。因此，本研究中观察到的硬度偏好和舒适度关系可能不直接适用于老年人或有腰痛的个体。未来的工作应该招募更广泛的年龄范围和临床人群，以评估最佳硬度是否有所不同

结论

在本研究中，我们系统地研究了床垫硬度对区域压力分布和主观舒适度的影响。我们的主要发现总结如下：

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中等到中等偏软的硬度可能在压力缓解和感知支撑之间提供实用的平衡。较软的床垫显著降低了峰值压力（P₉₅）和压力指数（PI），同时增加了接触面积（CA），其中臀部和下肢的效果最为明显。

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在仰卧

作者贡献声明

吴颖：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学，调查，正式分析，数据管理。黄佳琪：方法学，概念化。徐彦静：验证，资源准备。柯颖：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。

伦理声明

本研究遵循《赫尔辛基宣言》的伦理标准进行，并得到了江南大学医学伦理委员会的批准（参考编号：JNU202403RB006）。所有参与研究的个体都获得了书面知情同意。

资助

本工作得到了“中国中央高校基本科研业务费”[资助编号：2050205-01]的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢Sleemon有限公司提供了本研究所需的所有床垫样本和测量设备。我们还要感谢所有参与实验的志愿者。