女性老年人髋关节抗冲击保护裤装的设计开发

于晓坤，关娟娟，罗 洋

(1. 东华大学a.服装与艺术设计学院;b.现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海200051；2.天津科技大学 艺术设计学院，天津300457)

老年人几乎95%的髋部骨折是由跌倒造成的[1]。相比昂贵的治疗费，髋部保护产品[2-3]可有效降低摔倒后髋部骨折的发生率，通过将具有震动吸收功能的材料整合在特殊设计的服装或纺织品中，以吸收来自跌倒或物体冲撞而突然引起的冲击力震动[4]。目前，商用髋部保护产品多为贴身穿着的紧身内裤，两侧髋关节部位装有可拆卸的防护垫，但其穿脱便利性和产品依从性较差，致使用户不愿意穿着或者穿着时间短，使得该产品的应用受到限制。少量商用髋部保护产品为外穿型[5]，需穿在外裤的外面，造型突兀，难以和日常穿着服装搭配，美观性较差。

女性属于易发生髋部骨折的群体，但市面上专门针对女性老年人日常穿着的髋部保护产品很少。本文将调研所获得的用户穿着需求转化为具体服装设计制作解决方案，进行女性老年人髋关节保护日常服装的设计开发和跌倒保护测试，在满足保护功能性需求的同时解决目标群体在日常穿着过程中遇见的问题。

1 用户需求分析

深入用户日常生活场景，围绕10项日常活动内容进行深度访谈，从用户穿着过程中遇到的需求和问题入手，分析和确定抗冲击髋关节保护裤装的设计要素。通过线下走访，采取一对一问答形式对目标人群进行15～20 min的访谈。访谈问题项结合Clothing Taskscape[6]的10项内容，包括选择、购物、穿脱、如厕、盥洗、吃饭、睡觉、锻炼、护理以及存储，共设置10项问题。通过深入穿着者的日常生活，并对服装的功能设计提出要求，为本文探索服装功能属性提供了切实可行的思路。

采用灵动性非随机取样法选取样本，共26名60～89岁的女性，其中，8名来自东华大学，5名来自老年大学，13名来自江苏省新星苑社区中心。

应用扎根理论收集归纳和分析访谈资料。扎根理论可以从产品最终用户的角度归纳总结要点，研究过程包括开放式编码、主轴编码和选择式编码3个阶段。开放式编码是指对收集到的资料进行整理并提取包含需求的语句，最终得到原始语句130条。主轴编码是指建立各原始语句的内在联系，最终形成38个初始概念。选择性编码是指根据不同初始概念之间的关系和逻辑次序进行归类，得到功能、美学、表现及自我实现4个主要的需求范畴[7]。根据这4种需求建立4级需求层次模型，如图1所示。

图1 需求层次模型Fig.1 Hierarchy model of requirements

2 服装设计方案

从深度访谈的资料中了解到，77%访问对象对市场上髋部保护产品的接受度较低，其中65%认为有压迫感，70%认为外观上保护垫太过突出，还有54%额外关注膝部保护产品。因此，本文以日常裤装为切入点，同时应用髋部及膝部保护垫，并兼顾保护裤装的穿着舒适性和保护功能性。基于需求层次模型的前3级制定设计方案(见表1)，以提出具体的服装设计方法。

表1 髋部保护裤装的设计方案

(续表)

3 髋部保护衬垫设计

3.1 材质及厚度选择

选用常用的6种软质缓冲材料，即海绵、弹力棉、丁苯橡胶(styrene butadiene rubber，SBR)、乙烯丙烯二烯单体(ethylene propylene diene monomer，EPDM)、氯丁二烯橡胶(chloroprene rubber，CR)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(ethylene-vinyl acetate copolymer，EVA)，进行材料抗冲击性能测试。

试样厚度为5、10、15、20和25 mm，尺寸为100 mm×100 mm，采用Instron Dynatup 2950型落锤冲击试验仪进行试验，其中落锤冲击头采用半球形冲击头，直径为25 mm，落锤质量m=7.293 kg。在其他条件不变的情况下，设定落锤高度为51 mm，初始速度为1 m/s[8-9]。根据能量守恒定律，得出落锤瞬时初始冲击能量为最大冲击动能，即没有任何缓冲时的初始冲击能量为3.65 J。冲击试验时试样放置在气动夹持器上，脉冲数据采集系统共捕获8192个数据点。每个试样进行5次试验，结果求取平均值。

图2 不同材料试样的能量吸收情况Fig.2 Energy absorption of different material samples

不同材料的不同厚度试样吸收能量如图2所示。由图2可知，材料吸收的能量随材料厚度的增加而增加，表明缓冲性能不断增加，但是当厚度超过20 mm后，缓冲性能趋于平缓，EVA的缓冲性能在材料厚度约为20 mm时达到最佳且趋于稳定。此外，针对商用款部保护产品的调研结果表明，缓冲材料的厚度为15～22 mm的产品约占69%。综合考虑之下，本文选择厚度为20 mm的EVA作为保护衬垫的材料。

3.2 形态设计

形态设计考虑两方面：一是覆盖面积的尺寸大小；二是符合人体髋部曲面。文献[9-10]研究表明，人体股骨大转子区域是重点保护的位置。选择腰围为78 cm、臀围为94 cm的女体模特，采用石膏复模法获取人体股骨大转子区域的曲面形状，即结合髋关节的理论位置与实际位置确定保护区域，然后将薄膜贴服于人体髋关节所在区域，用石膏轻轻涂覆在薄膜表面上，待石膏变干剥离后得到人体体表形状的硬质复制品。这种方法有助于把握人体的形态以及测量人体体表尺寸和形状变化[11]。石膏复模过程见图3。

(a) 确定位置

(b) 涂抹石膏

(c) 石膏模型

通过分析石膏模型尺寸获得特征数据，然后模拟石膏模型形态，用EVA材料设计制作护垫。其中，护垫的长度取17 cm，宽度取15 cm，厚度取2 cm，则其凹立面的深度为2.3 cm，如图4所示。

(a) 俯视图

(b) 主视图

4 服装设计与制作

4.1 功能设计

(1)保护功能性设计：髋部为主要保护部位，膝部为次级保护位置。通过试穿试验确定髋部大转子区域的服装结构数据，确定缓冲材料放置位置。将髋关节保护垫放入外置的口袋中，周围用魔术粘贴定位以减小保护垫滑移程度，且髋部周围尺寸设计需较为合体，避免移动范围太大而影响保护效果。膝盖部位使用防滑的可调节松紧带，老年人在活动的时候可根据自身情况自由调节膝部围度。

(2)隐蔽性和活动舒适性设计：髋部设计立体口袋，膝部设计贴袋，保护垫置入后，对人体没有压迫感。人体下半段躯干处于运动状态时，髋部的动静态形态几乎不发生变化，膝部主要为纵向形态变化，而老年人的膝部更为突出。因此为满足活动舒适性要求，在膝部采取立体弯曲设计，以增加膝部的纵向松量。

(3)穿脱方便性设计：由于老年人身体机能减弱，四肢关节活动能力减弱，对穿脱方便性有一定要求，因此裤装腰部设有松紧带。为使让使用者轻松拆卸保护袋，保护垫外部采用有拉手袢的拉链设计。

4.2 款式设计

在分析深度访谈资料中发现，目标人群喜欢穿着宽松舒适的休闲居家裤，而且跌倒易发生的生活场景主要分为外出和家中活动过程中，比如外出购物、在家做家务，但在锻炼期间反而不易发生摔倒，这可能与锻炼期间身体素质和心理警惕有关系。综合考虑需求进行功能裤装款式设计，如图5所示。细节说明如下：(1)整体较宽松，腰部松紧带设计，4片分割为满足髋部保护衬垫置入和膝部弯曲前后裤片的长度差异处理；(2)为隐藏髋部衬垫突出外观，在髋部设计有褶裥的罗马装饰立体袋；(3)为弥补膝关节部位加入保护衬垫外观突出以及老年人走路时腿部本身的弯曲，裤子设计为前长后短，即加长前裤片以掩盖膝关节部位突出的部分，最终制成立体弯曲的裤装。

图5 功能裤装款式图Fig.5 Sketch of developed functional pants

4.3 尺寸规格与结构设计

结合老年女性体型变化特征，本设计采用160/80A尺码进行规格设计，结合笔者课题组前期针对中老年女性体型的相关测量分析成果[12]进行尺寸设计，经3次试样修正，得到髋关节保护裤装的相关成品规格尺寸，如表2示。

表2 尺寸规格表

本文设计的功能裤装结构图如图6所示。为最大限度提高裤装的运动舒适度，采用侧缝拼接的方法进行裤身结构设计[13]。通过加大裆部宽度、增加内裆缝倾斜角设计量来提高穿着舒适度。根据3.2节确定的髋部大转子区域位置，通过试穿试验确定此区域位置的服装结构数据，从而确定缓冲材料放置位置，并结合侧部暗袋的设计在暗袋两侧设计贯穿裤身的分割线。考虑膝部前侧放置的防护垫以及膝部活动弯曲量，在前裤片中档位置通过纵向分割拉展2 cm，以增加膝部活动松量。

图6 服装结构图Fig.6 Pattern of garment

4.4 成衣制作

试穿时，观察服装整体外观以及尺寸合体性，护具与服装配置是否统一，以及护具是否覆盖保护区域。经3次试穿，修正腰部尺寸、侧缝位置、髋部立体口袋大小和膝部保护衬垫的放置位置，根据修正后的纸样图，用黑色毛涤针织面料进行成衣制作，成品试穿效果如图7所示。由图7可以看出，髋部与膝盖部位的保护衬垫覆盖住了髋关节和膝盖骨，可满足遮蔽性要求。

(a) 纸样图

(b) 试穿效果

5 跌倒保护测试

5.1 试验装置设计与原理

本试验通过侧向摔倒试验，验证此款髋关节保护服装的抗冲击力学性能效果。利用压电薄膜传感器、电荷放大器、低噪声线性稳压电源和示波器搭建测量装置，如图8所示。PVDF(polyvinylidene fluoride)压电薄膜传感器是一种可将机械能转换电能的动态应变传感器，其具有轻薄、柔软以及对力的变化敏感等特点，因此可将其直接固定在人体皮肤上，以测试摔倒状态下髋部的受力情况。电荷放大器能够将压电薄膜传感器输出的微弱电荷信号转化为放大的电压信号。电荷放大模块在使用过程中需供电，同时选用低噪声线性稳压电源进行降噪，电荷放大器的输出偏置电压为1.25 V。电路的输出设备为InfiniiVision MSOX4104A型示波器。

(a) 电路连接原理

(b) 电路连接

5.2 模拟摔倒试验

鉴于老年人的身体情况不适合做模拟摔倒试验，选择体型相似的5名青年进行试验，其年龄为(25±2)岁、体质量为(60±5)kg、身高为(163±5)cm、腰围为(78±4)cm、臀围为(96±4)cm。试验过程中，受试者均采用侧向姿势跌倒进行预跌倒试验(见图9(a))。具体方法：用胶布将压电薄膜传感器固定于人体大转子部位(见图9(b))，以测量大转子受到的冲击力；然后进行预试验，试验中观察测试数据是否稳定，受试者是否有不适感或皮肤表面是否有淤青擦伤，若无任何异常进行下一步正式试验；受试者分别在无护具、本研究开发的裤装和SHK-6010(一款防护性能较好的商用髋部产品)着装状态下进行跌倒试验，每个着装状态下进行5次平行试验，去除最高值和最低值，中间做适当调整和休息。记录数据并求取平均值。

(a) 跌倒姿势图

(b) 髋部测量位置示意图

5.3 结果与分析

试验所得数据为电压值，根据式(1)计算得到电压值对应的压电薄膜传感器受到的冲击力值。

F=(U-Up)×K/Ks

(1)

式中：F为髋部压电薄膜传感器受到的冲击力，N；U为传感器输出电压，V；Up为电荷放大器偏置电压，为1.25 V；K为电荷放大器的电荷/电压转换倍数，10 000 pC/V；Ks为压电薄膜的电荷/力转换倍数，为33 pC/N。

压力薄膜传感器的面积S1为3.7 cm2，人体髋关节大转子面积S2为8.0 cm2，通过式(2)计算大转子所受到的冲击力。

F1=F×S2/S1

(2)

式中：F1为髋部大转子受到的冲击力N。

通过计算得到不同受试者在不同保护状态下髋部受到的冲击力峰值均值及保护效果。相比无护具时所受到的冲击力为1 724.49 N，穿着SHK-6010内裤时冲击力为1 383.78 N，保护效果为19.76%；穿着笔者课题裤装的冲击力为1 208.45 N，保护效果为29.92%。相比SHK-6010内裤，本文设计的保护裤装的抗冲击效果提高了12.67%。

在其他影响因素固定情况下，对不同保护状态与冲击力的影响进行统计分析。KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和Bartlett检验结果如表3所示。其中KMO检验用于比较变量间的相关系数，KMO=0.724>0.7，表明保护状态与峰冲击力间存在较强相关性。采用两配对t样本检验法对不同状态下峰冲击力进行两两比较，结果如表4所示。由表4可知，P值(Sig.)均小于0.05，表明无衬垫和保护组、SHK-6010组和保护裤装组均存在显著性差异，因此可认为本文所设计的裤装具有显著保护效果。

表3 KMO和Bartlett检验结果

表4 配对样本相关系数

6 结 语

为解决髋关节保护服装的外观凸出、紧身压迫等造成的不舒适穿着体验，本文以老年女性用户需求为中心，通过深度访谈探索用户在不同日常生活场景中的需求与问题，应用扎根理论建立用户在功能、美学、表现和自我实现的需求。结合服装设计制作，将用户需求转化为髋部保护和裤装设计制作的具体解决方案。通过市场调研和试验验证选择厚度为20 mm的EVA作为保护衬垫材料，通过石膏复模法获得髋部保护衬垫的形态和数据特征(高17 cm，宽15 cm，凹立面的深度约为2.3 cm)，解决了护垫的保护功能性问题。充分考虑服装的保护功能性、隐蔽性、穿着舒适性以及穿脱方便性，在裤装结构设计中进行分割拼合、剪开拉展，完成一款膝部弯曲且髋部立体口袋内设有EVA缓冲衬垫，适合老年女性日常穿着的保护裤装。跌倒保护试验结果表明，相比商用SHK-6010产品，本文所设计的抗冲击裤装的抗冲击效果提高了12.67%。