一种四仓力学护颈枕及确定其尺寸的方法

技术领域

本发明涉及生活用品技术领域，具体涉及一种四仓力学护颈枕及确定其尺寸的方法。

背景技术

随着互联网时代的发展，一些高科技的电子产品得到了广泛的使用，手机、电脑这些电子设备的普及 也使得我国“低头族”的数量不断增加，因此颈椎处于亚健康状态的人和患有颈椎病的人都越来越多，这 种疾病也逐渐呈现年轻化的趋势[颈椎枕产品设计及评价[J]，2014(03)：25-29+96]。引起颈椎病的原因 多种多样，一方面现代社会人们对于电子设备的过度依赖，长期伏案工作等等这些都会导致颈椎异常而产 生颈椎病，另一方面，人们长期保持不正确的睡姿，睡眠时的枕头选择和使用垫置方法不合理科学也会导 致颈椎疲劳，加重颈椎的负荷，从而产生颈椎病。

而人类有三分之一的时间在睡眠中度过，因此枕头对于人体保持颈椎合适的生理曲度十分重要，科学 地垫置枕头不仅能有效减少颈椎病的发生，还能提高人们的睡眠质量。因此选择更加舒适健康的枕头对颈 椎病的预防和治疗有重要的意义，其中枕头的结构与尺寸与科学的垫枕方式密切相关，但目前大多数人都 无法科学的选择适合自身个体身体及颈椎要求的枕头，因目前少有适用于人群在挑选枕头结构及尺寸的参 考标准及方法，一般多是随意购买。

发明内容

因此，基于以上背景，本发明提供一种结构科学合理的，能够对人们的颈椎起到保护与治疗作用的四 仓力学护颈枕，且提供一种能够确定护颈枕的尺寸的方法，以可为人们在选择枕头时提供尺寸参考。

本发明提供的技术方案为：

一种四仓力学护颈枕，其包括枕套和枕芯，所述护颈枕分为四个区，其分别为位于两侧的侧枕区，中 间位于上部的头枕区；中间位于下部的颈枕区；所述枕套由上枕面、下枕面、位于其两侧的侧枕面围合而 成，所述上枕面包括位于中间的呈倒“八”字型的布体A、2个对称分布在所述布体A两侧的布体B，所述 布体A与布体B相连接位置处设有分界凸条，所述布体A与下枕面相对应的位置处均水平设有车缝线A、 车缝线B，所述上枕面、下枕面、侧枕面构成的放置枕芯的容纳腔，所述容纳腔内通过车缝线A、车缝线B 竖直设有一将其进行四仓分区的立衬；

所述枕芯包括分别装填在所述布体B下面的左枕芯和右枕芯、布体A下面的头枕芯和颈枕芯，所述头 枕芯位于车缝线A上方，所述颈枕芯位于车缝线A的下方；所述左枕芯和右枕芯对应所述侧枕区，所述颈 枕芯对应所述的颈枕区，所述头枕芯对应所述的头枕区。

进一步地，所述左枕芯和右枕芯形状一致，其均为近似直角梯形状，其纵向直边所在的侧面与所述侧 枕面相抵接，所述头枕芯为近似等腰梯形，其横向短边所在的面与所述立衬相抵接，所述颈枕芯为近似圆 柱状，其两端分别与所述左枕芯、右枕芯相抵接。

进一步地，所述左枕芯4和右枕芯7的高度一致。

进一步地，所述上枕面的两端与侧枕面相接的位置处均设有开口拉链A；所述左枕芯、右枕芯的枕芯 套由位于其上下的2个枕芯面A和位于左右的2个枕芯侧面A围合而成，其中一个枕芯侧面A为纵向直边 所在的侧面，2个所述枕芯面A所相接的位置处设有开口拉链B，所述开口拉链B位于所述左枕芯或右枕 芯横向长直边一侧；所示头枕芯为2个枕芯面B围合而成，2个枕芯面B相接位置处设有开口拉链C，所 述开口拉链C位于头枕芯的横向长边一侧；所述颈枕芯为1个枕芯面C、与位于两端的枕芯侧面B围合而 成，所述枕芯面C相对接的位置处设有开口拉链D；所述左枕芯或右枕芯、头枕芯、颈枕芯的枕芯套内部 靠近开口拉链位置处均设有可从拉链口伸展出的导筒。

本发明还提供一种能够确定上述的四仓力学护颈枕尺寸的方法，其利用数学模型分别对护颈枕的头枕 区高度、颈枕区高度、侧枕区高度、护颈枕长度、护颈枕宽度进行确定，

所述数学模型包括用来确定头枕区高度的第一数学模型、用来确定颈枕区高度的第二数学模型、用来 确定侧枕区高度的第三数学模型、用来确定护颈枕长度的第四数学模型、用来确定护颈枕宽度的第五模型；

获取人体颈部、头部等相关参数，所述参数为第一数学模型的相关参数，所述第一数学模型为：

第一数学模型中的各参数表示：

H——头枕区高度；h——头背距；R——头部半径；E——填充物的弹性模量；m——人头部质量；g ——重力加速度；π——圆周率；

获取人体颈椎颈度参数，所述参数为第二数学模型的相关参数，所述第二数学模型为：

H′-H＝α

第二数学模型中的各参数表示：

H'——颈枕区高度；H——头枕区高度；α——颈椎曲度；

获取人体颈部、头部等相关参数，所述参数为第三数学模型的相关参数，所述第三数学模型为：

H"——侧枕区高度；R——头部半径；E——填充物的弹性模量；m——人头部质量；g——重力加速 度；π——圆周率；r——脖颈半径；L——半肩宽；

获取人体头部等相关参数，所述参数为第四数学模型的相关参数，所述第四数学模型为：

a

a

获取人体头颈部长度相关参数，所述参数为第五数学模型的相关参数，所述第五数学模型为：

b

采取上述方案，其实现的有益效果为：

本发明护颈枕的结构科学合理，其结合了按黄金比例科学地区分了仰卧与侧卧区域的蝴蝶枕与适合人 的颈椎生理曲线的S形枕，且利用立衬将容纳腔分为装有左枕芯、右枕芯、头枕芯、颈枕芯的四仓，其结 合符合人们在睡眠过程中的头部与颈部的受力情况，其能够适应于人群的不同的睡觉姿势及变化，使得其 能够对应符合人们的颈椎的自然的结构曲度，其使用更能随时使得颈部组织处于松弛状态，以可有效的预 防及缓解、治疗颈椎病，且能通过枕头的结构来科学合理的纠正人们的垫枕习惯。

且本发明还提供了一种确定护颈枕尺寸的方法，其通过数学模型，结合个人的生理指标参数，来确定 出能够最佳起到预防及缓解、治疗颈椎病的护颈枕的尺寸，以为人们在选购护颈枕时提供科学的尺寸参考， 有利于人们养成更为科学的用枕习惯。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要 使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通 技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的护颈枕的结构示意图；

图2为本发明的上枕面的正面结构示意图；

图3为本发明的上枕面的背面结构示意图；

图4为本发明的枕芯相互配合排布的结构示意图；

图5为本发明的左枕芯或右枕芯的结构示意图一；

图6为本发明的左枕芯或右枕芯的结构示意图二；

图7为本发明的左枕芯或右枕芯的结构示意图三；

图8为本发明的头枕芯的结构示意图一；

图9为本发明的头枕芯的结构示意图二；

图10为本发明的颈枕芯的结构示意图；

图11(a)为仰卧状态下颈椎形态；图11b为侧卧状态下颈椎形态

图12为颈椎曲度Borden测量法示意图；

图13为建立在颈椎简图中的直角坐标系示意图；

图14为三次多项式颈椎曲线拟合图；

图15为颈椎在不同枕高下的形态，其中15a为适宜高度，15b为高度过高，15c为高度过低；

图16(a)为人体头颈正视图；图16(b)为人体头颈侧视图；

图17为本发明护颈枕部分区域示意图；

图18为人体仰卧情况示意图；

图19为本发明护颈枕区域长度示意图；

图20为头部翻转示意图；

图21为本发明护颈枕区域宽度示意图；

图中：图中：1-上枕面；11-布体B；12-布体A；13-分界凸条；14-车缝线A；2-侧枕面；3-下枕面； 31-车缝线B；4-左枕芯；41-枕芯侧面A；42-枕芯面A；43-开口拉链B；5-头枕芯；51-枕芯面B；52-开 口拉链C；6-颈枕芯；61-枕芯面C；62-枕芯侧面B；63-开口拉链D；7-右枕芯；8-开口拉链A。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明 实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部 的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相 同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、 “前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“竖向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基 于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元 件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。此外，术语“第 一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的 数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

下面参考附图描述根据本发明实施例的四仓力学护颈枕，其包括枕套与枕芯，所述护颈枕分为四个区， 其分别为位于两侧的侧睡区，中间位于上部的枕头区；中间位于下部的枕颈区；

实施例1：如图1至图4所示，所述枕套由上枕面1、下枕面3、位于其两侧的侧枕面2围合而成，所 述上枕面1包括位于中间的呈倒“八”字型的布体A12、2个对称分布在所述布体A12两侧的布体B11，所 述布体A12与布体B11相连接位置处设有分界凸条13，所述布体A12与下枕面1相对应的位置处均水平设 有车缝线A14、车缝线B31，所述上枕面1、下枕面3、侧枕面2构成的放置枕芯的容纳腔，所述容纳腔内 通过车缝线A14、车缝线B31竖直设有一将其进行四仓分区的立衬；

所述枕芯包括分别装填在所述布体B11下面的左枕芯4和右枕芯7、位于布体A12下面的头枕芯5和 颈枕芯6，所述头枕芯5位于车缝线A14上方，所述颈枕芯6位于车缝线A14的下方；所述左枕芯(4)和 右枕芯(7)对应所述的侧睡区，所述颈枕芯(6)对应所述的枕颈区，所述头枕芯(5)对应所述的枕头 区。

所述左枕芯4和右枕芯7形状一致，其均为近似直角梯形状，其纵向直边所在的侧面与所述侧枕面2 相抵接，所述头枕芯5为近似等腰梯形，其横向短边所在的面与所述立衬相抵接，所述颈枕芯6为近似圆 柱状，其两端分别与所述左枕芯4、右枕芯7相抵接；所述上枕面1的两端与侧枕面2相接的位置处均设 有可方便枕芯进行拆装的开口拉链A10；

参考图5至图7所示，所述左枕芯4、右枕芯7的枕芯套由位于其上下的2个枕芯面A42和位于左右 的2个枕芯侧面A41围合而成，其中一个枕芯侧面A41为纵向直边所在的侧面，2个所述枕芯面A42所相 接的位置处设有开口拉链B43，所述开口拉链B43位于所述左枕芯4或右枕芯7横向长直边一侧。

参考图8至图9所示，头枕芯5为2个枕芯面B51围合而成，2个枕芯面B51相接位置处设有开口拉 链C52，所述开口拉链C52位于头枕芯5的横向长边一侧。

参考图9所示，所述颈枕芯6为1个枕芯面C62、与位于两端的枕芯侧面B62围合而成，所述枕芯面 C61相对接的位置处设有开口拉链D63。

实施例2：建立数学模型对护颈枕的高度、长度、宽度尺寸进行确定。

不同枕形的枕头不仅外形不同，对于使用者不同的睡姿而言，受力点不同其功能也不同，通过查阅枕 头枕形的资料，整理出现代常见的枕形及其基本特征，如下表所示：

表1：枕形简图及其特征

结合上述枕形基本特征，S形枕在设计上考虑到了人的颈椎生理曲线，但忽略了人体睡姿的不同对于 枕形的需求，凹、凸形枕在睡姿这一点上弥补了S形枕的些许不足，但都没有对具体的各区的高低尺寸进 行研究，蝴蝶形枕按照黄金比例科学地区分了仰卧与侧卧的区域，是比较符合人体颈椎曲线的枕形。因此， 本发明在综合分析枕头受力情况下，结合了按照黄金比例科学地区分了仰卧与侧卧的区域的蝴蝶枕与适合 人的颈椎生理曲线的S形枕，利用立衬将容纳腔分为装有左枕芯、右枕芯、头枕芯、颈枕芯的四仓，将科 学分为位于两侧的侧枕区，中间位于上部的头枕区；中间位于下部的颈枕区，而本发明的颈枕区弧度也为 确定枕头形态结构的重要因素之一。附图11(a)与附图11(b)分别显示了人仰卧和侧卧时颈椎的形态， 从图中可以看出，因理想的枕头颈枕区与头枕区能与不同人群的颈椎生理曲线适应的很好，两侧的枕区能 与肩宽适应的很好，能使颈部得到放松，本发明将通过对同一目标人群的颈椎测量数据来进行拟合曲线与 函数，找出同一目标人群中的颈椎数据规律，以可为设计及选购护颈枕尺寸。

人体颈部中最重要的组成部位之一就是颈椎，颈椎是人体中的脊柱骨中体积最小，但灵活度高、活动 频率最大的节段处，不仅支撑着人体头的重量，还有着很大的活动范围。当人体处于自然站立的状态时， 侧面人的脖子看上去虽然是直的状态，但其实颈椎部位是具有一定的弯曲弧度的，这条弧度在医学上常被 称为“颈部生理曲度”。

大量资料显示，Borden测量法是一种测量受检者颈椎曲度的方法。具体的方法为从C2齿突后上缘到 C7锥体后下缘画一条直线(A线)，沿颈椎各个锥体后缘画一条连线并拟合成一条光滑的曲线(B线)， 在A、B间最宽处的垂直横交线为C线，该垂直距离称为颈椎曲度(也称C线)。正常人颈椎生理曲度受 性别、年龄、身高、体重、种族、及弧点分布不同等因素的影响，值会有所不同，一般认为颈椎曲度弧顶 点的位置在C4。图13为Borden测量法下颈椎曲度示意图；表2为收集的样本中的不同年龄组颈椎各指标 检测结果的均值。

表2：不同年龄组各指标检测结果

如上表所示，本实施例将不同人群按年龄这一指标划分为6个阶段，表中分别为这6个阶段人群C1-C7 的垂直距离、颈椎曲度值、弧弦距至第7颈椎后下缘的垂直距离这三个指标的均值数据。

为了便于拟合曲线，本发明首先建立直角坐标系，进而距离数据转化为直角坐标系中点的坐标。将人 体颈椎图顺时针旋转90°，以C7锥体后下缘一点为坐标原点O，A线所在之处为x轴，过O点作一条垂直 于A线的直线，以该直线为y轴，建立附图12所示的直角坐标系：其中，设C线与A、B线的交点分别为 D、E，设A线与B线交分别交于点O、F。结合图13与表2数据，线段OF、DE、OD分别对应C1-C7的垂直 距离、颈椎曲度值、弧弦距至第7颈椎后下缘的垂直距离这三个距离。由此可知图中O、E、F的坐标。

利用Matlab中cftool工具箱对上述建立的坐标系中的数据进行曲线及函数进行拟合，以年龄在10-19 岁这一阶段的人群为例，其中，当使用多项式逼近对该年龄段人群颈椎曲线进行拟合时，得到了如图13 所示的三次多项式颈椎曲线拟合图，参考图14所拟合的颈椎曲线及相对应的函数模型，对其他年龄段人 群的颈椎曲线函数模型进行拟合，拟合结果见表3。

表3：各年龄组颈椎曲线拟合函数

通过对不同年龄段人群的颈椎曲线及函数模型进行拟合，能够看出不同目标人群(年龄段)的人群的 颈椎情况是不同的，因此不同目标人群不适用于同一标准的枕头，需要进行针对性的选择，表3中的拟合 函数f(x)的最大值为颈椎曲度。

且就枕头形态结构外，枕头的尺寸会对垫枕及使用效果产生重大的影响，比如枕高是设计枕头时需要 考虑的重要因素之一，参考附图15，可以看出不同枕高下，人体的颈椎呈现不同的曲度。而令人舒适的枕 头可使颈部放松，颈椎曲线保持正常的结构曲度，如图15a所示；过高或过大的枕头会使颈椎曲度消失甚 至向反方向前倾，出现“反弓”现象，如图15b所示；不枕或是枕过低的枕头会使颈部向后弯曲，如图c 所示，长此以往会出现关节功能错乱等问题。因此，在设计枕头时研究适合不同人群的枕高显得很有必要。

根据《成年人头面部尺寸(GB/T 2428-1998)》国家标准，得到人体头颈部标准平均尺寸数据；此外通 过查阅资料，成年人头重一般为4.2-4.8kg。

定义人的脖颈长度为D，脖颈半径为r；假设人的头部近似为球形，其半径为R，头部长度为D'；仰卧 时，人的背部和头部的高度差设为h；侧卧时的肩部和脸部的高度差设为h'；人的半肩宽为L。如图16(a)、 图16(b)所示。

(1)第一数学模型

为了方便说明，定义头枕区高度为H，形变后的垫置高度为h(人的背部和头部的高度差设为h)，凹 陷深度为d；颈枕区高度记为H'；侧枕区高度记为H"；人体颈椎曲度设为α。其中h的参数的测量可参考 《头背距测量方法的改进及仰卧枕高回归模型》中的头背距的测量，

固体在受到外力的作用时，其形状和体积也会发生改变，即形变。如果外力不超过弹性极限，那么在 外力撤去后，物体的形状和体积能完全恢复，这样的形变称为弹性形变。

对于固体弹性形变，胡克定律指出，在应力低于比例极限的情况下，固体中的应力σ与应变ε成正比， 即：

σ＝E×ε

式中E为常数，称为杨氏弹性模量，表示物体的纵向正交应变和正向应力的关系；相应的还有剪切模 量G，表示物体横向正交应变和剪应力的关系。

枕头填充物基本都是非刚体，因此枕头几乎不产生剪应力，主要都集中在正向应力上。对于正向应力， 有σ＝E×ε，即：

由于人的头部重量很大，因此头枕区为主要承重区，所产生的形变也最大，形变程度和填充材料密切 相关。以头枕区平面为例，其高度为H，如图17所示。

为了计算方便，将人的头部近似于球形，并且考虑仰卧垫置高度h适宜，参考图18。

图18，以头部中心为原点，建立空间直角坐标系，如图4所示。枕头长由于枕头形变为球曲面，胡克 定律不可直接运用，可以将此曲面分割为曲面微元，每个微元都近似平面，且满足胡克定律，于是：

式中z′

将微元正向应力求合力，合力F满足F＝mg，即：

上式的积分形式如下：

头部球面方程为x

求解积分方程，得到各参量和枕头区高度H的关系，即第一数学模型，如下。

基于此关系，给出适宜垫置高度h，并根据人的头部半径R、头部质量m及枕头材料的弹性模量E， 就可以针对不同人群的不同情况来设计头枕区的高度H。

对于一般成年人，其适宜垫置高度(头背距)h≈3.3cm，头部半径R≈9cm，且人的头重m≈4.5kg。

护颈枕选用乳胶材料进行填充，乳胶材料的弹性模量E≈0.15～0.45N/cm

(2)第二数学模型

对于颈枕区，考虑到人体颈椎的生理曲度，为了贴合颈椎生理曲线，在头枕区的基础上增加H′-H 的高度，由此得到高为H′的生理贴合曲面(即枕颈区曲面)，曲面形状近似为圆柱曲面，通过表3中的 颈椎拟合函数的最大值定义为人体颈椎曲度α，颈椎曲度即为枕区的高度差，因此得到第二数学模型如下：

H′-H＝α

其中H为头枕区高度，H′为颈枕区高度，因此可以得到颈枕区高度H′＝H+α。

将表3中的30-39中的拟合函数得到的颈椎度(α＝1.15cm)、通过第一模型得到的头枕区高度代入 第二数学模型，得到颈枕区高度H'≈7.2-11.2cm。

(3)第三数学模型

对于侧枕区，考虑人的半肩宽L对适宜垫置高度h的影响，于是将h修正h′，即

h′＝L+r-R

其中r为人的脖颈半径，R为人的头部半径。需要注意半肩宽L应去除边界部分后才比较符合侧卧实 际情况。将上式代入第一数学模型，得到第三数学模型：

其中H″为侧枕区高度，根据式(1-3)，针对不同人群的不同情况来设计侧枕区的高度H″。

对于一般成年人，其半肩宽L≈12cm(去除边界部分后)，脖颈半径r≈5cm，头部半径R≈9cm， 护颈枕选用乳胶材料进行填充，乳胶材料的弹性模量E≈0.15～0.45N/cm

通过第三数学模型求得侧枕区高度H"≈12-16cm。

(4)第四数学模型

定义枕头总长为a

此模型推导时，人的头部不是球体，其正向宽度小，侧面宽度大。为了更加精确的设计枕区的长度， 本段假设人的头部为椭球体，其横截面的侧向半径(长轴)设为R

人在仰卧转化为侧卧时需要移动大约1/4的椭圆周(如图20所示)，所以我们就根据此规律对四仓枕 头长度进行设计。

由于人的头部横截面长轴半径为R

对于圆形截面(R

其中r为脖颈半径。

人侧卧时，侧枕区需要容纳一个头宽，因此只要在两枕区的基础上大约增加一个侧卧头宽即可，于是 将侧枕区长度a

a

综上，枕区的横向总长(即第四数学模型)为

a

对于一般成年人，其头部横截面的长轴半径R

将数据代入上式即可得到边界1的长度a

(5)第五数学模型

枕区宽度的设计只需考虑人的头颈部长度，为了符合实际情况，在头颈部长度的基础上引入剩余空间 δ，以此用来确定护颈枕纵向宽度的第五数学模型为：

其中D′,D分别表示人体头部竖直长度与颈部长度，δ

一般成年人头部竖直长度D′≈23cm，颈部长度D≈8cm。考虑人体头部活动较大，而颈部活动较小， 令δ

枕头的合理尺寸对人的睡眠舒适感有影响，对人体的颈椎曲线也有着很重要的影响。而本发明在对人 体的颈椎曲线进行模拟，为枕区所对应的各区域的高度等尺寸的设计提供参考，通过数学模型，可科学地 为人群在设计及选购枕头时，对尺寸的选择提供参考依据，以能更好的通过枕头对颈椎进行保护。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方 式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造 宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。