腰背健康智能可穿戴設(shè)備研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

施秋杉,潘 力,2,姚 彤,2,王 軍,2,*

(1.大連工業(yè)大學(xué),遼寧 大連116034；2.大連工業(yè)大學(xué) 服裝設(shè)計(jì)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,遼寧 大連116034)

隨著現(xiàn)代人們生活和工作方式的改變,如長(zhǎng)期伏案工作、大量使用交通工具及電子產(chǎn)品等,導(dǎo)致我國(guó)存在腰背健康問題的人口總數(shù)呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)[1-2]。腰背健康智能可穿戴設(shè)備通過傳感器集成在可穿戴物件上,如衣服、腰帶、眼鏡等,可緩解不同類型的腰背健康問題。文中總結(jié)了腰背健康的影響因素,分析了腰背健康智能可穿戴設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀,探討了未來腰背健康智能可穿戴設(shè)備的研究方向與應(yīng)用前景。

1 腰背健康影響因素

影響腰背健康的主要因素包括不良姿勢(shì)、外傷等,針對(duì)不同影響因素通常采用不同方式解決,如增加休息時(shí)間、加強(qiáng)核心訓(xùn)練、理療按摩等[3]。

1.1 不良姿勢(shì)

不良姿勢(shì)會(huì)造成脊柱的錯(cuò)位與變形,長(zhǎng)此以往,將加速椎間盤病變、加重脊柱壓力,嚴(yán)重者可能會(huì)導(dǎo)致腰背部疾病[4]。

由于工作方式的轉(zhuǎn)變,坐姿已成為現(xiàn)代人主要的工作姿勢(shì)。據(jù)報(bào)道,工業(yè)化國(guó)家中有3/4的工作在坐立條件下進(jìn)行,約有2/3的工作時(shí)間處于久坐狀態(tài)[5]。2017年Akk等人測(cè)試辦公室人員坐位壓力分布特征,實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)20 min后,座位后側(cè)平均壓力增大,即受測(cè)人員均存在骨盆后傾或坐姿下滑的現(xiàn)象[6-7],說明久坐是造成不良姿勢(shì)的重要原因。

對(duì)于坐姿,健康的生理特征是腰椎成微前突狀態(tài),類似于站立時(shí)的曲線,這樣久坐辦公的工作人員背部肌肉才能處于松弛狀態(tài)、減少脊柱壓力給身體帶來的危害[8-9]。除此之外,主動(dòng)增加坐姿變換頻率和休息時(shí)間可有效緩解腰背不適癥狀[10-12]。

1.2 腰背外傷

腰背外傷可分為急性損傷與慢性損傷。急性損傷指遭受瞬間直接暴力或間接暴力造成的損傷,如挫傷、拉傷、扭傷等,一般采用藥物治療；慢性損傷指長(zhǎng)期過度負(fù)荷運(yùn)動(dòng)、不正確使用肌肉累積而成的局部勞損,通常采用核心鍛煉和理療按摩的方式來治療[13-14]。

“核心”是指人體的中部,以丹田周圍的肌肉群為主,由腰、骨盆、髖關(guān)節(jié)形成的一個(gè)整體[15]。核心鍛煉包括瑞士球、平板支撐、懸吊訓(xùn)練等內(nèi)容,可增強(qiáng)背部肌肉,保持身體核心穩(wěn)定,對(duì)腰背保健及腰背疼痛的治療具有積極作用[16-19]。

理療包括微波、電療、熱療等,具有改善微血管循環(huán)、阻斷神經(jīng)沖動(dòng)傳導(dǎo)、抗炎等作用；按摩包括中國(guó)的推拿及正骨治療,西方國(guó)家的按摩術(shù)、關(guān)節(jié)松動(dòng)術(shù)、美式整脊等,具有加快局部血液循環(huán),促進(jìn)水腫吸收,重建軟組織與脊柱力學(xué)平衡的作用,理療按摩在治療腰背痛方面獲得普遍認(rèn)可及應(yīng)用[20-21]。

2 針對(duì)腰背健康的智能可穿戴設(shè)備

目前的腰背健康智能可穿戴設(shè)備主要通過傳感器采集人體直接或間接的信息后,發(fā)出反饋信號(hào)工作。常見的腰背健康可穿戴設(shè)備依據(jù)功能不同,分為矯姿、運(yùn)動(dòng)保護(hù)、動(dòng)力和按摩理療等4類。

2.1 矯姿類

矯姿類腰背健康智能健康可穿戴設(shè)備通過震動(dòng)、觸壓、語音等方式幫助使用者糾正腰背生理曲度,保持正確的身體姿態(tài),對(duì)保護(hù)腰背健康、減輕腰背疼痛起到重要作用[22-23]。

在現(xiàn)有的矯姿類腰背健康可穿戴產(chǎn)品中,實(shí)現(xiàn)智能化的方式主要有2類,其中一類方式是基于重力方向始終垂直向下的原理,通過加速度傳感器、重力傳感器或陀螺儀等設(shè)備測(cè)量?jī)A角變化,得到設(shè)備相對(duì)于水平面的傾斜角度,以此判斷姿勢(shì)的變化并進(jìn)行反饋提示。此類產(chǎn)品有圖1 所示的Lumo Lift智能矯姿磁扣[24]和圖2所示的Up Right智能坐姿矯正器[25],前者通過磁力佩戴于鎖骨下方的服裝中,后者通過醫(yī)用級(jí)硅膠黏合劑固定在用戶后腰處,二者均通過產(chǎn)品自身輕微震動(dòng)提醒使用者姿勢(shì)矯正問題。

圖1 Lumo Lift智能矯姿磁扣

同樣運(yùn)用重力原理的產(chǎn)品有EyeForcer智能眼鏡,主要面向兒童群體,針對(duì)兒童過度使用電子設(shè)備影響身體姿態(tài)問題設(shè)計(jì),當(dāng)使用者的頭部過低或者太貼近電子設(shè)備屏幕時(shí)向用戶發(fā)出警告,若未調(diào)整改正,電子設(shè)備將自動(dòng)關(guān)閉,如圖3所示[26]。

圖3 EyeForcer智能眼鏡

矯姿類可穿戴設(shè)備的另一種類型是通過柔性傳感器進(jìn)行智能檢測(cè)與姿態(tài)矯正。法國(guó)公司Percko研發(fā)了一款新型智能身姿矯正衣,見圖4,通過身體動(dòng)作帶動(dòng)服裝的拉伸量判斷姿勢(shì)問題,若出現(xiàn)不良姿態(tài),Percko內(nèi)置的柔性傳感彈力帶會(huì)觸壓第5脊椎處,提醒肌肉自發(fā)調(diào)整身姿,形成肌肉記憶,從根源上解決不良姿態(tài)帶來的影響[27]。張樹梅等[28]將微型骨骼密度傳感監(jiān)測(cè)器與服裝面料結(jié)合,通過傳感器掃描的方式記錄骨骼活動(dòng)的方向,實(shí)時(shí)監(jiān)督人體骨骼的變化,以助于發(fā)現(xiàn)骨骼不正常變動(dòng)或病變時(shí)做出警示。

圖4 Percko智能身姿矯正衣

2.2 運(yùn)動(dòng)保護(hù)類

運(yùn)動(dòng)保護(hù)類智能可穿戴設(shè)備通過監(jiān)控肌電信號(hào),對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)易出現(xiàn)的腰部損傷問題進(jìn)行提醒和保護(hù),降低運(yùn)動(dòng)者受傷的概率。

一般資料 A組8例BMI≤24 kg/m2，33例BMI>24 kg/m2；B組7例BMI≤24 kg/m2，23例BMI>24 kg/m2。兩組患者年齡、性別、體重、BMI差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)(表1)。

李檉安等[29]針對(duì)杠鈴硬拉項(xiàng)目初學(xué)者腰部肌肉易損傷的問題,研發(fā)了一款可穿戴肌肉疲勞度監(jiān)測(cè)智能服裝,通過肌電傳感器功能模塊對(duì)表面肌電脈沖信號(hào)采集和計(jì)算,并對(duì)比通過實(shí)驗(yàn)獲得的肌肉疲勞度閾值來判斷是否達(dá)到肌肉疲勞,在判定為疲勞時(shí)觸發(fā)蜂鳴器起到預(yù)警作用。肖閩杰[30]為舉重訓(xùn)練者設(shè)計(jì)了一款監(jiān)測(cè)保護(hù)腰帶,通過表面肌電傳感器采集信號(hào)并分析記錄,當(dāng)肌肉疲勞時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)腰帶的松緊度,使訓(xùn)練者在舉重訓(xùn)練過程中更準(zhǔn)確了解自身肌肉狀態(tài),通過變化訓(xùn)練動(dòng)作和強(qiáng)度有效降低舉重訓(xùn)練肌肉損傷概率,見圖5。

圖5 監(jiān)測(cè)保護(hù)腰帶

2.3 動(dòng)力類

動(dòng)力類腰背智能可穿戴設(shè)備主要為從事體力勞動(dòng)者、腰背受傷不方便活動(dòng)的人群設(shè)計(jì),目的為減輕腰背負(fù)擔(dān)、減少受傷風(fēng)險(xiǎn)、提高工作效率、輔助腰背受傷患者活動(dòng)。

Seismic是一款通過傳感器讀取穿著者的動(dòng)作,在需要時(shí)為臀部和下背部提供能量的智能動(dòng)力內(nèi)衣,利用額外肌肉群,支持坐、站、抬、搬運(yùn)和一系列其他活動(dòng),幫助用戶完成規(guī)定動(dòng)作,降低腰背部受傷的風(fēng)險(xiǎn),如圖6所示[31]。羅自國(guó)等[32]根據(jù)人體生物力學(xué),建立了人體彎腰時(shí)的靜力平衡模型,開發(fā)了一種可穿戴彎腰助力裝置,利用可伸縮拉力帶和角度傳感器實(shí)現(xiàn)彎腰自動(dòng)助力,當(dāng)彎腰到工作位置并靜態(tài)保持時(shí),控制器會(huì)檢測(cè)到角度停止信息,控制電機(jī)拉緊拉力帶使人保持彎腰工作狀態(tài)；當(dāng)需要恢復(fù)直立時(shí),控制器會(huì)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶輪收緊拉力帶使人直起身子,為長(zhǎng)時(shí)間彎腰工作的人們減輕背部豎脊肌負(fù)擔(dān)。張成就等[33]為患有腰椎間盤突出及腰部受傷的人群設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)肌肉助力背心,應(yīng)用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器幫助患者減輕椎體壓力并在一定程度上恢復(fù)負(fù)重能力,對(duì)于提高椎間盤突出癥患者或腰痛患者的生活質(zhì)量具有重大意義。

圖6 Seismic智能動(dòng)力內(nèi)衣

2.4 按摩理療類

按摩理療類腰背智能可穿戴設(shè)備基于醫(yī)學(xué)知識(shí),根據(jù)人體脈絡(luò),應(yīng)用石墨烯熱療、震動(dòng)、捶擊等方法為使用者提供正確有效的按摩理療方式。

李翠玉等[34]設(shè)計(jì)了一款通過手機(jī)APP 控制按摩模式和強(qiáng)度的智能化按摩背心,通過獨(dú)立軟觸按摩頭,為使用者提供有效的按摩措施。姜新生[35]在臨床應(yīng)用石墨烯發(fā)熱智能理療護(hù)腰[36],見圖7,對(duì)人體的腰背進(jìn)行理療,作用于微循環(huán)系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng),可以改善血液循環(huán),疏通經(jīng)絡(luò)之氣,提高慢性腰痛的治愈率,特別是對(duì)腰背痛反復(fù)發(fā)作的患者能起到輔助治療作用。

圖7 石墨烯發(fā)熱智能理療護(hù)腰

3 腰背健康智能可穿戴設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)

腰背健康智能可穿戴設(shè)備涉及電子信息、人體工效、材料學(xué)和服裝設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。由于現(xiàn)代人腰背部健康問題普遍存在,市場(chǎng)需求量較大,提高腰背健康智能可穿戴設(shè)備的合體性與個(gè)性化發(fā)展,提高柔性與智能化是未來需關(guān)注的重點(diǎn)。

3.1 產(chǎn)品的合體性與個(gè)性化

目前的腰背健康智能可穿戴設(shè)備主要通過間接方式獲取人體信息,如坐姿矯正器通過重心變化、身體傾斜程度進(jìn)行判斷提醒,彎腰助力裝置通過角度傳感器判斷等,不能直接捕捉身體的細(xì)節(jié)變化。由于脊椎骨節(jié)的構(gòu)造,人體背部的彎曲變化較多,不貼合人體背部曲線的產(chǎn)品使用時(shí)可能對(duì)使用者產(chǎn)生錯(cuò)誤提醒,影響效果,甚至造成危害。未來腰背健康智能可穿戴設(shè)備研究應(yīng)了解人體腰背部曲線,合理進(jìn)行服裝結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計(jì),使傳感器等智能元件與人體有很好的接觸,達(dá)到感應(yīng)準(zhǔn)確、提醒及時(shí)、保護(hù)有效的目的。

目前三維掃描技術(shù)更加成熟,三維掃描可以準(zhǔn)確、快捷、多方位獲取人體各個(gè)角度、曲面的人體點(diǎn)云數(shù)據(jù),符合使用者真實(shí)的體型特征[37],對(duì)腰背健康智能可穿戴設(shè)備的貼合度、準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)起到至關(guān)重要的作用。除此之外,利用三維掃描技術(shù),可以滿足產(chǎn)品的個(gè)性化定制,開發(fā)針對(duì)不同使用者的個(gè)性化產(chǎn)品,擴(kuò)大顧客群體,使得腰背健康類智能可穿戴設(shè)備擁有更大的市場(chǎng)。

3.2 產(chǎn)品的柔性與智能化

雖然目前可穿戴智能元件、材料在研究方面都較為成熟,但在與服裝結(jié)合上尚有不足。目前腰背健康智能可穿戴設(shè)備大多為智能可穿戴附件或?qū)鹘y(tǒng)傳感器與服裝的簡(jiǎn)單結(jié)合,柔性服裝類較少,若應(yīng)用柔性傳感器與服裝面料的織造融合,或紡織品自身具有傳感功能,結(jié)合服裝進(jìn)行研究與設(shè)計(jì),可以降低產(chǎn)品的穿戴負(fù)擔(dān)感,提升實(shí)用性,而且大面積貼合人體可以更加方便、有效地獲取人體信號(hào)。將電子元件與服裝有機(jī)融合,材料趨于柔性化,體積趨于微型化,重量趨于輕巧化,造型趨于隱藏化是未來的腰背健康智能可穿戴設(shè)備發(fā)展的方向。

4 結(jié)語

通過對(duì)腰背健康影響因素的分析,對(duì)腰背健康智能可穿戴設(shè)備的矯姿、運(yùn)動(dòng)保護(hù)、提供動(dòng)力、理療按摩等功能進(jìn)行闡述,總結(jié)了腰背健康智能可穿戴設(shè)備目前的設(shè)計(jì)需求和未來的發(fā)展方向。

未來,腰背健康智能可穿戴設(shè)備可利用人體三維掃描技術(shù),提高產(chǎn)品的合體性、個(gè)性化；選擇與柔性傳感器結(jié)合的面料,或自身具有傳感功能的紡織品進(jìn)行設(shè)計(jì),提高產(chǎn)品的柔性與智能化。