基于頸椎自我管理IMB模型的智能圍巾設(shè)計

唐 茜, 劉 艷, 潘 洋, 張冰冰

(湖北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計學(xué)院,武漢 430000)

人體健康問題一直倍受人們關(guān)注,傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備不能滿足實時監(jiān)測身體數(shù)據(jù)的需求,服裝與電子信息技術(shù)融合成為智能服裝[1]。智能服裝在學(xué)者們的研究下,取得了一定的進展。Weicheng Shu等[2]設(shè)計了一款帶有溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的智能降溫服;Zamir Ahmed Abro等[3]開發(fā)了一種監(jiān)測不同關(guān)節(jié)位的智能腰帶。而越來越多的移動技術(shù)因可以為醫(yī)療提供不受空間和時間限制的自我管理服務(wù)備受重視,其中包括慢性病患者的自我管理[4]。在慢性病自我管理中,Steven Sek-yum Ngai等[5]提出面向年輕慢性病患者的關(guān)于信任、自我管理和幸福的綜合模型;El-Gayar O等[6]研究了在移動應(yīng)用程序的自我管理干預(yù)措施下控制了糖尿病患者的血糖;Escoffery C等[7]驗證了成人癲癇自我管理測量工具(AESMMI)對非裔美國人的可靠性和有效性。同時,IMB模型的健康教育可以極大地提高慢性病患者的自我管理能力。寧艷等[8]驗證了在IMB模型的護理干預(yù)下提高了職業(yè)用聲者的自我護理能力;司明玉等[9]研究了基于IMB模型的干預(yù)對中國大學(xué)女性HPV疫苗接種的知識、動機和感知的客觀技能產(chǎn)生了積極影響。頸椎病的病程呈慢性、反復(fù)發(fā)作、逐漸進展,因此頸椎病重在自我預(yù)防,需要進行自我健康管理。

目前,國內(nèi)外市場上治療頸椎病的產(chǎn)品主要為按摩儀、頸托、牽引類產(chǎn)品,均為被動式治療頸椎。同時這些產(chǎn)品也多為重度患頸椎病人群設(shè)計的產(chǎn)品,適合居家使用,不宜輕度患者和想要預(yù)防頸椎病的人群在辦公場所、學(xué)校等公共場所使用[10]。而頸椎病患者的發(fā)病率越來越年輕化,患有頸椎病的青少年和上班族越來越多且女性多于男性[11-13]。主要原因在于坐姿不正確,頸椎受涼,長時間低頭看手機,缺乏運動等不良生活習(xí)慣[11]。其中頸椎受涼是患頸椎病的誘因之一,易被人們忽視[14]。

針對青少年和上班族很難自發(fā)地完成頸椎自我管理的問題,因此本文構(gòu)建了頸椎自我管理IMB模型,通過提取用戶需求,指導(dǎo)設(shè)計智能圍巾。借助智能圍巾進行自我健康監(jiān)控及管理,長期為用戶提供實時健康監(jiān)測數(shù)據(jù),及時讓用戶了解自身的頸椎狀態(tài),通過頸椎操和即時坐姿改變預(yù)防頸椎病,為頸椎病自我管理提供新思路。

1 整體設(shè)計思路

從產(chǎn)品設(shè)計的角度出發(fā),結(jié)合頸椎自我管理IMB模型下的用戶需求,本文設(shè)計了智能圍巾。其中,硬件監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計是為了實時監(jiān)測頸椎活動狀態(tài),應(yīng)用平臺APP(Application)設(shè)計在于頸椎健康知識的傳達,接收與顯示數(shù)據(jù),幫助用戶得到科學(xué)的建議,激勵引導(dǎo)用戶健康用頸、主動護頸。智能圍巾設(shè)計從載體設(shè)定、圖案顏色、面料、傳感器的放置等均需滿足產(chǎn)品的舒適性、美觀性和功能性需求,同時采用SPSS 26.0和模糊綜合評價法分別從產(chǎn)品的應(yīng)用效果和主觀性進行評價?；陬i椎自我管理IMB模型的智能圍巾整體設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 整體設(shè)計思路

2 頸椎自我管理IMB模型用戶需求提取

為使智能圍巾達到提升頸椎自我管理水平與預(yù)防頸椎病的目的,本文構(gòu)建頸椎自我管理IMB模型(圖2),提取用戶需求,為智能圍巾研究提供理論依據(jù)。

圖2 頸椎自我管理IMB模型

IMB模型是1992年J D 費舍爾和W A 費舍爾最早提出[15-16],該模型在預(yù)防行為、自我管理行為等多個健康行為領(lǐng)域中取得良好的效果[17]。該理論模式著重于實施信息、動機、行為技巧來實現(xiàn)用戶行為的改變,旨在引導(dǎo)用戶行為改變并有意識地保持該行為[18]。其中,信息是指促進個體行為改變的相關(guān)知識,動機是指對行為的態(tài)度和干預(yù)結(jié)果的信念,行為技巧是指執(zhí)行行為的客觀技能和感知技能及執(zhí)行行為的自我效能感[19],三者關(guān)系如圖3所示。

圖3 IMB模型

頸椎自我管理過程中,包括對頸椎病的心理認(rèn)知和為減輕或預(yù)防疾病采取的行為。信息干預(yù)即為向用戶傳達頸椎病知識,包括頸椎病的定義、種類、臨床表現(xiàn)、病因、預(yù)警信號、日常保健方法等,進行頸椎管理健康教育,同時讓用戶明白自身頸椎的狀態(tài),及時與同伴和醫(yī)生進行交流。動機干預(yù)旨在希望用戶正確認(rèn)識頸椎病,影響用戶由被動轉(zhuǎn)為主動去健康用頸,主動護頸,養(yǎng)成良好的生活習(xí)慣。另外,通過多種交互方式、積分排名引導(dǎo)鼓勵用戶進行頸椎自我管理。在認(rèn)知層面的信息干預(yù)和動機干預(yù)后,用戶獲取頸椎管理技巧,從而在生活習(xí)慣上注意保護頸椎,如實時監(jiān)測頸椎狀態(tài),端正坐姿,避免頸椎受涼,頸椎保健操等,以期用戶能改變自身不良的生活習(xí)慣,使頸椎獲得健康,生活質(zhì)量得到提高。

依據(jù)頸椎自我管理IMB模型的干預(yù)措施,歸納總結(jié)用戶需求為頸椎健康知識的傳達、交流溝通,交互方式的多樣化,積分排名,頸椎活動狀態(tài)的監(jiān)測與提醒,錯誤坐姿的識別與調(diào)整,頸椎操的學(xué)習(xí)與反饋,頸部保暖。

3 設(shè)計研究

3.1 硬件監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)設(shè)計的目的在于實現(xiàn)智能圍巾監(jiān)測頸椎活動狀態(tài),工作原理如圖4所示。主要是通過傳感器采集到的物理信號轉(zhuǎn)化成電信號,通過后臺智能分析系統(tǒng)對電信號做出數(shù)據(jù)計算和分析得出信息,幫助用戶進行頸椎監(jiān)測。

圖4 頸椎監(jiān)測設(shè)備工作原理

數(shù)據(jù)采集模塊即頸椎姿勢監(jiān)測模塊采用九軸運動姿態(tài)陀螺儀(深圳維特智能科技有限公司)JY901模塊,JY901模塊通過嵌入式MPU-9250陀螺儀傳感器進行頸椎姿態(tài)監(jiān)測,將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)置Cortex-M0核心處理器,運用R & D動態(tài)融合算法、卡爾曼濾波(程序濾波器)等算法,能夠迅速計算出實時的運動姿態(tài)。

數(shù)據(jù)處理模塊采用Arduino Lily Pad微控制器板(深圳市科易互動機器人有限公司)和軟件(Arduino IDE)進行分析、判斷和監(jiān)測數(shù)據(jù)。Arduino Lily Pad微控制器板的核心處理器是ATmega328,是專門為了可穿戴設(shè)備與電子紡織品而開發(fā)的。Arduino軟件通過ICC通訊協(xié)議接收J(rèn)Y901模塊采集到的姿態(tài)活動角度,用程序語句Put_String進行數(shù)據(jù)處理,設(shè)置參數(shù),傳送到服務(wù)器,使移動終端發(fā)出報警的消息提示。

無線傳輸模塊運用Bluetooth Specification V2.0帶EDR藍牙協(xié)議的HC-06藍牙串口通信模塊(廣州匯承信息科技有限公司)進行數(shù)據(jù)傳送。其通信距離為10 m,大小為27 mm×13 mm×2 mm,輕巧易嵌入應(yīng)用系統(tǒng)之內(nèi)。

電源模塊采用鋰電池(永州市世聯(lián)商貿(mào)公司),供電電壓范圍為3.0～4.2 V,而數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和藍牙模塊均需滿足5 V電壓,因此利用PW6276芯片(深圳市夸克微科技有限公司)進行升壓。PW6276是一種高效同步升壓轉(zhuǎn)換芯片,鋰電池輸入升壓輸出可達5 V 2.4 A。

將服裝本體上的各種電子元件有效連接在一起,且電路設(shè)計合理、系統(tǒng)工作穩(wěn)定,其連接方式如圖5所示。藍牙模塊HC-06的串口TXD、RXD,鋰電池的正負(fù)極分別與Arduino Lily Pad微控制器串口RX、TX正負(fù)極連接,JY901模塊串口SDA、SCL分別與Arduino Lily Pad微控制器串口的SCL、SDA通過新型石墨烯導(dǎo)電紗線沿著圍巾載體交通軌跡縫制于圍巾面料。該紗線導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)于碳纖維,紗線直徑為0.6～1.1 mm,表面光潔,撓性良好,柔軟,可任意曲折[20]。其中設(shè)置JY901模塊為主機,HC-06模塊為從機,配對碼均為1234,波特率均為115 200 B,可通過藍牙模塊將其數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器和移動終端。用戶可使用手機APP實時監(jiān)測頸椎活動對應(yīng)的3D動態(tài)及頸部活動的角度參數(shù),其3D動態(tài)如圖6所示。

圖5 硬件連接示意

圖6 3D動態(tài)

3.2 應(yīng)用平臺設(shè)計

在交互設(shè)計的理念下,使智能圍巾、用戶、應(yīng)用平臺APP三者建立一種全新的交互模式。智能圍巾用于監(jiān)測、處理、傳輸頸椎活動角度的數(shù)據(jù),APP在于頸椎病知識的傳達,接收、顯示數(shù)據(jù),達到頸椎活動角度的實時監(jiān)控,錯誤坐姿的提醒,頸椎操的指導(dǎo)反饋。用戶根據(jù)科學(xué)的數(shù)據(jù)與提醒預(yù)警進行自身習(xí)慣的改變,從而達到健康用頸、主動護頸的目的。

本文用人體工程學(xué)知識將坐姿狀態(tài)分為嚴(yán)重、中等、輕微、標(biāo)準(zhǔn),如圖7所示。應(yīng)用中的“頸椎學(xué)院”如圖8(a)所示,在于向用戶傳達頸椎健康知識。通過參照《頸椎病診治和康復(fù)指南》(2018年版)及北京大學(xué)第一醫(yī)院張道儉等具有豐富臨床經(jīng)驗的醫(yī)師發(fā)布的視頻[21],將頸椎病知識引入APP中,通過圖文、視頻的途徑進行頸椎管理健康教育。此外,健康自測模塊讓用戶明確自身頸椎健康狀態(tài)和了解其對頸椎知識掌握的程度。日常護理模塊引導(dǎo)用戶通過生活習(xí)慣的改變從而改變頸椎的健康狀態(tài)。

圖7 不同坐姿狀態(tài)

應(yīng)用中的“每日一練、小游戲”如圖8(b)(g)所示,即頸椎操的學(xué)習(xí)、指導(dǎo)與反饋[22]。通過圖文、視頻、小游戲的方式對頸椎操進行描述,用戶進行練習(xí),通過硬件監(jiān)測系統(tǒng)讀取和處理數(shù)據(jù),將頸椎活動的3D動態(tài)傳遞到APP上,可以讓用戶實時觀看自己做的頸椎操,同時數(shù)據(jù)與APP里的存儲模塊的標(biāo)準(zhǔn)動作數(shù)據(jù)進行對比,超過誤差參數(shù)的閾值,其中包括頸椎操的幅度、速度、頻率等,APP發(fā)出不同層次的報警提醒和醫(yī)師建議。其中頸部小游戲設(shè)置多種關(guān)卡,關(guān)卡一設(shè)置頸部前后點頭、左傾右傾,分別代表前后左右四個方向,通過時間長短來控制距離與強度。關(guān)卡二在關(guān)卡一的基礎(chǔ)上加入頸部左右旋轉(zhuǎn)和繞圈旋轉(zhuǎn)。關(guān)卡三在前一關(guān)的基礎(chǔ)上設(shè)置障礙物,增加游戲的難度,解鎖的動作為頸椎操中的頭手相抗和頸項爭力。具體游戲場景為打地鼠、迷宮逃亡、音符跳躍。

圖8 APP設(shè)計模式

應(yīng)用中的“坐姿改變”如圖8(c～f),這個模塊分為四部分。第一部分用戶根據(jù)自身需求從觸發(fā)靈敏度、錯誤坐姿的角度、坐姿時間段等方面進行設(shè)置(8(c))。第二部分坐姿提醒(圖8(d)),依據(jù)坐姿監(jiān)測的角度值,系統(tǒng)進行判定,從而進行不同程度地提醒。第三部分坐姿調(diào)整(圖8(e)),利用手機攝像頭的功能,幫助用戶進行坐姿調(diào)整。第四部分坐姿報告(圖8(f)),通過坐姿行為的改變生成了坐姿數(shù)據(jù)報告,用戶可以直觀地觀察某個時段的坐姿情況,也可以通過柱狀圖明了地進行某一階段坐姿正確與錯誤次數(shù)的對比。

應(yīng)用中的“我的”如圖8(h)所示,積分排名情況可以激發(fā)用戶護頸的動機。“個人檔案”是用戶剛開始使用智能圍巾和APP頸椎情況建立的檔案,便于用戶了解自身頸椎的狀態(tài)。

3.3 智能圍巾設(shè)計

智能圍巾設(shè)計需要滿足美觀性、舒適性及保暖性,并且方便用戶在公共場所使用。還需考慮到頸椎病患者的分布,選擇具有女性特征的圍巾進行設(shè)計,一方面考慮圍巾具有保暖功能,夏天經(jīng)常吹空調(diào)風(fēng)扇忽視頸椎保暖,另一方面,圍巾可以作為女性服飾的搭配,方便在公共場所使用。

青少年和上班族這一人群具有追求時尚、潮流、高貴生活品質(zhì)的消費心理。絲巾是提升質(zhì)感的一種很好的方式且絲織物易著色,所以選擇面料舒適美觀的真絲材質(zhì),印花工藝,尺寸為80 cm×80 cm的方巾,便于她們多場合多方式地佩戴。

圖案元素選擇武漢市著名地標(biāo)長江大橋、武漢琴臺大劇院及武漢交通虛擬化形式與圍巾圖案設(shè)計相融合,如圖9(a)所示。采取統(tǒng)一、漸變、對比的形式美原則,使圖案元素之間互相統(tǒng)一,色彩漸層,冷暖對比,產(chǎn)生立體感。依據(jù)該類人群的消費心理特征,選擇不同飽和度和明度的藍色、紅色及白色進行色彩搭配。

由于圍巾的佩戴方式,以及達到所測頸椎活動角度的準(zhǔn)確性和有效性,姿勢監(jiān)測傳感器嵌入圍巾中心位置。圍巾紐扣設(shè)計采用與圍巾本體相似的幾何形和色彩進行設(shè)計,使其相得益彰,并將Arduino Lily Pad微控制器板、HC-06、鋰電池嵌入其中,如圖9(b)所示。

圖9 圍巾效果

4 應(yīng)用評價

4.1 應(yīng)用效果評價

選取32名來自學(xué)院長期久坐聽課的16名大一、大二本科生和16名研二、研三的學(xué)生為實驗對象。均滿足以下特征中一個:1) 長時間低頭學(xué)習(xí)或工作、玩手機,不經(jīng)常運動的人群。2) 長時間從事IT、繪圖設(shè)計等久坐者。3) 疲勞后,頸部酸脹不爽、僵硬疼痛、肌肉緊張和側(cè)轉(zhuǎn)不適,但可自行緩解。4) 頸項背部肌肉緊張,局部壓痛;頸部前后點頭,左傾右傾,左右旋轉(zhuǎn)某個方向活動不利索[23]。32名實驗對象分為實驗組與對照組,實驗組人員需佩戴智能圍巾和使用APP,對照組不對其進行系統(tǒng)性干預(yù)指導(dǎo)。

兩組人員在干預(yù)前和干預(yù)2個月后均對其進行問卷調(diào)查,問卷調(diào)查的內(nèi)容采用頸椎功能障礙指數(shù)(the Neck Disability Index,NDI)和美國斯坦福大學(xué)研制的慢性病自我管理研究測評量表(Chronic Disease Self-management Study Measures,CDSMS),采用SPSS 26.0對數(shù)據(jù)進行分析,從而評價頸部功能效果和自我管理水平[24]。

首先將干預(yù)前和干預(yù)2個月后的32名實驗人員所收集到的數(shù)據(jù)進行檢驗是否服從正態(tài)分布,則可以用t檢驗作為統(tǒng)計量,如下式所示:

(1)

(2)

從認(rèn)知癥狀管理、運動鍛煉、醫(yī)生交流、自我效能、頸功能障礙五個方向依次進行檢驗,其樣本量服從正態(tài)分布,然后采用SPSS26.0進行獨立樣本T檢驗(表1)。在干預(yù)時t檢驗結(jié)果均顯示p>0.05,因此兩組實驗數(shù)據(jù)均無顯著差異,具有可比性。在干預(yù)2個月后t檢驗結(jié)果均顯示p<0.05,因此兩組實驗數(shù)據(jù)有顯著差異,所以頸椎自我管理智能圍巾研究對頸椎病地干預(yù)有必要。

表1 兩組不同時間自我管理行為、自我效能及頸椎功能障礙評分比較

采用皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)(Pearson)驗證實驗組16名成員APP的得分與頸椎功能障礙指數(shù)之間的相關(guān)性,如下式所示:

(3)

檢測結(jié)果顯示,p=0.000<0.050,因此兩組實驗數(shù)據(jù)相關(guān)性顯著,皮爾遜相關(guān)系數(shù)rp=-0.945,|rp|>0.8,表明兩變量呈高度負(fù)相關(guān),即APP得分越高,頸椎功能障礙越少。APP和NDI得分關(guān)系如圖10所示。

圖10 APP和NDI得分關(guān)系

4.2 模糊綜合評價法

借助模糊數(shù)學(xué)中的一些概念,可將模糊的主觀評價轉(zhuǎn)化為定量評價,對智能圍巾主觀評價的量化具有良好的作用。計算步驟如下:

1) 依據(jù)用戶需求確定模糊綜合評判因素集U={美觀性,舒適性,功能性},并用AHP計算其權(quán)重值,如圖11所示。

圖11 評判因素與權(quán)重值

2) 請5名專家佩戴智能圍巾進行打分,建立綜合評判的評價集V={非常滿意95,比較滿意80,一般65,不太滿意50,很不滿意35}。

3) 進行單因素模糊評判,求得評判矩陣R。其中,R1表示美觀性矩陣,R2表示舒適性矩陣,R3表示功能性矩陣。

(4)

(5)

(6)

4) 建立評判模型C,進行綜合評判。其評判模型如下式所示:

C=a×R

(7)

式中:a為第二評判層級因素的權(quán)重值,R為評判矩陣。

由式(7)得出:C1=(0.19,0.31,0.39,0.11,0),C2=(0.19,0.44,0.31,0.05,0),C3=(0.54,0.30,0.16,0.04,0)。

5) 綜合評判,確定產(chǎn)品總得分D。

D=A×C

(8)

式中:A為第一評判層級因素的權(quán)重值,C為評判模型。

由式(8)得出:D=(0.28,0.39,0.28,0.05,0)。

由計算結(jié)果可知,28%的人非常滿意該產(chǎn)品的設(shè)計;39%的人對該產(chǎn)品比較滿意;28%的人認(rèn)為該產(chǎn)品一般;5%的人對該產(chǎn)品設(shè)計不太滿意。因此,遵循隸屬度最大原則[25],最終得出智能圍巾設(shè)計方案的評價結(jié)果為比較滿意。

綜上所述,實驗人員驗證了智能圍巾對預(yù)防頸椎病有一定的效果,模糊綜合評價法證明了專家對智能圍巾的設(shè)計持肯定態(tài)度。在實驗人員應(yīng)用產(chǎn)品時,智能圍巾存放與普通圍巾無差別,因測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的要求固定電子元件于圍巾中,因此產(chǎn)品不具有可洗性,但隨著紡織布料領(lǐng)域的不斷發(fā)展,制造出柔軟的防水布料在未來指日可待。

5 結(jié) 論

本文構(gòu)建了頸椎病自我管理IMB模型,擴展了該理論的應(yīng)用范圍,同時提取用戶需求指導(dǎo)智能圍巾設(shè)計。在該方法的指導(dǎo)下,將傳感器技術(shù)與交互方式相融合設(shè)計了智能圍巾,為用戶在認(rèn)知和行為上進行鼓勵引導(dǎo),監(jiān)督提醒,指導(dǎo)反饋。通過用戶使用產(chǎn)品后得到的反饋,進行統(tǒng)計分析頸椎功能障礙指數(shù)、慢性病自我管理研究測評量表及APP得分的數(shù)據(jù)可知,用戶獲得了積極預(yù)防頸椎病的心態(tài),在行為上注重頸椎操練習(xí)、坐姿改變、頸椎保暖,提升了用戶對頸椎病知識和自我管理水平,改善了頸椎功能狀態(tài),對預(yù)防頸椎病有一定的效果。本文在實驗時間和人數(shù)上有所限制,而頸椎預(yù)防是一個漫長的過程,伴隨著用戶生活習(xí)慣的改變及長期堅持,才能真正達到頸椎預(yù)防的目的。

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