基于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)脊柱形態(tài)與穴位電刺激的可穿戴矯姿系統(tǒng)研發(fā)

摘" 要：隨著低頭族、上班族、學(xué)生黨等大多數(shù)青少年人群不規(guī)范的姿勢(shì)頻發(fā)導(dǎo)致駝背率逐年上升，改善我國(guó)青少年駝背現(xiàn)狀迫在眉睫。針對(duì)因?yàn)榧怪劚硢?wèn)題煩惱的廣大人群，該文提出一套智能的可穿戴矯姿系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)人體脊柱解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的分析，確定傳感器在脊柱的位置。藍(lán)牙模塊將傳感器感應(yīng)的值傳輸至手機(jī)小程序中，再通過(guò)算法將數(shù)值轉(zhuǎn)換為脊柱矢狀面形狀的實(shí)時(shí)圖象。結(jié)束穿戴后，小程序自動(dòng)分析此前收集的數(shù)據(jù)并生成相對(duì)應(yīng)的駝背評(píng)估報(bào)告。利用一套基于平均胸椎后凸角和脊柱最大偏離節(jié)段的算法，為患者匹配高度定制的運(yùn)動(dòng)矯正方案。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；可穿戴；駝背；傳感器；矯正方案

中圖分類號(hào)：TH789" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）17-0026-04

Abstract： With the frequent occurrence of irregular posture of most young people， such as phubbers， office workers， students alike， the rate of hunchback increases year by year， so it is urgent to improve the current situation of youth hunchback in China. Aiming at the phenomenon of hunchback among a large number of people， a set of smart wearable posture correction system is proposed in this paper. The anatomy of the human spine was used to determine the location of the sensor in the spine. The Bluetooth module transmits the value of the sensor to the Mini Program of the mobile phone， and then converts the value into the real-time image of the sagittal shape of the spine through the algorithm. After finishing the wear， the small program automatically analyzes the previously collected data and generates the corresponding hunchback evaluation report. Through an algorithm based on the mean thoracic kyphotic angle and spine maximum deviation segment， a highly customized motion correction protocol is designed for patients.

Keywords： dynamic monitoring; wearable; hunchback; sensor; correction scheme

駝背，是一種較為常見(jiàn)的脊柱變形，是胸椎后凸引起的形態(tài)改變。其不僅影響形體美觀，嚴(yán)重者可使胸廓、肩帶發(fā)生形變，胸腔變小，影響心肺及消化系統(tǒng)的機(jī)能，降低運(yùn)動(dòng)能力和健康水平[1]。目前國(guó)際防治駝背設(shè)備還處于起步階段，多以束縛類產(chǎn)品和測(cè)距類產(chǎn)品為主，其功能單一，無(wú)法滿足用戶需求，亟須改進(jìn)[2]。因此，市場(chǎng)亟需一款能夠方便快捷地觀察脊柱形態(tài)，從而提醒人們保持正確姿勢(shì)，并指導(dǎo)人們完成有效運(yùn)動(dòng)矯正鍛煉的可穿戴設(shè)備。

1" 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，本項(xiàng)目的完整硬件系統(tǒng)由彎曲傳感器模塊、線性馬達(dá)、STM單片機(jī)、電極片、開(kāi)關(guān)及指示燈模塊、電源模塊和鋰電池充電模塊等共同組成。在傳感器收集到彎曲度信號(hào)后，該裝置利用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)與手機(jī)端微信小程序的通信。微信小程序會(huì)將接收到的體態(tài)角度信息進(jìn)行快速地解析處理和動(dòng)畫(huà)顯示，且系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)可以通過(guò)小程序進(jìn)行設(shè)置。小程序端通過(guò)設(shè)置波形、頻率、時(shí)間等參數(shù)控制穴位電刺激裝置放電，放電結(jié)束后，芯片可自動(dòng)斷電。

1.1" 系統(tǒng)硬件的選取

1.1.1" 主控芯片的選取

集成控制中心的主控芯片模塊選取為STM32單片機(jī)系列中的STM32f103RCT6芯片作為本系統(tǒng)的主控芯片[3]。該型號(hào)芯片的特性為，①內(nèi)核，AMR32位Cortex-M3CPU，最高工作頻率72 MHz。② 存儲(chǔ)器，片上內(nèi)部集成256 KB的Flash存儲(chǔ)器。內(nèi)部自帶48 KB的SRAM運(yùn)算內(nèi)存；③該芯片最大的特點(diǎn)便是體積小、低功耗，可節(jié)省空間大小、提高系統(tǒng)續(xù)航能力。

1.1.2" 傳感器的選取

選取ATK-IMU901六軸角度傳感器測(cè)量脊柱曲度值。串口直接輸出姿態(tài)角度，外接MCU只需解析角度數(shù)據(jù)即可，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的姿態(tài)解算?？芍苯佑糜趦A角測(cè)量、姿態(tài)角測(cè)量。模塊采用自主研發(fā)的姿態(tài)解算算法，靜態(tài)X/Y軸測(cè)量精度0.05°，無(wú)磁力計(jì)情況下，航向角長(zhǎng)時(shí)間都無(wú)漂移。內(nèi)部采用先進(jìn)的數(shù)字濾波技術(shù)，能有效降低測(cè)量噪聲，提高測(cè)量精度。串口輸出高速姿態(tài)角、加速度、角速度等數(shù)據(jù)，最高250 Hz。

1.2" 硬件電路設(shè)計(jì)

1.2.1" 六軸傳感器電源開(kāi)關(guān)控制電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，PB5為MCU腳控制端，Q1為NPN三極管，Q2為P-MOS管。P-MOS，S極為輸入，D極為輸出，G極為控制端。PB5為高電平時(shí)，NPN三極管導(dǎo)通，此時(shí)P-MOS管的G極相當(dāng)于接GND，G與S端有G-5V電壓，P-MOS導(dǎo)通，D極有電壓輸出；PB5為低電平時(shí)，NPN三極管截止，P-MOS管G與S端無(wú)壓差，P-MOS截止，D極無(wú)電壓輸出。NPN三極管在此也起到了不同電壓控制的作用，即可以使用3.3 V來(lái)控制5 V的電源。而在本次項(xiàng)目中，VCC為鋰電池，經(jīng)過(guò)線性穩(wěn)壓器降壓為3.3 V，給單片機(jī)及外設(shè)供電，3.3 V為六軸傳感器電源。

1.2.2" 接口緩沖電路設(shè)計(jì)

采集人體的脊柱曲度信號(hào)時(shí)，要保證測(cè)量電路的安全與穩(wěn)定，也要確保人體安全。在用戶使用本產(chǎn)品的過(guò)程中，當(dāng)電路出現(xiàn)故障時(shí)，可能會(huì)有高壓信號(hào)進(jìn)入人體。接口緩沖電路如圖3所示。本項(xiàng)目采用了RC濾波器來(lái)避免高頻抖動(dòng)干擾。電路中的R2取值為100 kΩ，電容C3為100 pF，可以得出其截止頻率約為16 kHz。R4與C4電路再進(jìn)行一次濾波。同時(shí)R1限制電路中流入人體的最大電流。因?yàn)殡娫措妷簽椤? V，二極管導(dǎo)通電壓為0.3 V，則二級(jí)管D1與D2使緩沖放大器的輸入端電壓不超過(guò)±5.3 V，起到過(guò)壓保護(hù)作用。接口電路可以實(shí)現(xiàn)低壓保護(hù)作用。緩沖電路采用運(yùn)放的設(shè)計(jì)跟隨電路實(shí)現(xiàn)，可以增加電路的帶負(fù)載能力，使后級(jí)更有效地獲取人體的脊柱曲度信號(hào)。

1.2.3" 限流電路設(shè)計(jì)

為避免出現(xiàn)電流不穩(wěn)定情況導(dǎo)致對(duì)人體造成傷害，因此加入限流保護(hù)電路，同時(shí)限流電路還具有節(jié)省電能、電源負(fù)擔(dān)輕、電路連接簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。該電路主要是由電壓比較器和雙向模擬開(kāi)關(guān)組成。如圖4所示，STM32單片機(jī)引腳輸出PWM1波，接入分壓電路，之后連接電壓比較器的同相輸入端，反相輸入端連接驅(qū)動(dòng)電路的端口。此電路可以通過(guò)調(diào)節(jié)PWM1波的占空比，改變輸入電壓值來(lái)應(yīng)對(duì)用戶需要。當(dāng)CORL_I 端輸出低電平，驅(qū)動(dòng)電路停止工作。當(dāng)CORL_I 輸出高電平，驅(qū)動(dòng)電路恢復(fù)工作。

2" 系統(tǒng)功能要求

藍(lán)牙與設(shè)備成功連接后，設(shè)備存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)傳輸?shù)叫〕绦蚝笈_(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并將用戶實(shí)時(shí)的脊柱彎曲形態(tài)顯示在小程序首頁(yè)中，供用戶查看。用戶經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的背心穿戴，會(huì)產(chǎn)生大量脊柱彎曲程度的記錄數(shù)據(jù)。通過(guò)用戶脊柱彎曲程度的定量，分析得到用戶定性分類后各段脊柱不同彎曲程度對(duì)應(yīng)的時(shí)間，將此時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)的健康人體脊柱不同彎曲程度對(duì)應(yīng)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析，得到用戶的駝背評(píng)估報(bào)告。最后，程序?qū)⒏鶕?jù)不同用戶的駝背評(píng)估報(bào)告推薦個(gè)性化的脊柱矯正方案。

3" 項(xiàng)目模式設(shè)計(jì)

3.1" 智能體態(tài)監(jiān)測(cè)模式

用戶佩戴的矯姿背心將收集到脊柱矢狀面上足夠的彎曲度信號(hào)數(shù)據(jù)，并經(jīng)單片機(jī)的藍(lán)牙模板自動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)終端小程序[4]。小程序接收到系統(tǒng)發(fā)送的脊柱相關(guān)數(shù)據(jù)后，會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與可視化操作，用戶可在手機(jī)小程序上實(shí)時(shí)查看自身矢狀面下脊柱的彎曲弧度。

3.2" 康復(fù)訓(xùn)練矯正模式

該模式下可利用體態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)脊柱彎曲度的變化判斷用戶的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作，并與后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后得出康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作糾正報(bào)告，使其動(dòng)作更加精準(zhǔn)。使用此模式前，用戶需選擇主動(dòng)編輯訓(xùn)練方案或直接導(dǎo)入智能體態(tài)監(jiān)測(cè)模式所得方案。需要解釋的是，主動(dòng)編輯訓(xùn)練方案，即為用戶從小程序動(dòng)作庫(kù)中自行排列組合所需動(dòng)作并調(diào)整其時(shí)常、組數(shù)和次數(shù)。該模式可糾正康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中的錯(cuò)誤姿勢(shì)，從而大幅提高駝背康復(fù)的效率[5]。

4" 項(xiàng)目外形設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的完整系統(tǒng)主要由定制背心、體態(tài)監(jiān)測(cè)裝置、穴位電刺激裝置、手機(jī)小程序終端組成。如圖5所示，柔性定制背心以透氣性、耐磨性良好的純棉、滌棉為原料，采用針網(wǎng)工藝保證設(shè)備的良好彈性，再輔以強(qiáng)度較高的夾網(wǎng)布做內(nèi)層增強(qiáng)面料支撐性。同時(shí)，背心脊柱處設(shè)計(jì)有長(zhǎng)條狀及圓形的背囊，為體態(tài)監(jiān)測(cè)裝置提供了數(shù)據(jù)采集的物理支撐位置。為更加準(zhǔn)確地提供姿態(tài)，體態(tài)監(jiān)測(cè)裝置本體呈長(zhǎng)條狀，外周由柔性材料包裹，可隨脊柱運(yùn)動(dòng)而發(fā)生相應(yīng)的形變。

5" 參數(shù)測(cè)量方法及康復(fù)方案推薦

5.1" 胸椎后凸角測(cè)量

傳感器內(nèi)部在對(duì)用戶胸椎后凸曲度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的過(guò)程中，如圖6所示，擬一條直線L為一號(hào)傳感器（C7）至五號(hào)傳感器（T12）的距離，再經(jīng)三號(hào)傳感器（T6）作與L的垂線H。根據(jù)測(cè)量的結(jié)果，按照如下公式計(jì)算胸椎后凸角：θ=4[ARC tag（2H/L）]。為了提高數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性與科學(xué)性以及用戶對(duì)自身脊柱曲度狀態(tài)更直觀的認(rèn)知，二號(hào)傳感器、四號(hào)傳感器及六號(hào)傳感器僅參與終端脊柱矢狀面二維模型的構(gòu)建，不參與TKA的測(cè)量[6]。

5.2" 偏離最大節(jié)段測(cè)量

人體矢狀面正中重力線經(jīng)過(guò)C1、T1、T12、S1，維持最佳生理曲線和身體平衡，保證人體能正常前視。其中T12為第五個(gè)傳感器，因此可以將第五個(gè)傳感器作為正中重力線的基準(zhǔn)，來(lái)判斷駝背時(shí)脊柱上哪些對(duì)應(yīng)節(jié)段偏離較大。穿戴者彎腰到最大程度（脊柱前屈）并保持2～3 s，記錄此時(shí)除了第五傳感器外其他傳感器偏離正中重力線的最大值Lx。如果穿戴者駝背，那么其他傳感器各自都存在一個(gè)偏離正中重力線的值L。偏離值△L=L/Lx，最后通過(guò)比較每個(gè)傳感器的偏離值△L，△L最大的即為偏離最大的椎體。例如，如果測(cè)出第三傳感器（T6）的△L最大，則第二傳感器（T4）至第四傳感器（T9）之間為偏離最大的脊柱節(jié)段。

5.3" 康復(fù)方案推薦

運(yùn)動(dòng)矯正方案的選擇則是由平均胸椎后凸角度數(shù)和偏離最大節(jié)段共同決定，通過(guò)決策樹(shù)算法智能推薦符合用戶個(gè)性化的居家方案。佩戴者穿戴一段時(shí)間后，后臺(tái)得到有關(guān)脊柱曲度的數(shù)據(jù)集，通過(guò)設(shè)定平均胸椎后凸角度數(shù)和偏離最大節(jié)段等特征集，計(jì)算每個(gè)特征的信息增益并將數(shù)據(jù)集進(jìn)行劃分，如此重復(fù)計(jì)算得出最后一個(gè)最符合穿戴者的康復(fù)運(yùn)動(dòng)方案。

6" 結(jié)論

6.1" 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脊柱分析

6.2" 康復(fù)方案科學(xué)性分析

6.2.1" 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

經(jīng)過(guò)指標(biāo)篩查的20級(jí)、21級(jí)、22級(jí)本科80人。

6.2.2" 實(shí)驗(yàn)方法

2022年5月末對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行胸椎后凸角、腰椎前凸角、肺活量、胸圍測(cè)量，2022年6月到2022年9月對(duì)實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行推薦的康復(fù)方案（姿勢(shì)性駝背康復(fù)方案）鍛煉，對(duì)照組不做處理。2022年10月再次對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行指標(biāo)測(cè)量并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

6.2.3" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)3個(gè)月的實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)組的胸椎后凸角平均減少5°，腰椎前凸平均增加0.8 cm、肺活量增加200 mL、胸圍增1.7 cm，實(shí)驗(yàn)組在實(shí)驗(yàn)前后脊柱彎曲、肺活量、胸圍都有明顯改善（Plt;0.05）有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；見(jiàn)表2，對(duì)照組的胸椎后凸角平均減少1°，腰椎前凸平均增加0.1 cm、肺活量增加30 ml、胸圍增加0.2 cm，實(shí)驗(yàn)組在實(shí)驗(yàn)前后脊柱彎曲、肺活量、胸圍無(wú)明顯差異（Pgt;0.05）無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[7]。

7" 結(jié)束語(yǔ)

本論文設(shè)計(jì)了一種能夠防治駝背的智能可穿戴矯姿設(shè)備，將人體脊柱矢狀面形態(tài)實(shí)時(shí)反饋到小程序界面，并使用一種結(jié)合胸椎后凸角度與脊柱節(jié)段的全新算法分析數(shù)據(jù)，得到對(duì)應(yīng)的脊柱監(jiān)測(cè)報(bào)告與定制的運(yùn)動(dòng)矯正方案。本產(chǎn)品研發(fā)對(duì)駝背醫(yī)療器具有重大意義，改變?cè)然颊弑粍?dòng)接受物理性質(zhì)牽拉的治療模式，使患者主動(dòng)參與駝背康復(fù)并且時(shí)刻掌握脊柱情況以及療效。但本設(shè)備只對(duì)輕中度駝背的防治有顯著療效，對(duì)于重度駝背仍需手術(shù)治療矯正。

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