基于坐姿矯正的傳感器原理及模型設計

鄭 勛

湖北大學物理與電子科學學院

基于坐姿矯正的傳感器原理及模型設計

鄭 勛

湖北大學物理與電子科學學院

現代醫學表明久坐或坐姿不正是頸椎、腰間盤突出、近視等慢性疾病的重要原因；結合物理學中力矩和人體工程學相關知識，以半固定狀態下人體質心變化引起的質量分布變化為觀測量所做的新型傳感器原理和模型設計，便為相關疾病的解決提供了一種新的可能。

當文明以一種新的方式展現，人類逐步告別蠻荒與粗鄙時，現代都市生活的愜意與非理性化也不可避免地在一點點吞噬著我們；激烈的競爭與無節制的生活，倒錯的生活習慣等接二連三地沖擊著每個白領或工薪階層的身心健康；據有關資料表明我國近視人群約70%發生在青春期，一個主要原因是坐姿不當、而多發于老年人群或上班族中的頸椎病也相當程度上是久坐或坐姿不正確引起的，從某種意義上說，由坐姿引起的慢性病在日常生活中很常見，且十分影響生活質量。

就如何預防此種問題疾病而言國內外通常有如下作法：1.用計算機圖像處理與識別技術，選取能緊密反映坐姿不正確的關鍵生理學指標如人臉、肩部或頭的水平情況來作為分析指標，以期望矯正坐姿；2.基于人機工程學原理，設計出符合減小人體負荷以及合理分布肌肉壓力的座椅構造；3.在疾病萌發階段定期結合醫生和健康理療師意見輔以加強鍛煉和營養補充，以圖自我調整和恢復脊椎損傷。

就可能的治療效果比較來看，依托圖像處理技術下的坐姿檢測技術已初步具備智能化的特點，且場景切合性和適用范圍廣，但是存在識別標準難統一、誤差機動性大、受光照等外界環境影響大的問題；而人機工程學原理下的座椅結構設計，其初衷愿景是美好的，可是受座椅使用者自身體格等因素影響，要確保有實用效果，可能要做個人定制設計；而生物醫學輔助和遠動理療從長遠來看，是一種根本上解決問題的可能方案，但是效果等待周期實在漫長，用戶體驗度必然低下。基于此筆者企圖設計一種便攜性高、適用范圍廣且在未來時間內符合物聯網技術發展、實現泛在網絡數據交換真正人工智能的傳感器雛形。

抽象與假設

坐姿不正的病理學分析

相關醫學研究表明，良好的坐姿應該是能夠產生最適當的壓力分布于各脊椎骨之間的椎間盤上和最適當的靜負荷量于所附著的肌肉組織；像常見的不正確的坐姿引起的脊椎前曲、頭部傾斜、身體前傾或后仰、身體左傾與右傾狀態造成疾病的根本原因在于不正常的壓力分布改變了人體正常的生理曲度，經年累月，人們的脊椎、椎間盤等重要調節組織逐漸硬化，失去彈性變得對外部環境不再有自適應性；而良好的坐姿往往是以一種趨近于自然的狀態去平衡身體的壓力和減輕身體的不適感，具體表現為腰部自然挺直、雙肩齊平、身體微微前傾或后傾，同時避免久坐，盡量使全身維持在動態的半放松狀態。

行為抽象與理想化假設

圖1 同情境下人們的正確坐姿姿勢

圖2 半固定狀態下人體軀干等效橢球柱面模型

由于人身體本身存在高度的對稱性，從頭部至下看腔體剖面近似為扁平橢圓。當人固定在座椅上時，其坐姿的不正確性反映為偏離標準狀態下的值，具體說來是指人體行為的突然調整導致其上半身的質心（形心）在空間中坐標發生了改變；倘若我們以每個人標準坐姿狀態下的質心為坐標原點建立三維坐標系，那么人下一個時刻行為引起的質心改變可以用偏離圓點的坐標來表示，剩下的任務就是要將偏離程度轉化為傳感器可以感知的量，并給出具體可靠的理論公式。

為了便于分析，上面的模型的成立必須滿足這樣幾點理想化假設：1.忽略個體身形的部分差異，認為在標準坐姿狀態下軀干是呈現前后左右對稱的；2.與質心有關的慣量參數是可通過第三方機構測出其空間分布函數或有經驗公式可模擬的；3在坐姿檢測過程中，人應該避免如杯子、書籍等第三方物體長時間靜態接觸形成力學“共同體”；4假設非觀測變量如環境、生理狀態突變等不可控因素對觀測量的影響是微小的。

理論與建模

靜力矩與形心分布

由文獻我們知道任何占有有界閉區域Ω、在點(x, y, z )處的密度為ρ(x, y, z )的物體的質心坐標是：

其中M為物體的固有質量，x，y，z是質心到固定轉軸的距離，ρ(x, y, z)由物體的質量空間分布函數給出。

目前基于式（3.1）數學原理，由文獻知，從離散統計的角度，用CT截面掃描法通過對全國男性樣本數據的測量，用多元回歸方程得到人體上軀干質心公式如下：

x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7分別代表體重，身高，上軀干長，胸圍，胸寬，胸厚，坐高，體重單位為千克，人體尺寸單位為mm。

圖3 坐姿矯正集成芯片傳感器核心設計俯視圖

對于此我們將上述7個指標分為個體特征指數（體重，身高，上軀干長，胸圍）和動態觀測指數（胸寬，胸厚，坐高），而胸寬（y軸），胸厚（x軸）和坐高（z軸）分別通過傳感器測量人體軸向指數來給出。

其中對于胸寬、胸厚由光電陣列傳感器來完成，預先設置人標準狀態下可以微小擾動的空間，而不正常坐姿狀態下的人體必然對原有光路實現遮擋，通過投影法算出有效胸寬、胸厚；而坐高的變化由基于激光三維掃描結構的圖像傳感器來完成；最后為了使傳感器更加集成化、智能化，有必要用壓力傳感器附帶測出人體體重。

原型器件設計

利用電源放大技術實現自給供電，最底層橢圓形區域是壓力傳感器，讀取人體重力數據傳遞給實時信號處理模塊；中間夾層是光電陣列傳感器過15分鐘就至上投影掃描一次人體軀干，通過計算人體有效區域來算出其等效胸厚和胸寬；CCD針孔圖像傳感器分布在壓力傳感器內圍、光電陣列傳感器外圍，即時讀取人體截面數據，通過三維點云計算模擬技術來算出坐高，然后傳遞給信號處理終端，根據式（3.2）便可以記錄人體質心動態變換情況，可以通過智能終端接收數據并被用戶知道，用戶便可以自行調整坐姿直至質心坐標恢復到允許值范圍內。

結語

物聯網時代的一個重要特征就是實現數據編碼與海量信息交互；而生物醫學傳感器就是人類提高生活質量的一個必要部分，未來經濟科技時代發展的顯著特征便是人們越來越關心健康和生活乃至心靈本身；本文基于都市工作和生活的弊端之一，整合現有的三維光電掃描技術、力學傳感器和陣列傳感器測量手段，以期集成在一塊芯片上實現固態化、智能化、小型化監控人體健康數據。

然而上述過程的實現仍有幾個問題需要進一步探討和研究：1.國內的現有技術給出的人體慣性參量模型是不嚴密的，是一個離散的統計平均量，然而在非規則物體質量分布的研究中，例如鐵片或腔管等，是可以通過截面掃描法測出ρ(x, y, z)的確切表達式的，但基于人體的研究卻沒有；2.由于ASIC用了多個模塊，增加了成本和可靠性，這一部分原因是因為國內缺乏對于人體慣性參量模型研究造成的；3.本傳感器集成芯片背景知識復雜，需要多方聯合研究才有投入產業化的可能。