腰背健康智能可穿戴設備研究現狀與發展趨勢

施秋杉,潘 力,2,姚 彤,2,王 軍,2,*

(1.大連工業大學,遼寧 大連116034；2.大連工業大學 服裝設計與工程國家級實驗教學示范中心,遼寧 大連116034)

隨著現代人們生活和工作方式的改變,如長期伏案工作、大量使用交通工具及電子產品等,導致我國存在腰背健康問題的人口總數呈現不斷上升的趨勢[1-2]。腰背健康智能可穿戴設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。文中總結了腰背健康的影響因素,分析了腰背健康智能可穿戴設備的應用現狀,探討了未來腰背健康智能可穿戴設備的研究方向與應用前景。

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、外傷等,針對不同影響因素通常采用不同方式解決,如增加休息時間、加強核心訓練、理療按摩等[3]。

1.1 不良姿勢

不良姿勢會造成脊柱的錯位與變形,長此以往,將加速椎間盤病變、加重脊柱壓力,嚴重者可能會導致腰背部疾病[4]。

由于工作方式的轉變,坐姿已成為現代人主要的工作姿勢。據報道,工業化國家中有3/4的工作在坐立條件下進行,約有2/3的工作時間處于久坐狀態[5]。2017年Akk等人測試辦公室人員坐位壓力分布特征,實測發現20 min后,座位后側平均壓力增大,即受測人員均存在骨盆后傾或坐姿下滑的現象[6-7],說明久坐是造成不良姿勢的重要原因。

對于坐姿,健康的生理特征是腰椎成微前突狀態,類似于站立時的曲線,這樣久坐辦公的工作人員背部肌肉才能處于松弛狀態、減少脊柱壓力給身體帶來的危害[8-9]。除此之外,主動增加坐姿變換頻率和休息時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；慢性損傷指長期過度負荷運動、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、髖關節形成的一個整體[15]。核心鍛煉包括瑞士球、平板支撐、懸吊訓練等內容,可增強背部肌肉,保持身體核心穩定,對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、阻斷神經沖動傳導、抗炎等作用；按摩包括中國的推拿及正骨治療,西方國家的按摩術、關節松動術、美式整脊等,具有加快局部血液循環,促進水腫吸收,重建軟組織與脊柱力學平衡的作用,理療按摩在治療腰背痛方面獲得普遍認可及應用[20-21]。

2 針對腰背健康的智能可穿戴設備

目前的腰背健康智能可穿戴設備主要通過傳感器采集人體直接或間接的信息后,發出反饋信號工作。常見的腰背健康可穿戴設備依據功能不同,分為矯姿、運動保護、動力和按摩理療等4類。

2.1 矯姿類

矯姿類腰背健康智能健康可穿戴設備通過震動、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,對保護腰背健康、減輕腰背疼痛起到重要作用[22-23]。

在現有的矯姿類腰背健康可穿戴產品中,實現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備測量傾角變化,得到設備相對于水平面的傾斜角度,以此判斷姿勢的變化并進行反饋提示。此類產品有圖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,后者通過醫用級硅膠黏合劑固定在用戶后腰處,二者均通過產品自身輕微震動提醒使用者姿勢矯正問題。

圖1 Lumo Lift智能矯姿磁扣

同樣運用重力原理的產品有EyeForcer智能眼鏡,主要面向兒童群體,針對兒童過度使用電子設備影響身體姿態問題設計,當使用者的頭部過低或者太貼近電子設備屏幕時向用戶發出警告,若未調整改正,電子設備將自動關閉,如圖3所示[26]。

圖3 EyeForcer智能眼鏡

矯姿類可穿戴設備的另一種類型是通過柔性傳感器進行智能檢測與姿態矯正。法國公司Percko研發了一款新型智能身姿矯正衣,見圖4,通過身體動作帶動服裝的拉伸量判斷姿勢問題,若出現不良姿態,Percko內置的柔性傳感彈力帶會觸壓第5脊椎處,提醒肌肉自發調整身姿,形成肌肉記憶,從根源上解決不良姿態帶來的影響[27]。張樹梅等[28]將微型骨骼密度傳感監測器與服裝面料結合,通過傳感器掃描的方式記錄骨骼活動的方向,實時監督人體骨骼的變化,以助于發現骨骼不正常變動或病變時做出警示。

圖4 Percko智能身姿矯正衣

2.2 運動保護類

運動保護類智能可穿戴設備通過監控肌電信號,對運動時易出現的腰部損傷問題進行提醒和保護,降低運動者受傷的概率。

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差異均無統計學意義(P均>0.05)(表1)。

李檉安等[29]針對杠鈴硬拉項目初學者腰部肌肉易損傷的問題,研發了一款可穿戴肌肉疲勞度監測智能服裝,通過肌電傳感器功能模塊對表面肌電脈沖信號采集和計算,并對比通過實驗獲得的肌肉疲勞度閾值來判斷是否達到肌肉疲勞,在判定為疲勞時觸發蜂鳴器起到預警作用。肖閩杰[30]為舉重訓練者設計了一款監測保護腰帶,通過表面肌電傳感器采集信號并分析記錄,當肌肉疲勞時自動調節腰帶的松緊度,使訓練者在舉重訓練過程中更準確了解自身肌肉狀態,通過變化訓練動作和強度有效降低舉重訓練肌肉損傷概率,見圖5。

圖5 監測保護腰帶

2.3 動力類

動力類腰背智能可穿戴設備主要為從事體力勞動者、腰背受傷不方便活動的人群設計,目的為減輕腰背負擔、減少受傷風險、提高工作效率、輔助腰背受傷患者活動。

Seismic是一款通過傳感器讀取穿著者的動作,在需要時為臀部和下背部提供能量的智能動力內衣,利用額外肌肉群,支持坐、站、抬、搬運和一系列其他活動,幫助用戶完成規定動作,降低腰背部受傷的風險,如圖6所示[31]。羅自國等[32]根據人體生物力學,建立了人體彎腰時的靜力平衡模型,開發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現彎腰自動助力,當彎腰到工作位置并靜態保持時,控制器會檢測到角度停止信息,控制電機拉緊拉力帶使人保持彎腰工作狀態；當需要恢復直立時,控制器會控制電機轉動帶輪收緊拉力帶使人直起身子,為長時間彎腰工作的人們減輕背部豎脊肌負擔。張成就等[33]為患有腰椎間盤突出及腰部受傷的人群設計了一種氣動肌肉助力背心,應用氣動驅動器幫助患者減輕椎體壓力并在一定程度上恢復負重能力,對于提高椎間盤突出癥患者或腰痛患者的生活質量具有重大意義。

圖6 Seismic智能動力內衣

2.4 按摩理療類

按摩理療類腰背智能可穿戴設備基于醫學知識,根據人體脈絡,應用石墨烯熱療、震動、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]設計了一款通過手機APP 控制按摩模式和強度的智能化按摩背心,通過獨立軟觸按摩頭,為使用者提供有效的按摩措施。姜新生[35]在臨床應用石墨烯發熱智能理療護腰[36],見圖7,對人體的腰背進行理療,作用于微循環系統和神經系統,可以改善血液循環,疏通經絡之氣,提高慢性腰痛的治愈率,特別是對腰背痛反復發作的患者能起到輔助治療作用。

圖7 石墨烯發熱智能理療護腰

3 腰背健康智能可穿戴設備發展趨勢

腰背健康智能可穿戴設備涉及電子信息、人體工效、材料學和服裝設計等領域。由于現代人腰背部健康問題普遍存在,市場需求量較大,提高腰背健康智能可穿戴設備的合體性與個性化發展,提高柔性與智能化是未來需關注的重點。

3.1 產品的合體性與個性化

目前的腰背健康智能可穿戴設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節變化。由于脊椎骨節的構造,人體背部的彎曲變化較多,不貼合人體背部曲線的產品使用時可能對使用者產生錯誤提醒,影響效果,甚至造成危害。未來腰背健康智能可穿戴設備研究應了解人體腰背部曲線,合理進行服裝結構、功能設計,使傳感器等智能元件與人體有很好的接觸,達到感應準確、提醒及時、保護有效的目的。

目前三維掃描技術更加成熟,三維掃描可以準確、快捷、多方位獲取人體各個角度、曲面的人體點云數據,符合使用者真實的體型特征[37],對腰背健康智能可穿戴設備的貼合度、準確性設計起到至關重要的作用。除此之外,利用三維掃描技術,可以滿足產品的個性化定制,開發針對不同使用者的個性化產品,擴大顧客群體,使得腰背健康類智能可穿戴設備擁有更大的市場。

3.2 產品的柔性與智能化

雖然目前可穿戴智能元件、材料在研究方面都較為成熟,但在與服裝結合上尚有不足。目前腰背健康智能可穿戴設備大多為智能可穿戴附件或將傳統傳感器與服裝的簡單結合,柔性服裝類較少,若應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,結合服裝進行研究與設計,可以降低產品的穿戴負擔感,提升實用性,而且大面積貼合人體可以更加方便、有效地獲取人體信號。將電子元件與服裝有機融合,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備發展的方向。

4 結語

通過對腰背健康影響因素的分析,對腰背健康智能可穿戴設備的矯姿、運動保護、提供動力、理療按摩等功能進行闡述,總結了腰背健康智能可穿戴設備目前的設計需求和未來的發展方向。

未來,腰背健康智能可穿戴設備可利用人體三維掃描技術,提高產品的合體性、個性化；選擇與柔性傳感器結合的面料,或自身具有傳感功能的紡織品進行設計,提高產品的柔性與智能化。