基于頸椎自我管理IMB模型的智能圍巾設計

唐 茜, 劉 艷, 潘 洋, 張冰冰

(湖北工業大學 工業設計學院,武漢 430000)

人體健康問題一直倍受人們關注,傳統醫療設備不能滿足實時監測身體數據的需求,服裝與電子信息技術融合成為智能服裝[1]。智能服裝在學者們的研究下,取得了一定的進展。Weicheng Shu等[2]設計了一款帶有溫度調節系統的智能降溫服;Zamir Ahmed Abro等[3]開發了一種監測不同關節位的智能腰帶。而越來越多的移動技術因可以為醫療提供不受空間和時間限制的自我管理服務備受重視,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]研究了在移動應用程序的自我管理干預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模型的護理干預下提高了職業用聲者的自我護理能力;司明玉等[9]研究了基于IMB模型的干預對中國大學女性HPV疫苗接種的知識、動機和感知的客觀技能產生了積極影響。頸椎病的病程呈慢性、反復發作、逐漸進展,因此頸椎病重在自我預防,需要進行自我健康管理。

目前,國內外市場上治療頸椎病的產品主要為按摩儀、頸托、牽引類產品,均為被動式治療頸椎。同時這些產品也多為重度患頸椎病人群設計的產品,適合居家使用,不宜輕度患者和想要預防頸椎病的人群在辦公場所、學校等公共場所使用[10]。而頸椎病患者的發病率越來越年輕化,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地完成頸椎自我管理的問題,因此本文構建了頸椎自我管理IMB模型,通過提取用戶需求,指導設計智能圍巾。借助智能圍巾進行自我健康監控及管理,長期為用戶提供實時健康監測數據,及時讓用戶了解自身的頸椎狀態,通過頸椎操和即時坐姿改變預防頸椎病,為頸椎病自我管理提供新思路。

1 整體設計思路

從產品設計的角度出發,結合頸椎自我管理IMB模型下的用戶需求,本文設計了智能圍巾。其中,硬件監測系統設計是為了實時監測頸椎活動狀態,應用平臺APP(Application)設計在于頸椎健康知識的傳達,接收與顯示數據,幫助用戶得到科學的建議,激勵引導用戶健康用頸、主動護頸。智能圍巾設計從載體設定、圖案顏色、面料、傳感器的放置等均需滿足產品的舒適性、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品的應用效果和主觀性進行評價。基于頸椎自我管理IMB模型的智能圍巾整體設計思路如圖1所示。

圖1 整體設計思路

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防頸椎病的目的,本文構建頸椎自我管理IMB模型(圖2),提取用戶需求,為智能圍巾研究提供理論依據。

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],該模型在預防行為、自我管理行為等多個健康行為領域中取得良好的效果[17]。該理論模式著重于實施信息、動機、行為技巧來實現用戶行為的改變,旨在引導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知識,動機是指對行為的態度和干預結果的信念,行為技巧是指執行行為的客觀技能和感知技能及執行行為的自我效能感[19],三者關系如圖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知和為減輕或預防疾病采取的行為。信息干預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、病因、預警信號、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,及時與同伴和醫生進行交流。動機干預旨在希望用戶正確認識頸椎病,影響用戶由被動轉為主動去健康用頸,主動護頸,養成良好的生活習慣。另外,通過多種交互方式、積分排名引導鼓勵用戶進行頸椎自我管理。在認知層面的信息干預和動機干預后,用戶獲取頸椎管理技巧,從而在生活習慣上注意保護頸椎,如實時監測頸椎狀態,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慣,使頸椎獲得健康,生活質量得到提高。

依據頸椎自我管理IMB模型的干預措施,歸納總結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,頸椎活動狀態的監測與提醒,錯誤坐姿的識別與調整,頸椎操的學習與反饋,頸部保暖。

3 設計研究

3.1 硬件監測系統設計

硬件系統設計的目的在于實現智能圍巾監測頸椎活動狀態,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化成電信號,通過后臺智能分析系統對電信號做出數據計算和分析得出信息,幫助用戶進行頸椎監測。

圖4 頸椎監測設備工作原理

數據采集模塊即頸椎姿勢監測模塊采用九軸運動姿態陀螺儀(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監測,將其數據傳輸到內置Cortex-M0核心處理器,運用R & D動態融合算法、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。

數據處理模塊采用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、判斷和監測數據。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備與電子紡織品而開發的。Arduino軟件通過ICC通訊協議接收JY901模塊采集到的姿態活動角度,用程序語句Put_String進行數據處理,設置參數,傳送到服務器,使移動終端發出報警的消息提示。

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)進行數據傳送。其通信距離為10 m,大小為27 mm×13 mm×2 mm,輕巧易嵌入應用系統之內。

電源模塊采用鋰電池(永州市世聯商貿公司),供電電壓范圍為3.0～4.2 V,而數據采集模塊、數據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,且電路設計合理、系統工作穩定,其連接方式如圖5所示。藍牙模塊HC-06的串口TXD、RXD,鋰電池的正負極分別與Arduino Lily Pad微控制器串口RX、TX正負極連接,JY901模塊串口SDA、SCL分別與Arduino Lily Pad微控制器串口的SCL、SDA通過新型石墨烯導電紗線沿著圍巾載體交通軌跡縫制于圍巾面料。該紗線導電導熱性能優于碳纖維,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據上傳服務器和移動終端。用戶可使用手機APP實時監測頸椎活動對應的3D動態及頸部活動的角度參數,其3D動態如圖6所示。

圖5 硬件連接示意

圖6 3D動態

3.2 應用平臺設計

在交互設計的理念下,使智能圍巾、用戶、應用平臺APP三者建立一種全新的交互模式。智能圍巾用于監測、處理、傳輸頸椎活動角度的數據,APP在于頸椎病知識的傳達,接收、顯示數據,達到頸椎活動角度的實時監控,錯誤坐姿的提醒,頸椎操的指導反饋。用戶根據科學的數據與提醒預警進行自身習慣的改變,從而達到健康用頸、主動護頸的目的。

本文用人體工程學知識將坐姿狀態分為嚴重、中等、輕微、標準,如圖7所示。應用中的“頸椎學院”如圖8(a)所示,在于向用戶傳達頸椎健康知識。通過參照《頸椎病診治和康復指南》(2018年版)及北京大學第一醫院張道儉等具有豐富臨床經驗的醫師發布的視頻[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和了解其對頸椎知識掌握的程度。日常護理模塊引導用戶通過生活習慣的改變從而改變頸椎的健康狀態。

圖7 不同坐姿狀態

應用中的“每日一練、小游戲”如圖8(b)(g)所示,即頸椎操的學習、指導與反饋[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,通過硬件監測系統讀取和處理數據,將頸椎活動的3D動態傳遞到APP上,可以讓用戶實時觀看自己做的頸椎操,同時數據與APP里的存儲模塊的標準動作數據進行對比,超過誤差參數的閾值,其中包括頸椎操的幅度、速度、頻率等,APP發出不同層次的報警提醒和醫師建議。其中頸部小游戲設置多種關卡,關卡一設置頸部前后點頭、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。關卡二在關卡一的基礎上加入頸部左右旋轉和繞圈旋轉。關卡三在前一關的基礎上設置障礙物,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設計模式

應用中的“坐姿改變”如圖8(c～f),這個模塊分為四部分。第一部分用戶根據自身需求從觸發靈敏度、錯誤坐姿的角度、坐姿時間段等方面進行設置(8(c))。第二部分坐姿提醒(圖8(d)),依據坐姿監測的角度值,系統進行判定,從而進行不同程度地提醒。第三部分坐姿調整(圖8(e)),利用手機攝像頭的功能,幫助用戶進行坐姿調整。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據報告,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的對比。

應用中的“我的”如圖8(h)所示,積分排名情況可以激發用戶護頸的動機?！皞€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。

3.3 智能圍巾設計

智能圍巾設計需要滿足美觀性、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計,一方面考慮圍巾具有保暖功能,夏天經常吹空調風扇忽視頸椎保暖,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、高貴生活品質的消費心理。絲巾是提升質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,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計相融合,如圖9(a)所示。采取統一、漸變、對比的形式美原則,使圖案元素之間互相統一,色彩漸層,冷暖對比,產生立體感。依據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確性和有效性,姿勢監測傳感器嵌入圍巾中心位置。圍巾紐扣設計采用與圍巾本體相似的幾何形和色彩進行設計,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 應用評價

4.1 應用效果評價

選取32名來自學院長期久坐聽課的16名大一、大二本科生和16名研二、研三的學生為實驗對象。均滿足以下特征中一個:1) 長時間低頭學習或工作、玩手機,不經常運動的人群。2) 長時間從事IT、繪圖設計等久坐者。3) 疲勞后,頸部酸脹不爽、僵硬疼痛、肌肉緊張和側轉不適,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性干預指導。

兩組人員在干預前和干預2個月后均對其進行問卷調查,問卷調查的內容采用頸椎功能障礙指數(the Neck Disability Index,NDI)和美國斯坦福大學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對數據進行分析,從而評價頸部功能效果和自我管理水平[24]。

首先將干預前和干預2個月后的32名實驗人員所收集到的數據進行檢驗是否服從正態分布,則可以用t檢驗作為統計量,如下式所示:

(1)

(2)

從認知癥狀管理、運動鍛煉、醫生交流、自我效能、頸功能障礙五個方向依次進行檢驗,其樣本量服從正態分布,然后采用SPSS26.0進行獨立樣本T檢驗(表1)。在干預時t檢驗結果均顯示p>0.05,因此兩組實驗數據均無顯著差異,具有可比性。在干預2個月后t檢驗結果均顯示p<0.05,因此兩組實驗數據有顯著差異,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系數(Pearson)驗證實驗組16名成員APP的得分與頸椎功能障礙指數之間的相關性,如下式所示:

(3)

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

圖10 APP和NDI得分關系

4.2 模糊綜合評價法

借助模糊數學中的一些概念,可將模糊的主觀評價轉化為定量評價,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計算其權重值,如圖11所示。

圖11 評判因素與權重值

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,確定產品總得分D。

D=A×C

(8)

式中:A為第一評判層級因素的權重值,C為評判模型。

由式(8)得出:D=(0.28,0.39,0.28,0.05,0)。

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

綜上所述,實驗人員驗證了智能圍巾對預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計持肯定態度。在實驗人員應用產品時,智能圍巾存放與普通圍巾無差別,因測量數據準確性的要求固定電子元件于圍巾中,因此產品不具有可洗性,但隨著紡織布料領域的不斷發展,制造出柔軟的防水布料在未來指日可待。

5 結 論

本文構建了頸椎病自我管理IMB模型,擴展了該理論的應用范圍,同時提取用戶需求指導智能圍巾設計。在該方法的指導下,將傳感器技術與交互方式相融合設計了智能圍巾,為用戶在認知和行為上進行鼓勵引導,監督提醒,指導反饋。通過用戶使用產品后得到的反饋,進行統計分析頸椎功能障礙指數、慢性病自我管理研究測評量表及APP得分的數據可知,用戶獲得了積極預防頸椎病的心態,在行為上注重頸椎操練習、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,對預防頸椎病有一定的效果。本文在實驗時間和人數上有所限制,而頸椎預防是一個漫長的過程,伴隨著用戶生活習慣的改變及長期堅持,才能真正達到頸椎預防的目的。

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