基于動態監測脊柱形態與穴位電刺激的可穿戴矯姿系統研發

摘" 要：隨著低頭族、上班族、學生黨等大多數青少年人群不規范的姿勢頻發導致駝背率逐年上升，改善我國青少年駝背現狀迫在眉睫。針對因為脊柱駝背問題煩惱的廣大人群，該文提出一套智能的可穿戴矯姿系統。通過對人體脊柱解剖學結構的分析，確定傳感器在脊柱的位置。藍牙模塊將傳感器感應的值傳輸至手機小程序中，再通過算法將數值轉換為脊柱矢狀面形狀的實時圖象。結束穿戴后，小程序自動分析此前收集的數據并生成相對應的駝背評估報告。利用一套基于平均胸椎后凸角和脊柱最大偏離節段的算法，為患者匹配高度定制的運動矯正方案。

關鍵詞：動態監測；可穿戴；駝背；傳感器；矯正方案

中圖分類號：TH789" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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，是一種較為常見的脊柱變形，是胸椎后凸引起的形態改變。其不僅影響形體美觀，嚴重者可使胸廓、肩帶發生形變，胸腔變小，影響心肺及消化系統的機能，降低運動能力和健康水平[1]。目前國際防治駝背設備還處于起步階段，多以束縛類產品和測距類產品為主，其功能單一，無法滿足用戶需求，亟須改進[2]。因此，市場亟需一款能夠方便快捷地觀察脊柱形態，從而提醒人們保持正確姿勢，并指導人們完成有效運動矯正鍛煉的可穿戴設備。

1" 系統硬件設計

如圖1所示，本項目的完整硬件系統由彎曲傳感器模塊、線性馬達、STM單片機、電極片、開關及指示燈模塊、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后，該裝置利用藍牙實現與手機端微信小程序的通信。微信小程序會將接收到的體態角度信息進行快速地解析處理和動畫顯示，且系統的相關參數可以通過小程序進行設置。小程序端通過設置波形、頻率、時間等參數控制穴位電刺激裝置放電，放電結束后，芯片可自動斷電。

1.1" 系統硬件的選取

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單片機系列中的STM32f103RCT6芯片作為本系統的主控芯片[3]。該型號芯片的特性為，①內核，AMR32位Cortex-M3CPU，最高工作頻率72 MHz。② 存儲器，片上內部集成256 KB的Flash存儲器。內部自帶48 KB的SRAM運算內存；③該芯片最大的特點便是體積小、低功耗，可節省空間大小、提高系統續航能力。

1.1.2" 傳感器的選取

選取ATK-IMU901六軸角度傳感器測量脊柱曲度值。串口直接輸出姿態角度，外接MCU只需解析角度數據即可，無需進行復雜的姿態解算。可直接用于傾角測量、姿態角測量。模塊采用自主研發的姿態解算算法，靜態X/Y軸測量精度0.05°，無磁力計情況下，航向角長時間都無漂移。內部采用先進的數字濾波技術，能有效降低測量噪聲，提高測量精度。串口輸出高速姿態角、加速度、角速度等數據，最高250 Hz。

1.2" 硬件電路設計

1.2.1" 六軸傳感器電源開關控制電路設計

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，NPN三極管導通，此時P-MOS管的G極相當于接GND，G與S端有G-5V電壓，P-MOS導通，D極有電壓輸出；PB5為低電平時，NPN三極管截止，P-MOS管G與S端無壓差，P-MOS截止，D極無電壓輸出。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來控制5 V的電源。而在本次項目中，VCC為鋰電池，經過線性穩壓器降壓為3.3 V，給單片機及外設供電，3.3 V為六軸傳感器電源。

1.2.2" 接口緩沖電路設計

采集人體的脊柱曲度信號時，要保證測量電路的安全與穩定，也要確保人體安全。在用戶使用本產品的過程中，當電路出現故障時，可能會有高壓信號進入人體。接口緩沖電路如圖3所示。本項目采用了RC濾波器來避免高頻抖動干擾。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電路再進行一次濾波。同時R1限制電路中流入人體的最大電流。因為電源電壓為±5 V，二極管導通電壓為0.3 V，則二級管D1與D2使緩沖放大器的輸入端電壓不超過±5.3 V，起到過壓保護作用。接口電路可以實現低壓保護作用。緩沖電路采用運放的設計跟隨電路實現，可以增加電路的帶負載能力，使后級更有效地獲取人體的脊柱曲度信號。

1.2.3" 限流電路設計

為避免出現電流不穩定情況導致對人體造成傷害，因此加入限流保護電路，同時限流電路還具有節省電能、電源負擔輕、電路連接簡便等優點。該電路主要是由電壓比較器和雙向模擬開關組成。如圖4所示，STM32單片機引腳輸出PWM1波，接入分壓電路，之后連接電壓比較器的同相輸入端，反相輸入端連接驅動電路的端口。此電路可以通過調節PWM1波的占空比，改變輸入電壓值來應對用戶需要。當CORL_I 端輸出低電平，驅動電路停止工作。當CORL_I 輸出高電平，驅動電路恢復工作。

2" 系統功能要求

藍牙與設備成功連接后，設備存儲模塊中存儲的數據會自動傳輸到小程序后臺數據庫中，并將用戶實時的脊柱彎曲形態顯示在小程序首頁中，供用戶查看。用戶經過一段時間的背心穿戴，會產生大量脊柱彎曲程度的記錄數據。通過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應的時間，將此時間與標準的健康人體脊柱不同彎曲程度對應時間進行對比分析，得到用戶的駝背評估報告。最后，程序將根據不同用戶的駝背評估報告推薦個性化的脊柱矯正方案。

3" 項目模式設計

3.1" 智能體態監測模式

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數據，并經單片機的藍牙模板自動將數據發送至手機終端小程序[4]。小程序接收到系統發送的脊柱相關數據后，會進行數據的處理與可視化操作，用戶可在手機小程序上實時查看自身矢狀面下脊柱的彎曲弧度。

3.2" 康復訓練矯正模式

該模式下可利用體態監測裝置，通過脊柱彎曲度的變化判斷用戶的康復訓練動作，并與后臺數據進行對比后得出康復訓練動作糾正報告，使其動作更加精準。使用此模式前，用戶需選擇主動編輯訓練方案或直接導入智能體態監測模式所得方案。需要解釋的是，主動編輯訓練方案，即為用戶從小程序動作庫中自行排列組合所需動作并調整其時常、組數和次數。該模式可糾正康復訓練過程中的錯誤姿勢，從而大幅提高駝背康復的效率[5]。

4" 項目外形設計

本項目的完整系統主要由定制背心、體態監測裝置、穴位電刺激裝置、手機小程序終端組成。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，采用針網工藝保證設備的良好彈性，再輔以強度較高的夾網布做內層增強面料支撐性。同時，背心脊柱處設計有長條狀及圓形的背囊，為體態監測裝置提供了數據采集的物理支撐位置。為更加準確地提供姿態，體態監測裝置本體呈長條狀，外周由柔性材料包裹，可隨脊柱運動而發生相應的形變。

5" 參數測量方法及康復方案推薦

5.1" 胸椎后凸角測量

傳感器內部在對用戶胸椎后凸曲度進行數據分析的過程中，如圖6所示，擬一條直線L為一號傳感器（C7）至五號傳感器（T12）的距離，再經三號傳感器（T6）作與L的垂線H。根據測量的結果，按照如下公式計算胸椎后凸角：θ=4[ARC tag（2H/L）]。為了提高數據測量的準確性與科學性以及用戶對自身脊柱曲度狀態更直觀的認知，二號傳感器、四號傳感器及六號傳感器僅參與終端脊柱矢狀面二維模型的構建，不參與TKA的測量[6]。

5.2" 偏離最大節段測量

人體矢狀面正中重力線經過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為第五個傳感器，因此可以將第五個傳感器作為正中重力線的基準，來判斷駝背時脊柱上哪些對應節段偏離較大。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偏離正中重力線的值L。偏離值△L=L/Lx，最后通過比較每個傳感器的偏離值△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段。

5.3" 康復方案推薦

運動矯正方案的選擇則是由平均胸椎后凸角度數和偏離最大節段共同決定，通過決策樹算法智能推薦符合用戶個性化的居家方案。佩戴者穿戴一段時間后，后臺得到有關脊柱曲度的數據集，通過設定平均胸椎后凸角度數和偏離最大節段等特征集，計算每個特征的信息增益并將數據集進行劃分，如此重復計算得出最后一個最符合穿戴者的康復運動方案。

6" 結論

6.1" 實時監測脊柱分析

6.2" 康復方案科學性分析

6.2.1" 實驗對象

經過指標篩查的20級、21級、22級本科80人。

6.2.2" 實驗方法

2022年5月末對實驗對象進行胸椎后凸角、腰椎前凸角、肺活量、胸圍測量，2022年6月到2022年9月對實驗組進行推薦的康復方案（姿勢性駝背康復方案）鍛煉，對照組不做處理。2022年10月再次對實驗對象進行指標測量并對實驗數據進行統計學分析。

6.2.3" 實驗結果

經過3個月的實驗，見表1，實驗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，實驗組在實驗前后脊柱彎曲、肺活量、胸圍都有明顯改善（Plt;0.05）有統計學意義；見表2，對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，實驗組在實驗前后脊柱彎曲、肺活量、胸圍無明顯差異（Pgt;0.05）無統計學意義[7]。

7" 結束語

本論文設計了一種能夠防治駝背的智能可穿戴矯姿設備，將人體脊柱矢狀面形態實時反饋到小程序界面，并使用一種結合胸椎后凸角度與脊柱節段的全新算法分析數據，得到對應的脊柱監測報告與定制的運動矯正方案。本產品研發對駝背醫療器具有重大意義，改變原先患者被動接受物理性質牽拉的治療模式，使患者主動參與駝背康復并且時刻掌握脊柱情況以及療效。但本設備只對輕中度駝背的防治有顯著療效，對于重度駝背仍需手術治療矯正。

參考文獻：

[1] 李旭龍，吳鍵，袁圣敏.導致不良身體姿態形成的原因及其對身體的危害分析[J].中國學校體育，2020（2）：60-61.

[2] 方宇，勞越明.少年防駝背背心的市場現狀與設計研究分析[J].輕紡工業與技術，2020，49（7）：12-14.

[3] 徐冬冬，閆嘉琪.人體脊柱實時監測系統可穿戴智能設備的開發與設計[J].信息通信，2020（11）：38-39.

[4] 鄭鴻飛，張麗.智能傳感器數據處理方法[J].電腦開發與應用，2006（11）：49-50，55.

[5] 董輝，敖文聰，羅強，等.可穿戴的智能矯姿系統設計與實現[J].浙江工業大學學報，2021，49（1）：24-29，93.

[6] 馮強.脊柱測量尺和Spinal Mouse脊柱測量儀測量胸椎后凸角、腰椎前凸角的信度和效度[J].中國運動醫學雜志，2017，36（2）：150-151.

[7] 萬金錢，盧健.姿勢性駝背體育康復方法的研究[J].山東體育科技，2008（1）：68-73.