腰背健康智能可穿戴设备研究现状与发展趋势

2020-12-29施秋杉

纺织科技进展 2020年12期

施秋杉,潘力,2,姚彤,2,王军,2,*

(1.大连工业大学,辽宁大连116034；2.大连工业大学服装设计与工程国家级实验教学示范中心,辽宁大连116034)

随着现代人们生活和工作方式的改变,如长期伏案工作、大量使用交通工具及电子产品等,导致我国存在腰背健康问题的人口总数呈现不断上升的趋势[1-2]。腰背健康智能可穿戴设备通过传感器集成在可穿戴物件上,如衣服、腰带、眼镜等,可缓解不同类型的腰背健康问题。文中总结了腰背健康的影响因素,分析了腰背健康智能可穿戴设备的应用现状,探讨了未来腰背健康智能可穿戴设备的研究方向与应用前景。

1 腰背健康影响因素

影响腰背健康的主要因素包括不良姿势、外伤等,针对不同影响因素通常采用不同方式解决,如增加休息时间、加强核心训练、理疗按摩等[3]。

1.1 不良姿势

不良姿势会造成脊柱的错位与变形,长此以往,将加速椎间盘病变、加重脊柱压力,严重者可能会导致腰背部疾病[4]。

由于工作方式的转变,坐姿已成为现代人主要的工作姿势。据报道,工业化国家中有3/4的工作在坐立条件下进行,约有2/3的工作时间处于久坐状态[5]。2017年Akk等人测试办公室人员坐位压力分布特征,实测发现20 min后,座位后侧平均压力增大,即受测人员均存在骨盆后倾或坐姿下滑的现象[6-7],说明久坐是造成不良姿势的重要原因。

对于坐姿,健康的生理特征是腰椎成微前突状态,类似于站立时的曲线,这样久坐办公的工作人员背部肌肉才能处于松弛状态、减少脊柱压力给身体带来的危害[8-9]。除此之外,主动增加坐姿变换频率和休息时间可有效缓解腰背不适症状[10-12]。

1.2 腰背外伤

腰背外伤可分为急性损伤与慢性损伤。急性损伤指遭受瞬间直接暴力或间接暴力造成的损伤,如挫伤、拉伤、扭伤等,一般采用药物治疗；慢性损伤指长期过度负荷运动、不正确使用肌肉累积而成的局部劳损,通常采用核心锻炼和理疗按摩的方式来治疗[13-14]。

“核心”是指人体的中部,以丹田周围的肌肉群为主,由腰、骨盆、髋关节形成的一个整体[15]。核心锻炼包括瑞士球、平板支撑、悬吊训练等内容,可增强背部肌肉,保持身体核心稳定,对腰背保健及腰背疼痛的治疗具有积极作用[16-19]。

理疗包括微波、电疗、热疗等,具有改善微血管循环、阻断神经冲动传导、抗炎等作用；按摩包括中国的推拿及正骨治疗,西方国家的按摩术、关节松动术、美式整脊等,具有加快局部血液循环,促进水肿吸收,重建软组织与脊柱力学平衡的作用,理疗按摩在治疗腰背痛方面获得普遍认可及应用[20-21]。

2 针对腰背健康的智能可穿戴设备

目前的腰背健康智能可穿戴设备主要通过传感器采集人体直接或间接的信息后,发出反馈信号工作。常见的腰背健康可穿戴设备依据功能不同,分为矫姿、运动保护、动力和按摩理疗等4类。

2.1 矫姿类

矫姿类腰背健康智能健康可穿戴设备通过震动、触压、语音等方式帮助使用者纠正腰背生理曲度,保持正确的身体姿态,对保护腰背健康、减轻腰背疼痛起到重要作用[22-23]。

在现有的矫姿类腰背健康可穿戴产品中,实现智能化的方式主要有2类,其中一类方式是基于重力方向始终垂直向下的原理,通过加速度传感器、重力传感器或陀螺仪等设备测量倾角变化,得到设备相对于水平面的倾斜角度,以此判断姿势的变化并进行反馈提示。此类产品有图1 所示的Lumo Lift智能矫姿磁扣[24]和图2所示的Up Right智能坐姿矫正器[25],前者通过磁力佩戴于锁骨下方的服装中,后者通过医用级硅胶黏合剂固定在用户后腰处,二者均通过产品自身轻微震动提醒使用者姿势矫正问题。

图1 Lumo Lift智能矫姿磁扣

同样运用重力原理的产品有EyeForcer智能眼镜,主要面向儿童群体,针对儿童过度使用电子设备影响身体姿态问题设计,当使用者的头部过低或者太贴近电子设备屏幕时向用户发出警告,若未调整改正,电子设备将自动关闭,如图3所示[26]。

图3 EyeForcer智能眼镜

矫姿类可穿戴设备的另一种类型是通过柔性传感器进行智能检测与姿态矫正。法国公司Percko研发了一款新型智能身姿矫正衣,见图4,通过身体动作带动服装的拉伸量判断姿势问题,若出现不良姿态,Percko内置的柔性传感弹力带会触压第5脊椎处,提醒肌肉自发调整身姿,形成肌肉记忆,从根源上解决不良姿态带来的影响[27]。张树梅等[28]将微型骨骼密度传感监测器与服装面料结合,通过传感器扫描的方式记录骨骼活动的方向,实时监督人体骨骼的变化,以助于发现骨骼不正常变动或病变时做出警示。

图4 Percko智能身姿矫正衣

2.2 运动保护类

运动保护类智能可穿戴设备通过监控肌电信号,对运动时易出现的腰部损伤问题进行提醒和保护,降低运动者受伤的概率。

一般资料 A组8例BMI≤24 kg/m2，33例BMI>24 kg/m2；B组7例BMI≤24 kg/m2，23例BMI>24 kg/m2。两组患者年龄、性别、体重、BMI差异均无统计学意义(P均>0.05)(表1)。

李柽安等[29]针对杠铃硬拉项目初学者腰部肌肉易损伤的问题,研发了一款可穿戴肌肉疲劳度监测智能服装,通过肌电传感器功能模块对表面肌电脉冲信号采集和计算,并对比通过实验获得的肌肉疲劳度阈值来判断是否达到肌肉疲劳,在判定为疲劳时触发蜂鸣器起到预警作用。肖闽杰[30]为举重训练者设计了一款监测保护腰带,通过表面肌电传感器采集信号并分析记录,当肌肉疲劳时自动调节腰带的松紧度,使训练者在举重训练过程中更准确了解自身肌肉状态,通过变化训练动作和强度有效降低举重训练肌肉损伤概率,见图5。

图5 监测保护腰带

2.3 动力类

动力类腰背智能可穿戴设备主要为从事体力劳动者、腰背受伤不方便活动的人群设计,目的为减轻腰背负担、减少受伤风险、提高工作效率、辅助腰背受伤患者活动。

Seismic是一款通过传感器读取穿着者的动作,在需要时为臀部和下背部提供能量的智能动力内衣,利用额外肌肉群,支持坐、站、抬、搬运和一系列其他活动,帮助用户完成规定动作,降低腰背部受伤的风险,如图6所示[31]。罗自国等[32]根据人体生物力学,建立了人体弯腰时的静力平衡模型,开发了一种可穿戴弯腰助力装置,利用可伸缩拉力带和角度传感器实现弯腰自动助力,当弯腰到工作位置并静态保持时,控制器会检测到角度停止信息,控制电机拉紧拉力带使人保持弯腰工作状态；当需要恢复直立时,控制器会控制电机转动带轮收紧拉力带使人直起身子,为长时间弯腰工作的人们减轻背部竖脊肌负担。张成就等[33]为患有腰椎间盘突出及腰部受伤的人群设计了一种气动肌肉助力背心,应用气动驱动器帮助患者减轻椎体压力并在一定程度上恢复负重能力,对于提高椎间盘突出症患者或腰痛患者的生活质量具有重大意义。

图6 Seismic智能动力内衣

2.4 按摩理疗类

按摩理疗类腰背智能可穿戴设备基于医学知识,根据人体脉络,应用石墨烯热疗、震动、捶击等方法为使用者提供正确有效的按摩理疗方式。

李翠玉等[34]设计了一款通过手机APP 控制按摩模式和强度的智能化按摩背心,通过独立软触按摩头,为使用者提供有效的按摩措施。姜新生[35]在临床应用石墨烯发热智能理疗护腰[36],见图7,对人体的腰背进行理疗,作用于微循环系统和神经系统,可以改善血液循环,疏通经络之气,提高慢性腰痛的治愈率,特别是对腰背痛反复发作的患者能起到辅助治疗作用。

图7 石墨烯发热智能理疗护腰

3 腰背健康智能可穿戴设备发展趋势

腰背健康智能可穿戴设备涉及电子信息、人体工效、材料学和服装设计等领域。由于现代人腰背部健康问题普遍存在,市场需求量较大,提高腰背健康智能可穿戴设备的合体性与个性化发展,提高柔性与智能化是未来需关注的重点。

3.1 产品的合体性与个性化

目前的腰背健康智能可穿戴设备主要通过间接方式获取人体信息,如坐姿矫正器通过重心变化、身体倾斜程度进行判断提醒,弯腰助力装置通过角度传感器判断等,不能直接捕捉身体的细节变化。由于脊椎骨节的构造,人体背部的弯曲变化较多,不贴合人体背部曲线的产品使用时可能对使用者产生错误提醒,影响效果,甚至造成危害。未来腰背健康智能可穿戴设备研究应了解人体腰背部曲线,合理进行服装结构、功能设计,使传感器等智能元件与人体有很好的接触,达到感应准确、提醒及时、保护有效的目的。

目前三维扫描技术更加成熟,三维扫描可以准确、快捷、多方位获取人体各个角度、曲面的人体点云数据,符合使用者真实的体型特征[37],对腰背健康智能可穿戴设备的贴合度、准确性设计起到至关重要的作用。除此之外,利用三维扫描技术,可以满足产品的个性化定制,开发针对不同使用者的个性化产品,扩大顾客群体,使得腰背健康类智能可穿戴设备拥有更大的市场。

3.2 产品的柔性与智能化

虽然目前可穿戴智能元件、材料在研究方面都较为成熟,但在与服装结合上尚有不足。目前腰背健康智能可穿戴设备大多为智能可穿戴附件或将传统传感器与服装的简单结合,柔性服装类较少,若应用柔性传感器与服装面料的织造融合,或纺织品自身具有传感功能,结合服装进行研究与设计,可以降低产品的穿戴负担感,提升实用性,而且大面积贴合人体可以更加方便、有效地获取人体信号。将电子元件与服装有机融合,材料趋于柔性化,体积趋于微型化,重量趋于轻巧化,造型趋于隐藏化是未来的腰背健康智能可穿戴设备发展的方向。