基于颈椎自我管理IMB模型的智能围巾设计

唐 茜, 刘 艳, 潘 洋, 张冰冰

(湖北工业大学 工业设计学院,武汉 430000)

人体健康问题一直倍受人们关注,传统医疗设备不能满足实时监测身体数据的需求,服装与电子信息技术融合成为智能服装[1]。智能服装在学者们的研究下,取得了一定的进展。Weicheng Shu等[2]设计了一款带有温度调节系统的智能降温服;Zamir Ahmed Abro等[3]开发了一种监测不同关节位的智能腰带。而越来越多的移动技术因可以为医疗提供不受空间和时间限制的自我管理服务备受重视,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]提出面向年轻慢性病患者的关于信任、自我管理和幸福的综合模型;El-Gayar O等[6]研究了在移动应用程序的自我管理干预措施下控制了糖尿病患者的血糖;Escoffery C等[7]验证了成人癫痫自我管理测量工具(AESMMI)对非裔美国人的可靠性和有效性。同时,IMB模型的健康教育可以极大地提高慢性病患者的自我管理能力。宁艳等[8]验证了在IMB模型的护理干预下提高了职业用声者的自我护理能力;司明玉等[9]研究了基于IMB模型的干预对中国大学女性HPV疫苗接种的知识、动机和感知的客观技能产生了积极影响。颈椎病的病程呈慢性、反复发作、逐渐进展,因此颈椎病重在自我预防,需要进行自我健康管理。

目前,国内外市场上治疗颈椎病的产品主要为按摩仪、颈托、牵引类产品,均为被动式治疗颈椎。同时这些产品也多为重度患颈椎病人群设计的产品,适合居家使用,不宜轻度患者和想要预防颈椎病的人群在办公场所、学校等公共场所使用[10]。而颈椎病患者的发病率越来越年轻化,患有颈椎病的青少年和上班族越来越多且女性多于男性[11-13]。主要原因在于坐姿不正确,颈椎受凉,长时间低头看手机,缺乏运动等不良生活习惯[11]。其中颈椎受凉是患颈椎病的诱因之一,易被人们忽视[14]。

针对青少年和上班族很难自发地完成颈椎自我管理的问题,因此本文构建了颈椎自我管理IMB模型,通过提取用户需求,指导设计智能围巾。借助智能围巾进行自我健康监控及管理,长期为用户提供实时健康监测数据,及时让用户了解自身的颈椎状态,通过颈椎操和即时坐姿改变预防颈椎病,为颈椎病自我管理提供新思路。

1 整体设计思路

从产品设计的角度出发,结合颈椎自我管理IMB模型下的用户需求,本文设计了智能围巾。其中,硬件监测系统设计是为了实时监测颈椎活动状态,应用平台APP(Application)设计在于颈椎健康知识的传达,接收与显示数据,帮助用户得到科学的建议,激励引导用户健康用颈、主动护颈。智能围巾设计从载体设定、图案颜色、面料、传感器的放置等均需满足产品的舒适性、美观性和功能性需求,同时采用SPSS 26.0和模糊综合评价法分别从产品的应用效果和主观性进行评价。基于颈椎自我管理IMB模型的智能围巾整体设计思路如图1所示。

图1 整体设计思路

2 颈椎自我管理IMB模型用户需求提取

为使智能围巾达到提升颈椎自我管理水平与预防颈椎病的目的,本文构建颈椎自我管理IMB模型(图2),提取用户需求,为智能围巾研究提供理论依据。

图2 颈椎自我管理IMB模型

IMB模型是1992年J D 费舍尔和W A 费舍尔最早提出[15-16],该模型在预防行为、自我管理行为等多个健康行为领域中取得良好的效果[17]。该理论模式着重于实施信息、动机、行为技巧来实现用户行为的改变,旨在引导用户行为改变并有意识地保持该行为[18]。其中,信息是指促进个体行为改变的相关知识,动机是指对行为的态度和干预结果的信念,行为技巧是指执行行为的客观技能和感知技能及执行行为的自我效能感[19],三者关系如图3所示。

图3 IMB模型

颈椎自我管理过程中,包括对颈椎病的心理认知和为减轻或预防疾病采取的行为。信息干预即为向用户传达颈椎病知识,包括颈椎病的定义、种类、临床表现、病因、预警信号、日常保健方法等,进行颈椎管理健康教育,同时让用户明白自身颈椎的状态,及时与同伴和医生进行交流。动机干预旨在希望用户正确认识颈椎病,影响用户由被动转为主动去健康用颈,主动护颈,养成良好的生活习惯。另外,通过多种交互方式、积分排名引导鼓励用户进行颈椎自我管理。在认知层面的信息干预和动机干预后,用户获取颈椎管理技巧,从而在生活习惯上注意保护颈椎,如实时监测颈椎状态,端正坐姿,避免颈椎受凉,颈椎保健操等,以期用户能改变自身不良的生活习惯,使颈椎获得健康,生活质量得到提高。

依据颈椎自我管理IMB模型的干预措施,归纳总结用户需求为颈椎健康知识的传达、交流沟通,交互方式的多样化,积分排名,颈椎活动状态的监测与提醒,错误坐姿的识别与调整,颈椎操的学习与反馈,颈部保暖。

3 设计研究

3.1 硬件监测系统设计

硬件系统设计的目的在于实现智能围巾监测颈椎活动状态,工作原理如图4所示。主要是通过传感器采集到的物理信号转化成电信号,通过后台智能分析系统对电信号做出数据计算和分析得出信息,帮助用户进行颈椎监测。

图4 颈椎监测设备工作原理

数据采集模块即颈椎姿势监测模块采用九轴运动姿态陀螺仪(深圳维特智能科技有限公司)JY901模块,JY901模块通过嵌入式MPU-9250陀螺仪传感器进行颈椎姿态监测,将其数据传输到内置Cortex-M0核心处理器,运用R & D动态融合算法、卡尔曼滤波(程序滤波器)等算法,能够迅速计算出实时的运动姿态。

数据处理模块采用Arduino Lily Pad微控制器板(深圳市科易互动机器人有限公司)和软件(Arduino IDE)进行分析、判断和监测数据。Arduino Lily Pad微控制器板的核心处理器是ATmega328,是专门为了可穿戴设备与电子纺织品而开发的。Arduino软件通过ICC通讯协议接收JY901模块采集到的姿态活动角度,用程序语句Put_String进行数据处理,设置参数,传送到服务器,使移动终端发出报警的消息提示。

无线传输模块运用Bluetooth Specification V2.0带EDR蓝牙协议的HC-06蓝牙串口通信模块(广州汇承信息科技有限公司)进行数据传送。其通信距离为10 m,大小为27 mm×13 mm×2 mm,轻巧易嵌入应用系统之内。

电源模块采用锂电池(永州市世联商贸公司),供电电压范围为3.0～4.2 V,而数据采集模块、数据处理模块和蓝牙模块均需满足5 V电压,因此利用PW6276芯片(深圳市夸克微科技有限公司)进行升压。PW6276是一种高效同步升压转换芯片,锂电池输入升压输出可达5 V 2.4 A。

将服装本体上的各种电子元件有效连接在一起,且电路设计合理、系统工作稳定,其连接方式如图5所示。蓝牙模块HC-06的串口TXD、RXD,锂电池的正负极分别与Arduino Lily Pad微控制器串口RX、TX正负极连接,JY901模块串口SDA、SCL分别与Arduino Lily Pad微控制器串口的SCL、SDA通过新型石墨烯导电纱线沿着围巾载体交通轨迹缝制于围巾面料。该纱线导电导热性能优于碳纤维,纱线直径为0.6～1.1 mm,表面光洁,挠性良好,柔软,可任意曲折[20]。其中设置JY901模块为主机,HC-06模块为从机,配对码均为1234,波特率均为115 200 B,可通过蓝牙模块将其数据上传服务器和移动终端。用户可使用手机APP实时监测颈椎活动对应的3D动态及颈部活动的角度参数,其3D动态如图6所示。

图5 硬件连接示意

图6 3D动态

3.2 应用平台设计

在交互设计的理念下,使智能围巾、用户、应用平台APP三者建立一种全新的交互模式。智能围巾用于监测、处理、传输颈椎活动角度的数据,APP在于颈椎病知识的传达,接收、显示数据,达到颈椎活动角度的实时监控,错误坐姿的提醒,颈椎操的指导反馈。用户根据科学的数据与提醒预警进行自身习惯的改变,从而达到健康用颈、主动护颈的目的。

本文用人体工程学知识将坐姿状态分为严重、中等、轻微、标准,如图7所示。应用中的“颈椎学院”如图8(a)所示,在于向用户传达颈椎健康知识。通过参照《颈椎病诊治和康复指南》(2018年版)及北京大学第一医院张道俭等具有丰富临床经验的医师发布的视频[21],将颈椎病知识引入APP中,通过图文、视频的途径进行颈椎管理健康教育。此外,健康自测模块让用户明确自身颈椎健康状态和了解其对颈椎知识掌握的程度。日常护理模块引导用户通过生活习惯的改变从而改变颈椎的健康状态。

图7 不同坐姿状态

应用中的“每日一练、小游戏”如图8(b)(g)所示,即颈椎操的学习、指导与反馈[22]。通过图文、视频、小游戏的方式对颈椎操进行描述,用户进行练习,通过硬件监测系统读取和处理数据,将颈椎活动的3D动态传递到APP上,可以让用户实时观看自己做的颈椎操,同时数据与APP里的存储模块的标准动作数据进行对比,超过误差参数的阈值,其中包括颈椎操的幅度、速度、频率等,APP发出不同层次的报警提醒和医师建议。其中颈部小游戏设置多种关卡,关卡一设置颈部前后点头、左倾右倾,分别代表前后左右四个方向,通过时间长短来控制距离与强度。关卡二在关卡一的基础上加入颈部左右旋转和绕圈旋转。关卡三在前一关的基础上设置障碍物,增加游戏的难度,解锁的动作为颈椎操中的头手相抗和颈项争力。具体游戏场景为打地鼠、迷宫逃亡、音符跳跃。

图8 APP设计模式

应用中的“坐姿改变”如图8(c～f),这个模块分为四部分。第一部分用户根据自身需求从触发灵敏度、错误坐姿的角度、坐姿时间段等方面进行设置(8(c))。第二部分坐姿提醒(图8(d)),依据坐姿监测的角度值,系统进行判定,从而进行不同程度地提醒。第三部分坐姿调整(图8(e)),利用手机摄像头的功能,帮助用户进行坐姿调整。第四部分坐姿报告(图8(f)),通过坐姿行为的改变生成了坐姿数据报告,用户可以直观地观察某个时段的坐姿情况,也可以通过柱状图明了地进行某一阶段坐姿正确与错误次数的对比。

应用中的“我的”如图8(h)所示,积分排名情况可以激发用户护颈的动机。“个人档案”是用户刚开始使用智能围巾和APP颈椎情况建立的档案,便于用户了解自身颈椎的状态。

3.3 智能围巾设计

智能围巾设计需要满足美观性、舒适性及保暖性,并且方便用户在公共场所使用。还需考虑到颈椎病患者的分布,选择具有女性特征的围巾进行设计,一方面考虑围巾具有保暖功能,夏天经常吹空调风扇忽视颈椎保暖,另一方面,围巾可以作为女性服饰的搭配,方便在公共场所使用。

青少年和上班族这一人群具有追求时尚、潮流、高贵生活品质的消费心理。丝巾是提升质感的一种很好的方式且丝织物易着色,所以选择面料舒适美观的真丝材质,印花工艺,尺寸为80 cm×80 cm的方巾,便于她们多场合多方式地佩戴。

图案元素选择武汉市著名地标长江大桥、武汉琴台大剧院及武汉交通虚拟化形式与围巾图案设计相融合,如图9(a)所示。采取统一、渐变、对比的形式美原则,使图案元素之间互相统一,色彩渐层,冷暖对比,产生立体感。依据该类人群的消费心理特征,选择不同饱和度和明度的蓝色、红色及白色进行色彩搭配。

由于围巾的佩戴方式,以及达到所测颈椎活动角度的准确性和有效性,姿势监测传感器嵌入围巾中心位置。围巾纽扣设计采用与围巾本体相似的几何形和色彩进行设计,使其相得益彰,并将Arduino Lily Pad微控制器板、HC-06、锂电池嵌入其中,如图9(b)所示。

图9 围巾效果

4 应用评价

4.1 应用效果评价

选取32名来自学院长期久坐听课的16名大一、大二本科生和16名研二、研三的学生为实验对象。均满足以下特征中一个:1) 长时间低头学习或工作、玩手机,不经常运动的人群。2) 长时间从事IT、绘图设计等久坐者。3) 疲劳后,颈部酸胀不爽、僵硬疼痛、肌肉紧张和侧转不适,但可自行缓解。4) 颈项背部肌肉紧张,局部压痛;颈部前后点头,左倾右倾,左右旋转某个方向活动不利索[23]。32名实验对象分为实验组与对照组,实验组人员需佩戴智能围巾和使用APP,对照组不对其进行系统性干预指导。

两组人员在干预前和干预2个月后均对其进行问卷调查,问卷调查的内容采用颈椎功能障碍指数(the Neck Disability Index,NDI)和美国斯坦福大学研制的慢性病自我管理研究测评量表(Chronic Disease Self-management Study Measures,CDSMS),采用SPSS 26.0对数据进行分析,从而评价颈部功能效果和自我管理水平[24]。

首先将干预前和干预2个月后的32名实验人员所收集到的数据进行检验是否服从正态分布,则可以用t检验作为统计量,如下式所示:

(1)

(2)

从认知症状管理、运动锻炼、医生交流、自我效能、颈功能障碍五个方向依次进行检验,其样本量服从正态分布,然后采用SPSS26.0进行独立样本T检验(表1)。在干预时t检验结果均显示p>0.05,因此两组实验数据均无显著差异,具有可比性。在干预2个月后t检验结果均显示p<0.05,因此两组实验数据有显著差异,所以颈椎自我管理智能围巾研究对颈椎病地干预有必要。

表1 两组不同时间自我管理行为、自我效能及颈椎功能障碍评分比较

采用皮尔逊积矩相关系数(Pearson)验证实验组16名成员APP的得分与颈椎功能障碍指数之间的相关性,如下式所示:

(3)

检测结果显示,p=0.000<0.050,因此两组实验数据相关性显著,皮尔逊相关系数rp=-0.945,|rp|>0.8,表明两变量呈高度负相关,即APP得分越高,颈椎功能障碍越少。APP和NDI得分关系如图10所示。

图10 APP和NDI得分关系

4.2 模糊综合评价法

借助模糊数学中的一些概念,可将模糊的主观评价转化为定量评价,对智能围巾主观评价的量化具有良好的作用。计算步骤如下:

1) 依据用户需求确定模糊综合评判因素集U={美观性,舒适性,功能性},并用AHP计算其权重值,如图11所示。

图11 评判因素与权重值

2) 请5名专家佩戴智能围巾进行打分,建立综合评判的评价集V={非常满意95,比较满意80,一般65,不太满意50,很不满意35}。

3) 进行单因素模糊评判,求得评判矩阵R。其中,R1表示美观性矩阵,R2表示舒适性矩阵,R3表示功能性矩阵。

(4)

(5)

(6)

4) 建立评判模型C,进行综合评判。其评判模型如下式所示:

C=a×R

(7)

式中:a为第二评判层级因素的权重值,R为评判矩阵。

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) 综合评判,确定产品总得分D。

D=A×C

(8)

式中:A为第一评判层级因素的权重值,C为评判模型。

由式(8)得出:D=(0.28,0.39,0.28,0.05,0)。

由计算结果可知,28%的人非常满意该产品的设计;39%的人对该产品比较满意;28%的人认为该产品一般;5%的人对该产品设计不太满意。因此,遵循隶属度最大原则[25],最终得出智能围巾设计方案的评价结果为比较满意。

综上所述,实验人员验证了智能围巾对预防颈椎病有一定的效果,模糊综合评价法证明了专家对智能围巾的设计持肯定态度。在实验人员应用产品时,智能围巾存放与普通围巾无差别,因测量数据准确性的要求固定电子元件于围巾中,因此产品不具有可洗性,但随着纺织布料领域的不断发展,制造出柔软的防水布料在未来指日可待。

5 结 论

本文构建了颈椎病自我管理IMB模型,扩展了该理论的应用范围,同时提取用户需求指导智能围巾设计。在该方法的指导下,将传感器技术与交互方式相融合设计了智能围巾,为用户在认知和行为上进行鼓励引导,监督提醒,指导反馈。通过用户使用产品后得到的反馈,进行统计分析颈椎功能障碍指数、慢性病自我管理研究测评量表及APP得分的数据可知,用户获得了积极预防颈椎病的心态,在行为上注重颈椎操练习、坐姿改变、颈椎保暖,提升了用户对颈椎病知识和自我管理水平,改善了颈椎功能状态,对预防颈椎病有一定的效果。本文在实验时间和人数上有所限制,而颈椎预防是一个漫长的过程,伴随着用户生活习惯的改变及长期坚持,才能真正达到颈椎预防的目的。

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