基于Arduino實現久坐人群的脊椎受壓預警產品設計

畢志強 宋亞輝 劉子辰

摘要：隨著“中國制造2025”和“一帶一路”發展戰略目標的提出及創新市場的大舉改革。為人服務的科技創新產品將起到很好的示范指導作用。智能脊椎保健設備是基于互聯網+智能電子感應技術，并融入移動端可進行大數據分析的創新型綜合應用產品。基于久坐人群的脊椎物理研究，人體肌肉電信號測試。通過產品形態、產品結構的設計，提高產品的可靠性、美觀性，并結合Arduino平臺實現功能原型，為久坐人群、伏案人群帶來新的、高體驗的健康辦公交互模式。提高久坐人群、伏案人群的健康辦公理念，加強人與機的體感性，改善久坐人群的脊椎不良發展。

關鍵詞：Arduino；久坐人群；脊椎受壓

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）03-0088-03

Abstract： With the "Made in China 2025" and "Along the way，" the development of strategic objectives and innovative market innovation. Service technology innovation products will play a very good demonstration of the lead role. Intelligent Chiropractic equipment is Based on the Internet + intelligent electronic sensing technology， and into the mobile end can be large data analysis of innovative integrated applications. Spine physics research Based on sedentary people， EMG signal tests. Through the product form， the product structure design， improve product reliability， aesthetics， combined with mechanical automation， data visualization and other powerful features for sedentary crowd， desk crowd to bring new， high-experience health office interactive mode. To improve the health of the population， sedentary people at office concept， strengthen the human and machine body perception， improve the negative development of spine of sedentary people.

Key words： Arduino； sedentary population； spinal compression

信息時代的飛速發展和社會質量的不斷提高，人們的經營方式和生活習慣發生了巨大的改變，人們享受著科技的發展給自身生活帶來便利。同時，也產生了一些文明病和職業病。數據顯示，教師、辦公室辦公人員、銀行員工、會計等長時間伏案工作的人員，其患有頸腰椎病癥的人數均呈逐年增高趨勢，且發病年齡呈低齡化趨勢，這些病癥直接影響在崗群體的工作效率與生活質量[1]。至此，本文章以用戶研究、產品形態學以及開源硬件技術為研究基礎，結合該類頸腰椎病癥的發病機制和該人群工作的特質設計出一款智能久坐預警、智能脊椎按摩、智能監測、智能調節的護理性產品。

1 久坐類頸腰椎病癥的相關研究

1.1 頸腰椎病癥現狀分析

以35歲為界，35歲以下的患者歸為青年組，年齡在35歲以上的歸為非青年組，根據中國醫科大學附屬第一醫院骨科門診研究報告指出青年人的頸腰椎患者占就診患者總人數的比率明顯高于老年人，在183例青年頸腰椎病患者中有伏案工作病史的有135人，占73.8%[2]。青年人長時間伏案工作極易導致頸腰椎勞損。多數青年人未能引起重視，時間長了頸椎病變進一步發展，會導致鉤椎關節增生，曲度進一步變直，項韌帶鈣化，椎間隙變窄， 頸間盤突出等一系列病變[3]。

伏案中腰背呈現前屈狀態，背部肉群由于長時間牽拉極易形成肌痙攣，腰部、頸椎區域以及局部肌肉過于緊張，會導致脊椎對應部位的肌酸及代謝產物的積聚，從而造成腰背疼痛。處于伏案工作的人員，精神過于集中案頭，忽略了彎腰久坐的劣勢，久而久之引起腰肌勞損，伏案久坐不動大大增加了腰肌勞損的發病率。

2 智能脊椎矯正產品設計研究

2.1 智能脊椎矯正產品的結構設計

如圖1傳統的背穿式采用背戴、束腰環扣式結構，首先通過圍合式形成對腰部的支撐，再由肩部背帶對腰部進行提拉，這對腰部及背部均需要施加壓力。強力的壓力也會使長期穿戴的部位出現肌肉力量衰退的情況，使用戶產生依賴感。久坐人群在久坐時常會出現伏腰、佝頸、低頭等動作，背部要隨著身體前伏，腹部會出現壓力是卷曲，因此產品在使用時要盡少量的妨礙久坐人員正常工作的狀態，同時盡量減少腹部縱向的支撐力，降低圍合式施壓效果。

在久坐人群護理用具設計中，應該滿足少受力、少圍合、高彈性的特點，如圖2。因此，在形態設計上避免無用的圍合設計，避免對肌肉及脊椎的過度施壓，結合智能化監測重新對結構進行調整，以形成如圖3的預期。

2.2 基于sEMG的承壓設備的形態優化設計

人類脊柱是由33塊椎骨（頸椎7塊，胸椎12塊，腰椎5塊，骶骨、尾骨共9塊）借韌帶、關節及椎間盤連接而成[4]。通過對脊椎整體進行sEMG數據分析，尋找脊椎附近的受力點與易損傷點，使得矯正產品更好的保護脊椎，使形態與功能協調統一。形態推倒如圖4。

sEMG信號是對參與活動的運動單位生物電變化的反映，常用的量化分析包括時域分析和頻域分析。時域分析反映的是運動單位募集數量的變化，其數值變化通常與肌肉收縮力大小等有關[5]。

2.3 背部肌電分析

將檢測儀器貼至背部區域（曲度較大區域）。進行運動動作實驗組，設置動作如下：蛙跳（腰部）、伏背（背部）、側曲（腰部）、前翻（頸腰部）運動四個項目各進行10組。實驗后，對被測試的肌電信號進行分析，通過對實驗時域數據的變頻轉換，得到以下頻譜圖。如圖5實驗狀態和圖6實驗為頻譜峰值和運動量之間的關系。

結合對比分析法，對實驗對象、實驗部位驗證，在四組運動中觸及到脊椎內陷區域與頸部區域其疲勞度與肌電反饋較為明顯，屬于重點保護與監測區域。

2.4 系統需求分析

針對久坐人群的脊椎矯正需求，首先，要完成久坐背部壓力檢測功能，該功能需要模塊持續檢測，并可以實現人體不同姿態的感知。然后，完成久坐報警功能，該功能需要模塊實現與移動端之間的通信功能，最后，完成僵硬部位按摩及活動提醒。

3 功能原型實驗設計

3.1 總體設計

系統總體設計如圖7所示，報警系統由壓力傳感器、蜂鳴預警模塊、數據處理模塊、震動模塊、電源和藍牙通信模塊構成。其中壓力傳感器完成壓力值的數據采集；壓力控制器負責采集久坐人員的背部壓力及僵硬度；Arduino處理器模塊根據壓力傳感器采集到的數據，分析判斷對象的身體姿態并控制蜂鳴器報警提示；藍牙模塊將采集到的數據傳送到移動端，針對采集到的數據對用戶推送合理的調息建議。

3.2 系統硬件設計

系統硬件主要由Arduino單片機、壓力傳感器模塊、藍牙模塊、震動傳感器等模塊構成，具體模塊鏈接圖如圖8所示。Interlink Electronics公司生產的FSR402壓力傳感器是一款體積小、感測精度高、重量輕、超薄型電阻式壓力傳感器。FSR402壓力傳感器是將施加在傳感器薄膜區域的壓力轉換成電阻值的變化，電阻越低，壓力越大[6]。施加在壓力傳感器上的電壓會隨著其阻值的變化而變化，壓力越大，阻值越小，其分擔的電壓值也就越小，我們在程序中設置一個臨界值及持續穩定值，當達到設定的數值的時候，就表示傳感器被觸動。如圖9所示。

隨著時間，受力不斷加大，最終形成短區間寬幅震蕩，實驗數據表明兩種情況：①脊椎受力瓶頸值；②脊椎受力區間值；針對以上兩種情況設置相應的預警觸發。

4 預警系統軟件設計

4.1 基于用戶體驗的標準化數據

針對不同用戶，其使用模式與受力狀態必然存在差值，通過情景演繹法，對用戶進行情景使用分析，并對用戶進行兩次數據讀值。將兩次所讀取得數據設定為特定用戶的標準化數據。由此可以提高產品對用戶的匹配度與關心度，從而增強了用戶的體驗效果并實現了以人為本的設計初衷。

4.2 預警系統軟件設計

根據脊椎受壓檢測與脊椎按摩的設計需求，系統要同時具備受力檢測、點位按摩、報警信息發送、運動建議推送。由此模塊將數據通過藍牙模塊傳送至移動端，通過對數據與標準化數據進行量化對比，進而獲取不同層級的關心值。預警系統軟件流程圖如圖10。

5 結論

該久坐人群脊椎受壓預警產品設計采用成本較低及開源的Arduino單片機和各類傳感器為硬件平臺，配套應用軟件采用Arduino驅動開發。隨著Arduino的軟件開發可以進行串口繪圖監視實現數據可視化，使其應用簡便易掌握，測試結果明確。該預警系統可以準確的實現脊柱受壓預警、痛點按摩。并可以提示用戶脊柱承受狀態，提醒用戶注意休息，合理活動背部、頸部、腰部，從而大大降低了久坐人群因為長時間脊柱受壓而帶來的病癥危害。

參考文獻：

[1] 劉哲.伏案型人群脊柱常見病癥的運動干預研究[D].鄭州：河南大學， 2012.

[2] 黃濤，張方，李修成，等.青年伏案工作者頸椎病的發病特點及預防措施[J].現代預防醫學，2013 ，40 （7）.

[3] 姜宗義，石杲，陳冬麗.布魯氏菌病流行規律的研究[J].醫學動物防制，2004， 4（4）：241-242.

[4] 梁艷.具有柔順脊柱的仿嬰兒爬行機器人設計與實現[D].北京：北京交通大學，2014.

[5] 畢然然.表面肌電及等速肌力測試技術在肩關節運動損傷評估中的應用[J].中國運動醫學雜志，2013（4）.

[6] DM-SFSR402電阻式壓力傳感器使用說明書[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/9ff84fdea26925c52cc5bfee.html.