脊柱弯曲度测量

脊柱弯曲度测量

孙乐瑶 冯晟 赵伟强 朱方逸 徐铫峻 李涛

1.绍兴文理学院计算机系 浙江 绍兴 312000

摘要：针对当前社会脊椎病愈发严重的现象研发出这款检测脊柱侧弯的设备，主要应用了曲率传感器和单片机相结合的技术，曲率传感器收集到的弯曲度实时信号会不断反馈给单片机，单片机将输入的波形信号进行处理。系统根据不同弯曲度使传感器输出的波形产生不同的变化分析处理中断信号并进行计算，将计算的数据不断上传至智能设备。当大多数的输入值都超过已经设定的定值时，就向上位机发送特殊的提醒或报警信号，从而起到预防脊椎病和减弱脊柱受到的危害的效果。

关键词：脊柱健康；脊柱侧弯检测设备；穿戴设备；曲率传感器；单片机

中图分类号： R 文献标志码： B

0. 引言

脊柱是人体支撑的决定性部位。脊柱就是人的脊梁骨，也被称作“龙骨”，由33块椎骨（颈椎7块，胸椎12块，腰椎5块，骶骨、尾骨共9块）借韧带、关节及椎间盘连接而成。脊柱上端承托颅骨，下联髋骨，中附肋骨，并作为胸廓、腹腔和盆腔的后壁。因为它的作用就像房子的顶梁柱，起着决定性的支撑作用以及负重、减震、保护和运动等作用。所以对人体来说非常重要。

颈椎病是普遍性、高发性疾病。脊柱不仅仅是支撑你的身体、缓冲身体的压力和震荡以及保护内脏的器官；脊椎的病变也不仅仅是引起颈、腰部的疼痛和麻木；它还可以引起心律失常、头痛眩晕、胃痛腹泻、血压增高、性功能障碍。目前发现，有超过百种的疾病与脊椎有关。在中国大陆地区，根据权威机构统计10 %至15 %的成年人患有颈椎疾病和同时10%以上的成年人患有脊柱、腰颈椎疾病，并且患者人数随着经济发达的程度正在迅速增加，颈椎病人总数预计在5000万人以上，同时正在以每年300万人以上的速度增加。对于脊柱、腰颈椎疾病，总的病人数接进8000万人，同时也在迅速增加。综上所述，在中国腰颈椎病及脊柱疾病的预防和治疗有着很大需求。

0. 技术路线的选择

   1. 传感器选择

在人体运动监测方面，人体表面主要变形模式为拉/压变形和弯曲变形，而且都是大变形。对于适用于柔性可穿戴设备的监测拉/压变形的柔性传感器，对于弯曲变形（曲率或弯曲角度）监测可采用三类方法：

①采用应变传感器。如图1所示，这种方式要求传感器与人体完美粘合，一旦产生滑动，测量结果毫无意义，而这种粘合方式对于用户来说是难以接受的，所以不适用于实际的可穿戴设备。

图 1采用应变传感器 图 2为采用薄膜贴片式柔性曲率传感器

②采用光学办法。该类设备复杂，不具有便携性，也不适用于可穿戴设备。

③薄膜贴片式柔性曲率传感器。该传感器可以精确测量被测曲面的动态弯曲曲率和弯曲角度，而且其弯曲测量结果不受拉伸变形的影响，所以在实际应用过程中，不要求传感器与被测曲面完美粘合，只需要贴合（允许小范围滑动，如戴手套或穿紧身衣的方式）即可，

如图2所示。

可见，该传感器非常适合与穿戴服饰集成，可应用于关节弯曲监测、手势识别、坐姿监测等柔性智能穿戴设备，如图3所示。

图 3采用柔性曲率传感器的智能穿戴设备

0. 2. 电池选择

LIR2032是一种3.6V的纽扣型的可充电锂离子电池。其电池的额定电压为3.6V，充满电后电压可达4.15V，放电终止电压为2.7V，标称容量为35mAh，一般为500mΩ-100mΩ；LIR2032可支持1C放电，意即一个小时把电池的容量放完，LIR2032也可支持微电流放电，如几个微安的CMOS电源模块。LIR2032是一种3.6V的纽扣型的可充电锂离子电池。其电池的额定电压为3.6V，充满电后电压可达4.15V，放电终止电压为2.7V，标称容量为35mAh，一般为500mΩ-100mΩ；LIR2032可支持1C放电，意即一个小时把电池的容量放完，LIR2032也可支持微电流放电。

故采用LIR系列可充电纽扣电池。如图4 图5几个微安的CMOS电源模块。

图 4插脚式LIR2032 图 5可充电纽扣电池LIR2032

1.3导线选择

导电聚合物是20世纪70年代发展起来的一个新的研究领域。如今导电高分子材料如聚吡咯、聚酰胺等已成为研究热点，其中聚吡咯由于合成简便、反应条件温和、易控制、电导率较高等优点而倍受关注，在电化学、生物技术和医用防护品等领域有广泛的应用前景。聚吡咯是一种用吡咯单体通过（电）化学氧化法合成的高分子聚合物，它的制备简单、价格便宜，是一种用途广泛的高新技术材料。

我们采用化学氧化方法将聚吡咯附着在涤纶纤维的表面，从而不仅实现纤维导电而且不失涤纶纤维的优良性能（图6）。常见的导电纤维如镀银纤维，凭借良好的导电性能已经在医用防护产品中获得广泛应用，如市面上常见的防电磁辐射的孕妇防护服。同时，基于对慢性伤口施加一定的电刺激有一定的促进细胞组织再生、促进肉芽组织生长及上皮细胞的分化等作用。但是由于银纤维成本较高，聚吡咯导电纤维作为性能优秀的替代品会有更加广阔的市场前景。

聚吡咯涤纶织物电阻率洗涤2次后表面电阻由1.16kQ/cm变为19.28k²/cm，增大了15倍，洗涤30次后表面电阻约为60k⁹/cm，但是洗涤50次几乎没有变化，表面电阻已趋于稳定（图7）。除了具有良好的导电性外，还具有良好的生物相容性。项目组利用导电织物对L929细胞进行电刺激实验时发现，当电流设置为80mA时，细胞个数明显增加，存活率为168%。因此利用导电纤维进行慢性伤口愈合的治疗具有良好的有效性和安全性。

图 6导电织物的外观形态 图 7导电织物水洗稳定性

0. 系统设计方案

曲率传感器用于手势识别和坐姿监测，背部脊柱弯曲度检测系统由检测模块、单片机系统、显示报警模块、电源模块四部分组成，见图8。

图 8基于单片机的设计方案

①检测模块：包括传感器和信号处理电路，主要功能是检测脊柱的弯曲程度等信息并转换成单片机能够读取的信号；传感器传输波形电信号，信号处理电路将杂波过滤，并提取出有用波形的相关信息，比如幅值、周期、波峰持续时间、波谷持续时间等。

②单片机系统：分析处理中断信号并进行计算，将计算的数据不断上传至智能设备。当弯曲度超过15度时单片机向智能设备发送提醒信息；当弯曲度超过20度时控制微型震动器发出震动并向智能设备发送警告信息；单片机系统主要处理传输进来的各种波形信息，通过设定数值上限，将输入的各种数据跟设定值比较，当大多数的输入值都超过设定值时，就向上位机发送特殊的提醒或报警信号。

③电源模块：采用多个LIR系列3.6V的可充电纽扣电池并联，为51系列单片机、传感器等提供电源。该电源模块可用USB充电；电源模块主要放置在服装边缘，纽扣电池小巧轻便，日常生活的影响小；纽扣电池与服装紧密贴合，不可拆卸，密封防水，通过轻导线与USB接口相连，导线的可伸缩度高，弹性好，柔软不易断裂，且与服状内部衣料紧密贴合；USB接口与衣脚相贴合，露出接口处；接口处可用纽扣或拉链进行保护处理，防止过度摩擦。

④导线选择：导线与衣料贴合，既要能够良好的传输电信号，又要能够做到柔软可拉伸，这对导线材料的选型非常重要。采用聚吡咯导电织物，柔韧度高，抗水洗能力强，对皮肤的适应性好，不会产生不舒适感；聚吡咯导电织物电阻稳定，不会受水洗的干扰。

⑤显示传输模块：选用微型震动器作为报警装置，使用蓝牙4.2连接传输数据；蓝牙4.2模块芯片与单片机集成，时刻向上位机传输数据。微型震动器就是一个微型电动机，弯曲超过20度，达到报警条件，单片机就接通报警电路；弯曲低于20度，警报解除，单片机断开报警电路。

0. 本系统涉及的数学公式

曲率传感器测弯曲变形的线性测量范围很大，当敏感区处的光纤弯曲半径在+50 mm～ 0～- 50 mm范围内变化时,传感器的输出都是线性的。因此,我们使用圆柱体模拟人体脊柱,对光纤传感器的静态特性曲线进行测试。测试出的光纤曲率传感器静态特性曲线如下图所示。

当弯曲平面与敏感区平面夹角为θ 时，弯曲敏感度S0关系式为：S0=Sm*cosθ （Sm--最大灵敏度）。

当正向或负向弯曲光纤的半径在5mm以上时，即正向或负向弯曲的光纤曲率在0.02 mm以下时，光纤传感器的输出具有很好的线性。我们可以通过这个特性设定一个阈值，当曲率传感器输出超过这个阈值后即对使用者做出提醒。

0. 本系统优势与局限

   1. 本系统优势

①柔性可穿戴设备具备便捷、舒适的特点。

采用了曲率传感器与单片机的结合，将曲率传感器收集到的弯曲度实时信号不断反馈给单片机，单片机将输入的波形信号进行处理。由于不同弯曲度会使传感器输出的波形产生变化，根据输出波形的频率和幅度可以来判断波形，使单片机内产生不同的信号。传感器的质量和体积小，厚度薄，能很便捷的放入衣物中，且不影响生活。单片机和报警器可安放在服装的边角上，尽量减小不舒适感。报警器采用振动而不是声音，可以避免在使用中产生噪声。

②柔性可穿戴设备是全天候的“贴身秘书”。

相比其它智能设备，可穿戴设备优势是真正的24小时“贴身秘书”。智能手机普及带来一大批手机控，但是不管你多爱自己手机，也不可能在晚上抱着它睡觉，但是智能腕带或手环却可以。抱着睡觉虽不能算是优势，但是全天候携带性却可以给我们带来很多有价值应用，比如对病人进行持续医疗监控、通过皮肤震动进行无声睡眠唤醒等，并且24小时紧贴人体特性也使得可穿戴设备更不容易被盜或丢失。

③可穿戴设备能与数据平台同步、管理以及人机交互。

同步是把可穿戴设备获取的人体数据随时随地地体现在手机.上，获取有价值信息；管理是把同步获得的数据通过手机传到后台服务器上，进行分析，并给出建议，以便用户掌握自己的健康状况；人机交互是让设备与人的交互更加智能化。于是，原本的人体感觉器官，都可以用各类传感器去“增强”功能，赋予全新的应用，而智能手机则可能回到最初的原始状态，用于电话接听。

④可穿戴设备采用蓝牙4.2

A.蓝牙4.2的连接性非常广泛，它可以使用IPv6连接大部分的终端蓝牙产品。

B.隐私权限。蓝牙4.2的蓝牙设备地址是无法看到的，地址是隐藏的，就是不会把蓝牙ID对外进行广播，并且每几秒地址就会改变，这样就不会让别人通过追踪用户的蓝牙设备而发现用户位置，所以这也是更多地应用于智能设备的原因之一，例如智能家居、可穿戴设备等。

C.加密算法，更加安全。蓝牙4.2引入政府级的加密算法，包括加密密匙的生成，这样就不会出现蓝牙内容被黑的情况，数据传输也更安全。蓝牙4.2标准还在隐私和速度方面作出了改进。在这种标准下，除非得到用户许可，否则蓝牙信号将无法尝试连接和追踪用户设备。同时，两部蓝牙设备之间的数据传输速度也提高了“最高两倍”，主要由于蓝牙智能（Bluetooth Smart）数据包的容量提高，其可容纳的数据量相当于此前的10倍左右。

⑤可携带式背部脊柱弯曲度检测系统开发具有显著的社会效益。

脊柱是人的支柱和栋梁，号称人的第二生命线，据世界卫生组织报告，全世界约有10亿人患有各种脊柱疾病，其影响人群包含从儿童到老年人的所有年龄组，我国80%以上青少年处于脊柱亚健康状态，病发率高达25%以上。因而，关注青少年脊柱健康问题越来越迫切。近年来，中国儿童脊柱侧弯发生率呈明显上升趋势。据不完全统计，全国约有300万的青少年儿童患有不同程度的脊柱侧弯。北上广深及武汉、杭州和重庆等城市的青少年的一个脊柱侧弯抽样调查结果，侧弯发生率为3-6%、功能性脊柱侧弯达20%左右、脊柱形态异常在80%左右。脊柱侧弯女孩的发病率是男孩的2.5倍，月经初潮前后的女孩一旦患病，病情进展速度可能是男孩的十倍。脊柱侧弯不只影响孩子体态，可带来疼痛、影响生长发育和心肺功能，甚至造成下肢神经功能障碍、影响行走，对身心健康造成不良影响，严重者需要手术治疗。脊柱问题已成为继近视眼、心理健康之后的青少年儿童第三大“成长杀手”。

⑥可携带式背部脊柱弯曲度检测系统开发具显著的经济效益。

按照国外的相关市场经验，非手术脊柱减压治疗系统设备的市场容量为腰颈椎间盘治疗设备：每50万人口/套。就目前的形势，怎样才能既建立更有效的脊柱病、腰颈椎病减压治疗中心又避免重复投资带来的效益低下呢?我们认为选择技术更先进，投入更经济、应用更全面、疗效更有效的方案——就是完善的脊柱、腰劲椎病预防措施，尽可能的减少脊柱病人的增加。

在中国大陆地区，根据权威机构统计10 %至15 %的成年人患有颈椎疾病和同时10%以上的成年人患有脊柱、腰颈椎疾病，并且患者人数随着经济发达的程度正在迅速增加，颈椎病人总数预计在5000万人以上，同时正在以每年300万人以上的速度增加。对于脊柱、腰颈椎疾病，总的病人数接进8000万人，同时也在迅速增加。综上所述，在中国腰颈椎病及脊柱疾病的预防和治疗有着很大需求。

根据权威数据机构IDC（国际数据公司）报告显示，2018年第一季度中国可穿戴设备市场出货量为1200万台，同比增长15.9%。智能可穿戴设备同比增长高达105.5%，主要源于4G儿童手表市场的迅猛增长。IDC预测：到2020年可穿戴市场将呈现明显增长，到2021年全球可穿戴设备的出货量将达到2.523亿台，市场潜力巨大。

4.2本系统局限

①可穿戴式背部脊柱弯曲度检测当前的局限。

尽管可穿戴设备领域被炒得火热，可仔细研究，会发现该领域仍处在发展的初级阶段，相应的产业链、商业模式等都没有成型。目前，可穿戴设备产业存在以下三个方面的瓶颈问题：

A．多为智能手机“配件”，独立性不强。

仔细梳理大部分可穿戴设备，我们不难发现其中大多是作为智能手机的辅助工具。要么是对智能手机功能的拓展，要么仅仅是是对其功能的平移。比如，智能手表Pebble，仅仅是对智能手机的部分功能的平移。通过蓝牙连后，Pebble可以为用户提供手机短信或电子邮件提醒、设置闹钟等功能。仅仅作为其他智能终端的辅助外设，将会失去独立存在的必要性。不难想象，一旦用户失去了使用新鲜感，这种“配件”将会很快失去市场。

B．功能还不完善，专属应用较少

目前的可穿戴设备普遍还都不具备完善的功能，此外，缺少专属的可穿戴应用将是该行业发展的巨大潜在危险。弗雷斯特研究公司在2013年第1季度，曾针对可穿戴设备的话题，对线上的4673名美国成年人进行了一项调查。调查结果显示，如果可穿戴设备的功能进一步完善， 它的市场还将变得更大。其中44%的人表示，他们希望可穿戴设备可以帮助他们车门或房门，这样他们就不用出门带着一大串钥匙了。30%的人希望这些设备可以根据他们的脾气秉性推荐相应的媒体。另有29%的人表示，他们希望这些设备可以用于监控孩子们的行踪。就今天的科技发展水平来看，上述人们的希望都有可能实现。不同手机中的app最能显示出它们各自的特点。对于可穿戴设备来说，开发多种多样的app是提高渗透率的良方。来自于设备自身传感器的数据没有多大价值，无论设计的如何“精明”，一段时间下来，都会让我们对它提供的有限应用感到疲劳。单一的资源输入，永远都不能换来设备的智能和实用。设备制造商们需要来自第三方开发者的创意，“众人拾柴火焰高”，来自第三方的app往往更能完善设备的功能。

C．费用昂贵，渗透率较低

目前看来，已经发布的可穿戴设备中，Google Glass绝对是其中超一流的产品（还未正式上市）。不过1500美元的价格仍是让和我一.样的工薪阶层望而却步。不过，随着技术的进步，传感器价格的下降，健康追踪类可穿戴设备将会最先降价。目前的运动记录手环最便宜的已经低至400RMB。即将发售的Apple Watch最便宜的运动版也要2588元。

图 9谷歌眼镜

②可穿戴式设备未来的发展趋势。

A．移动互联网主要入口，彻底改变人的生活方式

继浏览器、智能终端、移动应用商店之后，可穿戴设备将成为接入移动互联网的主要入口之一。互联网时代的用户长尾化需求、移动互联网时代的用户碎片化需求，将在应用更加广泛、使用更为灵活的可穿戴设备中得到充分体现。人们将随时随地的连入互联网，并且体验到科技智能带来的全新生活、工作、娱乐体验。

B．市场竞争更加激烈，参与者与日俱增

移动互联网时代的到来，让产业链的各方都积极参与到智能终端的争夺大战中。可以想象，作为新一代智能终端，可穿戴设备将成为新的移动利基市场，吸引创业者加入。 在苹果、谷歌、微软三大生态体系鼎立的包围圈中，利用新的设备载体进行突破或许是一个不错的选择。此外，风投界也将加大对可穿戴设备公司的投资力度。

C．整合与细分趋势并存

随着可穿带设备市场的蓬勃发展，产品类型将呈现整合与细分并行的发展趋势。一方面， 诸如Google Glass的综合类可穿戴设备，会进一步利用其互联网服务和移动操作系统的优势，不断整合进新的应用和服务，力求为用户打造一体化的移动可穿戴设备体验。另一方面，其它一些创业公司将会努力拖延这种被整合的时间，不断推出个性化、差异化的功能体验。

5结语

脊柱身为我们人体的一部分，它的健康状况不应该被我们所忽视，我们的产品--脊柱弯曲度的检测不仅可以使青少年群体更加方便地了解自身脊柱健康状况让更多人认识到关注脊柱健康的重要性和必要性，而且可以及时针对于青少年脊柱健康存在的问题给出预防和矫正的建议。

参考文献：

[1] 苗军.做守护患者脊柱健康的“顶梁柱” [J]求贤，2020（12):44-45

[2] 耿黎明.关爱祖国未来 守护健康之“柱” [J]医药卫生科技,2020(9):54-57

[3] 罗俊娜.脊柱健康状态的统计分析 [D]医药卫生科技,2020:47

[4] 许真达，吕洋，任旭升等基于计算机视觉的人体背部脊柱侧弯角度测量方式 [P]成都虹盛汇泉专利代理有限公司,2021(2)

作者简介：孙乐瑶，绍兴文理学院计算机类在读，本科，主要从事互联网研究。

通讯作者：冯晟，绍兴文理学院计算机科学与工程系讲师，博士，主要从事物联网、智能机器人等研究。

教育部产学合作协同育人项目，编号：202101011025，绍兴文理学院人文社科项目，编号：2021LJ001，浙江省自然科学基金项目，项目编号：TY22F025548