基于坐姿矫正的传感器原理及模型设计

郑 勋

湖北大学物理与电子科学学院

基于坐姿矫正的传感器原理及模型设计

郑 勋

湖北大学物理与电子科学学院

现代医学表明久坐或坐姿不正是颈椎、腰间盘突出、近视等慢性疾病的重要原因；结合物理学中力矩和人体工程学相关知识，以半固定状态下人体质心变化引起的质量分布变化为观测量所做的新型传感器原理和模型设计，便为相关疾病的解决提供了一种新的可能。

当文明以一种新的方式展现，人类逐步告别蛮荒与粗鄙时，现代都市生活的惬意与非理性化也不可避免地在一点点吞噬着我们；激烈的竞争与无节制的生活，倒错的生活习惯等接二连三地冲击着每个白领或工薪阶层的身心健康；据有关资料表明我国近视人群约70%发生在青春期，一个主要原因是坐姿不当、而多发于老年人群或上班族中的颈椎病也相当程度上是久坐或坐姿不正确引起的，从某种意义上说，由坐姿引起的慢性病在日常生活中很常见，且十分影响生活质量。

就如何预防此种问题疾病而言国内外通常有如下作法：1.用计算机图像处理与识别技术，选取能紧密反映坐姿不正确的关键生理学指标如人脸、肩部或头的水平情况来作为分析指标，以期望矫正坐姿；2.基于人机工程学原理，设计出符合减小人体负荷以及合理分布肌肉压力的座椅构造；3.在疾病萌发阶段定期结合医生和健康理疗师意见辅以加强锻炼和营养补充，以图自我调整和恢复脊椎损伤。

就可能的治疗效果比较来看，依托图像处理技术下的坐姿检测技术已初步具备智能化的特点，且场景切合性和适用范围广，但是存在识别标准难统一、误差机动性大、受光照等外界环境影响大的问题；而人机工程学原理下的座椅结构设计，其初衷愿景是美好的，可是受座椅使用者自身体格等因素影响，要确保有实用效果，可能要做个人定制设计；而生物医学辅助和远动理疗从长远来看，是一种根本上解决问题的可能方案，但是效果等待周期实在漫长，用户体验度必然低下。基于此笔者企图设计一种便携性高、适用范围广且在未来时间内符合物联网技术发展、实现泛在网络数据交换真正人工智能的传感器雏形。

抽象与假设

坐姿不正的病理学分析

相关医学研究表明，良好的坐姿应该是能够产生最适当的压力分布于各脊椎骨之间的椎间盘上和最适当的静负荷量于所附着的肌肉组织；像常见的不正确的坐姿引起的脊椎前曲、头部倾斜、身体前倾或后仰、身体左倾与右倾状态造成疾病的根本原因在于不正常的压力分布改变了人体正常的生理曲度，经年累月，人们的脊椎、椎间盘等重要调节组织逐渐硬化，失去弹性变得对外部环境不再有自适应性；而良好的坐姿往往是以一种趋近于自然的状态去平衡身体的压力和减轻身体的不适感，具体表现为腰部自然挺直、双肩齐平、身体微微前倾或后倾，同时避免久坐，尽量使全身维持在动态的半放松状态。

行为抽象与理想化假设

图1 同情境下人们的正确坐姿姿势

图2 半固定状态下人体躯干等效椭球柱面模型

由于人身体本身存在高度的对称性，从头部至下看腔体剖面近似为扁平椭圆。当人固定在座椅上时，其坐姿的不正确性反映为偏离标准状态下的值，具体说来是指人体行为的突然调整导致其上半身的质心（形心）在空间中坐标发生了改变；倘若我们以每个人标准坐姿状态下的质心为坐标原点建立三维坐标系，那么人下一个时刻行为引起的质心改变可以用偏离圆点的坐标来表示，剩下的任务就是要将偏离程度转化为传感器可以感知的量，并给出具体可靠的理论公式。

为了便于分析，上面的模型的成立必须满足这样几点理想化假设：1.忽略个体身形的部分差异，认为在标准坐姿状态下躯干是呈现前后左右对称的；2.与质心有关的惯量参数是可通过第三方机构测出其空间分布函数或有经验公式可模拟的；3在坐姿检测过程中，人应该避免如杯子、书籍等第三方物体长时间静态接触形成力学“共同体”；4假设非观测变量如环境、生理状态突变等不可控因素对观测量的影响是微小的。

理论与建模

静力矩与形心分布

由文献我们知道任何占有有界闭区域Ω、在点(x, y, z )处的密度为ρ(x, y, z )的物体的质心坐标是：

其中M为物体的固有质量，x，y，z是质心到固定转轴的距离，ρ(x, y, z)由物体的质量空间分布函数给出。

目前基于式（3.1）数学原理，由文献知，从离散统计的角度，用CT截面扫描法通过对全国男性样本数据的测量，用多元回归方程得到人体上躯干质心公式如下：

x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7分别代表体重，身高，上躯干长，胸围，胸宽，胸厚，坐高，体重单位为千克，人体尺寸单位为mm。

图3 坐姿矫正集成芯片传感器核心设计俯视图

对于此我们将上述7个指标分为个体特征指数（体重，身高，上躯干长，胸围）和动态观测指数（胸宽，胸厚，坐高），而胸宽（y轴），胸厚（x轴）和坐高（z轴）分别通过传感器测量人体轴向指数来给出。

其中对于胸宽、胸厚由光电阵列传感器来完成，预先设置人标准状态下可以微小扰动的空间，而不正常坐姿状态下的人体必然对原有光路实现遮挡，通过投影法算出有效胸宽、胸厚；而坐高的变化由基于激光三维扫描结构的图像传感器来完成；最后为了使传感器更加集成化、智能化，有必要用压力传感器附带测出人体体重。

原型器件设计

利用电源放大技术实现自给供电，最底层椭圆形区域是压力传感器，读取人体重力数据传递给实时信号处理模块；中间夹层是光电阵列传感器过15分钟就至上投影扫描一次人体躯干，通过计算人体有效区域来算出其等效胸厚和胸宽；CCD针孔图像传感器分布在压力传感器内围、光电阵列传感器外围，即时读取人体截面数据，通过三维点云计算模拟技术来算出坐高，然后传递给信号处理终端，根据式（3.2）便可以记录人体质心动态变换情况，可以通过智能终端接收数据并被用户知道，用户便可以自行调整坐姿直至质心坐标恢复到允许值范围内。

结语

物联网时代的一个重要特征就是实现数据编码与海量信息交互；而生物医学传感器就是人类提高生活质量的一个必要部分，未来经济科技时代发展的显著特征便是人们越来越关心健康和生活乃至心灵本身；本文基于都市工作和生活的弊端之一，整合现有的三维光电扫描技术、力学传感器和阵列传感器测量手段，以期集成在一块芯片上实现固态化、智能化、小型化监控人体健康数据。

然而上述过程的实现仍有几个问题需要进一步探讨和研究：1.国内的现有技术给出的人体惯性参量模型是不严密的，是一个离散的统计平均量，然而在非规则物体质量分布的研究中，例如铁片或腔管等，是可以通过截面扫描法测出ρ(x, y, z)的确切表达式的，但基于人体的研究却没有；2.由于ASIC用了多个模块，增加了成本和可靠性，这一部分原因是因为国内缺乏对于人体惯性参量模型研究造成的；3.本传感器集成芯片背景知识复杂，需要多方联合研究才有投入产业化的可能。