用于頸部姿勢監(jiān)測和矯正的電子皮膚集成設(shè)備

頸椎病是一種通常由于長期看書、使用電腦或智能手機(jī)等活動導(dǎo)致頸椎曲度異常所引起的常見疾病。幸運(yùn)的是，臨床實踐表明，早期異常的頸椎曲度可以通過頸椎姿勢監(jiān)測和治療干預(yù)來矯正，而且這個過程越早開始越有效。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，北京航空航天大學(xué)王黨校教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了以“A skin-integrated device for neck posture monitoring and correction”為題的論文，構(gòu)建了一種采用電子皮膚（e-skin）外形和結(jié)構(gòu)的不受束縛的皮膚集成設(shè)備，以監(jiān)測和觸覺矯正頸部姿勢。所提出的設(shè)計采用多層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將所有柔性電子電路和組件集成到緊湊的電子皮膚中，同時不受束縛且與皮膚保形。電子皮膚中的加速度傳感器附著在頸部以進(jìn)行姿勢傳感，四個振動執(zhí)行器緊密接觸頸部皮膚以提供局部振動觸覺刺激，編碼頸部前屈±α和側(cè)向彎曲±β的四向矯正反饋。

為了確保頸部運(yùn)動過程中姿勢傳感和振動觸覺呈現(xiàn)的可靠性，需要防止電子皮膚設(shè)備發(fā)生移位。為此，研究人員采用基于中空結(jié)構(gòu)的方法將電子皮膚穩(wěn)定地附著于頸部皮膚。實驗驗證了電子皮膚設(shè)備在頸部姿勢運(yùn)動過程中的傳感精度、皮膚適形性、粘性、穩(wěn)定性和有效性，包括其對局部四向振動觸覺反饋的識別能力。一項用戶研究驗證了該設(shè)備在使用智能手機(jī)、讀書和處理計算機(jī)文件等活動期間感知和矯正不同異常頸部姿勢的性能。所提出的電子皮膚設(shè)備有望為更便捷的頸椎病預(yù)防和康復(fù)創(chuàng)造機(jī)會。

根據(jù)對姿勢和頭部位置對頸椎造成的應(yīng)力的醫(yī)學(xué)評估，對頸部最有利的位置是當(dāng)耳朵與肩膀?qū)R時的狀態(tài)。這種適當(dāng)?shù)膶R可以減少頸部的脊椎應(yīng)力。因此，如圖1a、1b所示，目前構(gòu)建的電子皮膚設(shè)備采用一個加速度傳感器和四個局部方向編碼振動執(zhí)行器，旨在從四個角度方向（頸部前屈的俯仰±α和側(cè)向彎曲±β）監(jiān)測和矯正頸部姿勢，以保持正常的健康姿勢狀態(tài)。

圖1 電子皮膚設(shè)備的架構(gòu)、使用場景和設(shè)計參數(shù)

研究人員將所有電子組件（包括傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行器、控制器、無線通信模塊和電源單元）集成到一個緊湊的電子皮膚中。然后，他們優(yōu)化了柔性印刷電路（FPC）薄膜上芯片和蛇形連接線的布局，使其尺寸為32?mm?×?24?mm。四個用于方向矯正的振動執(zhí)行器放置在FPC薄膜的四條邊上的位置，盡可能保持距離，以避免執(zhí)行器和FPC薄膜之間的相互振動干擾，如圖1c所示。

為了將所有部件和組件封裝到電子皮膚中，研究人員采用了硅膠澆鑄工藝進(jìn)行封裝。然而，芯片和組件的厚度尺寸各不相同，統(tǒng)一的電子皮膚厚度尺寸取決于最厚的組件。為了解決這個問題，研究人員采用了多層澆注方法，根據(jù)元件厚度尺寸不同的情況澆鑄硅膠封裝層，如圖1e、1f所示。

在重復(fù)使用和頸部運(yùn)動期間，將電子皮膚穩(wěn)定固定在頸部上的粘性方案是至關(guān)重要的。硅膠封裝的電子皮膚最初在貼附時是粘性的，但隨著時間的推移，由于積聚的灰塵和用戶的汗水，這種粘性會降低。為了解決這個問題，研究人員采用了粘性強(qiáng)、親膚的醫(yī)用雙面膠帶；最重要的是，它也是可更換的。最后，研究人員將可更換的醫(yī)用雙面膠帶粘貼到中空結(jié)構(gòu)中執(zhí)行器的裸露金屬表面上（見圖1f），并將電子皮膚附著于頸部（見圖1d、1g）。

研究人員制造了電子皮膚設(shè)備并對其各項性能進(jìn)行了測試和驗證，如圖2和圖3所示。

圖2 角度傳感、機(jī)械性能和粘性以及振動觸覺刺激定位的驗證

圖3 電子皮膚在頸部運(yùn)動中的穩(wěn)定性和粘性，以及識別局部振動觸覺刺激的正確率

研究人員開展了一項用戶研究，旨在驗證電子皮膚設(shè)備在三種典型的娛樂和工作場景（玩智能手機(jī)、閱讀書籍和處理計算機(jī)上的文件）中的實際效果，如圖4所示。

圖4 三種場景的用戶研究結(jié)果

綜上所述，本研究提出了一種具有電子皮膚外形和結(jié)構(gòu)的無束縛皮膚集成設(shè)備。該設(shè)備能夠感知頸椎并提供振動觸覺反饋，以監(jiān)測并從觸覺上矯正頸部姿勢。所提出的多層結(jié)構(gòu)將所有柔性電子電路和組件集成到緊湊的電子皮膚結(jié)構(gòu)中。這種設(shè)計方案能夠使設(shè)備在附著于頸部皮膚時不受束縛，具有良好的適應(yīng)性和貼合性。此外，研究人員還提出了一種基于中空結(jié)構(gòu)的附著方法，用于將電子皮膚穩(wěn)定地附著在人體頸部皮膚上。該方法可以避免電子皮膚設(shè)備的位置偏移，以確保頸部前屈和側(cè)彎運(yùn)動過程中姿勢傳感和局部振動觸覺呈現(xiàn)的可靠性。

研究人員還對電子皮膚設(shè)備進(jìn)行了評估，并驗證了其傳感精度、皮膚適形性的機(jī)械特性、粘性，以及在跟蹤頸部前屈和側(cè)彎等不同頸部姿勢變化和實現(xiàn)局部振動觸覺識別的感知隔離方面的有效性。通過一項用戶研究，研究人員進(jìn)一步驗證了柔性電子皮膚設(shè)備在用戶使用智能手機(jī)、閱讀書籍和處理計算機(jī)文件的情況下感知其姿勢并進(jìn)行振動觸覺矯正的良好性能。因此，所提出的電子皮膚設(shè)備有望為頸椎病的預(yù)防和康復(fù)創(chuàng)造機(jī)會。