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基于光纤布拉格光栅传感器的可穿戴设备,用于监测腰部运动——正规的足球外围网站概念产品

作者:小编时间:2022-11-05 13:17:26

在过去的几十年中,由于视频终端已成为几乎所有工作环境中必不可少的工具,从事计算机工作的员工人数一直在不断增长。视频终端工作人员,尤其是键盘用户,在其工作日的大部分时间里都会经历长时间的静态姿势、不自然和不舒服的姿势,以及过度靠近屏幕。因此,VDT通常易患视觉疾病和肌肉骨骼疾病,例如腰痛和颈痛、肩痛和手腕酸痛。其中,LBP是VDT中最常见的疾病之一,可以说在欧洲约有4400万工人患有腰痛。仅在美国每年就造成1.49亿个工作日的损失,LBP被认为是工作场所旷工的主要原因之一,以及相关的社会经济负担,因为它会导致工作效率降低、高昂的保险费用和对国家卫生服务的利用。


研究表明,LBP的发生可归因于多种因素,这些因素同时考虑了工人的身体特征和工作环境。然而,适当的工作环境至关重要,尽管通常不足以避免此类疾病的发作。在这种情况下,能够通过防止VDT采取不正确的姿势来避免LBP的发生至关重要。这样的目标可以通过检查员工的脊柱活动范围来实现。事实上,ROM有助于检测一系列椎间角,在这些角度范围内,工人的姿势被认为是不正确和不自然的。传统上,测角仪、射线照片和运动捕捉系统是医疗实践中用于腰椎ROM检测的最常用设备。虽然准确,但这样的系统被证明在整个工作日使用起来很麻烦或不舒服。因此,为了克服这些限制,该技术越来越多地向轻量级和可穿戴设备的发展方向发展,例如嵌入惯性传感器和压阻纺织品、应变计传感器或光纤传感器。19,20]。特别是,在过去的二十年中,FOS在实现能够监测脊柱ROM的紧凑型可穿戴设备方面发挥了至关重要的作用,这要归功于这种技术的特性。


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配备了由弹簧钢带制成的商业设备,并带有几个FOS阵列。虽然在检测脊柱ROM方面很精确,但该设备需要固定在员工的皮肤上,因此不适合在工作场所佩戴。Dunne等人使用了一种不同的方法。展示了一款与FOS相结合的舒适商业紧身衬衫。在FOS中,光纤布拉格光栅传感器已获得仪器可穿戴系统的广泛认可。我们的研究小组已经提出了几种嵌入FBG能够监测心肺参数的可穿戴设备,但尚未研究过基于FBG的腰椎ROM检测系统。在目前的工作中,提出了一种基于FBG技术的新型可穿戴设备,用于监测腰背屈伸运动。这种可穿戴设备由手工制作的弹性结构组成,该结构配有柔性传感元件,该传感元件由集成了FBG传感器的软硅胶贴片制成。该设备舒适,易于穿在衣服上,并且可以根据不同的体型进行定制。首先,对敏感元件进行机械表征。然后,在四名健康志愿者坐着并佩戴所提出的系统进行F/E运动时,对该系统检测和跟踪F/E腰椎运动的可行性进行了评估。


基于FBG的传感元件

在目前的工作中,开发了一种基于FBG技术的轻量级柔性传感器来监测腰部F/E运动。


性传感器制造过程包括如下所示的步骤:


1.FBG放置在定制塑料模具的中部。然后将光纤的末端穿过横向凹槽,并在一些胶带的帮助下巧妙地固定,以保持光纤足够紧;

2.DragonSkinTM20硅橡胶部分A和B按体积比按1A:1B混合。然后,添加10%体积的液体稀释剂以降低化合物的粘度。充分搅拌混合物以使所有组分完全混合;

3.将该化合物放入真空室中并脱气几分钟以获得不存在气泡的乳白色流体;

4.将脱气的混合物缓慢倒入模具中,直至完全填充;

5.让混合物在室温下聚合4小时;

6.固化后,从模具中取出柔性矩形传感元件。用刀具去除过量的聚合物材料,并精炼边缘。


通过监测脊柱ROM及时发现静止员工的不自然和不舒服的姿势可以帮助避免在工作人群中发生LBP。LBP代表了相关的社会经济负担,因为它导致了对国家卫生服务的剥削和工作场所的缺勤。市场上有许多用于ROM检测的非接触式和基于接触式的设备,但大多数都是笨重的、侵入性的或在工作时间不易佩戴。在过去的几十年中,FOS带来的优势导致越来越多地使用基于FOS的可穿戴设备。迄今为止,文献中还没有基于FBG技术检测腰椎ROM的可穿戴设备。


本文提出了一种新型智能可穿戴设备,用于检测低F/E运动,该设备由舒适的弹性结构和基于FBG的柔性传感器组成。弹性结构和柔性传感器都是定制的。该传感器是通过将商业FBG装入矩形双组分硅胶基质中来生产的。评估了柔性元件对应变的响应:已发现Sε=0.20nm?mε-1对应变的线性响应。然后,在以MoCap系统为金标准的情况下,对一小群志愿者进行了可穿戴设备在矢状体平面测量F/E的可行性评估。腰椎ROM是根据MoCap输出的每个试验评估的ΔdL3-L1和θ。对于每次试验,将FBG获得的ΔλB和ΔdΔλB与ΔdL3-L1和θ,在这两种情况下都显示出良好的信号趋势。弯曲和伸展清晰可辨,并且系统在整个试验期间完全能够跟随执行的动作。计算β和R2值来评估可穿戴系统的灵敏度和线性度,而计算MAEΔd值来研究ΔdΔλB和ΔdL3-L1之间的一致性。可见,β值的范围为0.32cm·nm-1至2.78cm·nm-1。这种分散可能归因于两个原因:传感器制造过程以及传感器定位的内部和主体间可变性试验执行,以及传感器在不同受试者之间的不同定位,这是由不同的人体测量特征决定的)。在我们的实验场景中,β值的广泛变化可归因于第二个原因,因为在整个实验协议中使用了相同的传感器。此外,R2的最低值可能是由于在执行实验程序时可穿戴设备从其初始位置滑动导致的设备行为与线性行为的偏差。这种现象也可以证明MAEΔd的值范围很广。因此,优化传感器的集成和耦合系统,以及在每次试验开始时执行的校准过程,将有助于最大限度地减少这些不良影响。


在临床实践中,检测腰椎ROM最可靠和最准确的技术之一是使用放射线照相术。事实上,通过评估受试者在F/E姿势下背部的放射线图像,可以清楚地识别椎间角。不幸的是,这种做法带来的缺点是多方面的,因为由于重复的X射线曝光,它既费时又极具侵入性。因此,在过去的几十年里,临床医生一直在朝着使用更安全、侵入性更小和即时的技术和设备的方向发展。


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已经使用基于非可穿戴设备和可穿戴设备来检测腰椎ROM传感器和基于FOSs的系统)技术。


测角仪专注于非可穿戴解决方案,是用于ROM检测的直观且易于使用的工具,可与对象直接接触。然而,测量的质量严格取决于操作员的技能和经验,因为该程序是手动执行的。此外,测角仪不保证工作时间内有关腰椎运动模式的信息。相反,MoCap系统无疑是用于动态监测腰椎F/E的优秀设备,允许受试者在校准体积内自由移动。不幸的是,它们的高成本和对结构化环境的需求使得该技术无法在实际工作场景中使用。否则,所提出的可穿戴设备能够连续检测腰椎运动学。此外,它易于佩戴、不显眼,并且不需要应用任何其他物品和/或结构化环境。


围绕可穿戴解决方案,已经提出了不同的技术。提出了一种基于压阻和MEMS技术的混合系统,集成到划船和由嵌入12个应变计的两个柔性条纹组成的传感解决方案。在这两项研究中,MoCap系统都被用作评估F/E检测能力的基准。中的系统仅在单个志愿者身上进行了六次F/E试验,与MoCap系统相比,长度估计误差为2%,而中的系统]在20名志愿者身上进行了测试,以监测站立、行走、跑步和坐下期间的腰椎ROM,显示与基准的一致性。由于存在多条电缆和附加工具])。这些限制不允许在感兴趣的场景中长期使用。尽管我们的系统达到了高于2%的MAE值并在坐姿进行评估,但它不显眼且符合自然脊柱弯曲度,因此提高了用户对系统的接受度。此外,即使在具有挑战性和恶劣的环境,光信号也不受噪声和电磁干扰的影响,允许大规模使用。


最近,FOSs技术在低背F/E监测方面受到关注。在和中,ShapeTape商业设备配备了几个光纤传感器阵列,通过测量透射光强度来检测脊柱弯曲度。这两种解决方案分别在13名和26名志愿者身上进行了测试,使用MoCap系统作为基准。结果表明,在测量与坐姿相关的脊柱曲率方面具有良好的一致性。然而,这样的系统需要固定在工人的皮肤上,使得它们在工作场所的使用是不切实际的。相反,在在轻便性和耐磨性方面向前迈进了一步。在九名志愿者坐着并在MoCap系统的情况下进行F/E运动时,对其可行性进行了评估。这种可穿戴设备在检测ROM方面表现出良好的能力,但它与服装的集成限制了它在具有不同人体测量特征和性别的广泛人群中的可用性。否则,我们的可穿戴设备由两部分组成,可以让不同体型和大小的男性和女性轻松穿在日常衣服上。


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总之,所提出的可穿戴设备是第一个基于FBG技术用于检测和监测腰部F/E运动的可穿戴设备。所展示的可穿戴设备的强度依赖于柔性传感器的高灵敏度,该传感器允许随着时间的推移进行连续的腰椎监测,以及屈曲和伸展的区别阶段。此外,该结构的设计使所提出的解决方案可以轻松地穿在任何类型的衣服上,而它的轻便和紧凑允许该设备在整个工作日内使用。此外,得益于可调节的弹性吊带,智能可穿戴设备可以适应任何体型和尺寸。


所提出的设备为开发基于FBG的可穿戴设备用于工人安全监测奠定了基础,并可以在职业健康领域推动研究向前迈出一步。


最后,为了克服MAEΔd和β值的较大偏差,可以预见传感器在可穿戴设备内部的集成会更好、更牢固,以便更好地调整和保持传感器定位。此外,从这个初步原型开始,未来的工作将面临创建一个能够监测整个脊柱ROM的多点可穿戴系统。利用FBG的多路复用能力,几个光栅将添加到同一根光纤中,与特定的脊柱标志相对应。神经网络的使用可以包括在ROM评估中。将进行进一步的测试以扩大样本量,并将改进和增强协议以面对现实的工作条件。


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