文摘

低背疼痛是一种常见的苦难。流行病学分析报道,周期性腰椎弯曲和旋转的周期是低背疼痛的主要危险因素。防止低背疼痛,lumbar-motion进行监控装置可以帮助诊断评估病人的低背疼痛的风险。本研究提出了这样一个装置,利用轻量级的可伸缩应变传感器。6这些应变传感器组成一个parallel-sensor机制措施在三轴旋转角度的腰椎运动。parallel-sensor机制计算旋转角度的长度应变传感器迭代。实验结果表明,原型装置有效lumbar-motion测量和显著提高耐磨性的类似的设备。

1。介绍

低背疼痛(LBP)是一种常见的当代生活中的苦难。全球三分之二的成年人体验枸杞多糖的治疗是必需的(1,2]。霍伊等人报道,枸杞多糖的时点患病率高达10%,而1年期患病率是20%以上3]。腰痛患者经常很难维持健康的生活习惯和稳定工作。

虽然腰痛的发病率并不局限于一个特定的工作类别,产业工人,护士和医务工作者倾向于经验相对高发的枸杞多糖(4- - - - - -11]。这些工人常常使用他们的背部肌肉和脊椎腰椎弯曲运动,旋转、侧弯。与流行病学分析,例如等人发现,周期性腰椎弯曲和旋转是一个主要的风险因素对枸杞多糖(12]。总的来说,枸杞多糖积累风险评估的腰椎运动和负载,和病人可以受益于警告过剩的腰椎运动预防腰痛的发作或恶化。水域等人估计的风险枸杞多糖在手动取消任务计算(13]。诺曼等人评估的风险枸杞多糖在汽车行业使用峰值运动和累积腰椎运动作为风险因素(14]。这些方法难以相互比较,因为他们使用不同的腰理解风险的指标。一个测量系统,可以连续记录时间序列数据在腰椎弯曲运动,旋转、侧弯可以提供类似的腰椎一系列行业和主题的数据组。

获得时间序列之间的压力测量腰椎骨头,李斯等人体内测量获得的带有负载传感器之间插入腰椎(15]。Wilke等人之间的压力测量腰椎在各种运动,如撒谎,坐着,行走,起重和验证的结果Nachemson的研究利用EMG信号(16,17]。尽管这些传感器直接提供负荷对腰椎的各种动作,这样的入侵过程不能用于持续监测在实际环境中工人运动。对于侵害应用程序,基于摄像头动作捕捉系统通常用于记录人类的动作。动作捕捉系统需要昂贵的相机和标记的身体测量,以及测量受试者必须保持在一个小范围之内。可穿戴传感器可以大大降低成本,并允许工人自由移动而监视他们的动作。

Milea弯曲传感器(测量关节运动和重量轻,价格低廉18]。虽然使用的材料是简单和廉价的,腰椎关节的三轴运动可能无法衡量与弯曲传感器。

惯性测量单元(IMU)系统也被用来测量身体动作。自艾莫斯可以使用加速度计和陀螺仪,估计三轴角测量值将包括错误(19]。马拉等人开发了一个lumbar-motion监控装置,利用三轴相位指示器(20.]。使用这种仪器,马拉等人监视腰椎运动对产业工人21和卫生保健工作者22]。这lumbar-motion有效监控记录对腰椎运动时间序列数据。然而,设备包括受试者的低,可能是沉重的主题处理的全面转变。这种装置的重量必须减少显著如果工人低支持连续监测。

因此,我们提出一种新颖的轻量级lumbar-motion测量装置(LMMD)。设备的关键组件是一个灵活的和可伸缩的应变传感器。弹性应变传感器是轻量级和功能低,耐用性、高、重现性好(23]。我们使用的应变传感器已应用于测量手腕和肘部运动(24)和快速原型制造人类的接口(25]。这些关节旋转在一个或两个轴,可以用一个简单的方程建模。由于腰椎运动包括弯曲、旋转和侧弯曲,腰运动必须与三个自由度建模。为了解决这个问题,我们设计了一个parallel-sensor设备有六个应变传感器。这个设备比同类设备,轻和测试报告摘要表明,它可以有效地测量腰椎运动。

2。方法

我们选择的可伸缩应变传感器是灵活和薄。应变传感器的主要材料是聚氨酯弹性体。三个弹性体床单三明治两个碳纳米管膜。这些碳纳米管薄膜作为电极在应变传感器和灵活地扩展或收缩的弹性体。夹的碳纳米管膜有效一个平行板电容器,电容的变化随着应变传感器的扩张和合同。因此,应变传感器是一个可变电容器,精确到5%的范围内(23]。弹性体表长70毫米,宽15毫米。电极是50毫米长,10毫米宽。整个应变传感器是约。150年μ米厚的(23]。我们使用的压力传感器有防护织物两侧,如图1。快速按钮在两个终端用于锚应变传感器的终端。在图所示的应变传感器1长110毫米,宽20毫米,重4.1克。

该测量装置是建立在一个parallel-sensor机制。parallel-sensor机制是基于Stewart平台(26]。的图parallel-sensor机制如图2。两条连接6个链接。每个链接的终端连接到上下酒吧。链接是执行机构时,机制是一个位置控制装置具有六个自由度的(27]。如果链接是线性编码器,该机制可以作为测量系统(28]。在这项研究中,在我们以前的工作,压力传感器作为链接和设备测量其长度。当上杆移动或倾斜相对较低的酒吧,压力传感器扩展或收缩。在这种情况下,相对上的三维位置和旋转杆的长度可以计算基于应变传感器。

parallel-sensor中的链接模型的终端标记来从来 。坐标系统的低杆和上酒吧和 ,分别。原点的被表示为 在坐标系统 。在协调系统 ,上杆的旋转角度 ,y,轴表示为 , ,和 ,分别。的位置和旋转的起源上栏写成的 。坐标从来在被表示为 ,在那里的索引号传感器和范围从1到6。同样,从坐标来在被表示为 计算出 。的坐标来在是 。和是预先定义的常数。应变传感器的长度表示为 。 通过以下方程。

方程表达之间的关系和 。如果我们考虑之间的区别和的长度变化 下面的方程可以推导出使用雅可比矩阵的行列式 。

的区别和 ,的位置和旋转的变化上由牛顿法迭代确定。的位置和旋转方向上酒吧通过添加计算与之前的 。

原型parallel-sensor机制我们构造见图3。parallel-sensor机制是由两个矩形酒吧和6个应变传感器,如图3。上部和下部的尺寸矩形条20×200×20毫米和260××20毫米,分别。每个应变传感器是固定一个终端上酒吧,和其他终端固定在较低的酒吧。尽管两家酒吧之间的长度大约是100毫米在这幅图中,默认长度为80毫米。原型重235 g。

上下条架在背面第一腰椎和第五腰椎肩带和腰带,如在图4。的整体重量传感器机制与肩带是480 g。LMMD的重量更轻比lumbar-motion监控(20.]。这个配置假设的相对位置和捻上下酒吧变化以及第一和第五腰椎脊柱的运动。两条的相对位置变化,应变传感器的参数变化。capacitance-to-voltage转换器过程记录的信号电压的模拟-数字转换器在桌面计算机上运行。计算机将电压转换为长度的应变传感器和迭代计算的相对位置和旋转上酒吧。

3所示。结果与讨论

3.1。Parallel-Sensor机制

首先,进行了初步实验证实parallel-sensor机制的准确性。较低的酒吧是固定在桌子上。上杆的弯曲角度和旋转被一只手操作。应变传感器的计算机采样长度20赫兹,计算了位移和旋转在三维空间中。光学动作捕捉系统(美国NaturalPoint Optitrack)同时测量的位移和旋转上从标记附着在酒吧,酒吧,见图3。动作捕捉数据作为参考数据。总的来说,十个试验进行比较的数据并行——传感器机理和动作捕捉系统。每个试验持续了大约25。典型的从这些测试结果如图5。我们计算动作捕捉数据之间的互相关值和parallel-sensor机制的数据。的互相关值 , , ,弯曲伸缩、侧弯、旋转分别为0.84,0.93,0.83,0.84,0.94,和0.93,分别。parallel-sensor机制数据同意与动作捕捉系统,有一些错误,我们假设个体长度测量造成的误差。

parallel-sensor机制是量化的准确性使用剩余parallel-sensor机制和动作捕捉数据之间的误差。平均值和标准偏差(SD)的每个数据集表中列出1。表1还列出了运动的范围(ROM)。的一侧弯曲和旋转在2°和小。这些动作的数据相比,弯曲伸缩数据的均值的差异很大。位移数据的手段几乎是一个函数的测量罗罗的x设在有限的最大长度传感器和小于其他的轴。

3.2。Lumbar-Motion监控装置

我们还测试了LMMD与人类主题。我们的研究协议符合《赫尔辛基宣言》。所有参与者之前充分了解并提供书面知情同意参与这项研究。研究和程序都是研究生院伦理委员会批准的系统信息,神户大学(批准号:28-03)。人类受试者十志愿者的平均尺寸:女:男= 1:1,平均年龄:19.8±1.0岁,身高:164.9±11.9厘米,和重量:58.1±18.2公斤。人体穿着LMMD和调整皮带的张力,以适应较低的背。受试者被要求执行一个动作通常遇到的护理专业人员,即。,一个病人的转移从床上到轮椅上。每个主题进行运动两次。动作捕捉系统是用于获得参考数据在初步测试。选择典型的结果如图6。弯曲和扩展的动作捕捉数据缺失值由于动作捕捉系统没有检测到的标志。不包括丢失的数据,弯曲伸缩的互相关值,弯曲,和旋转是0.78,0.89,和0.79,分别。虽然结果有所不同,但LMMD数据仍然相当同意参考数据。表2列出了之间的残余误差均值和SD LMMD动作捕捉和LMMD的ROM。侧弯曲角的意思是相对较小的,弯曲伸缩运动和其他的错误动作的两倍多。

3.3。讨论

的比较数据parallel-sensor机制和动作捕捉系统演示了该测量装置的有效性。互相关值显示强烈的正相关性。测量的方法和参考的不同角度小于4.5°,小于8.3%的ROM的设备。这些结果表明,parallel-sensor机制与应变传感器可以测量旋转在三维空间中合理的准确性。

与人体测试,互相关值也表现出强烈的正相关性。侧弯曲和旋转运动的rom是小比弯曲伸缩和小于35°。弯曲伸缩的ROM大于50°。虽然这些rom单一运动我们测试,预计该设备必须测量旋转在所有三个轴是有效的。的差异意味着侧弯曲和旋转测量不到5°。相比之下,返回的弯曲伸缩运动测量误差大于10°。这些错误可能的两种解释。首先,我们注意到,安排的传感器由于几何形状会导致一些错误。Stewart平台圆板在分散的位置和地方链接这些板块;然而,LMMD终端连接到传感器连接到一个小范围的位置上下酒吧。 In this arrangement, the sensor lengths change less as the upper bar moves than they would in the Stewart platform. The other cause is that the sensors are stretched along the curve of the low back so they do not remain straight as they move. The Jacobian matrix calculation then generates errors in the angle calculations; therefore, the length of the sensor is not accurately recorded as it bends. Improved bars and belts are required to prevent these errors. Sensors could be distributed evenly around the waist, and they could be kept straight. These limitations decrease the latitude of the design of bars and belts. For example, extremely downsizing the device is difficult. The errors yielded by this LMMD are acceptable for practical purposes, though, because the device is more wearable than similar devices that have been proposed. The device could be effective for rough measurements and monitoring of multiaxis lumbar motion such as the transfer of a patient.

4所示。结论

我们开发了一个lumbar-motion监控装置,使用灵活、可伸缩应变传感器。LMMD测量三轴腰椎运动用parallel-sensor机制六个应变传感器。parallel-sensor机制的准确性是评价残余误差在4.5°,这足以让一个可穿戴lumbar-motion监控设备。LMMD跟踪的准确性低背运动的人体动作捕捉系统评估与参考数据。LMMD略差的准确性,当人类被试所穿的。

在未来的工作中,我们计划实施一个弧形酒吧适合用户的腰好。如果传感器均匀分布到弧形酒吧,LMMD可能有很高的准确性。我们还计划提高设备适应无线设备和测量装置连续监控,让它实际在工作场所预防腰痛。

数据可用性

relevalent数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。

伦理批准

本研究中使用的所有程序是研究生院伦理委员会批准的系统信息,神户大学(批准号:28-03)。

信息披露

资助者提供实验材料用于数据收集的一部分,但这并不改变我们坚持出版道德上共享数据和材料。

的利益冲突

YB和HO免不了化学工业公司的雇员,有限公司所有其他作者宣称他们没有利益冲突。

确认

这个项目是由一个拨款也免不了化学工业有限公司