用于颈部姿势监测和矫正的电子皮肤集成设备

颈椎病是一种通常由于长期看书、使用电脑或智能手机等活动导致颈椎曲度异常所引起的常见疾病。幸运的是，临床实践表明，早期异常的颈椎曲度可以通过颈椎姿势监测和治疗干预来矫正，而且这个过程越早开始越有效。

据麦姆斯咨询报道，近日，北京航空航天大学王党校教授领导的团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了以“A skin-integrated device for neck posture monitoring and correction”为题的论文，构建了一种采用电子皮肤（e-skin）外形和结构的不受束缚的皮肤集成设备，以监测和触觉矫正颈部姿势。所提出的设计采用多层结构，该结构将所有柔性电子电路和组件集成到紧凑的电子皮肤中，同时不受束缚且与皮肤保形。电子皮肤中的加速度传感器附着在颈部以进行姿势传感，四个振动执行器紧密接触颈部皮肤以提供局部振动触觉刺激，编码颈部前屈±α和侧向弯曲±β的四向矫正反馈。

为了确保颈部运动过程中姿势传感和振动触觉呈现的可靠性，需要防止电子皮肤设备发生移位。为此，研究人员采用基于中空结构的方法将电子皮肤稳定地附着于颈部皮肤。实验验证了电子皮肤设备在颈部姿势运动过程中的传感精度、皮肤适形性、粘性、稳定性和有效性，包括其对局部四向振动触觉反馈的识别能力。一项用户研究验证了该设备在使用智能手机、读书和处理计算机文件等活动期间感知和矫正不同异常颈部姿势的性能。所提出的电子皮肤设备有望为更便捷的颈椎病预防和康复创造机会。

根据对姿势和头部位置对颈椎造成的应力的医学评估，对颈部最有利的位置是当耳朵与肩膀对齐时的状态。这种适当的对齐可以减少颈部的脊椎应力。因此，如图1a、1b所示，目前构建的电子皮肤设备采用一个加速度传感器和四个局部方向编码振动执行器，旨在从四个角度方向（颈部前屈的俯仰±α和侧向弯曲±β）监测和矫正颈部姿势，以保持正常的健康姿势状态。

图1 电子皮肤设备的架构、使用场景和设计参数

研究人员将所有电子组件（包括传感器、驱动器、执行器、控制器、无线通信模块和电源单元）集成到一个紧凑的电子皮肤中。然后，他们优化了柔性印刷电路（FPC）薄膜上芯片和蛇形连接线的布局，使其尺寸为32 mm × 24 mm。四个用于方向矫正的振动执行器放置在FPC薄膜的四条边上的位置，尽可能保持距离，以避免执行器和FPC薄膜之间的相互振动干扰，如图1c所示。

为了将所有部件和组件封装到电子皮肤中，研究人员采用了硅胶浇铸工艺进行封装。然而，芯片和组件的厚度尺寸各不相同，统一的电子皮肤厚度尺寸取决于最厚的组件。为了解决这个问题，研究人员采用了多层浇注方法，根据元件厚度尺寸不同的情况浇铸硅胶封装层，如图1e、1f所示。

在重复使用和颈部运动期间，将电子皮肤稳定固定在颈部上的粘性方案是至关重要的。硅胶封装的电子皮肤最初在贴附时是粘性的，但随着时间的推移，由于积聚的灰尘和用户的汗水，这种粘性会降低。为了解决这个问题，研究人员采用了粘性强、亲肤的医用双面胶带；最重要的是，它也是可更换的。最后，研究人员将可更换的医用双面胶带粘贴到中空结构中执行器的裸露金属表面上（见图1f），并将电子皮肤附着于颈部（见图1d、1g）。

研究人员制造了电子皮肤设备并对其各项性能进行了测试和验证，如图2和图3所示。

图2 角度传感、机械性能和粘性以及振动触觉刺激定位的验证

图3 电子皮肤在颈部运动中的稳定性和粘性，以及识别局部振动触觉刺激的正确率

研究人员开展了一项用户研究，旨在验证电子皮肤设备在三种典型的娱乐和工作场景（玩智能手机、阅读书籍和处理计算机上的文件）中的实际效果，如图4所示。

图4 三种场景的用户研究结果

综上所述，本研究提出了一种具有电子皮肤外形和结构的无束缚皮肤集成设备。该设备能够感知颈椎并提供振动触觉反馈，以监测并从触觉上矫正颈部姿势。所提出的多层结构将所有柔性电子电路和组件集成到紧凑的电子皮肤结构中。这种设计方案能够使设备在附着于颈部皮肤时不受束缚，具有良好的适应性和贴合性。此外，研究人员还提出了一种基于中空结构的附着方法，用于将电子皮肤稳定地附着在人体颈部皮肤上。该方法可以避免电子皮肤设备的位置偏移，以确保颈部前屈和侧弯运动过程中姿势传感和局部振动触觉呈现的可靠性。

研究人员还对电子皮肤设备进行了评估，并验证了其传感精度、皮肤适形性的机械特性、粘性，以及在跟踪颈部前屈和侧弯等不同颈部姿势变化和实现局部振动触觉识别的感知隔离方面的有效性。通过一项用户研究，研究人员进一步验证了柔性电子皮肤设备在用户使用智能手机、阅读书籍和处理计算机文件的情况下感知其姿势并进行振动触觉矫正的良好性能。因此，所提出的电子皮肤设备有望为颈椎病的预防和康复创造机会。