近日，教育学院体育学系彭玉鑫老师团队在高水平国际期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics正式刊发运动传感技术最新研究成果，题名为“Omnidirectional and Size-Adaptive Soft Bending Sensor for Accurate Human Joint Motion Monitoring（用于精确人体关节运动监测的全向和尺寸自适应柔性弯曲传感器）”。该论文第一作者为教育学院体育学系“新百人计划”研究员宋宪，通讯作者为长聘副教授彭玉鑫。

图1  刊文概况

该研究开发了一种多向关节检测和尺寸自适应的柔性弯曲传感器，用于准确监测任意人体关节的多自由度弯曲。文中提出了一种受骰子制造工艺启发的制造流程，确保了传感器在不同表面上的精确定位，提高了传感器的制造精度和可靠性。该传感器能够适应不同尺寸的人体关节，通过数学解耦方法精确计算出多方向弯曲角度。尺寸自适应特性意味着其可以广泛应用于不同个体，无需为每个人单独校准，大大简化了使用流程，并降低了成本。此外，该传感器的高皮肤兼容性和舒适性使其适合长时间佩戴。

图2  柔性多向弯曲传感技术概览

(a)日常活动大多需要不同多轴关节配合；(b)空间坐标系统下全向弯曲的表征方式；(c)单一应变输出只能获得不确定角度的原因；(d)基于形变解耦的多向弯曲传感器实现模式。

为验证其在长期健康监测方面的应用，该柔性弯曲传感器在三个应用领域进行了测试和验证：（1）腕部骨折康复评估。对一位左腕骨折的受试者进行了康复评估。通过使用该传感器，能够监测和评估患者在康复训练前后的腕关节多方向活动范围（ROM），包括屈曲和桡侧偏移，这有助于医生远程跟踪康复进程；（2）颈椎疾病预防。文中还探讨了如何利用该传感器来监测和预防颈椎疾病，如颈椎增生。研究人员通过模拟使用手机时的多方向不良姿势（如躺在床上和行走时低头看手机）来测试传感器性能。通过实时监测颈椎的状态，该设备可以帮助纠正不良姿势，减少颈椎疾病发生率；（3）腰椎疾病预防。论文中还展示了该传感器在预防腰椎疾病方面的应用，例如脊柱侧弯和腰椎间盘突出。研究人员将传感器安装在腰椎上，以实时检测其多向姿势。通过模拟两种典型的不良坐姿（如躺在桌子上和前倾），该传感器可精确监测腰椎的运动，从而帮助减少因不良坐姿引起的脊柱问题。以上应用表明，该传感器不仅能够监测关节的运动和弯曲角度，而且还能够在疾病预警和康复评估中发挥重要作用，具有广泛的临床和健康监测应用潜力。

图3  柔性多向弯曲传感器在多关节运动健康监测中的应用

(a)常见日常活动中的各种关节；(b)腕部骨折康复评估；(c)颈椎不良姿态监测与预警；(d)脊柱侧弯和腰椎间盘突出监测与预警。

期刊简介及论文信息：

《IEEE Transactions on Industrial Electronics》，该期刊由美国电气与电子工程师协会（IEEE）主办，最新影响因子为7.7，属于中科院SCI期刊分区1区TOP期刊。该期刊合作单位还包括浙江大学电气工程学院、浙江大学建筑工程学院、香港理工大学应用生物与化学科技系等。

Xian Song, Akram Samy, Qiang Yang, Yanqiu Yang, Liang Zhong, Jianxiang Wang, Zijian Zheng, Yuxin Peng*. Omnidirectional and size-adaptive soft bending sensor for accurate human joint motion monitoring. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2024, 71(7): 8069-8079.（DOI: 10.1109/TIE.2023.3314872）

原文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10264702

内容来源丨体育学系

2024年5月11日