CN113171078B - 一种基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测装置，包括：可穿戴颈部疲劳检测织物以及检测装置，检测装置包括激光光源、光电探测器、塑料光纤及示波器，其中激光光源与光电探测器通过导线连接，光电探测器与示波器通过塑料光纤连接，塑料光纤缝制在可穿戴颈部疲劳检测织物内并进行表面刻槽处理形成刻栅塑料光栅，包括：通过破坏光传输条件，增强光纤的弯曲损耗来增加角度灵敏度。还公开了相应的实验方法，包括步骤：构建颈部运动坐标；获得后侧、左侧和右侧刻栅塑料光纤的数据；使用MATLAB工具软件对测得数据进行处理分析从而建立颈部运动模型，获得光纤输出功率与颈部倾角的关系；步骤4，根据所确定的拟合公式，实现颈部运动行为监测。

Description

一种基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测装置及方法

技术领域

本发明涉及智能可穿戴设备技术领域，特别是一种基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测装置及实验方法。

背景技术

随着社会的快速发展和电子产品的大量普及，人们低头工作和娱乐的时间日益增长，颈椎病也逐渐成为困扰许多人的问题。特别是长期伏案工作的办公人员和学业负担繁重的学生，其颈椎病的患病率普遍高于其他人群。根据颈椎病与职业，年龄关系的调查研究，文书岗位、教师、IT行业和驾驶员等从业人群的颈椎病患病率占据前位。颈椎病的普遍化与人体颈部的不良姿态息息相关，因此开展对人体颈部姿态的研究具有重要的社会意义和经济价值，有利于疾病健康监护和康复保障。

人体的姿态检测是近年来的研究热点，而且人机交互和可穿戴传感器等关键技术的疾速发展，使得人体姿态检测和识别得到了广泛应用，在其快速进入人体工学、体感游戏、健康监护和康复医学等领域的同时，也加速了相关领域的技术更新。人体姿态从大类上分应分为运动姿态和静止姿态，人体姿态的运动研究是指利用传感器、视频等多种途径，借助信号处理技术，检测人的姿态信息。目前颈部运动检测传感器多采用加速度传感器或陀螺仪。与之相比，在运动检测方面，光纤传感器在成本、柔性可穿戴、分布式检测、复杂电磁辐射环境下都具有优势，且光纤传感器对织物相关特性影响较小，并已开始用于人手腕部的检测。不过，颈部与腕部相比，其耦合更加复杂。因此需要研究新的技术，以辅助颈部运动检测并形成相关的可穿戴设备，推动颈部健康智能设备的发展。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供一种基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测装置及实验方法，通过刻栅的塑料光纤进行颈部的二维运动测量，并为简化解算运算，运用二元线性回归的方法构建了颈部运动模型，所得的四个分解方程的拟合优度分别为0.6690，0.7193，0.5236和0.8280，验证了该光纤式可穿戴传感器在颈部运动检测方面的有效性，为颈椎疾病的健康监护和康复提供了一个有效的监测方法。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

根据本发明一方面，提供了一种基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测装置，包括：

可穿戴颈部疲劳检测织物以及检测装置，其中所述检测装置包括激光光源、光电探测器、塑料光纤以及示波器，其中所述激光光源与所述光电探测器通过导线连接，所述光电探测器与所述示波器通过所述塑料光纤连接，所述光电探测器用于将光信号转化为电信号，所述塑料光纤缝制在所述可穿戴颈部疲劳检测织物内并进行表面刻槽处理形成刻栅塑料光栅。

优选的，所述表面刻槽处理包括：通过破坏光传输条件，增强光纤的弯曲损耗来增加角度灵敏度。

优选的，所述塑料光纤的表面结构处理：左侧及右侧两根光纤刻栅段长3cm，刻槽密度为0.5mm，共6个；后侧光纤刻栅段长10cm，刻槽密度1cm，共10个，所述塑料光纤分别缝在织物的左、中和右等三个部位，佩戴时分别对应颈部左侧、后部、右侧。

优选的，所述激光光源的光源波长650nm，功率0.6mw。

优选的，所述塑料光纤的管线外径为1.0mm，传输损失150db/km，保管温度为-55℃～+70℃。

优选的，所述示波器为数字示波器。

优选的，所述光电探测器为适配器型光电探测模块。

根据本发明另一方面，提供了一种基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测装置的实验方法，包括步骤：

步骤1，构建颈部运动坐标：颈部运动分为左右转动、左右摇动和前俯后仰，这是颈部运动时会对颈椎产生一定危害的三个特征运动，根据这个特征，通过分别在人的颈椎正后方、左侧和右侧布置三条光纤，组成一个XY坐标系，，X轴描述颈部左右运动：向右为正、向左为负；Y轴描述向前运动：向前为正、向后为负；

步骤2，获得后侧、左侧和右侧刻栅塑料光纤的数据，包括将后侧、左侧和右侧刻栅塑料光纤与水平面保持平行，尽量保持平直；并设置弯曲起始点位于光纤刻栅段中点，采用坐标板和量角器模拟其在颈部的运动，测量范围为X轴：-45°～45°，Y轴：0°～45°，以15°为分度，在这个范围内的每个特征点重复测量7次；

步骤3，使用MATLAB工具软件对测得数据进行处理分析从而建立颈部运动模型，获得光纤输出功率与颈部倾角的关系；

步骤4，根据所确定的拟合公式，利用设计制备的光纤传感器实现颈部运动行为监测，根据人体的颈部疲劳由于颈部前俯和左右摇动的姿态所造成的，从而获得基于刻栅塑料光纤所评估的人颈部疲劳状态。

优选的，所述步骤3包括：运用二元线性回归的方法建立了颈部运动模型，得出了光纤输出功率与颈部倾角的关系，设X方向的角度为θ_x，Y方向的角度为θ_y，左边光纤、右边光纤和长光纤输出的电压值为分别为V_left，V_right和V_long，则：

对于头向右偏的情况，使用左侧光纤和后侧光纤进行解调：

以角度作为自变量，电压值作为因变量，假设电压值和角度值之间为线性关系，得到以下拟合结果：

求解上述方程，得到：

式中，pinv为矩阵的伪逆，是对于非方矩阵的一种运算，设矩阵

为B，令B的伪逆为A，

为一个3×2的矩阵，则：

由此可确定拟合系数

重复上述方法对于颈部前俯、左摇和右摇进行了六次解调，其组合分别为：

左摇：左侧光纤+后侧光纤；右侧光纤+后侧光纤；

右摇：左侧光纤+后侧光纤；右侧光纤+后侧光纤；

前俯：左侧光纤+后侧光纤；右侧光纤+后侧光纤；

从而确定解调后得到拟合结果。

优选的，还包括采用可视化系统对颈部姿态信息进行实时的3D显示并实现存储，用于将姿态传感器的当前状态实时显示在界面上以及将相应的姿态数据存储到上位机上，再通过MATLAB软件的相关程序对获取的姿态数据进行仿真分析，其中所述可视化系统包括：

接收颈部姿态数据：基于刻栅塑料光纤的颈部疲劳监测装置通过接口将颈部姿态数据传输到计算机上；

实时显示姿态角并将颈部姿态用3D图形显示：采用相应函数拟合出颈部倾角，接收了颈部姿态数据后，经过相应模块来实现姿态传感器的3D图形显示；

存储颈部姿态数据：应用存储函数，将接收到的颈部姿态数据存储。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明提供的方法和装置可取得显著的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

基于刻栅塑料光纤的颈部疲劳检测装置，利用刻栅塑料光纤作为可穿戴传感器以采集人体颈部姿态的运动数据，并应用二元线性回归方法拟合颈部姿态运动简化模型(拟合优度介于0.5～0.8之间)。相关实验结果表明，设计制作的传感器实现了颈部前俯和左右摇动运动的检测，能够一定程度上满足颈部疲劳检测装置的需要，为颈椎疾病的健康监护和康复提供了一个有效的监测方法。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据本发明实施例的光纤传感测量装置的结构示意图。

附图2为根据本发明实施例的颈部疲劳检测装置整体设计结构图。

附图3为根据本发明实施例的光纤的弯曲损耗示意图。

附图4为根据本发明实施例的刻栅处理后的塑料光纤弯曲局部放大图。

附图5为根据本发明实施例的位于刻栅处理后的塑料光纤上某栅格显微图。

附图6为根据本发明实施例的左右两侧光纤刻栅示意图。

附图7为根据本发明实施例的后侧光纤刻栅示意图。

附图8为根据本发明实施例的安装有光纤传感器的颈部脖套。

附图9为根据本发明实施例的颈部向前运动示意图。

附图10为根据本发明实施例的颈部左右运动示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种党政机关公文辅助生成系统及党政机关公文辅助生成的方法，其具体实施方式、方法、步骤及其功效，详细说明如后。

通过具体实施方式的说明,当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

本实施例的一种基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测装置及检测方法，通过刻栅的塑料光纤进行颈部的二维运动测量，并为简化解算运算，运用二元线性回归的方法构建了颈部运动模型，所得的四个分解方程的拟合优度分别为0.6690，0.7193，0.5236和0.8280，验证了该光纤式可穿戴传感器在颈部运动检测方面的有效性，为颈椎疾病的健康监护和康复提供了一个有效的监测方法。

根据光纤传感测量装置的基本构成，光纤传感测量装置的基本组件包括光源、敏感元件、接收器和信号处理元件，其组成结构如图1所示。根据光纤在传感过程中起到的不同作用，可以将光纤传感器分为本征传感器和非本征传感器两种。在本征传感器中，光纤不仅起到传递光的作用，同时也是光电敏感元件，由于外界环境对光纤自身的影响，待测物理量作用在光纤上，使光波导的属性(如强度、相位、波长、偏振态等)被调制，通过后续环节对光波导属性的解调，即可获知被测物理量的变化，根据不同的调制类型，可分为强度调制型、波长调制型、相位调制型等。

如图2所示，本实施例的基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测装置，包括：

可穿戴颈部疲劳检测织物以及检测装置，其中所述检测装置包括激光光源、光电探测器、塑料光纤以及示波器，其中所述激光光源与所述光电探测器通过导线连接，所述光电探测器与所述示波器通过所述塑料光纤连接，所述光电探测器用于将光信号转化为电信号，所述塑料光纤缝制在所述可穿戴颈部疲劳检测织物内并进行表面刻槽处理形成刻栅塑料光栅。

本实施例中，采用的检测装置中采用的是强度调制型本征传感器，而非本征传感器则是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤，通过在输出端进行光信号处理而进行测量的，这类传感器带有另外的敏感元件，光纤仅作为传光元件，本身并不参与光信号的调制。

其中，激光光源为型号为OP6500F，光源波长650nm，功率0.6mw。

其中，塑料光纤为三菱sk40塑料光纤，其管线外径为1.0mm，传输损失150db/km，保管温度为-55℃～+70℃。该光纤广泛用于温度、速度和位置测量，并在医学领域得到应用。

对这种传感器，其应变的响应程度不同导致的光损耗不同。通过测量光损耗，可确定应变的变化程度。传统的商用塑料光纤传感器具有价格低、使用方便等优点，但不能测出空间信息和其他参数的灵敏度。为增强光损耗灵敏度以实施颈部存在的小弯曲变形测量，对传统的商用塑料光纤进行了表面刻槽处理。

优选的，所述表面刻槽处理包括：通过破坏光传输条件，增强光纤的弯曲损耗来增加角度灵敏度。即，光纤中传导的部分光信号在光纤的弯曲部分由于全反射条件的破坏而产生泄露，形成辐射模，该辐射模会使光纤中传输的能量降低，从而产生弯曲损耗，如图3所示。

图4所示为刻栅处理后的塑料光纤弯曲局部放大图，其中窄条示意部分为刻栅。图5为位于刻栅处理后的塑料光纤上某栅格的显微物图。

塑料光纤的表面结构处理：左侧及右侧两根光纤刻栅段长3cm，刻槽密度为0.5mm，共6个，如图6所示；后侧光纤刻栅段长10cm，刻槽密度1cm，共10个，如图7所示。

根据人体颈部活动的特征，本装置将光纤分别缝在织物的左、中和右等三个部位。佩戴时分别对应颈部左侧、后部、右侧。织物选用的是市面上常见的脖套。由于织物质地较为柔软和轻便，将塑料光纤缝在上面能够使光纤与人体的贴合度较高，使检测的误差减小。检测装置如图8所示。

其中，本实施例中的示波器为TDS 1012C-EDU数字示波器。光电探测器为适配器型光电探测模块，型号为SM-3001。

由于其他附属设备尚不成熟，为从原理效应的角度，验证该传感器在颈部疲劳检测的有效性，现阶段首先应用坐标板，在平面上进行了模拟实验，并可减弱颈部处设备或器件重力因素造成的光损耗。基于上述考虑，将光纤与水平面保持平行，尽量保持平直；并设置弯曲起始点位于光纤刻栅段中点。运用坐标板和量角器模拟其在颈部的运动。测量范围为X轴：-45°～45°，Y轴：0°～45°，以15°为分度。在这个范围内的每个特征点重复测量7次，使用MATLAB工具软件对测得数据进行处理分析。实验时保持光纤的平直，以尽可能避免对光纤施加力的作用；每次实验起始数值要调到基本一致，从而减小随机测量误差。

数学模型的建立需要获取实验数据。

表1给出了后部光纤测量所得的数据示例，共计200组数据。

表1后侧光纤实验数据表

表2为左侧光纤测量所得的数据示例共获得200组数据。

表2左侧光纤实验数据表

表3为右侧光纤测量所得的数据示例，共获得200组数据。

表3右侧光纤实验数据表

本实施例的基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测装置的实验方法，包括步骤：

构建颈部运动坐标：颈部运动分为左右转动、左右摇动和前俯后仰，这是颈部运动时会对颈椎产生一定危害的三个特征运动。其中，图9和10分别示出了前仰和左右摇动的运动示意图。根据这个特征，通过分别在人的颈椎正后方、左侧和右侧布置三条光纤，可组成一个XY坐标系，实现上述特征运动的检测。需要说明的是，X轴描述颈部左右运动：向右为正、向左为负；Y轴描述向前运动：向前为正、向后为负；

获得后侧、左侧和右侧刻栅塑料光纤的数据，包括将后侧、左侧和右侧刻栅塑料光纤与水平面保持平行，尽量保持平直；并设置弯曲起始点位于光纤刻栅段中点。运用坐标板和量角器模拟其在颈部的运动。测量范围为X轴：-45°～45°，Y轴：0°～45°，以15°为分度。在这个范围内的每个特征点重复测量7次；

使用MATLAB工具软件对测得数据进行处理分析从而建立颈部运动模型，获得光纤输出功率与颈部倾角的关系。

为简化处理，本实施例使用MATLAB仿真软件对获取的颈部姿态数据进行处理，运用二元线性回归的方法建立了颈部运动模型，得出了光纤输出功率与颈部倾角的关系。设X方向的角度为θ_x，Y方向的角度为θ_y，左边光纤、右边光纤和长光纤输出的电压值为分别为V_left，V_right和V_long，则：

1、对于头向右偏的情况，使用左侧光纤和后侧光纤进行解调：

以角度作为自变量，电压值作为因变量.假设电压值和角度值之间为线性关系，可以得到以下的拟合结果：

求解上述方程，可以得到

式中，pinv为矩阵的伪逆，是对于非方矩阵的一种运算，设矩阵

为B。

令B的伪逆为A

是一个3×2的矩阵，则

由此可确定表4中的拟合系数，即

表4拟合结果示例表

表4中的两个R2为下述两个拟合公式的拟合优度：

V_left＝b₁₀+b₁₁θ_x+b₁₂θ_y

V_long＝b₂₀+b₂₁θ_x+b₂₂θ_y

2、按照上述方法对于颈部前俯、左摇和右摇进行了六次解调，其组合分别为：

左摇：左侧光纤+后侧光纤；右侧光纤+后侧光纤

右摇：左侧光纤+后侧光纤；右侧光纤+后侧光纤

前俯：左侧光纤+后侧光纤；右侧光纤+后侧光纤

这样，可确定解调后得到拟合结果，如表5所示。

表5拟合结果表

由此，结合表5，并根据表4所确定的拟合公式，利用设计制备的光纤传感器可实现颈部运动行为监测，而人体的颈部疲劳主要是由于颈部前俯和左右摇动的姿态所造成的，因此，基于刻栅塑料光纤可用于评估人颈部疲劳状态。

为了更好对颈部姿态信息进行实时的3D显示并实现存储，下一步计划使用LabVIEW软件负责将姿态传感器的当前状态实时显示在界面上以及将相应的姿态数据存储到上位机上，再通过MATLAB软件的相关程序对获取的姿态数据进行仿真分析。

Lab VIEW主要实现以下功能：

1、接收颈部姿态数据：基于刻栅塑料光纤的颈部疲劳监测装置通过接口将颈部姿态数据传输到计算机上；

2、实时显示姿态角并将颈部姿态用3D图形显示：采用相应函数拟合出颈部倾角，接收了颈部姿态数据后，经过相应模块来实现姿态传感器的3D图形显示；

3、存储颈部姿态数据：应用Lab VIEW中包含的存储函数，将接收到的颈部姿态数据存储。

本实施例的实施具有下列优点：

基于刻栅塑料光纤的颈部疲劳检测装置，利用刻栅塑料光纤作为可穿戴传感器以采集人体颈部姿态的运动数据，并应用二元线性回归方法拟合颈部姿态运动简化模型(拟合优度介于0.5～0.8之间)。相关实验结果表明，设计制作的传感器实现了颈部前俯和左右摇动运动的检测，能够一定程度上满足颈部疲劳检测装置的需要，为颈椎疾病的健康监护和康复提供了一个有效的监测方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测的实验方法，其特征在于，所述实验方法基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测装置实现，所述基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测装置包括：可穿戴颈部疲劳检测织物以及检测装置，其中所述检测装置包括激光光源、光电探测器、塑料光纤以及示波器，其中所述激光光源与所述光电探测器通过导线连接，所述光电探测器与所述示波器通过所述塑料光纤连接，所述光电探测器用于将光信号转化为电信号，所述塑料光纤缝制在所述可穿戴颈部疲劳检测织物内并进行表面刻槽处理形成刻栅塑料光栅；所述表面刻槽处理包括：通过破坏光传输条件，增强光纤的弯曲损耗来增加角度灵敏度；所述塑料光纤的表面结构处理：左侧及右侧两根光纤刻栅段长3cm，刻槽密度为0.5mm，共6个；后侧光纤刻栅段长10cm，刻槽密度1cm，共10个，所述塑料光纤分别缝在织物的左、中和右等三个部位，佩戴时分别对应颈部左侧、后部、右侧；所述激光光源的光源波长650nm，功率0.6mw；所述塑料光纤的管线外径为1.0mm，传输损失150db/km，保管温度为-55℃～+70℃；所述示波器为数字示波器；所述光电探测器为适配器型光电探测模块；

所述实验方法包括步骤：

步骤1，构建颈部运动坐标：颈部运动分为左右转动、左右摇动和前俯后仰，这是颈部运动时会对颈椎产生一定危害的三个特征运动，根据这个特征，通过分别在人的颈椎正后方、左侧和右侧布置三条光纤，组成一个XY坐标系，X轴描述颈部左右运动：向右为正、向左为负；Y轴描述向前运动：向前为正、向后为负；

步骤2，获得后侧、左侧和右侧刻栅塑料光纤的数据，包括将后侧、左侧和右侧刻栅塑料光纤与水平面保持平行，尽量保持平直；并设置弯曲起始点位于光纤刻栅段中点，采用坐标板和量角器模拟其在颈部的运动，测量范围为X轴：-45°～45°，Y轴：0°～45°，以15°为分度，在这个范围内的每个特征点重复测量7次；

步骤3，使用MATLAB工具软件对测得数据进行处理分析从而建立颈部运动模型，获得光纤输出功率与颈部倾角的关系；

步骤4，根据所确定的拟合公式，利用设计制备的光纤传感器实现颈部运动行为监测。

2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于所述步骤3包括：运用二元线性回归的方法建立了颈部运动模型，得出了光纤输出功率与颈部倾角的关系，设X方向的角度为θ_x，Y方向的角度为θ_y，左边光纤、右边光纤和长光纤输出的电压值为分别为V_left，V_right和V_long，则：

对于头向右偏的情况，使用左侧光纤和后侧光纤进行解调：

以角度作为自变量，电压值作为因变量，假设电压值和角度值之间为线性关系，得到以下拟合结果：

求解上述方程，得到：

式中，pinv为矩阵的伪逆，是对于非方矩阵的一种运算，设矩阵

为B，令B的伪逆为A，

为一个3×2的矩阵，则：

由此可确定拟合系数

重复上述方法对于颈部前俯、左摇和右摇进行了六次解调，其组合分别为：

左摇：左侧光纤+后侧光纤；右侧光纤+后侧光纤；

右摇：左侧光纤+后侧光纤；右侧光纤+后侧光纤；

前俯：左侧光纤+后侧光纤；右侧光纤+后侧光纤；

从而确定解调后得到拟合结果。

3.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于：还包括采用可视化系统对颈部姿态信息进行实时的3D显示并实现存储，用于将姿态传感器的当前状态实时显示在界面上以及将相应的姿态数据存储到上位机上，再通过MATLAB软件的相关程序对获取的姿态数据进行仿真分析，其中所述可视化系统包括：接收颈部姿态数据：基于刻栅塑料光纤的颈部疲劳监测装置通过接口将颈部姿态数据传输到计算机上；

实时显示姿态角并将颈部姿态用3D图形显示：采用相应函数拟合出颈部倾角，接收了颈部姿态数据后，经过相应模块来实现姿态传感器的3D图形显示；

存储颈部姿态数据：应用存储函数，将接收到的颈部姿态数据存储。

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