手腕上最常見(jiàn)的一種癥狀“腕隧道癥候群”，本來(lái)是一種常見(jiàn)的職業(yè)病，但隨著科技的日新月異，電腦、智慧型手機(jī)幾乎人人都有，漸漸地使此癥狀也開(kāi)始好發(fā)於青少年族群。創(chuàng)作動(dòng)機(jī)為改善現(xiàn)代人過(guò)度使用3C產(chǎn)品所造成的手部疼痛、麻鈍和刺痛感，預(yù)防勝於一切，透過(guò)本作品來(lái)達(dá)到減低癥狀，同時(shí)減少手腕發(fā)生永久性傷害的危險(xiǎn)性。

本作品「可攜式手腕照護(hù)球」，主要設(shè)計(jì)對(duì)象是以腕隧道癥候群者為重點(diǎn)相關(guān)開(kāi)發(fā)。我們以多種感測(cè)器並搭配可攜式手腕照護(hù)球與手機(jī)應(yīng)用程式，讓使用者可透過(guò)自行設(shè)計(jì)的應(yīng)用程式記錄每日的使用狀況。主要讓使用者即使忙於工作、沉迷於遊戲，也不會(huì)忘記自己手腕的健康。且由外型包裝設(shè)計(jì)，讓本作品可以當(dāng)裝飾品，也可以隨身攜帶著，具有不佔(zhàn)空間的特性。

前言

腕隧道癥候群(Carpal tunnel syndrome)，是指手上的正中神經(jīng)在經(jīng)過(guò)手腕處，會(huì)穿過(guò)由腕骨與韌帶圍成的「腕隧道」，受到位於神經(jīng)上方的韌帶壓迫所造成的臨床癥狀。而所謂的正中神經(jīng)是指支配大拇指動(dòng)作與支配大拇指、食指、中指，以及一部份無(wú)名指感覺(jué)的神經(jīng)[1-4]。如圖1所示，為腕隧道癥候群示意圖。

圖1 : 腕隧道癥候群示意圖[1-4]

即便大多數(shù)的人都知道如何避免，且市面上也有許多手腕紓壓的醫(yī)療商品，但因工作的繁忙、沉迷於遊戲等種種理由，而往往忘記、忽略掉自己手腕的健康。等到手腕撐不住的時(shí)候才開(kāi)始後悔沒(méi)預(yù)防，最後反而要花更多時(shí)間和金錢(qián)治療。

本作品「可攜式手腕照護(hù)球」以生活保健為目的，並結(jié)合了體感技術(shù)，更加入本團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)之手機(jī)應(yīng)用程式，透過(guò)感測(cè)器來(lái)抓取運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，讓使用者不會(huì)再是單純?cè)谶\(yùn)動(dòng)上，更可以藉由此方式來(lái)達(dá)到趣味的人機(jī)互動(dòng)。

工作原理

「可攜式手腕照護(hù)球」分為可攜式手腕照護(hù)球?qū)嶓w與手機(jī)應(yīng)用程式等兩部分，且兩者透過(guò)藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)傳輸方式來(lái)溝通。其中，可攜式手腕照護(hù)球內(nèi)部裝有加速度計(jì)、陀螺儀、電子羅盤(pán)、心率感測(cè)器與紅外線(xiàn)體溫感測(cè)器等五種感測(cè)器。

以下，介紹其相關(guān)工作原理：

加速度計(jì)特性與原理

加速度計(jì)顧名思義就是偵測(cè)地球重力g的大小及動(dòng)作方向，而將加速度計(jì)擺水平時(shí)，會(huì)有1g的地心引力會(huì)在Z軸。而隨著改變裝置的同時(shí)，g值會(huì)在不同軸向做變化，就可以知道姿態(tài)的變換。也因?yàn)檫@個(gè)特性，在加速度計(jì)靜止時(shí)，可以藉由arcSin/ arcCos的公式運(yùn)算出傾斜角度，這個(gè)傾斜角度可以延伸出更多的應(yīng)用。

陀螺儀特性與原理

陀螺儀是由高速旋轉(zhuǎn)剛體轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的儀器，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸在空間能保持固定狀態(tài)並抗拒一切使其改變的力，所以水平的陀螺儀將保持一定的方向。一物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，繞著任何固定軸來(lái)旋轉(zhuǎn)，如果沒(méi)有固定軸物體就會(huì)繞其質(zhì)心旋轉(zhuǎn)。而使物體旋轉(zhuǎn)必須要有一偏力，此力不可通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸，且偏力會(huì)產(chǎn)生一力矩，力矩是力與力臂的乘積，而力臂是力的作用延長(zhǎng)線(xiàn)到旋轉(zhuǎn)軸的垂直距離。

電子羅盤(pán)特性與原理

電子羅盤(pán)內(nèi)部的原理結(jié)構(gòu)為非等方性磁性阻抗(Anisotropic Magnetic Resistance--AMR)。對(duì)於磁阻感測(cè)器最新的成長(zhǎng)的市場(chǎng)是用在磁帶和磁帶驅(qū)動(dòng)器中的高密度讀取頭。相關(guān)的應(yīng)用包括車(chē)輪速的測(cè)量、羅盤(pán)方向或是車(chē)輛檢測(cè)等。

地球磁場(chǎng)的強(qiáng)度為0.5至0.6高斯，可以簡(jiǎn)化成雙極性磁場(chǎng)示意圖。雙極性磁場(chǎng)相當(dāng)於沿著地球中心有一個(gè)大磁鐵。磁極相對(duì)與地理的兩極存在著一個(gè)約11.5 度的夾角。磁場(chǎng)的南極代表著地理的北極。地磁場(chǎng)方向在北半球指向下，在赤道平行，在南半球指向上。這一全球性的變化被稱(chēng)作磁傾角（Dip Angle），定義為磁場(chǎng)和當(dāng)?shù)厮矫嬷g的夾角。磁傾角會(huì)隨緯度變化來(lái)改變，變化範(fàn)圍為+/-90度。

心率感測(cè)器特性與原理

如圖2所示，為光體積變化掃描圖。當(dāng)光在穿過(guò)人體時(shí)會(huì)被不同的組織吸收衰減，人體的組織組成假定應(yīng)該是固定的，因此光的衰減量應(yīng)該是固定的。但血管中的血液會(huì)隨著心臟的跳動(dòng)有明顯的體積變化，此一周期性的體積變化就會(huì)產(chǎn)生不一樣的衰減量。因此，當(dāng)光穿透皮膚的組織時(shí)，我們藉著觀(guān)察光的強(qiáng)度衰減，可以得到一個(gè)具有周期性、上下起伏的波形圖。如假定這個(gè)波形是穩(wěn)定的,我們將此波形中，波峰與波峰間的間隔時(shí)間除以60就可以簡(jiǎn)單得到我們每分鐘的心跳數(shù)[10]。

圖2 : 光體積變化掃描圖[9]

紅外線(xiàn)體溫感測(cè)器特性與原理

感測(cè)器部分採(cǎi)用數(shù)位紅外線(xiàn)感測(cè)器MLX90615，主要由紅外線(xiàn)熱電堆感測(cè)器、低雜訊放大器、16位類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器和功能強(qiáng)大的DSP單元等組成。如圖3所示，為MLX90615的結(jié)構(gòu)示意圖。紅外熱電堆感測(cè)器將擷取到的紅外線(xiàn)輻射轉(zhuǎn)化為電壓，並經(jīng)過(guò)低雜訊放大器放大後送給類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器。類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)位信號(hào)經(jīng)FIR/IIR低通濾波器濾波後，再送入數(shù)位信號(hào)處理器。數(shù)位信號(hào)處理器對(duì)數(shù)位信號(hào)運(yùn)算處理後輸出測(cè)量結(jié)果，並保存在MLX90615內(nèi)部RAM中。而盛群微控制器可以透過(guò)SMBust串列介面或PWM控制方式來(lái)來(lái)讀取紅外線(xiàn)體溫?cái)?shù)值。

圖3 : MLX90615的結(jié)構(gòu)示意圖[11]

藍(lán)牙特性與原理

藍(lán)牙技術(shù)運(yùn)作的原理主要是運(yùn)用跳頻展頻技術(shù)(Frequency Hopping Spread Spectrum -- FHSS)方式，使藍(lán)牙晶片的兩端，以某一特定形式的窄頻載波同步地在2.4MHz頻帶上傳送訊號(hào)。

如圖4所示，為藍(lán)牙通訊協(xié)定階層圖。

藍(lán)牙通訊協(xié)定主要分為Radio、Baseband，Link Manager、L2CAP、HCI及Application Framework等部分。其中，Radio主要負(fù)責(zé)頻率的合成及雜訊過(guò)濾，Baseband主要處理訊息編碼，碼錯(cuò)誤重送及跳頻機(jī)制等工作。LinkManager負(fù)責(zé)有關(guān)Link的建立、釋放，甚至於保密等工作。L2CAP主要負(fù)責(zé)不同通訊協(xié)定的多工處理、封包的切割及重組及服務(wù)品質(zhì)等。最後，HCI則提供藍(lán)牙與Host之間的介面控制，為一種與硬體無(wú)關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)控制命令。

圖4 : 藍(lán)牙通訊協(xié)定階層圖[12]

作品結(jié)構(gòu)

如圖5所示，為可攜式手腕照護(hù)球系統(tǒng)方塊圖。手腕照護(hù)球內(nèi)部使用九軸感測(cè)器(加速度、陀螺儀、電子羅盤(pán))、心率感測(cè)器與體溫感測(cè)器等五種感測(cè)器。

圖5 : 可攜式手腕照護(hù)球系統(tǒng)方塊圖

盛群微控制器HT66F70A透過(guò)藍(lán)牙模組將感測(cè)器資料傳送至智慧型手機(jī)上進(jìn)行運(yùn)算，並提供使用者測(cè)量體溫與脈搏狀態(tài)。此外，利用九軸感測(cè)器的數(shù)值變化，讓使用者能利用遊戲來(lái)做手部的復(fù)健動(dòng)作。而自行設(shè)計(jì)的電路裡包括電池充電器IC，因此，可以使用USB來(lái)為手腕照護(hù)球內(nèi)部的鋰電池充電，即使出門(mén)在外也能帶在身邊。

本作品「可攜式手腕照護(hù)球」，採(cǎi)用一顆盛群微控制器HT66F70A，其中用到的九軸感測(cè)器及紅外線(xiàn)體溫感測(cè)器MLX90615，HT66F70A使用I2C作為通訊介面。I2C是一種用於IC元件間連接的二線(xiàn)制I2C。如圖6所示，為I2C傳輸示意圖。其中，透過(guò)串列資料線(xiàn) (SDA)及串列時(shí)脈線(xiàn)(SCL)連到I2C上傳送資料。

圖6 : I2C傳輸示意圖

此外，脈搏感測(cè)器XD58C利用類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digital converter, ADC)，將類(lèi)比形式的連續(xù)訊號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)位形式的離散訊號(hào)。如圖7所示，為ADC轉(zhuǎn)換示意圖。ADC經(jīng)常用於通訊、儀器和測(cè)量以及電腦系統(tǒng)中，可方便數(shù)位訊號(hào)處理和資訊的儲(chǔ)存。

圖7 : ADC轉(zhuǎn)換示意圖

而藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)模組(HM13)透過(guò)微控制器的I/O來(lái)模擬通用非同步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)，將感測(cè)器的數(shù)值運(yùn)算後傳至手機(jī)應(yīng)用程式上作分析。

如圖8所示，為可攜式手腕照護(hù)球?qū)嶓w圖。其中，使用鋰電池進(jìn)行供電，將體溫、脈搏與九軸感測(cè)器放置球內(nèi)，透過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)進(jìn)行互動(dòng)遊戲，一邊也能從脈搏與體溫頁(yè)面來(lái)查詢(xún)使用者當(dāng)前的身體狀況。

圖8 : 可攜式手腕照護(hù)球?qū)嶓w圖

如圖9所示，為可攜式手腕照護(hù)球的PCB電路示意圖，此外，我們加入了鋰電池充電器TP4057，讓可攜式手腕照護(hù)球能夠透過(guò)USB進(jìn)行供電並為鋰電池進(jìn)行充電。因此，在拔除USB插槽後，也可以使用鋰電池繼續(xù)供電。

圖9 : 可攜式手腕照護(hù)球PCB電路示意圖

手機(jī)端應(yīng)用程式以實(shí)用型應(yīng)用程式為出發(fā)點(diǎn)，可分析可攜式手腕照護(hù)球數(shù)據(jù)，與使用者進(jìn)行遊戲互動(dòng)，並記錄使用者日常的身體狀況與運(yùn)動(dòng)量，提醒使用者適度的運(yùn)動(dòng)與休憩。因此，可作為量身打造私人的健康守門(mén)員。圖10為手機(jī)軟體流程圖，根據(jù)手機(jī)的功能，可攜式手腕照護(hù)球會(huì)回傳相關(guān)感測(cè)器之?dāng)?shù)值，手機(jī)應(yīng)用程式再進(jìn)行分析後提供給使用者。

圖10 : 手機(jī)軟體流程圖

測(cè)試方法

由於HT66F70A本身並沒(méi)有支援I2C協(xié)定，因此，我們採(cǎi)用GPIO模擬I2C來(lái)實(shí)現(xiàn)微控制器與其他硬體元件之間的溝通。

如圖11所示，為九軸感測(cè)器陀螺儀數(shù)值示意圖。其中，我們使用數(shù)位邏輯分析儀抓取HT66F70A存取九軸感測(cè)器陀螺儀實(shí)際情況。0x68為九軸感測(cè)器的I2C位置，陀螺儀一共分為X、Y與Z三軸，每軸皆有16位元的資料，需拆分為兩部分讀取，暫存器位置從0x3B開(kāi)始到0x40為止。

圖11 : 九軸感測(cè)器陀螺儀數(shù)值示意圖

HT66F70A存取體溫感測(cè)模組實(shí)際情況：0x5B為其I2C位置，而0x27則是資料暫存器位置。圖12為藍(lán)牙UART接收示意圖。其中，手機(jī)端應(yīng)用程式發(fā)送要求信號(hào)後，可攜式手腕照護(hù)球便會(huì)將分析過(guò)後的感測(cè)器數(shù)值回傳。

圖12 : 藍(lán)牙UART接收示意圖

基本上，藍(lán)牙分成被動(dòng)的Server端和主動(dòng)的Client端2種，我們將行動(dòng)裝置設(shè)為Client端，藍(lán)牙模組設(shè)為Server端後。首先，必須檢查手機(jī)是否已開(kāi)起藍(lán)牙設(shè)備，假如沒(méi)有啟動(dòng)則要求使用者開(kāi)啟，之後掃描周遭環(huán)境是否有藍(lán)牙設(shè)備，顯示周遭藍(lán)牙的名稱(chēng)與裝置位址，等待使用者選擇藍(lán)牙設(shè)備後即可成功連線(xiàn)。

如圖13所示，為手機(jī)藍(lán)牙連線(xiàn)收發(fā)示意圖。其中，測(cè)試藍(lán)牙模組與手機(jī)互相傳值，以十六進(jìn)制作為顯示，手機(jī)傳值的部分透過(guò)按鈕做為觸發(fā)條件，按下傳送後上方的資料即時(shí)傳送給藍(lán)牙模組。手機(jī)收值是即時(shí)接收藍(lán)牙模組所傳出的資料，同樣是以十六進(jìn)制來(lái)表示。

圖13 : 手機(jī)藍(lán)牙連線(xiàn)收發(fā)示意圖

至於手機(jī)體溫與心率測(cè)量，透過(guò)藍(lán)牙模組手機(jī)端可以隨時(shí)接收感測(cè)器的數(shù)據(jù)，並且將數(shù)據(jù)保存於手機(jī)資料庫(kù)供日後觀(guān)看。

結(jié)論

本作品「可攜式手腕照護(hù)球」是針對(duì)容易得到腕隧道癥候群者為重點(diǎn)所研究設(shè)計(jì)的。其中，透過(guò)多種感測(cè)器來(lái)整合至可攜式手腕照護(hù)球內(nèi)部，並搭配手機(jī)應(yīng)用程式，讓使用者可透過(guò)自行設(shè)計(jì)的應(yīng)用程式記錄每日的使用狀況。如此，可以避免使用者得到腕隧道癥候群。

(本文作者許永和1、林俊良2、吳建儒3、江志賢4為國(guó)立虎尾科技大學(xué)資訊工程系1教授及2-4學(xué)生)

參考文獻(xiàn)

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[2] 腕隧道癥候群簡(jiǎn)介

http://www.skh.org.tw/Neuro/CTS.htm

[3] 腕隧道癥候群預(yù)防方式

https://www.ntuh.gov.tw/orth/education/DocLib3/%E8%85%95%E9%9A%A7%E9%81%93%E7%97%87%E5%80%99%E7%BE%A4%E4%B9%8B%E9%A0%90%E9%98%B2%E8%88%87%E6%B2%BB%E7%99%82.aspx

[4] 腕隧道癥候預(yù)防運(yùn)動(dòng)示範(fàn)

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[5] 加速度感測(cè)器與電子羅盤(pán)原理

http://www.seraphim.com.tw/upfiles/c_supports01328152963.pdf

[6] MEMS陀螺儀的簡(jiǎn)單校正

http://tec.icbuy.com/uploads/2011/11/16/A_simple_calibration_cn.pdf

[7] 陀螺儀簡(jiǎn)介

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%99%80%E8%9E%BA%E5%84%80

[8] 地球磁場(chǎng)簡(jiǎn)介

http://home.phy.ntnu.edu.tw/~eureka/contents/elementary/chap%206/6-3.htm

[9] 光學(xué)式心跳量測(cè)簡(jiǎn)介

http://urclazz.blogspot.tw/2015/09/ppg-photoplethysmography.html

[10] 心率感測(cè)原理

http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10916-010-9506-z

[11] 數(shù)位紅外線(xiàn)感測(cè)器MLX90615

http://3g.autooo.net/utf8-classid48-id146480.html

[12] 藍(lán)牙協(xié)定https://www.ctimes.com.tw/art/print.asp?O=HJYCA8KR00KARASTD1