МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ПОЛОЖЕНИЯ ПОЗВОНОЧНИКА

ВВЕДЕНИЕ

Согласно медицинской статистике, заболеваемость позвоночника растет из года в год. По оценке различных специалистов, около 85 % взрослого населения сталкивается с различными видами заболеваний позвоночника, к примеру остеохондрозом. В настоящее время заболевания позвоночника возникают в наиболее трудоспособном возрасте – 25–35 лет [1]. При этом сейчас по статистике болезни позвоночника затрагивают и детское население. Это происходит в связи с тем, что с детства отсутствует спортивное и гигиеническое воспитание. Если заболевания позвоночника вовремя не обнаружить, то их последствия могут быть очень тяжелыми [2].

Разрабатываемая модель устройства и системы контроля и сбора информации будет представлять собой корсет, на котором размещены электронные датчики. Они, в свою очередь, собирают информацию о положении позвоночника пользователя, а также вибрацией напоминают о нарушении положения. При этом предполагается возможность использования нейросетевых технологий для обработки данных о положении позвоночника, используя информацию с датчиков на корсете. В представленной исследовательской работе большую часть предполагается уделить мобильному приложению, потому что это удобно с точки зрения использования устройства.

Целью данного исследования является разработка технического устройства и мобильного приложения для сбора информации о положении позвоночника пользователя.

Актуальность данной темы исследования заключается в том, что современный образ жизни и массовое использование персональных компьютеров в жизни общества значительно увеличивает риск развития различных заболеваний позвоночника и околопозвоночных соединительных тканей [3]. Эти заболевания могут приводить к хроническим болям, ограничению подвижности, нарушению работы внутренних органов и инвалидности. В связи с этим необходимо разрабатывать новые эффективные методы, которые будут направлены на профилактику и коррекцию позвоночника. Предлагается, что разрабатываемое устройство в дальнейшем возможно использовать для раннего выявления нарушений осанки и формирования правильной позитуры. Предполагается, что данное устройство возможно к использованию детьми, подростками, а также взрослыми, при этом данное устройство будет особенно полезно людям, которые большую часть времени ведут малоподвижный образ жизни или склонны к заболеваниям позвоночника.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Разрабатываемая система предназначена для коррекции осанки. Предполагается, что она будет помогать формированию правильной позы пользователей. На нарушение осанки у людей чаще всего влияют такие факторы, как сидячий образ жизни, неправильное расположение рабочего места, недостаток физической активности, стресс, депрессия и др. Все это вместе взятое может привести к нарушению баланса между мышцами – сгибателями и разгибателями позвоночника, усилению или сглаживанию физиологических изгибов спины, ущемлению нервных корешков и сосудов. В результате человек может испытывать хронические боли в спине, шее, голове, ограничение подвижности и различных других функций [4].

Разрабатываемое устройство и система будут представлять собой интеллектуальное устройство, которое анализирует положение спины пользователя с помощью электронных датчиков и обратной связи – вибраций или звукового сигнала. В результате пользователь будет знать свою позу, корректировать ее в соответствии с получаемой обратной связью от системы и поддерживать оптимальное положение. При этом предполагается, что система будет собирать информацию о положении спины пользователя и передавать ее в мобильное приложение. Планируется, что в дальнейшем система будет использовать нейросетевые технологии для обработки данных о положении позвоночника, получаемых с датчиков, а также будет рекомендовать упражнения для укрепления мышц спины и регистрировать процесс их выполнения и изменения осанки пользователя.

Разрабатываемая модель должна выполнять функции обработки, хранения информации и оповещения пользователя системы. При разработке модели системы были определены следующие функциональные требования [5]:

• система должна подключаться к устройству с датчиками положения через Bluetooth и получать данные о позе пользователя в реальном времени;
• система должна анализировать данные о позе пользователя и определять наличие или отсутствие нарушений осанки, таких как сутулость, сколиоз, кифоз и другие;
• система должна информировать пользователя о его позе и прогрессе коррекции осанки с помощью графиков, диаграмм, индикаторов и текстовых сообщений на экране мобильного устройства;
• система должна предлагать пользователю индивидуальную программу подбора упражнений для улучшения осанки, основанную на данных с датчиков и целях и физических атрибутах пользователя;
• система должна демонстрировать упражнения с помощью видео, анимации или изображений и контролировать их правильное выполнение с помощью датчиков;
• система должна давать пользователю советы по правильной организации рабочего места, а также напоминать о необходимости делать перерывы и растяжку в течение дня;
• система должна учитывать данные об активности пользователя при анализе его позы и подборе упражнений.

Система на вход получает данные от пользователя о его персональных физических параметрах и данные с датчиков о положении тела.

Выходными данными системы является статистика положений тела, переработанная и подвергнутая относительной оценке в процентах от нормы, классифицированная по видам нарушений позвоночника, и комплекс упражнений, подходящих для следующей тренировки.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Была спроектирована модель работы системы и функции пользователя, которые отображены в виде Use Case диаграммы. Она представлена на рисунке, отражающем отношения между акторами и прецедентами, и является составной частью модели прецедентов, позволяющей описать систему на концептуальном уровне [6].

В результате предполагается следующий способ функционирования. Пользователь заполняет данные профиля, надевает устройство, производит первичную настройку, после чего устройство начинает сбор статистики и передачу ее в мобильное приложение. Приложение проанализирует данные профиля и статистику положений и подберет программу упражнений.

При разработке модели системы мониторинга положения позвоночника были рассмотрены следующие возможные прецеденты [7][8].

Название прецедента: Подбор физических упражнений.

Заинтересованные лица и требования:

Пользователь: хочет получить рекомендации по физическим упражнениям, которые будут соответствовать его заболеванию, весу, росту, возрасту и уровню подготовки.

Система: должна обрабатывать данные от датчиков положения (анализировать статистику) и состояние пользователя (использовать анкету профиля пользователя), использовать модуль для подбора оптимальных упражнений и отображать их на мобильном приложении.

Предусловия:

1. Пользователь носил корсет с датчиками положения какое-то время и собрана статистика положений.
2. Пользователь заполнил анкету с данными о своем заболевании, весе, росте, возрасте и уровне подготовки.

Постусловия:

1. Пользователь получил список рекомендованных упражнений на мобильном приложении.
2. Система сохранила данные о выборе пользователя и его прогрессе.

Основной успешный сценарий:

1. Пользователь открывает мобильное приложение и выбирает опцию «Подбор упражнений».
2. Система запрашивает данные от датчиков положения и анализирует текущее состояние пользователя.
3. Система использует модуль экспертной системы для первичного подбора оптимальных упражнений для пользователя на основе данных его профиля и нейросеть для второго уровня выборки на основе статистики.
4. Система отображает список рекомендованных упражнений на мобильном приложении с инструкциями и иллюстрациями.
5. Пользователь просматривает список упражнений и выбирает те, которые ему подходят или интересны.
6. Система сохраняет данные о выборе пользователя и его прогрессе.

Альтернативный неуспешный сценарий:

1. Пользователь открывает мобильное приложение и выбирает опцию «Подбор упражнений».
2. Система не может получить данные от датчиков положения из-за проблем с подключением или батареей.
3. Система сообщает пользователю об ошибке и предлагает повторить попытку или использовать режим без датчиков.
4. Пользователь выбирает «повторить попытку» или «использовать режим без датчиков».
5. Если пользователь выбрал «повторить попытку», то сценарий продолжается с шага 2. Если пользователь выбрал режим без датчиков, то сценарий продолжается с шага 3 основного успешного сценария.

Сценарий с недостоверной информацией:

1. Пользователь открывает мобильное приложение и выбирает опцию «Подбор упражнений».
2. Система запрашивает данные от датчиков положения и анализирует текущее состояние пользователя.
3. Система обнаруживает, что данные от датчиков положения не валидизируются, возможно, пользователь неправильно использует устройство.
4. Система сообщает пользователю о несоответствии данных и предлагает проверить крепления.
5. Пользователь проверяет крепления датчиков и исправляет их положение или отказывается от этого.
6. Система повторно запрашивает данные от датчиков положения и анализирует текущее состояние пользователя.
7. Если данные от датчиков положения валидизируются, то система использует для подбора оптимальных упражнений для пользователя его данные и статистику.
8. Если данные от датчиков положения не валидизируются, то система предупреждает пользователя о рисках использования неверных рекомендаций и предлагает продолжить без датчиков или завершить сеанс.
9. Пользователь выбирает «продолжить без датчиков» или «завершить сеанс».
10. Если пользователь выбрал «продолжить без датчиков», то система использует нейросеть для подбора оптимальных упражнений для пользователя на основе его данных из анкеты и статистики.
11. Если пользователь выбрал «завершить сеанс», то система закрывает мобильное приложение.

Предлагаемый интерфейс моделируемой системы положения позвоночника состоит из следующих компонентов: при первом открытии приложения пользователь видит окно авторизации, где ему предлагают создать аккаунт, войти с аккаунтом Google или уже существующим аккаунтом. Второе окно, которое видит пользователь после регистрации, – окно заполнения данных о пользователе. Пользователю предлагается ввести пол, дату рождения, вес, рост, уровень подготовки и заболевание (если есть). После заполнения профиля пользователь может открыть экран тренировки, чтобы увидеть предлагаемые упражнения. С этого экрана, нажав на упражнение, можно получить инструкции по технике выполнения основных базовых упражнений. Отдельным пунктом будет показан экран статистики положений позвоночника пользователя, где будет показана правильность положения позвоночника в виде условной оценки в процентах от идеальной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного исследования была рассмотрена предметная область физической реабилитации пациентов с заболеваниями позвоночника, проведен обзор аналогов устройств – корректоров осанки, представленных уже существующими системами и программными решениями. В результате были определены и описаны требования к структуре и функционированию системы и к видам обеспечения: информационному, программному, техническому. Были реализованы следующие диаграммы: модель предметной области в нотации UML, диаграмма бизнес-процессов в нотации BPMN, диаграмма вариантов использования Use Case. Данные диаграммы отражают архитектуру модели системы и требования к программному обеспечению. В данной публикации представлена модель только Use Case диаграммы.