用于食物摄入与身体活动分类的智能眼镜设计与评估

摘要

本研究介绍了一种设计和制造可穿戴眼镜设备的方案，该设备通过在眼镜两个铰链处安装的载荷传感器，检测进食模式及其他特定身体活动。

摘要

本研究介绍了一系列用于设计和制造一种可穿戴眼镜式设备的方案，该设备可检测进食及其他身体活动过程中颞肌活动的模式。我们制作了3D打印的眼镜框架，并在框架的两个铰链处插入了集成负载传感器的印刷电路板（PCB）模块。该模块用于采集力信号并实现无线传输。这些设计使系统具备更高的移动性，可在实际佩戴条件下（如行走和头部晃动）进行评估。此外，通过区分进食活动与其他身体活动的信号模式，对系统的分类性能进行了评估。采用一系列算法对信号进行预处理，生成特征向量，并识别多种特征性活动（如咀嚼和眨眼）以及其他身体活动（如静坐休息、说话和行走）的模式。结果显示，特征性活动之间的分类平均F₁得分为91.4%。我们认为，该方法有望作为一种实用手段，实现对摄食行为更准确的自动、客观监测，从而用于治疗摄食相关问题。

引言

持续且客观地监测食物摄入量对于维持人体能量平衡至关重要，因为过量的能量积累可能导致超重和肥胖¹，进而引发多种医学并发症²。已知导致能量失衡的主要因素包括食物摄入过多和体力活动不足³。针对日常能量消耗的监测，已有多种研究通过可穿戴设备实现对体力活动模式的自动且客观的测量^4,5,6，甚至已应用于终端消费者层面和医学阶段⁷。然而，关于食物摄入监测的研究仍局限于实验室环境，因为难以以直接且客观的方式检测进食行为。本文旨在介绍一种可用于日常生活中实际监测进食行为和体力活动模式的设备设计及其评估方法。

已有多种间接方法通过咀嚼和吞咽声音^8,9,10、手腕运动^11,12,

方案

注意：所有实验步骤，包括涉及人类受试者的操作，均以非侵入性方式进行，仅需佩戴一副眼镜即可完成。所有数据均通过测量嵌入眼镜中的载荷传感器产生的力信号获得，传感器未与皮肤直接接触。数据通过无线方式传输至数据记录模块，在本研究中该模块为一部指定的智能手机。所有实验方案均不涉及 体内/体外 人体研究。实验未使用任何药物和血液样本。所有受试者均签署了知情同意书。

1. 制造集成传感器的电路模块

1. 购买用于制造电路模块的电子元器件。
   1. 购买两个球型载荷传感器，每个传感器的工作范围为 0 N 至 15 N，在 3.3 V 激励下输出最大跨度为 120 mV 的低差分电压。
      注意：这些负荷传感器用于测量眼镜左右两侧的力信号。
   2. 购买两个仪表放大器和两个15 kΩ增益设置电阻。
      注意：仪表放大器和增益设置电阻用于将负荷传感器的力信号放大八倍，最高可达 960 mV。
   3. 购买具有无线功能的微控制器单元（MCU）例如、Wi-Fi 连接）以及一个 10 位模数转换器（ADC）。
      注意：MCU 用于读取力信号，并通过无线方式将信号传输至数据采集模块。由于一个模拟输入引脚用于两个模拟力信号输入，因此在下一步 1.1.4 中引入多路复用器的使用。
   4. 购买一个双通道模拟多路复用器，以....

结果

根据本实验方案所述步骤，我们通过改变头带长度 L_H（133 和 138 mm）以及镜腿长度 L_T（110 和 125 mm），制备了两种版本的 3D 打印框架，如图 4所示。因此，可适应多种佩戴条件，以应对受试者头部尺寸、形状等个体差异。etc. 受试者在用户研究中选择其中一副框架以适配其头部。铰链关节与支撑螺栓孔之间的垂直距离 L_h 设定为 7.5 mm，以确保放大后的力不超过 15 N，该值处于负荷传感器的线性工作范围内。最后，头带应具备足够的厚度 t_H，以承受装配时两个支撑螺栓传递的弯矩。通过经验方法并结合碳纤维材料的使用，我们选择 t_H 为 6 mm。如图 5所示，可通过支撑螺栓调节接触点，以微调眼镜的佩戴紧度。

讨论

在本研究中，我们首次提出了用于感知进食模式和身体活动的眼镜设计与制造流程。由于本研究主要关注通过数据分析来区分进食与其他身体活动（如行走和眨眼），因此传感器与数据采集系统需要具备移动记录功能。系统包括传感器、具备无线通信能力的微控制器单元（MCU）以及电池。所提出的方案提供了一种新颖且实用的非接触式方法，用于测量因进食和眨眼引起的颞肌活动模式：文中描述了无需任何繁琐设备即可在日常生活中便捷检测进食的工具与方法。

在制造眼镜的过程中，有一些重要的注意事项。镜腿部分应设计为可集成步骤1.2中制备的PCB模块，如图4B和图4C所示。当设备佩戴就位时，应将负荷传感器放置在受力位置，使其被头件支撑板上的支撑螺栓压紧，如图5中铰链部分的顶视图所示。在步骤2.4中，眼镜镜腿的弯曲程度无需过于严格，因为弯曲的主要目的是改善外形因数，使眼镜更贴合受试者的头部。但需注意，过度弯曲会导致镜腿无法接触颞肌，从而无法采集到显著的信.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
FSS1500NSB	霍尼韦尔，美国		加载细胞
INA125U	德州仪器公司，美国		放大器
ESP-07	中国深圳安心科科技有限公司		带 Wi-Fi 模块的 MCU
74LVC1G3157	荷兰Nexperia公司		多路复用器
MP701435P	中国台湾，Maxpower		锂离子电池
U1V10F3	Pololu，美国		电压调节器
Ultimaker 2	Ultimaker，荷兰		3D 打印机
ColorFabb XT-CF20	ColorFabb，荷兰		碳纤维丝
iPhone 6s Plus	美国苹果公司		数据采集设备
Jelly Belly	Jelly Belly Candy Company，美国		用户研究用食品质构