《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于傳感技術(shù)的智能服裝的醫(yī)學(xué)應(yīng)用
摘要: 由于人們?cè)絹?lái)越重視自身的健康,而且智能服裝具有探測(cè)人體生理參數(shù)的極大潛能,因此智能服裝在健康監(jiān)護(hù)領(lǐng)域的研究應(yīng)用也成了近年的重點(diǎn)。本文將簡(jiǎn)要介紹智能服裝在健康監(jiān)護(hù)領(lǐng)域的研究。
Abstract:
Key words :

  智能服裝(smart/intelligentclothing)是近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn),它的理念最早起源于上世紀(jì)70年代末80年代初流行的“可穿戴計(jì)算機(jī)”,由于小型化技術(shù)的進(jìn)步,人們逐漸可以將原來(lái)安裝在背包中的沉重的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)植入眼鏡或衣服中,并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從系統(tǒng)中獲取信息。最早的智能服裝在1993年誕生于麻省理工學(xué)院的媒體實(shí)驗(yàn)室。智能服裝結(jié)合了電子信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、紡織科學(xué)及材料科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的前沿技術(shù),通過(guò)兩大類(lèi)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)自身的智能化:一類(lèi)是運(yùn)用智能服裝材料,包括形狀記憶材料、相變材料、變色材料和刺激—反應(yīng)水凝膠等;第二類(lèi)是將信息技術(shù)和微電子技術(shù)引入人們?nèi)粘4┲姆b中,包括應(yīng)用導(dǎo)電材料、柔性傳感器、無(wú)線通訊技術(shù)和電源等。

  由于人們?cè)絹?lái)越重視自身的健康,而且智能服裝具有探測(cè)人體生理參數(shù)的極大潛能,因此智能服裝在健康監(jiān)護(hù)領(lǐng)域的研究應(yīng)用也成了近年的重點(diǎn)。本文將簡(jiǎn)要介紹智能服裝在健康監(jiān)護(hù)領(lǐng)域的研究。

1  設(shè)計(jì)核心問(wèn)題

  智能服裝在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要受到各種數(shù)字傳感設(shè)備以及人體工程學(xué)的限制和引導(dǎo)。設(shè)計(jì)者首先必須認(rèn)識(shí)到它們與一般醫(yī)療器械的不同:

 ?。?)智能服裝需要被病人穿戴在身上;

  (2)它們往往需要與穿著者發(fā)生作用才可以進(jìn)行各種操作;

 ?。?)它們常常在變化的環(huán)境中工作,而且該環(huán)境體系很難得到控制。

  但這些差異也為智能服裝的研究提供了現(xiàn)實(shí)的意義,并促使研究者進(jìn)一步考慮實(shí)際應(yīng)用中存在的各種問(wèn)題。

 ?。?)生理信息的獲取—傳感器

  傳感器可以用來(lái)監(jiān)護(hù)生理環(huán)境及其變化。健康監(jiān)護(hù)用智能服裝主要使用了醫(yī)學(xué)傳感器和周邊傳感器。

  醫(yī)學(xué)傳感器可以監(jiān)護(hù)生理狀態(tài)和過(guò)程,而且也可以參與記錄生理和運(yùn)動(dòng)機(jī)能的各種參數(shù)。周邊傳感器用來(lái)監(jiān)控外部環(huán)境,將信息反饋到主系統(tǒng)中使其相應(yīng)的改變自身功能,以提高主系統(tǒng)的情境感知能力,使其正確評(píng)估醫(yī)學(xué)傳感器的工作。它包括溫度計(jì)、二氧化碳探測(cè)器、麥克風(fēng)甚至數(shù)碼相機(jī)等,可以用來(lái)檢測(cè)氣溫、濕度、空氣質(zhì)量、音量等環(huán)境指標(biāo);也可以輔助導(dǎo)航,如GPS、數(shù)碼指南針等導(dǎo)航傳感器。

  健康監(jiān)護(hù)用智能服裝還廣泛使用無(wú)線傳感技術(shù),不僅解決了傳感器工作的一系列問(wèn)題,還使使用者獲得很大的自由和舒適。它們的設(shè)計(jì)集成了無(wú)線發(fā)射機(jī)和自發(fā)備電系統(tǒng)。無(wú)線智能傳感器可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及人體和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的有限信號(hào)處理。它一方面可以降低可穿戴處理器的工作負(fù)載,一方面也可以提高評(píng)價(jià)的速度,因此在實(shí)時(shí)應(yīng)用中作用突出。

  如圖1所示智能服裝中所用的醫(yī)學(xué)傳感器主要用來(lái)檢測(cè)各種生理信號(hào),如:檢測(cè)心電、肌電、腦電和眼電等信號(hào)的體表電極,檢測(cè)體溫的熱敏電阻,檢測(cè)皮膚電導(dǎo)的皮電反應(yīng)傳感器、檢測(cè)脈搏心率的壓電傳感器,用光體積測(cè)量法檢測(cè)血壓、血氧飽和度和心率的紅外發(fā)射接收系統(tǒng)。有的傳感器系統(tǒng)還包括運(yùn)動(dòng)生理學(xué)傳感器,如檢測(cè)運(yùn)動(dòng)速度的加速度器、檢測(cè)關(guān)節(jié)夾角的電子量角器、檢測(cè)障礙物的近距離傳感器和接觸傳感器等等。醫(yī)學(xué)上,它們也可以用來(lái)檢測(cè)一些與臨床病理相關(guān)的運(yùn)動(dòng),如步態(tài)異常、顫抖、帕金森氏病等,并能引導(dǎo)視力損傷病人的行走,使他們避開(kāi)障礙物。

  以上大都是物理傳感器,近來(lái)也有研究將重點(diǎn)放在了檢測(cè)人體PH值等參數(shù)的化學(xué)傳感器上。ShirleyCoyle等介紹了一種可以檢測(cè)人體汗液PH值的化學(xué)傳感器(圖2)的工作原理。比色法是該種傳感器的主要檢測(cè)方法。研究者將在對(duì)PH值靈敏的染料溴百里酚藍(lán)固定在織物基底,使染料直接與汗液接觸。同時(shí)發(fā)光二極管用作光源,并使用光電二極管作探測(cè)器。利用該染料對(duì)PH值在6.0至7.6范圍內(nèi)有不同的吸光特性,可以通過(guò)光電二極管檢測(cè)到染料放出光的波長(zhǎng),從而確定其PH值。

  總之,物理傳感器和化學(xué)傳感器目前都在智能衣服的研究中的到了不同程度的應(yīng)用,如下表所示:

 ?。?)信號(hào)處理系統(tǒng)

  生理信息處理是監(jiān)護(hù)健康用智能服裝的核心功能之一,它包括有用生理信號(hào)的篩選和處理以及信息的反饋等方面,如圖3所示。下文將結(jié)合幾種最新研究結(jié)果來(lái)介紹生理信息處理的過(guò)程。

  信號(hào)處理過(guò)程需要使用信息處理單元,其本質(zhì)是低版本的計(jì)算機(jī),其中掌上電腦和個(gè)人數(shù)字助理(PDA)是兩種最流行的信號(hào)處理器,如圖4所示。微型化處理芯片的廣泛使用大大提高了信號(hào)處理的效率,存儲(chǔ)芯片的使用可以提高信號(hào)處理的準(zhǔn)確性和可靠性。也有研究致力于開(kāi)發(fā)新的電源,以提高電源的供電效率,包括在衣服上安裝太陽(yáng)電池,在鞋子里內(nèi)嵌壓電陶瓷以及利用體熱、呼吸等人類(lèi)生理活動(dòng)供能等。

  同時(shí)也有研究對(duì)獲得信號(hào)的無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸進(jìn)行了探討,其根本目標(biāo)就是使傳感器檢測(cè)到的生理信號(hào)統(tǒng)一輸入一個(gè)信息網(wǎng)絡(luò),這樣一方面可以使醫(yī)生遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)病人,及時(shí)地了解到康復(fù)中病人的健康狀況,并做出準(zhǔn)確地判斷;還能解決病人使用PDA進(jìn)行信號(hào)處理單元的不便之處。如圖5所示,生理參數(shù)的無(wú)線傳播方式主要有射頻電磁波、紅外光和聲波三種,其中射頻電磁波最常用?;谏漕l電波的無(wú)線數(shù)據(jù)傳播主要分為廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)。廣域網(wǎng)采用衛(wèi)星通信、GSM、CDMA等,而局域網(wǎng)多采用藍(lán)牙、超寬帶、IEEE802.11/a/b/g等。目前比較具有代表性的無(wú)線傳輸系統(tǒng)有哈佛大學(xué)的CodeBlue系統(tǒng),法國(guó)CENS研究機(jī)構(gòu)的MARSIAN項(xiàng)目,NASA阿莫斯實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的LifeGuard系統(tǒng)等等。

  信號(hào)處理過(guò)程的第一步是將傳感器獲得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),整個(gè)過(guò)程需要符合采樣定理,而且實(shí)時(shí)測(cè)量需要時(shí)間標(biāo)記和測(cè)量同步,以滿足A/D轉(zhuǎn)換器不同采樣率的要求。第二個(gè)階段是信息轉(zhuǎn)換或預(yù)處理階段,在該階段多余無(wú)用的信息被過(guò)濾掉,而有用的信息被提取和保留,如噪聲過(guò)濾和失真校正等。第三個(gè)階段是參數(shù)選擇或特征抽取階段,在這個(gè)階段,信號(hào)某些特性,如識(shí)別、預(yù)測(cè)和推斷生理狀態(tài)的辨別能力,將會(huì)得到評(píng)價(jià)。特征值的提取能提供重要的生理信息如呼吸頻率、心律等等。最后是分類(lèi)階段,獲得的信號(hào)參數(shù)可以用來(lái)指導(dǎo)信號(hào)分類(lèi),以判斷各種癥狀的類(lèi)型及康復(fù)的程度等等。我國(guó)臺(tái)灣的研究者開(kāi)發(fā)了一種多功能生理參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)e-Texture,可以用來(lái)檢測(cè)心電、體溫、以及穿著者是否摔倒等情況。在心電信號(hào)處理過(guò)程中,系統(tǒng)先抽取了所檢測(cè)信號(hào)的特征,與此同時(shí),正常ECG和被檢測(cè)ECG波形的相關(guān)系數(shù)被用來(lái)評(píng)價(jià)被測(cè)者心跳是否正常。如果檢測(cè)的心跳波形與心室早期收縮(PVC)相似度高,則系統(tǒng)就判斷為PVC;如果檢測(cè)的心跳波形與正常心跳波形相似,則系統(tǒng)會(huì)初步判斷是正?;蛘咝姆吭缙谑湛s(APC),這是因?yàn)锳PC與正常波形相似,所以系統(tǒng)還需進(jìn)一步分析RR間期的時(shí)間是否正常。如果時(shí)間正常,則系統(tǒng)就會(huì)判斷心跳正常,否則就判斷為APC。每隔5s,系統(tǒng)將取一次樣,然后重復(fù)該算法,如圖6所示。

2  智能織物(smart/intelligenttextile)的研究

  健康監(jiān)護(hù)用智能服裝最終要解決采集處理生理信號(hào)的傳感器及其他相關(guān)設(shè)備與衣服的織物結(jié)合的問(wèn)題。衣服可以給這些設(shè)備提供支持,以有效減少直接穿戴它們的不適之處;也能夠提供一些工作環(huán)境上的保護(hù),使這些設(shè)備在合適的溫度、濕度或光照等條件下工作;還可以適當(dāng)調(diào)節(jié)生理反應(yīng),如排汗、運(yùn)動(dòng)等,使所獲得的信號(hào)更加可靠。在汗液pH值傳感器的研究中,織物就在采集樣本這一過(guò)程起到了重要的作用。

  通過(guò)在織物中引入一種本征導(dǎo)電聚合物材料——聚吡咯(PPy),可以啟動(dòng)一種可逆的離子填充/去填充過(guò)程。

  該過(guò)程本質(zhì)是一種微流體泵,是流體處理系統(tǒng)的重要組成部分,它能實(shí)現(xiàn)試劑處理、流體控制以及廢物儲(chǔ)存等功能,而這些功能在汗液采集輸送過(guò)程十分關(guān)鍵。

  下圖是微流體泵TITAN采集汗液并傳遞給化學(xué)傳感器的過(guò)程。

  計(jì)算衣服(computationalclothing)指可以處理、儲(chǔ)存、傳遞以及檢索信息的服裝。通常用兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn):第一種方法是將電子系統(tǒng)嵌入織物或衣服附件中;另一種則在織物制備過(guò)程中結(jié)合紡織和電子技術(shù),直接生產(chǎn)出電子織物(e-textiles)。Laxminarayana等的研究就應(yīng)用了后一種方法,他們用電紡技術(shù)將以碳納米管為基底的材料與壓電聚合物相結(jié)合,研制出一種新型的智能織物,并通過(guò)結(jié)構(gòu)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)該織物的應(yīng)變檢測(cè)性能,結(jié)果證實(shí)該織物與單一的壓電材料相比,應(yīng)變檢測(cè)能力提高了35倍之多。

  多傳感器服裝也在健康監(jiān)護(hù)中得到了初步的應(yīng)用,它的特點(diǎn)是可以整合各種傳感器所獲得的生理信息,以獲得多方位或較全面的生理狀態(tài)的評(píng)價(jià)。印度的研究者開(kāi)發(fā)出了一種SmartVest智能服裝,它將心電、血容、體溫、皮電等傳感器與織物相結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種生理參數(shù)的檢測(cè),如下圖所示。

  也有學(xué)者在織物本體的改性上做了相應(yīng)的研究。

  織物的柔性和信號(hào)檢測(cè)處理能力往往不可兼得,這是因?yàn)橹悄芊b需要很多傳感器和其它相關(guān)設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)對(duì)健康的有效監(jiān)護(hù),但如果過(guò)多的傳感器等設(shè)備直接嵌入織物中,則會(huì)造成穿著者的不適及衣服壽命的降低。Katragadda等將硅柔性外皮與常規(guī)的智能織物相結(jié)合,如圖9所示。該外皮可利用微顯微技術(shù)制得,它由一系列“硅島”(siliconislands)組成,每個(gè)“硅島”內(nèi)有應(yīng)變計(jì),金屬墊、傳感器和電路等。將硅外皮縫入智能織物便得這種新型織物的原型。研究者將該原型拉伸、彎曲和扭動(dòng),再通過(guò)應(yīng)變計(jì)獲得各“硅島”所受的應(yīng)變。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該柔性外皮與智能織物基底之間的機(jī)械連接相對(duì)較弱,因而“硅島”內(nèi)的傳感器和電路并不會(huì)受到織物中機(jī)械應(yīng)力的影響……

  另外,相變材料也開(kāi)始和智能織物相結(jié)合。相變材料可以在一定溫度范圍改變自身狀態(tài),它們可以在相變發(fā)生時(shí)的加熱過(guò)程中吸收能量,或在相變發(fā)生時(shí)的降溫過(guò)程中向環(huán)境釋放熱量。常見(jiàn)的相變材料有無(wú)機(jī)水合鹽、長(zhǎng)鏈鏈烴、聚乙二醇等。相變材料通常是以微膠囊的形式與織物相結(jié)合的。由于它可以和人體周?chē)夂虬l(fā)生作用,亦能感應(yīng)由人體活動(dòng)或外部環(huán)境改變而導(dǎo)致的體溫變化,所以相變材料處理的織物可以用于手術(shù)衣、病床材料、繃帶和調(diào)節(jié)病人體溫的各種產(chǎn)品等等。而聚乙二醇處理的織物還可以應(yīng)用于輸液和殺菌消毒中,比如外科手術(shù)紗布、尿布等。

3  展望

  目前健康監(jiān)護(hù)用智能服裝主要處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,而且很多研究是為了滿足軍事、宇航等行業(yè)的需求。盡管已有部分研究成果進(jìn)入了市場(chǎng)化階段,但尚不能撼動(dòng)人們傳統(tǒng)的穿著觀念,更沒(méi)有在人們生活中產(chǎn)生重要影響。該研究領(lǐng)域尚沒(méi)有一套系統(tǒng)的理論與標(biāo)準(zhǔn),研究者往往來(lái)自不同的領(lǐng)域,有著不同的背景,這就需要相當(dāng)長(zhǎng)的配合時(shí)間才可以形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)規(guī)律。而且這種服裝作為特殊的醫(yī)療器械,其性能、安全性等評(píng)價(jià)方案不成熟,能否按照一般醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)還需要更多的臨床試驗(yàn)才可以確定。從實(shí)用性角度看,健康監(jiān)護(hù)用智能服裝要結(jié)合一般衣服和監(jiān)護(hù)設(shè)備的功能,但是如果過(guò)多強(qiáng)調(diào)監(jiān)護(hù)功能而大量使用監(jiān)護(hù)設(shè)備,則勢(shì)必影響服裝作為一般衣物的功能,比如過(guò)多的電子傳感設(shè)備會(huì)給衣服的洗滌帶來(lái)不便,也會(huì)影響穿著的舒適和方便。

  總之,智能服裝從誕生至今只有十幾年,卻顯示出了極大的潛能,在健康監(jiān)護(hù)方面,隨著監(jiān)護(hù)治療設(shè)備正在向著便攜式、智能化的方向不斷地發(fā)展,智能衣服更是有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。我們也期待健康監(jiān)護(hù)用智能服裝在未來(lái)的發(fā)展中能不斷解決其使用推廣過(guò)程中的一系列問(wèn)題,成功地應(yīng)用于健康監(jiān)護(hù)各個(gè)領(lǐng)域,為人類(lèi)造福。

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