基于傳感技術的智能服裝的醫學應用

信號處理過程的第一步是將傳感器獲得的模擬信號轉化為數字信號，整個過程需要符合采樣定理，而且實 時測量需要時間標記和測量同步，以滿足A/D轉換器不同采樣率的要求。第二個階段是信息轉換或預處理階段，在該階段多余無用的信息被過濾掉，而有用的信息 被提取和保留，如噪聲過濾和失真校正等。第三個階段是參數選擇或特征抽取階段，在這個階段，信號某些特性，如識別、預測和推斷生理狀態的辨別能力，將會得 到評價。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。最后是分類階段，獲得的信號參數可以用來指導信號分類，以判斷各種癥狀的類型及康復的程 度等等。我國臺灣的研究者開發了一種多功能生理參數檢測系統e-Texture，可以用來檢測心電、體溫、以及穿著者是否摔倒等情況。在心電信號處理過程 中，系統先抽取了所檢測信號的特征，與此同時，正常ECG和被檢測ECG波形的相關系數被用來評價被測者心跳是否正常。如果檢測的心跳波形與心室早期收縮 (PVC)相似度高，則系統就判斷為PVC;如果檢測的心跳波形與正常心跳波形相似，則系統會初步判斷是正常或者心房早期收縮(APC)，這是因為APC 與正常波形相似，所以系統還需進一步分析RR間期的時間是否正常。如果時間正常，則系統就會判斷心跳正常，否則就判斷為APC。

每隔5s，系統將取一次樣，然后重復該算法，如圖6所示。

2 智能織物(smart/intelligenttextile)的研究

健康監護用智能服裝最終要解決采集處理生理信號的傳感器及其他相關設備與衣服的織物結合的問題。衣 服可以給這些設備提供支持，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境上的保護，使這些設備在合適的溫度、濕度或光照等條件下工作;還可 以適當調節生理反應，如排汗、運動等，使所獲得的信號更加可靠。在汗液pH值傳感器的研究中，織物就在采集樣本這一過程起到了重要的作用。

通過在織物中引入一種本征導電聚合物材料——聚吡咯(PPy)，可以啟動一種可逆的離子填充/去填充過程。

該過程本質是一種微流體泵，是流體處理系統的重要組成部分，它能實現試劑處理、流體控制以及廢物儲存等功能，而這些功能在汗液采集輸送過程十分關鍵。

下圖是微流體泵TITAN采集汗液并傳遞給化學傳感器的過程。

計算衣服(computationalclothing)指可以處理、儲存、傳遞以及檢索信息的服 裝。通常用兩種方式來實現：第一種方法是將電子系統嵌入織物或衣服附件中;另一種則在織物制備過程中結合紡織和電子技術，直接生產出電子織物(e- textiles)。Laxminarayana等的研究就應用了后一種方法，他們用電紡技術將以碳納米管為基底的材料與壓電聚合物相結合，研制出一種新 型的智能織物，并通過結構振動實驗評價該織物的應變檢測性能，結果證實該織物與單一的壓電材料相比，應變檢測能力提高了35倍之多。

多傳感器服裝也在健康監護中得到了初步的應用，它的特點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的評價。印度的研究者開發出了一種SmartVest智能服裝，它將心電、血容、體溫、皮電等傳感器與織物相結合，從而實現 了對多種生理參數的檢測，如下圖所示。

也有學者在織物本體的改性上做了相應的研究。

織物的柔性和信號檢測處理能力往往不可兼得，這是因為智能服裝需要很多傳感器和其它相關設備才能實 現對健康的有效監護，但如果過多的傳感器等設備直接嵌入織物中，則會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的智能 織物相結合，如圖9所示。該外皮可利用微顯微技術制得，它由一系列“硅島”(siliconislands)組成，每個“硅島”內有應變計，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，再通過應變計獲得各“硅島”所受的應變。結果發現該柔性外皮 與智能織物基底之間的機械連接相對較弱，因而“硅島”內的傳感器和電路并不會受到織物中機械應力的影響……

另外，相變材料也開始和智能織物相結合。相變材料可以在一定溫度范圍改變自身狀態，它們可以在相變 發生時的加熱過程中吸收能量，或在相變發生時的降溫過程中向環境釋放熱量。常見的相變材料有無機水合鹽、長鏈鏈烴、聚乙二醇等。相變材料通常是以微膠囊的 形式與織物相結合的。由于它可以和人體周圍微氣候發生作用，亦能感應由人體活動或外部環境改變而導致的體溫變化，所以相變材料處理的織物可以用于手術衣、 病床材料、繃帶和調節病人體溫的各種產品等等。而聚乙二醇處理的織物還可以應用于輸液和殺菌消毒中，比如外科手術紗布、尿布等。

3 展望

目前健康監護用智能服裝主要處于實驗室研究階段，而且很多研究是為了滿足軍事、宇航等行業的需求。 盡管已有部分研究成果進入了市場化階段，但尚不能撼動人們傳統的穿著觀念，更沒有在人們生活中產生重要影響。該研究領域尚沒有一套系統的理論與標準，研究 者往往來自不同的領域，有著不同的背景，這就需要相當長的配合時間才可以形成統一的認識規律。而且這種服裝作為特殊的醫療器械，其性能、安全性等評價方案 不成熟，能否按照一般醫療器械標準評價還需要更多的臨床試驗才可以確定。從實用性角度看，健康監護用智能服裝要結合一般衣服和監護設備的功能，但是如果過 多強調監護功能而大量使用監護設備，則勢必影響服裝作為一般衣物的功能，比如過多的電子傳感設備會給衣服的洗滌帶來不便，也會影響穿著的舒適和方便。