基于傳感技術(shù)的智能服裝的醫學(xué)應用

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70年代末80年代初流行的“可穿戴計算機”，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算機系統植入眼鏡或衣 服中，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從系統中獲取信息。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)驗室。智能服裝結合了電子信 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)現自身的智能化：一類(lèi)是運用智能服裝材料，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)引入人們日常穿著(zhù)的服裝中，包括應用導電材料、柔性傳感器、無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)和電源等。

由于人們越來(lái)越重視自身的健康，而且智能服裝具有探測人體生理參數的極大潛能，因此智能服裝在健康監護領(lǐng)域的研究應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護領(lǐng)域的研究。

1 設計核心問(wèn)題

智能服裝在設計過(guò)程中主要受到各種數字傳感設備以及人體工程學(xué)的限制和引導。設計者首先必須認識到它們與一般醫療器械的不同：

(1)智能服裝需要被病人穿戴在身上;

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

(3)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實(shí)的意義，并促使研究者進(jìn)一步考慮實(shí)際應用中存在的各種問(wèn)題。

(1)生理信息的獲取—傳感器

傳感器可以用來(lái)監護生理環(huán)境及其變化。健康監護用智能服裝主要使用了醫學(xué)傳感器和周邊傳感器。

醫學(xué)傳感器可以監護生理狀態(tài)和過(guò)程，而且也可以參與記錄生理和運動(dòng)機能的各種參數。周邊傳感器用來(lái) 監控外部環(huán)境，將信息反饋到主系統中使其相應的改變自身功能，以提高主系統的情境感知能力，使其正確評估醫學(xué)傳感器的工作。它包括溫度計、二氧化碳探測 器、麥克風(fēng)甚至數碼相機等，可以用來(lái)檢測氣溫、濕度、空氣質(zhì)量、音量等環(huán)境指標;也可以輔助導航，如GPS、數碼指南針等導航傳感器。

健康監護用智能服裝還廣泛使用無(wú)線(xiàn)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。它們的設計集成了無(wú)線(xiàn)發(fā)射機和自發(fā)備電系統。無(wú)線(xiàn)智能傳感器可以進(jìn)行數據采集及人體和區域網(wǎng)絡(luò )的有限信號處理。它一方面可以降低可穿戴處 理器的工作負載，一方面也可以提高評價(jià)的速度，因此在實(shí)時(shí)應用中作用突出。

如圖1所示智能服裝中所用的醫學(xué)傳感器主要用來(lái)檢測各種生理信號，如：檢測心電、肌電、腦電和眼電等信號的體表電極，檢測體溫的熱敏電阻， 檢測皮膚電導的皮電反應傳感器、檢測脈搏心率的壓電傳感器，用光體積測量法檢測血壓、血氧飽和度和心率的紅外發(fā)射接收系統。有的傳感器系統還包括運動(dòng)生理 學(xué)傳感器，如檢測運動(dòng)速度的加速度器、檢測關(guān)節夾角的電子量角器、檢測障礙物的近距離傳感器和接觸傳感器等等。醫學(xué)上，它們也可以用來(lái)檢測一些與臨床病理 相關(guān)的運動(dòng)，如步態(tài)異常、顫抖、帕金森氏病等，并能引導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)放在了檢測人體PH值等參數的化學(xué)傳感器上。 ShirleyCoyle等介紹了一種可以檢測人體汗液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方法。研究者將在對PH值靈 敏的染料溴百里酚藍固定在織物基底，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器。利用該染料對PH值在6.0至7.6范圍內有不同的吸光特性，可以通過(guò)光電二極管檢測到染料放出光的波長(cháng)，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用，如下表所示：

(2)信號處理系統

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

信號處理過(guò)程需要使用信息處理單元，其本質(zhì)是低版本的計算機，其中掌上電腦和個(gè)人數字助理 (PDA)是兩種最流行的信號處理器，如圖4所示。微型化處理芯片的廣泛使用大大提高了信號處理的效率，存儲芯片的使用可以提高信號處理的準確性和可靠 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)也有研究對獲得信號的無(wú)線(xiàn)遠程傳輸進(jìn)行了探討，其根本目標就是使傳感器檢測到的生理信號統一輸 入一個(gè)信息網(wǎng)絡(luò )，這樣一方面可以使醫生遠程監護病人，及時(shí)地了解到康復中病人的健康狀況，并做出準確地判斷;還能解決病人使用PDA進(jìn)行信號處理單元的不 便之處。如圖5所示，生理參數的無(wú)線(xiàn)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。基于射頻電波的無(wú)線(xiàn)數據傳播主要分為廣域網(wǎng)和局 域網(wǎng)。廣域網(wǎng)采用衛星通信、GSM、CDMA等，而局域網(wǎng)多采用藍牙、超寬帶、IEEE802.11/a/b/g等。目前比較具有代表性的無(wú)線(xiàn)傳輸系統有 哈佛大學(xué)的CodeBlue系統，法國CENS研究機構的MARSIAN項目，NASA阿莫斯實(shí)驗室和斯坦福大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的LifeGuard系統等等。