基于傳感技術(shù)的智能服裝的醫學(xué)應用

信號處理過(guò)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(gè)過(guò)程需要符合采樣定理，而且實(shí) 時(shí)測量需要時(shí)間標記和測量同步，以滿(mǎn)足A/D轉換器不同采樣率的要求。第二個(gè)階段是信息轉換或預處理階段，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)階段是參數選擇或特征抽取階段，在這個(gè)階段，信號某些特性，如識別、預測和推斷生理狀態(tài)的辨別能力，將會(huì )得 到評價(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，獲得的信號參數可以用來(lái)指導信號分類(lèi)，以判斷各種癥狀的類(lèi)型及康復的程 度等等。我國臺灣的研究者開(kāi)發(fā)了一種多功能生理參數檢測系統e-Texture，可以用來(lái)檢測心電、體溫、以及穿著(zhù)者是否摔倒等情況。在心電信號處理過(guò)程 中，系統先抽取了所檢測信號的特征，與此同時(shí)，正常ECG和被檢測ECG波形的相關(guān)系數被用來(lái)評價(jià)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(huì )初步判斷是正?；蛘咝姆吭缙谑湛s(APC)，這是因為APC 與正常波形相似，所以系統還需進(jìn)一步分析RR間期的時(shí)間是否正常。如果時(shí)間正常，則系統就會(huì )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(guān)設備與衣服的織物結合的問(wèn)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(huán)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(dòng)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(guò)程起到了重要的作用。

通過(guò)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(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，是流體處理系統的重要組成部分，它能實(shí)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(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(lái)實(shí)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(guò)程中結合紡織和電子技術(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合，研制出一種新 型的智能織物，并通過(guò)結構振動(dòng)實(shí)驗評價(jià)該織物的應變檢測性能，結果證實(shí)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(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合，從而實(shí)現 了對多種生理參數的檢測，如下圖所示。

也有學(xué)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(guān)設備才能實(shí) 現對健康的有效監護，但如果過(guò)多的傳感器等設備直接嵌入織物中，則會(huì )造成穿著(zhù)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(shù)制得，它由一系列“硅島”(siliconislands)組成，每個(gè)“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(dòng)，再通過(guò)應變計獲得各“硅島”所受的應變。結果發(fā)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(huì )受到織物中機械應力的影響……

另外，相變材料也開(kāi)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(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)機水合鹽、長(cháng)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?chē)夂虬l(fā)生作用，亦能感應由人體活動(dòng)或外部環(huán)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(shù)衣、 病床材料、繃帶和調節病人體溫的各種產(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

目前健康監護用智能服裝主要處于實(shí)驗室研究階段，而且很多研究是為了滿(mǎn)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)人們傳統的穿著(zhù)觀(guān)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)有一套系統的理論與標準，研究 者往往來(lái)自不同的領(lǐng)域，有著(zhù)不同的背景，這就需要相當長(cháng)的配合時(shí)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(jià)方案 不成熟，能否按照一般醫療器械標準評價(jià)還需要更多的臨床試驗才可以確定。從實(shí)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(guò) 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(guò)多的電子傳感設備會(huì )給衣服的洗滌帶來(lái)不便，也會(huì )影響穿著(zhù)的舒適和方便。