基于傳感技術(shù)的智能服裝的醫(yī)學(xué)應(yīng)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(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)兩大類方法來(lái)實(shí)現(xiàn)自身的智能化：一類是運(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：

(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(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。

(1)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：

(2)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。基于射頻電波的無(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。