基于傳感技術(shù)的智能服裝的醫(yī)學(xué)應(yīng)用

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。最后是分類階段，獲得的信號(hào)參數(shù)可以用來(lái)指導(dǎo)信號(hào)分類，以判斷各種癥狀的類型及康復(fù)的程 度等等。我國(guó)臺(tái)灣的研究者開發(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圍微氣候發(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，更沒有在人們生活中產(chǎn)生重要影響。該研究領(lǐng)域尚沒有一套系統(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。