基于傳感技術的智能服裝的醫學應用

智能服裝(smart/intelligentclothing)是近年來的一個研究熱點，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”，由于小型化技術的進步，人們逐漸可以將原來安裝在背包中的沉重的計算機系統植入眼鏡或衣 服中，并通過互聯網技術從系統中獲取信息。最早的智能服裝在1993年誕生于麻省理工學院的媒體實驗室。智能服裝結合了電子信 息技術、傳感器技術、紡織科學及材料科學等相關領域的前沿技術，通過兩大類方法來實現自身的智能化：一類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;第二類是將信息技術和微電子技術引入人們日常穿著的服裝中，包括應用導電材料、柔性傳感器、無線通訊技術和電源等。

由于人們越來越重視自身的健康，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域的研究應用也成了近年的重點。本文將簡要介紹智能服裝在健康監護領域的研究。

1 設計核心問題

智能服裝在設計過程中主要受到各種數字傳感設備以及人體工程學的限制和引導。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者發生作用才可以進行各種操作;

(3)它們常常在變化的環境中工作，而且該環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的意義，并促使研究者進一步考慮實際應用中存在的各種問題。

(1)生理信息的獲取—傳感器

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

醫學傳感器可以監護生理狀態和過程，而且也可以參與記錄生理和運動機能的各種參數。周邊傳感器用來 監控外部環境，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，使其正確評估醫學傳感器的工作。它包括溫度計、二氧化碳探測 器、麥克風甚至數碼相機等，可以用來檢測氣溫、濕度、空氣質量、音量等環境指標;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線傳感技術，不僅解決了傳感器工作的一系列問題，還使使用者獲得很 大的自由和舒適。它們的設計集成了無線發射機和自發備電系統。無線智能傳感器可以進行數據采集及人體和區域網絡的有限信號處理。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的速度，因此在實時應用中作用突出。

如圖1所示智能服裝中所用的醫學傳感器主要用來檢測各種生理信號，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射接收系統。有的傳感器系統還包括運動生理 學傳感器，如檢測運動速度的加速度器、檢測關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。醫學上，它們也可以用來檢測一些與臨床病理 相關的運動，如步態異常、顫抖、帕金森氏病等，并能引導視力損傷病人的行走，使他們避開障礙物。

以上大都是物理傳感器，近來也有研究將重點放在了檢測人體PH值等參數的化學傳感器上。 ShirleyCoyle等介紹了一種可以檢測人體汗液PH值的化學傳感器(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。同時發光二極管用作光源，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，可以通過光電二極管檢測到染料放出光的波長，從而確定其PH值。

總之，物理傳感器和化學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介紹生理信息處理的過程。

信號處理過程需要使用信息處理單元，其本質是低版本的計算機，其中掌上電腦和個人數字助理 (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。也有研究致力于開發新的電源，以提高電源的供電效率，包括在衣服上安裝太陽電池，在鞋子里內嵌壓電陶瓷以及利用體熱、呼吸等人類生理活動供能等。

同時也有研究對獲得信號的無線遠程傳輸進行了探討，其根本目標就是使傳感器檢測到的生理信號統一輸 入一個信息網絡，這樣一方面可以使醫生遠程監護病人，及時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進行信號處理單元的不 便之處。如圖5所示，生理參數的無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。基于射頻電波的無線數據傳播主要分為廣域網和局 域網。廣域網采用衛星通信、GSM、CDMA等，而局域網多采用藍牙、超寬帶、IEEE802.11/a/b/g等。目前比較具有代表性的無線傳輸系統有 哈佛大學的CodeBlue系統，法國CENS研究機構的MARSIAN項目，NASA阿莫斯實驗室和斯坦福大學聯合開發的LifeGuard系統等等。