基于传感技术的智能服装的医学应用

信号处理过程的第一步是将传感器获得的模拟信号转化为数字信号，整个过程需要符合采样定理，而且实 时测量需要时间标记和测量同步，以满足A/D转换器不同采样率的要求。第二个阶段是信息转换或预处理阶段，在该阶段多余无用的信息被过滤掉，而有用的信息 被提取和保留，如噪声过滤和失真校正等。第三个阶段是参数选择或特征抽取阶段，在这个阶段，信号某些特性，如识别、预测和推断生理状态的辨别能力，将会得 到评价。特征值的提取能提供重要的生理信息如呼吸频率、心律等等。最后是分类阶段，获得的信号参数可以用来指导信号分类，以判断各种症状的类型及康复的程 度等等。我国台湾的研究者开发了一种多功能生理参数检测系统e-Texture，可以用来检测心电、体温、以及穿着者是否摔倒等情况。在心电信号处理过程 中，系统先抽取了所检测信号的特征，与此同时，正常ECG和被检测ECG波形的相关系数被用来评价被测者心跳是否正常。如果检测的心跳波形与心室早期收缩 (PVC)相似度高，则系统就判断为PVC;如果检测的心跳波形与正常心跳波形相似，则系统会初步判断是正常或者心房早期收缩(APC)，这是因为APC 与正常波形相似，所以系统还需进一步分析RR间期的时间是否正常。如果时间正常，则系统就会判断心跳正常，否则就判断为APC。

每隔5s，系统将取一次样，然后重复该算法，如图6所示。

2 智能织物(smart/intelligenttextile)的研究

健康监护用智能服装最终要解决采集处理生理信号的传感器及其他相关设备与衣服的织物结合的问题。衣 服可以给这些设备提供支持，以有效减少直接穿戴它们的不适之处;也能够提供一些工作环境上的保护，使这些设备在合适的温度、湿度或光照等条件下工作;还可 以适当调节生理反应，如排汗、运动等，使所获得的信号更加可靠。在汗液pH值传感器的研究中，织物就在采集样本这一过程起到了重要的作用。

通过在织物中引入一种本征导电聚合物材料——聚吡咯(PPy)，可以启动一种可逆的离子填充/去填充过程。

该过程本质是一种微流体泵，是流体处理系统的重要组成部分，它能实现试剂处理、流体控制以及废物储存等功能，而这些功能在汗液采集输送过程十分关键。

下图是微流体泵TITAN采集汗液并传递给化学传感器的过程。

计算衣服(computationalclothing)指可以处理、储存、传递以及检索信息的服 装。通常用两种方式来实现：第一种方法是将电子系统嵌入织物或衣服附件中;另一种则在织物制备过程中结合纺织和电子技术，直接生产出电子织物(e- textiles)。Laxminarayana等的研究就应用了后一种方法，他们用电纺技术将以碳纳米管为基底的材料与压电聚合物相结合，研制出一种新 型的智能织物，并通过结构振动实验评价该织物的应变检测性能，结果证实该织物与单一的压电材料相比，应变检测能力提高了35倍之多。

多传感器服装也在健康监护中得到了初步的应用，它的特点是可以整合各种传感器所获得的生理信息，以 获得多方位或较全面的生理状态的评价。印度的研究者开发出了一种SmartVest智能服装，它将心电、血容、体温、皮电等传感器与织物相结合，从而实现 了对多种生理参数的检测，如下图所示。

也有学者在织物本体的改性上做了相应的研究。

织物的柔性和信号检测处理能力往往不可兼得，这是因为智能服装需要很多传感器和其它相关设备才能实 现对健康的有效监护，但如果过多的传感器等设备直接嵌入织物中，则会造成穿着者的不适及衣服寿命的降低。Katragadda等将硅柔性外皮与常规的智能 织物相结合，如图9所示。该外皮可利用微显微技术制得，它由一系列“硅岛”(siliconislands)组成，每个“硅岛”内有应变计，金属垫、传感 器和电路等。将硅外皮缝入智能织物便得这种新型织物的原型。研究者将该原型拉伸、弯曲和扭动，再通过应变计获得各“硅岛”所受的应变。结果发现该柔性外皮 与智能织物基底之间的机械连接相对较弱，因而“硅岛”内的传感器和电路并不会受到织物中机械应力的影响……

另外，相变材料也开始和智能织物相结合。相变材料可以在一定温度范围改变自身状态，它们可以在相变 发生时的加热过程中吸收能量，或在相变发生时的降温过程中向环境释放热量。常见的相变材料有无机水合盐、长链链烃、聚乙二醇等。相变材料通常是以微胶囊的 形式与织物相结合的。由于它可以和人体周围微气候发生作用，亦能感应由人体活动或外部环境改变而导致的体温变化，所以相变材料处理的织物可以用于手术衣、 病床材料、绷带和调节病人体温的各种产品等等。而聚乙二醇处理的织物还可以应用于输液和杀菌消毒中，比如外科手术纱布、尿布等。

3 展望

目前健康监护用智能服装主要处于实验室研究阶段，而且很多研究是为了满足军事、宇航等行业的需求。 尽管已有部分研究成果进入了市场化阶段，但尚不能撼动人们传统的穿着观念，更没有在人们生活中产生重要影响。该研究领域尚没有一套系统的理论与标准，研究 者往往来自不同的领域，有着不同的背景，这就需要相当长的配合时间才可以形成统一的认识规律。而且这种服装作为特殊的医疗器械，其性能、安全性等评价方案 不成熟，能否按照一般医疗器械标准评价还需要更多的临床试验才可以确定。从实用性角度看，健康监护用智能服装要结合一般衣服和监护设备的功能，但是如果过 多强调监护功能而大量使用监护设备，则势必影响服装作为一般衣物的功能，比如过多的电子传感设备会给衣服的洗涤带来不便，也会影响穿着的舒适和方便。