基于传感技术的智能服装的医学应用

智能服装(smart/intelligentclothing)是近年来的一个研究热点，它的理 念最早起源于上世纪70年代末80年代初流行的“可穿戴计算机”，由于小型化技术的进步，人们逐渐可以将原来安装在背包中的沉重的计算机系统植入眼镜或衣 服中，并通过互联网技术从系统中获取信息。最早的智能服装在1993年诞生于麻省理工学院的媒体实验室。智能服装结合了电子信 息技术、传感器技术、纺织科学及材料科学等相关领域的前沿技术，通过两大类方法来实现自身的智能化：一类是运用智能服装材料，包括形状记忆材料、相变材 料、变色材料和刺激—反应水凝胶等;第二类是将信息技术和微电子技术引入人们日常穿着的服装中，包括应用导电材料、柔性传感器、无线通讯技术和电源等。

由于人们越来越重视自身的健康，而且智能服装具有探测人体生理参数的极大潜能，因此智能服装在健康监护领域的研究应用也成了近年的重点。本文将简要介绍智能服装在健康监护领域的研究。

1 设计核心问题

智能服装在设计过程中主要受到各种数字传感设备以及人体工程学的限制和引导。设计者首先必须认识到它们与一般医疗器械的不同：

(1)智能服装需要被病人穿戴在身上;

(2)它们往往需要与穿着者发生作用才可以进行各种操作;

(3)它们常常在变化的环境中工作，而且该环境体系很难得到控制。

但这些差异也为智能服装的研究提供了现实的意义，并促使研究者进一步考虑实际应用中存在的各种问题。

(1)生理信息的获取—传感器

传感器可以用来监护生理环境及其变化。健康监护用智能服装主要使用了医学传感器和周边传感器。

医学传感器可以监护生理状态和过程，而且也可以参与记录生理和运动机能的各种参数。周边传感器用来 监控外部环境，将信息反馈到主系统中使其相应的改变自身功能，以提高主系统的情境感知能力，使其正确评估医学传感器的工作。它包括温度计、二氧化碳探测 器、麦克风甚至数码相机等，可以用来检测气温、湿度、空气质量、音量等环境指标;也可以辅助导航，如GPS、数码指南针等导航传感器。

健康监护用智能服装还广泛使用无线传感技术，不仅解决了传感器工作的一系列问题，还使使用者获得很 大的自由和舒适。它们的设计集成了无线发射机和自发备电系统。无线智能传感器可以进行数据采集及人体和区域网络的有限信号处理。它一方面可以降低可穿戴处 理器的工作负载，一方面也可以提高评价的速度，因此在实时应用中作用突出。

如图1所示智能服装中所用的医学传感器主要用来检测各种生理信号，如：检测心电、肌电、脑电和眼电等信号的体表电极，检测体温的热敏电阻， 检测皮肤电导的皮电反应传感器、检测脉搏心率的压电传感器，用光体积测量法检测血压、血氧饱和度和心率的红外发射接收系统。有的传感器系统还包括运动生理 学传感器，如检测运动速度的加速度器、检测关节夹角的电子量角器、检测障碍物的近距离传感器和接触传感器等等。医学上，它们也可以用来检测一些与临床病理 相关的运动，如步态异常、颤抖、帕金森氏病等，并能引导视力损伤病人的行走，使他们避开障碍物。

以上大都是物理传感器，近来也有研究将重点放在了检测人体PH值等参数的化学传感器上。 ShirleyCoyle等介绍了一种可以检测人体汗液PH值的化学传感器(图2)的工作原理。比色法是该种传感器的主要检测方法。研究者将在对PH值灵 敏的染料溴百里酚蓝固定在织物基底，使染料直接与汗液接触。同时发光二极管用作光源，并使用光电二极管作探测器。利用该染料对PH值在6.0至7.6范围内有不同的吸光特性，可以通过光电二极管检测到染料放出光的波长，从而确定其PH值。

总之，物理传感器和化学传感器目前都在智能衣服的研究中的到了不同程度的应用，如下表所示：

(2)信号处理系统

生理信息处理是监护健康用智能服装的核心功能之一，它包括有用生理信号的筛选和处理以及信息的反馈等方面，如图3所示。下文将结合几种最新研究结果来介绍生理信息处理的过程。

信号处理过程需要使用信息处理单元，其本质是低版本的计算机，其中掌上电脑和个人数字助理 (PDA)是两种最流行的信号处理器，如图4所示。微型化处理芯片的广泛使用大大提高了信号处理的效率，存储芯片的使用可以提高信号处理的准确性和可靠 性。也有研究致力于开发新的电源，以提高电源的供电效率，包括在衣服上安装太阳电池，在鞋子里内嵌压电陶瓷以及利用体热、呼吸等人类生理活动供能等。

同时也有研究对获得信号的无线远程传输进行了探讨，其根本目标就是使传感器检测到的生理信号统一输 入一个信息网络，这样一方面可以使医生远程监护病人，及时地了解到康复中病人的健康状况，并做出准确地判断;还能解决病人使用PDA进行信号处理单元的不 便之处。如图5所示，生理参数的无线传播方式主要有射频电磁波、红外光和声波三种，其中射频电磁波最常用。基于射频电波的无线数据传播主要分为广域网和局 域网。广域网采用卫星通信、GSM、CDMA等，而局域网多采用蓝牙、超宽带、IEEE802.11/a/b/g等。目前比较具有代表性的无线传输系统有 哈佛大学的CodeBlue系统，法国CENS研究机构的MARSIAN项目，NASA阿莫斯实验室和斯坦福大学联合开发的LifeGuard系统等等。