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)是近年來的一個研究熱點,它的理 念最早起源于上世紀(jì)70年代末80年代初流行的“可穿戴計算機”,由于小型化技術(shù)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(tǒng)植入眼鏡或衣 服中,并通過互聯(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)院的媒體實驗室。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),通過兩大類方法來實現(xiàn)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(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、無線通訊技術(shù)和電源等。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/159453.htm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(shù)的極大潛能,因此智能服裝在健康監(jiān)護領(lǐng)域的研究應(yīng)用也成了近年的重點。本文將簡要介紹智能服裝在健康監(jiān)護領(lǐng)域的研究。
1 設(shè)計核心問題
智能服裝在設(shè)計過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)計者首先必須認(rèn)識到它們與一般醫(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)實的意義,并促使研究者進一步考慮實際應(yīng)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(jiān)護生理環(huán)境及其變化。健康監(jiān)護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)護生理狀態(tài)和過程,而且也可以參與記錄生理和運動機能的各種參數(shù)。周邊傳感器用來 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,使其正確評估醫(yī)學(xué)傳感器的工作。它包括溫度計、二氧化碳探測 器、麥克風(fēng)甚至數(shù)碼相機等,可以用來檢測氣溫、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)護用智能服裝還廣泛使用無線傳感技術(shù),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(shè)計集成了無線發(fā)射機和自發(fā)備電系統(tǒng)。無線智能傳感器可以進行數(shù)據(jù)采集及人體和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)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(fù)載,一方面也可以提高評價的速度,因此在實時應(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(dǎo)的皮電反應(yīng)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(fā)射接收系統(tǒng)。有的傳感器系統(tǒng)還包括運動生理 學(xué)傳感器,如檢測運動速度的加速度器、檢測關(guān)節(jié)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(yī)學(xué)上,它們也可以用來檢測一些與臨床病理 相關(guān)的運動,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(shù)的化學(xué)傳感器上。 ShirleyCoyle等介紹了一種可以檢測人體汗液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(fā)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(nèi)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(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)信號處理系統(tǒng)
生理信息處理是監(jiān)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(jié)合幾種最新研究結(jié)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(zhì)是低版本的計算機,其中掌上電腦和個人數(shù)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(zhǔn)確性和可靠 性。也有研究致力于開發(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(biāo)就是使傳感器檢測到的生理信號統(tǒng)一輸 入一個信息網(wǎng)絡(luò),這樣一方面可以使醫(yī)生遠程監(jiān)護病人,及時地了解到康復(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進行信號處理單元的不 便之處。如圖5所示,生理參數(shù)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(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(tǒng)有 哈佛大學(xué)的CodeBlue系統(tǒng),法國CENS研究機構(gòu)的MARSIAN項目,NASA阿莫斯實驗室和斯坦福大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的LifeGuard系統(tǒng)等等。
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