以織物傳感器為基礎(chǔ)的呼吸監(jiān)測方法

彭曉慧 楊旭東，2

(1.東華大學紡織學院，上海，201620;2.東華大學紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海，201620)

呼吸是人體的重要生命信號。呼吸信號的記錄在醫(yī)療上可用于對病人健康狀況的判定。例如發(fā)熱、貧血會使呼吸頻率增加4次/min左右，而麻醉劑過量和顱內(nèi)壓過低時呼吸頻率低于12次/min。呼吸頻率及深度還可以反映呼吸肌麻痹、肺炎、胸膜炎等一些疾病的康復情況。

傳統(tǒng)的呼吸測量裝置過于笨重，價格昂貴，無法滿足人們?nèi)粘１O(jiān)測的需要。隨著傳感技術(shù)和無線傳輸技術(shù)的不斷完善，可穿戴式呼吸測量裝置逐漸被大家認知。可穿戴式呼吸監(jiān)測衣物具有24 h全天候的監(jiān)測及記錄功能，可以隨時隨地使用，而無需在醫(yī)院或花費大量金錢去購買設(shè)備。在日常生活中，可穿戴式呼吸測量衣物可以用于心肺疾病患者的康復監(jiān)測、睡眠呼吸暫停綜合癥狀的檢測等;在軍工上其也可以作為士兵生命信號的表征，以便及時搭救。目前，用于可穿戴衣物測量呼吸狀況的方法有以下幾種：電感應體積描記技術(shù)，阻抗體積描記技術(shù)，壓阻(拉阻)呼吸描記法和壓電呼吸描記法。

本文基于目前國內(nèi)外對可穿戴式呼吸測量裝置的研究狀況，總結(jié)這幾種測試方法的原理及研究難點，并對其進行展望。

1 電感應體積描記技術(shù)

1.1 測試原理及方法

Goldberg等在1973年的專利中提出了用電磁感應測量物體橫截面積的變化，1993年Sacker等人將其運用到呼吸率的測量中。其測量原理是用一彎曲成正弦狀的絕緣線圈纏繞人體胸部和腹部，在其中通入交變電流，電磁感應產(chǎn)生磁場。隨著人體呼吸，磁通量隨人體截面的變化而變化，反過來產(chǎn)生感應電流來抵制施加的交變電流。絕緣線圈作為電容三點式振蕩電路的電感元件被連入電路中，調(diào)節(jié)合適的電感、電容參數(shù)，使電路發(fā)生諧振，此時功耗全部為電阻產(chǎn)熱。電路中電感隨時間變化導致諧振條件發(fā)生改變，采用調(diào)幅-檢波思路或調(diào)頻-檢頻思路［1］可以實現(xiàn)對呼吸運動的檢測。

1.2 測試范圍及應用前景

電感應體積描記技術(shù)(RIP)的監(jiān)測信息較為全面，除了呼吸率、吸氣時間分數(shù)、吸/呼氣比等時間參數(shù)外，還包括潮氣量、每分鐘通氣量、胸腹呼吸貢獻比等容積參數(shù)，以及呼吸流速、峰值吸氣流速等呼吸力學參數(shù)。1967年Konno等［2］提出了兩個自由度模型，建立了胸腔、腹腔截面變化與肺通氣量之間的關(guān)系，如式(1)。

式中：ΔVa——肺通氣量;

ΔSic——胸腔的橫截面變化量，由 RIP可以得到;

ΔSab——腹腔的橫截面變化量，由 RIP可以得到;

M——比例系數(shù);

K——胸腹呼吸對總呼吸量的相對貢獻率。

通過事先標定的方法，用肺活量儀測得肺通氣量，由RIP得到截面積變化，從而計算出M和K，實現(xiàn)了肺通氣相關(guān)指標的無創(chuàng)測量?，F(xiàn)有的標定方法有等容標定，多元線性回歸、最小二乘法和診斷性定性標定技術(shù)和恒定比例系數(shù)標定等［3］。

由于電感應體積描記技術(shù)測量信號全面，其可以替代傳統(tǒng)笨重的呼吸測量裝置應用于現(xiàn)代醫(yī)學領(lǐng)域。目前其已經(jīng)可以用于呼吸睡眠事件的檢測，具有很高的使用價值。學者也不斷致力于研究更好的校正和標定方法，以完善其測量性能。

2 阻抗體積描記技術(shù)

2.1 測試原理及方法

人體的阻抗是包括人體皮膚、血液、細胞、組織及其結(jié)合部在內(nèi)的含有電阻和電容的全阻抗。1970年Khalafalla等［4］指出，用一對放在胸部的電極可以測得胸部電阻抗的變化。呼吸運動時機體、胸壁肌肉交變張弛，肌肉組織的電阻抗隨之發(fā)生變化，加之隨著肺容量的變化整個胸部的阻抗也在變化，此時將電極與人體皮膚接觸，通過輸入信號可以反饋胸部阻抗的浮動情況。2005年由Paradiso等［5］研制出Wealthy智能衣，該智能衣在人體胸部附近分布有四個電極，在外側(cè)的兩電極中輸入一個高頻恒流信號，而內(nèi)側(cè)的電極負責輸出由于阻抗改變而產(chǎn)生其兩端電壓的變化，經(jīng)過高頻調(diào)諧和檢波等過程輸出信號［6］。由于阻抗的變化與空氣流量的變化之間有線性關(guān)系，可以通過標定的方法得到潮氣量等容積參數(shù)。另外，織物電極更多地被用于心電信號的測量，因此此方法為多功能醫(yī)用智能衣的制備提供了可能性。

2.2 研究熱點及應用前景

目前研究的熱點及難點主要是織物電極的開發(fā)和無縫織造一次成型技術(shù)的應用。

傳統(tǒng)的粘貼式電極存在因長期與皮膚接觸引起皮膚過敏，長時間佩戴后因脫水干燥而導致信噪比降低等缺點［7］，因此織物電極是一種理想的選擇?？椢镫姌O要求其材料為導電材料，目前用于織物電極的導電材料有聚吡咯導電織物、涂炭導電織物、鍍金屬導電織物等。Song等［8］在織物電極上做了一些改進，他們以銀包芯紗為原料在Stabuli-JC5(德國)織機上織成雙層機織物。通過改變經(jīng)紗數(shù)目和添加導電橡膠得到4種樣品，分別是平面緊密排列的電極織物、凸起狀緊密排列的電極織物、平面稀疏排列的電極織物和凸起狀稀疏排列的電極織物，并與Ag/AgCl電極進行對比試驗。試驗表明這4種織物電極都能夠測得人的心率信號，其中凸起狀稀疏排列的織物的電極性能更顯著。用于織物一次成型的機械設(shè)備主要是無縫專用針織設(shè)備和針織橫機，相關(guān)機械設(shè)備有Santoni SPA5、Steiger SA4 等［9］。

相對國外來說，國內(nèi)在此項技術(shù)方面還有諸多工作要做，從電極的制備、信號的采集和處理、電極與織物的整合技術(shù)等都有待提高。

3 壓電呼吸描記法

3.1 測試原理及方法

1880年Jacques和Pierre發(fā)現(xiàn)石英晶體在機械外力的作用下，其棱形表面會產(chǎn)生正負相反的電荷即極化，這種現(xiàn)象稱之為壓電效應。具有壓電效應的材料有壓電陶瓷、壓電高聚物，其中壓電高聚物又包括聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜家族和亞乙烯基二氰(VDCN)等。由于PVDF薄膜具有高的壓電常數(shù)，且質(zhì)量輕、柔性好、加工性能好、頻率響應寬，以及能夠鑲嵌于衣物中等優(yōu)勢而被廣泛關(guān)注。

對于壓電薄膜材料來說，在壓力作用下，其內(nèi)部的晶體發(fā)生極化，這些晶體大致平行排列。對于具有壓電現(xiàn)象的纖維來說，極化方向垂直于纖維軸向，則存在兩種情況：一種是所有的電荷無論正負都集中在纖維表面，此時在其表面分別連上電極則可輸出電極信號;另一種是纖維芯層聚集負電荷，表層聚集正電荷，這種情況以電纜的形式可以幫助其輸出信號，即在芯層和表層都加入導電層，相對較復雜［10］。

3.2 研究熱點及應用前景

目前國內(nèi)的研究還停留在薄膜的性能改良上，國外研究者較多關(guān)注于同軸電纜形式的壓電材料，并且致力于將壓電材料以纖維的形式紡制出來，顯然這種方式有利于縮短工藝流程。薄膜應用到織物上有三種形式：同軸電纜、片狀薄膜交織和纖維交織。同軸電纜的形式是指將薄膜導電層與絕緣層以電纜的方式結(jié)合;片狀薄膜交織指的是將導電薄膜制成一定長寬的條狀，將其交織成所需面積的一整塊薄膜;纖維交織是指直接將壓電材料紡成絲，交織而成。2013年 Nilsson等成功制備了PVDF長絲并將其織成斜紋布，測得其在應力作用下的電信號變化并應用到心電信號的測量中。試驗證明，用PVDF長絲制成的壓電傳感元件能夠?qū)崿F(xiàn)對人體心跳的測量［11］。

4 拉阻呼吸描記法

4.1 測試原理及方法

材料受外力作用后電阻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做壓阻效應(拉阻效應)。將具有壓阻效應的材料整合到衣物中，隨著人體呼吸，綁在腹部的壓阻材料受力變形，產(chǎn)生壓阻效應，連入分壓電路中可以記錄形變頻率，從而反應呼吸信號。這種方法測試原理簡單，但對傳感器的要求過高，尤其是對織物的穩(wěn)定性有較高要求。

4.2 研究熱點及應用前景

目前壓阻傳感器元件可以分為兩類：一類為導電涂層與織物形成的以復合材料為基體的傳感器;另一類為導電織物本身形變而引起信號改變的傳感器。

在Wealthy和Myheart兩個項目中的智能衣物上都采用了Smartex發(fā)明的壓阻材料，其構(gòu)成主要是在彈性織物上涂覆炭黑硅橡膠，同時將其與導電紗線交織而成［12］。Guo等［13］也用同樣的方法制作出了壓電傳感器織物：炭黑硅橡膠涂料商品(ELASTOSIL?LR 3162)織成雙層的針織物，由95%的PES(聚醚砜樹脂)和5%的萊卡構(gòu)成，大小為100 mm×25 mm，有效涂覆面積為100 mm×10 mm。導電紗線連接此織物傳感器，用于數(shù)據(jù)傳輸。將其與一種商品化的壓電法測試衣物進行比較得出以下結(jié)論：壓阻衣物在20 min的長時間觀測更加穩(wěn)定;人在夜晚較多是低頻率呼吸，試驗表明在低頻呼吸時，壓電衣物測量表現(xiàn)為更多的噪聲，因此壓阻法比壓電法更適合于夜間對病人的監(jiān)測。

1856年Lord Kelvin首次發(fā)現(xiàn)金屬導體的應變變化可以引起電阻的變化。呼吸運動會引起人體胸、腹的擴張與收縮，用導電纖維制成的傳感器能夠感應到這種變化，并以電阻的變化輸出信號。由于導電纖維可直接被制成織物，無需考慮嵌入問題，可以用普通的機械設(shè)備加工，加之其具有防電磁輻射、防靜電等多種功能，因此得到了廣泛關(guān)注。但是其穩(wěn)定性并不高，對于后期數(shù)據(jù)的處理要求較高。其可以作為智能衣物中的輔助測試部分。

導電纖維作為壓阻法的主要測試原料，其發(fā)展經(jīng)歷了三個階段［14］。目前直接用于呼吸信號測量的導電纖維為導電金屬涂覆纖維，例如Zieba等研制的一種用涂銀滌綸制得的導電針織物，能夠較為穩(wěn)定地測量呼吸信號［15］。國內(nèi)外對于導電纖維的研究較多，主要目的集中于使其能夠滿足人們對于穿著舒適性的需求，因此制備具有彈性的導電纖維及織物已成為當今研究的熱點。Fang等在文獻中提到了一種以氨綸為材料的導電纖維的制備［16-17］，但是彈性加劇了電阻變化的不穩(wěn)定性，因此在如何保證其舒適性的前提下保證其穩(wěn)定性是亟待解決的問題。

5 結(jié)語

呼吸信號的測量對現(xiàn)代醫(yī)學有著重要的意義，可穿戴式呼吸測量衣物使人們的健康測試不再受時間和地點的限制。以織物為依托的測量方法有電感應體積描記法、阻抗體積描記法、壓阻法和壓電法。前兩種方法應用較為廣泛，測試信號全面且較精確;后兩種測試方法原理簡單，采集方法便捷，但反應信息較為單一。可穿戴式智能測試衣物，由于其設(shè)計、紡織技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)等各個方面還存在一些問題，因此需要改進與完善。

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