可穿戴醫療監護服裝研究現狀與發展趨勢

嚴妮妮，張 輝，鄧詠梅

(1.浙江紡織服裝職業技術學院紡織學院，浙江 寧波 315211;2.西安工程大學服裝與藝術設計學院，陜西 西安 710048)

可穿戴醫療監護服裝研究現狀與發展趨勢

嚴妮妮1，2，張 輝1，鄧詠梅2

(1.浙江紡織服裝職業技術學院紡織學院，浙江 寧波 315211;2.西安工程大學服裝與藝術設計學院，陜西 西安 710048)

可穿戴醫療監護服裝可低負荷、長期連續地獲取豐富的人體生理信息，從而達到疾病提前預防及治療的目的。綜述了醫療監護服裝系統構成、監護服裝設計等方面的研究現狀;介紹了醫療監護服裝系統的核心技術——穿戴式人體生理信號檢測技術、傳感技術、電子器件與服裝連接技術、信號處理及系統通訊等技術，并分析了其醫學應用;總結及預測了可穿戴醫療監護服裝在設計研究和應用中還有待解決的問題，并展望了其發展前景。

可穿戴技術;監護服裝;服裝設計;智能服裝

隨著社會的發展，老齡化成為一個全球性的問題，由此而帶來的老年醫療健康問題，成為社會關注的重點，這些疾病隨著人們生活方式的改變、環境的影響、專業醫療服務能力的相對薄弱而變愈加嚴重。這就勢必要求未來的醫療從醫院診療向健康監護預防轉變［1－2］。醫療模式從診斷治療向日常監護轉變的同時將促使小型醫療監護設備的出現，這些監護設備具有日常家庭使用的特點，即可穿戴醫療監護設備(Wearable Medical Devices)或稱為便攜式醫療設備(Portable Medical Devices)［3］。

穿戴式醫療監護設備是指將醫療監測系統集成在可穿戴系統上，即主要通過服裝及其附件而依附在人體上，既能實現穿戴物品的日常使用功能，又能實現人體生理信號的監測，從而達到生理信息監護與人體日常穿戴衣物、附件的無縫整合。多個研究小組通過將人體生理信號采集傳感器或者電極整合在可穿戴物件上，如衣服、腰帶、手表、手環、項鏈等，以獲取人體心電、呼吸、體溫、血壓、血氧、人體運動狀態等重要生理參數［4－6］。而衣服作為與人體接觸最為密切的媒介，具有多個優勢，譬如舒適、輕薄、移動性好、不具有視覺、接觸以及心理的排斥感，而且是日常必備物件，具有低生理、心理負荷的特點，是實現人體信號采集的最佳平臺。其大面積與人體接觸的特點也為獲取豐富的人體生理參數提供了可能。同時，其數據采集模式不會影響穿著者的日常活動，能夠實現在線連續監測，所以，服裝已成為可穿戴醫療監護設備的最佳載體之一［7］。2014年美國消費電子展(CES)上，可穿戴醫療產品成為本屆大會主角之一，眾多企業展示自己的最新產品。據預計，到2018年該市場規模將增長3倍。醫療健康領域呈現3大亮點:用于健身的可穿戴技術;社區家庭養老技術;實時監測技術。這些技術可幫助解決人口老齡化帶來的各種問題，促進健康醫療向以消費者為中心的數字化轉型［8］。

1 穿戴醫療系統及發展現狀

通訊技術、電子技術、計算機技術、傳感技術、電源系統、存儲技術以及材料技術的迅猛發展為可穿戴家庭及個人醫療監護系統(Wearble Health Monitoring Systems)的發展提供了諸多可能，也成為國內外研究小組的研究熱點［9－11］。

穿戴式人體生理參數監測系統由以下功能模塊組成:穿戴式生理參數傳感(電極)系統、信號顯示與存儲系統、信號傳輸系統、電源系統、遠程信息交互系統等。其中集成了生理信號獲取及傳輸系統的一體系統，實現了可穿戴醫療監護信息的遠程化可能，能夠達到與遠程終端有線或者無線的信號傳輸［12］。可穿戴醫療監護服裝系統涵蓋了人體生理信號檢測技術、傳感技術、傳感器件與服裝集成技術、信號處理及系統通訊技術等技術模塊，是一門多學科交叉的技術領域。

1.1 穿戴式人體生理信號及檢測技術

心電、呼吸、體溫是人體生命體征的3大重要信號，在人體生理監護中有極其重要的參考價值。準確掌握生命體征的測量對確立護理診斷、明確護理目標、為病人提供及時的護理服務具有十分重要的意義。可穿戴監護服裝將人體生理信號檢測技術與可穿戴服裝技術結合，通過在服裝中整合傳感器與電極等器件，以實現生理信號檢測的目的。隨著市場的需求及技術的發展，可穿戴醫療信息檢測將通過與日常用品的集成而實現家庭化、個人化，而其核心技術也將逐漸標準化、智能化、小型化、多功能化和遠程化［13］。

1.1.1 心電信號

心電圖(ECG)是反映心臟機能的一項重要生理指標。心電信號是心臟心肌電位隨時間的變化曲線，由于人體系統為導體，所以，通過使用放置于人體皮膚表面的電極，就可將心肌生物電位變化曲線記錄下來，即為心電圖［14］。電極就成為將人體心臟產生的離子導電轉化為可用于外部檢測的電子導電器件。分析心電信號的時序和形態可幫助診斷心臟問題。由于ECG信號屬于低頻低電壓信號，信號微弱，而且易受到外界因素的干擾，影響ECG信號的提取。其干擾因素包括人體本身原因(如肌肉電干擾，運動干擾)、電極方面的影響(包括電極表面電解質狀態，接觸可靠性)以及外部的電磁波干擾等［14－15］。由于心電信號為矢量信號，因此，電極在人體表面的放置位置就顯得至關重要，將會影響心電信號的形狀。醫學上通常采用標準12導聯連接模式，可從不同角度反映心臟活動狀況;而用于家庭及個人的便攜式心電監護儀一般采用3導聯或5導聯就能夠滿足基本的心電測量，也適合日常使用，便攜式三導聯心電監測方法如圖1所示。心電信號采集常使用傳統粘膠式一次性心電電極(Disposable Electrode)，這種電極為降低與皮膚之間的阻抗而使用了導電膠，同時，為避免電極與皮膚之間的相對位移，在電極的邊緣使用了粘膠，這種方式很易造成皮膚過敏并且降低了電極使用的舒適性，因此，很難做到日常化使用。穿戴式生理監測系統要融入人們的日常生活，就必須采取無創的方式來獲取人體生理信號。近幾年，許多科研機構已經集中在研究紡織結構柔性電極。紡織結構電極具有紡織品的柔軟性、舒適性、輕薄透氣性以及可水洗和循環使用的優點，而且更易實現與服裝的結合［16－18］。

1.1.2 呼吸頻率

圖1 便攜式三導聯心電檢測Fig.1 Portable three-lead ECG detected

呼吸頻率是指人體在一定時間內的吸氣與呼氣次數，它是人體體征的一個重要指標，可反映多項重要生理信息，是人體3大重要生理參數之一。一個完整呼吸循環可通過人體胸腔的容積變化來判斷。呼吸頻率目前的監測方法有口鼻氣流測試法、電阻抗體積掃描法、應變式傳感器(壓力傳感器)測量法、呼吸感應體積掃描法等［19－21］。口鼻氣流測量是將溫度傳感器放置于呼吸管道上，人體呼、吸氣時產生的溫度變化會引起傳感器的電阻變化，用熱敏電阻式傳感器采樣信號的原理來測試(見圖2(a))。阻抗體積掃描法是指通過測試放置于胸腔區域的2～4個電極之間的人體阻抗隨呼吸過程的變化來反映人體的胸腔變化，從而測試呼吸頻率(氣體是電的不良導體，它會增加人體阻抗)(見圖2(b))。應變式傳感器(壓力傳感器)的測試原理是隨著呼氣、吸氣的周期性變換，會產生呼吸管道以及胸腹部的周期性應變，利用應變傳感器來記錄胸腹表面的應變量，以此來測定呼吸頻率(見圖2(c))呼吸感應體積掃描法則采用電磁感應的機制來反映呼吸變化，其原理是將2條呈“正弦”波形的導線放置于具有彈性服裝的胸前及腹部，采用Collpitts三點式震蕩電容電路，測量導線線圈橫截面的變化而引起線路的自感變化(見圖2(d))，從而得到呼吸頻率。以上4種方法中，口鼻氣流測量時傳感器需要放在鼻口，不易佩戴，也不易于集成在服裝中;阻抗體積掃描法不適合動態條件下持續測量，易引入運動偽跡;應變式傳感器和電感體積掃描法相對具有能夠獲取定量信息、靈敏準確、抗運動干擾能力強、易于使用和低負荷等優點，適合動態持續使用，是開發可穿戴呼吸監測系統的首選方法。但是呼吸感應體積掃描法具有與其他檢測量，諸如心電測試相互干擾的缺點。

圖2 呼吸頻率檢測方法Fig.2 Detection method of respiratory rate.(a)Oronasal airflow measurements;(b)Electrical impedance plethysmograph;(c)Strain sensor;(d)Inductive plethysmography

1.1.3 體溫

恒定的體溫是人體正常生命活動的重要條件之一，體溫過高或過低都會危及生命，因此體溫在臨床上也是一個極為重要的生理參數。體溫測量常用諸如熱電偶、熱敏電阻、RTD、IC溫度等傳感器，通過直接測量口腔、腋下、直腸和耳朵等部位來測試溫度。溫度傳感器的集成技術目前比較先進，穿戴式體溫傳感器一般采用熱敏電阻。考慮到既要便于與服裝集成，又不影響穿著者日常活動，還能保證服裝的美觀性，因此，將溫度傳感器集成在服裝的腋窩處是最佳的選擇。

可穿戴醫療監護服裝系統采用三導聯心電檢測即可滿足基本的心電測量;胸腹呼吸頻率監測有助于監測呼吸系統及人體機能;熱敏電阻測量體表溫度可完美地與服裝集成，常用的傳感器及電極如圖 3和表 1 所示［19，22］。

表1 測量的人體生理信息及所用的傳感器Tab.1 Measurement of human physiological information and used sensor

1.2 傳感及電極技術

圖3 穿戴式生理參數傳感系統Fig.3 Wearable physiological parameters sensing system

醫學用傳感器是將人體生理信號轉換為可用于測量電信號的裝置［19］，生理信號與測試得到的電信號之間的關系由傳感器的特性決定。傳感器與電極是醫學材料的核心部件，它為醫學診斷、治療提供原始數據。傳感器的發展隨著科技的進展而突飛猛進，其發展也將逐漸小型化、智能化、多功能化、遠程化以及無創傷等［23］。目前可穿戴醫療監護服裝上大都采用新型材料傳感器，復合結構封裝微型傳感器以及集信號采集與傳輸一體的集成傳感器。用于醫療服裝系統的電極、傳感器應該具有柔性高和體積質量小的特點，最好呈紡織結構，這樣便于與服裝系統結合。因此，器件的微型化和柔性化發展也備受關注，發展的最終目標就是智能服裝，即服裝自身具有傳感功能。目前國內已有多個從事智能紡織結構電極與傳感器的研究［24－26］，紡織結構電極和傳感器穿著舒適，能夠保證長時間測試的需要，也可很好地與服裝集成。隨著材料科技的發展，紡織結構可穿著的穿戴式系統將是可穿戴醫療監護系統的主要發展方向。諸如EAP(電話性聚合物，Electroactive Polymers)有機材料，具有對外界電刺激表現出尺寸變化的特性，以其為材料而制得的相應傳感器或者電子器件，可用于穿戴系統中［27］。表2列出了電子織物可監測的主要生理信號或變量，監測所需的傳感裝置和電子織物中的執行元件。從表2中可看出，采用EAP材料的紡織纖維可制作壓阻和壓電傳感器等裝置，用來監測人體多個生理信號或變量。

表2 電子織物可監測執行元件Tab.2 Monitoring in e-textile with their fabric implementation

1.3 電子器件與服裝集成技術

醫療監護服裝是信息化和服裝相結合的產品，怎樣實現電子器件與服裝的無縫結合是迄今為止服裝設計領域面臨的最大難題［28］。由于目前電子器件的微型化和柔性化工藝不能夠讓人無法察覺，因此作為服裝的一部分，必須考慮其服裝的特性，盡量減少連線，合理優化布局，避免造成穿著者負擔。心電、呼吸頻率、溫度等傳感器應根據生理信號的檢測原理準確放置于人體相應的檢測位置上，信息處理模塊在設計和放置時應考慮人體的可穿戴面積，選擇成年人體之間差異不大、運動時相對固定及承載表面積較大的區域，盡量減少用戶負擔。

柔性連接將成為可穿戴系統需要繼續解決的問題之一，由于電極器件與柔性面料之間的剛度、材料性質差異，將造成連接之間的難題［29］。只有將服裝和電子器件模塊進行有效連接，才能實現功能服裝應該具有的功能。焊接、訂合、黏合、縫合、可拆卸等方式都能夠實現電子器件與服裝之間的鏈接。但采用拆卸式是目前剛性電子器件模塊和柔性服裝之間較為理想的連接方式，通過可拆卸的外部連接，能夠保證服裝的穿著舒適性、連接可靠性及可洗滌等性能。一般常采用附加袋、拉鏈、紐扣、掛鉤、搭扣等來實現，既能夠保證監護服裝的柔軟舒適性，又能保證服裝的耐用性。目前應用較多的可拆卸方式則是通過內置有接口的按鈕來實現連接，該方式連接牢固、不影響穿用、可拆卸、美觀大方。

電子器件與服裝之間的信號傳輸也是可穿戴電子服裝發展的一個挑戰和難點［30－32］。電子器件與服裝之間的信號常采用有線與無線的模式來實現傳輸，由于信號干擾及電源續航原因，無線傳輸還沒有得到廣泛應用，從而使得有線傳輸造成對人體日常活動的干擾，一方面其質量和形狀會對人體活動造成一定的束縛，另一方面人體活動會擠壓、拉扯、扭曲導線，造成信號檢測的不穩定性。目前有以下5種解決方法:1)將功能模塊的電子芯片通過紡織的方法置于面料內部;2)將電子元件與高分子材料進行柔性集成，然后與面料進行復合，從而實現集成的功能;3)通過微型電子嵌入式技術，將電子元件直接嵌入到面料中;4)采用纖維基的電子芯片包裹技術，實現電子元件的纖維基封裝，實現功能化電子纖維;5)采用面料復合技術，諸如涂層、層合、印花等技術實現功能化，達到信息的采集、傳輸等功能［33］。

隨著科技的發展，電極或傳感器與服裝連接技術的微型化、集成化和無線化發展能夠很好的解決上述關鍵技術問題。

1.4 信號處理及系統通信技術

生理信號處理是監護服裝的核心功能之一。具體是把傳感器得到的生理信號經過數字化、轉換、選擇、分類整理等步驟轉換成能夠顯示的信號，信號處理過程如圖4所示。處理過的信號再經有線或無線(藍牙、紅外、RF射頻、GPRS及類似的CDMA)傳輸到移動設備或者電腦等移動設備上［33－34］，其中掌上電腦和個人數字助理(PDA)是2種最流行的信號處理器。

圖4 監護服裝信息處理過程Fig.4 Monitoring garment information processing

隨著計算機技術的發展，監測系統的數據傳輸也將逐漸無線化和集成化。集成于服裝上的各種傳感器及電極，如果采用無線信號傳輸，將極大地減少導線的使用，而且對信號端口進行集中整合，使得測試更加方便、靈活，而且端口還可進行擴展，為以后的功能添加提供可能。

2 監護服裝設計現狀及存在問題

目前國內外對于穿戴式監護服裝的研究主要還處于實驗室階段，大多數監護服裝的研究都是將傳感器與服裝“機械”地結合起來，實現服裝在線連續監測、分析、處理及顯示人體生理信息的功能。整個穿戴監護由于其器件選用、聯接方式、電源等原因，還呈現出龐大、功能差、用戶體驗差、消費者接受度低、價格高等缺點［35］。還不能夠改變人們傳統的穿戴觀念，應用范圍也因此受到很大限制。該研究領域還沒有系統化和標準化，研究人員來自不同的專業領域，在電子工程、醫學及材料等方面的研究較多，因此，在服裝方面，對于監護系統的穿戴性能研究方面還存在一定的不足，這就需要相關領域專家的長期配合才能形成統一的認識規律。而且醫療監護服裝的功能、安全性等綜合性能的評估還不夠完善，還要經過很多的臨床實驗驗證，才能確定是否能夠按照一般的醫療儀器標準來評價。隨著醫療服裝的商業化發展，普通家庭的健康監護必定會成為主流趨勢。因此，醫療監護服裝設計應該面向普通消費者的日常需求，并考慮人體工學、服裝舒適性、安全性、美觀性等因素，完善并評估監護服裝的設計［36］。雖然產品已經相對成熟，但仍有以下問題亟待解決:

1)可穿戴性能。包括服裝的外觀、整體的重量和分布、是否易于穿脫及舒適、監測時的抗干擾能力等，會影響穿著者長期穿著的舒適性和耐疲勞程度。

2)測試可靠性。由于服裝監護系統具有長時間動態性的特點，因此必須考慮日常活動對系統穩定性的影響，以保證信號測試的可靠性。

3)耐久性(服用性能)。集成了電子設備的監護服裝需要具備一定的物理性能，如耐水洗性、抗彎曲、拉伸、撕裂、耐磨、防水和吸濕透氣等服用性能，以應對不同的環境。

4)安全性。由于可穿戴醫療監護服裝是長期穿著、與人體近距離接觸的電子產品，因此必須對電磁輻射及熱量等因素對人體造成的危害進行評估，并采取相應的防護措施。

5)美觀性。包括服裝結構和外觀設計是否能夠被消費者所接受并且具有一定的美感等。傳感器與服裝相結合會影響服裝整體的效果，因此，將傳感元件合理分布，達到服裝設計的美感將是服裝設計領域應進一步思考的方向。

3 前景展望

傳感器與服裝結合的醫療監護服裝是多學科交叉的產品，主要涉及電子信息、人體功效、材料學、工業設計和服裝設計等領域，需要由這方面的研究專家共同合作來完成。服裝設計師最終要完成生理信號采集的傳感器與服裝的結合，因此，在服裝的外觀和結構設計方面具有創新性。監護服裝設計人體工學方面的考慮主要是要保證動態條件下傳感器在服裝中的位置盡量不要移動、服裝上的傳感器要與皮膚合理接觸以及傳感器在服裝中的集成技術研究［37］。可穿戴醫療監護服裝發展前景如下:

1)基于人體工效學的服裝款式及結構設計研究。電極及傳感器的柔性化發展為醫療監護服裝的發展提供了可能。然而，人體日常生活會產生肢體移動，造成柔性電極、傳感器與服裝相對位置移動和接觸壓力的變化，這種變化將會影響到信息的檢測和判斷以及穿著時的舒適性。因此，應加快對監護服裝與皮膚之間的動態作用研究，提高監護服裝的可靠性及穿著舒適性，實現醫療監護服裝的實際應用價值。

2)三維人體掃描及監護服的量身定制。人體生理信息監測時要求傳感器要與人體有很好的接觸，這就要求集成了傳感器的醫療監護服裝必須是量身裁剪的，否則將達不到監護服應具有的功能。因此，必須加快對人體三維掃描系統的研究，建立人體三維形態數據庫，實現監護服的量身定制。

3)紡織傳感器。目前可穿戴醫療監護設備上使用的傳感器大都采用傳統傳感器與服裝的簡單物理結合，沒有實現結構的集成，采用紡織結構傳感器將實現服裝功能與傳感功能的一體化。

4)服裝加工技術。目前的監護服中由于集成了復雜的電子模塊，還只能夠在實驗室中加工實現，如何能實現監護服裝量產，將是未來商業化發展的關鍵問題。在服裝加工技術上，既要考慮服裝的一般要求，又要考慮采用不同的方法來實現服裝作為一個特殊的硬件平臺，為硬件提供一個好的集成環境，同時又不破壞織物的一些基本性能。

5)織物結構電路。可穿戴醫療監護服裝的最佳模式是既實現穿戴功能，又實現醫療監護功能，即紡織品自身具有傳感功能，也就是我們所稱的紡織結構傳感器或者電極。所以，將集成電路紡織化將成為智能紡織發展的一個重要方向，也為可穿戴醫療提供了可能，同時，未來將嘗試將電源、信號處理元件與顯示元件的紡織化，實現了電子元件與服裝系統的完美整合。

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Research progress and development trend of wearable medical monitoring clothing

YAN Nini1，2，ZHANG Hui1，DENG Yongmei2
(1.School of Textiles，Zhejiang Fashion Institute of Technology，Ningbo，Zhejiang 315211，China;2.Apparel＆ Art Design College，Xi'an Polytechnic University，Xi'an，Shaanxi 710048，China)

Wearable medical monitoring clothing can continuously acquire human physiological information with low load for long term，so as to achieve the purpose of early disease prevention and treatment.In this paper，the research progress of wearable medical monitoring clothing components and design of medical monitoring clothing system are reviewed.The key technologies such as wearable human physiological signal detection technology，sensing technology，integration technology of electronics and clothing，signal processing and communication system are introduced. Meanwhile， the medical applications are also introduced.Finally the main problems of wearable medical system are also analyzed and listed.

wearable technology;medical monitoring clothing;clothing design;intelligent clothing

R 443.8

A

10.13475/j.fzxb.20140400707

2014－04－02

2014－10－16

國家自然科學基金青年基金資助項目(51303157);寧波自然科學基金資助項目(2013A610079);寧波市創新團隊資助項目(2012B82014);西安工程大學博士科研啟動基金項目(BS0907)

嚴妮妮(1989—)女，碩士生。主要研究方向為服裝功能性與舒適性。張輝，通信作者，E-mail:zhanghuinb@gmail.com。