基于生理信號監測的智能內衣設計

梁素貞，許鵬俊

?

基于生理信號監測的智能內衣設計

梁素貞，許鵬俊

（閩江學院 服裝與藝術工程學院，福建 福州 350108）

可穿戴智能監測內衣可以長期持續監測人體心電、呼吸、體溫等生理信號，起到疾病提前預防和治療的目的。采用三維人體測量技術為智能監測服裝量身定制提供個性化數據，以塑形內衣文胸為載體、利用紡織柔性傳感器，設計具有監測心電、呼吸、體溫的多生理信號智能內衣；通過智能手機、電腦等通訊設備及無線網絡、藍牙等通訊技術實現人體生理信號的傳輸和遠程監控。目的是為可穿戴式智能服裝的發展做基礎研究。

智能服裝；塑形內衣；紡織傳感器；生理信號監測

隨著人類社會的進步，人們對服裝的要求已不僅僅局限于御寒和美觀，而是進一步要求其具有實時信息監測、處理、交換等功能。準確、及時地掌握人體的主要生理信號特征，對提供醫療判斷和治療具有重要的作用。傳感器和通信技術的進步，使人們日常生理信號監測成為了可能。人們通過可穿戴式生理監測服裝，可以隨時隨地收集生理活動信息，通過網絡通信技術，將其傳送到遠程醫療監護中心進行監測、判斷、診療等。這對一些心腦血管疾病等慢性疾病的防范與治療具有積極的作用。

心電、呼吸、體溫是人體生命特征的三大重要信號，在人體生理監護和情緒判斷中都具有極其重要的參考作用。本文以三維人體數據測量技術為基礎，以塑形內衣—文胸為載體，以柔性紡織傳感器為電極，設計一款具有監測人體心電、呼吸、體溫的多生理信號監測智能文胸。

1 研究現狀及存在問題

1.1 研究現狀

服裝與人體接觸最為密切，堪稱人體“第二皮膚”，因此服裝是實現人體信號采集的最佳平臺。以柔性紡織傳感器為主的智能服裝成為了國內外學者、研究機構研究的熱點。陳志豪等[1-5]用微彎曲多模光纖傳感器測量呼吸速率和心率；A.Grillet等[6]將不同紡織傳感器內嵌進紡織織物，測量腹部的呼吸運動；Min Chen 等[7]介紹了智能服裝的設計細節、重點技術和實施方法;Hyun-Seung Cho等[8]通過紡織電極智能服裝測試人體在靜態和動態情況下的心電信號;Hakyung Cho等[9]研究了電極放置位置對心電信號采集的影響:把緊身背心的表面切成網格，在前、后衣片每間隔6厘米位置設置一個電極，共設56個，并從這56個位置確定心電圖電極的最佳位；邢振國[10-15]等在心電、呼吸、體溫等生理信號監測方面也做了大量的研究，并申請了專利保護。

1.2 存在問題

心電、呼吸、體溫等生理指標是相互影響。目前在各個生理指標的可穿戴監測研究上，多數還是以單一指標為主，無法作為較全面的生理和心理的醫學臨床判斷；同時，作為可穿戴監測裝置，傳感器的親膚性、柔韌性、耐洗滌性、運動適應性、傳感器材料的經濟性、與服裝等載體的融合性等還存在諸多不足：

1.2.1 傳感器與服裝的融合性

目前大多數的智能服裝只是機械地將傳感器、電路、數據處理器等電子設備穿搭服裝上面，沒有實現真正的智能設備與服裝的完美結合；

1.2.2 傳感器耐用性

服裝在穿著過程中不可避免受到拉伸或應力作用，傳感器的彈性、回彈性功能對其穩定導電功能具有很重要的作用，例如專利CN106923802A[10]中使用的石墨烯柔性傳感器，石墨烯材料穩定性相對比較差，洗滌和穿著過程中很容易造成局部導電性能減弱，影響測試結果。

1.2.3 傳感器材料經濟性

能夠市場化的東西才具有發展潛力。目前智能服裝無法大范圍的市場化，除了技術問題有待進一步提高外，服裝的價格能否被普通消費者所接受是非常重要的，這就要求傳感器、電子元件的價格要往親民化方向發展。

1.2.4 傳感器穿戴運動穩定性

人體是動態的。人在運動過程中，傳感器的位置、人的姿勢等都會影響到生理信號的采集。就要求傳感器的位置比較穩定，在人運動的時候不受影響，同時傳感器連接的線路盡可能短，防止在運動過程中造成線路斷裂或信號減弱。

2 多生理信號監測的智能文胸設計

內衣是女性日程生活必不可少的服裝產品，為臨產人體生理監測家庭化、日常化提供了可能。基于上述智能服裝存在的不足，本研究預設計一款心電、呼吸、體溫的多生理參數監測功能的智能塑形內衣（文胸）。

2.1 人體數據采集

智能服裝要求傳感器必須與人體皮膚表面緊密接觸，并有一定的壓力。服裝必須是量身定制的。基于三維人體測量的人體數據采集為智能內衣的設計提供了數據基礎。本研究采用法國力克公司的非接觸式激光三維人體掃描儀及部分配套軟件進行人體數據采集，圖1為VitusSmart三維人體掃描硬件系統，圖2為人體掃描部位尺寸示意圖。該系統能夠在短短十幾秒之內完成人體數據采集，自動報告與服裝設計相關的80多個人體部位特征尺寸，還可以通過交互式測量進行人體截面數據的提取和分析[18]，用于智能內衣的設計，有效彌補了目前國標中內衣尺寸數據的不足，為智能內衣的快速量身定制提供了數據基礎。

圖1 VitusSmart三維人體掃描硬件系統

圖2 人體掃描部位尺寸示意圖

2.2 紡織傳感器選擇

智能內衣在穿著過程中要與人體皮膚緊密接觸，所以傳感器的親膚性、柔軟性很重要。本研究擬通過將導電紗線直接織入或刺繡織物中，無需經過導電處理，織物本身就具有傳感性能，無涂層、柔軟、親膚，客服以往以往傳感器存在電子元件不柔軟、金屬厚重感、涂層容易造成皮膚過敏的缺點；解決了以往傳感器耐久性（耐拉伸、耐洗）、可彎曲性等服用性能問題；此外，導電纖維與內衣融為一體，直接與皮膚接觸，信號采集效果好，穿著舒適，美觀效果好。

本研究的紡織結構柔性心電電極采用金屬材料、導電聚合物、石墨烯、碳納米管或炭黑導電鍍層的纖維制作，纖維細度在100nm-1mm之間，由其加捻或并合成細度小于2mm的柔性導電紗線，英制捻系數在0-6之間。柔性呼吸電極與紡織結構柔性心電電極具有相同的特征，通過感應胸腔阻抗變換測量呼吸信號。紡織結構溫度傳感器由溫度敏感金屬材料（如：銅、鉑）或其合金材料的鍍層纖維制作而成，纖維細度為100nm -1mm，由其加捻或并合成細度小于2mm的柔性導電紗線，英制捻系數在0-6之間。

2.3 文胸設計

智能服裝需要在普通服裝的基礎上添加傳感器、導電電路、數據處理裝置等，為了穿著舒適和美觀，要求導電電路等比較隱蔽，最佳的設計方式就是將其隱藏于服裝夾層之間。因此素有“麻雀雖小，五臟俱全”的文胸能塑形內衣，在人體上覆蓋面積小，信號數據處理器和傳感器之間的電路可以盡量縮短，減少傳輸過程中信號耗損；文胸等塑形內衣穿著于人體生理特征信號聚集的胸腔位置，作為采集心電、呼吸等生理信號的絕佳載體；由于文胸等塑形內衣的鋼圈等矯形材料的固定作用，在人體運動過程中不易移位，保證傳感器始終位于最佳生理信號采集位置。

圖4為本研究實例設計一款多生理信號監測智能文胸：文胸罩杯上下拼縫，寬下扒。在文胸罩杯位置設心電紡織傳感器，文胸下扒部位設計呼吸紡織傳感器，文胸雞心位置設計溫度傳感器，可裝卸式的微型數據記錄裝置安裝在文胸雞心部位。具體設計如圖4所示：

（1）心電紡織電極“1”：通過刺繡（手工、機器均可）手段，將紡織導電紗線繡在離心臟最近的文胸罩杯內側棉布上。

（2）紡織溫度傳感器（也可以采用金屬銅絲線）“2”：將具有導電功能的紡織紗線紡在雞心內層的定型網紗上，直接與皮膚接觸。

（3）紡織呼吸電極“3”：呼吸是人體胸腔自主擴張和收縮，從而引起胸部的阻抗變化，阻抗法的呼吸量就是這個阻抗變化來實現的。本研究利用阻抗法，將具有導電功能的紡織紗線紡織文胸下扒的橡皮筋上（取代傳統的呼吸帶）。

（4）微型數據記錄裝置“5”：位于文胸雞心位置（可拆卸），包括信號處理和傳輸模塊、中央處理器、數據存儲模塊、電源模塊。

2.4 線路設計及實現

2.4.1 智能文胸線路設計

線路是實現智能文胸信號采集穩定和準確的重要保障，本研究線路設計如圖3所示：

圖3 多生理信號監測智能文胸

（1）呼吸電路“2”：通過刺繡或編織方法，將紡織結構呼吸導電紗線置入文胸本體下扒的橡皮筋上，并將導電紗線一端經文胸下扒橡皮筋，延長縫至雞心位置后，與微型數據處理裝置“5”連接。

（2）體溫線路“3”：將紡織結構柔性溫度傳感器紡在文胸本體雞心內層的定型網紗上，網紗末端直接與微型數據處理裝置“5”連接。

（3）心電電路“4”：通過刺繡手段，將紡織結構柔性心電電極繡在離心臟最近的文胸罩杯內側棉布上；將制作紡織結構柔性心電電極的導電紗線的另一端加捻后作為導聯線延伸至文胸雞心位置，并與微型數據處理裝置“5”連接；

2.4.2 數據采集及信號處理

如圖4所示，智能文胸的心電傳感器“1”、體溫傳感器“2”、呼吸傳感器“3”采集的信號通過紡織導電纖維傳輸到微型數據處理裝置中。所述微型數據處理裝置包括MCU“5-1”及與其相連接的信號存儲模塊、電源模塊“5-2”、信號傳輸模塊“5-3”。MCU處理完的信號通過藍牙技術傳送到穿著者隨身佩帶的智能手機存儲“6”，智能手機“6”通過藍牙、WIFI無線網絡傳送到本地電腦終端“7”進行處理、存儲、顯示，智能手機或本地電腦通過GPRS/2G/3G/4GG/WIFI/LAN等網絡將信號傳輸到遠程醫療監控系統“8”。

圖4 智能文胸信號采集和傳輸示意圖

3 結語

文胸等塑形內衣是女性日程生活必不可少的服裝產品，是最具設計、結構、工藝等技術含量的服裝，是智能可穿戴式裝置的最佳載體。本文以三維人體測量技術為基礎，采用紡織傳感器，量身設計一款可同時監測呼吸、心電和體溫的智能文胸，為智能可穿戴式服裝的發展起到拋磚引玉的作用。

監測功能的融入將會大大地提高文胸等內衣產品的科技含量。隨著科技的進一步發展，以文胸等塑形內衣為載體的可穿戴式生理監測裝備將會更加普及化，多生理信號監測的智能內衣將在“空巢老人”的健康監護、人們亞健康狀態評估、心電監護及疾病診斷、人體運動風險評估等方面發揮巨大作用。

[1] Z. Chen, D. Lau, J.T. Teo, et al. Simultaneous measurement of breathing rate and heart rate using a microbend multimode fiber optic sensor[J]. J Biomed, 2014, 19(5): 057001.

[2] K. Peters. Polymer optical ?ber sensors-a review, Smart Mater [J]. Struct, 2010, 20(1): 1-17.

[3] T.S. Myllyla, A.A. Elseoud, H. Sorvoja, et al. Sensor for non-invasive monitoring of blood pressure during MRI scanning [J]. J Biophotonics, 2011, 4(1-2): 98-107.

[4] C. Leit?o, S. Gon?alves, P. Antunes, et al. Central arterial pressure assessment with intensity POF sensor [J]. International Conference on Optical Fibre Sensors (OFS24), 2015, (4): 963424.

[5] X. Yang, Z. Chen, C.S.M. Elvin, et al. Textile ?ber optic microbend sensor used for heartbeat and respiration monitoring [J]. IEEE Sens J, 2015, 15(2): 757-761.

[6] A. Grillet, D. Kinet, J. Witt, et al. Optical ?ber sensors embedded into medical textiles for healthcare monitoring[J]. IEEE Sens J, 2008, 8(7): 1215-1222.

[7] Min Chen，Yujun Ma，Jeungeun Song，et al. Smart Clothing: Connecting Human with Clouds and Big Data for Sustainable Health Monitoring [J]. Mobile Netw Appl, 2016, 21: 825-845.

[8] Hyun-Seung Cho，Su-Min Koo，Joohyeon Lee，et al. Heart Monitoring Garments Using Textile Electrodes for Healthcare Applications[J]. J Med Syst, 2011, 35: 189-201.

[9] Hakyung Cho, Joo Hyeon Lee. A Study on the Optimal Positions of ECG Electrode in a Garment for the Design of ECG-Monitoring Clothing for Male[J]. J Med Syst, 2015, 39: 95.

[10]刑振國. 一種具有心率檢測功能的智能文胸[P]. 中國專利：CN106923802A，2017-07-07.

[11]高駿. 一種智能可穿戴式心率心電監測裝置[P]. 中國專利：CN107280649A，2017-10-24.

[12]吳萬慶，吳丹，張賀暉，等. 一種可穿戴生理信號采集系統[P]. 中國專利：CN205458654U，2016-08-17.

[13]彭昌蘭. 一種基于石墨烯的可穿戴式呼吸監測系統[P]. 中國專利：CN205458684U，2016-08-17.

[14]宋恩民，裴克軍，連迅，等.一種穿戴式體溫監測內衣[P]. 中國專利：CN205697720U，2016-11-23.

[15]凌佳佳. 女性基礎體溫監測內科[P]. 中國專利：CN202980154U，2013-06-12.

[16]梁素貞，張欣，陳東生. 文胸結構設計中主要細部尺寸的人體依據[J]. 紡織學報, 2008, 29(12): 69-73.

Smart Underwear Design for Physiological Signal Monitoring

LIANG Su-zhen, XU Peng-jun

(College of Fashion and Art Engineering, Min Jiang University, Fuzhou Fujian 350108 China)

The wearable intelligent-monitoring underwear can continuously monitor human body's ECG, respiration, body temperature and other physiological signals over a long period of time, which can serve the purpose of early disease prevention and treatment. The 3D human body measurement technology is adopted to customize personalized data for intelligent monitoring clothing. With the plastic bra as the carrier and the textile flexible sensor, the intelligent underwear with multiple physiological signals to monitor the ECG, respiration and body temperature is designed. Smart phone, computer and other communication equipment, wireless network, blue-tooth and other communication technologies are use to achieve the transmission of physiological signals and remote monitoring. The aim is to do basic research on the development of intelligent wearable smart clothing.

intelligent clothes; shaping underwear; textile sensor; physiological signal monitoring

梁素貞（1980-），女，副教授，碩士，研究方向：文胸設計、服裝人體工學.

國家青年科學基金項目（51403098）；福建省中青年教師教育科研項目（JAT160384）.

TS 941.17

A

2095－414X(2018)06－0036－05