基于血糖實時監測的智能服裝設計

田 金 枝

(山東科技職業學院 紡織服裝系，山東 濰坊 261053)

智能服裝是指模擬生命系統，通過一定的反饋機制對外部環境或內部狀況變化做出反應的成衣。近年來，智能服裝的研究和應用在學術界、產業界引起了廣泛的關注，其中可以實現血壓、心跳、體溫等實時監測的智能醫護服裝也受到越來越多關注[1]。隨著信息技術、紡織科學及材料科學等相關領域科技的發展，智能醫護服裝的推廣應用將會給整個服裝產業帶來重大的變革，這也是服裝科技未來的發展趨勢[2]。

糖尿病是一種以高血糖為主要特征的多因素疾病，其發病率高、危害大，給病人和社會造成了沉重的負擔。患者自我血糖監測是糖尿病綜合治療的重要環節，傳統的血糖監測方式從反映特點可分為點的數據(尿糖、微血管監測)、線的數據(HbA1C監測、GA監測、(1,5-AG)監測)、面的數據(CGM監測)等[3-4]。面的數據(CGM監測)是指通過葡萄糖傳感器監測皮下組織間液的葡萄糖濃度來反映血糖水平的監測技術，可以提供持續、全方位的血糖信息[5]，是目前國際上較為先進的檢測技術。

穿著方便舒適且具有美感的智能醫護服，是智能服裝設計新思路的擴展。目前CGM監測系統主要以貼片形式與人體皮膚接觸，這很大程度上影響了人體的舒適度，長期使用會出現局部皮膚排汗排污不暢通、異物感、皮膚過敏等現象[6]。將CGM監測系統與服裝結合，選擇舒適的面料，裁剪合體的尺寸，搭配時尚的色彩、造型，實時監控血糖。在整體設計中確保了病人穿著的舒適度，同時使得電子元件與成衣有效結合。再引入醫護服的評價體系，確保實時血糖監測智能服裝的整體有效性。

1 糖尿病患者需求

糖尿病患者主要以中老年群體為主，但糖尿病患者的病情進展和并發癥等情況個體差異較大，患者涉及人群基數大、范圍廣[7]。針對糖尿病患者的生理需求、心理需求、使用需求等，采取咨詢和調查問卷的方式對患者展開調查，并對調查結果進行分析。

糖尿病患者有以下幾個主要需求：1)智能服裝安全性，長期穿著無并發癥；2)能夠按時并準確檢測血糖變化；3)穿著舒適性，特別是糖尿病并發皮膚病的患者對服裝舒適度有更高要求。

2 智能服裝的設計模式

目前智能醫護服設計應用最多的是智能輔助模式，主要滿足患者的個性化需要。在設計前，市場調研是獲得患者訴求的必要條件，需要對智能服裝的市場前景、流行趨勢、電子元件的嵌入技巧進行取舍，實現科技與審美的有效融合。一是滿足患者最基本的實體性、舒適度、吸汗易干等需求；二是智能監護服設計運用多學科的交叉完成既定目標，如柔性技術、傳感器、交互技術等。例如，有專家將小型接頭與服裝組成微電子系統，使主板電源、傳輸系統相連接，并將數據傳送到主機，使醫護服能夠感知人體的心率、溫度、血糖等情況[8]。通過衣服中的傳感器探測人體肢體動作體征數據，并傳送到微機上，滿足信息存儲與交互。

3 智能服裝設計手段

在滿足用戶需求的前提下，智能醫護服裝的設計不僅涉及信息技術、微電子技術等領域，還包括造型設計、顏色搭配、加工工藝等服裝設計制造領域。與傳統的服裝設計相比，智能服裝的設計需要考慮科技手段在服裝上運用的合理性，確保電子元件與整體造型的融合，實現科技、服裝有機的結合。

3.1 技術設計

考慮到糖尿病人的具體情況，其智能監護服系統設計如下：運用美國Medtronic最新研發的實時監測血糖數據系統(CGM)，由檢測探頭、發射器和顯示裝置構成。檢測探頭可通過細小金屬絲隨時貼近患者腹部，檢測探頭連續檢測(到某一固定時間可丟棄更換)，將探頭和服裝的前衣片腹部部分結合在一起[9-10]。該系統每10 s對皮下間質液里的葡萄糖濃度進行測量，整個工作過程快速而無疼感。所得的數據信息經過處理，由無線方式傳到接收器上，再進行均值處理，以每5 min一次的速度搜集糖尿病人的體征數據。該智能醫護服搜集的信息量是指血測試法的100倍，提高了檢測效率與準確性。醫生能隨時了解病人的狀況，與之形成互動，使糖尿病人得到更好的監護。

動態血糖檢測是連續的無創傷技術。采集過程不用刺破皮膚，且無疼感，主要由人體滲出液，也就是由皮下間質液測量血糖高低。第一方面由滲出液中兩者的相關性進行計算來測量，最后由傳感器通過收集間質液(人體汗液、唾液等統稱為間質液)分析出血糖值。實時測量和時間標記測量是同步進行。第二方面是信息預處理階段，有用的被保留，無用的被放棄。智能監護服最終解決的是傳感器和其他電子元件和織物相融合問題[11]，如吸濕透氣、調節體溫，使患者感到舒適等。在不影響人們日常生活的狀態下完成數據的采集。其準確度和可靠性有待于臨床檢驗，在服裝與模塊結合的基礎上，減小模塊的體積、質量，低功耗，易使用，環保等問題，同時對該服裝系統融合度、耐用性要做合理的評估，使其既實用又時尚。

3.2 材料設計

智能醫護服材料的運用要確保用戶穿著的舒適度及傳統服裝針對的質感、顏色運用外，還要考慮智能服裝面料與電子元件的有效結合。實驗服裝用純棉、莫代爾、氨綸制作，面料成分為45%純棉、45%莫代爾、10%氨綸，這種面料常用于女性打底衫或者夏季服裝中，舒適吸汗，透氣性能好，氨綸的高彈性保證了服裝穿脫方便，活動自如。該面料通過人體舒適性能的測試，斷裂伸長率為1.9%，最大強度大于等于1 248 D，并且電子元件與成衣結合度適中，不會由于元件的植入而下垂，影響智能服裝的美學效果。該系列監護服在設計時，既保證貼合人體部分的舒適、易穿，又為服裝的流行時尚提供拓展空間。在收集間質液并測量分析血糖值時，由內置的探頭、射頻裝置獲取的信息，觸發相應的報警裝置[12]。

3.3 智能服裝款式設計

本系列智能監護服追求健康環保、積極向上的生活理念，在款式上采用不同顏色的拼接，線條的分割是根據糖尿病人出汗部位不同、檢測部位的合適程度設置，點線面的分割符合人體生長規律和審美要求。在設計中充分考慮了檢測設備與人體的接觸時長和準確性，如果服裝款式加放量大、舒適透氣，但是檢測器與人體皮膚不能全方位地接觸導致其作用不能很好的發揮。因此，本系列智能服裝設計采用合體修身型，胸圍放3 cm的松量，腹部放3 cm，褲子圍度最大放10 cm。由于人體腹部前凸后凹，這種天生的結構造型決定了檢測器與腹部良好的對接。

智能裝置鑲嵌在軟體子母面料中，在成衣內部緊貼前衣片。內部是一個和刺繡圖標一樣大小的暗袋，暗扣封口，使智能裝置不易滑落，外部為刺繡標，小巧輕便。這樣的設計既美觀又時尚，不用時可以取下，便于成衣洗滌。本系列智能服裝為修身合體型，高彈布料制作，便于患者進行體育運動，用戶可根據自己的喜好選擇。款式結構如圖1所示，血糖檢測主體元件如圖2所示，成衣正面刺繡圖標如圖3所示。

圖1 系列服裝款式結構Fig.1 Style structure of a series of clothing

圖2 血糖檢測主體元件Fig.2 Main component of blood glucose detection

圖3 成衣正面刺繡圖標Fig.3 Front embroidery icon of ready-made clothe

3.4 智能服裝結構設計與工藝設計

智能成衣的形態造型，目前相關的研究工作較少。本實驗是在糖尿病患者監護服的制作中，為了做到合體、實用、美觀用單裁單量的方法制作，腰腹的放松量很小，以活動自如為主，目的是滿足醫療監護服信息檢測的準確性。在造型上衣長蓋過臀部，前長后短，肩斜線前移、前領深加大尺寸等方式，便于前衣片上的探頭能夠刺激腹部。在工藝上用手工制作與機縫相結合，各裁片的縫制用三針五線，確保各拼接線應有的彈力，縫頭光滑平整，與面料的拉伸度同步，使成衣既美觀又舒適，確保醫護服滿足病人的需求[13]。在整體結構造型上，充分考慮工序的銜接性及可行性、縫型設計的合理性，并保障成衣與電路的完美結合，使成衣整體協調，使檢測效果最佳。

3.4.1 多功能基座位置

本系統不需要額外供電，圖2主體元件中4為充電口，多功能基座具有充電、檢測、數據上傳等多重功能，基座置于成衣前腹部暗袋中，隨時取出充電。該智能成衣在設計、制版、制作時，充分考慮元件的適用性與準確性。按工業化成衣的要求，檢驗樣板縫份正確性，對位點標記是否合理，設計刺繡圖標，確定元件位置，在反面加入絨性無紡襯，電腦刺繡，保證圖標的美觀及牢固。

3.4.2 智能服裝血糖測試電路分析

智能服裝血糖測試電路設計：檢測部分使用涂有化學材料的測試片，在測試片上施加一定的電壓，GOx和葡萄糖分子發生反應生成電活性產物，形成電極電流，利用這種電流的強弱來計算血糖值。由于產生的電流值很小，因此設計了信號變送與放大電路，為方便使用，電路將電流值轉換成電壓值經A/D引腳輸入到STM32中進行數據處理，處理的結果可在液晶屏上展示。

經過實驗發現，正常人的血液與GOx反應后生成的電流大小為nA～μA級別，所以轉換電路中比較器的正向輸入端接入的電壓是1 V，經過R6、R5和R4三個電阻分壓得到需要的值是273 mV，智能服裝血糖測試電路分析如圖4所示。

圖4 智能服裝血糖測試電路Fig.4 Blood glucose test circuit of smart clothin

4 智能服裝應用與評價

設計的智能服裝包括照護系統在現實中的應用，分三個方面：1)血糖檢測數據系統；2)電腦語音總機；3)專家照護系統。通過檢測儀把檢測到的血糖數據上傳到資料接入界面→電腦語音總機→健康管理系統→專家、護士照護系統→藥物推送→專人護理。其中醫護人員、家屬全程監控，隨時了解病人的血糖升降趨勢，達到合理用藥。患者智能服裝系統工作流程如圖5所示。

圖5 糖尿病患者智能服裝系統工作流程Fig.5 Workflow of intelligent clothing system for diabetic patients

4.1 應用與分析

由于該服裝主要是測量患者血糖數據，所以主體元件盡量貼近腹部，同時還要兼顧監護服的舒適性和外觀的時尚性。針對血糖檢測數據系統進行實驗，患者分成兩組，每組3人。一組把主體元件用醫用低敏膠布貼在腹部，另一組穿上置入電子元件的智能服裝，六人把前后獲得的感受進行對比。表1是貼片式和融入電子元件智能服裝在運動、焦慮、熱濕、感知、情感、附著六個狀態患者的感受，根據測試者的體驗，智能服裝比貼片舒適性好，活動自如，心情放松，更容易被患者接受。

表1 智能服裝等級評價Tab.1 Intelligent apparel grade evaluation table

再讓測試者穿上智能服裝，用杜邦線與電腦相連，ATK-XCOM 軟件讀取血糖變化數據，測試時間是上午8:30早餐后開始，衣服連續穿著，不可脫卸，測試者靜坐20 min，起來走動10 min，再靜坐20 min，中餐后繼續測量，連續測量3 d。立體制版如圖6所示，做出的智能成衣如圖7所示，實驗過程如圖8所示。

圖6 立體制版示意Fig.6 Diagram of the institutional layout

如圖9所示，測試者穿智能服裝進餐后所測得連續3 d的血糖曲線。第一天顯示的曲線進餐后有高血糖出現，夜里睡眠時有低血糖現象；第二天患者的飲食結構改變成清淡型，下午不再進餐，入睡前加適量餐；第三天白天調節好飲食結構適量進餐，夜里睡眠時無低血糖，對比貼片式檢測無明顯差異。

圖7 智能成衣Fig.7 Intelligent clothing

圖8 實驗照片Fig.8 Experimental photos

圖9 患者3 d的血糖曲線示意Fig.9 3 d glucose curve of patients

如圖10所示，測試者穿著智能服裝在運動時，如行走、上下樓梯等動作狀態，實測的血糖數值。第一天發現午餐后有高血糖并持續下午血糖偏高；第二天午餐和晚餐后適當散步，血糖升降效果良好，血糖平穩。

圖10 患者2 d的血糖曲線示意Fig.10 2 d glucose curve of patients

在檢測期間病人無需改變生活狀態，至少穿3 d，監測范圍(2.2～22.2 mmol/L)記錄器每10 s記錄一次。每隔5 min把平均值轉變為血糖值儲存在記錄器中，每天儲存288個數值，多功能基座具有充電、檢測、數據上傳多重功能。為了防止電池長久老化，建議洗滌服裝時取下，以免損壞電路元件。本系統可透過衣物掃描，即可獲得葡萄糖趨勢變化的相關數據[14]。

4.2 效果評價

本智能服裝設計方案的優點主要有：1)該智能服裝舒適自然，實用美觀，它整合了檢測、轉換、存儲、所有的元件放在一個紐扣大小的基座中，患者不用擔心線路扭曲、旋轉、各部件移位，同時取舍方便，便于成衣洗滌折疊；2)能幫助患者了解平時的飲食結構、控制進餐時間、作息時間，應激，運動，血糖管理等；3)能促進患者根據自身的情況養成良好的管理健康習慣，提高病人對醫生的依從性，良好的互動性；4)患者穿著舒適，不會出現貼片接觸面過敏現象，固定貼片膠布形成的緊繃感等。

本方案的缺點有：激烈的運動數值不夠準確，如跳躍、翻滾等；在強輻射源附近使用也不準確。要使本智能服裝發揮最佳效果，需通過長期的臨床測試獲得正常和異常的醫療值，分析精算，獲得其穩定性、可穿性。還可以通過問卷調查方式來獲得使用評價，對使用建議仔細分析，以便更好地改進思路。在面料的印染、整理、電子產品的嵌入、服裝的加工過程中都存在污染，因此在糖尿病人監護服的加工過程中都要用純天然易降解環保的材料。另外，當服裝不再使用時，可以對系統內電路回收再處理，有利于保護環境。

5 結 語

本文旨在開發一款實時監測血糖變化的智能服裝，設計了血糖測試基座及植入服裝中的最佳位置，分析了智能服裝血糖測試電路的工作原理。實驗發現正常人的血液與GOx反應后生成的電流大小為nA～μA級別，所以轉換電路中比較器的正向輸入端接入的電壓是1 V，處理的結果可在液晶屏上展示，用戶可以隨時查看結果，與醫護人員互動。

綜合考慮智能服裝在臨床中的應用，規劃糖尿病患者智能服裝系統工作流程，通過實驗對比，貼片式和融入電子元件智能服裝在運動、焦慮、熱濕、感知、情感、附著六個狀態患者的感受。測試者穿智能服裝進餐后所測得連續3 d的血糖曲線圖，與貼片式得到的數據無多大差異，實驗驗證該智能服裝系統穩定性能較好。數據誤差范圍小，缺點是患者運動幅度過大，檢測數據不夠準確，原因是基座中的探針不停地變換位置所致。本智能服裝的研發流程與應用，為血糖的實時監測提供了借鑒與參考依據，其柔性化、可穿性、時尚性、精確性是今后研究的方向。同時加強各項標準的完善，達到良好的使用效果。