智能紡織移動健康監測系統研發趨勢一瞥

移動醫療能通過智能紡織物將移動計算和健康監測結合在一起，從而增進了患者和醫生間的溝通。移動設備在我們生活中必不可少，它能實現醫療保健與日常生活的無縫銜接，并隨時隨地提供準確的醫療信息。最近開發的傳感器、低功耗集成電路及無線通信等技術促進了低成本、輕量級及智能生物傳感節點三位一體的設計。這種技術可將信息感知、處理、通信合并到無線個域網或無線局域網中，以實現移動健康監測。要實現這樣的監測，移動健康監測系統中起作用的是智能紡織物，織物的系統基于傳感與采集生物醫學和環境數據，通過移動設備向患者反饋醫療信息。

物聯網的應用

普適計算是一種將計算融入我們工作和生活的概念，它使人類與移動設備或計算機等計算設備間的交互變得非常自然，用戶以完全透明的方式獲得多種類型的數據。普適計算可應用于生活各方面，包括醫院、急救、工業、教育和戰場中。這項技術在健康領域的應用被稱為普及醫療保健。移動計算是一種新型的移動計算設備，它在日常生活中無處不在。手持設備、電話和多種嵌入式系統使人能隨時隨地獲取信息。移動計算與普及醫療的結合稱為移動醫療。移動醫療克服了地點、時間和人物的限制，并隨時隨地為人提供醫療服務。

在很多情況下，人們察覺到自己健康出了問題，但卻不愿或不能去看醫生。肥胖癥、高血壓、心律不齊或糖尿病都是常見的健康問題。對這種情況，醫生建議定期常規體檢。但是，如果我們能提供更智能化、個性化的方式，讓用戶獲得自身的身體數據反饋，將為他們節省寶貴的時間，讓他們自己掌控健康，并降低長期醫療成本。

普適計算和通信技術的進步以及微電子和電子納米學，都為電子技術和柔性傳感器的無縫合成創造了條件。由紡織品制成的柔性傳感器或有類似織物的質感和柔韌性的傳感器，通常被稱為電子紡織品或智能紡織品。業界將智能紡織品描述為一種能對環境和外界刺激感知，并做出反應的智能材料。根據紡織品的智能程度依次為：被動反應、主動反應以及智能。被動級別的紡織品只能獲取關于環境的信息，而主動級別的紡織品能對環境做出不同反應，智能級別的紡織品可感知環境，并根據環境來調整。智能織物的智能程度受限于傳感器、執行器和控制單元。如，被動級別的智能織物由傳感器檢測信號。主動級別的智能織物需要執行器或控制單元與傳感器的耦合以檢測信號。而對智能級別的織物，則需要傳感器、執行器、控制單元和情景材料之間的組合來檢測信號。

具有情境感知功能的智能材料由傳統織物與新型材料、機械加工技術以及化學、生物材料結合而成。生物醫學中，需對生理信號長期監測，這類傳感器把織物首選為介質，因為它是貼近皮膚的自然材料。過去，生物監測系統使用粘合劑將電極或傳感器固定在皮膚上，并用導電凝膠對皮膚進行低阻抗電處理。如今兼具高輸入阻抗和高共模抑制比(CMRR)的模擬前端電子器件，促進了干電極的出現并替代了凝膠。干電極與衣服無縫結合是當前長期監測系統中最合適可行的選擇。然而，干電極存在初始沉降時間的問題，其接觸阻抗會慢慢下降，直到足以從環境中獲取噪音信號的最小值。解決這一問題需要使用納米結構傳感器，其表面積比平面傳感器更大，因此可更快獲得理想的低接觸阻抗。其過程如下：首先，向有心血管疾病（CVD）的患者提供可穿戴紡織系統。然后，在納米結構傳感器和納米材料與紡織品結合的基礎上，進行心臟監測研究。最后，智能設備進行多參數監測。

許多監測生命體征的環境傳感器(溫度、濕度和光線)的生物傳感器和位置傳感器都可集成到可穿戴的無線身體/個人局域網中。這種網絡由便宜、輕型以及微型傳感器組成，可進行長期隱形的動態健康監測，及時向用戶反饋當前的健康狀況，并近乎實時更新用戶的醫療記錄。該系統可對康復過程進行監控，也可用于身體狀況的早期檢測。

這樣一來，服務器將有大量的醫學數據，它會對數據進行挖掘和分析。一般是專家對關鍵數據進行探究、分析并提出建議后，服務器就會自動向患者提供反饋。這一切都與物聯網有著千絲萬縷的聯系。

織物中的傳感器

如今，可用作智能織物的材料有傳統的棉花、滌綸和尼龍，還有功能強大的芳族聚酰胺纖維。然而，目前人們對導電的織物興趣更濃。以紡織傳感器電子學和傳感器傳統織物為基礎，目前業界已研發出兩種帶健康監測功能的智能織物。這表明導電紗線能編織到織物中，形成一種類似于“可穿戴主板”的織物。這項技術可像濕凝膠電極一樣，將身體上的多個傳感器連接到信號采集電子設備。研究表明，導電紗可用于紡織傳感器的制造，這些傳感器是由表面有涂銀的織物或帶導電金屬芯的編織網格制成。制造服裝與心電傳感器電極有兩種使用廣泛的方法，即將成衣功能化或將成衣與傳感器元件相結合。這種方法將成品電極與成品服裝相結合，電極縫入服裝適當的位置，或用沉積技術將功能材料轉移到適當的位置。這樣一來，制作衣物半成品就凸顯出重要性。在服裝制造過程中引入的智能材料需要紡織制造技術將其織入制織物或無紡品。以下為電子技術與紡織品結合的關鍵點。

1.與成衣結合

電極在制作中可編織入柔性和剛性材料。電阻電極包括柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)、ENOBIO碳納米管陳列電極、碳納米管和聚二甲硅氧烷納米合成物、柔性聚合物干電極和柔性襯底上垂直排列的金屬納米線。電容電極包括鈦電極、錫電極、氧化銥涂層電極和錐形微機電系統電極。智能紡織品的實現可通過將這些電極縫入成衣來實現。

2.紡織品電極

紡織品的最小單位是纖維或細絲。這些單位的各種組合形成了長度、形狀、橫截面和粗糙度不同的紡織材料。智能性、導電性可按不同層次引入織品中。在纖維層次上，可使用涂層或添加導電線的方式制造復合織品。不同類型的纖維或可按需或嚴格地排列在紗線或織物上，包括可排列成三維結構。將這些結構金屬化或功能化，以制作紡織電極和其他納米線圈排列結構的功能面料。因此，織物導電的方法有兩種，在紗線中加入很細的導電絲，或在織物表層涂導電材料。

含有導電細絲的紗線或涂有導電層的紗線都是導電織物材料。棉纖維與單壁碳納米管(SWCNT)融合后會增強其機械性和導電性。濺射、絲網印刷、靜電紡絲、碳化和蒸發沉積等技術均能賦予織物導電涂層較高的導電性，但其耐久性較差，經洗滌后會更差。納米紡織品是在紡織物中添加納米結構或納米絲狀結構，而非直接將納米材料融入織物。

3.導電跡線和連接用納米復合油墨

實現紡織品與穿戴系統各組件之間的互聯，需要一種實惠且可推廣的方式。方法之一是將功能性墨水印在紡織品上，形成印刷電路。就心電信號智能紡織品而言，這種方法與導電油墨的配方和在織物上打印的電容結構緊密相關。無紡品上的導電跡線和傳輸線使用的技術是聚合物厚膜工藝(PTF)。另外，可伸縮和耐磨損的油墨配方中也含有導電填料和聚合物粘合劑。聚氨酯粘合劑成功地使用了銀箔導電跡線，證明導電油墨可應用于織物并具備伸性。研究人員采用噴墨印花的方式，成功地在膠乳襯底上涂上了聚苯乙烯磺酸鹽薄膜。他們還合成了多壁碳納米管(MWCNTs)、聚苯胺納米顆粒(PANP)和芯殼基納米復合導電油墨，并成功地在棉織物上進行了絲網印刷。在丙烯酸粘合劑中，他們從帶有銀色薄片的油墨中提取了導電跡線，并將其用于心電圖電極和柔性印制電路板(PCBs)連接。

4.系統應用實例

有關監測生理信號的可穿戴系統的研究已有多次報道。一般都以可穿戴配件的形式出現，比如用于無袖血壓監測的腕表。在現成的電子設備上配備了環氧電板，再配上干電極，可嵌入帽子或襯衫等衣物中。該系統通過手機藍牙支持無線局域網電腦和無線數據傳輸及遠程患者監控(RPM)等技術進行遠程傳輸。該系統的微電子器件帶柔性襯底，易于和織物結合。這些電子設備可完成多種生物計量監測，如出汗率、體溫、心電圖、血氧水平等。

該系統的微電子器件帶柔性襯底，可與織物相結合。這些電子設備可完成多種生物計量監測，如出汗率、體溫、心電圖、血氧水平等，并可進行無線傳輸。結合全球定位技術可無處不在地促進醫療干預和醫療保健升級。通過封裝、纏繞的方式，將電子、光學和壓電傳感器與織物相結合，以監測人體生理信號。干電極是可穿戴系統中最常用的生物電位測量傳感器。這些電極設計各不相同，包括導電線織物、金屬針狀電極、表面導電氯化銀電極（無導電凝膠）和電容耦合干電極。試驗證明這些電極能獲取生物電位信號。除此之外，他們還可刺激心臟、神經。光學傳感器是現成的微電子和光纖傳感器。壓電傳感器有現成的微電子器件、柔性壓電薄膜和功能化壓電紗。無線傳感器系統可產生大量數據，因此需要數據管理和后期處理。研究表明，數據庫可解決醫學診斷數據導出和存檔的數據容量問題。此外，通過云計算處理和遠程訪問存儲的數據可提高計算性能。而基于納米紡織的傳感器和無線通信系統則讓可穿戴系統更上一層樓。

5.電子背心

這種內層背心可與納米生物傳感器結合，如金納米線電極或納米結構織物電極和復合壓電薄膜。它還能附帶紅外監測系統并進行體積描記和溫度檢測。電子背心系統是一種多通道、可穿戴、基于紡織品的納米生物傳感器，多用于監測心電圖和血壓。

6.系統描述

這個系統由四部分組成：首先是壓縮內層背心，也就是電子背心。該背心帶有紡織電極傳感器和打印連接跡線，它能將電極與傳感器電子模塊(SEM) 連接。其次是帶有近紅外發光二極管和光電二極管的光電容積脈搏波描記臂帶，這個臂帶通過印在左臂上的導電跡線與傳感器電子模塊相連。再次是一傳感器電子模塊由放大器、濾波電路、單片機和無線局域網無線電波發射器組成。最后是電腦軟件程序，用來接收佩戴者的身體數據，并可繪制數據圖。

光學體積描記臂帶由兩個陣列的近紅外光電二極管和一個中心陣列的三個光電二極管組成。電極和臂帶通過導電跡線與傳感器電子模塊連接，導電跡線的印墨是一種納米銀粒填充劑，通常印在背心和紐扣上。導電線由導電印墨制成，采用絲網印刷，與紡織品生產工藝兼容。臂帶可拆卸，由4顆扣子固定在背心上。傳感器電子模塊和臂帶的應用，使電子背心可拆卸可清洗。

傳感器電子模塊(SEM)

放大器是傳感器電子模塊的一部分，由4個通道組成，其中3個通道是雙極肢體引線，分別是引線1、引線2和引線3。第四個通道可放大整個光電二極管的電位差，用于檢測肱動脈的反射紅外波。掃描電鏡中，放大器的通頻帶為0.2赫茲至70赫茲，可以為3個心電通道中頻帶增益50分貝。在0.2赫茲至15赫茲波段，光電容積脈搏波描記傳感器的增益為55分貝。放大器的放大信號通過板載微控制器進行數字化傳輸。

無線局域網電化模塊的選擇有兩點要求。首先，它必須支持高于9600bps的數據速率，因為4個通道的數字化心電圖和BP信號必須實時傳輸。其次，它提供盡可能寬的通信范圍，以應用于體育、軍事和高風險的工作環境，如消防員。

1.電子文胸

男式背心的內層系統也可適用于女式文胸。前一節中列出的各種傳感器都可與電子文胸結合，傳感器通過打印導電跡線或導電線將信號傳輸到電子納米柔性模塊中。電子文胸的原理是：電子納米柔性模塊進行數據采集和無線傳輸，然后利用信號窗口將電子納米柔性模塊接收的數據繪制成圖，并顯示出來。

2.多通道數據獲取

電子背心獲取的數據可用無線方式輸入電腦。然后用自適應濾波算法對電腦接收到的數據進行濾波，以減小運動對心電信號基線的影響。MATLAB公司研發了數據采集和自適應濾波。JAVA平臺和智能手機上也實現了同樣的功能，還繪制了脈搏波形圖、心率圖及血壓的收縮、舒張壓值。用于數據采集和無線傳輸的電子納米柔性（enanoflex）模塊也能很好地應用起來。根據之前獲得的校準方程并利用導出的脈沖傳輸時間(PTT)值，估算出血壓的收縮、舒張壓值。其他傳感器系統也可用于可穿戴系統的研發，以監測呼吸、體溫和血氧水平。經處理的心電圖可作為預測診斷的工具來計算心率變異性(HRV)。心率變異性即將心臟連續節拍之間的心率差異串聯起來，組成序列。它是以連續R波峰間的間隔差的倒數來計算的。采用自回歸(AR)功率譜估計技術，可得到心電圖上相鄰兩個R波的時長序列功率譜密度(PSD)圖，從而觀察到低頻和高頻峰值的特征。該圖顯示人在站立的情況下，心電圖上顯示的相鄰兩個R波間的時長，并據此計算出自回歸功率密度譜。圖中不同的自回歸功率密度譜，顯示低頻和高頻運動間的功率分配，這只是相對于總功率的變化而言。

電子背心和文胸系統可用于檢測與心臟自主神經調節相關的慢性疾病。連續多導聯心電監測可用于檢測T波倒置，這也能記錄心室發生變化的信號。檢測T波倒置還可實現心電的自動處理，這個自動處理過程就像報警系統一樣，一旦子程序被觸動，就會通過遠程服務器把心電信號發送到醫生辦公室用于診斷。

3.系統架構

智能移動健康監測系統通過生物傳感器收集患者的生理數據。數據在傳感器網絡匯集，并傳輸到患者的電腦、手機上。這些設備又會將數據轉發到醫療服務器中進行分析。之后，醫療服務器向患者的電腦、手機提供反饋。病人可根據反饋采取必要的行動。移動智能健康監測系統可服務于三方面。

1)可穿戴式人體傳感網絡；

2)患者個人家庭服務器；

3)智能醫療服務器。

①可穿戴式人體傳感網絡

可穿戴式人體傳感網絡就是可穿戴或可植入的生物傳感器。這些傳感器收集人體必要的數據。每個器官都有一組傳感器，傳感器會將數據發送給組長。小組間互相交流，并將信息匯總發送給中央控制器。中央控制器負責將病人的數據傳送到電腦、手機中。人體內部的無線通信過程表明，組織介質是以電磁(EM)射頻(RF)形式發送信息的通道。因此，在可穿戴式人體傳感網絡中，信息是以電磁(EM)射頻(RF)波的形式傳輸。使用藍牙、無線局域網和無線個域網三種無線協議中的任何一種，都能實現中央控制器與患者個人家庭服務器間的通信。藍牙適用于中央控制器和患者個人家庭服務器（PPHS）間的短距通信。無線局域網能適用于更遠的距離。無線個域網作為一種專門的無線協議，被廣泛應用于各個領域。因此無線個域網也可用于通信兩者之間的通信。

②患者個人家庭服務器

患者的個人家庭服務器可以是電腦或移動設備。專家建議使用移動設備更合適。患者個人家庭電腦從可穿戴式人體傳感網絡的中央控制器中收集信息，并發送到智能醫療服務器（IMS）上，這是患者個人家庭服務器的功能。基于個人電腦的家庭個人服務器通過互聯網與智能醫療服務器通信。基于個人家庭服務器的移動設備使用通用移動通信技術（GPRS、Edge、SMS）與智能醫療服務器聯通。使用智能醫療服務器最好是通過網絡服務或基于小服務程序的體系結構。在傳輸過程中智能醫療服務器充當服務提供者，患者家庭個人服務器充當服務請求者。上述過程中的技術和服務器，在復雜的網絡環境中為患者提高安全保障。因此，個人電腦、手機可輕松連接到智能醫療服務系統中。

③智能醫療服務器

智能醫療服務器（IMS）接收所有來自患者個人家庭服務器的數據。它是整個系統構架的基礎。能夠獲取病人以前的治療記錄信息，了解患者特定的閾值。當醫生為病人檢查時，檢查和治療結果都存儲在中央數據庫中。智能醫療服務器使用最先進的技術處理數據，并根據數據的性質和分布，選用神經網絡、關聯規則、決策樹等處理技術。處理后的信息，能向家庭個人服務器提供反饋。在危急就醫的情況下，醫院又根據家庭個人服務器反饋的患者數據，采取相應的治療措施。智能醫療服務器也保存患者詳細的醫療記錄，據此可以推斷出病人、病人家庭甚至病人所居之地的疾病趨勢。智能醫療服務器可監測到由于季節變化、流行病等引起的健康變化。智能醫療服務器主要由專業醫師控制和監測。但是，病人也可通過專門的訓練，學會監控智能醫療服務器。通過研究智能醫療服務器中的數據存儲庫，可獲得人們健康狀況的信息。它有助于當局制定醫療衛生政策。許多患者的個人家庭服務器與智能醫療服務器相連接，那么病人信息的安全至關重要。無線射頻(RFID)可確保病人信息的安全。它是一種自動識別方法，通過無線射頻標簽，可實現數據的存儲和遠程檢索。無線射頻標簽通過無線電波技術可識別產品、動物或人體。有些無線射頻標簽可讀取幾米外的信息，其距離甚至超出人的視線范圍。因此，無線射頻標簽可為病人信息提供安全性。

前途光明，任務艱巨

移動醫療系統中生物傳感網絡的使用，對研究人員未來的工作提出了新的挑戰，如：尋找確保生物傳感器安全的最有效機制；解決內存和能量的限制；收集最豐富的用戶信息數據，又最大限度地減少存儲占用；進行數據建模，使系統只顯示相關信息而不是所有數據，從而節約內存。這是未來移動醫療領域可實現的一般性工作。著眼智能移動健康監測系統，人們的視野需更加廣闊。在這個系統中，病人無需走動就能獲得救助。傳感器技術在進步，但生物傳感器的發展還遠遠不夠。未來，葡萄糖不再人工服用，生物傳感器可通過智能醫療服務器的反饋將葡萄糖輸送到患者體內。聽起來似乎不可思議，但萬事皆有可能。今天人們的想象，在不久的將來都能實現。但若僅止于想象和思考，那么萬事皆不可能。毫無疑問，未來智能傳感器將推動醫療領域取得重大進步，實現多個智能傳感器的連接，并應用于特定的疾病解決方案，這種技術前景光明。人們還需要從不同的角度進行研究，以解決一系列艱難的新問題。由于傳感器的無線網絡是為生物醫學而開發的，人們可從中獲取靈感，以促進傳感器網絡的新應用開發。植入式智能傳感器的研發解決了許多醫療問題，對個人和整個社會都益處無窮。在這樣的條件下，病人獲得更高的醫療，患者及其家人都受益匪淺。監測癌癥的生物醫學植入傳感器有助于患者保持健康。除了個人受益于改善的醫療條件外，社會生產力也將提高。一旦這項技術得到完善，慢性病的治療成本也將降低。隨著世界人口的增加，這類系統的需求也會日益增長。由此看來，物聯網在智能紡織移動健康監測系統中發揮著巨大的作用。業界希望通過它，讓智能移動健康監測系統幫助全人類獲得健康，因此智能紡織業界應相信這個目標一定會實現。

(據印度《技術紡織物》https://www.technicaltextile.net/articles/iot-in-intelligent-mobile-health-monitoringsystem-by-smart-textile-8337近期資料）