基于生理監測的可穿戴智能服裝應用與展望

于靜靜,鄧詠梅,*

(1.西安工程大學 服裝與藝術設計學院,陜西 西安710048;2.紹興市柯橋區西紡紡織產業創新研究院,浙江 紹興312000)

隨著時代發展和生活質量的提高,人們著裝觀念發生了很大變化,對服裝提出了新的要求,更加追求服裝的品質化、個性化。另外,健康問題也受到了人們極大重視。傳感技術、通信技術等發展推動了可穿戴智能產品的發展。人體生理信號(體溫、心率、呼吸等)監測對人體疾病的預防、分析、診斷和人們日常的健康狀況查看有重要意義和價值。

可穿戴生理監測系統采用生物傳感器獲取人體運動與生理參數,對穿戴者或遠程監控者提供實時生理信息反饋。文中主要綜述了可穿戴人體生理監測服裝在醫療監護、運動健身、軍事及特殊環境作業等方面的應用;另外,對穿戴式監測服裝的設計要素做了歸納;最后,通過目前穿戴式智能服裝的研發和應用情況,對其未來發展趨勢進行了展望。

1 穿戴式生理監測

1.1 穿戴式設備特點

可穿戴智能生理監測服裝是微電子技術與服裝結合的產物[1]。穿戴式生理監測設備主要涉及到傳感技術、無線通信技術和信號處理技術等[2]。它具有低負荷、操作簡便、可移動、持續監測、無線傳輸和異常生理狀況報警等特點[3]。目前,穿戴式生理監測設備能夠監測人體心電、心率、血壓、體溫、呼吸頻率、血糖等指標,提供全天實時的健康狀態監測[4]。

1.2 監測系統組成

監測系統主要由生理信息采集模塊、無線通信模塊和數據處理模塊組成。生理信息采集模塊用于獲取用戶的心電、呼吸、體溫等生理信息;無線通信模塊將數據傳遞至遠方終端;數據處理模塊對數據進行分析、顯示、存儲等,并在出現異常情況時給予警示。

2 可穿戴生理監測服裝的應用領域

根據不同群體以及作業需要,研發出了一系列可穿戴智能產品?？纱┐髟O備與服裝集成為人類提供了很大便捷。目前,可穿戴生理信息監測服裝應用領域較為廣泛,涉及到醫療保健、運動、軍事及特殊環境作業等方面。

2.1 醫療監護

醫療監護類服裝已成為當前可穿戴智能服裝的主要產品。此類服裝主要為老年人、兒童、患者等人群提供監測[5]。監測系統主要通過電子設備獲取到生理信息,然后向智能終端發送并顯示數據,讓穿著者本人或其家人實時監測到生理健康狀況,預防或及早發現疾病,如遇到突發性疾病,系統可以向患者的家屬發出報警。因此,智能穿戴式監護服的研發對于醫療診斷和健康狀況評估有重要作用[6]。例如,乳房健康實時監測[7],老年人心率、呼吸監測[8],用于預防肌肉骨骼疾病的智能背心[9],監測心率、體溫等指標的智能T 恤,能夠追蹤孕婦生命特征的智能孕婦裝等。

心率、呼吸是人體健康監測中的重要數據。張海軍基于老年人社會關懷及健康需求,將手持式心電監測儀、導聯線等裝置相互串聯,與老年服裝結合,實現老年人人體實時監測[10]。Keri J.Heilman等[11]研發了“LifeShirt”穿戴式生理參數監護系統。在疾病監護方面,於凌[12],田金枝[13]分別針對高血壓患者和糖尿病患者進行智能監測服裝設計,實現對患者的實時監控。文獻[14]設計了一款血壓、脈搏、體溫等生理指標實時人體健康監測服裝。針對癲癇病患者,法國醫療科技公司Bioserenity 公司推出了智能服裝Neuronaute。通過藍牙無線傳輸可實現遠程診斷和治療,降低死亡風險。英特爾發布了一款可以監測用戶的心率、心電圖等指標的T 恤。其可以通過向醫生提供數據,獲取個人健康狀況。美國Vivo Metrics公司研發的智能化GPS“生命襯衫”,可以測量患者30多項的生理指標。針對兒童這一特殊群體,實現兒童體溫監測尤為重要。為此,研究人員進行了嬰幼兒可穿戴體溫監測智能服裝研發。一旦出現發熱癥狀,不僅能夠得到及時治療,而且還可以減輕監護人的勞動強度。另外,吳夢針對3～6歲兒童制作一款智能兒童泳衣,實時獲取兒童在泳池中的呼吸狀態[15]。

2.2 運動健身

可穿戴運動類監測服主要監測心率、呼吸頻率、運動量等參數,幫助運動者獲得更好的鍛煉。服裝內嵌入多個傳感器,運動者在穿著后能夠實時了解到自己的生理數據,針對監測到的信息適時地作出訓練調整[16],改變運動強度。穿戴式監測服裝在運動健康方面應用也較為廣泛。如可佩戴miCoach心率監測器的運動文胸以及UA 的E39智能緊身衣均可以在運動中進行心率監測。此外,由飛利浦公司生產的智能運動服,能夠監測運動員的血壓、脈搏及運動量。運動員根據自身狀況調整以提高自己的成績[17]。圖1 為加拿大的Athos智能運動服。通過在關鍵肌肉部位集成大量EMG 肌電圖傳感器,實現心率、肌肉活動以及呼吸頻率監測,并且及時向使用者的手機發送有關數據。

來自加拿大的新創公司OMsignal推出的智能塑身T 恤、智能運動內衣,如圖2、圖3所示。服裝內置了多個傳感器,可用來測量穿戴者的心率、呼吸頻率、呼吸量、行走的步數和動作強度等。這一產品的研發可為穿戴者提供合理的健身指導。Hexoskin公司推出的智能T 恤也能夠實現類似的功能,如圖4 所示。它幫助穿戴者有效保持體內水份和熱量平衡,到了晚上,它還能追蹤睡眠和環境,包括睡覺的姿勢,以及心跳和呼吸活動。

圖1 Athos智能運動服

圖2 OMsignal智能T 恤

圖3 OMsignal智能運動內衣

圖4 Hexoskin智能T 恤

2.3 軍事領域

可穿戴智能服裝在軍事方面的應用研究較早。在軍事領域,穿戴式生理監測服裝成為提升單兵作戰力的重要武器,有助于提高軍事能力[18]。該監測服裝主要通過多種電子傳感器來獲取士兵生理信息,持續監測單兵生命體征指標。其相關的數據會依據傳輸技術實時傳輸至后臺處理,對士兵生理狀況及時作出反饋。單兵生命體征監測系統如圖5所示,在救治傷員和士兵戰斗力評估中起到關鍵作用。例如,Georgia理工學院研制出一款可監測士兵生命信息的T 恤,該智能T恤能監測士兵的心電、心跳、呼吸、體溫等指標。指揮者可以在戰場中實時掌握士兵的生理信息,實現數字化管理。為了便于部隊日常訓練管理,研究人員實現了智能化士兵管理展示系統,通過佩戴于士兵身上的系統采集裝置來獲取士兵平時的睡眠、運動和心率等活動數據。平臺分析士兵的睡眠質量、運動數據等進而提供相應的評估建議,實現部隊管理人員實時聯網查看信息。

圖5 單兵生命體征監測系統

2.4 特殊作業環境

特殊環境作業者常常處于高風險環境中,需要及時掌握其健康安全并做好相關的防護。因此,能夠實時監測和分析他們的生理健康狀況尤為重要。為此,研究人員針對特殊作業環境下作業者的需求,研發了智能穿戴服裝。利用服裝這一載體,嵌入一個或多個傳感器模塊,將溫度、濕度、心率等生理數據通過無線傳輸方式發送到智能終端設備,實時監測并分析作業者的生理健康狀況,出現異常狀況時給予提示功能。文獻[19-20]針對消防員的作業環境設計出智能可穿戴系統,實現消防員的體溫等生理數據評估。其中,卜宇提出了一種穿戴式智能消防服。該系統在獲取到心率、溫度等傳感器信息后,將評估消防員的生理狀態并在情況異常時進行報警,系統又通過無線網絡將信息發送到現場指揮車。

季婷婷基于夏季建筑工人的工作環境,設計了一款智能勞保服[21]。它能夠實時監測人體溫濕度以及心率數據,并在出現異常情況時發出警報。對掌握建筑工人的健康安全起到至關重要的作用。此外,還有針對電力施工作業的智能工作服,保障潛水人員安全的潛水智能服裝,可實現環境情況和個人生理情況綜合評估。由Carre Technologies公司研發的智能T 恤Astroskin[22],可以追蹤宇航員從陸地到太空的生命體征,進行穿著者體溫、血壓、呼吸和心跳頻率等信息監測,增加宇航員太空飛行的安全性。

3 可穿戴智能監測服裝的設計要點

同普通服裝相比,可穿戴智能生理監測服裝需將多個電子元件裝置附著或嵌入到服裝中。因此,在服裝設計過程中應綜合考慮,使其具備某些功能的同時還應該滿足服裝舒適性的基本要求。針對此類服裝的設計,歸納出以下三點。

3.1 功能性

針對產品設計而言,從用戶的角度和使用功能出發,達到滿足用戶的實際需要的目的?？纱┐鞣b的設計亦是如此。然而,目前穿戴式智能服裝發展尚處在初級階段,產品還不夠成熟。在實際的穿戴式智能服裝研發中,存在著過于追求功能技術的創新,使得用戶穿著體驗效果較差的情況,不符合實際需求[23]。因此,設計時應結合消費者的使用實際,充分考慮個人需求、社會活動以及應用場景。例如,Rantanen等[24]從用戶需求出發,設計了一款極地生存智能服裝,如圖6所示。在滿足極地嚴寒條件下,實現用戶健康狀況等信息監測,為用戶提供通訊、定位和導航功能,在異常情況下發出緊急消息,以防止事故發生并幫助他們在事故發生時幸存下來。

圖6 極地生存智能服裝

3.2 舒適性

服裝上集成了多個電子元件,如何將元件與服裝之間牢固結合是強調服裝穿著舒適性的基礎。在服裝上,根據獲取生理數據的不同,傳感器選擇放置的部位不同,或背部或胸部等。應考慮服裝基本的穿著舒適性,保證在穿著后對使用者基本活動不造成影響,對自身或他人身心不造成傷害[25]。

3.3 美觀性

以服裝為載體的穿戴式監測服裝設計還應考慮服裝整體美觀性和藝術性,給予著裝者美的體驗與享受,將可穿戴設備與服裝完美結合?？紤]到用戶的使用心理和服裝美觀性,一般將無線電子或監測器件隱藏或融入服裝,保證元件的隱匿性[26]。研究人員將電子模塊置于服裝的口袋、領口等部位。這樣不僅起到很好的隱蔽效果,而且便于安裝或拆卸。

4 發展趨勢

隨著國內外智能可穿戴產品市場成為熱點,可穿戴智能服裝的研發也得到了廣泛關注。然而,目前其發展還不夠成熟與完善。隨著各學科技術發展,未來穿戴式智能服裝將更加人性化、功能化和智能化。

4.1 系統高度集成化

電子元件的微型化與性能優化將使得可穿戴智能服裝質量得到很大提升,進而更好地發揮其功能。就整個系統運行的能量供應來看,現有鋰離子電池質量重且體積大,其置于可穿戴服裝中對使用者著裝舒適性及日常運動有影響。未來將會有能量密度更高,使用壽命更長的電池代替鋰離子電池,電池質量和體積都會大大減小。

4.2 高精度

目前主要采用傳感器進行人體生理數據獲取。通過傳感技術的發展,優化電子元件與服裝結合方式,將提高用戶生理信息監測精確度,從而更好地掌握個人健康狀況。

4.3 綠色理念

綠色設計強調對自然資源的合理利用,注重節能環保。在服裝設計方面,可從材料、工藝等方面加以處理,達到服裝產品的可持續使用,避免對環境造成不利的影響。可穿戴智能服裝設計也應本著綠色環保原則,注重材料的環保性,減少環境污染以及資源浪費。

5 結語

服裝正在向功能化、智能化發展?；诳纱┐骷夹g的智能服裝應用尚處在初級階段,還有很多需要改進的地方。未來,可穿戴智能服裝將會有巨大的消費市場。服裝與電子元件結合方式的優化將會增強用戶的體驗度。隨著技術、工藝、設計等問題的改進,智能服裝將在提高人們的生活質量方面發揮重要作用,對紡織服裝業的發展產生深遠的影響。