纺织品传感器于电子电路设计及应用

杨章民 民扬公司

纺织品传感器于电子电路设计及应用

杨章民 民扬公司

我们的核心技术是用布料当电路版及传感器，同时藉由钢丝线当传输线来量测人体生理资讯，其可用来量测呼吸、姿势、体温、心电图、汗湿度、跌倒、心跳等, 民扬公司已开发出穿戴式的心电图衣、呼吸带、和可侦测身体活动的服饰，有别于现有产品，使用舒适的感应器贴片、不用穿的非常紧、及可以随意走动，还可无线传送数位讯号至远端平台以长期监控其生理状况

纺织品传感器 呼吸 姿势 心电图 步态分析

Abstract:Our core technology is the use of textile as circuit boards and sensor, also use wire line as the transmission line to measure the physiological information, which can be used to measure breathing, posture, body temperature, ECG, sweat and humidity, falls,heart rate, Ming Young Biomedical Corp. has developed a wearable ECG clothing, breathing zone, and can detect physical activity of apparel, from existing products, using the comfortable placement of sensors, do not wear very tight, and free to move around,but also wireless transmission digital signal to a remote platform for long-term monitoring of their physical condition

Key words:textile sensor, respiration, gesture, ecg, gait analysis

0 前言

现今的先进国家，人口发展大多朝向“高龄少子化”之趋势，将导致未来老年人口数量偏高及青壮年人口不足之社会问题，近年来国外高龄化的情形，例如：日本2007年高龄人口(65岁以上)已达21.2%、德国、意大利也进入高龄化社会；为解决未来“高龄少子化”之问题，许多国家开始重视居家远距监控，其中考虑因素不仅在患者疾病预防，患者的健康管理也是发展的方向，日本厚生劳动省之报告指出，2005年日本健康照护市场规模已达5.66兆日元、2007年将达到6兆日元。

根据Frost & Sullivan的研究指出，2003 年美国远距病人监测器材市场约为5450万美元，其中预期2010年远距病人监测器材的复合成长率将达25%，其整体营收将达2.6亿美元，现有之长期照护用监控系统，在使用上最大的瓶颈，必须使用电极贴片和电线，这让使用者感到不舒适和受束缚。针对此瓶颈，民扬公司已开发出穿戴式的心电图衣、呼吸带、和可侦测身体活动的服饰，有别于现有产品，使用舒适的感应器贴片、不用穿的非常紧、及可以随意走动，还可无线传送数位讯号至远端平台以长期监控其生理状况。

再者，考虑使用者要正常的居家生活，监控系统应兼具方便性与人性化。民扬公司的产品是与服饰结合、可携带、微小化、可洗、材质以布为主、舒适、消耗电量小。可在不干扰生活作息的前提下，无时无刻监试使用者的心跳、呼吸、体温、汗湿、姿势等等。万一有跌倒、发烧、心律不整、呼吸急促等意外发生，即可利用此监控系统与远端医护人员互动，得到即时协助。

Databeans (2009)归纳全球医疗电子产业(含健身与健康器材)现况与趋势，有下列4项：

• 健康照护趋势：

健康照护产业趋向居家应用方向发展，创新应用也持续增加，从专业医院端朝向病患发展，并具备可增进照护效率与降低照护成本的方向发展

• 相关组件需求包含：

高效能(advanced performance characteristics)、微小化(smaller sized packaging)、低耗能(lower power consumption)与低成本(cost effectiveness)等方向发展

• 市场需求 ：

从先进国家逐渐拓展至新兴市场发展

• 重要趋势 ：

亚太地区已经成为医疗电子的主要制造中心

同时Frost & Sullivan (2009)指出欧盟列出6大发展重点：(1) E-Health (2) Protective textiles (3) Sustainable construction、(4) Recycling、(5) Bio-based products、(6)Renewable energies 其中 E-Health 及 Protective textiles都是欧盟目前正在进行的发展重点。

随着高科技电子产业的蓬勃发展及需求，使得电子产品不断微小化并与纺织产业技术整合研制出可穿戴式生理监测纺织品，这种智能型纺织品上有许多感应器，可以侦测心跳、呼吸速率、体温等生理指标，在不干扰使用者起居下，长期记录其使用者的生理状态及健康资讯。

1 技术简介

本计划所用技术主要分为三个部分：

A.智慧衣：

将按键开关与心电图电极结合，缝制在衣服上，依睡姿或坐姿，会有不同的电极被推向人体，即可获得心电图，而这些电极不须要黏贴在身上，也不须要用松紧带或紧身衣，即可让受测者很舒适又方便的获得心电图。

B.呼吸带：

利用裂缝感测器固定在腰带上，裂缝感测器会随呼吸拉开或并拢，即是断路或短路，就可以从电路上读取呼吸讯号，同时可以得到吸气及吐气的时间，也可知呼吸频率。

C.智能型运动衣裤：

我们设计了一些圆顶状的感测器在袜子中，再加上一个clip型感测器于裤子中以计录膝盖的弯曲角度，另一感测器则位于双腿间以侦测行进速度。

因此我们设计的系统其功能如下：a.对步行者无影响。 b.可分析双脚的行进特性。 c.使用无线方式传输资料。 d.即时提供正确的步态分析资料。

2 技术方法

A.智慧衣：

将按键开关与心电图电极结合，缝制在衣服上，依睡姿或坐姿，会有不同的电极被推向人体，即可获得心电图，而这些电极不须要黏贴在身上，也不须要用松紧带或紧身衣，即可让受测者很舒适又方便的获得心电图。我们在服上缝制感测器的位置如图1，图2实际人体测试图

图3是心电图电极以及按键开关组合而成，当受压迫时，上端的导电纤维会碰到下方的心电图电极，就可以把心电图讯号传送到控制盒内。当未受压迫时，中间的泡棉会把导电纤维往上撑起，就不会传送心电图讯号。这种组合分别安装在衣服的前面、背面、左侧面、右侧面，如图1。

图1 衣服及感测器位置图

图2 实际人体测试图

图3 心电图电极以及按键开关组合

不同睡姿，压迫到的电极随之而异，睡眠心电衣能分辨四种睡姿，如图4

图4 四种睡姿示意图

B 呼吸带

在测量呼吸上，我们把4个clip type sensor装在腰带上，其整体架构如图5，呼吸带之实体照片及示意图见图6。利用裂缝感测器固定在腰带上，裂缝感测器会随呼吸拉开或并拢，即是断路或短路，就可以从电路上读取呼吸讯号，同时可以得到吸气及吐气的时间，也可知呼吸频率。

图5 呼吸带之架构

图6 呼吸带之实体图及示意图

C.智能型运动衣裤：

我们设计了一些圆顶状的感测器在袜子中，再加上一个clip型感测器于裤子中以计录膝盖的弯曲角度以侦测步态分析。

导电布料与按键开关之结合，使运动讯号数位化单纯化，藉由数位讯号的0、1与时间之变化关系来分析人的运动状态，比之先前的类比系统技术，较易于进行动态运动分析与延伸应用。

藉由按键开关与裂缝感测器开关之ON / OFF 讯号并应用电阻串联原理来简少I/O连接点数量，进而用来分析步态动作的“双脚支撑期”、“单脚支撑期”、“摆动期”…等相关时间资讯(如图7所示)。

图7 右脚步态循环图

图7中的范例是以右脚当作主要之分析范例，该图示的大致意义如下：(1) Initial contact状态到Opposite toe off 状态之时间为右脚第一次的“双脚支撑期；(2)Opposite toe off 状态到Opposite initial contact状态之时间为右脚之“单脚支撑期”；(3) Opposite initial contact状态到Toe off(h)状态之时间为右脚第二次的“双脚支撑期”；(4) Toe off(h)状态到initial contact状态之时间为右脚的“摆动期”。

一个步态的完整循环会有两次“双脚支撑期”出现。

我们的无线步态分析系统如下图8，在上衣、裤子及袜子中包括前述感测器，用MSP430 微控制器去获取资料及分析处理。我们使用100HZ 的取样率来得到感测器的资料。

MSP430 用以记录所得到的数位资讯，并与一蓝芽模组连接，可将资讯传送到电脑或PDA，电脑及裤子、袜子的照片如图9。

图8 无线步态分析器之基本架构图

我们假设行动的间隔时间最小是0.01s，如果有比此时间更小的讯号出现，则将其视为杂讯而将其舍去。故而最小的取样时间定为 0.01s。

圆顶状感测器如图10所示，由纺织料、感测电子组件及极细(0.2mm)传轮导线所组成，当其受压超过80 g，二端的导线将导通。此组件将缝制于袜底。

图9 系统原型照片

图10 圆顶状感测器

Clip 型的感测器如图11，将二个感测组件分别缝制在二片弹性绷带上，第一片弹性绷带含有66% 尼龙及34% 橡胶线，大小是5.5×5cm ，第二片弹性绷带含有50% 尼龙及50% 橡胶线，大小是5.5×10cm。此组件将缝制于裤子的膝盖弯曲处。第一片绷带将于45˚受100 gm 而作用，第二片绷带则于60˚受力400 gm 而作用。

图12是右脚袜子上感测器的分布位置，经由实际实验记录分析数据可了解于不同步态时，各点数据的时序将不同，再加上clip 型的感测器侦测到的膝盖角度变化，因而可对实施对象进行步态分析。

图11 Clip 感测器

图12 右脚袜子上感测器分布图

3 实施例

A.智慧衣：

图13显示睡眠心电衣用两种电极(直接与非直接型)与传统电极受到运动干扰所得之心电图波型。非直接型电极与传统电极的效果很类似，直接型电极效果较差。

图14显示在4种不同睡姿下，用非直接型所得之心电图波型。其R波方向、大小、T波皆显着不同。

B 呼吸带

图15显示使用者在练习瑜珈呼吸术时，呼吸带所得之呼吸波型，以及电脑呈规的模拟影像。

图13 (a) 传统电极，(b) 直接型电极，(c) 非直接型电极； 左：手臂运动干扰，右：腿运动干扰

图14 四种睡姿所获之心电图波型

图15 练习瑜珈呼吸术时，(a)电脑呈规的模拟影像；(b)呼吸波型；(c)使用者之照片

图16～19显示市售PSG(上方)与呼吸带(下方)所得呼吸波型之比较。图16为安静呼吸之波型，两者很相似，但呼吸带输出是数位化的，而PSG是类比讯号

图17为运动时呼吸之波型，(A)为走路， (B)为跑步，(C)为跳跃，可得见PSG易受干扰而呼吸带较不易

图18为其他行为时呼吸之波型，(A)为讲话，(B)为咳嗽，(C)为呵欠，可得见PSG易受干扰而呼吸带较不易

图19为深呼吸之波型，可见4个clip type sensor依序开关。

图16 安静呼吸之波型

图17 运动时呼吸之波型，(A) 为走路，(B)为跑步，(C)为跳跃

图18 为其他行为时呼吸之波型，(A)为讲话，(B)为咳嗽，(C)为呵欠

图19 (A) 深呼吸之波型；(B) 系统可算出呼吸率；吸气时间吐气时间

C 智能型运动衣裤：

利用上图9所完成的系统原型，我们进行了多项的实际分析，包括：

(1) 直线行进；

(2) 跑步机上跑步(6km/hour)；

(3) 倒退行进；

(4) 上楼梯；

(5) 下楼梯。

图20 直线行进各感测器记录结果

上图20即为普通直线前进时所得到的各感测数据记录。

其中各点位置为 (1) L’t knee(45˚), (2)L’t knee(60˚),(3)R’t knee(45˚),(4)R’t nee(60˚), (5)Crotch, (6)L’t toe, (7)L’t middle part, (8)L’tetatarsal, (9)L’t heel, (10)R’t toe, (11)R’t middle part, (12)R’tmetatarsal, (13)R’t heel。

根据图7的步态循环图分析上图结果可得到如下图21的分析结果。不同状态的感测结果分别是(a)right initial contact (b) left toe off (c) right stance phase (d)left initial state (e) right toe off(f) right initial contact。

另外，也可以根据袜子底部的4个圆顶状感测器来做COP (Central of pressure)的分析，如图20，直线行进时左右二个袜子底下的感测器将获得循环的数值结果，根据这些结果即可做压力中心的分析了。

图21 步态的各阶段分析图

另外，也可以根据袜子底部的4个圆顶状感测器来做COP (Central of pressure)的分析，如图22，直线行进时左右二个袜子底下的感测器将获得循环的数值结果，根据这些结果即可做压力中心(COM)的分析了。如图22-a COM 分析图，由此我们可知道使用者在走路时的重心变化，同时也可以评估使用者的平衡感，正常情况下COM 的分析图应该是平均分布。

图22 COP 分析图

图 22-a COM 分布图

下图23则为跑步的数据图。

图23 跑步结果

下图24 则是倒退行进的结果。

图24 倒退行进的结果

图25 则是上楼的结果数据。

图25 上楼的结果

图26 则是下楼的结果数据。

图26 下楼的结果

最后根据上列各项实验结果可得出图27，简单的判断各感测器的数据即可得知为何种步态。

4 结论

图27 感测器数据与步态对应图

本计划是以很简单易行且低成本的方法实现连续且长期监控，突破现有技术瓶颈，不干扰使用者之正常生活，可期待此种穿戴式与床垫式之监控系统，成为最常见的居家配备，不再是昂贵且只有病人才用的特殊器材。且使用者不感觉感测器的存在，且没有隐私被揭露的可能，因为都是0/1数字信号与心电图信号等没有直接人的影像图形。

本产品可以水洗、感测器不会外露、穿在人身体上不会不舒服、并且可以随时随地测试得到数据等功能，而所使用到的范围可用来观察病患复健的状况。数位输出、简单好操作、无线传输、裤子和袜子皆符合人体工学，穿在人身上不会不舒服、产品皆可水洗至少一年；而我们目的是要改善现有市面上产品的缺点，并且使电子和纺织业异业结合。

总而言之，本公司异业结合不同领域的人才，利用布料当做电路板，将人体的资讯以布料当接口传输到控制盒上，进行分析同时无线传输到电脑或手机。目前研发出可以感测参数有：心跳、呼吸以及姿势变化等的感测器(sensor)，并将感测的结果以数位讯号(digital signal)传出。藉由智能型纺织物、资电科技与生医科技结合，产生高科技纤维的监测系统，可量测生理讯号包含心跳、呼吸、心跳变率、温度，再进一步加入汗湿、跌倒、肺音、血压、血氧浓度等。此系统可应用于复健医学,远距医疗, 居家保健，运动医学等用途。

The Development and Application of Using Textiles be Electric Circuit and Design Textile Sensor

YANG Zhang-min

1006-6586(2010)06-0016-06

R857.2

A

2010-06-02

杨章民，民扬公司执行长