心电监护服装结构对监测点位移的影响研究

严妮妮，邓咏梅，张 辉，李 鹏，许鹏俊

(1.西安工程大学 服装与艺术设计学院，西安710048;2.浙江纺织服装职业技术学院 a.纺织学院，b.宁波市先进纺织技术与服装CAD重点实验室，浙江宁波315211;3.西安工程大学机电工程学院，西安710048;

4.闽江学院服装与艺术工程学院，福州350001)

近年来，随着人口老龄化进程的加快，各种心血管疾病成为老龄人的高发病，成为人类健康的头号杀手。心电图(ECG)是一种重要和成熟的心电信号检测技术，它反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。将测量电极放置在人体表面的一定部位，记录出来的心肌细胞生物电变化曲线即为临床常规心电图[1]，分析电信号的时序和形态可以帮助诊断心脏的问题。由于这类疾病具有长期性、积累性、偶发性，常规的定期健康检查不能有效地防止该疾病的发生。因此，可广泛应用于家庭的新型监护设备受到越来越多的关注，医疗仪器的发展也开始从复杂的、主要应用于医院的大型医疗设备，转向既适用于医院又适用于家庭和个人小型化穿戴式装置(portable medical devices)[2]。由于服装与人有着密切关系，直接与人体体表大面积接触的衣服已被认为是未来穿戴式生物医疗仪器的最佳载体之一[3]，能够使穿着者感到方便与舒适的同时，检测到他们的生理信息。将心电检测技术与服装相结合的医疗监护服装能够为病人提供低负荷、非接触、长期连续的生理监测，在新一代医疗监护模式下被认为是最有效和最实际可行的监护手段。

信号检测是整个可穿戴医疗监护服装系统的核心，检测的准确性、可靠性，直接影响着后续工作的有效性。然而生物医学信号由于受到人体诸多因素的影响，具有信号弱、噪声强、频率范围一般较低、高阻抗、随机性等一般信号所没有的特点[4]。日常生活中，服装和人体之间不可避免地存在相对位移，使传感器不能准确对准测试部位，很容易影响心电信号的分析和诊断精度。研究者在不影响穿着舒适性的情况下从服装设计的角度试图改变穿戴衣的形状来适应穿戴者的身体活动[5]，在设计时应该考虑具体的活动因素、切割线处的形状结构和材料、电极传感器的特征[6]。因此，为了能控制服装在穿戴者身上原始的位置，在移动条件下高质量地采集生理数据，本研究设计了三款心电监护服装，并在动态穿着条件下研究不同服装结构对监测点位移的影响。

1 试验

1.1 结构设计

1.1.1 人体尺寸与服装原型设计

选择175/92A标准男体，控制部位尺寸如表1所示。为了保证电极和人体紧密及接触，背心设计为紧身型，试样背心结构绘制如图1[6]所示。

1.1.2 导联方式选择

在临床环境中，一般使用12个电极导联，可以从12个不同角度监察心脏的电活动;家用便携式心电监护仪采用3导联和5导联来监测心电活动，适合日常使用。为了便于与服装集成，降低对日常活动的影响，本研究采用3导联心电监测的方法，织物电极放置在监护衣左、右胸骨柄及左下腹部3处[7]，便携式三导联心电检测如图2[8]所示。

表1 控制部位尺寸Tab.1 Size of control parts

图1 试样背心结构Fig.1 Structure of thesample vest

图2 便携式三导联心电检测Fig.2 Portable three-lead ECG detection

1.1.3 款式设计

为了减少上肢运动的影响，三款心电监护服装均设计为尺寸相同的紧身无袖背心，监护衣上设置有布线区和电极，电极通过布线区内的导线与测量单元的信号插头相连。为了更好地实现各个区域的功能，尽量不影响人体的日常活动及服装的美观性，将心电的导线布置在背心的侧缝位置。为了避免日常活动时衣物受力而损坏导线，布线区内的导线按照S型固定，如图3所示。蓝色为心电电极，红线为导线，导线遮盖条分别设计为垂直、弧线和斜线三种，即款式1、款式2、款式3(数据单位为cm)。其中，垂直型导线遮盖条的设计是期望在穿着过程中可以减少肩部和背部周围肌肉改变带来的位移影响;弧线型导线遮盖条的设计顺应身体的曲线，考虑到胸大肌肉的变化，帮助维持监测点的位置;斜线型导线遮盖条设计用以比较确定身体垂直方向还是对角线方向的皮肤延伸最少。

1.1.4 面料选择

三款服装均选用具有良好延展性和恢复性的纬平针组织针织物(其中含棉95%，莱卡5%)，作为制作监护衣的面料。

图3 款式设计示意Fig.3 Schematic diagram ofstyle design

1.2 试验方法

1.2.1 测试指标和仪器

为了测量服装与人体的相对位移，本研究采用在监护服装上集成位移传感器的方法。许鹏俊[8]采用鼠标的测试方法，所用位移传感器拆自激光手标，可以感知任何界面(包括玻璃)上的位移，将该传感器集成到服装上的特定位置，可以记录特定点的服装人体相对位移情况。本试验的位移传感器拆自苹果原装G6有线鼠标，将该位移传感器集成于三导联心电监测的右胸部监测点(research area，RA)，通过位移传感器记录人体各个动作下RA点的服装人体相对位移情况。

1.2.2 试验对象选择

选择10位身高和胸围接近标准体型的男性(175/92A)为试验对象，在设定的实验室中穿着心电监护服装，通过嵌入服装上的位移传感器监测人体运动时监测点RA的移动情况，如图4所示为试验对象静态穿着图。

图4 人体静态着装Fig.4 Static dress of human

1.2.3 动作设计

选择人体日常活动过程中出现次数较多且幅度较大的几组动作，将其划分为肢体动作和躯干动作。肢体动作分为上下摆臂1(0 ～180°)、前后摆臂2(0 ～180°)、左右水平摆臂3(0～180°)。躯干动作分为转体4(0～45°)、到地下捡东西5、前俯后仰6(0～10°)，如图5所示。

图5 动作设计示意Fig.5 Schematic diagram of action design

1.2.4 试验步骤

位移传感器的设置和校正:为了保证测试的准确性，在测试前需要对位移传感器进行设置校准。在电脑操作系统中，将鼠标内置加速度操作系统光标加速度分别调整为0，设置后需要对位移传感器进一步校正，以保证采集到的位移和服装人体之间的真实位移保持一致。测试时鼠标预加压强2 kPa，位移传感器通过有线与计算机相连，在画图板上自动捕捉光标的运动轨迹。

服装人体之间动态位移测量:分别对10位试验对象进行测试，测试每款服装在六种动作下RA点的位移情况，每个动作重复50次，测试过程中尽量保持三款服装在每组动作下的动作幅度、动作速度相一致。

2 结果和分析

在画图板200%的比例尺下，皮肤与画图板比例1︰5.7(cm)，采集到的服装人体在画图板上相对位移情况如图6所示。

图6 画图板上的位移图像Fig.6 Displacement image in the drawing board

从三款服装在动作1下的位移图像可以看出，动作开始的几秒内位移发生较大的变化，这是由于刚开始的几个动作循环内，服装和皮肤由不稳定位置趋向于稳定位置。根据位移情况来看，款式1在动作1下的图像相对比较密集，位移较小，款式2和款式3在动作1的条件下对电极有相对的拉伸，因此位移相对较大。其中款式2的位移明显呈线性状，款式3位移图像明显呈弧线状，两者位移相对款式1明显偏大。

测量10位试验对象分别穿着三款服装在六组动作下重复50次的位移，求平均值，得出RA点在水平和垂直方向的平均位移，如表2所示。分析得出:款式1的RA监测点水平位移在0.7～2.4 cm，垂直位移在0.39 ～2.7 cm;款式2 水平位移在0.32 ～2.8 cm，垂直位移在0.09～3.6 cm;款式 3水平位移在0.61 ～4.5 cm，垂直位移在0.53 ～3.4 cm。

表2 服装上在RA点与人体皮肤相对位移Tab.2 Relative displacement between RA point and humanskin on the clothing cm

对试验数据进行处理及分析得到三款服装的位移密集情况对照如图7所示。图7可以很明显地看出，款式1在几种动作下的位移相对较小，分布也较为密集，这是由于上肢活动时，垂直款式的遮盖条可以很好地平衡肩部和背部周围肌肉改变带来的位移影响;而款式2位移相对款式1较为分散，在上下和前后摆臂时在垂直方向位移分别达到3.1、3.6 cm，这是由于在上肢运动过程中由于肩部的上下活动使得导线遮盖条对监测点也有一定垂直的拉力作用;款式3位移最分散，是由于款式3导线遮盖条对监测点的拉力可以完全分解到对监测点水平和垂直方向的拉力，上肢活动时，上下摆臂时和前后摆臂时的位移相对较大，垂直位移达到3.4 cm，水平位移达到4.5 cm。因此，相比较而言，款式1的监测点在六组动作下的位移最为密集，可以有效地减少监测点的移动，从而提高心电监测的准确性，是心电监护服装设计的理想款式。

图7 位移密集情况分析对照Fig.7 Comparative analysis of displacement intensiveness

3 结论

1)款式2和款式3在不同动作下的位移均比款式1大，位移也较为分散。因此，三款服装相比较而言，款式1的结构比较适合心电监测服装。

2)监护服装款式结构设计对日常活动时监测点的位移有明显的影响。不同的服装结构在日常活动时对心电模块作用力不同，从而导致监测模块的位置偏移不同，通过对服装结构设计的研究可以很好地改善由于人体运动带来的电极偏移的影响，从而降低对测试准确性的影响。

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