智能纺织移动健康监测系统研发趋势一瞥

移动医疗能通过智能纺织物将移动计算和健康监测结合在一起，从而增进了患者和医生间的沟通。移动设备在我们生活中必不可少，它能实现医疗保健与日常生活的无缝衔接，并随时随地提供准确的医疗信息。最近开发的传感器、低功耗集成电路及无线通信等技术促进了低成本、轻量级及智能生物传感节点三位一体的设计。这种技术可将信息感知、处理、通信合并到无线个域网或无线局域网中，以实现移动健康监测。要实现这样的监测，移动健康监测系统中起作用的是智能纺织物，织物的系统基于传感与采集生物医学和环境数据，通过移动设备向患者反馈医疗信息。

物联网的应用

普适计算是一种将计算融入我们工作和生活的概念，它使人类与移动设备或计算机等计算设备间的交互变得非常自然，用户以完全透明的方式获得多种类型的数据。普适计算可应用于生活各方面，包括医院、急救、工业、教育和战场中。这项技术在健康领域的应用被称为普及医疗保健。移动计算是一种新型的移动计算设备，它在日常生活中无处不在。手持设备、电话和多种嵌入式系统使人能随时随地获取信息。移动计算与普及医疗的结合称为移动医疗。移动医疗克服了地点、时间和人物的限制，并随时随地为人提供医疗服务。

在很多情况下，人们察觉到自己健康出了问题，但却不愿或不能去看医生。肥胖症、高血压、心律不齐或糖尿病都是常见的健康问题。对这种情况，医生建议定期常规体检。但是，如果我们能提供更智能化、个性化的方式，让用户获得自身的身体数据反馈，将为他们节省宝贵的时间，让他们自己掌控健康，并降低长期医疗成本。

普适计算和通信技术的进步以及微电子和电子纳米学，都为电子技术和柔性传感器的无缝合成创造了条件。由纺织品制成的柔性传感器或有类似织物的质感和柔韧性的传感器，通常被称为电子纺织品或智能纺织品。业界将智能纺织品描述为一种能对环境和外界刺激感知，并做出反应的智能材料。根据纺织品的智能程度依次为：被动反应、主动反应以及智能。被动级别的纺织品只能获取关于环境的信息，而主动级别的纺织品能对环境做出不同反应，智能级别的纺织品可感知环境，并根据环境来调整。智能织物的智能程度受限于传感器、执行器和控制单元。如，被动级别的智能织物由传感器检测信号。主动级别的智能织物需要执行器或控制单元与传感器的耦合以检测信号。而对智能级别的织物，则需要传感器、执行器、控制单元和情景材料之间的组合来检测信号。

具有情境感知功能的智能材料由传统织物与新型材料、机械加工技术以及化学、生物材料结合而成。生物医学中，需对生理信号长期监测，这类传感器把织物首选为介质，因为它是贴近皮肤的自然材料。过去，生物监测系统使用粘合剂将电极或传感器固定在皮肤上，并用导电凝胶对皮肤进行低阻抗电处理。如今兼具高输入阻抗和高共模抑制比(CMRR)的模拟前端电子器件，促进了干电极的出现并替代了凝胶。干电极与衣服无缝结合是当前长期监测系统中最合适可行的选择。然而，干电极存在初始沉降时间的问题，其接触阻抗会慢慢下降，直到足以从环境中获取噪音信号的最小值。解决这一问题需要使用纳米结构传感器，其表面积比平面传感器更大，因此可更快获得理想的低接触阻抗。其过程如下：首先，向有心血管疾病（CVD）的患者提供可穿戴纺织系统。然后，在纳米结构传感器和纳米材料与纺织品结合的基础上，进行心脏监测研究。最后，智能设备进行多参数监测。

许多监测生命体征的环境传感器(温度、湿度和光线)的生物传感器和位置传感器都可集成到可穿戴的无线身体/个人局域网中。这种网络由便宜、轻型以及微型传感器组成，可进行长期隐形的动态健康监测，及时向用户反馈当前的健康状况，并近乎实时更新用户的医疗记录。该系统可对康复过程进行监控，也可用于身体状况的早期检测。

这样一来，服务器将有大量的医学数据，它会对数据进行挖掘和分析。一般是专家对关键数据进行探究、分析并提出建议后，服务器就会自动向患者提供反馈。这一切都与物联网有着千丝万缕的联系。

织物中的传感器

如今，可用作智能织物的材料有传统的棉花、涤纶和尼龙，还有功能强大的芳族聚酰胺纤维。然而，目前人们对导电的织物兴趣更浓。以纺织传感器电子学和传感器传统织物为基础，目前业界已研发出两种带健康监测功能的智能织物。这表明导电纱线能编织到织物中，形成一种类似于“可穿戴主板”的织物。这项技术可像湿凝胶电极一样，将身体上的多个传感器连接到信号采集电子设备。研究表明，导电纱可用于纺织传感器的制造，这些传感器是由表面有涂银的织物或带导电金属芯的编织网格制成。制造服装与心电传感器电极有两种使用广泛的方法，即将成衣功能化或将成衣与传感器元件相结合。这种方法将成品电极与成品服装相结合，电极缝入服装适当的位置，或用沉积技术将功能材料转移到适当的位置。这样一来，制作衣物半成品就凸显出重要性。在服装制造过程中引入的智能材料需要纺织制造技术将其织入制织物或无纺品。以下为电子技术与纺织品结合的关键点。

1.与成衣结合

电极在制作中可编织入柔性和刚性材料。电阻电极包括柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)、ENOBIO碳纳米管陈列电极、碳纳米管和聚二甲硅氧烷纳米合成物、柔性聚合物干电极和柔性衬底上垂直排列的金属纳米线。电容电极包括钛电极、锡电极、氧化铱涂层电极和锥形微机电系统电极。智能纺织品的实现可通过将这些电极缝入成衣来实现。

2.纺织品电极

纺织品的最小单位是纤维或细丝。这些单位的各种组合形成了长度、形状、横截面和粗糙度不同的纺织材料。智能性、导电性可按不同层次引入织品中。在纤维层次上，可使用涂层或添加导电线的方式制造复合织品。不同类型的纤维或可按需或严格地排列在纱线或织物上，包括可排列成三维结构。将这些结构金属化或功能化，以制作纺织电极和其他纳米线圈排列结构的功能面料。因此，织物导电的方法有两种，在纱线中加入很细的导电丝，或在织物表层涂导电材料。

含有导电细丝的纱线或涂有导电层的纱线都是导电织物材料。棉纤维与单壁碳纳米管(SWCNT)融合后会增强其机械性和导电性。溅射、丝网印刷、静电纺丝、碳化和蒸发沉积等技术均能赋予织物导电涂层较高的导电性，但其耐久性较差，经洗涤后会更差。纳米纺织品是在纺织物中添加纳米结构或纳米丝状结构，而非直接将纳米材料融入织物。

3.导电迹线和连接用纳米复合油墨

实现纺织品与穿戴系统各组件之间的互联，需要一种实惠且可推广的方式。方法之一是将功能性墨水印在纺织品上，形成印刷电路。就心电信号智能纺织品而言，这种方法与导电油墨的配方和在织物上打印的电容结构紧密相关。无纺品上的导电迹线和传输线使用的技术是聚合物厚膜工艺(PTF)。另外，可伸缩和耐磨损的油墨配方中也含有导电填料和聚合物粘合剂。聚氨酯粘合剂成功地使用了银箔导电迹线，证明导电油墨可应用于织物并具备伸性。研究人员采用喷墨印花的方式，成功地在胶乳衬底上涂上了聚苯乙烯磺酸盐薄膜。他们还合成了多壁碳纳米管(MWCNTs)、聚苯胺纳米颗粒(PANP)和芯壳基纳米复合导电油墨，并成功地在棉织物上进行了丝网印刷。在丙烯酸粘合剂中，他们从带有银色薄片的油墨中提取了导电迹线，并将其用于心电图电极和柔性印制电路板(PCBs)连接。

4.系统应用实例

有关监测生理信号的可穿戴系统的研究已有多次报道。一般都以可穿戴配件的形式出现，比如用于无袖血压监测的腕表。在现成的电子设备上配备了环氧电板，再配上干电极，可嵌入帽子或衬衫等衣物中。该系统通过手机蓝牙支持无线局域网电脑和无线数据传输及远程患者监控(RPM)等技术进行远程传输。该系统的微电子器件带柔性衬底，易于和织物结合。这些电子设备可完成多种生物计量监测，如出汗率、体温、心电图、血氧水平等。

该系统的微电子器件带柔性衬底，可与织物相结合。这些电子设备可完成多种生物计量监测，如出汗率、体温、心电图、血氧水平等，并可进行无线传输。结合全球定位技术可无处不在地促进医疗干预和医疗保健升级。通过封装、缠绕的方式，将电子、光学和压电传感器与织物相结合，以监测人体生理信号。干电极是可穿戴系统中最常用的生物电位测量传感器。这些电极设计各不相同，包括导电线织物、金属针状电极、表面导电氯化银电极（无导电凝胶）和电容耦合干电极。试验证明这些电极能获取生物电位信号。除此之外，他们还可刺激心脏、神经。光学传感器是现成的微电子和光纤传感器。压电传感器有现成的微电子器件、柔性压电薄膜和功能化压电纱。无线传感器系统可产生大量数据，因此需要数据管理和后期处理。研究表明，数据库可解决医学诊断数据导出和存档的数据容量问题。此外，通过云计算处理和远程访问存储的数据可提高计算性能。而基于纳米纺织的传感器和无线通信系统则让可穿戴系统更上一层楼。

5.电子背心

这种内层背心可与纳米生物传感器结合，如金纳米线电极或纳米结构织物电极和复合压电薄膜。它还能附带红外监测系统并进行体积描记和温度检测。电子背心系统是一种多通道、可穿戴、基于纺织品的纳米生物传感器，多用于监测心电图和血压。

6.系统描述

这个系统由四部分组成：首先是压缩内层背心，也就是电子背心。该背心带有纺织电极传感器和打印连接迹线，它能将电极与传感器电子模块(SEM) 连接。其次是带有近红外发光二极管和光电二极管的光电容积脉搏波描记臂带，这个臂带通过印在左臂上的导电迹线与传感器电子模块相连。再次是一传感器电子模块由放大器、滤波电路、单片机和无线局域网无线电波发射器组成。最后是电脑软件程序，用来接收佩戴者的身体数据，并可绘制数据图。

光学体积描记臂带由两个阵列的近红外光电二极管和一个中心阵列的三个光电二极管组成。电极和臂带通过导电迹线与传感器电子模块连接，导电迹线的印墨是一种纳米银粒填充剂，通常印在背心和纽扣上。导电线由导电印墨制成，采用丝网印刷，与纺织品生产工艺兼容。臂带可拆卸，由4颗扣子固定在背心上。传感器电子模块和臂带的应用，使电子背心可拆卸可清洗。

传感器电子模块(SEM)

放大器是传感器电子模块的一部分，由4个通道组成，其中3个通道是双极肢体引线，分别是引线1、引线2和引线3。第四个通道可放大整个光电二极管的电位差，用于检测肱动脉的反射红外波。扫描电镜中，放大器的通频带为0.2赫兹至70赫兹，可以为3个心电通道中频带增益50分贝。在0.2赫兹至15赫兹波段，光电容积脉搏波描记传感器的增益为55分贝。放大器的放大信号通过板载微控制器进行数字化传输。

无线局域网电化模块的选择有两点要求。首先，它必须支持高于9600bps的数据速率，因为4个通道的数字化心电图和BP信号必须实时传输。其次，它提供尽可能宽的通信范围，以应用于体育、军事和高风险的工作环境，如消防员。

1.电子文胸

男式背心的内层系统也可适用于女式文胸。前一节中列出的各种传感器都可与电子文胸结合，传感器通过打印导电迹线或导电线将信号传输到电子纳米柔性模块中。电子文胸的原理是：电子纳米柔性模块进行数据采集和无线传输，然后利用信号窗口将电子纳米柔性模块接收的数据绘制成图，并显示出来。

2.多通道数据获取

电子背心获取的数据可用无线方式输入电脑。然后用自适应滤波算法对电脑接收到的数据进行滤波，以减小运动对心电信号基线的影响。MATLAB公司研发了数据采集和自适应滤波。JAVA平台和智能手机上也实现了同样的功能，还绘制了脉搏波形图、心率图及血压的收缩、舒张压值。用于数据采集和无线传输的电子纳米柔性（enanoflex）模块也能很好地应用起来。根据之前获得的校准方程并利用导出的脉冲传输时间(PTT)值，估算出血压的收缩、舒张压值。其他传感器系统也可用于可穿戴系统的研发，以监测呼吸、体温和血氧水平。经处理的心电图可作为预测诊断的工具来计算心率变异性(HRV)。心率变异性即将心脏连续节拍之间的心率差异串联起来，组成序列。它是以连续R波峰间的间隔差的倒数来计算的。采用自回归(AR)功率谱估计技术，可得到心电图上相邻两个R波的时长序列功率谱密度(PSD)图，从而观察到低频和高频峰值的特征。该图显示人在站立的情况下，心电图上显示的相邻两个R波间的时长，并据此计算出自回归功率密度谱。图中不同的自回归功率密度谱，显示低频和高频运动间的功率分配，这只是相对于总功率的变化而言。

电子背心和文胸系统可用于检测与心脏自主神经调节相关的慢性疾病。连续多导联心电监测可用于检测T波倒置，这也能记录心室发生变化的信号。检测T波倒置还可实现心电的自动处理，这个自动处理过程就像报警系统一样，一旦子程序被触动，就会通过远程服务器把心电信号发送到医生办公室用于诊断。

3.系统架构

智能移动健康监测系统通过生物传感器收集患者的生理数据。数据在传感器网络汇集，并传输到患者的电脑、手机上。这些设备又会将数据转发到医疗服务器中进行分析。之后，医疗服务器向患者的电脑、手机提供反馈。病人可根据反馈采取必要的行动。移动智能健康监测系统可服务于三方面。

1)可穿戴式人体传感网络；

2)患者个人家庭服务器；

3)智能医疗服务器。

①可穿戴式人体传感网络

可穿戴式人体传感网络就是可穿戴或可植入的生物传感器。这些传感器收集人体必要的数据。每个器官都有一组传感器，传感器会将数据发送给组长。小组间互相交流，并将信息汇总发送给中央控制器。中央控制器负责将病人的数据传送到电脑、手机中。人体内部的无线通信过程表明，组织介质是以电磁(EM)射频(RF)形式发送信息的通道。因此，在可穿戴式人体传感网络中，信息是以电磁(EM)射频(RF)波的形式传输。使用蓝牙、无线局域网和无线个域网三种无线协议中的任何一种，都能实现中央控制器与患者个人家庭服务器间的通信。蓝牙适用于中央控制器和患者个人家庭服务器（PPHS）间的短距通信。无线局域网能适用于更远的距离。无线个域网作为一种专门的无线协议，被广泛应用于各个领域。因此无线个域网也可用于通信两者之间的通信。

②患者个人家庭服务器

患者的个人家庭服务器可以是电脑或移动设备。专家建议使用移动设备更合适。患者个人家庭电脑从可穿戴式人体传感网络的中央控制器中收集信息，并发送到智能医疗服务器（IMS）上，这是患者个人家庭服务器的功能。基于个人电脑的家庭个人服务器通过互联网与智能医疗服务器通信。基于个人家庭服务器的移动设备使用通用移动通信技术（GPRS、Edge、SMS）与智能医疗服务器联通。使用智能医疗服务器最好是通过网络服务或基于小服务程序的体系结构。在传输过程中智能医疗服务器充当服务提供者，患者家庭个人服务器充当服务请求者。上述过程中的技术和服务器，在复杂的网络环境中为患者提高安全保障。因此，个人电脑、手机可轻松连接到智能医疗服务系统中。

③智能医疗服务器

智能医疗服务器（IMS）接收所有来自患者个人家庭服务器的数据。它是整个系统构架的基础。能够获取病人以前的治疗记录信息，了解患者特定的阈值。当医生为病人检查时，检查和治疗结果都存储在中央数据库中。智能医疗服务器使用最先进的技术处理数据，并根据数据的性质和分布，选用神经网络、关联规则、决策树等处理技术。处理后的信息，能向家庭个人服务器提供反馈。在危急就医的情况下，医院又根据家庭个人服务器反馈的患者数据，采取相应的治疗措施。智能医疗服务器也保存患者详细的医疗记录，据此可以推断出病人、病人家庭甚至病人所居之地的疾病趋势。智能医疗服务器可监测到由于季节变化、流行病等引起的健康变化。智能医疗服务器主要由专业医师控制和监测。但是，病人也可通过专门的训练，学会监控智能医疗服务器。通过研究智能医疗服务器中的数据存储库，可获得人们健康状况的信息。它有助于当局制定医疗卫生政策。许多患者的个人家庭服务器与智能医疗服务器相连接，那么病人信息的安全至关重要。无线射频(RFID)可确保病人信息的安全。它是一种自动识别方法，通过无线射频标签，可实现数据的存储和远程检索。无线射频标签通过无线电波技术可识别产品、动物或人体。有些无线射频标签可读取几米外的信息，其距离甚至超出人的视线范围。因此，无线射频标签可为病人信息提供安全性。

前途光明，任务艰巨

移动医疗系统中生物传感网络的使用，对研究人员未来的工作提出了新的挑战，如：寻找确保生物传感器安全的最有效机制；解决内存和能量的限制；收集最丰富的用户信息数据，又最大限度地减少存储占用；进行数据建模，使系统只显示相关信息而不是所有数据，从而节约内存。这是未来移动医疗领域可实现的一般性工作。着眼智能移动健康监测系统，人们的视野需更加广阔。在这个系统中，病人无需走动就能获得救助。传感器技术在进步，但生物传感器的发展还远远不够。未来，葡萄糖不再人工服用，生物传感器可通过智能医疗服务器的反馈将葡萄糖输送到患者体内。听起来似乎不可思议，但万事皆有可能。今天人们的想象，在不久的将来都能实现。但若仅止于想象和思考，那么万事皆不可能。毫无疑问，未来智能传感器将推动医疗领域取得重大进步，实现多个智能传感器的连接，并应用于特定的疾病解决方案，这种技术前景光明。人们还需要从不同的角度进行研究，以解决一系列艰难的新问题。由于传感器的无线网络是为生物医学而开发的，人们可从中获取灵感，以促进传感器网络的新应用开发。植入式智能传感器的研发解决了许多医疗问题，对个人和整个社会都益处无穷。在这样的条件下，病人获得更高的医疗，患者及其家人都受益匪浅。监测癌症的生物医学植入传感器有助于患者保持健康。除了个人受益于改善的医疗条件外，社会生产力也将提高。一旦这项技术得到完善，慢性病的治疗成本也将降低。随着世界人口的增加，这类系统的需求也会日益增长。由此看来，物联网在智能纺织移动健康监测系统中发挥着巨大的作用。业界希望通过它，让智能移动健康监测系统帮助全人类获得健康，因此智能纺织业界应相信这个目标一定会实现。

(据印度《技术纺织物》https://www.technicaltextile.net/articles/iot-in-intelligent-mobile-health-monitoringsystem-by-smart-textile-8337近期资料）