登山运动员远程生命体征监测系统的设计

张 敏,黎嘉琪,张龙琳

(西南大学 蚕桑纺织与生物质科学学院,重庆 400715)

登山运动事故已连续多年成为影响登山户外运动健康发展的关键,事故类型有迷路、滑坠、被困、高坠、疾病等。据统计数据分析,登山运动人数占总运动人数比例为33%,事故整体呈逐年递增,2019年死亡和失踪人数之和达历年之最,2020 年受疫情影响,有组织的活动事故大幅减少,创自2012年以来最低值。根据2014—2020年户外登山运动事故统计分析,因疾病导致登山事故发生已连续7年成为户外登山运动事故的主要类型之一。

从登山员的生理需求出发,以生物力学、感性工学基本理论以及人体工效学为理论基础,结合可穿戴智能服装的功能特点,在登山服现有的功能基础上进行优化改良设计。目前,国内外对于登山服的研究焦点主要集中在登山服的结构设计、面料选择以及散热保暖等功能设计[1],而对于登山服的对象化智能监测方面的研究尚少。如何提供一种穿着轻便、结构合理,并针对户外运动员生命体征进行实时监测的智能监测系统是目前亟待解决的技术问题。

1 远程生命体征监测系统

1.1 生命体征监测

目前国内外关于远程生命体征监测的登山服研究尚少,登山服功能多为基础常规功能。基于远程监测技术、柔性传感器技术、无线通讯技术、可穿戴技术的发展,提出一款新型远程生命体征监测系统登山服,以解决登山运动员个性化的体征问题。生命体征是用来判断人体病情轻重和危急程度的指征,主要有心率、脉搏、血压、呼吸、体温、血氧、瞳孔和角膜反射的改变等[2],以登山服为研究载体,构建生命体征监测系统,对运动者的脉搏、心电、体温以及汗液中的葡萄糖浓度、乳酸浓度等进行监测,以实时反映运动者的身体状态。该远程生命体征监测系统由生命体征监测登山服和手机App线上端构成,可以根据医院提供的登山员个人生命体征阈值来进行针对性App线上端数值设置,用于生命体征异常时报警,帮助登山运动员实时进行正确的运动强度监控,以引导登山员在最安全的生命体征区值内活动。

1.2 远程生命体征监测系统构建

如图1所示,远程生命体征监测系统将各种生理信号传感器或放大滤波电路、电极、A/D 转换等和电脑相连接,在计算机中对监测的多参数生理信号进行分析处理,得到一定的分析诊断结果,反传输到移动设备、服装信号接收器并储存至云端。

图1 生命体征监测结构

总体远程生命体征监测系统框架如图2所示,分为户外登山运动监测和平台监护两部分。登山运动员通过医护端就诊可得到关于自己生命体征的各种阈值,根据技术指导来对用户端进行阈值输入,进而根据生命体征的实时监测结果控制自己的运动强度。在户外登山运动中,登山运动员的生命体征通过穿着的智能监测登山服进行实时数据采集及传输,该监测系统在采集到相关数值后会进行数据分析,运动员可通过用户端或登山服预警输出端得知自己的身体状态,从而控制自己的运动强度,以免生命体征超出阈值发生危险。通过监测系统得到的生命体征数值也会通过云端的形式反馈给医生,为远程监护搭建一个沟通的平台,节约登山运动员的身体管理资源,提高管理效率。

图2 总体远程生命体征监测系统

2 生命体征监测登山服的设计

生命体征监测登山服以人体工效学和服装设计基本原理为设计基础,在满足人体结构设计的前提下尽可能提高登山服的舒适性、适用性和功能性。根据国家标准GB/T 32614—2016《户外运动服装冲锋衣》对衣身进行规范化设计,对服装的功能、外观、材料都进行了严格的规范,其中包括功能方面的抗湿性、静水压、透湿率、耐用性以及外观要求胶条胶膜、防水结构等设计。生命体征监测登山服主要分为衣体、数据采集端和数据终端3个部分,如图3所示。数据采集端分为脉搏压力传感和汗液微传感2种方式,立领两侧颈动脉处设置了脉搏压力传感器,袖口设置了汗液微传感器,用于采集分析人体体征实时状态的初步数据。

图3 生命体征监测登山服结构示意图

领部的脉搏压力传感器[3]纱线部分使用18 tex导电纱,如图4所示,其余衣体里料层所用的纱线为18 tex不导电的锦纶纱,衣领部位通过HQM61B 型电脑织领机一体成型,将导线和压力传感模块一同织入领子面料内部。领子内部采用纬平组织,密度为5～8线圈/c m,领口区域采用1隔1罗纹组织结构,以增强领口的弹性,图5为领子内部纬平组织结构示意图,图6为罗纹组织结构示意图。领子织物的密度会使领子和颈动脉间产生相互作用力,当压力传感器受到脉搏压力时,压阻会随之产生变化。压阻变化的工作原理是通过“压”(增加的接触点)和“放”(降低的接触点)工作过程中不锈钢颗粒间接触点的变化以及导电纱线之间接触面积的变化,如图7所示。压力传感器与液晶显示器间的连接电线用织入里料的导电纤维代替[4],使得衣服里料可直接接触皮肤。

图4 脉搏传感器

图5 纬平组织

图6 罗纹组织

图7 交织结构压力传感器的电阻变化

汗液微传感器可以无创对汗液中乳酸、葡萄糖、钾离子、钠离子、氯化物、尿素浓度以及汗液p H 值、出汗率、总汗液量等指标进行监测,用不采集血样的方式进行生理生化分析,方便登山员在户外登山运动过程中获得高质量的生命体征数据。通过汗液微传感器对登山运动员汗液中的乳酸浓度进行测量分析运动员的运动强度,对汗液中的葡萄糖浓度进行测量分析运动员的能量消耗,测量和分析总汗液量可以对运动员身体的水合状态和热调节状态等生理状态进行监测[5]。该传感器的工作原理是通过微流控和微传感器结合工作,微流控装置对汗液进行电化学分析,微传感器分析得出汗液中乳酸浓度电压数据、葡萄糖浓度等。汗液微传感器同脉搏传感器一样,采用同纱线一起织入的方式织入袖口面料,如图8所示。汗液微传感器与显示器间连接的电线同样用导电纱线织入面料代替电线,这样运用传感器设计的登山服比传统登山服更加功能化、便利,方便洗涤,给运动登山员带来更舒适的户外登山运动体验。

图8 汗液微传感器

3 远程监护平台优化设计

远程监护平台由用户App线上终端和云端组成,如图9所示。常见App终端主要为维持健康体征优选方案的推荐,在结合登山员实时生命体征危及生命的情况下,优化设计为实时反馈用户生命体征现状与自我运动强度控制的作用,通过蓝牙无线传输技术或蜂窝网络和监测系统信号器连接,实现监测系统与App终端之间的信号传输。云端功能的主要优化是实时记录并储存登山员的生命体征状况,在监测系统进行实时数据分析报告传输到App线上终端后,同时上传到云端进行数据储存,医生和家庭成员均可通过云端查看用户的身体状态,以便医生查阅用户的历史病情和实时状况,也可给家庭成员实时反馈用户的身体状态,实现远程监护的功能及作用。

图9 远程监护平台功能

登山服的体征稳定预警方面也进行了相应的优化设计,体征预警通常会通过携带设备自测完成,在无意识自测的情况下,登山员通常用经验值判断是否继续进行登山运动。优化设计为通过体征监测阈值自动预警的形式告知用户是否能继续活动,遇到阈值提醒范围内时,预警设备会自动发出警报提醒用户暂停继续活动且建议尽快就医查看身体状况。用户的生命体征监测阈值预警可通过2种方法实现:一种是从医院检查得出个体生命体征数据阈值,直接手动输入App线上终端;另一种是监测系统通过运动员实时的生命体征数据采集,进行云端数据分析,预估目前身体的生命体征阈值。通过2种不同的数据来源分析,根据实时报告反馈作出运动强度控制,预警身体状态超出阈值范围,实现用户的安全保障。监测系统的预警设备由视觉效果鲜明的预警灯和报警设备组成,预警灯根据不同的身体状态分为3个基本颜色,预警颜色分别为浅绿色、绿色、浅黄色、黄色、浅红色、红色,生命体征数值处于正常范围内预警灯显示浅绿色或绿色,生命体征数值临界阈值预警灯按程度分别显示浅黄色或黄色,生命体征数值等于阈值预警灯显示浅红色,生命体征数值超出身体健康范围将对登山运动员的身体健康构成威胁预警灯显示红色,同时报警设备将发出报警声,提示用户必须立即停止高强度运动并就近就医,以免身体状态崩溃造成生命安全威胁。

用户实时监测数据分析反馈表包含用户基本信息、数据采集时间、数据采集地点、具体生命体征参数和分析报告,根据反馈分值可供用户自行判断身体状态,并给出相应的运动强度推荐;健康指引模块具有影像效果,直观地记录并告知用户身体的实时状态与建议性就医指导,有助于预警身体状态。远程监测数据分析反馈表和实时生命体征状态均会自动保存至云端,以供医生和家庭成员掌握用户身体状态,实现远程互动沟通,提高身体安全保障和就医效率。

4 结束语

针对户外登山运动员进行远程生命体征监测系统的设计研究,基于用户角度,提出了远程监测系统和监护系统模型,搭建远程监护平台,给户外登山运动员提供更加舒适、安全的登山运动体验。采用多学科交叉的研究设计方法,涉及服装设计、运动医学、通讯工程、材料等专业,为远程生命体征监测系统的构建提供全方位的学科基础支持,可为构建远程户外运动智能监测系统提供参考,也为个性化登山服设计研究提供借鉴,进一步推进可穿戴产品的发展。