基于生理監(jiān)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(qū)西紡紡織產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院,浙江 紹興312000)

隨著時代發(fā)展和生活質(zhì)量的提高,人們著裝觀念發(fā)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(zhì)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(fā)展推動了可穿戴智能產(chǎn)品的發(fā)展。人體生理信號(體溫、心率、呼吸等)監(jiān)測對人體疾病的預防、分析、診斷和人們?nèi)粘５慕】禒顩r查看有重要意義和價值。

可穿戴生理監(jiān)測系統(tǒng)采用生物傳感器獲取人體運動與生理參數(shù),對穿戴者或遠程監(jiān)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(jiān)測服裝在醫(yī)療監(jiān)護、運動健身、軍事及特殊環(huán)境作業(yè)等方面的應用;另外,對穿戴式監(jiān)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(fā)和應用情況,對其未來發(fā)展趨勢進行了展望。

1 穿戴式生理監(jiān)測

1.1 穿戴式設備特點

可穿戴智能生理監(jiān)測服裝是微電子技術與服裝結合的產(chǎn)物[1]。穿戴式生理監(jiān)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(xù)監(jiān)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(jiān)測設備能夠監(jiān)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(tài)監(jiān)測[4]。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)組成

監(jiān)測系統(tǒng)主要由生理信息采集模塊、無線通信模塊和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳遞至遠方終端;數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進行分析、顯示、存儲等,并在出現(xiàn)異常情況時給予警示。

2 可穿戴生理監(jiān)測服裝的應用領域

根據(jù)不同群體以及作業(yè)需要,研發(fā)出了一系列可穿戴智能產(chǎn)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(jiān)測服裝應用領域較為廣泛,涉及到醫(yī)療保健、運動、軍事及特殊環(huán)境作業(yè)等方面。

2.1 醫(yī)療監(jiān)護

醫(yī)療監(jiān)護類服裝已成為當前可穿戴智能服裝的主要產(chǎn)品。此類服裝主要為老年人、兒童、患者等人群提供監(jiān)測[5]。監(jiān)測系統(tǒng)主要通過電子設備獲取到生理信息,然后向智能終端發(fā)送并顯示數(shù)據(jù),讓穿著者本人或其家人實時監(jiān)測到生理健康狀況,預防或及早發(fā)現(xiàn)疾病,如遇到突發(fā)性疾病,系統(tǒng)可以向患者的家屬發(fā)出報警。因此,智能穿戴式監(jiān)護服的研發(fā)對于醫(yī)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(jiān)測[7],老年人心率、呼吸監(jiān)測[8],用于預防肌肉骨骼疾病的智能背心[9],監(jiān)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(jiān)測中的重要數(shù)據(jù)。張海軍基于老年人社會關懷及健康需求,將手持式心電監(jiān)測儀、導聯(lián)線等裝置相互串聯(lián),與老年服裝結合,實現(xiàn)老年人人體實時監(jiān)測[10]。Keri J.Heilman等[11]研發(fā)了“LifeShirt”穿戴式生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)。在疾病監(jiān)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(jiān)測服裝設計,實現(xiàn)對患者的實時監(jiān)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(jiān)測服裝。針對癲癇病患者,法國醫(yī)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(xiàn)遠程診斷和治療,降低死亡風險。英特爾發(fā)布了一款可以監(jiān)測用戶的心率、心電圖等指標的T 恤。其可以通過向醫(yī)生提供數(shù)據(jù),獲取個人健康狀況。美國Vivo Metrics公司研發(fā)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(xiàn)兒童體溫監(jiān)測尤為重要。為此,研究人員進行了嬰幼兒可穿戴體溫監(jiān)測智能服裝研發(fā)。一旦出現(xiàn)發(fā)熱癥狀,不僅能夠得到及時治療,而且還可以減輕監(jiān)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(tài)[15]。

2.2 運動健身

可穿戴運動類監(jiān)測服主要監(jiān)測心率、呼吸頻率、運動量等參數(shù),幫助運動者獲得更好的鍛煉。服裝內(nèi)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(shù)據(jù),針對監(jiān)測到的信息適時地作出訓練調(diào)整[16],改變運動強度。穿戴式監(jiān)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(jiān)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(jiān)測。此外,由飛利浦公司生產(chǎn)的智能運動服,能夠監(jiān)測運動員的血壓、脈搏及運動量。運動員根據(jù)自身狀況調(diào)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(xiàn)心率、肌肉活動以及呼吸頻率監(jiān)測,并且及時向使用者的手機發(fā)送有關數(shù)據(jù)。

來自加拿大的新創(chuàng)公司OMsignal推出的智能塑身T 恤、智能運動內(nèi)衣,如圖2、圖3所示。服裝內(nèi)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(shù)和動作強度等。這一產(chǎn)品的研發(fā)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(xiàn)類似的功能,如圖4 所示。它幫助穿戴者有效保持體內(nèi)水份和熱量平衡,到了晚上,它還能追蹤睡眠和環(huán)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(nèi)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(jiān)測服裝成為提升單兵作戰(zhàn)力的重要武器,有助于提高軍事能力[18]。該監(jiān)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(xù)監(jiān)測單兵生命體征指標。其相關的數(shù)據(jù)會依據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)如圖5所示,在救治傷員和士兵戰(zhàn)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(jiān)測士兵生命信息的T 恤,該智能T恤能監(jiān)測士兵的心電、心跳、呼吸、體溫等指標。指揮者可以在戰(zhàn)場中實時掌握士兵的生理信息,實現(xiàn)數(shù)字化管理。為了便于部隊日常訓練管理,研究人員實現(xiàn)了智能化士兵管理展示系統(tǒng),通過佩戴于士兵身上的系統(tǒng)采集裝置來獲取士兵平時的睡眠、運動和心率等活動數(shù)據(jù)。平臺分析士兵的睡眠質(zhì)量、運動數(shù)據(jù)等進而提供相應的評估建議,實現(xiàn)部隊管理人員實時聯(lián)網(wǎng)查看信息。

圖5 單兵生命體征監(jiān)測系統(tǒng)

2.4 特殊作業(yè)環(huán)境

特殊環(huán)境作業(yè)者常常處于高風險環(huán)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(jiān)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(yè)環(huán)境下作業(yè)者的需求,研發(fā)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(shù)據(jù)通過無線傳輸方式發(fā)送到智能終端設備,實時監(jiān)測并分析作業(yè)者的生理健康狀況,出現(xiàn)異常狀況時給予提示功能。文獻[19-20]針對消防員的作業(yè)環(huán)境設計出智能可穿戴系統(tǒng),實現(xiàn)消防員的體溫等生理數(shù)據(jù)評估。其中,卜宇提出了一種穿戴式智能消防服。該系統(tǒng)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(tài)并在情況異常時進行報警,系統(tǒng)又通過無線網(wǎng)絡將信息發(fā)送到現(xiàn)場指揮車。

季婷婷基于夏季建筑工人的工作環(huán)境,設計了一款智能勞保服[21]。它能夠實時監(jiān)測人體溫濕度以及心率數(shù)據(jù),并在出現(xiàn)異常情況時發(fā)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(yè)的智能工作服,保障潛水人員安全的潛水智能服裝,可實現(xiàn)環(huán)境情況和個人生理情況綜合評估。由Carre Technologies公司研發(fā)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(jiān)測,增加宇航員太空飛行的安全性。

3 可穿戴智能監(jiān)測服裝的設計要點

同普通服裝相比,可穿戴智能生理監(jiān)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(chǎn)品設計而言,從用戶的角度和使用功能出發(fā),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(fā)展尚處在初級階段,產(chǎn)品還不夠成熟。在實際的穿戴式智能服裝研發(fā)中,存在著過于追求功能技術的創(chuàng)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(fā),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(xiàn)用戶健康狀況等信息監(jiān)測,為用戶提供通訊、定位和導航功能,在異常情況下發(fā)出緊急消息,以防止事故發(fā)生并幫助他們在事故發(fā)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(diào)服裝穿著舒適性的基礎。在服裝上,根據(jù)獲取生理數(shù)據(jù)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(jiān)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(jiān)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(fā)展趨勢

隨著國內(nèi)外智能可穿戴產(chǎn)品市場成為熱點,可穿戴智能服裝的研發(fā)也得到了廣泛關注。然而,目前其發(fā)展還不夠成熟與完善。隨著各學科技術發(fā)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(tǒng)高度集成化

電子元件的微型化與性能優(yōu)化將使得可穿戴智能服裝質(zhì)量得到很大提升,進而更好地發(fā)揮其功能。就整個系統(tǒng)運行的能量供應來看,現(xiàn)有鋰離子電池質(zhì)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(zhì)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(shù)據(jù)獲取。通過傳感技術的發(fā)展,優(yōu)化電子元件與服裝結合方式,將提高用戶生理信息監(jiān)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(diào)對自然資源的合理利用,注重節(jié)能環(huán)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(chǎn)品的可持續(xù)使用,避免對環(huán)境造成不利的影響?？纱┐髦悄芊b設計也應本著綠色環(huán)保原則,注重材料的環(huán)保性,減少環(huán)境污染以及資源浪費。

5 結語

服裝正在向功能化、智能化發(fā)展。基于可穿戴技術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(yōu)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(zhì)量方面發(fā)揮重要作用,對紡織服裝業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。