登山運(yùn)動(dòng)員遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 敏,黎嘉琪,張龍琳

(西南大學(xué) 蠶桑紡織與生物質(zhì)科學(xué)學(xué)院,重慶 400715)

登山運(yùn)動(dòng)事故已連續(xù)多年成為影響登山戶外運(yùn)動(dòng)健康發(fā)展的關(guān)鍵,事故類型有迷路、滑墜、被困、高墜、疾病等。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析,登山運(yùn)動(dòng)人數(shù)占總運(yùn)動(dòng)人數(shù)比例為33%,事故整體呈逐年遞增,2019年死亡和失蹤人數(shù)之和達(dá)歷年之最,2020 年受疫情影響,有組織的活動(dòng)事故大幅減少,創(chuàng)自2012年以來最低值。根據(jù)2014—2020年戶外登山運(yùn)動(dòng)事故統(tǒng)計(jì)分析,因疾病導(dǎo)致登山事故發(fā)生已連續(xù)7年成為戶外登山運(yùn)動(dòng)事故的主要類型之一。

從登山員的生理需求出發(fā),以生物力學(xué)、感性工學(xué)基本理論以及人體工效學(xué)為理論基礎(chǔ),結(jié)合可穿戴智能服裝的功能特點(diǎn),在登山服現(xiàn)有的功能基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改良設(shè)計(jì)。目前,國內(nèi)外對(duì)于登山服的研究焦點(diǎn)主要集中在登山服的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、面料選擇以及散熱保暖等功能設(shè)計(jì)[1],而對(duì)于登山服的對(duì)象化智能監(jiān)測(cè)方面的研究尚少。如何提供一種穿著輕便、結(jié)構(gòu)合理,并針對(duì)戶外運(yùn)動(dòng)員生命體征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是目前亟待解決的技術(shù)問題。

1 遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 生命體征監(jiān)測(cè)

目前國內(nèi)外關(guān)于遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)的登山服研究尚少,登山服功能多為基礎(chǔ)常規(guī)功能?；谶h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)、柔性傳感器技術(shù)、無線通訊技術(shù)、可穿戴技術(shù)的發(fā)展,提出一款新型遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)登山服,以解決登山運(yùn)動(dòng)員個(gè)性化的體征問題。生命體征是用來判斷人體病情輕重和危急程度的指征,主要有心率、脈搏、血壓、呼吸、體溫、血氧、瞳孔和角膜反射的改變等[2],以登山服為研究載體,構(gòu)建生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)運(yùn)動(dòng)者的脈搏、心電、體溫以及汗液中的葡萄糖濃度、乳酸濃度等進(jìn)行監(jiān)測(cè),以實(shí)時(shí)反映運(yùn)動(dòng)者的身體狀態(tài)。該遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由生命體征監(jiān)測(cè)登山服和手機(jī)App線上端構(gòu)成,可以根據(jù)醫(yī)院提供的登山員個(gè)人生命體征閾值來進(jìn)行針對(duì)性App線上端數(shù)值設(shè)置,用于生命體征異常時(shí)報(bào)警,幫助登山運(yùn)動(dòng)員實(shí)時(shí)進(jìn)行正確的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度監(jiān)控,以引導(dǎo)登山員在最安全的生命體征區(qū)值內(nèi)活動(dòng)。

1.2 遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

如圖1所示,遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將各種生理信號(hào)傳感器或放大濾波電路、電極、A/D 轉(zhuǎn)換等和電腦相連接,在計(jì)算機(jī)中對(duì)監(jiān)測(cè)的多參數(shù)生理信號(hào)進(jìn)行分析處理,得到一定的分析診斷結(jié)果,反傳輸?shù)揭苿?dòng)設(shè)備、服裝信號(hào)接收器并儲(chǔ)存至云端。

圖1 生命體征監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)

總體遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架如圖2所示,分為戶外登山運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和平臺(tái)監(jiān)護(hù)兩部分。登山運(yùn)動(dòng)員通過醫(yī)護(hù)端就診可得到關(guān)于自己生命體征的各種閾值,根據(jù)技術(shù)指導(dǎo)來對(duì)用戶端進(jìn)行閾值輸入,進(jìn)而根據(jù)生命體征的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果控制自己的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。在戶外登山運(yùn)動(dòng)中,登山運(yùn)動(dòng)員的生命體征通過穿著的智能監(jiān)測(cè)登山服進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及傳輸,該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在采集到相關(guān)數(shù)值后會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,運(yùn)動(dòng)員可通過用戶端或登山服預(yù)警輸出端得知自己的身體狀態(tài),從而控制自己的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度,以免生命體征超出閾值發(fā)生危險(xiǎn)。通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的生命體征數(shù)值也會(huì)通過云端的形式反饋給醫(yī)生,為遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)搭建一個(gè)溝通的平臺(tái),節(jié)約登山運(yùn)動(dòng)員的身體管理資源,提高管理效率。

圖2 總體遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2 生命體征監(jiān)測(cè)登山服的設(shè)計(jì)

生命體征監(jiān)測(cè)登山服以人體工效學(xué)和服裝設(shè)計(jì)基本原理為設(shè)計(jì)基礎(chǔ),在滿足人體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下盡可能提高登山服的舒適性、適用性和功能性。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32614—2016《戶外運(yùn)動(dòng)服裝沖鋒衣》對(duì)衣身進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì),對(duì)服裝的功能、外觀、材料都進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)范,其中包括功能方面的抗?jié)裥?、靜水壓、透濕率、耐用性以及外觀要求膠條膠膜、防水結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)。生命體征監(jiān)測(cè)登山服主要分為衣體、數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)終端3個(gè)部分,如圖3所示。數(shù)據(jù)采集端分為脈搏壓力傳感和汗液微傳感2種方式,立領(lǐng)兩側(cè)頸動(dòng)脈處設(shè)置了脈搏壓力傳感器,袖口設(shè)置了汗液微傳感器,用于采集分析人體體征實(shí)時(shí)狀態(tài)的初步數(shù)據(jù)。

圖3 生命體征監(jiān)測(cè)登山服結(jié)構(gòu)示意圖

領(lǐng)部的脈搏壓力傳感器[3]紗線部分使用18 tex導(dǎo)電紗,如圖4所示,其余衣體里料層所用的紗線為18 tex不導(dǎo)電的錦綸紗,衣領(lǐng)部位通過HQM61B 型電腦織領(lǐng)機(jī)一體成型,將導(dǎo)線和壓力傳感模塊一同織入領(lǐng)子面料內(nèi)部。領(lǐng)子內(nèi)部采用緯平組織,密度為5～8線圈/c m,領(lǐng)口區(qū)域采用1隔1羅紋組織結(jié)構(gòu),以增強(qiáng)領(lǐng)口的彈性,圖5為領(lǐng)子內(nèi)部緯平組織結(jié)構(gòu)示意圖,圖6為羅紋組織結(jié)構(gòu)示意圖。領(lǐng)子織物的密度會(huì)使領(lǐng)子和頸動(dòng)脈間產(chǎn)生相互作用力,當(dāng)壓力傳感器受到脈搏壓力時(shí),壓阻會(huì)隨之產(chǎn)生變化。壓阻變化的工作原理是通過“壓”(增加的接觸點(diǎn))和“放”(降低的接觸點(diǎn))工作過程中不銹鋼顆粒間接觸點(diǎn)的變化以及導(dǎo)電紗線之間接觸面積的變化,如圖7所示。壓力傳感器與液晶顯示器間的連接電線用織入里料的導(dǎo)電纖維代替[4],使得衣服里料可直接接觸皮膚。

圖4 脈搏傳感器

圖5 緯平組織

圖6 羅紋組織

圖7 交織結(jié)構(gòu)壓力傳感器的電阻變化

汗液微傳感器可以無創(chuàng)對(duì)汗液中乳酸、葡萄糖、鉀離子、鈉離子、氯化物、尿素濃度以及汗液p H 值、出汗率、總汗液量等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè),用不采集血樣的方式進(jìn)行生理生化分析,方便登山員在戶外登山運(yùn)動(dòng)過程中獲得高質(zhì)量的生命體征數(shù)據(jù)。通過汗液微傳感器對(duì)登山運(yùn)動(dòng)員汗液中的乳酸濃度進(jìn)行測(cè)量分析運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度,對(duì)汗液中的葡萄糖濃度進(jìn)行測(cè)量分析運(yùn)動(dòng)員的能量消耗,測(cè)量和分析總汗液量可以對(duì)運(yùn)動(dòng)員身體的水合狀態(tài)和熱調(diào)節(jié)狀態(tài)等生理狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]。該傳感器的工作原理是通過微流控和微傳感器結(jié)合工作,微流控裝置對(duì)汗液進(jìn)行電化學(xué)分析,微傳感器分析得出汗液中乳酸濃度電壓數(shù)據(jù)、葡萄糖濃度等。汗液微傳感器同脈搏傳感器一樣,采用同紗線一起織入的方式織入袖口面料,如圖8所示。汗液微傳感器與顯示器間連接的電線同樣用導(dǎo)電紗線織入面料代替電線,這樣運(yùn)用傳感器設(shè)計(jì)的登山服比傳統(tǒng)登山服更加功能化、便利,方便洗滌,給運(yùn)動(dòng)登山員帶來更舒適的戶外登山運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。

圖8 汗液微傳感器

3 遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺(tái)由用戶App線上終端和云端組成,如圖9所示。常見App終端主要為維持健康體征優(yōu)選方案的推薦,在結(jié)合登山員實(shí)時(shí)生命體征危及生命的情況下,優(yōu)化設(shè)計(jì)為實(shí)時(shí)反饋用戶生命體征現(xiàn)狀與自我運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度控制的作用,通過藍(lán)牙無線傳輸技術(shù)或蜂窩網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)器連接,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與App終端之間的信號(hào)傳輸。云端功能的主要優(yōu)化是實(shí)時(shí)記錄并儲(chǔ)存登山員的生命體征狀況,在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析報(bào)告?zhèn)鬏數(shù)紸pp線上終端后,同時(shí)上傳到云端進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存,醫(yī)生和家庭成員均可通過云端查看用戶的身體狀態(tài),以便醫(yī)生查閱用戶的歷史病情和實(shí)時(shí)狀況,也可給家庭成員實(shí)時(shí)反饋用戶的身體狀態(tài),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的功能及作用。

圖9 遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺(tái)功能

登山服的體征穩(wěn)定預(yù)警方面也進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),體征預(yù)警通常會(huì)通過攜帶設(shè)備自測(cè)完成,在無意識(shí)自測(cè)的情況下,登山員通常用經(jīng)驗(yàn)值判斷是否繼續(xù)進(jìn)行登山運(yùn)動(dòng)。優(yōu)化設(shè)計(jì)為通過體征監(jiān)測(cè)閾值自動(dòng)預(yù)警的形式告知用戶是否能繼續(xù)活動(dòng),遇到閾值提醒范圍內(nèi)時(shí),預(yù)警設(shè)備會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)提醒用戶暫停繼續(xù)活動(dòng)且建議盡快就醫(yī)查看身體狀況。用戶的生命體征監(jiān)測(cè)閾值預(yù)警可通過2種方法實(shí)現(xiàn):一種是從醫(yī)院檢查得出個(gè)體生命體征數(shù)據(jù)閾值,直接手動(dòng)輸入App線上終端;另一種是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過運(yùn)動(dòng)員實(shí)時(shí)的生命體征數(shù)據(jù)采集,進(jìn)行云端數(shù)據(jù)分析,預(yù)估目前身體的生命體征閾值。通過2種不同的數(shù)據(jù)來源分析,根據(jù)實(shí)時(shí)報(bào)告反饋?zhàn)鞒鲞\(yùn)動(dòng)強(qiáng)度控制,預(yù)警身體狀態(tài)超出閾值范圍,實(shí)現(xiàn)用戶的安全保障。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警設(shè)備由視覺效果鮮明的預(yù)警燈和報(bào)警設(shè)備組成,預(yù)警燈根據(jù)不同的身體狀態(tài)分為3個(gè)基本顏色,預(yù)警顏色分別為淺綠色、綠色、淺黃色、黃色、淺紅色、紅色,生命體征數(shù)值處于正常范圍內(nèi)預(yù)警燈顯示淺綠色或綠色,生命體征數(shù)值臨界閾值預(yù)警燈按程度分別顯示淺黃色或黃色,生命體征數(shù)值等于閾值預(yù)警燈顯示淺紅色,生命體征數(shù)值超出身體健康范圍將對(duì)登山運(yùn)動(dòng)員的身體健康構(gòu)成威脅預(yù)警燈顯示紅色,同時(shí)報(bào)警設(shè)備將發(fā)出報(bào)警聲,提示用戶必須立即停止高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)并就近就醫(yī),以免身體狀態(tài)崩潰造成生命安全威脅。

用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析反饋表包含用戶基本信息、數(shù)據(jù)采集時(shí)間、數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)、具體生命體征參數(shù)和分析報(bào)告,根據(jù)反饋分值可供用戶自行判斷身體狀態(tài),并給出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度推薦;健康指引模塊具有影像效果,直觀地記錄并告知用戶身體的實(shí)時(shí)狀態(tài)與建議性就醫(yī)指導(dǎo),有助于預(yù)警身體狀態(tài)。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析反饋表和實(shí)時(shí)生命體征狀態(tài)均會(huì)自動(dòng)保存至云端,以供醫(yī)生和家庭成員掌握用戶身體狀態(tài),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程互動(dòng)溝通,提高身體安全保障和就醫(yī)效率。

4 結(jié)束語

針對(duì)戶外登山運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究,基于用戶角度,提出了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)護(hù)系統(tǒng)模型,搭建遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺(tái),給戶外登山運(yùn)動(dòng)員提供更加舒適、安全的登山運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。采用多學(xué)科交叉的研究設(shè)計(jì)方法,涉及服裝設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、通訊工程、材料等專業(yè),為遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建提供全方位的學(xué)科基礎(chǔ)支持,可為構(gòu)建遠(yuǎn)程戶外運(yùn)動(dòng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供參考,也為個(gè)性化登山服設(shè)計(jì)研究提供借鑒,進(jìn)一步推進(jìn)可穿戴產(chǎn)品的發(fā)展。