智能服裝（smart/intelligentclothing）是近年來的一個研究熱點，它的理念最早起源于上世紀70年代末80年代初流行的“可穿戴計算機”，由于小型化技術的進步，人們逐漸可以將原來安裝在背包中的沉重的計算機系統(tǒng)植入眼鏡或衣服中，并通過互聯(lián)網(wǎng)技術從系統(tǒng)中獲取信息。最早的智能服裝在1993年誕生于麻省理工學院的媒體實驗室。智能服裝結合了電子信息技術、傳感器技術、紡織科學及材料科學等相關領域的前沿技術，通過兩大類方法來實現(xiàn)自身的智能化：一類是運用智能服裝材料，包括形狀記憶材料、相變材料、變色材料和刺激—反應水凝膠等；第二類是將信息技術和微電子技術引入人們日常穿著的服裝中，包括應用導電材料、柔性傳感器、無線通訊技術和電源等。
 
　　由于人們越來越重視自身的健康，而且智能服裝具有探測人體生理參數(shù)的極大潛能，因此智能服裝在健康監(jiān)護領域的研究應用也成了近年的重點。本文將簡要介紹智能服裝在健康監(jiān)護領域的研究。

　　1  設計核心問題

　　智能服裝在設計過程中主要受到各種數(shù)字傳感設備以及人體工程學的限制和引導。設計者首先必須認識到它們與一般醫(yī)療器械的不同：

　?。?）智能服裝需要被病人穿戴在身上；
　　（2）它們往往需要與穿著者發(fā)生作用才可以進行各種操作；
　　（3）它們常常在變化的環(huán)境中工作，而且該環(huán)境體系很難得到控制。
　　
　　但這些差異也為智能服裝的研究提供了現(xiàn)實的意義，并促使研究者進一步考慮實際應用中存在的各種問題。

　?。?）生理信息的獲取—傳感器

　　傳感器可以用來監(jiān)護生理環(huán)境及其變化。健康監(jiān)護用智能服裝主要使用了醫(yī)學傳感器和周邊傳感器。

　　醫(yī)學傳感器可以監(jiān)護生理狀態(tài)和過程，而且也可以參與記錄生理和運動機能的各種參數(shù)。周邊傳感器用來監(jiān)控外部環(huán)境，將信息反饋到主系統(tǒng)中使其相應的改變自身功能，以提高主系統(tǒng)的情境感知能力，使其正確評估醫(yī)學傳感器的工作。它包括溫度計、二氧化碳探測器、麥克風甚至數(shù)碼相機等，可以用來檢測氣溫、濕度、空氣質量、音量等環(huán)境指標；也可以輔助導航，如GPS、數(shù)碼指南針等導航傳感器。

　　健康監(jiān)護用智能服裝還廣泛使用無線傳感技術，不僅解決了傳感器工作的一系列問題，還使使用者獲得很大的自由和舒適。它們的設計集成了無線發(fā)射機和自發(fā)備電系統(tǒng)。無線智能傳感器可以進行數(shù)據(jù)采集及人體和區(qū)域網(wǎng)絡的有限信號處理。它一方面可以降低可穿戴處理器的工作負載，一方面也可以提高評價的速度，因此在實時應用中作用突出。

　　如圖1所示智能服裝中所用的醫(yī)學傳感器主要用來檢測各種生理信號，如：檢測心電、肌電、腦電和眼電等信號的體表電極，檢測體溫的熱敏電阻，檢測皮膚電導的皮電反應傳感器、檢測脈搏心率的壓電傳感器，用光體積測量法檢測血壓、血氧飽和度和心率的紅外發(fā)射接收系統(tǒng)。有的傳感器系統(tǒng)還包括運動生理學傳感器，如檢測運動速度的加速度器、檢測關節(jié)夾角的電子量角器、檢測障礙物的近距離傳感器和接觸傳感器等等。醫(yī)學上，它們也可以用來檢測一些與臨床病理相關的運動，如步態(tài)異常、顫抖、帕金森氏病等，并能引導視力損傷病人的行走，使他們避開障礙物。

　　以上大都是物理傳感器，近來也有研究將重點放在了檢測人體PH值等參數(shù)的化學傳感器上。ShirleyCoyle等介紹了一種可以檢測人體汗液PH值的化學傳感器（圖2）的工作原理。比色法是該種傳感器的主要檢測方法。研究者將在對PH值靈敏的染料溴百里酚藍固定在織物基底，使染料直接與汗液接觸。同時發(fā)光二極管用作光源，并使用光電二極管作探測器。利用該染料對PH值在6.0至7.6范圍內有不同的吸光特性，可以通過光電二極管檢測到染料放出光的波長，從而確定其PH值。

　　總之，物理傳感器和化學傳感器目前都在智能衣服的研究中的到了不同程度的應用，如下表所示：

　?。?）信號處理系統(tǒng)

　　生理信息處理是監(jiān)護健康用智能服裝的核心功能之一，它包括有用生理信號的篩選和處理以及信息的反饋等方面，如圖3所示。下文將結合幾種最新研究結果來介紹生理信息處理的過程。

　　信號處理過程需要使用信息處理單元，其本質是低版本的計算機，其中掌上電腦和個人數(shù)字助理（PDA）是兩種最流行的信號處理器，如圖4所示。微型化處理芯片的廣泛使用大大提高了信號處理的效率，存儲芯片的使用可以提高信號處理的準確性和可靠性。也有研究致力于開發(fā)新的電源，以提高電源的供電效率，包括在衣服上安裝太陽電池，在鞋子里內嵌壓電陶瓷以及利用體熱、呼吸等人類生理活動供能等。

　　同時也有研究對獲得信號的無線遠程傳輸進行了探討，其根本目標就是使傳感器檢測到的生理信號統(tǒng)一輸入一個信息網(wǎng)絡，這樣一方面可以使醫(yī)生遠程監(jiān)護病人，及時地了解到康復中病人的健康狀況，并做出準確地判斷；還能解決病人使用PDA進行信號處理單元的不便之處。如圖5所示，生理參數(shù)的無線傳播方式主要有射頻電磁波、紅外光和聲波三種，其中射頻電磁波最常用?；谏漕l電波的無線數(shù)據(jù)傳播主要分為廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)。廣域網(wǎng)采用衛(wèi)星通信、GSM、CDMA等，而局域網(wǎng)多采用藍牙、超寬帶、IEEE802.11/a/b/g等。目前比較具有代表性的無線傳輸系統(tǒng)有哈佛大學的CodeBlue系統(tǒng)，法國CENS研究機構的MARSIAN項目，NASA阿莫斯實驗室和斯坦福大學聯(lián)合開發(fā)的LifeGuard系統(tǒng)等等。

　　信號處理過程的第一步是將傳感器獲得的模擬信號轉化為數(shù)字信號，整個過程需要符合采樣定理，而且實時測量需要時間標記和測量同步，以滿足A/D轉換器不同采樣率的要求。第二個階段是信息轉換或預處理階段，在該階段多余無用的信息被過濾掉，而有用的信息被提取和保留，如噪聲過濾和失真校正等。第三個階段是參數(shù)選擇或特征抽取階段，在這個階段，信號某些特性，如識別、預測和推斷生理狀態(tài)的辨別能力，將會得到評價。特征值的提取能提供重要的生理信息如呼吸頻率、心律等等。最后是分類階段，獲得的信號參數(shù)可以用來指導信號分類，以判斷各種癥狀的類型及康復的程度等等。我國臺灣的研究者開發(fā)了一種多功能生理參數(shù)檢測系統(tǒng)e-Texture，可以用來檢測心電、體溫、以及穿著者是否摔倒等情況。在心電信號處理過程中，系統(tǒng)先抽取了所檢測信號的特征，與此同時，正常ECG和被檢測ECG波形的相關系數(shù)被用來評價被測者心跳是否正常。如果檢測的心跳波形與心室早期收縮（PVC）相似度高，則系統(tǒng)就判斷為PVC；如果檢測的心跳波形與正常心跳波形相似，則系統(tǒng)會初步判斷是正常或者心房早期收縮（APC），這是因為APC與正常波形相似，所以系統(tǒng)還需進一步分析RR間期的時間是否正常。如果時間正常，則系統(tǒng)就會判斷心跳正常，否則就判斷為APC。每隔5s，系統(tǒng)將取一次樣，然后重復該算法，如圖6所示。

　　2  智能織物（smart/intelligenttextile）的研究

　　健康監(jiān)護用智能服裝最終要解決采集處理生理信號的傳感器及其他相關設備與衣服的織物結合的問題。衣服可以給這些設備提供支持，以有效減少直接穿戴它們的不適之處；也能夠提供一些工作環(huán)境上的保護，使這些設備在合適的溫度、濕度或光照等條件下工作；還可以適當調節(jié)生理反應，如排汗、運動等，使所獲得的信號更加可靠。在汗液pH值傳感器的研究中，織物就在采集樣本這一過程起到了重要的作用。
 

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　　通過在織物中引入一種本征導電聚合物材料——聚吡咯（PPy），可以啟動一種可逆的離子填充/去填充過程。
　　該過程本質是一種微流體泵，是流體處理系統(tǒng)的重要組成部分，它能實現(xiàn)試劑處理、流體控制以及廢物儲存等功能，而這些功能在汗液采集輸送過程十分關鍵。
　　下圖是微流體泵TITAN采集汗液并傳遞給化學傳感器的過程。

　　計算衣服（computationalclothing）指可以處理、儲存、傳遞以及檢索信息的服裝。通常用兩種方式來實現(xiàn)：第一種方法是將電子系統(tǒng)嵌入織物或衣服附件中；另一種則在織物制備過程中結合紡織和電子技術，直接生產(chǎn)出電子織物（e-textiles）。Laxminarayana等的研究就應用了后一種方法，他們用電紡技術將以碳納米管為基底的材料與壓電聚合物相結合，研制出一種新型的智能織物，并通過結構振動實驗評價該織物的應變檢測性能，結果證實該織物與單一的壓電材料相比，應變檢測能力提高了35倍之多。

　　多傳感器服裝也在健康監(jiān)護中得到了初步的應用，它的特點是可以整合各種傳感器所獲得的生理信息，以獲得多方位或較全面的生理狀態(tài)的評價。印度的研究者開發(fā)出了一種SmartVest智能服裝，它將心電、血容、體溫、皮電等傳感器與織物相結合，從而實現(xiàn)了對多種生理參數(shù)的檢測，如下圖所示。

　　也有學者在織物本體的改性上做了相應的研究。

　　織物的柔性和信號檢測處理能力往往不可兼得，這是因為智能服裝需要很多傳感器和其它相關設備才能實現(xiàn)對健康的有效監(jiān)護，但如果過多的傳感器等設備直接嵌入織物中，則會造成穿著者的不適及衣服壽命的降低。Katragadda等將硅柔性外皮與常規(guī)的智能織物相結合，如圖9所示。該外皮可利用微顯微技術制得，它由一系列“硅島”（siliconislands）組成，每個“硅島”內有應變計，金屬墊、傳感器和電路等。將硅外皮縫入智能織物便得這種新型織物的原型。研究者將該原型拉伸、彎曲和扭動，再通過應變計獲得各“硅島”所受的應變。結果發(fā)現(xiàn)該柔性外皮與智能織物基底之間的機械連接相對較弱，因而“硅島”內的傳感器和電路并不會受到織物中機械應力的影響……

　　另外，相變材料也開始和智能織物相結合。相變材料可以在一定溫度范圍改變自身狀態(tài)，它們可以在相變發(fā)生時的加熱過程中吸收能量，或在相變發(fā)生時的降溫過程中向環(huán)境釋放熱量。常見的相變材料有無機水合鹽、長鏈鏈烴、聚乙二醇等。相變材料通常是以微膠囊的形式與織物相結合的。由于它可以和人體周圍微氣候發(fā)生作用，亦能感應由人體活動或外部環(huán)境改變而導致的體溫變化，所以相變材料處理的織物可以用于手術衣、病床材料、繃帶和調節(jié)病人體溫的各種產(chǎn)品等等。而聚乙二醇處理的織物還可以應用于輸液和殺菌消毒中，比如外科手術紗布、尿布等。

　　3  展望
　
　　目前健康監(jiān)護用智能服裝主要處于實驗室研究階段，而且很多研究是為了滿足軍事、宇航等行業(yè)的需求。盡管已有部分研究成果進入了市場化階段，但尚不能撼動人們傳統(tǒng)的穿著觀念，更沒有在人們生活中產(chǎn)生重要影響。該研究領域尚沒有一套系統(tǒng)的理論與標準，研究者往往來自不同的領域，有著不同的背景，這就需要相當長的配合時間才可以形成統(tǒng)一的認識規(guī)律。而且這種服裝作為特殊的醫(yī)療器械，其性能、安全性等評價方案不成熟，能否按照一般醫(yī)療器械標準評價還需要更多的臨床試驗才可以確定。從實用性角度看，健康監(jiān)護用智能服裝要結合一般衣服和監(jiān)護設備的功能，但是如果過多強調監(jiān)護功能而大量使用監(jiān)護設備，則勢必影響服裝作為一般衣物的功能，比如過多的電子傳感設備會給衣服的洗滌帶來不便，也會影響穿著的舒適和方便。

　　總之，智能服裝從誕生至今只有十幾年，卻顯示出了極大的潛能，在健康監(jiān)護方面，隨著監(jiān)護治療設備正在向著便攜式、智能化的方向不斷地發(fā)展，智能衣服更是有著得天獨厚的優(yōu)勢。我們也期待健康監(jiān)護用智能服裝在未來的發(fā)展中能不斷解決其使用推廣過程中的一系列問題，成功地應用于健康監(jiān)護各個領域，為人類造福。