紡織品傳感器于電子電路設(shè)計及應用

楊章民 民揚公司

紡織品傳感器于電子電路設(shè)計及應用

楊章民 民揚公司

我們的核心技術(shù)是用布料當電路版及傳感器，同時藉由鋼絲線當傳輸線來量測人體生理資訊，其可用來量測呼吸、姿勢、體溫、心電圖、汗?jié)穸?、跌倒、心跳? 民揚公司已開發(fā)出穿戴式的心電圖衣、呼吸帶、和可偵測身體活動的服飾，有別于現(xiàn)有產(chǎn)品，使用舒適的感應器貼片、不用穿的非常緊、及可以隨意走動，還可無線傳送數(shù)位訊號至遠端平臺以長期監(jiān)控其生理狀況

紡織品傳感器 呼吸 姿勢 心電圖 步態(tài)分析

Abstract:Our core technology is the use of textile as circuit boards and sensor, also use wire line as the transmission line to measure the physiological information, which can be used to measure breathing, posture, body temperature, ECG, sweat and humidity, falls,heart rate, Ming Young Biomedical Corp. has developed a wearable ECG clothing, breathing zone, and can detect physical activity of apparel, from existing products, using the comfortable placement of sensors, do not wear very tight, and free to move around,but also wireless transmission digital signal to a remote platform for long-term monitoring of their physical condition

Key words:textile sensor, respiration, gesture, ecg, gait analysis

0 前言

現(xiàn)今的先進國家，人口發(fā)展大多朝向“高齡少子化”之趨勢，將導致未來老年人口數(shù)量偏高及青壯年人口不足之社會問題，近年來國外高齡化的情形，例如：日本2007年高齡人口(65歲以上)已達21.2%、德國、意大利也進入高齡化社會；為解決未來“高齡少子化”之問題，許多國家開始重視居家遠距監(jiān)控，其中考慮因素不僅在患者疾病預防，患者的健康管理也是發(fā)展的方向，日本厚生勞動省之報告指出，2005年日本健康照護市場規(guī)模已達5.66兆日元、2007年將達到6兆日元。

根據(jù)Frost & Sullivan的研究指出，2003 年美國遠距病人監(jiān)測器材市場約為5450萬美元，其中預期2010年遠距病人監(jiān)測器材的復合成長率將達25%，其整體營收將達2.6億美元，現(xiàn)有之長期照護用監(jiān)控系統(tǒng)，在使用上最大的瓶頸，必須使用電極貼片和電線，這讓使用者感到不舒適和受束縛。針對此瓶頸，民揚公司已開發(fā)出穿戴式的心電圖衣、呼吸帶、和可偵測身體活動的服飾，有別于現(xiàn)有產(chǎn)品，使用舒適的感應器貼片、不用穿的非常緊、及可以隨意走動，還可無線傳送數(shù)位訊號至遠端平臺以長期監(jiān)控其生理狀況。

再者，考慮使用者要正常的居家生活，監(jiān)控系統(tǒng)應兼具方便性與人性化。民揚公司的產(chǎn)品是與服飾結(jié)合、可攜帶、微小化、可洗、材質(zhì)以布為主、舒適、消耗電量小?？稍诓桓蓴_生活作息的前提下，無時無刻監(jiān)試使用者的心跳、呼吸、體溫、汗?jié)瘛⒆藙莸鹊?。萬一有跌倒、發(fā)燒、心律不整、呼吸急促等意外發(fā)生，即可利用此監(jiān)控系統(tǒng)與遠端醫(yī)護人員互動，得到即時協(xié)助。

Databeans (2009)歸納全球醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)(含健身與健康器材)現(xiàn)況與趨勢，有下列4項：

? 健康照護趨勢：

健康照護產(chǎn)業(yè)趨向居家應用方向發(fā)展，創(chuàng)新應用也持續(xù)增加，從專業(yè)醫(yī)院端朝向病患發(fā)展，并具備可增進照護效率與降低照護成本的方向發(fā)展

? 相關(guān)組件需求包含：

高效能(advanced performance characteristics)、微小化(smaller sized packaging)、低耗能(lower power consumption)與低成本(cost effectiveness)等方向發(fā)展

? 市場需求 ：

從先進國家逐漸拓展至新興市場發(fā)展

? 重要趨勢 ：

亞太地區(qū)已經(jīng)成為醫(yī)療電子的主要制造中心

同時Frost & Sullivan (2009)指出歐盟列出6大發(fā)展重點：(1) E-Health (2) Protective textiles (3) Sustainable construction、(4) Recycling、(5) Bio-based products、(6)Renewable energies 其中 E-Health 及 Protective textiles都是歐盟目前正在進行的發(fā)展重點。

隨著高科技電子產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展及需求，使得電子產(chǎn)品不斷微小化并與紡織產(chǎn)業(yè)技術(shù)整合研制出可穿戴式生理監(jiān)測紡織品，這種智能型紡織品上有許多感應器，可以偵測心跳、呼吸速率、體溫等生理指標，在不干擾使用者起居下，長期記錄其使用者的生理狀態(tài)及健康資訊。

1 技術(shù)簡介

本計劃所用技術(shù)主要分為三個部分：

A.智慧衣：

將按鍵開關(guān)與心電圖電極結(jié)合，縫制在衣服上，依睡姿或坐姿，會有不同的電極被推向人體，即可獲得心電圖，而這些電極不須要黏貼在身上，也不須要用松緊帶或緊身衣，即可讓受測者很舒適又方便的獲得心電圖。

B.呼吸帶：

利用裂縫感測器固定在腰帶上，裂縫感測器會隨呼吸拉開或并攏，即是斷路或短路，就可以從電路上讀取呼吸訊號，同時可以得到吸氣及吐氣的時間，也可知呼吸頻率。

C.智能型運動衣褲：

我們設(shè)計了一些圓頂狀的感測器在襪子中，再加上一個clip型感測器于褲子中以計錄膝蓋的彎曲角度，另一感測器則位于雙腿間以偵測行進速度。

因此我們設(shè)計的系統(tǒng)其功能如下：a.對步行者無影響。 b.可分析雙腳的行進特性。 c.使用無線方式傳輸資料。 d.即時提供正確的步態(tài)分析資料。

2 技術(shù)方法

A.智慧衣：

將按鍵開關(guān)與心電圖電極結(jié)合，縫制在衣服上，依睡姿或坐姿，會有不同的電極被推向人體，即可獲得心電圖，而這些電極不須要黏貼在身上，也不須要用松緊帶或緊身衣，即可讓受測者很舒適又方便的獲得心電圖。我們在服上縫制感測器的位置如圖1，圖2實際人體測試圖

圖3是心電圖電極以及按鍵開關(guān)組合而成，當受壓迫時，上端的導電纖維會碰到下方的心電圖電極，就可以把心電圖訊號傳送到控制盒內(nèi)。當未受壓迫時，中間的泡棉會把導電纖維往上撐起，就不會傳送心電圖訊號。這種組合分別安裝在衣服的前面、背面、左側(cè)面、右側(cè)面，如圖1。

圖1 衣服及感測器位置圖

圖2 實際人體測試圖

圖3 心電圖電極以及按鍵開關(guān)組合

不同睡姿，壓迫到的電極隨之而異，睡眠心電衣能分辨四種睡姿，如圖4

圖4 四種睡姿示意圖

B 呼吸帶

在測量呼吸上，我們把4個clip type sensor裝在腰帶上，其整體架構(gòu)如圖5，呼吸帶之實體照片及示意圖見圖6。利用裂縫感測器固定在腰帶上，裂縫感測器會隨呼吸拉開或并攏，即是斷路或短路，就可以從電路上讀取呼吸訊號，同時可以得到吸氣及吐氣的時間，也可知呼吸頻率。

圖5 呼吸帶之架構(gòu)

圖6 呼吸帶之實體圖及示意圖

C.智能型運動衣褲：

我們設(shè)計了一些圓頂狀的感測器在襪子中，再加上一個clip型感測器于褲子中以計錄膝蓋的彎曲角度以偵測步態(tài)分析。

導電布料與按鍵開關(guān)之結(jié)合，使運動訊號數(shù)位化單純化，藉由數(shù)位訊號的0、1與時間之變化關(guān)系來分析人的運動狀態(tài)，比之先前的類比系統(tǒng)技術(shù)，較易于進行動態(tài)運動分析與延伸應用。

藉由按鍵開關(guān)與裂縫感測器開關(guān)之ON / OFF 訊號并應用電阻串聯(lián)原理來簡少I/O連接點數(shù)量，進而用來分析步態(tài)動作的“雙腳支撐期”、“單腳支撐期”、“擺動期”…等相關(guān)時間資訊(如圖7所示)。

圖7 右腳步態(tài)循環(huán)圖

圖7中的范例是以右腳當作主要之分析范例，該圖示的大致意義如下：(1) Initial contact狀態(tài)到Opposite toe off 狀態(tài)之時間為右腳第一次的“雙腳支撐期；(2)Opposite toe off 狀態(tài)到Opposite initial contact狀態(tài)之時間為右腳之“單腳支撐期”；(3) Opposite initial contact狀態(tài)到Toe off(h)狀態(tài)之時間為右腳第二次的“雙腳支撐期”；(4) Toe off(h)狀態(tài)到initial contact狀態(tài)之時間為右腳的“擺動期”。

一個步態(tài)的完整循環(huán)會有兩次“雙腳支撐期”出現(xiàn)。

我們的無線步態(tài)分析系統(tǒng)如下圖8，在上衣、褲子及襪子中包括前述感測器，用MSP430 微控制器去獲取資料及分析處理。我們使用100HZ 的取樣率來得到感測器的資料。

MSP430 用以記錄所得到的數(shù)位資訊，并與一藍芽模組連接，可將資訊傳送到電腦或PDA，電腦及褲子、襪子的照片如圖9。

圖8 無線步態(tài)分析器之基本架構(gòu)圖

我們假設(shè)行動的間隔時間最小是0.01s，如果有比此時間更小的訊號出現(xiàn)，則將其視為雜訊而將其舍去。故而最小的取樣時間定為 0.01s。

圓頂狀感測器如圖10所示，由紡織料、感測電子組件及極細(0.2mm)傳輪導線所組成，當其受壓超過80 g，二端的導線將導通。此組件將縫制于襪底。

圖9 系統(tǒng)原型照片

圖10 圓頂狀感測器

Clip 型的感測器如圖11，將二個感測組件分別縫制在二片彈性繃帶上，第一片彈性繃帶含有66% 尼龍及34% 橡膠線，大小是5.5×5cm ，第二片彈性繃帶含有50% 尼龍及50% 橡膠線，大小是5.5×10cm。此組件將縫制于褲子的膝蓋彎曲處。第一片繃帶將于45?受100 gm 而作用，第二片繃帶則于60?受力400 gm 而作用。

圖12是右腳襪子上感測器的分布位置，經(jīng)由實際實驗記錄分析數(shù)據(jù)可了解于不同步態(tài)時，各點數(shù)據(jù)的時序?qū)⒉煌偌由蟘lip 型的感測器偵測到的膝蓋角度變化，因而可對實施對象進行步態(tài)分析。

圖11 Clip 感測器

圖12 右腳襪子上感測器分布圖

3 實施例

A.智慧衣：

圖13顯示睡眠心電衣用兩種電極(直接與非直接型)與傳統(tǒng)電極受到運動干擾所得之心電圖波型。非直接型電極與傳統(tǒng)電極的效果很類似，直接型電極效果較差。

圖14顯示在4種不同睡姿下，用非直接型所得之心電圖波型。其R波方向、大小、T波皆顯著不同。

B 呼吸帶

圖15顯示使用者在練習瑜珈呼吸術(shù)時，呼吸帶所得之呼吸波型，以及電腦呈規(guī)的模擬影像。

圖13 (a) 傳統(tǒng)電極，(b) 直接型電極，(c) 非直接型電極； 左：手臂運動干擾，右：腿運動干擾

圖14 四種睡姿所獲之心電圖波型

圖15 練習瑜珈呼吸術(shù)時，(a)電腦呈規(guī)的模擬影像；(b)呼吸波型；(c)使用者之照片

圖16～19顯示市售PSG(上方)與呼吸帶(下方)所得呼吸波型之比較。圖16為安靜呼吸之波型，兩者很相似，但呼吸帶輸出是數(shù)位化的，而PSG是類比訊號

圖17為運動時呼吸之波型，(A)為走路， (B)為跑步，(C)為跳躍，可得見PSG易受干擾而呼吸帶較不易

圖18為其他行為時呼吸之波型，(A)為講話，(B)為咳嗽，(C)為呵欠，可得見PSG易受干擾而呼吸帶較不易

圖19為深呼吸之波型，可見4個clip type sensor依序開關(guān)。

圖16 安靜呼吸之波型

圖17 運動時呼吸之波型，(A) 為走路，(B)為跑步，(C)為跳躍

圖18 為其他行為時呼吸之波型，(A)為講話，(B)為咳嗽，(C)為呵欠

圖19 (A) 深呼吸之波型；(B) 系統(tǒng)可算出呼吸率；吸氣時間吐氣時間

C 智能型運動衣褲：

利用上圖9所完成的系統(tǒng)原型，我們進行了多項的實際分析，包括：

(1) 直線行進；

(2) 跑步機上跑步(6km/hour)；

(3) 倒退行進；

(4) 上樓梯；

(5) 下樓梯。

圖20 直線行進各感測器記錄結(jié)果

上圖20即為普通直線前進時所得到的各感測數(shù)據(jù)記錄。

其中各點位置為 (1) L’t knee(45?), (2)L’t knee(60?),(3)R’t knee(45?),(4)R’t nee(60?), (5)Crotch, (6)L’t toe, (7)L’t middle part, (8)L’tetatarsal, (9)L’t heel, (10)R’t toe, (11)R’t middle part, (12)R’tmetatarsal, (13)R’t heel。

根據(jù)圖7的步態(tài)循環(huán)圖分析上圖結(jié)果可得到如下圖21的分析結(jié)果。不同狀態(tài)的感測結(jié)果分別是(a)right initial contact (b) left toe off (c) right stance phase (d)left initial state (e) right toe off(f) right initial contact。

另外，也可以根據(jù)襪子底部的4個圓頂狀感測器來做COP (Central of pressure)的分析，如圖20，直線行進時左右二個襪子底下的感測器將獲得循環(huán)的數(shù)值結(jié)果，根據(jù)這些結(jié)果即可做壓力中心的分析了。

圖21 步態(tài)的各階段分析圖

另外，也可以根據(jù)襪子底部的4個圓頂狀感測器來做COP (Central of pressure)的分析，如圖22，直線行進時左右二個襪子底下的感測器將獲得循環(huán)的數(shù)值結(jié)果，根據(jù)這些結(jié)果即可做壓力中心(COM)的分析了。如圖22-a COM 分析圖，由此我們可知道使用者在走路時的重心變化，同時也可以評估使用者的平衡感，正常情況下COM 的分析圖應該是平均分布。

圖22 COP 分析圖

圖 22-a COM 分布圖

下圖23則為跑步的數(shù)據(jù)圖。

圖23 跑步結(jié)果

下圖24 則是倒退行進的結(jié)果。

圖24 倒退行進的結(jié)果

圖25 則是上樓的結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖25 上樓的結(jié)果

圖26 則是下樓的結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖26 下樓的結(jié)果

最后根據(jù)上列各項實驗結(jié)果可得出圖27，簡單的判斷各感測器的數(shù)據(jù)即可得知為何種步態(tài)。

4 結(jié)論

圖27 感測器數(shù)據(jù)與步態(tài)對應圖

本計劃是以很簡單易行且低成本的方法實現(xiàn)連續(xù)且長期監(jiān)控，突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，不干擾使用者之正常生活，可期待此種穿戴式與床墊式之監(jiān)控系統(tǒng)，成為最常見的居家配備，不再是昂貴且只有病人才用的特殊器材。且使用者不感覺感測器的存在，且沒有隱私被揭露的可能，因為都是0/1數(shù)字信號與心電圖信號等沒有直接人的影像圖形。

本產(chǎn)品可以水洗、感測器不會外露、穿在人身體上不會不舒服、并且可以隨時隨地測試得到數(shù)據(jù)等功能，而所使用到的范圍可用來觀察病患復健的狀況。數(shù)位輸出、簡單好操作、無線傳輸、褲子和襪子皆符合人體工學，穿在人身上不會不舒服、產(chǎn)品皆可水洗至少一年；而我們目的是要改善現(xiàn)有市面上產(chǎn)品的缺點，并且使電子和紡織業(yè)異業(yè)結(jié)合。

總而言之，本公司異業(yè)結(jié)合不同領(lǐng)域的人才，利用布料當做電路板，將人體的資訊以布料當接口傳輸?shù)娇刂坪猩?，進行分析同時無線傳輸?shù)诫娔X或手機。目前研發(fā)出可以感測參數(shù)有：心跳、呼吸以及姿勢變化等的感測器(sensor)，并將感測的結(jié)果以數(shù)位訊號(digital signal)傳出。藉由智能型紡織物、資電科技與生醫(yī)科技結(jié)合，產(chǎn)生高科技纖維的監(jiān)測系統(tǒng)，可量測生理訊號包含心跳、呼吸、心跳變率、溫度，再進一步加入汗?jié)瘛⒌?、肺音、血壓、血氧濃度等。此系統(tǒng)可應用于復健醫(yī)學,遠距醫(yī)療, 居家保健，運動醫(yī)學等用途。

The Development and Application of Using Textiles be Electric Circuit and Design Textile Sensor

YANG Zhang-min

1006-6586(2010)06-0016-06

R857.2

A

2010-06-02

楊章民，民揚公司執(zhí)行長