以織物傳感器為基礎(chǔ)的呼吸監(jiān)測(cè)方法

彭曉慧 楊旭東，2

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620;2.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201620)

呼吸是人體的重要生命信號(hào)。呼吸信號(hào)的記錄在醫(yī)療上可用于對(duì)病人健康狀況的判定。例如發(fā)熱、貧血會(huì)使呼吸頻率增加4次/min左右，而麻醉劑過(guò)量和顱內(nèi)壓過(guò)低時(shí)呼吸頻率低于12次/min。呼吸頻率及深度還可以反映呼吸肌麻痹、肺炎、胸膜炎等一些疾病的康復(fù)情況。

傳統(tǒng)的呼吸測(cè)量裝置過(guò)于笨重，價(jià)格昂貴，無(wú)法滿足人們?nèi)粘１O(jiān)測(cè)的需要。隨著傳感技術(shù)和無(wú)線傳輸技術(shù)的不斷完善，可穿戴式呼吸測(cè)量裝置逐漸被大家認(rèn)知?？纱┐魇胶粑O(jiān)測(cè)衣物具有24 h全天候的監(jiān)測(cè)及記錄功能，可以隨時(shí)隨地使用，而無(wú)需在醫(yī)院或花費(fèi)大量金錢去購(gòu)買設(shè)備。在日常生活中，可穿戴式呼吸測(cè)量衣物可以用于心肺疾病患者的康復(fù)監(jiān)測(cè)、睡眠呼吸暫停綜合癥狀的檢測(cè)等;在軍工上其也可以作為士兵生命信號(hào)的表征，以便及時(shí)搭救。目前，用于可穿戴衣物測(cè)量呼吸狀況的方法有以下幾種：電感應(yīng)體積描記技術(shù)，阻抗體積描記技術(shù)，壓阻(拉阻)呼吸描記法和壓電呼吸描記法。

本文基于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)可穿戴式呼吸測(cè)量裝置的研究狀況，總結(jié)這幾種測(cè)試方法的原理及研究難點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行展望。

1 電感應(yīng)體積描記技術(shù)

1.1 測(cè)試原理及方法

Goldberg等在1973年的專利中提出了用電磁感應(yīng)測(cè)量物體橫截面積的變化，1993年Sacker等人將其運(yùn)用到呼吸率的測(cè)量中。其測(cè)量原理是用一彎曲成正弦狀的絕緣線圈纏繞人體胸部和腹部，在其中通入交變電流，電磁感應(yīng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。隨著人體呼吸，磁通量隨人體截面的變化而變化，反過(guò)來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)電流來(lái)抵制施加的交變電流。絕緣線圈作為電容三點(diǎn)式振蕩電路的電感元件被連入電路中，調(diào)節(jié)合適的電感、電容參數(shù)，使電路發(fā)生諧振，此時(shí)功耗全部為電阻產(chǎn)熱。電路中電感隨時(shí)間變化導(dǎo)致諧振條件發(fā)生改變，采用調(diào)幅-檢波思路或調(diào)頻-檢頻思路［1］可以實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)。

1.2 測(cè)試范圍及應(yīng)用前景

電感應(yīng)體積描記技術(shù)(RIP)的監(jiān)測(cè)信息較為全面，除了呼吸率、吸氣時(shí)間分?jǐn)?shù)、吸/呼氣比等時(shí)間參數(shù)外，還包括潮氣量、每分鐘通氣量、胸腹呼吸貢獻(xiàn)比等容積參數(shù)，以及呼吸流速、峰值吸氣流速等呼吸力學(xué)參數(shù)。1967年Konno等［2］提出了兩個(gè)自由度模型，建立了胸腔、腹腔截面變化與肺通氣量之間的關(guān)系，如式(1)。

式中：ΔVa——肺通氣量;

ΔSic——胸腔的橫截面變化量，由 RIP可以得到;

ΔSab——腹腔的橫截面變化量，由 RIP可以得到;

M——比例系數(shù);

K——胸腹呼吸對(duì)總呼吸量的相對(duì)貢獻(xiàn)率。

通過(guò)事先標(biāo)定的方法，用肺活量?jī)x測(cè)得肺通氣量，由RIP得到截面積變化，從而計(jì)算出M和K，實(shí)現(xiàn)了肺通氣相關(guān)指標(biāo)的無(wú)創(chuàng)測(cè)量?，F(xiàn)有的標(biāo)定方法有等容標(biāo)定，多元線性回歸、最小二乘法和診斷性定性標(biāo)定技術(shù)和恒定比例系數(shù)標(biāo)定等［3］。

由于電感應(yīng)體積描記技術(shù)測(cè)量信號(hào)全面，其可以替代傳統(tǒng)笨重的呼吸測(cè)量裝置應(yīng)用于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。目前其已經(jīng)可以用于呼吸睡眠事件的檢測(cè)，具有很高的使用價(jià)值。學(xué)者也不斷致力于研究更好的校正和標(biāo)定方法，以完善其測(cè)量性能。

2 阻抗體積描記技術(shù)

2.1 測(cè)試原理及方法

人體的阻抗是包括人體皮膚、血液、細(xì)胞、組織及其結(jié)合部在內(nèi)的含有電阻和電容的全阻抗。1970年Khalafalla等［4］指出，用一對(duì)放在胸部的電極可以測(cè)得胸部電阻抗的變化。呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)體、胸壁肌肉交變張弛，肌肉組織的電阻抗隨之發(fā)生變化，加之隨著肺容量的變化整個(gè)胸部的阻抗也在變化，此時(shí)將電極與人體皮膚接觸，通過(guò)輸入信號(hào)可以反饋胸部阻抗的浮動(dòng)情況。2005年由Paradiso等［5］研制出Wealthy智能衣，該智能衣在人體胸部附近分布有四個(gè)電極，在外側(cè)的兩電極中輸入一個(gè)高頻恒流信號(hào)，而內(nèi)側(cè)的電極負(fù)責(zé)輸出由于阻抗改變而產(chǎn)生其兩端電壓的變化，經(jīng)過(guò)高頻調(diào)諧和檢波等過(guò)程輸出信號(hào)［6］。由于阻抗的變化與空氣流量的變化之間有線性關(guān)系，可以通過(guò)標(biāo)定的方法得到潮氣量等容積參數(shù)。另外，織物電極更多地被用于心電信號(hào)的測(cè)量，因此此方法為多功能醫(yī)用智能衣的制備提供了可能性。

2.2 研究熱點(diǎn)及應(yīng)用前景

目前研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)主要是織物電極的開發(fā)和無(wú)縫織造一次成型技術(shù)的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的粘貼式電極存在因長(zhǎng)期與皮膚接觸引起皮膚過(guò)敏，長(zhǎng)時(shí)間佩戴后因脫水干燥而導(dǎo)致信噪比降低等缺點(diǎn)［7］，因此織物電極是一種理想的選擇?？椢镫姌O要求其材料為導(dǎo)電材料，目前用于織物電極的導(dǎo)電材料有聚吡咯導(dǎo)電織物、涂炭導(dǎo)電織物、鍍金屬導(dǎo)電織物等。Song等［8］在織物電極上做了一些改進(jìn)，他們以銀包芯紗為原料在Stabuli-JC5(德國(guó))織機(jī)上織成雙層機(jī)織物。通過(guò)改變經(jīng)紗數(shù)目和添加導(dǎo)電橡膠得到4種樣品，分別是平面緊密排列的電極織物、凸起狀緊密排列的電極織物、平面稀疏排列的電極織物和凸起狀稀疏排列的電極織物，并與Ag/AgCl電極進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)表明這4種織物電極都能夠測(cè)得人的心率信號(hào)，其中凸起狀稀疏排列的織物的電極性能更顯著。用于織物一次成型的機(jī)械設(shè)備主要是無(wú)縫專用針織設(shè)備和針織橫機(jī)，相關(guān)機(jī)械設(shè)備有Santoni SPA5、Steiger SA4 等［9］。

相對(duì)國(guó)外來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)在此項(xiàng)技術(shù)方面還有諸多工作要做，從電極的制備、信號(hào)的采集和處理、電極與織物的整合技術(shù)等都有待提高。

3 壓電呼吸描記法

3.1 測(cè)試原理及方法

1880年Jacques和Pierre發(fā)現(xiàn)石英晶體在機(jī)械外力的作用下，其棱形表面會(huì)產(chǎn)生正負(fù)相反的電荷即極化，這種現(xiàn)象稱之為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料有壓電陶瓷、壓電高聚物，其中壓電高聚物又包括聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜家族和亞乙烯基二氰(VDCN)等。由于PVDF薄膜具有高的壓電常數(shù)，且質(zhì)量輕、柔性好、加工性能好、頻率響應(yīng)寬，以及能夠鑲嵌于衣物中等優(yōu)勢(shì)而被廣泛關(guān)注。

對(duì)于壓電薄膜材料來(lái)說(shuō)，在壓力作用下，其內(nèi)部的晶體發(fā)生極化，這些晶體大致平行排列。對(duì)于具有壓電現(xiàn)象的纖維來(lái)說(shuō)，極化方向垂直于纖維軸向，則存在兩種情況：一種是所有的電荷無(wú)論正負(fù)都集中在纖維表面，此時(shí)在其表面分別連上電極則可輸出電極信號(hào);另一種是纖維芯層聚集負(fù)電荷，表層聚集正電荷，這種情況以電纜的形式可以幫助其輸出信號(hào)，即在芯層和表層都加入導(dǎo)電層，相對(duì)較復(fù)雜［10］。

3.2 研究熱點(diǎn)及應(yīng)用前景

目前國(guó)內(nèi)的研究還停留在薄膜的性能改良上，國(guó)外研究者較多關(guān)注于同軸電纜形式的壓電材料，并且致力于將壓電材料以纖維的形式紡制出來(lái)，顯然這種方式有利于縮短工藝流程。薄膜應(yīng)用到織物上有三種形式：同軸電纜、片狀薄膜交織和纖維交織。同軸電纜的形式是指將薄膜導(dǎo)電層與絕緣層以電纜的方式結(jié)合;片狀薄膜交織指的是將導(dǎo)電薄膜制成一定長(zhǎng)寬的條狀，將其交織成所需面積的一整塊薄膜;纖維交織是指直接將壓電材料紡成絲，交織而成。2013年 Nilsson等成功制備了PVDF長(zhǎng)絲并將其織成斜紋布，測(cè)得其在應(yīng)力作用下的電信號(hào)變化并應(yīng)用到心電信號(hào)的測(cè)量中。試驗(yàn)證明，用PVDF長(zhǎng)絲制成的壓電傳感元件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體心跳的測(cè)量［11］。

4 拉阻呼吸描記法

4.1 測(cè)試原理及方法

材料受外力作用后電阻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做壓阻效應(yīng)(拉阻效應(yīng))。將具有壓阻效應(yīng)的材料整合到衣物中，隨著人體呼吸，綁在腹部的壓阻材料受力變形，產(chǎn)生壓阻效應(yīng)，連入分壓電路中可以記錄形變頻率，從而反應(yīng)呼吸信號(hào)。這種方法測(cè)試原理簡(jiǎn)單，但對(duì)傳感器的要求過(guò)高，尤其是對(duì)織物的穩(wěn)定性有較高要求。

4.2 研究熱點(diǎn)及應(yīng)用前景

目前壓阻傳感器元件可以分為兩類：一類為導(dǎo)電涂層與織物形成的以復(fù)合材料為基體的傳感器;另一類為導(dǎo)電織物本身形變而引起信號(hào)改變的傳感器。

在Wealthy和Myheart兩個(gè)項(xiàng)目中的智能衣物上都采用了Smartex發(fā)明的壓阻材料，其構(gòu)成主要是在彈性織物上涂覆炭黑硅橡膠，同時(shí)將其與導(dǎo)電紗線交織而成［12］。Guo等［13］也用同樣的方法制作出了壓電傳感器織物：炭黑硅橡膠涂料商品(ELASTOSIL?LR 3162)織成雙層的針織物，由95%的PES(聚醚砜樹脂)和5%的萊卡構(gòu)成，大小為100 mm×25 mm，有效涂覆面積為100 mm×10 mm。導(dǎo)電紗線連接此織物傳感器，用于數(shù)據(jù)傳輸。將其與一種商品化的壓電法測(cè)試衣物進(jìn)行比較得出以下結(jié)論：壓阻衣物在20 min的長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)更加穩(wěn)定;人在夜晚較多是低頻率呼吸，試驗(yàn)表明在低頻呼吸時(shí)，壓電衣物測(cè)量表現(xiàn)為更多的噪聲，因此壓阻法比壓電法更適合于夜間對(duì)病人的監(jiān)測(cè)。

1856年Lord Kelvin首次發(fā)現(xiàn)金屬導(dǎo)體的應(yīng)變變化可以引起電阻的變化。呼吸運(yùn)動(dòng)會(huì)引起人體胸、腹的擴(kuò)張與收縮，用導(dǎo)電纖維制成的傳感器能夠感應(yīng)到這種變化，并以電阻的變化輸出信號(hào)。由于導(dǎo)電纖維可直接被制成織物，無(wú)需考慮嵌入問(wèn)題，可以用普通的機(jī)械設(shè)備加工，加之其具有防電磁輻射、防靜電等多種功能，因此得到了廣泛關(guān)注。但是其穩(wěn)定性并不高，對(duì)于后期數(shù)據(jù)的處理要求較高。其可以作為智能衣物中的輔助測(cè)試部分。

導(dǎo)電纖維作為壓阻法的主要測(cè)試原料，其發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段［14］。目前直接用于呼吸信號(hào)測(cè)量的導(dǎo)電纖維為導(dǎo)電金屬涂覆纖維，例如Zieba等研制的一種用涂銀滌綸制得的導(dǎo)電針織物，能夠較為穩(wěn)定地測(cè)量呼吸信號(hào)［15］。國(guó)內(nèi)外對(duì)于導(dǎo)電纖維的研究較多，主要目的集中于使其能夠滿足人們對(duì)于穿著舒適性的需求，因此制備具有彈性的導(dǎo)電纖維及織物已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。Fang等在文獻(xiàn)中提到了一種以氨綸為材料的導(dǎo)電纖維的制備［16-17］，但是彈性加劇了電阻變化的不穩(wěn)定性，因此在如何保證其舒適性的前提下保證其穩(wěn)定性是亟待解決的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

呼吸信號(hào)的測(cè)量對(duì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)有著重要的意義，可穿戴式呼吸測(cè)量衣物使人們的健康測(cè)試不再受時(shí)間和地點(diǎn)的限制。以織物為依托的測(cè)量方法有電感應(yīng)體積描記法、阻抗體積描記法、壓阻法和壓電法。前兩種方法應(yīng)用較為廣泛，測(cè)試信號(hào)全面且較精確;后兩種測(cè)試方法原理簡(jiǎn)單，采集方法便捷，但反應(yīng)信息較為單一?？纱┐魇街悄軠y(cè)試衣物，由于其設(shè)計(jì)、紡織技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)等各個(gè)方面還存在一些問(wèn)題，因此需要改進(jìn)與完善。

［1］張政波，俞夢(mèng)孫，李若新.背心式呼吸感應(yīng)體積描記系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2006，19(5)：377-380.

［2］KONNO K ，MEAD J.Measurement of the separate changes of rib cage and abdomen during breathing［J］.Appl Physiol，1967，22(3)：407-422.

［3］畢亞瓊，呂媛.可穿戴呼吸感應(yīng)體積描記系統(tǒng)的標(biāo)定方法［J］.科學(xué)傳播，2012(2下)：82-83.

［4］KHALAFALLA Aidas，ATACKHOUSE S P.Thoracic impedance gradient with respect to breathing［J］.IEEE Transactions on Biomedical Engineering，1970(3)：191-198.

［5］PARADISO Rita，LORIGA Giannicola.A wearable health care system based on kintted intergrated sensors［J］.IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine，2005，9(3)：337-343.

［6］LANATA Antonio，SCILINGO E P.Comparative evaluation of susceptibility to motion artifact in different wearable systems for monitoring respiratory rate［J］.IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine，2010，14(2)：378-385.

［7］翟紅藝，王春民.基于織物電極的心電測(cè)試系統(tǒng)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2012，30(2)：185-191.

［8］SONG H Y，LEE J H.Textile electrodes of jacquard woven fabrics for bio-signal measurement［J］.The Journal of the Textile Institute，2010，101(8)：758-770.

［9］PACELLI M，LORIGA G.Sensing fabrics for monitoring physiological and biomechanical variables：E-textile solutions［C］.International Summer School and Symposium on Medical Devices and Biosensors，2006：4-6.

［10］SKAL Krucin，CYBULA M.Piezoelectric textiles：State of the art［J］.Materials Technology，2010，25(2)：93-99.

［11］NILSSON Erik，LUND Anja.Poling and characterization of piezoelectric polymer fibers for use in textile sensors［J］.Sensor and Actuators，2013，A201：477-486.

［12］SMARTEX srl.Monitoring method and system for assessmentorprediction ofmood trends： Europe，WO2012025622 A3［P］.2012.

［13］GUO Li，BERGLIN Lena.Design of a garment-based sensing system for breathing monitoring［J］.Textile Research Journal，2013，183(5)：499-509.

［14］廖麗芳.柔性可紡織涂碳纖維導(dǎo)電/傳感性能研究［D］.杭州：浙江理工大學(xué)，2010.

［15］ZIBA Janusz，F(xiàn)RYDRYSIAK Michal.Textronic sensor for monitoring respiratory rhythm［J］.Fibers＆ Textiles in Eastern Europe，2012，91(2)：74-78.

［16］FANG Qinqing，ZHANG Xiaolin.Preparation of polyaniline/polyurethane fibers and their piezoresistive property［J］.Journal of Macromolecular Science，2012，51(4)：736-746.

［17］FANG Qinqing，QIN Zongyi.The use of a carbon nanotube layer on a polyurethane multifilament substrate for monitoring strains as large as 400%［J］.Carbon，2012，50：4085-4092.