嚴(yán)妮妮，鄧詠梅，張 輝，李 鵬，許鵬俊

(1.西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，西安710048;2.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.紡織學(xué)院，b.寧波市先進(jìn)紡織技術(shù)與服裝CAD重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江寧波315211;3.西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安710048;

4.閩江學(xué)院服裝與藝術(shù)工程學(xué)院，福州350001)

近年來，隨著人口老齡化進(jìn)程的加快，各種心血管疾病成為老齡人的高發(fā)病，成為人類健康的頭號殺手。心電圖(ECG)是一種重要和成熟的心電信號檢測技術(shù)，它反映心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過程中的生物電變化。將測量電極放置在人體表面的一定部位，記錄出來的心肌細(xì)胞生物電變化曲線即為臨床常規(guī)心電圖[1]，分析電信號的時序和形態(tài)可以幫助診斷心臟的問題。由于這類疾病具有長期性、積累性、偶發(fā)性，常規(guī)的定期健康檢查不能有效地防止該疾病的發(fā)生。因此，可廣泛應(yīng)用于家庭的新型監(jiān)護(hù)設(shè)備受到越來越多的關(guān)注，醫(yī)療儀器的發(fā)展也開始從復(fù)雜的、主要應(yīng)用于醫(yī)院的大型醫(yī)療設(shè)備，轉(zhuǎn)向既適用于醫(yī)院又適用于家庭和個人小型化穿戴式裝置(portable medical devices)[2]。由于服裝與人有著密切關(guān)系，直接與人體體表大面積接觸的衣服已被認(rèn)為是未來穿戴式生物醫(yī)療儀器的最佳載體之一[3]，能夠使穿著者感到方便與舒適的同時，檢測到他們的生理信息。將心電檢測技術(shù)與服裝相結(jié)合的醫(yī)療監(jiān)護(hù)服裝能夠?yàn)椴∪颂峁┑拓?fù)荷、非接觸、長期連續(xù)的生理監(jiān)測，在新一代醫(yī)療監(jiān)護(hù)模式下被認(rèn)為是最有效和最實(shí)際可行的監(jiān)護(hù)手段。

信號檢測是整個可穿戴醫(yī)療監(jiān)護(hù)服裝系統(tǒng)的核心，檢測的準(zhǔn)確性、可靠性，直接影響著后續(xù)工作的有效性。然而生物醫(yī)學(xué)信號由于受到人體諸多因素的影響，具有信號弱、噪聲強(qiáng)、頻率范圍一般較低、高阻抗、隨機(jī)性等一般信號所沒有的特點(diǎn)[4]。日常生活中，服裝和人體之間不可避免地存在相對位移，使傳感器不能準(zhǔn)確對準(zhǔn)測試部位，很容易影響心電信號的分析和診斷精度。研究者在不影響穿著舒適性的情況下從服裝設(shè)計(jì)的角度試圖改變穿戴衣的形狀來適應(yīng)穿戴者的身體活動[5]，在設(shè)計(jì)時應(yīng)該考慮具體的活動因素、切割線處的形狀結(jié)構(gòu)和材料、電極傳感器的特征[6]。因此，為了能控制服裝在穿戴者身上原始的位置，在移動條件下高質(zhì)量地采集生理數(shù)據(jù)，本研究設(shè)計(jì)了三款心電監(jiān)護(hù)服裝，并在動態(tài)穿著條件下研究不同服裝結(jié)構(gòu)對監(jiān)測點(diǎn)位移的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1 人體尺寸與服裝原型設(shè)計(jì)

選擇175/92A標(biāo)準(zhǔn)男體，控制部位尺寸如表1所示。為了保證電極和人體緊密及接觸，背心設(shè)計(jì)為緊身型，試樣背心結(jié)構(gòu)繪制如圖1[6]所示。

1.1.2 導(dǎo)聯(lián)方式選擇

在臨床環(huán)境中，一般使用12個電極導(dǎo)聯(lián)，可以從12個不同角度監(jiān)察心臟的電活動;家用便攜式心電監(jiān)護(hù)儀采用3導(dǎo)聯(lián)和5導(dǎo)聯(lián)來監(jiān)測心電活動，適合日常使用。為了便于與服裝集成，降低對日常活動的影響，本研究采用3導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)測的方法，織物電極放置在監(jiān)護(hù)衣左、右胸骨柄及左下腹部3處[7]，便攜式三導(dǎo)聯(lián)心電檢測如圖2[8]所示。

表1 控制部位尺寸Tab.1 Size of control parts

圖1 試樣背心結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of thesample vest

圖2 便攜式三導(dǎo)聯(lián)心電檢測Fig.2 Portable three-lead ECG detection

1.1.3 款式設(shè)計(jì)

為了減少上肢運(yùn)動的影響，三款心電監(jiān)護(hù)服裝均設(shè)計(jì)為尺寸相同的緊身無袖背心，監(jiān)護(hù)衣上設(shè)置有布線區(qū)和電極，電極通過布線區(qū)內(nèi)的導(dǎo)線與測量單元的信號插頭相連。為了更好地實(shí)現(xiàn)各個區(qū)域的功能，盡量不影響人體的日?；顒蛹胺b的美觀性，將心電的導(dǎo)線布置在背心的側(cè)縫位置。為了避免日?；顒訒r衣物受力而損壞導(dǎo)線，布線區(qū)內(nèi)的導(dǎo)線按照S型固定，如圖3所示。藍(lán)色為心電電極，紅線為導(dǎo)線，導(dǎo)線遮蓋條分別設(shè)計(jì)為垂直、弧線和斜線三種，即款式1、款式2、款式3(數(shù)據(jù)單位為cm)。其中，垂直型導(dǎo)線遮蓋條的設(shè)計(jì)是期望在穿著過程中可以減少肩部和背部周圍肌肉改變帶來的位移影響;弧線型導(dǎo)線遮蓋條的設(shè)計(jì)順應(yīng)身體的曲線，考慮到胸大肌肉的變化，幫助維持監(jiān)測點(diǎn)的位置;斜線型導(dǎo)線遮蓋條設(shè)計(jì)用以比較確定身體垂直方向還是對角線方向的皮膚延伸最少。

1.1.4 面料選擇

三款服裝均選用具有良好延展性和恢復(fù)性的緯平針組織針織物(其中含棉95%，萊卡5%)，作為制作監(jiān)護(hù)衣的面料。

圖3 款式設(shè)計(jì)示意Fig.3 Schematic diagram ofstyle design

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 測試指標(biāo)和儀器

為了測量服裝與人體的相對位移，本研究采用在監(jiān)護(hù)服裝上集成位移傳感器的方法。許鵬俊[8]采用鼠標(biāo)的測試方法，所用位移傳感器拆自激光手標(biāo)，可以感知任何界面(包括玻璃)上的位移，將該傳感器集成到服裝上的特定位置，可以記錄特定點(diǎn)的服裝人體相對位移情況。本試驗(yàn)的位移傳感器拆自蘋果原裝G6有線鼠標(biāo)，將該位移傳感器集成于三導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)測的右胸部監(jiān)測點(diǎn)(research area，RA)，通過位移傳感器記錄人體各個動作下RA點(diǎn)的服裝人體相對位移情況。

1.2.2 試驗(yàn)對象選擇

選擇10位身高和胸圍接近標(biāo)準(zhǔn)體型的男性(175/92A)為試驗(yàn)對象，在設(shè)定的實(shí)驗(yàn)室中穿著心電監(jiān)護(hù)服裝，通過嵌入服裝上的位移傳感器監(jiān)測人體運(yùn)動時監(jiān)測點(diǎn)RA的移動情況，如圖4所示為試驗(yàn)對象靜態(tài)穿著圖。

圖4 人體靜態(tài)著裝Fig.4 Static dress of human

1.2.3 動作設(shè)計(jì)

選擇人體日?；顒舆^程中出現(xiàn)次數(shù)較多且幅度較大的幾組動作，將其劃分為肢體動作和軀干動作。肢體動作分為上下擺臂1(0 ～180°)、前后擺臂2(0 ～180°)、左右水平擺臂3(0～180°)。軀干動作分為轉(zhuǎn)體4(0～45°)、到地下?lián)鞏|西5、前俯后仰6(0～10°)，如圖5所示。

圖5 動作設(shè)計(jì)示意Fig.5 Schematic diagram of action design

1.2.4 試驗(yàn)步驟

位移傳感器的設(shè)置和校正:為了保證測試的準(zhǔn)確性，在測試前需要對位移傳感器進(jìn)行設(shè)置校準(zhǔn)。在電腦操作系統(tǒng)中，將鼠標(biāo)內(nèi)置加速度操作系統(tǒng)光標(biāo)加速度分別調(diào)整為0，設(shè)置后需要對位移傳感器進(jìn)一步校正，以保證采集到的位移和服裝人體之間的真實(shí)位移保持一致。測試時鼠標(biāo)預(yù)加壓強(qiáng)2 kPa，位移傳感器通過有線與計(jì)算機(jī)相連，在畫圖板上自動捕捉光標(biāo)的運(yùn)動軌跡。

服裝人體之間動態(tài)位移測量:分別對10位試驗(yàn)對象進(jìn)行測試，測試每款服裝在六種動作下RA點(diǎn)的位移情況，每個動作重復(fù)50次，測試過程中盡量保持三款服裝在每組動作下的動作幅度、動作速度相一致。

2 結(jié)果和分析

在畫圖板200%的比例尺下，皮膚與畫圖板比例1︰5.7(cm)，采集到的服裝人體在畫圖板上相對位移情況如圖6所示。

圖6 畫圖板上的位移圖像Fig.6 Displacement image in the drawing board

從三款服裝在動作1下的位移圖像可以看出，動作開始的幾秒內(nèi)位移發(fā)生較大的變化，這是由于剛開始的幾個動作循環(huán)內(nèi)，服裝和皮膚由不穩(wěn)定位置趨向于穩(wěn)定位置。根據(jù)位移情況來看，款式1在動作1下的圖像相對比較密集，位移較小，款式2和款式3在動作1的條件下對電極有相對的拉伸，因此位移相對較大。其中款式2的位移明顯呈線性狀，款式3位移圖像明顯呈弧線狀，兩者位移相對款式1明顯偏大。

測量10位試驗(yàn)對象分別穿著三款服裝在六組動作下重復(fù)50次的位移，求平均值，得出RA點(diǎn)在水平和垂直方向的平均位移，如表2所示。分析得出:款式1的RA監(jiān)測點(diǎn)水平位移在0.7～2.4 cm，垂直位移在0.39 ～2.7 cm;款式2 水平位移在0.32 ～2.8 cm，垂直位移在0.09～3.6 cm;款式 3水平位移在0.61 ～4.5 cm，垂直位移在0.53 ～3.4 cm。

表2 服裝上在RA點(diǎn)與人體皮膚相對位移Tab.2 Relative displacement between RA point and humanskin on the clothing cm

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析得到三款服裝的位移密集情況對照如圖7所示。圖7可以很明顯地看出，款式1在幾種動作下的位移相對較小，分布也較為密集，這是由于上肢活動時，垂直款式的遮蓋條可以很好地平衡肩部和背部周圍肌肉改變帶來的位移影響;而款式2位移相對款式1較為分散，在上下和前后擺臂時在垂直方向位移分別達(dá)到3.1、3.6 cm，這是由于在上肢運(yùn)動過程中由于肩部的上下活動使得導(dǎo)線遮蓋條對監(jiān)測點(diǎn)也有一定垂直的拉力作用;款式3位移最分散，是由于款式3導(dǎo)線遮蓋條對監(jiān)測點(diǎn)的拉力可以完全分解到對監(jiān)測點(diǎn)水平和垂直方向的拉力，上肢活動時，上下擺臂時和前后擺臂時的位移相對較大，垂直位移達(dá)到3.4 cm，水平位移達(dá)到4.5 cm。因此，相比較而言，款式1的監(jiān)測點(diǎn)在六組動作下的位移最為密集，可以有效地減少監(jiān)測點(diǎn)的移動，從而提高心電監(jiān)測的準(zhǔn)確性，是心電監(jiān)護(hù)服裝設(shè)計(jì)的理想款式。

圖7 位移密集情況分析對照Fig.7 Comparative analysis of displacement intensiveness

3 結(jié)論

1)款式2和款式3在不同動作下的位移均比款式1大，位移也較為分散。因此，三款服裝相比較而言，款式1的結(jié)構(gòu)比較適合心電監(jiān)測服裝。

2)監(jiān)護(hù)服裝款式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對日常活動時監(jiān)測點(diǎn)的位移有明顯的影響。不同的服裝結(jié)構(gòu)在日?；顒訒r對心電模塊作用力不同，從而導(dǎo)致監(jiān)測模塊的位置偏移不同，通過對服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究可以很好地改善由于人體運(yùn)動帶來的電極偏移的影響，從而降低對測試準(zhǔn)確性的影響。

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