楊章民 民揚(yáng)公司

紡織品傳感器于電子電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用

楊章民 民揚(yáng)公司

我們的核心技術(shù)是用布料當(dāng)電路版及傳感器，同時(shí)藉由鋼絲線當(dāng)傳輸線來(lái)量測(cè)人體生理資訊，其可用來(lái)量測(cè)呼吸、姿勢(shì)、體溫、心電圖、汗?jié)穸?、跌倒、心跳? 民揚(yáng)公司已開(kāi)發(fā)出穿戴式的心電圖衣、呼吸帶、和可偵測(cè)身體活動(dòng)的服飾，有別于現(xiàn)有產(chǎn)品，使用舒適的感應(yīng)器貼片、不用穿的非常緊、及可以隨意走動(dòng)，還可無(wú)線傳送數(shù)位訊號(hào)至遠(yuǎn)端平臺(tái)以長(zhǎng)期監(jiān)控其生理狀況

紡織品傳感器 呼吸 姿勢(shì) 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(jìn)國(guó)家，人口發(fā)展大多朝向“高齡少子化”之趨勢(shì)，將導(dǎo)致未來(lái)老年人口數(shù)量偏高及青壯年人口不足之社會(huì)問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)外高齡化的情形，例如：日本2007年高齡人口(65歲以上)已達(dá)21.2%、德國(guó)、意大利也進(jìn)入高齡化社會(huì)；為解決未來(lái)“高齡少子化”之問(wèn)題，許多國(guó)家開(kāi)始重視居家遠(yuǎn)距監(jiān)控，其中考慮因素不僅在患者疾病預(yù)防，患者的健康管理也是發(fā)展的方向，日本厚生勞動(dòng)省之報(bào)告指出，2005年日本健康照護(hù)市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)5.66兆日元、2007年將達(dá)到6兆日元。

根據(jù)Frost & Sullivan的研究指出，2003 年美國(guó)遠(yuǎn)距病人監(jiān)測(cè)器材市場(chǎng)約為5450萬(wàn)美元，其中預(yù)期2010年遠(yuǎn)距病人監(jiān)測(cè)器材的復(fù)合成長(zhǎng)率將達(dá)25%，其整體營(yíng)收將達(dá)2.6億美元，現(xiàn)有之長(zhǎng)期照護(hù)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(duì)此瓶頸，民揚(yáng)公司已開(kāi)發(fā)出穿戴式的心電圖衣、呼吸帶、和可偵測(cè)身體活動(dòng)的服飾，有別于現(xiàn)有產(chǎn)品，使用舒適的感應(yīng)器貼片、不用穿的非常緊、及可以隨意走動(dòng)，還可無(wú)線傳送數(shù)位訊號(hào)至遠(yuǎn)端平臺(tái)以長(zhǎng)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(yīng)兼具方便性與人性化。民揚(yáng)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(wú)時(shí)無(wú)刻監(jiān)試使用者的心跳、呼吸、體溫、汗?jié)?、姿?shì)等等。萬(wàn)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(yuǎn)端醫(yī)護(hù)人員互動(dòng)，得到即時(shí)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(shì)，有下列4項(xiàng)：

? 健康照護(hù)趨勢(shì)：

健康照護(hù)產(chǎn)業(yè)趨向居家應(yīng)用方向發(fā)展，創(chuàng)新應(yīng)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(jìn)照護(hù)效率與降低照護(hù)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(chǎng)需求 ：

從先進(jìn)國(guó)家逐漸拓展至新興市場(chǎng)發(fā)展

? 重要趨勢(shì) ：

亞太地區(qū)已經(jīng)成為醫(yī)療電子的主要制造中心

同時(shí)Frost & Sullivan (2009)指出歐盟列出6大發(fā)展重點(diǎn)：(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(jìn)行的發(fā)展重點(diǎn)。

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(cè)紡織品，這種智能型紡織品上有許多感應(yīng)器，可以偵測(cè)心跳、呼吸速率、體溫等生理指標(biāo)，在不干擾使用者起居下，長(zhǎng)期記錄其使用者的生理狀態(tài)及健康資訊。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

本計(jì)劃所用技術(shù)主要分為三個(gè)部分：

A.智慧衣：

將按鍵開(kāi)關(guān)與心電圖電極結(jié)合，縫制在衣服上，依睡姿或坐姿，會(huì)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(cè)者很舒適又方便的獲得心電圖。

B.呼吸帶：

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

C.智能型運(yùn)動(dòng)衣褲：

我們?cè)O(shè)計(jì)了一些圓頂狀的感測(cè)器在襪子中，再加上一個(gè)clip型感測(cè)器于褲子中以計(jì)錄膝蓋的彎曲角度，另一感測(cè)器則位于雙腿間以偵測(cè)行進(jìn)速度。

因此我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)其功能如下：a.對(duì)步行者無(wú)影響。 b.可分析雙腳的行進(jìn)特性。 c.使用無(wú)線方式傳輸資料。 d.即時(shí)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(kāi)關(guān)與心電圖電極結(jié)合，縫制在衣服上，依睡姿或坐姿，會(huì)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(cè)者很舒適又方便的獲得心電圖。我們?cè)诜峡p制感測(cè)器的位置如圖1，圖2實(shí)際人體測(cè)試圖

圖3是心電圖電極以及按鍵開(kāi)關(guān)組合而成，當(dāng)受壓迫時(shí)，上端的導(dǎo)電纖維會(huì)碰到下方的心電圖電極，就可以把心電圖訊號(hào)傳送到控制盒內(nèi)。當(dāng)未受壓迫時(shí)，中間的泡棉會(huì)把導(dǎo)電纖維往上撐起，就不會(huì)傳送心電圖訊號(hào)。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(cè)器位置圖

圖2 實(shí)際人體測(cè)試圖

圖3 心電圖電極以及按鍵開(kāi)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(cè)量呼吸上，我們把4個(gè)clip type sensor裝在腰帶上，其整體架構(gòu)如圖5，呼吸帶之實(shí)體照片及示意圖見(jiàn)圖6。利用裂縫感測(cè)器固定在腰帶上，裂縫感測(cè)器會(huì)隨呼吸拉開(kāi)或并攏，即是斷路或短路，就可以從電路上讀取呼吸訊號(hào)，同時(shí)可以得到吸氣及吐氣的時(shí)間，也可知呼吸頻率。

圖5 呼吸帶之架構(gòu)

圖6 呼吸帶之實(shí)體圖及示意圖

C.智能型運(yùn)動(dòng)衣褲：

我們?cè)O(shè)計(jì)了一些圓頂狀的感測(cè)器在襪子中，再加上一個(gè)clip型感測(cè)器于褲子中以計(jì)錄膝蓋的彎曲角度以偵測(cè)步態(tài)分析。

導(dǎo)電布料與按鍵開(kāi)關(guān)之結(jié)合，使運(yùn)動(dòng)訊號(hào)數(shù)位化單純化，藉由數(shù)位訊號(hào)的0、1與時(shí)間之變化關(guān)系來(lái)分析人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，比之先前的類比系統(tǒng)技術(shù)，較易于進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析與延伸應(yīng)用。

藉由按鍵開(kāi)關(guān)與裂縫感測(cè)器開(kāi)關(guān)之ON / OFF 訊號(hào)并應(yīng)用電阻串聯(lián)原理來(lái)簡(jiǎn)少I/O連接點(diǎn)數(shù)量，進(jìn)而用來(lái)分析步態(tài)動(dòng)作的“雙腳支撐期”、“單腳支撐期”、“擺動(dòng)期”…等相關(guān)時(shí)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(dāng)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間為右腳的“擺動(dòng)期”。

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

我們的無(wú)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(cè)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(lái)得到感測(cè)器的資料。

MSP430 用以記錄所得到的數(shù)位資訊，并與一藍(lán)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(wú)線步態(tài)分析器之基本架構(gòu)圖

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

圓頂狀感測(cè)器如圖10所示，由紡織料、感測(cè)電子組件及極細(xì)(0.2mm)傳輪導(dǎo)線所組成，當(dāng)其受壓超過(guò)80 g，二端的導(dǎo)線將導(dǎo)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(cè)器

Clip 型的感測(cè)器如圖11，將二個(gè)感測(cè)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(cè)器的分布位置，經(jīng)由實(shí)際實(shí)驗(yàn)記錄分析數(shù)據(jù)可了解于不同步態(tài)時(shí)，各點(diǎn)數(shù)據(jù)的時(shí)序?qū)⒉煌?，再加上clip 型的感測(cè)器偵測(cè)到的膝蓋角度變化，因而可對(duì)實(shí)施對(duì)象進(jìn)行步態(tài)分析。

圖11 Clip 感測(cè)器

圖12 右腳襪子上感測(cè)器分布圖

3 實(shí)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(yùn)動(dòng)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(xí)瑜珈呼吸術(shù)時(shí)，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(yùn)動(dòng)干擾，右：腿運(yùn)動(dòng)干擾

圖14 四種睡姿所獲之心電圖波型

圖15 練習(xí)瑜珈呼吸術(shù)時(shí)，(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(hào)

圖17為運(yùn)動(dòng)時(shí)呼吸之波型，(A)為走路， (B)為跑步，(C)為跳躍，可得見(jiàn)PSG易受干擾而呼吸帶較不易

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

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

圖16 安靜呼吸之波型

圖17 運(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí)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(shí)間吐氣時(shí)間

C 智能型運(yùn)動(dòng)衣褲：

利用上圖9所完成的系統(tǒng)原型，我們進(jìn)行了多項(xiàng)的實(shí)際分析，包括：

(1) 直線行進(jìn)；

(2) 跑步機(jī)上跑步(6km/hour)；

(3) 倒退行進(jìn)；

(4) 上樓梯；

(5) 下樓梯。

圖20 直線行進(jìn)各感測(cè)器記錄結(jié)果

上圖20即為普通直線前進(jìn)時(shí)所得到的各感測(cè)數(shù)據(jù)記錄。

其中各點(diǎn)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(cè)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(gè)圓頂狀感測(cè)器來(lái)做COP (Central of pressure)的分析，如圖20，直線行進(jìn)時(shí)左右二個(gè)襪子底下的感測(cè)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(gè)圓頂狀感測(cè)器來(lái)做COP (Central of pressure)的分析，如圖22，直線行進(jìn)時(shí)左右二個(gè)襪子底下的感測(cè)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(shí)的重心變化，同時(shí)也可以評(píng)估使用者的平衡感，正常情況下COM 的分析圖應(yīng)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(jìn)的結(jié)果。

圖24 倒退行進(jìn)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出圖27，簡(jiǎn)單的判斷各感測(cè)器的數(shù)據(jù)即可得知為何種步態(tài)。

4 結(jié)論

圖27 感測(cè)器數(shù)據(jù)與步態(tài)對(duì)應(yīng)圖

本計(jì)劃是以很簡(jiǎn)單易行且低成本的方法實(shí)現(xiàn)連續(xù)且長(zhǎng)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(jiàn)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(jué)感測(cè)器的存在，且沒(méi)有隱私被揭露的可能，因?yàn)槎际?/1數(shù)字信號(hào)與心電圖信號(hào)等沒(méi)有直接人的影像圖形。

本產(chǎn)品可以水洗、感測(cè)器不會(huì)外露、穿在人身體上不會(huì)不舒服、并且可以隨時(shí)隨地測(cè)試得到數(shù)據(jù)等功能，而所使用到的范圍可用來(lái)觀察病患復(fù)健的狀況。數(shù)位輸出、簡(jiǎn)單好操作、無(wú)線傳輸、褲子和襪子皆符合人體工學(xué)，穿在人身上不會(huì)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(diǎn)，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(dāng)做電路板，將人體的資訊以布料當(dāng)接口傳輸?shù)娇刂坪猩?，進(jìn)行分析同時(shí)無(wú)線傳輸?shù)诫娔X或手機(jī)。目前研發(fā)出可以感測(cè)參數(shù)有：心跳、呼吸以及姿勢(shì)變化等的感測(cè)器(sensor)，并將感測(cè)的結(jié)果以數(shù)位訊號(hào)(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(cè)系統(tǒng)，可量測(cè)生理訊號(hào)包含心跳、呼吸、心跳變率、溫度，再進(jìn)一步加入汗?jié)?、跌倒、肺音、血壓、血氧濃度等。此系統(tǒng)可應(yīng)用于復(fù)健醫(yī)學(xué),遠(yuǎn)距醫(yī)療, 居家保健，運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)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(yáng)公司執(zhí)行長(zhǎng)