田 金 枝

(山東科技職業(yè)學(xué)院 紡織服裝系，山東 濰坊 261053)

智能服裝是指模擬生命系統(tǒng)，通過(guò)一定的反饋機(jī)制對(duì)外部環(huán)境或內(nèi)部狀況變化做出反應(yīng)的成衣。近年來(lái)，智能服裝的研究和應(yīng)用在學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界引起了廣泛的關(guān)注，其中可以實(shí)現(xiàn)血壓、心跳、體溫等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的智能醫(yī)護(hù)服裝也受到越來(lái)越多關(guān)注[1]。隨著信息技術(shù)、紡織科學(xué)及材料科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域科技的發(fā)展，智能醫(yī)護(hù)服裝的推廣應(yīng)用將會(huì)給整個(gè)服裝產(chǎn)業(yè)帶來(lái)重大的變革，這也是服裝科技未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

糖尿病是一種以高血糖為主要特征的多因素疾病，其發(fā)病率高、危害大，給病人和社會(huì)造成了沉重的負(fù)擔(dān)?；颊咦晕已潜O(jiān)測(cè)是糖尿病綜合治療的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的血糖監(jiān)測(cè)方式從反映特點(diǎn)可分為點(diǎn)的數(shù)據(jù)(尿糖、微血管監(jiān)測(cè))、線的數(shù)據(jù)(HbA1C監(jiān)測(cè)、GA監(jiān)測(cè)、(1,5-AG)監(jiān)測(cè))、面的數(shù)據(jù)(CGM監(jiān)測(cè))等[3-4]。面的數(shù)據(jù)(CGM監(jiān)測(cè))是指通過(guò)葡萄糖傳感器監(jiān)測(cè)皮下組織間液的葡萄糖濃度來(lái)反映血糖水平的監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以提供持續(xù)、全方位的血糖信息[5]，是目前國(guó)際上較為先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)。

穿著方便舒適且具有美感的智能醫(yī)護(hù)服，是智能服裝設(shè)計(jì)新思路的擴(kuò)展。目前CGM監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要以貼片形式與人體皮膚接觸，這很大程度上影響了人體的舒適度，長(zhǎng)期使用會(huì)出現(xiàn)局部皮膚排汗排污不暢通、異物感、皮膚過(guò)敏等現(xiàn)象[6]。將CGM監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與服裝結(jié)合，選擇舒適的面料，裁剪合體的尺寸，搭配時(shí)尚的色彩、造型，實(shí)時(shí)監(jiān)控血糖。在整體設(shè)計(jì)中確保了病人穿著的舒適度，同時(shí)使得電子元件與成衣有效結(jié)合。再引入醫(yī)護(hù)服的評(píng)價(jià)體系，確保實(shí)時(shí)血糖監(jiān)測(cè)智能服裝的整體有效性。

1 糖尿病患者需求

糖尿病患者主要以中老年群體為主，但糖尿病患者的病情進(jìn)展和并發(fā)癥等情況個(gè)體差異較大，患者涉及人群基數(shù)大、范圍廣[7]。針對(duì)糖尿病患者的生理需求、心理需求、使用需求等，采取咨詢(xún)和調(diào)查問(wèn)卷的方式對(duì)患者展開(kāi)調(diào)查，并對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析。

糖尿病患者有以下幾個(gè)主要需求：1)智能服裝安全性，長(zhǎng)期穿著無(wú)并發(fā)癥；2)能夠按時(shí)并準(zhǔn)確檢測(cè)血糖變化；3)穿著舒適性，特別是糖尿病并發(fā)皮膚病的患者對(duì)服裝舒適度有更高要求。

2 智能服裝的設(shè)計(jì)模式

目前智能醫(yī)護(hù)服設(shè)計(jì)應(yīng)用最多的是智能輔助模式，主要滿足患者的個(gè)性化需要。在設(shè)計(jì)前，市場(chǎng)調(diào)研是獲得患者訴求的必要條件，需要對(duì)智能服裝的市場(chǎng)前景、流行趨勢(shì)、電子元件的嵌入技巧進(jìn)行取舍，實(shí)現(xiàn)科技與審美的有效融合。一是滿足患者最基本的實(shí)體性、舒適度、吸汗易干等需求；二是智能監(jiān)護(hù)服設(shè)計(jì)運(yùn)用多學(xué)科的交叉完成既定目標(biāo)，如柔性技術(shù)、傳感器、交互技術(shù)等。例如，有專(zhuān)家將小型接頭與服裝組成微電子系統(tǒng)，使主板電源、傳輸系統(tǒng)相連接，并將數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)，使醫(yī)護(hù)服能夠感知人體的心率、溫度、血糖等情況[8]。通過(guò)衣服中的傳感器探測(cè)人體肢體動(dòng)作體征數(shù)據(jù)，并傳送到微機(jī)上，滿足信息存儲(chǔ)與交互。

3 智能服裝設(shè)計(jì)手段

在滿足用戶(hù)需求的前提下，智能醫(yī)護(hù)服裝的設(shè)計(jì)不僅涉及信息技術(shù)、微電子技術(shù)等領(lǐng)域，還包括造型設(shè)計(jì)、顏色搭配、加工工藝等服裝設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的服裝設(shè)計(jì)相比，智能服裝的設(shè)計(jì)需要考慮科技手段在服裝上運(yùn)用的合理性，確保電子元件與整體造型的融合，實(shí)現(xiàn)科技、服裝有機(jī)的結(jié)合。

3.1 技術(shù)設(shè)計(jì)

考慮到糖尿病人的具體情況，其智能監(jiān)護(hù)服系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：運(yùn)用美國(guó)Medtronic最新研發(fā)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血糖數(shù)據(jù)系統(tǒng)(CGM)，由檢測(cè)探頭、發(fā)射器和顯示裝置構(gòu)成。檢測(cè)探頭可通過(guò)細(xì)小金屬絲隨時(shí)貼近患者腹部，檢測(cè)探頭連續(xù)檢測(cè)(到某一固定時(shí)間可丟棄更換)，將探頭和服裝的前衣片腹部部分結(jié)合在一起[9-10]。該系統(tǒng)每10 s對(duì)皮下間質(zhì)液里的葡萄糖濃度進(jìn)行測(cè)量，整個(gè)工作過(guò)程快速而無(wú)疼感。所得的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)處理，由無(wú)線方式傳到接收器上，再進(jìn)行均值處理，以每5 min一次的速度搜集糖尿病人的體征數(shù)據(jù)。該智能醫(yī)護(hù)服搜集的信息量是指血測(cè)試法的100倍，提高了檢測(cè)效率與準(zhǔn)確性。醫(yī)生能隨時(shí)了解病人的狀況，與之形成互動(dòng)，使糖尿病人得到更好的監(jiān)護(hù)。

動(dòng)態(tài)血糖檢測(cè)是連續(xù)的無(wú)創(chuàng)傷技術(shù)。采集過(guò)程不用刺破皮膚，且無(wú)疼感，主要由人體滲出液，也就是由皮下間質(zhì)液測(cè)量血糖高低。第一方面由滲出液中兩者的相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算來(lái)測(cè)量，最后由傳感器通過(guò)收集間質(zhì)液(人體汗液、唾液等統(tǒng)稱(chēng)為間質(zhì)液)分析出血糖值。實(shí)時(shí)測(cè)量和時(shí)間標(biāo)記測(cè)量是同步進(jìn)行。第二方面是信息預(yù)處理階段，有用的被保留，無(wú)用的被放棄。智能監(jiān)護(hù)服最終解決的是傳感器和其他電子元件和織物相融合問(wèn)題[11]，如吸濕透氣、調(diào)節(jié)體溫，使患者感到舒適等。在不影響人們?nèi)粘Ｉ畹臓顟B(tài)下完成數(shù)據(jù)的采集。其準(zhǔn)確度和可靠性有待于臨床檢驗(yàn)，在服裝與模塊結(jié)合的基礎(chǔ)上，減小模塊的體積、質(zhì)量，低功耗，易使用，環(huán)保等問(wèn)題，同時(shí)對(duì)該服裝系統(tǒng)融合度、耐用性要做合理的評(píng)估，使其既實(shí)用又時(shí)尚。

3.2 材料設(shè)計(jì)

智能醫(yī)護(hù)服材料的運(yùn)用要確保用戶(hù)穿著的舒適度及傳統(tǒng)服裝針對(duì)的質(zhì)感、顏色運(yùn)用外，還要考慮智能服裝面料與電子元件的有效結(jié)合。實(shí)驗(yàn)服裝用純棉、莫代爾、氨綸制作，面料成分為45%純棉、45%莫代爾、10%氨綸，這種面料常用于女性打底衫或者夏季服裝中，舒適吸汗，透氣性能好，氨綸的高彈性保證了服裝穿脫方便，活動(dòng)自如。該面料通過(guò)人體舒適性能的測(cè)試，斷裂伸長(zhǎng)率為1.9%，最大強(qiáng)度大于等于1 248 D，并且電子元件與成衣結(jié)合度適中，不會(huì)由于元件的植入而下垂，影響智能服裝的美學(xué)效果。該系列監(jiān)護(hù)服在設(shè)計(jì)時(shí)，既保證貼合人體部分的舒適、易穿，又為服裝的流行時(shí)尚提供拓展空間。在收集間質(zhì)液并測(cè)量分析血糖值時(shí)，由內(nèi)置的探頭、射頻裝置獲取的信息，觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警裝置[12]。

3.3 智能服裝款式設(shè)計(jì)

本系列智能監(jiān)護(hù)服追求健康環(huán)保、積極向上的生活理念，在款式上采用不同顏色的拼接，線條的分割是根據(jù)糖尿病人出汗部位不同、檢測(cè)部位的合適程度設(shè)置，點(diǎn)線面的分割符合人體生長(zhǎng)規(guī)律和審美要求。在設(shè)計(jì)中充分考慮了檢測(cè)設(shè)備與人體的接觸時(shí)長(zhǎng)和準(zhǔn)確性，如果服裝款式加放量大、舒適透氣，但是檢測(cè)器與人體皮膚不能全方位地接觸導(dǎo)致其作用不能很好的發(fā)揮。因此，本系列智能服裝設(shè)計(jì)采用合體修身型，胸圍放3 cm的松量，腹部放3 cm，褲子圍度最大放10 cm。由于人體腹部前凸后凹，這種天生的結(jié)構(gòu)造型決定了檢測(cè)器與腹部良好的對(duì)接。

智能裝置鑲嵌在軟體子母面料中，在成衣內(nèi)部緊貼前衣片。內(nèi)部是一個(gè)和刺繡圖標(biāo)一樣大小的暗袋，暗扣封口，使智能裝置不易滑落，外部為刺繡標(biāo)，小巧輕便。這樣的設(shè)計(jì)既美觀又時(shí)尚，不用時(shí)可以取下，便于成衣洗滌。本系列智能服裝為修身合體型，高彈布料制作，便于患者進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)，用戶(hù)可根據(jù)自己的喜好選擇?？钍浇Y(jié)構(gòu)如圖1所示，血糖檢測(cè)主體元件如圖2所示，成衣正面刺繡圖標(biāo)如圖3所示。

圖1 系列服裝款式結(jié)構(gòu)Fig.1 Style structure of a series of clothing

圖2 血糖檢測(cè)主體元件Fig.2 Main component of blood glucose detection

圖3 成衣正面刺繡圖標(biāo)Fig.3 Front embroidery icon of ready-made clothe

3.4 智能服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)

智能成衣的形態(tài)造型，目前相關(guān)的研究工作較少。本實(shí)驗(yàn)是在糖尿病患者監(jiān)護(hù)服的制作中，為了做到合體、實(shí)用、美觀用單裁單量的方法制作，腰腹的放松量很小，以活動(dòng)自如為主，目的是滿足醫(yī)療監(jiān)護(hù)服信息檢測(cè)的準(zhǔn)確性。在造型上衣長(zhǎng)蓋過(guò)臀部，前長(zhǎng)后短，肩斜線前移、前領(lǐng)深加大尺寸等方式，便于前衣片上的探頭能夠刺激腹部。在工藝上用手工制作與機(jī)縫相結(jié)合，各裁片的縫制用三針五線，確保各拼接線應(yīng)有的彈力，縫頭光滑平整，與面料的拉伸度同步，使成衣既美觀又舒適，確保醫(yī)護(hù)服滿足病人的需求[13]。在整體結(jié)構(gòu)造型上，充分考慮工序的銜接性及可行性、縫型設(shè)計(jì)的合理性，并保障成衣與電路的完美結(jié)合，使成衣整體協(xié)調(diào)，使檢測(cè)效果最佳。

3.4.1 多功能基座位置

本系統(tǒng)不需要額外供電，圖2主體元件中4為充電口，多功能基座具有充電、檢測(cè)、數(shù)據(jù)上傳等多重功能，基座置于成衣前腹部暗袋中，隨時(shí)取出充電。該智能成衣在設(shè)計(jì)、制版、制作時(shí)，充分考慮元件的適用性與準(zhǔn)確性。按工業(yè)化成衣的要求，檢驗(yàn)樣板縫份正確性，對(duì)位點(diǎn)標(biāo)記是否合理，設(shè)計(jì)刺繡圖標(biāo)，確定元件位置，在反面加入絨性無(wú)紡襯，電腦刺繡，保證圖標(biāo)的美觀及牢固。

3.4.2 智能服裝血糖測(cè)試電路分析

智能服裝血糖測(cè)試電路設(shè)計(jì)：檢測(cè)部分使用涂有化學(xué)材料的測(cè)試片，在測(cè)試片上施加一定的電壓，GOx和葡萄糖分子發(fā)生反應(yīng)生成電活性產(chǎn)物，形成電極電流，利用這種電流的強(qiáng)弱來(lái)計(jì)算血糖值。由于產(chǎn)生的電流值很小，因此設(shè)計(jì)了信號(hào)變送與放大電路，為方便使用，電路將電流值轉(zhuǎn)換成電壓值經(jīng)A/D引腳輸入到STM32中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理的結(jié)果可在液晶屏上展示。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，正常人的血液與GOx反應(yīng)后生成的電流大小為nA～μA級(jí)別，所以轉(zhuǎn)換電路中比較器的正向輸入端接入的電壓是1 V，經(jīng)過(guò)R6、R5和R4三個(gè)電阻分壓得到需要的值是273 mV，智能服裝血糖測(cè)試電路分析如圖4所示。

圖4 智能服裝血糖測(cè)試電路Fig.4 Blood glucose test circuit of smart clothin

4 智能服裝應(yīng)用與評(píng)價(jià)

設(shè)計(jì)的智能服裝包括照護(hù)系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用，分三個(gè)方面：1)血糖檢測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)；2)電腦語(yǔ)音總機(jī)；3)專(zhuān)家照護(hù)系統(tǒng)。通過(guò)檢測(cè)儀把檢測(cè)到的血糖數(shù)據(jù)上傳到資料接入界面→電腦語(yǔ)音總機(jī)→健康管理系統(tǒng)→專(zhuān)家、護(hù)士照護(hù)系統(tǒng)→藥物推送→專(zhuān)人護(hù)理。其中醫(yī)護(hù)人員、家屬全程監(jiān)控，隨時(shí)了解病人的血糖升降趨勢(shì)，達(dá)到合理用藥?；颊咧悄芊b系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 糖尿病患者智能服裝系統(tǒng)工作流程Fig.5 Workflow of intelligent clothing system for diabetic patients

4.1 應(yīng)用與分析

由于該服裝主要是測(cè)量患者血糖數(shù)據(jù)，所以主體元件盡量貼近腹部，同時(shí)還要兼顧監(jiān)護(hù)服的舒適性和外觀的時(shí)尚性。針對(duì)血糖檢測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，患者分成兩組，每組3人。一組把主體元件用醫(yī)用低敏膠布貼在腹部，另一組穿上置入電子元件的智能服裝，六人把前后獲得的感受進(jìn)行對(duì)比。表1是貼片式和融入電子元件智能服裝在運(yùn)動(dòng)、焦慮、熱濕、感知、情感、附著六個(gè)狀態(tài)患者的感受，根據(jù)測(cè)試者的體驗(yàn)，智能服裝比貼片舒適性好，活動(dòng)自如，心情放松，更容易被患者接受。

表1 智能服裝等級(jí)評(píng)價(jià)Tab.1 Intelligent apparel grade evaluation table

再讓測(cè)試者穿上智能服裝，用杜邦線與電腦相連，ATK-XCOM 軟件讀取血糖變化數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)間是上午8:30早餐后開(kāi)始，衣服連續(xù)穿著，不可脫卸，測(cè)試者靜坐20 min，起來(lái)走動(dòng)10 min，再靜坐20 min，中餐后繼續(xù)測(cè)量，連續(xù)測(cè)量3 d。立體制版如圖6所示，做出的智能成衣如圖7所示，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖8所示。

圖6 立體制版示意Fig.6 Diagram of the institutional layout

如圖9所示，測(cè)試者穿智能服裝進(jìn)餐后所測(cè)得連續(xù)3 d的血糖曲線。第一天顯示的曲線進(jìn)餐后有高血糖出現(xiàn)，夜里睡眠時(shí)有低血糖現(xiàn)象；第二天患者的飲食結(jié)構(gòu)改變成清淡型，下午不再進(jìn)餐，入睡前加適量餐；第三天白天調(diào)節(jié)好飲食結(jié)構(gòu)適量進(jìn)餐，夜里睡眠時(shí)無(wú)低血糖，對(duì)比貼片式檢測(cè)無(wú)明顯差異。

圖7 智能成衣Fig.7 Intelligent clothing

圖8 實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.8 Experimental photos

圖9 患者3 d的血糖曲線示意Fig.9 3 d glucose curve of patients

如圖10所示，測(cè)試者穿著智能服裝在運(yùn)動(dòng)時(shí)，如行走、上下樓梯等動(dòng)作狀態(tài)，實(shí)測(cè)的血糖數(shù)值。第一天發(fā)現(xiàn)午餐后有高血糖并持續(xù)下午血糖偏高；第二天午餐和晚餐后適當(dāng)散步，血糖升降效果良好，血糖平穩(wěn)。

圖10 患者2 d的血糖曲線示意Fig.10 2 d glucose curve of patients

在檢測(cè)期間病人無(wú)需改變生活狀態(tài)，至少穿3 d，監(jiān)測(cè)范圍(2.2～22.2 mmol/L)記錄器每10 s記錄一次。每隔5 min把平均值轉(zhuǎn)變?yōu)檠侵祪?chǔ)存在記錄器中，每天儲(chǔ)存288個(gè)數(shù)值，多功能基座具有充電、檢測(cè)、數(shù)據(jù)上傳多重功能。為了防止電池長(zhǎng)久老化，建議洗滌服裝時(shí)取下，以免損壞電路元件。本系統(tǒng)可透過(guò)衣物掃描，即可獲得葡萄糖趨勢(shì)變化的相關(guān)數(shù)據(jù)[14]。

4.2 效果評(píng)價(jià)

本智能服裝設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)主要有：1)該智能服裝舒適自然，實(shí)用美觀，它整合了檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、所有的元件放在一個(gè)紐扣大小的基座中，患者不用擔(dān)心線路扭曲、旋轉(zhuǎn)、各部件移位，同時(shí)取舍方便，便于成衣洗滌折疊；2)能幫助患者了解平時(shí)的飲食結(jié)構(gòu)、控制進(jìn)餐時(shí)間、作息時(shí)間，應(yīng)激，運(yùn)動(dòng)，血糖管理等；3)能促進(jìn)患者根據(jù)自身的情況養(yǎng)成良好的管理健康習(xí)慣，提高病人對(duì)醫(yī)生的依從性，良好的互動(dòng)性；4)患者穿著舒適，不會(huì)出現(xiàn)貼片接觸面過(guò)敏現(xiàn)象，固定貼片膠布形成的緊繃感等。

本方案的缺點(diǎn)有：激烈的運(yùn)動(dòng)數(shù)值不夠準(zhǔn)確，如跳躍、翻滾等；在強(qiáng)輻射源附近使用也不準(zhǔn)確。要使本智能服裝發(fā)揮最佳效果，需通過(guò)長(zhǎng)期的臨床測(cè)試獲得正常和異常的醫(yī)療值，分析精算，獲得其穩(wěn)定性、可穿性。還可以通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查方式來(lái)獲得使用評(píng)價(jià)，對(duì)使用建議仔細(xì)分析，以便更好地改進(jìn)思路。在面料的印染、整理、電子產(chǎn)品的嵌入、服裝的加工過(guò)程中都存在污染，因此在糖尿病人監(jiān)護(hù)服的加工過(guò)程中都要用純天然易降解環(huán)保的材料。另外，當(dāng)服裝不再使用時(shí)，可以對(duì)系統(tǒng)內(nèi)電路回收再處理，有利于保護(hù)環(huán)境。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文旨在開(kāi)發(fā)一款實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血糖變化的智能服裝，設(shè)計(jì)了血糖測(cè)試基座及植入服裝中的最佳位置，分析了智能服裝血糖測(cè)試電路的工作原理。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)正常人的血液與GOx反應(yīng)后生成的電流大小為nA～μA級(jí)別，所以轉(zhuǎn)換電路中比較器的正向輸入端接入的電壓是1 V，處理的結(jié)果可在液晶屏上展示，用戶(hù)可以隨時(shí)查看結(jié)果，與醫(yī)護(hù)人員互動(dòng)。

綜合考慮智能服裝在臨床中的應(yīng)用，規(guī)劃糖尿病患者智能服裝系統(tǒng)工作流程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，貼片式和融入電子元件智能服裝在運(yùn)動(dòng)、焦慮、熱濕、感知、情感、附著六個(gè)狀態(tài)患者的感受。測(cè)試者穿智能服裝進(jìn)餐后所測(cè)得連續(xù)3 d的血糖曲線圖，與貼片式得到的數(shù)據(jù)無(wú)多大差異，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該智能服裝系統(tǒng)穩(wěn)定性能較好。數(shù)據(jù)誤差范圍小，缺點(diǎn)是患者運(yùn)動(dòng)幅度過(guò)大，檢測(cè)數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，原因是基座中的探針不停地變換位置所致。本智能服裝的研發(fā)流程與應(yīng)用，為血糖的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了借鑒與參考依據(jù)，其柔性化、可穿性、時(shí)尚性、精確性是今后研究的方向。同時(shí)加強(qiáng)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的完善，達(dá)到良好的使用效果。