以织物传感器为基础的呼吸监测方法

彭晓慧 杨旭东，2

(1.东华大学纺织学院，上海，201620;2.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海，201620)

呼吸是人体的重要生命信号。呼吸信号的记录在医疗上可用于对病人健康状况的判定。例如发热、贫血会使呼吸频率增加4次/min左右，而麻醉剂过量和颅内压过低时呼吸频率低于12次/min。呼吸频率及深度还可以反映呼吸肌麻痹、肺炎、胸膜炎等一些疾病的康复情况。

传统的呼吸测量装置过于笨重，价格昂贵，无法满足人们日常监测的需要。随着传感技术和无线传输技术的不断完善，可穿戴式呼吸测量装置逐渐被大家认知。可穿戴式呼吸监测衣物具有24 h全天候的监测及记录功能，可以随时随地使用，而无需在医院或花费大量金钱去购买设备。在日常生活中，可穿戴式呼吸测量衣物可以用于心肺疾病患者的康复监测、睡眠呼吸暂停综合症状的检测等;在军工上其也可以作为士兵生命信号的表征，以便及时搭救。目前，用于可穿戴衣物测量呼吸状况的方法有以下几种：电感应体积描记技术，阻抗体积描记技术，压阻(拉阻)呼吸描记法和压电呼吸描记法。

本文基于目前国内外对可穿戴式呼吸测量装置的研究状况，总结这几种测试方法的原理及研究难点，并对其进行展望。

1 电感应体积描记技术

1.1 测试原理及方法

Goldberg等在1973年的专利中提出了用电磁感应测量物体横截面积的变化，1993年Sacker等人将其运用到呼吸率的测量中。其测量原理是用一弯曲成正弦状的绝缘线圈缠绕人体胸部和腹部，在其中通入交变电流，电磁感应产生磁场。随着人体呼吸，磁通量随人体截面的变化而变化，反过来产生感应电流来抵制施加的交变电流。绝缘线圈作为电容三点式振荡电路的电感元件被连入电路中，调节合适的电感、电容参数，使电路发生谐振，此时功耗全部为电阻产热。电路中电感随时间变化导致谐振条件发生改变，采用调幅-检波思路或调频-检频思路［1］可以实现对呼吸运动的检测。

1.2 测试范围及应用前景

电感应体积描记技术(RIP)的监测信息较为全面，除了呼吸率、吸气时间分数、吸/呼气比等时间参数外，还包括潮气量、每分钟通气量、胸腹呼吸贡献比等容积参数，以及呼吸流速、峰值吸气流速等呼吸力学参数。1967年Konno等［2］提出了两个自由度模型，建立了胸腔、腹腔截面变化与肺通气量之间的关系，如式(1)。

式中：ΔVa——肺通气量;

ΔSic——胸腔的横截面变化量，由 RIP可以得到;

ΔSab——腹腔的横截面变化量，由 RIP可以得到;

M——比例系数;

K——胸腹呼吸对总呼吸量的相对贡献率。

通过事先标定的方法，用肺活量仪测得肺通气量，由RIP得到截面积变化，从而计算出M和K，实现了肺通气相关指标的无创测量。现有的标定方法有等容标定，多元线性回归、最小二乘法和诊断性定性标定技术和恒定比例系数标定等［3］。

由于电感应体积描记技术测量信号全面，其可以替代传统笨重的呼吸测量装置应用于现代医学领域。目前其已经可以用于呼吸睡眠事件的检测，具有很高的使用价值。学者也不断致力于研究更好的校正和标定方法，以完善其测量性能。

2 阻抗体积描记技术

2.1 测试原理及方法

人体的阻抗是包括人体皮肤、血液、细胞、组织及其结合部在内的含有电阻和电容的全阻抗。1970年Khalafalla等［4］指出，用一对放在胸部的电极可以测得胸部电阻抗的变化。呼吸运动时机体、胸壁肌肉交变张弛，肌肉组织的电阻抗随之发生变化，加之随着肺容量的变化整个胸部的阻抗也在变化，此时将电极与人体皮肤接触，通过输入信号可以反馈胸部阻抗的浮动情况。2005年由Paradiso等［5］研制出Wealthy智能衣，该智能衣在人体胸部附近分布有四个电极，在外侧的两电极中输入一个高频恒流信号，而内侧的电极负责输出由于阻抗改变而产生其两端电压的变化，经过高频调谐和检波等过程输出信号［6］。由于阻抗的变化与空气流量的变化之间有线性关系，可以通过标定的方法得到潮气量等容积参数。另外，织物电极更多地被用于心电信号的测量，因此此方法为多功能医用智能衣的制备提供了可能性。

2.2 研究热点及应用前景

目前研究的热点及难点主要是织物电极的开发和无缝织造一次成型技术的应用。

传统的粘贴式电极存在因长期与皮肤接触引起皮肤过敏，长时间佩戴后因脱水干燥而导致信噪比降低等缺点［7］，因此织物电极是一种理想的选择。织物电极要求其材料为导电材料，目前用于织物电极的导电材料有聚吡咯导电织物、涂炭导电织物、镀金属导电织物等。Song等［8］在织物电极上做了一些改进，他们以银包芯纱为原料在Stabuli-JC5(德国)织机上织成双层机织物。通过改变经纱数目和添加导电橡胶得到4种样品，分别是平面紧密排列的电极织物、凸起状紧密排列的电极织物、平面稀疏排列的电极织物和凸起状稀疏排列的电极织物，并与Ag/AgCl电极进行对比试验。试验表明这4种织物电极都能够测得人的心率信号，其中凸起状稀疏排列的织物的电极性能更显著。用于织物一次成型的机械设备主要是无缝专用针织设备和针织横机，相关机械设备有Santoni SPA5、Steiger SA4 等［9］。

相对国外来说，国内在此项技术方面还有诸多工作要做，从电极的制备、信号的采集和处理、电极与织物的整合技术等都有待提高。

3 压电呼吸描记法

3.1 测试原理及方法

1880年Jacques和Pierre发现石英晶体在机械外力的作用下，其棱形表面会产生正负相反的电荷即极化，这种现象称之为压电效应。具有压电效应的材料有压电陶瓷、压电高聚物，其中压电高聚物又包括聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜家族和亚乙烯基二氰(VDCN)等。由于PVDF薄膜具有高的压电常数，且质量轻、柔性好、加工性能好、频率响应宽，以及能够镶嵌于衣物中等优势而被广泛关注。

对于压电薄膜材料来说，在压力作用下，其内部的晶体发生极化，这些晶体大致平行排列。对于具有压电现象的纤维来说，极化方向垂直于纤维轴向，则存在两种情况：一种是所有的电荷无论正负都集中在纤维表面，此时在其表面分别连上电极则可输出电极信号;另一种是纤维芯层聚集负电荷，表层聚集正电荷，这种情况以电缆的形式可以帮助其输出信号，即在芯层和表层都加入导电层，相对较复杂［10］。

3.2 研究热点及应用前景

目前国内的研究还停留在薄膜的性能改良上，国外研究者较多关注于同轴电缆形式的压电材料，并且致力于将压电材料以纤维的形式纺制出来，显然这种方式有利于缩短工艺流程。薄膜应用到织物上有三种形式：同轴电缆、片状薄膜交织和纤维交织。同轴电缆的形式是指将薄膜导电层与绝缘层以电缆的方式结合;片状薄膜交织指的是将导电薄膜制成一定长宽的条状，将其交织成所需面积的一整块薄膜;纤维交织是指直接将压电材料纺成丝，交织而成。2013年 Nilsson等成功制备了PVDF长丝并将其织成斜纹布，测得其在应力作用下的电信号变化并应用到心电信号的测量中。试验证明，用PVDF长丝制成的压电传感元件能够实现对人体心跳的测量［11］。

4 拉阻呼吸描记法

4.1 测试原理及方法

材料受外力作用后电阻率发生变化，这种现象叫做压阻效应(拉阻效应)。将具有压阻效应的材料整合到衣物中，随着人体呼吸，绑在腹部的压阻材料受力变形，产生压阻效应，连入分压电路中可以记录形变频率，从而反应呼吸信号。这种方法测试原理简单，但对传感器的要求过高，尤其是对织物的稳定性有较高要求。

4.2 研究热点及应用前景

目前压阻传感器元件可以分为两类：一类为导电涂层与织物形成的以复合材料为基体的传感器;另一类为导电织物本身形变而引起信号改变的传感器。

在Wealthy和Myheart两个项目中的智能衣物上都采用了Smartex发明的压阻材料，其构成主要是在弹性织物上涂覆炭黑硅橡胶，同时将其与导电纱线交织而成［12］。Guo等［13］也用同样的方法制作出了压电传感器织物：炭黑硅橡胶涂料商品(ELASTOSIL®LR 3162)织成双层的针织物，由95%的PES(聚醚砜树脂)和5%的莱卡构成，大小为100 mm×25 mm，有效涂覆面积为100 mm×10 mm。导电纱线连接此织物传感器，用于数据传输。将其与一种商品化的压电法测试衣物进行比较得出以下结论：压阻衣物在20 min的长时间观测更加稳定;人在夜晚较多是低频率呼吸，试验表明在低频呼吸时，压电衣物测量表现为更多的噪声，因此压阻法比压电法更适合于夜间对病人的监测。

1856年Lord Kelvin首次发现金属导体的应变变化可以引起电阻的变化。呼吸运动会引起人体胸、腹的扩张与收缩，用导电纤维制成的传感器能够感应到这种变化，并以电阻的变化输出信号。由于导电纤维可直接被制成织物，无需考虑嵌入问题，可以用普通的机械设备加工，加之其具有防电磁辐射、防静电等多种功能，因此得到了广泛关注。但是其稳定性并不高，对于后期数据的处理要求较高。其可以作为智能衣物中的辅助测试部分。

导电纤维作为压阻法的主要测试原料，其发展经历了三个阶段［14］。目前直接用于呼吸信号测量的导电纤维为导电金属涂覆纤维，例如Zieba等研制的一种用涂银涤纶制得的导电针织物，能够较为稳定地测量呼吸信号［15］。国内外对于导电纤维的研究较多，主要目的集中于使其能够满足人们对于穿着舒适性的需求，因此制备具有弹性的导电纤维及织物已成为当今研究的热点。Fang等在文献中提到了一种以氨纶为材料的导电纤维的制备［16-17］，但是弹性加剧了电阻变化的不稳定性，因此在如何保证其舒适性的前提下保证其稳定性是亟待解决的问题。

5 结语

呼吸信号的测量对现代医学有着重要的意义，可穿戴式呼吸测量衣物使人们的健康测试不再受时间和地点的限制。以织物为依托的测量方法有电感应体积描记法、阻抗体积描记法、压阻法和压电法。前两种方法应用较为广泛，测试信号全面且较精确;后两种测试方法原理简单，采集方法便捷，但反应信息较为单一。可穿戴式智能测试衣物，由于其设计、纺织技术、传感器技术、通信技术等各个方面还存在一些问题，因此需要改进与完善。

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