智能心率监测服装设计要素研究

朱 珩，卢业虎,2，朱国庆

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021；2.南通纺织丝绸产业技术研究院,江苏 南通 226300；3.苏州市纤维检验院，江苏 苏州 215128)

0 引 言

随着社会老龄化加剧和社会压力日益增大，“亚健康”现象普遍存在，心血管疾病是人们健康的主要威胁之一。《中国心血管病健康和疾病报告2020》[1]指出心血管病死亡占我国城乡居民总死亡原因的首位，其中农村为46.7%，城市为43.8%。心血管疾病发病率高、致死率高，但民众往往在发病初期难以察觉，需要辅助手段。传统医疗设备难以实时监测身体数据，而智能可穿戴健康监测设备逐步应用到日常生活中，为民众生命健康适时监测提供了解决方案。

智能服装是指模拟生命系统，不仅能感知外部环境或内部状态的变化，而且能够通过反馈机制，实时地对这种变化做出反应的服装[2]。一方面，智能服装运用新型材料，结合最新技术等，创造了具有防护、加热、降温、反映生理特征[3]、表达个性等多种功能。另一方面，智能服装通过传感器、驱动器、显示器及计算机等配件共同组成，能够进行数据的监视、收集和分析，并通过可视化的效果呈现让用户实时动态了解收集的信息[4-5]。具有心电监测作用的智能服装能实时监测身体信息，并较为精确地采集人体的心率、心电图等生理特征，提供身体情况的参考数据。

目前可穿戴智能纺织品及电极材料研究是主导[6]，智能服装相关研究偏少，国内外智能心率监测服装的研究主要针对不同功能进行心率监测系统研发与改进。郭春丽等分析心电信号与房颤关联性、设计硬件电路与软件，开发了一款用于监测阵发性房颤的智能服装[7]。LIN等提出了用于心电去噪的快速经验模式分解算法并将服装、传感组件、护理机构控制平台和移动设备组成了智能健康监测服装[8]。CHO等通过改变电极位置，选取运动状态下对监测数据影响最小的位置达到提高准确性的目的，从而提出一种有助于减少运动伪影的女性智能心电监测服装的设计[9]。TAKAHASHI等为自闭症谱系障碍(ASD)儿童设计了智能心电监护仪，验证了治疗期间测量的ECG信号的质量，以定量测量心理压力[10]。目前已有相关产品应用于医疗监测、运动健康和军事等多领域，比如Vivometrics公司推出的智能远程监测T恤，可以持续监测呼吸频率、心率、活动度、姿势和皮肤温度[11]。Textronics公司生产的运动文胸Numetrex[12]，在特定区域设有集成针织传感器监测人体心率；美国陆军环境医学研究所研制了内嵌于作战服的生理状态监测系统[13]，通过微型无线传感器群监测心律、行走、代谢能量损失、体温、动静状态及位置信息等。

但由于目前技术发展尚不完善，心率监测智能服装面临着许多困难，比如心率监测准确性不明、舒适度低、缺乏公信度以及生产和维护成本高等问题[14-16]。因此需要对现有的监测设备进行研究，分析误差来源，为智能心率监测服装的设计提供参考。本研究对市场现有的具有心电监护作用的设备做调研，了解设计原理和功能，搜集用户评价，总结主要设计要素。通过静态、动态试验测试基于不同传感器的心率监测设备的数据准确性，分析可能的误差来源。对心率监测设备进行舒适性评价，并嵌入柔性传感器制作智能监测服装以尝试在保证监测准确性的基础上改善心率监测设备的舒适性。

1 心率监测设备市场调研

使用文案调研法，调研目前市售的能够实现智能心率监测的可穿戴设备，总结概括其原理和优缺点。从其中选取几个有代表性的产品，搜集各大电商平台用户评价及报错并归纳相应品牌针对这些报错的解释。调研结果见表1。

表 1 常见可穿戴智能心率监测设备原理及优缺点

目前市场上心率监测设备的监测方法主要有2种，分别是电脉冲式和光学式。电脉冲测量与心电图(ECG)测量原理一致，对应的产品主要是心率带。该测量方式的优点是准确度高且不易受其他因素影响。但由于心率带需紧贴皮肤，有明显的束缚感，舒适性欠佳。光电容积脉搏波描记法(PPG)利用了血液对绿光的吸收性，通过测量反射光强的变化来反映血流量的变化[17]，从而得到对应的心率数据。目前，大部分的夹持式和腕带式心率测量设备都采用了该测量方式。

选取6种具有代表性的产品深入调研，调研结果见表2。通过归纳用户的报错以及产品方针对这些报错的解释可得，影响心率监测数据准确性的因素包括动作、运动强度、设备与人体贴合的程度、皮下注射、色素(肤色或文身)、液体(水或汗水)等。已有研究表明使用基于PPG原理的心率监测设备，浅色皮肤人群的监测数据比深色皮肤人群更准确[18]，可能由于深色皮肤含有更多黑色素，比浅色皮肤吸收更多绿光[19]，导致绿光无法充分反射从而影响监测结果。日常活动中设备与皮肤摩擦会产生“运动伪影”影响传感器识别[20]，导致心率缺失或错误。

表 2 心率监测报错及原因

2 穿着实验

2.1 实验对象

数据准确性实验中受试者为2位肤色相仿的青年女性，受试者1号身体质量指数(BMI)为21.2(正常)，受试者2号BMI为27.6(过重)。服装舒适性实验中受试者为10名身体健康的青年女性。

2.2 实验设备

心率监测设备主要包括基于ECG原理的polar H10心率带、基于PPG原理的小米手表color运动版和华为Ter-b29s智能手表、听诊器插入式二用型(鱼跃)、智能心率监测服装。

2.2.1 智能心率监测服装制作

参考市面上的运动紧身衣，考虑到亲肤性、柔软性和透湿性，兼顾时尚美观，选择92%棉/8%氨纶的针织面料。服装结构如图1所示，为保证合体性和运动性，选择紧身插肩袖版型，胸部和腰部不放松量，达到紧身的效果。采用日本女装规格和参考尺寸(文化式)，制作胸围分别为82cm、88cm、94cm的样衣。将与心率带相同的传感器缝制在衣服相应位置上，对应身体中线与胸下缘交点处，使传感器与衣服之间无滑移。

图1 智能心率监测服装结构图

2.3 实验方案

2.3.1 设备准确性

设备准确性实验分为动态和静态两组，受试者按照自身舒适感自行佩戴好心率带和手表，polar心率带戴于胸下缘，小米手表或华为手表戴于左手腕骨节上方，紧度控制在正常行走状态下无滑移且较为舒适的状态。将听诊器用医用胶带固定在实验对象的心脏附近，保证无摩擦声音干扰读数，听诊器监测数据作为标准心率值。实验环境为室温(20±2)℃，相对湿度(60±10)%，风速为0.2 m/s。

静态实验动作选取站姿、坐姿和平躺3种姿势，如图2所示。每个动作分别监测10组，一共30组实验，一组实验监测时间为1 min，需要2名测试者监测并读数。进入实验状态后，测试者1控制手表和polar beat程序，同时测试者2用听诊器计数实验对象心跳，直到1 min结束，测试者1与测试者2同时停止计数，获得4种设备上该时间测得的心跳次数。2组实验间隔1 min，听诊器监测数据作为标准心率值。

图2 3种实验姿势(站姿、坐姿、躺姿)

动态实验时受试者在跑步机上以4 km/h的速度行走，3位实验员分别控制实验对象左手腕的华为手表、右手腕的小米手表、polar beat程序和听诊器，打开跑步机后10 s内同时计数，1 min后同时停止计数，记录心率读数。

2.3.2 服装舒适性

在室温(20±2)℃，相对湿度(60±10)%条件下，招募10名健康女性对心率带做主观舒适性评价，用Hollies标尺将束缚感划分为5个等级，即1代表宽松，5代表非常紧。实验前先向受试者解释评价标准，使受试者准确了解术语含义。受试者分别穿戴polar心率带和符合自身尺寸的心率监测服装(依据胸围和腰围)进行日常活动10 min，外部衣物宽松。结束后受试者根据自身感受给出相应评价分值，记录测试结果。

2.4 数据分析

使用SPSS软件对所得4种设备测得的心率数据做方差分析，显著性水平为0.05，以判定4种设备的监测数据有无显著差异；再将心率带、小米手表、华为手表监测心率数据与听诊器监测的标准心率数据做皮尔逊相关性分析，以具体判定3种设备心率监测的准确性。

3 结果与讨论

3.1 数据准确性比较

3.1.1 静态

静态条件下对数据进行方差分析，3种设备的监测数据没有显著差异。将3组数据分别与标准心率值做相关性分析，受试者1在站姿和平躺姿势下使用小米手表心率监测数据与标准心率相关性系数均小于0.4，说明相关性一般，同时相关显著性水平p>0.05，相关性不显著，说明受试者1在站姿和平躺姿势下的小米手表心率监测与标准心率不具有相关性，即监测数据准确性低。

坐姿下小米手表和任意姿势下其余设备心率监测数据与标准心率相关性系数均大于0.7，具有强相关性，同时相关显著性水平p<0.01，相关性显著，说明坐姿下小米手表、任意姿势下华为手表和polar心率带静态心率监测都较为准确。图3为静态下3种设备心率监测数据相关性系数比较，可以看出，心率监测准确性和稳定性为polar心率带优于华为手表优于小米手表；整体监测准确性受试者2优于受试者1；小米手表在站姿和平躺姿势下的监测表现出很强的不稳定性。

图3 静态下3种设备心率监测数据相关性系数比较

3.1.2 动态

在运动状态下，2位受试者使用华为手表心率监测数据和标准心率的相关性系数小于0.4，相关性一般，同时相关显著性水平p>0.05，相关性不显著，说明华为手表动态心率监测与标准心率不具有相关性，即监测数据准确性低。小米手表、polar心率带与标准心率相关性系数均大于0.8，具有强相关性，同时相关显著性水平p<0.01，相关性显著，说明小米手表和polar心率带动态心率监测都较为准确。图4为动态下3种设备心率监测数据相关性系数比较，可以看出，polar心率带的准确性优于小米手表优于华为手表；2位受试者心率监测准确性相差无几。

图4 动态下3种设备心率监测数据相关性系数比较

3.1.3 动、静态比较

统计静态和动态情况下所有受试者任意姿势下不同设备监测数据相关性系数的平均值，并进行比较，结果如图5所示。

图5 动、静态下3种设备心率监测数据相关性系数比较

图5显示动态下小米手表和polar心率带监测均比静态下监测更准确，华为手表静态下监测准确性更优，且polar心率带在动态和静态下均呈现出更好的相关性。

3.1.4 智能心率监测服装

表3为穿着智能心率监测服装静坐时，2位受试者的心率监测数据相关性系数均大于0.8，相关显著性水平均小于0.01，说明静坐状态下智能心率监测服装对实时心率的监测准确。但是运动状态下，由于服装非紧身设计，使心率带和皮肤之间有空隙，数据有缺失和错误，无法测出准确心率值。

表 3 静坐时心率监测数据相关性分析

3.2 设备准确性影响因素分析

3.2.1 传感器因素

动态和静态实验均表明基于ECG原理的心电传感器比基于PPG原理的光电传感器更能准确、稳定地反映实时心率，不易受外界因素影响。而同样是光电传感器，静态下小米手表准确度低于华为手表，但动态下却高于华为手表。查找其设备参数发现，小米手表color运动版多通道PPG传感器采用的硬件及算法更贴合运动状态，所以可实现动态下比较精准地测量。因此，基于光电传感器的智能心率监测设备可以通过改善算法和部分硬件来提高运动状态下的心率监测准确性。目前已有一些算法被提出，如ZHANG等提出的“TROIKA”通用框架[25]，可有效降低基于PPG原理的心率监测误差。

3.2.2 佩戴者因素

比较受试者1和受试者2，发现受试者2总体测量准确度要高于受试者1，尤其是小米手环的测试准确度。原因可能是受试者1较受试者2手腕更细，小米手表表盘较大，在绑到适宜松紧程度下，手腕与手表表盘下的传感器接触面积更小，容易滑移导致漏光，产生更高的光线干扰，影响数据测量精度。而华为手表表盘小且根据手腕形状做了弧度，更贴合手腕皮肤，所以数据测量相对准确。相较于静态，动态情况下华为手表监测数据更不准确，可能是由于动态下佩戴者手腕轻微发汗，一方面更容易产生滑移和空隙，另一方面汗液也会吸收一部分光电接收器发射的绿光，影响数据监测。华为官方对于影响华为手表心率监测准确性的因素中也提到“运动中出汗过多，导致手环滑动，汗水遮挡光路，可能导致心率测不准。”小米手表通过硬件和算法更贴合人体运动状态下的心率监测，可以消除一部分出汗导致的运动伪影，poalr心率带由于使用ECG传感器，受汗液影响小，所以数据准确性受运动状态影响较小。

3.2.3 姿势因素

姿势因素对于心电传感器影响较小，但对于光电传感器影响明显。比较3种姿势，其中坐姿对心率监测准确性影响最小，站姿和平躺对准确性影响整体差距不大。分析原因，可能是由于坐姿下传感器与心脏距离较近，且上半身直立，手部有支撑不悬空，对传感器信号影响最小，所以数据最准确。站姿下手臂悬空，手表受重力影响，平躺时床面给予表带一个向上的支撑力，这些因素均可能使表盘与皮肤表面产生滑移或空隙，导致数据不准确。

动态监测时，手臂摆动，皮肤、肌肉这些非搏动性生理物质也产生移动，而这种移动就会导致光线吸收产生变化，由此导致很难从光线中发现真实血流量变化所带来的光线变化特征，使心率监测不准确。

3.3 穿着舒适性

polar心率带穿着舒适性测试中，8人认为polar心率带紧，束缚感较强。其中3人认为polar心率带束缚感非常强，甚至影响呼吸。心率带为了保证监测数据的准确性，需要绑紧胸下缘与皮肤紧密贴合，虽然保证了准确性但不适合长时间佩戴，不符合智能心率监测服装设计目的。而穿着智能心率监测服装后，2人认为服装紧，束缚感较强，8人认为服装束缚感不强，不影响正常活动。说明相较心率带本身，智能心率监测服装在舒适性上有一定改善。

4 结 论

1)智能心率监测服装的设计要素主要考虑数据准确性和服装舒适性。影响心率监测数据准确性的因素有传感器种类、佩戴者动作、设备与人体贴合的程度、程序算法等。影响服装舒适性的因素主要是紧度，另外服装的选材也应考虑在内。

2)无论静息心率还是动态心率，心电传感器均比光电传感器监测准确性高且稳定，不容易受外界因素影响。

3)静息心率下佩戴者呈坐姿时监测数据最准确，而运动状态下合适的算法能够有效改善设备数据准确性。

4)基于心电传感器的心率带虽然监测数据准确但是舒适性比较差，嵌入传感器后的心率监测服装舒适性虽然好但由于服装非紧身设计，运动时传感器与皮肤产生滑移甚至脱离导致无法实现运动心率监测。

未来仍需探究更多因素对心率监测数据准确性的影响，并通过选取不同的服装材料，制作不同松量、不同类型的服装，选择合适的传感器以及采用优化算法来探索传感器与服装如何结合才能达到服装舒适性与数据准确性的平衡。