陳 慧， 王 璽， 丁 辛， 李 喬

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 上海 201620)

慢性疾病(如心臟病、糖尿病和高血壓等)的增加成為許多國家公共衛(wèi)生領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)，加重了醫(yī)療護理系統(tǒng)的測試時間、測試成本及工作人員的負擔(dān)[1-2]。一些疾病會使人的體溫調(diào)節(jié)機制發(fā)生障礙而引起體溫的變化[3]，因此，準確實時地監(jiān)測體溫不僅可以掌握人體是否發(fā)燒發(fā)熱，還可為疾病的治療提供指導(dǎo)[4-5]，實現(xiàn)對老年人及嬰幼兒健康的實時監(jiān)護[7]?，F(xiàn)階段，對人體溫度的持續(xù)監(jiān)測技術(shù)多限制在室內(nèi)的操作，其儀器笨重，測試過程煩瑣，造成了醫(yī)學(xué)資源的浪費。少量已研發(fā)的織物溫度傳感器多采用嵌入法或縫合法制備，在實際使用中容易產(chǎn)生滑移錯位，且部分傳感器容易引起人體刺癢感和不適感，影響測試結(jié)果；部分采用織入法將熱阻材料與織物相結(jié)合，但牢固性較差。同時，柔性傳感器輸出信號的采集受到采集模塊及接收器的限制，且數(shù)據(jù)存儲顯示系統(tǒng)有待進一步改進。鑒于上述問題，本文將設(shè)計并制備應(yīng)用于人體溫度持續(xù)監(jiān)測的溫敏服裝，著重研究組成溫敏服裝重要部分的全織物傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、制備及性能，開發(fā)數(shù)據(jù)采集和顯示系統(tǒng)，進行溫敏服裝可靠性的驗證。

為制備基于全織物傳感網(wǎng)絡(luò)的溫敏服裝，本文根據(jù)實際應(yīng)用，利用大變形的織物電路板，設(shè)計彈性導(dǎo)電通道陣列，將其連接多個織物柔性溫度傳感器，實現(xiàn)全織物傳感網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)應(yīng)用要求，設(shè)計并制備含全織物傳感網(wǎng)絡(luò)的溫敏服裝；模擬應(yīng)用環(huán)境，測試全織物傳感網(wǎng)絡(luò)的拉伸-回復(fù)性對傳感網(wǎng)絡(luò)受拉伸影響的程度進行評價，評估溫敏服裝溫度測試數(shù)據(jù)的可重復(fù)性；設(shè)計并開發(fā)數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與顯示功能；采用溫敏服裝系統(tǒng)實時監(jiān)測人體皮膚溫度，結(jié)合實際應(yīng)用進一步分析實驗數(shù)據(jù)。

1 溫敏服裝的設(shè)計與制備

1.1 設(shè) 計

1.1.1 測試點的選擇

人體皮膚溫度的分布不均勻，常采用14點法測試。人體表面可分為14個面積相等的區(qū)域，不同部位皮膚的溫度存在差異；但同一部位左右兩側(cè)相比則差異不明顯[8]，故分別選擇7個區(qū)域測試。圖1示出測試點的位置分布。圖中：1為肩胛，2為腋下，3為胸部，4為大臂，5為后腰，6為小臂，7為腹部。

圖1 測試點位置的分布Fig.1 Measurement points. (a) Front; (b) Back

1.1.2 電路設(shè)計

采用并聯(lián)的方式集成7個電阻式織物基溫度傳感器，設(shè)計全織物傳感網(wǎng)絡(luò)。圖2示出并聯(lián)電路。R1～R7為7個電阻，電阻大小會隨溫度的變化而變化。圖3為全織物傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計圖。此傳感網(wǎng)絡(luò)分為2部分：C1和C2。 傳感網(wǎng)絡(luò)C1包括分布在測試點2、3、4、6、7的5個織物溫度傳感器及其對應(yīng)的導(dǎo)電通道S2、S3、S4、S6、S7。傳感網(wǎng)絡(luò)C2包括分布在測試點1、5的2個織物溫度傳感器及其對應(yīng)的導(dǎo)電通道S1、S5。每條傳感網(wǎng)絡(luò)均含1個地線G1和G2，分別與各測試點及對應(yīng)的信號線形成閉合回路，各回路相互獨立、互不干擾。

圖2 并聯(lián)電路Fig.2 Parallel circuit

圖3 傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計圖Fig.3 Design of sensing networks

1.1.3 服裝基體的選擇

具有可穿戴性能的溫敏服裝對服裝基體有一定的要求：良好的彈力回復(fù)、透氣性以及面料舒適性。故選用女士針織緊身壓縮衣作溫敏服裝基體，本文選用具有羅紋結(jié)構(gòu)的服裝面料(奧林匹克裝甲(香港)有限公司生產(chǎn)，成分：80%錦綸、20%氨綸；尺碼：M)。

1.2 制 備

1.2.1 全織物溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的制備

傳感網(wǎng)絡(luò)的制備采用TNY101B-20型全自動劍桿小樣織機(上海雙九實業(yè)有限公司)，選用1上3下右斜紋組織進行織造。以氨綸/錦綸/錦綸包纏紗(振德醫(yī)療用品股份有限公司生產(chǎn)，線密度為30.8 tex/4.4 tex/4.4 tex)作經(jīng)紗，在特定位置加入1根或2根鍍銀導(dǎo)電紗作經(jīng)紗，棉紗線作緯紗。織物幅寬分別為10 cm(C1全織物傳感網(wǎng)絡(luò)，共計6個導(dǎo)電通道，其中5個為信號線、1個為地線)和5 cm(C2全織物傳感網(wǎng)絡(luò)，共計3個導(dǎo)電通道，其中2個為信號線、1個為地線)。

在未變形的傳感網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)位置上連接前期研發(fā)的織物溫度傳感器[2]，將傳感器兩端電極分別與傳感網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電通道的信號線、地線纏繞連接。導(dǎo)電通道與導(dǎo)電線纏繞固定后，為避免導(dǎo)線晃動影響測試結(jié)果，將導(dǎo)電線縫合在織物基底上，進行封裝固定，圖4為封裝后全織物溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的實物圖，封裝減少了整個組件被外力拉伸時接觸區(qū)域中的可能應(yīng)變，增強了機械強度[9]。

圖4 全織物傳感網(wǎng)絡(luò)實物圖Fig.4 Full fabric sensing network

1.2.2 溫敏服裝的制備

圖5為溫敏服裝的設(shè)計圖。各織物溫度傳感器與人體測試點的位置相對應(yīng)。2條全織物傳感網(wǎng)絡(luò)連接導(dǎo)電線的部分交匯于服裝左腹部的位置，以便后期數(shù)據(jù)的采集。選用手縫無膠魔術(shù)貼的方式將傳感網(wǎng)絡(luò)與服裝結(jié)合，該方式快捷方便、環(huán)保衛(wèi)生且成本低。

圖5 溫敏服裝的設(shè)計圖Fig.5 Design of temperature-sensitive garment

1.3 性能測試與分析

1.3.1 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性

對全織物溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的性能進行測試。測試傳感網(wǎng)絡(luò)在0%、15%、30%應(yīng)變下電阻與溫度的關(guān)系。將傳感網(wǎng)絡(luò)平鋪在加熱平臺上，溫度范圍設(shè)置為25～45 ℃，同時利用安捷倫(Agilent 34970a)數(shù)據(jù)采集器(安捷倫科技有限公司)測試不同應(yīng)變下的傳感網(wǎng)絡(luò)的輸出電阻，測試結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明靈敏度無明顯降低趨勢，故拉伸應(yīng)變對傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測溫度時輸出數(shù)據(jù)的準確性無顯著影響。

圖6 不同應(yīng)變下的電阻-溫度關(guān)系Fig.6 Resistance-temperature relationship at different strains

為評估重復(fù)機械變形對傳感網(wǎng)絡(luò)的影響，在相同溫度(25 ℃)條件下，將全織物傳感網(wǎng)絡(luò)夾持在JF-9003型電腦拉力試驗機(東莞市尖峰儀器儀表有限公司)的2個夾頭上，對其進行10 000次30%應(yīng)變的循環(huán)拉伸，同時利用Agilent 34970a數(shù)據(jù)采集器測試傳感網(wǎng)絡(luò)的輸出電阻，測試結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，循環(huán)拉伸后，傳感網(wǎng)絡(luò)的電阻產(chǎn)生從71.5 Ω到72.5 Ω的輕微變化，可忽略不計。故全織物溫度傳感網(wǎng)絡(luò)在重復(fù)軸向拉伸時表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的性能。

圖7 30%應(yīng)變下的拉伸循環(huán)測試Fig.7 Tensile cyclic test at 30% strain

1.3.2 靈敏度

作為實時監(jiān)測人體溫度的產(chǎn)品，溫敏服裝必須具備良好的靈敏度。模擬實際使用情況測試溫敏服裝的靈敏度，測試不同溫度下各傳感點對應(yīng)的電阻值。圖8示出各織物溫度傳感器和傳感網(wǎng)絡(luò)中地線及信號線的電阻變化與溫度的關(guān)系。其中：曲線0表示沒有連接導(dǎo)電通道的織物溫度傳感器在不同溫度下的電阻變化率；曲線1～7表示傳感網(wǎng)絡(luò)不同測試點1～7分別對應(yīng)的織物溫度傳感器和導(dǎo)電通道的電阻變化率。結(jié)果表明，該傳感網(wǎng)絡(luò)均具有良好的電阻-溫度線性關(guān)系，且具有較高的靈敏度。

圖8 靈敏度測試結(jié)果Fig.8 Test results of sensitivity

1.3.3 重復(fù)性

圖9示出服裝面料的橫向拉伸-回復(fù)性能和縱向拉伸-回復(fù)性能。10次循環(huán)拉伸測試結(jié)果表明，該服裝面料回復(fù)時具有遲滯性。圖9(a)示出橫向拉伸-回復(fù)性能測試結(jié)果，經(jīng)計算得遲滯率為14.25%；圖9(b)示出縱向拉伸-回復(fù)性能測試結(jié)果，經(jīng)計算得遲滯率為13.26%。

圖9 織物的拉伸測試結(jié)果Fig.9 Tensile test result of knitted fabric. (a) Horizontal direction; (b) Longitudinal direction

2 數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

圖10為溫敏服裝的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖。將全織物傳感網(wǎng)絡(luò)集成到服裝基體得到溫敏服裝Ⅰ，傳感網(wǎng)絡(luò)一端的導(dǎo)電線連接到開發(fā)板數(shù)據(jù)采集器Ⅱ，將采集到的數(shù)據(jù)藍牙傳輸?shù)浇邮掌鞑@示。

圖10 溫敏服裝的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.10 Data acquisition system of temperature-sensitive garment. (a) Data acquisition device; (b) Display system

從溫敏服裝的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到遠程接收器，開發(fā)出3種系統(tǒng)配置模式，區(qū)別是運用了3種不同類型的遠程接收器，即臺式計算機、筆記本電腦和智能手機。模式1使用的遠程接收器是具有藍牙適配器的臺式計算機，由于受試者受藍牙適配器輻射范圍的限制，該模式適用于臨床或?qū)嶒炇已芯俊ＤＪ?使用的遠程接收器是帶有集成藍牙模塊的筆記本電腦，相比模式1，筆記本電腦雖可在室外環(huán)境中比較方便地使用，但受試者仍受限于筆記本電腦藍牙模塊的輻射范圍，故這種模式僅限于小區(qū)域戶外活動的測量。模式3是最靈活的配置模式，其遠程接收器是帶有嵌入式藍牙模塊、可隨身攜帶的智能手機，可在測試期間記錄受試者不同部位溫度而不受任何空間限制，適合長時間戶外測試。本文重點介紹模式3，即智能手機作接收器。

圖10(b)示出智能手機端的數(shù)據(jù)顯示界面。1～7分別表示溫敏服裝上7個傳感區(qū)域，右側(cè)為溫度坐標軸。傳感區(qū)域溫度不同，根據(jù)右側(cè)坐標軸所顯示出相應(yīng)位置的顏色也不同。其優(yōu)點在于可直觀反映人體不同部位在同一時間的溫度值。該軟件擁有參數(shù)設(shè)置界面，可根據(jù)溫敏服裝上織物基溫度傳感器的性能針對性地設(shè)置參數(shù)，提高數(shù)據(jù)的準確性及可靠性。

3 溫敏服裝的穿戴性分析

3.1 舒適性

采用調(diào)查問卷的方式測試溫敏服裝的舒適性。將問卷分發(fā)給隨機抽取的10名年齡在20～30歲之間、身體健康的受試者。對每個項目評分：1分表示非常不同意；2分表示不同意；3分表示勉強同意；4分表示同意；5分表示非常同意。

評估結(jié)果如表1所示。該溫敏服裝為大多數(shù)受試者提供舒適的穿著體驗，例如：服裝的透氣性(Q4)、傳感器(Q7)和電子元件(Q8)在服裝中的集成以及服裝外觀的時尚感(Q9)雖有待改進，但Q3的平均等級為3.9，這表明對服裝舒適性的反饋接近一致(4.0)。該溫敏服裝具有良好的穿戴舒適性。

表1 溫敏服裝舒適性評估Tab.1 Comfort assessment of temperature-sensitive garment

3.2 穿戴溫敏性

3.2.1 織物基溫度傳感器的校準

為保證后期測試結(jié)果的準確性，對織物溫度傳感器的測試結(jié)果進行校準。在恒溫恒濕環(huán)境下，同時采用電子紅外溫度計和織物基溫度傳感器測試人體區(qū)域溫度，結(jié)果如圖11所示?？椢餃囟葌鞲衅魉鶞y溫度略低于紅外電子溫度計所測溫度，故需對其進行校準。

圖11 溫度對比結(jié)果Fig.11 Result of temperature comparison

3.2.2 人體溫度分布的測試

在使用溫敏服裝進行人體溫度監(jiān)測前需測試受試者各監(jiān)測區(qū)域的平均溫度分布。本文實驗測試平靜呼吸時人體不同部位的溫度。1名受試者在恒溫恒濕環(huán)境中靜坐30 min以保證自身狀態(tài)與當(dāng)前環(huán)境達到動態(tài)平衡，測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同部位皮膚溫度的分布Fig.12 Distribution of skin temperature in different parts

3.2.3 人體不同部位的實時溫度

在恒溫恒濕環(huán)境下,將溫敏服裝平鋪于實驗臺表面靜置30 min；同時受試者在恒溫恒濕環(huán)境下保持平緩的心態(tài)靜坐30 min，并保證測試前1 h內(nèi)無劇烈運動。受試者緩慢穿上測試服后在恒溫恒濕環(huán)境中靜站10 min以提高實驗數(shù)據(jù)的可靠性，保證傳感器正面感溫區(qū)域緊密貼合人體皮膚而不會對皮膚造成物理傷害或妨礙人體正?；顒印８鶕?jù)預(yù)定方案進行體溫監(jiān)測。實驗方案：平靜呼吸60 s為1組；平靜呼吸頻率：吸1 s→呼1 s→停頓2 s、4 s為1個周期。

全織物傳感網(wǎng)絡(luò)在測試過程中表現(xiàn)出極佳的可靠性，所有織物基溫度傳感器組件都能很好地運行，沒有故障。不同測試點的溫度測試結(jié)果如圖13所示。受試者皮膚溫度的變化具有一定規(guī)律：溫度的變化以4 s為1個周期，每個周期均存在波峰，60 s內(nèi)共15個周期(即15個明顯波峰，個別周期存在異常值，已被剔除)，與平靜呼吸的頻率及周期一致，且皮膚表面溫度總是隨著吸氣逐漸升高，隨著呼氣逐漸下降。

圖13 不同測試點的測試結(jié)果Fig.13 Test results at different measurement points. (a) Upper chest; (b) Abdomen;(c) Scapula; (d) Back waist

查閱相關(guān)文獻可知，呼吸循環(huán)系統(tǒng)與血液循環(huán)系統(tǒng)緊密相關(guān)[10]；而皮膚溫度與心臟泵血引起的血液流動有關(guān)[11]，故可通過監(jiān)測人體皮膚溫度得到人體的呼吸狀態(tài)。從圖13看出，不同區(qū)域在人體呼吸時溫度變化幅度不同，腹部和后腰具有更明顯的波動幅度，胸部次之，肩胛最小?；究赏ㄟ^人體溫度的變化曲線追蹤人體的呼吸狀態(tài)，信號曲線較為平滑，存在細小的波動，這是由于呼吸時傳感器電阻有較小的波動狀態(tài)，但不影響對呼吸狀況的基本判斷。

4 結(jié)束語

體溫作為主要生理指標之一，可直接反映人體生理狀況，故可通過監(jiān)測人體溫度來反映人體健康狀況?，F(xiàn)有溫度監(jiān)測多采用硬質(zhì)傳感網(wǎng)絡(luò)，會引起人體不適，且易滑移，影響測試的準確性。針對現(xiàn)有問題，本文結(jié)合大變形的織物電路板及彈性導(dǎo)電通道陣列，設(shè)計并制備溫敏服裝及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用溫敏服裝系統(tǒng)實時監(jiān)測人體皮膚溫度，實現(xiàn)了人體皮膚溫度實時監(jiān)測，在一定程度上減輕了醫(yī)療負擔(dān)。