張 敏,黎嘉琪,張龍琳

(西南大學 蠶桑紡織與生物質科學學院,重慶 400715)

登山運動事故已連續(xù)多年成為影響登山戶外運動健康發(fā)展的關鍵,事故類型有迷路、滑墜、被困、高墜、疾病等。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,登山運動人數(shù)占總運動人數(shù)比例為33%,事故整體呈逐年遞增,2019年死亡和失蹤人數(shù)之和達歷年之最,2020 年受疫情影響,有組織的活動事故大幅減少,創(chuàng)自2012年以來最低值。根據(jù)2014—2020年戶外登山運動事故統(tǒng)計分析,因疾病導致登山事故發(fā)生已連續(xù)7年成為戶外登山運動事故的主要類型之一。

從登山員的生理需求出發(fā),以生物力學、感性工學基本理論以及人體工效學為理論基礎,結合可穿戴智能服裝的功能特點,在登山服現(xiàn)有的功能基礎上進行優(yōu)化改良設計。目前,國內(nèi)外對于登山服的研究焦點主要集中在登山服的結構設計、面料選擇以及散熱保暖等功能設計[1],而對于登山服的對象化智能監(jiān)測方面的研究尚少。如何提供一種穿著輕便、結構合理,并針對戶外運動員生命體征進行實時監(jiān)測的智能監(jiān)測系統(tǒng)是目前亟待解決的技術問題。

1 遠程生命體征監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 生命體征監(jiān)測

目前國內(nèi)外關于遠程生命體征監(jiān)測的登山服研究尚少,登山服功能多為基礎常規(guī)功能?；谶h程監(jiān)測技術、柔性傳感器技術、無線通訊技術、可穿戴技術的發(fā)展,提出一款新型遠程生命體征監(jiān)測系統(tǒng)登山服,以解決登山運動員個性化的體征問題。生命體征是用來判斷人體病情輕重和危急程度的指征,主要有心率、脈搏、血壓、呼吸、體溫、血氧、瞳孔和角膜反射的改變等[2],以登山服為研究載體,構建生命體征監(jiān)測系統(tǒng),對運動者的脈搏、心電、體溫以及汗液中的葡萄糖濃度、乳酸濃度等進行監(jiān)測,以實時反映運動者的身體狀態(tài)。該遠程生命體征監(jiān)測系統(tǒng)由生命體征監(jiān)測登山服和手機App線上端構成,可以根據(jù)醫(yī)院提供的登山員個人生命體征閾值來進行針對性App線上端數(shù)值設置,用于生命體征異常時報警,幫助登山運動員實時進行正確的運動強度監(jiān)控,以引導登山員在最安全的生命體征區(qū)值內(nèi)活動。

1.2 遠程生命體征監(jiān)測系統(tǒng)構建

如圖1所示,遠程生命體征監(jiān)測系統(tǒng)將各種生理信號傳感器或放大濾波電路、電極、A/D 轉換等和電腦相連接,在計算機中對監(jiān)測的多參數(shù)生理信號進行分析處理,得到一定的分析診斷結果,反傳輸?shù)揭苿釉O備、服裝信號接收器并儲存至云端。

圖1 生命體征監(jiān)測結構

總體遠程生命體征監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖2所示,分為戶外登山運動監(jiān)測和平臺監(jiān)護兩部分。登山運動員通過醫(yī)護端就診可得到關于自己生命體征的各種閾值,根據(jù)技術指導來對用戶端進行閾值輸入,進而根據(jù)生命體征的實時監(jiān)測結果控制自己的運動強度。在戶外登山運動中,登山運動員的生命體征通過穿著的智能監(jiān)測登山服進行實時數(shù)據(jù)采集及傳輸,該監(jiān)測系統(tǒng)在采集到相關數(shù)值后會進行數(shù)據(jù)分析,運動員可通過用戶端或登山服預警輸出端得知自己的身體狀態(tài),從而控制自己的運動強度,以免生命體征超出閾值發(fā)生危險。通過監(jiān)測系統(tǒng)得到的生命體征數(shù)值也會通過云端的形式反饋給醫(yī)生,為遠程監(jiān)護搭建一個溝通的平臺,節(jié)約登山運動員的身體管理資源,提高管理效率。

圖2 總體遠程生命體征監(jiān)測系統(tǒng)

2 生命體征監(jiān)測登山服的設計

生命體征監(jiān)測登山服以人體工效學和服裝設計基本原理為設計基礎,在滿足人體結構設計的前提下盡可能提高登山服的舒適性、適用性和功能性。根據(jù)國家標準GB/T 32614—2016《戶外運動服裝沖鋒衣》對衣身進行規(guī)范化設計,對服裝的功能、外觀、材料都進行了嚴格的規(guī)范,其中包括功能方面的抗?jié)裥?、靜水壓、透濕率、耐用性以及外觀要求膠條膠膜、防水結構等設計。生命體征監(jiān)測登山服主要分為衣體、數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)終端3個部分,如圖3所示。數(shù)據(jù)采集端分為脈搏壓力傳感和汗液微傳感2種方式,立領兩側頸動脈處設置了脈搏壓力傳感器,袖口設置了汗液微傳感器,用于采集分析人體體征實時狀態(tài)的初步數(shù)據(jù)。

圖3 生命體征監(jiān)測登山服結構示意圖

領部的脈搏壓力傳感器[3]紗線部分使用18 tex導電紗,如圖4所示,其余衣體里料層所用的紗線為18 tex不導電的錦綸紗,衣領部位通過HQM61B 型電腦織領機一體成型,將導線和壓力傳感模塊一同織入領子面料內(nèi)部。領子內(nèi)部采用緯平組織,密度為5～8線圈/c m,領口區(qū)域采用1隔1羅紋組織結構,以增強領口的彈性,圖5為領子內(nèi)部緯平組織結構示意圖,圖6為羅紋組織結構示意圖。領子織物的密度會使領子和頸動脈間產(chǎn)生相互作用力,當壓力傳感器受到脈搏壓力時,壓阻會隨之產(chǎn)生變化。壓阻變化的工作原理是通過“壓”(增加的接觸點)和“放”(降低的接觸點)工作過程中不銹鋼顆粒間接觸點的變化以及導電紗線之間接觸面積的變化,如圖7所示。壓力傳感器與液晶顯示器間的連接電線用織入里料的導電纖維代替[4],使得衣服里料可直接接觸皮膚。

圖4 脈搏傳感器

圖5 緯平組織

圖6 羅紋組織

圖7 交織結構壓力傳感器的電阻變化

汗液微傳感器可以無創(chuàng)對汗液中乳酸、葡萄糖、鉀離子、鈉離子、氯化物、尿素濃度以及汗液p H 值、出汗率、總汗液量等指標進行監(jiān)測,用不采集血樣的方式進行生理生化分析,方便登山員在戶外登山運動過程中獲得高質量的生命體征數(shù)據(jù)。通過汗液微傳感器對登山運動員汗液中的乳酸濃度進行測量分析運動員的運動強度,對汗液中的葡萄糖濃度進行測量分析運動員的能量消耗,測量和分析總汗液量可以對運動員身體的水合狀態(tài)和熱調(diào)節(jié)狀態(tài)等生理狀態(tài)進行監(jiān)測[5]。該傳感器的工作原理是通過微流控和微傳感器結合工作,微流控裝置對汗液進行電化學分析,微傳感器分析得出汗液中乳酸濃度電壓數(shù)據(jù)、葡萄糖濃度等。汗液微傳感器同脈搏傳感器一樣,采用同紗線一起織入的方式織入袖口面料,如圖8所示。汗液微傳感器與顯示器間連接的電線同樣用導電紗線織入面料代替電線,這樣運用傳感器設計的登山服比傳統(tǒng)登山服更加功能化、便利,方便洗滌,給運動登山員帶來更舒適的戶外登山運動體驗。

圖8 汗液微傳感器

3 遠程監(jiān)護平臺優(yōu)化設計

遠程監(jiān)護平臺由用戶App線上終端和云端組成,如圖9所示。常見App終端主要為維持健康體征優(yōu)選方案的推薦,在結合登山員實時生命體征危及生命的情況下,優(yōu)化設計為實時反饋用戶生命體征現(xiàn)狀與自我運動強度控制的作用,通過藍牙無線傳輸技術或蜂窩網(wǎng)絡和監(jiān)測系統(tǒng)信號器連接,實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)與App終端之間的信號傳輸。云端功能的主要優(yōu)化是實時記錄并儲存登山員的生命體征狀況,在監(jiān)測系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)分析報告?zhèn)鬏數(shù)紸pp線上終端后,同時上傳到云端進行數(shù)據(jù)儲存,醫(yī)生和家庭成員均可通過云端查看用戶的身體狀態(tài),以便醫(yī)生查閱用戶的歷史病情和實時狀況,也可給家庭成員實時反饋用戶的身體狀態(tài),實現(xiàn)遠程監(jiān)護的功能及作用。

圖9 遠程監(jiān)護平臺功能

登山服的體征穩(wěn)定預警方面也進行了相應的優(yōu)化設計,體征預警通常會通過攜帶設備自測完成,在無意識自測的情況下,登山員通常用經(jīng)驗值判斷是否繼續(xù)進行登山運動。優(yōu)化設計為通過體征監(jiān)測閾值自動預警的形式告知用戶是否能繼續(xù)活動,遇到閾值提醒范圍內(nèi)時,預警設備會自動發(fā)出警報提醒用戶暫停繼續(xù)活動且建議盡快就醫(yī)查看身體狀況。用戶的生命體征監(jiān)測閾值預警可通過2種方法實現(xiàn):一種是從醫(yī)院檢查得出個體生命體征數(shù)據(jù)閾值,直接手動輸入App線上終端;另一種是監(jiān)測系統(tǒng)通過運動員實時的生命體征數(shù)據(jù)采集,進行云端數(shù)據(jù)分析,預估目前身體的生命體征閾值。通過2種不同的數(shù)據(jù)來源分析,根據(jù)實時報告反饋作出運動強度控制,預警身體狀態(tài)超出閾值范圍,實現(xiàn)用戶的安全保障。監(jiān)測系統(tǒng)的預警設備由視覺效果鮮明的預警燈和報警設備組成,預警燈根據(jù)不同的身體狀態(tài)分為3個基本顏色,預警顏色分別為淺綠色、綠色、淺黃色、黃色、淺紅色、紅色,生命體征數(shù)值處于正常范圍內(nèi)預警燈顯示淺綠色或綠色,生命體征數(shù)值臨界閾值預警燈按程度分別顯示淺黃色或黃色,生命體征數(shù)值等于閾值預警燈顯示淺紅色,生命體征數(shù)值超出身體健康范圍將對登山運動員的身體健康構成威脅預警燈顯示紅色,同時報警設備將發(fā)出報警聲,提示用戶必須立即停止高強度運動并就近就醫(yī),以免身體狀態(tài)崩潰造成生命安全威脅。

用戶實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析反饋表包含用戶基本信息、數(shù)據(jù)采集時間、數(shù)據(jù)采集地點、具體生命體征參數(shù)和分析報告,根據(jù)反饋分值可供用戶自行判斷身體狀態(tài),并給出相應的運動強度推薦;健康指引模塊具有影像效果,直觀地記錄并告知用戶身體的實時狀態(tài)與建議性就醫(yī)指導,有助于預警身體狀態(tài)。遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析反饋表和實時生命體征狀態(tài)均會自動保存至云端,以供醫(yī)生和家庭成員掌握用戶身體狀態(tài),實現(xiàn)遠程互動溝通,提高身體安全保障和就醫(yī)效率。

4 結束語

針對戶外登山運動員進行遠程生命體征監(jiān)測系統(tǒng)的設計研究,基于用戶角度,提出了遠程監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)護系統(tǒng)模型,搭建遠程監(jiān)護平臺,給戶外登山運動員提供更加舒適、安全的登山運動體驗。采用多學科交叉的研究設計方法,涉及服裝設計、運動醫(yī)學、通訊工程、材料等專業(yè),為遠程生命體征監(jiān)測系統(tǒng)的構建提供全方位的學科基礎支持,可為構建遠程戶外運動智能監(jiān)測系統(tǒng)提供參考,也為個性化登山服設計研究提供借鑒,進一步推進可穿戴產(chǎn)品的發(fā)展。