（服装设计与工程专业论文）心率测试衣的设计及心率与部分人体参数关系的研究[服装设计与工程专业优秀论文].pdf

浙江理工大学硕士学位论文 本文完成了心率测试衣的设计与制作。由心率测试衣和p o l a r 心率表采集心率数据， 探讨了心率与部分人体参数的关系，为后续生理测试类智能服装提供数据支持和参考依据。 关键词：智能服装p v d f 传感器心率人体参数多元逐步回归曲线拟合 浙江理t 大学硕士学位论文 t h e d e s i g no f h e a r tr a t ec l o t h i n gp r o t o t y p ea n dr e s e a r c ho nt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h eh e a r tr a t ea n dp a r to ft h et h eh u m a np a r a m e t e r s a b s t r a c t w i t ht h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya d v a n c e s ，t h eg a r m e n ti n d u s t r yt o w a r dm u l t i f u n c t i o n a la n d i n t e l l i g e n td i r e c t i o n , s m a r tc l o t h i n gh a sg r a d u a l l yb e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i ci ng a r m e n t i n d u s t r y h e a r tr a t ea sa l li m p o r t a n tv i t a ls i g n s ，c o n t a i ni m p o r t a n ti n f o r m a t i o no nh u m a nl i f e f o ra c o s t u m eo faf o r mo fh e a r tr a t et e s t i n gc l o t h i n g , t oc o l l e c tv i t a ls i g n ss i g n a lt oc a r r yo u t d a y - t o d a yh e a r tr a t et e s t i n g ，s t o r a g e ，a l a r m s ，r e a l - t i m et e s tm o n i t o r i n ga n d o t h e rf u n c t i o n s h e a r tr a t ei st h ed i s t r i b u t i o no fac e r t a i nl a w , ad i f f e r e n tc r o w dt h e r ew e r es i g n i f i c a n t i n d i v i d u a ld i f f e r e n c e s f u r t h e rt ot h eh u m a nh e a r tr a t ea n dt h ep a r a m e t e r so ft h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nr e s e a r c h , s u c hh e a r tr a t e t e s tf i t n e s sa p p a r e ld e s i g n ，p r o c e s sc o n t r o la n de l e c t r o n i c p r e c i s i o ng u i d a n c eh a v et oi m p r o v es u c he l e c t r o n i cs m a r tc l o t h i n gd e s i g na sa w h o l e t h e p a p e r sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，o nt h eb a s i so ft h er e l e v a n tl i t e r a t u r ea th o m ea n da b r o a d ，m a i n l yo ne l e c t r o n i cs m a r t c l o t h i n g ，嬲w e l l 嬲p h y s i c a lm e a s u r e m e n to f s m a r tc l o t h i n gr e s e a r c hb a c k g r o u n d ，r e s e a r c ho nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh e a r tr a t ea n dt h ep a r a m e t e r sa n de x p e r i m e n t a lm e t h o d sh a v ed o n ea f a i r l yd e t a i l e d a n dd e s c r i b e dt h ei s s u eo f t h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h es t u d y ，t h ep a p e rl i s t s t h eo r g a n i z a t i o na n ds t r u c t u r e s e c o n d ，d e s i g n , p r o d u c t i o no ft h eh e a r tr a t et e s t i n gc l o t h i n g t h ee l e c t r o n i cd e s i g nc h o s e n p v d fs e n s o ra n dc o n t r o la d u c 812 c h i p s ，t h ed e s i g no fp o w e rs u p p l ym o d u l e ，m e a s u r i n gb o d yt o d e a lw i m a g e n c i e sa n di n s t i t u t i o n so fh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nd e s i g nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n c o s t u m ed e s i g nc o m p l e t e dp a r to ft h ef a b r i ca n dc l o t h i n gs t y l e s ，f m a lc o m p l e t e dh e a r t r a t ec l o t h e sp r o t o t y p ea n dh e a r tr a t es i g n a l st e s t i n g t h i r d ，c o m p a r et h et w oh e a r tr a t ec l o t h i n g t h et w oh e a i tr a t ec l o t h i n gc o l l e c t e dr e p e a t t e s td a t a , a n a l y s i si ft h et w oh e a r tr a t eo w nc l o t h e st e s ta r e t h es a m e a tt h es a m et i m e ，t h e i n t r o d u c t i o no ff i n l a n dp o l a rw h i c hf a b r i cu s e da sa ne l e c t r o d es e n s o r s t h r o u g hd a t aa n a l y s i s ， p o l a ra n dh e a r tr a t ec a nb eu s e d 弱at o o lt oc a r r yo u tf u r t h e rs t u d yt h a tt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h eh e a r tr a t ea n dp a r to ft h eh u m a na n dt h ep a r a m e t e r s f i n a l l y ，e x p l o r et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n h e a r tr a t ea n dt h eh u m a nb o d yp a r a m e t e r s i t h i 浙江理工大学硕士学位论文 s e l e c t e da g e ，g e n d e r , b o d ym a s si n d e x ，b o d yt y p ea sap a r a m e t e rf o rs t u d i e s t h eh e a r tr a t eg e t e d b yh e a r tr a t ec l o t h i n ga n dp o l a r t h eu s e o f m u l t i p l er e g r e s s i o na n a l y s i st oe x p l o r et h eh u m a n h e a r tr a t ea n dt h ea b o v ep a r a m e t e r s t h er e s u l t sf r o m1 r 1 1 1 1f a c t o rf o rt h ef b r t h e rs t u d yi st h e s i g n i f i c a n c ett e s t , a sw e l la sc u r v e e s t i m a t i o nb e t w e e nt h eh e a r tr a t e a n dh u m a nt y p e ，a sw e l la s t h o r a c o l u m b a rp o o r i nt h i sp a p e r , i tc o m p l e t e dt h ed e s i g no ft w os e t so fh e a r tr a t et e s t i n gc l o t h i n g h e a r tr a t e c l o t h i n ga n dp o l a rc o l l e c t e dh e a r tr a t ed a t a , t oe x p l o r et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n h e 卸r tr a t ea n d s o m eo ft h ep a r a m e t e r si nh u m a nb o d y , f o rab a s e m e n to ft h eh e a r tr a t es m a r tc l o t h i n g d e s i g n k e yw o r d s ：s m a r tc l o t h i n g ，p v d fs e n s o r , p a r a m e t e r so ft h eh u m a n , h e a r tr a t e ，s t e p w i s e r e g r e s s i o n ，c u r v ee s t i m a t i o n l v 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 日翥笋器等辜警鼎掣日期：护i ；年；月l ，日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密e l，在 不保密r 。 学位论文作者签名： 圣- 】剜列 日期：叫年多月f 日l ， ， 年解密后使用本版权书。 指导教师签名 日期：2 即罗 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 电子科技和纺织服装的不断进步，服装向着多功能化和智能化方向发展，智能服装 的出现，使得服装逐步进入智能服装时代。智能服装目前已经逐步成为服装领域的研究 热点。 心脏是人体的动力泵，主要生理功能是维持全身的血液循环。心率是血液循环机能 的重要生理指标之一1 1 。心率作为重要生命体征，包含重要的人体生命信息。而对于一 种可采集心率信号的装置，能够以服装的形态呈现，由智能服装来采集生命体征信号， 储存，报警，甚至将上述资料传送给远方的监测者、对老人小孩等特殊群体具有重要的 意义。 人的心率分布是有一定规律的，但是心率受诸多因素的综合影响，个体之间的心率 又是有显著差别的1 2 1 。心率，血压，呼吸等心理机能，涉及服装生理属性，是服装人体 测量所关注的人体参量。探讨心率和人体参数的关系，可为服装的数据参量服务，提供 数据支持。尤其是对生理测试类服装，对电子的程控设计，服装的合体性均有参考意义。 本章从智能服装的总体概况出发，综述当前国内外在智能服装方面的研究动态，尤 其是对电子智能服装的研发以及应用现状进行分析。然后，分析了影响心率的相关人体 参数的研究现状和实验方法。由此在宏观上确定课题的主要目标，在策略上制定课题研 究各方面的技术路线和实验方法。 1 2 研究背景和现状 1 2 1 智能服装概述 智能服装是指一类贯穿纺织、电子、化学、生物、医学等多学科综合开发的具有高 智能化的服装，具有感知和反应双重功能1 3 1 。进入2 1 世纪以来，智能服装已经成为国际 纺织服装品市场的一个竞争点，同时也是纺织服装行业经济效益的新增长点。智能服装 可分为电子智能服装和智能纤维类智能服装1 5 1 。 l 211 智能服装的智能特征 如上所述，智能服装是融合了高科技的产物，具体的说，智能服装主要有如下几个 智能特征1 3 j 1 4 j ： 1 传感功能。能够感知外部或内部的环境条件，如应力，应变，震动，热，光，电， 磁，化学等的强度及其变化。 2 反馈功能。可通过内部的传感系统，对系统的输入与输出信息进行对比，并将对比结 l 浙江理工人学硕士学位论文 果反馈给驱动系统。 3 响应功能。能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采 取必要的响应措施 4 自诊断功能。能通过分析比较系统目前的状况与以前的情况，对系统内部因环境 变化出现的问题进行自我诊断。 5 自修复功能。根据自我诊断，通过原位复合，自生长等修复环节，来修补某些局部 损伤或破坏。 6 自调节功能。对不断变化的外部环境条件，能及时地自动调整自身结构和功能， 并相应地改变自身的状态，从而使信息系统始终以一种最优方式对外界变化做出响应。 目前的智能服装未必皆备上述所有功能，但是具备越多的智能特征，越能满足更多 的功能需要和个性化需求。 1 2 1 2 智能服装的技术路线 近几年来，国内外许多研究机构开始致力于智能服装的研发，从世界上已有的和正 在开发的智能服装来看，服装的智能化一般是通过以下几种方法来实现【5 l ： a ) 将普通服装与外加元件相结合，制成智能服装。这些外加元件包括电子元件、高 技术传感器、监测器、报警器等； b ) 将具有感知和反应功能的智能纤维与普通纤维交织或将智能纤维编入普通纤维 织物中，用这种含有智能纤维的面料做成智能服装： e ) 对普通纤维进行改性，使之具有智能纤维的性能，再以此种面料做成服装； d ) 将某些特殊物质用染整加工的方法结合到织物上，使普通织物具有智能特性，再 做成服装。 简言之，智能服装可通过引入电子技术和智能纤维材料两种方式实现，甚至是两种 方式的联合。智能的引入增加了特定服装的特殊功能需求，另外，也满足了部分人追求 服装新颖，个性化的需求，甚至满足部分着装者适应自然环境的能力。 1 2 2 电子智能服装的技术应用现状 目前开发的智能服装大部分为电子智能服装，电子智能服装是智能服装的重要组成 部分。它将微电子、信息、计算机等技术融合到服装或纺织品中，通常包含传感器、驱 动单元和控制单元三部分，能按照预先的设定采集信号，并对信号做出处理及反馈1 3 1 。 电子智能服装的技术应用主要是两方面，电子技术的应用和智能纤维技术在电子智 能服装中的应用。 2 浙江理工大学硕+ 学位论文 1 2 2 1 电子技术及应用 电子技术在纺织服装行业的应用，大大满足了服装智能化以及个性化的需求。目前 开发出来的电子智能服装运用的电子技术大致可划分如下： ( 1 ) 轻巧电器结合技术：将现有轻薄短小电器与服装结合。目前此类服装一般多满足 个性化需求。 ( 2 ) 微机电系统开发技术：利用微细小无线组件或感测组件，隐藏或融入织物技术， 如微感测测量无线信号传输技术，具有脉搏测量的g p s 定位系统。 ( 3 ) 电子智能服装纺织品动态舒适性分析：人体一纺织品一机器的接口分析与融合，透 过温湿控技术及其他技术等，使电子服装织物有如第二层皮肤。 ( 4 ) 电子运动服生理测量与防护系统：建立耐水洗，防汗防压技术与无线网络体能特 征分析技术，如心跳测量保健衣、运动员体能服。 ( 5 ) 电子服装恶劣环境防护系统：建立耐压力、耐磨耗等技术，如特种人员生命显示 与防护、极地探险用太阳能外套与温控，紧急救援的无线联络等。 目前的电子智能服装功能多样化，其功能可以具备以上几个技术的综合，功能强大， 应用领域广。 1 2 2 2 智能纤维技术及应用 在纺织服装中加入电子产品目i j i 正迅速的发展，但是大部分电子产品的外表都有硬 壳保护，降低了携带的便利性和穿着的舒适性。一方面，力求使电子产品不断微小化， 在服装中加入电子设备的可能性不断提升。另一方面，目前已经可以利用织造的方式， 比如把具有传导性的光纤与一般纤维交织，变成具有感应装置的布料。将智能纤维结合 运用到电子智能服装，改善穿着的舒适性。以下是目前发展电子智能服装智能纤维的技 术及其应用【4 1 。 ( 1 ) 电池纤维：依据英国新科学家杂志报导，德国斯图加特大学设计出可用太阳能 发电的导电纤维，这种电池纤维可承受紫外线以及1 0 0 摄氏度的温度照射，并且可在洗 衣机中洗涤。 ( 2 ) 感测线：以杜邦公司的e l e c t r ot e x t i l e 纤维丝为例，是以一般纤维和金属丝 复合而成。并凭借纺织成形再与半导体和电池相连结而发挥多种功能。 ( 3 ) 意大利形状记忆合金纤维：是使用镍钛记忆合金纤维和尼龙混织而成凭借记 忆合金的形状定温度恢复机能。甚至可用体温来熨平织物。 ( 4 ) 美国p o l a r t e c 电热毯：g o r i x 织物，不锈钢纤维为导热材，当通入适量电能后， 3 浙江理工大学硕+ 学位论文 即产生温热保暖效果【6 1 其有一个重要的技术性关键，即是经向和纬向纱支数存有1 0 的差异，因此电流通过的不同方向将会有不同的加热行为。 ( 5 ) 光纤织物显示器：法国的f r a n c et e l e c o m 公司已经开发出一种可整合在衣服 上的软式显示器，由法国h u b r n 大学采用一种自行研发的特殊光纤作为智能衣的纤维基 材。这种特殊光纤也成为这套智能衣的核心技术f 7 j 。 通过上述这些方式，结合电子技术，应用各式各样的智能纤维，可做到尽量不破坏 服装的风格也不破坏织物的手感，还能够承受水洗、干洗、以及穿着时的磨损。此类 技术的运用是进一步完善电子智能服装发展的一个重要导向。 1 2 3 国内外研究现状和例子 电子智能服装的研究开发始于上世纪六七十年代，最初主要是将一些电子元件安装 到纺织品上，纺织品仅是电缆和连接器的载体，主要应用在医疗、军事和航空等重要的 检测领域，由于当时技术水平有限，其发展十分缓慢，产品体积庞大且功能单一【4 1 1 5 1 。 目前，电子智能服装作为新出现的高科技产品，被世界各国所重视。发达国家纷纷投入 大量人力、物力进行重点研究，致力于电子信息智能纺织品的研发，开发智能纤维和电 子智能服装，抢占该类产品的国际市场。美国、日本和欧洲一些国家在这方面的研究己 处于领先地位。国外的电子智能服装层出不穷，有部分产品获得专利并在部分领域得到 应用。国内在电子智能服装的研究方面起步晚，目前处于起步阶段。 以下的例子体现了目前电子智能服装的技术应用和发展，主要阐述生理测试类电子 智能服装。 ( 一) 国外研究现状： 1 9 9 6 年，g e o r g i ai n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y 的d r e r i cj l i n d 教授等人以及 m i s s i o nr e s e a r c hc o r p o r a t i o n 研究中心的d r s u n d a r e s a nj a y a r a m a n 合作，进行了第 件可穿戴式模型的( t h eg e o r g i at e c hw e a r a b l em o t h e rb o a r d ，g t w m ) 研究。于0 7 年 发表了as e n s a t el i n e rf o rp e r s o n n e lm o n i t o r i n ga p p l i c a t i o n s 1 8 1 ，其研究内容 主要是建立了一个传感里衬( s e n s a t el i n e r ) 模型，由一层光纤纤维，导电纤维和普 通纺织纤维编织而成的面料组成。可将处理器，电子元件和生理传感器直接连接到传感 里衬( s e n s a t el i n e r ) 上。这个模型主要是用作军事作战服装如图1 1 ，通过光纤传导 路径的破坏来反馈子弹击穿位置。 4 浙江理工大学硕士学位论文 吲1 1g t 删智能衬衣 随后，将其应用到医疗保健方面。主要是在服装的设讣上做了改进，在服装的前面 及后面加上了搭扣及拉链，达到盅好的贴身感测效果。 2 0 0 2 年，美国v i v om e t r i c s 的f r a n kh w i l h e l m ，p h d 发表的t h el i f es h i r t ： a na d v a n c e ds y s t e mf o ra m b u l a t o r ym e a s u r e m e n to fr e s p i r a t o r ya n d c a r d i a c f u n c t i o n 9 1 o i - - 文中研发的l i f es h i r tg a r m e n t ，利用嵌入式传感器( i ps e n s o r ) 及使用运算法则及软件柬分析二卜多种生理参数和信号。用柬监测心肺生理信号变化的 i p 传感器安装在牛命衫内，牛命衫的材料为可手沈的高弹性面料。传感器一个是缝在前 胸肋骨( r i b c a g e 或是r c ) 的部位，另一个则缝在胸腹部( a b d o m e n 或是a b ) 之问。所有 估感器和l 乜板由安全性高的连接器及配线网络连接到一台小型接 1 上，直接捅在p c 输入 端r ：i 上，得到的数据整合到生理信号数据库内，由一张记忆仁提供大量的数据储存。将 采集到的最原始的信号波形通过一个带通数字滤波器，过滤呼吸过程的信号以及e c g 侦 测的噪声，获得准确的心电图波形。该项成果获得1 4 项专利，已经正式投入使用。该项 目的穿戴实验以及电子分析系统如图i 2 吲12l i f es h i r t 实际 体穿戴实验，i b 子分析系统 芬兰k a n k a a p a 实验室的r a n t a n e nj 教授在2 0 0 2 年发表的s m a r tc l o t h i n gf o rt h e a r c t i ce n v i r o n m e n t 1 中阐述了其在2 0 0 0 年由芬兰技术开发中心资助研究的项目成 5 浙江理工大学硕士学位论文 果适用于北极的智能服装。此类服装注重电子以及服装的整体设计，主要是帮助人 抵御恶劣的环境。通过植入服装内的传感器监测穿着者的情况和所在位置。其主要的服 装设计处理细节为：电子元件不缝八雪地服面层，而在雪地服的面层和里层之间央一层 可脱卸的支撑构件，将电子元件分成几部分安装于支撑件上。雪地服中还附加一蝗非电 装置，以增加服装的功能。并保持原有服装的外观、可穿着性和舒适性。 图14 比萨大学的穿戴式生理智能服装 而2 0 0 5 年意大利b o u r d o n ，1 在 f i r s t 6 图15t h oe c gs h i r t r e s u l t sw i t ht h ew e a l t h yg a r m e n t 浙江理t 大学顼f 学位论文 e l e c t r o ca r d i o g r n mm o n i t o r i n gs y s t e m 详细阐述了其研究成果w e a l t h y 智慧衣i l “。 凌项研究在感测饴感器上以及电子设计的研究卜均得到进一步发展。采用的感测传培器 为织物形态，生理信号的采集使用压m 式纱线所织成的应变式织物传感器以及采用混以 金属丝的纱线所制成的织物电极。各种信号经绝缘的可导电配线传输到数据处理器p p u ( p o r t a b l e p a t i e n tu n i t , 可携带式电子装置) 。p p u 含有类比信号滤波器。数据处理器，g p r s 传输装置，承担过滤噪声，数字信号分析和g p r s 的通信功能并设有l e d 灯和小喇叭 提供必要的警示。备种数据从p p u 实时传输到w e a l t h y 中央监测系统。w e a l t h y 中央监 测系统是一种s w 型模块，将p p o 所聚集的数据编译成简单化，图形化的形态输出， 且报据监测系统的数据图表自动产生报警。 比利时e a s t - - m i c a sd e p a r t m e n t 实验室科研人员j o h a nc o o s e m a s 在2 0 0 6 年发表 的i n t e g r a t i n gw i r e l e s se c gm o n i t o r i n gi nt e x t i l e s 中，设计了一种测试儿童 心电罔和呼吸速率的无线监测服装”如图1 6 ，可以连续长期的监测儿蕈的生理状况。 传感器通过不锈钢丝编织而成，整个智能结构包括了织物传感器，存储器，数据处理器 和传输电路，以及报警器等，主要测最两项牛理参数心屯图和呼吸速率。由织物传感器测 定生理数据并保存到一个微型处理器中，在单片机上取回和分析。衣服中的电蹄系统被 霉于四个微型接线板上，篇一个接线板接入读出电路，第_ 个接线板上包含呼吸读出电 路，第二个上包含数据处理和存储部件，第螋个接入无线连接电路，微型线路板被密封后 作为按扭连接到衣服上，从而不妨碍穿着。 剖1 6 儿常无线心辛l 表 综h 所述，国外的研究较早，无论在电子技术上，以及织物传感器等智能纤维的研 究上都得到了一定的成果。 ( 二) 电子智能服装的国内研究现状： 困内对于这方面的专业研究相对比较晚，目前正处于起步阶段，有关的研究单位和 7 浙江理_ 丁大学硕士学位论文 研究报道有： 解放军总医院生物医学工程研究室，张政波，俞梦孙等人于航天医学与医学工程 2 0 0 8 年2 月2 1 卷1 期学术论著上发表了穿戴式、多参数协同监测系统设计 1 7 1 。 该研究将生命信息检测技术与可穿戴技术相结合，在弹性背心中嵌入各类传感器，以实 现生理信号检测【1 8 】1 1 9 11 2 0 l 。该研究主要针对航空航天、军事医学这些高端专业领域。 由东华大学数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，博士生导师丁永生，博士研 究生吴怡之，以及硕士研究生陈环于0 8 年发表了面向智能服装健康监护系统的心电信 号基线漂移处理，这个项目为国家教育部科技创新工程重大项目培育资金资助项目， 上海市国际科技合作基金资助项目。作者的研究领域涉及嵌入式系统，生物医学工程， 智能系统，数字化纺织服装技术【2 1 1 。主要内容为：针对面向智能服装的健康监护系统心 电信号存在严重的基线漂移，提出了基于基线漂移阈值的分级处理方法。 另有东华大学硕士研究生石金兰和任立红同学发表的基于嵌入服装式心电监测的 亚健康智能评估系统设计了一种基于嵌入服装式心电监测的亚健康智能评估系统1 2 舶。 通过提取心电信号的特征参数，结合疲劳量表的测评结果，利用支持向量机对样本进行 了亚健康评估分类。对2 4 位在读研究生的实验结果表明，亚健康智能评估系统效果良好， 实现了从主观量表评价到生理参数评估的过渡，对干预防调治亚健康有着积极的意义。 天津工业大学姜亚明教授和硕士研究生窦明池于2 0 0 7 年1 月发表的心脏脉冲信号 采集用纬编智能织物的研究中，自行设计了心脏脉冲信号采集系统，研究各种针织物 拉伸性能和对人体压力的模拟测试，并研究各种伸长和张力下的心脏跳动输出电压f 2 3 i 。 1 2 4 可穿戴式模型 可穿戴模型是电子智能服装的基本技术模型1 2 4 i ，如图1 7 。具有舒适性功能的织物( 含 机织布，针织布，及梭织布等) 提供了可穿戴式模型的整个工作平台。这些织物是使用传 统的纺织纤维来织造的p e t 棉，混纺等弹性纤维材料。这些所选用的纤维是依据欲达到 的服装功能来选择的，再运用内部隐藏式配线技术。该可穿戴模型可以插入传感器，并 针对各种生理信号进行监测。如心跳率，呼吸率，心电图，体温等。这些传感器可以置 于身体上任何想要测量的位置点上，直接插入到弹性智能衬衫内。一般数据的传输是从 穿戴式服装的传感器到多任务处理器( 或称之为控制器) ，此控制器依序处理这些信号且 以无线方式传输( 配合适当的通信协议) 到预定的位置接收( 医院或是战场上的计算机工 作站) 【1 6 1 【2 s 1 。 8 浙江理1 人学硕t 学位论文 酗1 7 可穿藏服装基本模塑 该类可穿戴模型是一个整合了多功能模块的系统，可携带式模块的主要功能有感 测，数据采集及整理，数据处理及分析，以及数据传输。 感测传感器分织物和非织物形态，如上典型例子所述，目前国外现有的测试生理类 织物传感器采用较多的是压电电阻织物传感器。如意大利w e a l t h y 智慧衣的柔性织物传 感器”2 1 是由压阻式纱线所织成的应变式织物传感器，其构成主要是在弹性织物上涂布碳 质橡胶，同时与种电导性纱线交织而成，此织物的物理特性如同应变传感器一般，并 且经由机械外力的刺激后，能展现出压阻材料的性质。可以适用于水溶液下的环境，且 能重复地水洗，在经过水洗测试之后，所探测到的生理信号依然完整，已经证明了织物 传感器的效能不会受到水洗过程的影响。本课题引入测量的芬兰p o l a r 心率表，也采用 织物形态的传感器。将在第二章介绍。 可携带式模块的信号传输方式大多采用无线传输，信号传输模块起初采用即射频 模块，利用载波来传送信号，更为成熟的利用蓝牙技术，进一步提升了稳定度和t f 确性。 同时，建立此类电子智能服装无线网络系统( t a n ：t e x t i l ea r e an e t w o r k s ) 为国外 现阶段的发展需求。 可穿戴模型是电子智能服装的基本技术模型。在纺织品中加入电子产品目前还在迅 速的发展，一方而使电子产品不断微小化。另一研究重点则是利用织造的方式，把具有 传导性的材料与一般纤维交织，变成具有感应装置的布料，研究传感功能和电子特性。 鉴于国内尚处于起步阶段。从电子智能服装的理论研究到实践，是个循序渐进的过 程，目前的工作只能是从电子与服装的结合着手，以服装的平台提供心率测量方式，设 计可穿着的心率测试衣。为后续进一步的深入研究奠定实验基础。 1 2 5 存在的问题 尽管目前电子智能服装的应用研究己经取得了一些成果，尤其是国外有较多的产品 9 浙江理_ t 大学硕士学位论文 出现。但并未获得大规模产业化的进展原因主要还有以下几点： 1 穿着舒适性。为了实现智能功能，电子智能服装中不可避免要用到一些电子元件， 这会影响服装的穿着舒适性。如何将各种电子元件做成柔性体，将智能纤维与电子技术 有机结合，需要进一步深入研究。 2 可洗涤性。目前开发的电子智能服装由于电子元件和布线等因素，有些电路系统 比较复杂，大部分还是存在不方便洗涤的情况。 3 功能的耐久性。电子智能服装中的智能功能，穿着者在使用初期测试效果比较明 显，但经过一段时间使用后，功能可能明显下降。同时穿着者在运动时出汗将弄湿电子 元件，也会影响其功能。 4 安全性。电子元件在运行过程中会产生辐射，成为人们接受电子智能服装的心理 障碍。也就需要更多的安全检验，来消除消费者的心理障碍。 5 价格及规模化生产。目前的电子智能服装的费用昂贵，除了医疗，军事及航空等 少数领域，电子智能服装要走进普通消费者，必须通过规模化生产来降低价格。这就需 要不断采用新材料，新工艺，可以批量生产，智能服装才可以作为普通消费品。 1 2 6 心率的影响因素研究 本课题在电子智能服装各个主要技术路线和国内外典型的研究成果的基础上，设计 了心率测试服装。而心率作为人体一项心理机能，同时也是服装人体测量所关注的人体 参量，对心率和人体参数关系的研究是本课题进一步研究的内容。 关于心率各种相关研究，多见于医学研究领域，疾病保健控制，体育健身领域。一 般公认心率受性别，年龄，运动，体温，心理因素的影响。关于纯粹的心率影响因素的 研究较少，被引用的较多的有国人动态心电图正常生理范围1 0 0 0 例调查研究，中 国健康人群的j 下常心率范围的调查 2 6 1 。研究方法是对健康者采用进口动态心电图仪 ( d c g ) 和国产d c g 联合调查检查，统计了最快心率，最慢心率、平均心率主要是针对不 同年龄分布的各种心率调查。本人查阅心血管方面的研究报道，如高血压的相关因素 等，找出尽可能相关的影响因素和类似的研究方法，并根据现有的试验条件来确定课题 采用的实验方法，和数学研究方法。 复旦大学附属中山医院心内科，上海市心血管病研究所潘文志等人发表了不同年 龄和性别的正常人心率分布的初步观察1 2 7 1 ，探讨正常人的心脏变时能力与年龄、性别 的关系，并为频率适应性起搏器的程控提供依据。实验方法是通过常规h o l t e r 收集数据， 对不同年龄和性别的1 0 9 例正常人日常活动下的2 4 d x 时的平均心率、最大窦性心率和高 1 0 浙江理工大学硕： ：学位论文 频心率分布进行比较。分成青年，中年，老年三组，组间两两比较采用s c h e f e 法和 w i l c o x o n t 乍参数的方法比较。采用s t a t a 7 0 软件进行统计分析。 王建芬等人在大学生心脏收缩时间间期的性别差异及与心率的相关分析中1 2 羽， 采用的实验方法为微机自动检测，测试冉 休息2 0 分钟，抽取1 8 至u 2 1 岁的大学生，测定了 9 5 名大学生心脏收缩时间问期s t i ，井由s p s s 软件进行了s t i 与心率的相关回归分析。 目前，对高血压相关影响因素的研究比较多，如中国成年人体质指数与血压关系 的探讨i 捌利用1 9 9 2 年全国营养调查中的体格测量资料，选取2 0 岁以上的成人作为 研究，探讨我国成人体质指数的分布状况与血压的关系，旨在确定我国居民的适宜b m i 参考值提供一定的参考资料。结果表明，我国成人体质指数的分布存在明显的年龄、性 别和城乡差异；血压的平均收缩压和平均舒张压均随着b m i 的增加呈逐渐上升的趋势， 多元线性回归分析显示b m i 对血压值存在明显的线性关系；控制年龄、性别城乡等混杂 因素后l o g i s t i c 回归分析显示体质指数对高血压发生的相对危险度随着b m i 值的增 加大幅度升高。 另外有北京大学深圳医院营养科主任，副主任医师，硕导卞舒坏在深圳市中高层 职业人群腰臀比值、体质指数与高血压危险因素的相关性研究中嗍对2 0 0 4 年9 月 2 0 0 5 年8 月深圳市企事业单位中高层职业人群15 1 5 例健康体检者进行身高、体重、 腰围、臀围、血压、血脂等检测，并按腰臀比值、体质指数进行分层分析各组与肥胖、 高脂血症、高血压等危险因素的相关性及流行病学特征。将腰臀比e i r 和人体指数b m i 作为自变量，采用s p s s 软件b i b a r i a t e 二元变量的相关分析进行数据分析。组间差异 分别采用单因素分析和t 检验。得到结论：腰臀比值与体质指数都可作为高血压的危险 预测因素，腰臀比值和体质指数两者交互作用可明显提高高血压风险预测的特异性和敏 感性。 鉴于以上的研究，可以间接地作为对本课题对心率测试实验设计和数据处理的指 导和依据，在制定实验方案，选取人体参数，数据处理方法上作为借鉴。 1 3 研究目的和意义 本课题是在国内外电子智能服装研究的理论基础上，探索可穿着的日常心率测试 衣。并在此基础上，进一步探讨心率和人体参数的关系，为服装的数据参量服务，提供 数据支持。尤其是为生理测试类服装的电子程控设计，和服装的合体性提供依据。 ( 1 ) 对电子智能服装的初步实践研究。尽管电子智能服装在国外已经取得很大的 成果，但国内尚处于起步阶段，在理论的基础上，进行初步的探索与实践研究。可为后 l l 浙江理工大学硕士学位论文 续完善此类电子服装奠定实践基础。 ( 2 ) 探索可穿着的心率测试服装。心率包含重要的人体生命信息，是重要的体能 特征，对心率的测试可对人体状况的分析，疾病的预防和保健起到重要的作用。所以选 择心率测试服装进行研究。 ( 3 ) 为生理测试类智能服装的电子程控设计和服装的合体性提供依据。探讨心率与 性别，年龄，体质指数b m i ，体型的关系，可为服装的数据参量服务，提供数据支持。 尤其是对生理测试类服装的电子程控设计，和服装的合体性提供依据。 1 4 研究内容概述 基于国内外的研究背景下，有针对性进行了心率测试衣电子部分的硬件设计和软件 设计，选取有暗袋设计，高弹性，舒适性的面料制成的弹性紧身衣作为结合体。整合完 成两套心率测试衣，并通过心跳信号采集测试。接着用两套心率测试衣采集心率样本， 对比由此采集的两组数据是否存在显著差异。并对引入的p o l a r 心率表也进行数据对比 测试。最后由心率测试衣和p o l a r 心率表，采集了1 3 3 个人体的安静心率数据样本。对 样本的人体参数分布和心率分布进行了分析，运用多元逐步回归的分析方法求心率与性 别，年龄，体质指数以及体型的回归方程。并且进一步对回归因子和心率进行分析，主 要运用了t 检验和曲线拟合的方法。 1 4 1 主要工作 ( 1 ) 完成心率测试衣的设计与制作。包括电子设计部分和服装设计部分以及服装整 合后的信号测试。电子设计部分确定了传感器和主控芯片等电子元件，对供电模块、测 量机构、处理机构和人机交互机构四部分进行电路设计，软件设计和印刷电路板的设计。 服装设计部分包括弹性紧身衣的面料选择和服装男女款式设计。设计并制作完成了两件 心率测试衣。 ( 2 ) 设计两件心率测试衣的心率测试对比实验。进行了由两件心率测试衣采集3 0 个样本的心率测试实验，对比两件心率测试衣所测试数据的显著性差异。同时，引入织 物电极作为感测传感器的芬兰p o l a r 心率表，由p o l a rr s 4 0 0 采集了3 0 个样本时隔一 小时的心率数据，分析前后两组数据的显著性差异。 ( 3 ) 探讨心率与部分人体参数的关系。选取了年龄，性别，体质指数，体型作为人 体参数研究。用心率测试衣和p o l a r 心率表作为测试工具，采集了1 3 3 个样本的安静心 率并获取对应的人体参数。首先分析两种测试方法所测得的心率数据的分布和相关关 系。接着运用多元逐步回归分析方法，探讨心率和上述人体参数的回归方程。再进一步 1 2 浙江理丁大学硕士学位论文 按回归因子分类进行显著性检验，对心率与体型及胸腰差进行曲线拟合。 1 4 2 章节安排 本文的主要内容分成五章。 第一章：绪论。主要介绍了本课题的研究背景和国内外现状，目的和意义以及研 究内容。主要对电子智能服装做了比较详细的阐述，并且对心率的影响因素，实验方法， 数据处理方法做了研究。最后列出了论文的组织和结构，章节安排。 第二章心率测试衣的设计与制作。主要给出心率测试衣的电子设计部分，包括电 子的硬件设计和软件设计，确定采用p v d f 压电传感器为微传感器采集信号，采用 a d u c 8 1 2 为主控芯片。详细给出供电模块、测量机构、处理机构和人机交互机构四部分 的电路设计，以及印刷电路板的p c b 图。然后选择心率测试衣的面料和给出面料结构参 数，设计男式和女式款式设计图，最后进行服装整合和信号测试 第三章心率测试衣的测试数据对比研究。设计两件心率测试衣的对比分析实验。 对所采集的数据进行描述统计分析，重复试验二元方差分析。同时引入芬兰p o l a r 心率 表，设计另外一组对比实验，也采用s p s s 软件重复实验二元方差分析的方法。两组实 验的数据不存在显著差异。可作为测试工具进行后续的心率测试研究。 第四章心率与部分人体参数关系研究。选取了性别，年龄，体质指数，体型这几 项人体参数作为心率的