無(wú)源無(wú)線(xiàn)全紡織可穿戴傳感器系統(tǒng)用于人體運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

移動(dòng)醫(yī)療（mHealth）為個(gè)性化、遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了可能。目前，越來(lái)越多的小型化移動(dòng)健康技術(shù)以便攜式、植入式和可穿戴設(shè)備的形式展現(xiàn)了傳感、捕獲、處理和傳輸各種生理參數(shù)以改善健康的能力。由于可穿戴設(shè)備在康復(fù)和物理治療、假肢控制、步態(tài)和長(zhǎng)期生理信號(hào)（如卡路里消耗、心臟和呼吸速率）分析等領(lǐng)域的重要意義，使用可穿戴設(shè)備跟蹤人體運(yùn)動(dòng)已經(jīng)獲得了高度關(guān)注。

可穿戴設(shè)備大致可分為三類(lèi)：（1）智能手表、腕帶、耳機(jī)、眼鏡等配件；（2）與身體直接接觸的表皮裝置（皮膚貼片、電子皮膚）、隱形眼鏡、牙齒貼片；（3）集成在服裝中的設(shè)備?；诩徔椘返目纱┐髟O(shè)備（即智能服裝）的優(yōu)點(diǎn)是其與身體的自然接觸以及定制形狀以適應(yīng)身體的能力。此外，與植入式設(shè)備相比，其侵入性小，并且基于紡織品的傳感平臺(tái)可以同時(shí)在多個(gè)不同的位置進(jìn)行傳感。這些功能使得基于紡織品的可穿戴設(shè)備比任何其他智能健康監(jiān)測(cè)設(shè)備更有可能在日常生活中使用。

目前，在紡織品中集成無(wú)線(xiàn)傳感平臺(tái)的努力方向主要包括兩類(lèi)：i）使用具有商用傳感器標(biāo)簽的通用無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議或ii）帶有電感-電容（LC）電路的定制傳感平臺(tái)，該傳感平臺(tái)依賴(lài)于諧振頻移進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。對(duì)于紡織品中集成的第一類(lèi)無(wú)線(xiàn)傳感平臺(tái)，其傳感器標(biāo)簽通常配備專(zhuān)用芯片，用于藍(lán)牙、近場(chǎng)通信（NFC）或射頻識(shí)別（RFID）通信。而紡織品中集成的第二類(lèi)無(wú)線(xiàn)傳感平臺(tái)通常采用電感耦合，以電感-電容諧振器作為傳感器實(shí)現(xiàn)無(wú)源信號(hào)讀?。礋o(wú)電池供電），從而避免了與剛性硅基組件的有線(xiàn)連接。這種基于電感-電容電路的傳感器只需要兩個(gè)組件，即電感器（L）和電容器（C），這使得它很容易以全紡織形式實(shí)現(xiàn)。

然而，雖然已有研究在可穿戴設(shè)備中使用了電感-電容傳感器電路，但是具有無(wú)線(xiàn)通信能力的全紡織傳感器在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用仍然很少。隨著電子紡織品（e-textiles/textronics）的出現(xiàn)，新的材料和技術(shù)有助于在單纖維、紗線(xiàn)（細(xì)絲）或織物的水平上賦予標(biāo)準(zhǔn)織物導(dǎo)電性。因此，制備的電子電路元件（例如電容器和電感器）可以使用相對(duì)容易獲得的傳統(tǒng)技術(shù)（如縫紉或刺繡）無(wú)縫集成到服裝上。

此外，采用具有內(nèi)在柔性和可拉伸性的材料和紡織品圖案可以進(jìn)一步確保在跟蹤從中度到快節(jié)奏事件（例如步行、跑步或爬樓梯）時(shí)所需的魯棒性。同時(shí)，對(duì)于無(wú)源電感-電容傳感器的無(wú)線(xiàn)傳感，外部讀取器必須靠近電感-電容傳感器的電感器。這些電感-電容傳感器的諧振頻移在以往的研究中通常是用連接到臺(tái)式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）或阻抗分析儀的耦合電感器記錄。這些讀取器不適合可穿戴設(shè)備應(yīng)用，因?yàn)樗鼈凅w積龐大（即使是小型化的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀），無(wú)法應(yīng)用到日常生活中。此外，小型化的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采樣率很低，需要在時(shí)間分辨率和掃描頻率范圍之間進(jìn)行權(quán)衡。因此，便攜性和采樣率方面的這些限制要求采用可替代的無(wú)線(xiàn)讀取方法，使其適用于利用紡織品進(jìn)行中度到快節(jié)奏運(yùn)動(dòng)的跟蹤。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，來(lái)自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zürich）的研究人員在Advanced Science期刊上發(fā)表了題為“Passive and Wireless All-Textile Wearable Sensor System”的論文，報(bào)告了一種可以跟蹤身體運(yùn)動(dòng)并無(wú)線(xiàn)傳輸運(yùn)動(dòng)相關(guān)信息的無(wú)線(xiàn)傳感可穿戴系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于智能服裝構(gòu)建，該智能服裝具有完全由紡織品元件制成的電感-電容傳感器電路以及定制的讀取器，可以通過(guò)電感耦合記錄傳感器的響應(yīng)。

圖1 利用智能服裝進(jìn)行運(yùn)動(dòng)跟蹤的無(wú)源無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)

該無(wú)源電感-電容紡織品傳感器由用導(dǎo)線(xiàn)縫制的電感器（LWS）和用可拉伸導(dǎo)電紡織品制成的平行板電容器（CWS）組成，二者通過(guò)導(dǎo)電紡織品相互連接，并通過(guò)電容響應(yīng)應(yīng)變，從而改變諧振頻率。

接著，研究人員制造了一個(gè)基于Colpitts振蕩器的重量輕、成本低的的頻率讀取器（fReader），該頻率讀取器可以在不影響舒適性的情況下放在使用者衣服口袋中，并且以一種便捷的方式無(wú)線(xiàn)讀取應(yīng)變引起的電容變化。與依賴(lài)于掃頻的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不同，頻率讀取器采用的電路策略很簡(jiǎn)單，其基于振蕩器的頻移進(jìn)行檢測(cè)。此外，該頻率讀取器還可以通過(guò)定制的應(yīng)用程序與智能手機(jī)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，以實(shí)時(shí)提供檢測(cè)信息。

圖2 頻率讀取器（fReader）無(wú)線(xiàn)讀取模塊

最后，作為概念驗(yàn)證，研究人員利用智能服裝通過(guò)測(cè)量應(yīng)變引起的電容變化來(lái)跟蹤各種身體運(yùn)動(dòng)。與便攜但尺寸較大的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相比，基于頻率讀取器的傳感方法可以用制造的紡織電感-電容傳感器提供更快的采樣率來(lái)跟蹤人體運(yùn)動(dòng)。

圖3 用智能服裝和頻率讀取器（fReader）在多個(gè)位置跟蹤人體的運(yùn)動(dòng)

總體來(lái)說(shuō)，該研究開(kāi)發(fā)的強(qiáng)大系統(tǒng)為新型無(wú)源可穿戴設(shè)備創(chuàng)造了無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)的可能性，特別是在采用替代技術(shù)變得不切實(shí)際的復(fù)雜情況下。推進(jìn)這種傳感模式的發(fā)展將為應(yīng)用型研究人員提供更多可能的工具，從而將可穿戴設(shè)備用于身體康復(fù)、運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)改善、傷害預(yù)防和健康等領(lǐng)域。

審核編輯：劉清