用于健康监测的智能纺织品传感器系统

涉及人的程序：

传感器——电极、导体通道和半导体通道——直接接触（与身体）或通过聚酰亚胺或硅橡胶的瞬态层间接接触。 放大器会将微伏信号提升到可以使用模数转换器精确数字化的范围。 随后，无线数据通信系统将发送和接收数字化数据，个人计算机（或其他相关设备）将存储和显示记录的数据。 用于测量生物阻抗的传感器将 30kHz 至 100kHz 的 1-5 mA (rms) 调制电流通过皮肤传递到受试者体内。 该系统将由 3.7 V 电池供电。 传感器系统将通过该系统获取电力。 将用于这项研究的传感器系统是：

1. 用于 ECG、ICG、TTI、EEG、EOG、EMG 测量的可重复使用的扁平金和纳米线（金或铂或钛）电极。
2. 涂有金属薄膜（金或银或铂或钛）电极的可重复使用的纳米纹理纺织品，用于 ECG、ICG、TTI、EEG、EOG、EMG 测量。
3. 可重复使用的心音传感器，放大器电路，用于心音测量。
4. 可重复使用的传感器，温度相关电阻电路，用于体温测量。
5. 可重复使用的传感器，应变相关电阻电路，用于测量呼吸努力。
6. 可重复使用的传感器，压电电路，用于血压测量。
7. 可重复使用的关于 x、y、z 轴的加速度和旋转检测传感器。 传感器，放大器电路，用于测量受试者的活动（体动记录仪）。
8. 可重复使用的光电传感器，放大器电路，用于血氧水平测量。
9. 可重复使用的传感器、压电和光电电路，用于脉率测量。
10. 可穿戴无线系统：紧凑型嵌入式系统和便携式电池，封装在坚固的硬橡胶盒中。

传感器将在聚酰亚胺 (KAPTON®) 和聚酯薄膜以及织物上制造，并且需要安装在受试者的皮肤上。 这将通过使用标准的手术防水胶带或由聚酯、尼龙、硅橡胶片和纺织物等材料制成的支架来实现。 在任何时候，这种聚酰亚胺或聚酯材料都是与测试对象皮肤接触的唯一成分。 传感器记录将从处于不同身体状态的测试对象获取：仰卧位、坐着和放松、站立和/或快走、进行中等强度的运动（不是心血管运动）。

1 设备特定协议： 1.1 使用干电极的 ECG 测量：

1. 舒适地坐在床上或椅子上
2. 在皮肤上标记电极位置。
3. 清洁皮肤后，用支架将电极放置到位。
4. 根据实验设计，测试对象可能会呈现上述身体状态（仰卧、坐着、站立、行走、适度运动）。
5. 典型的测试持续时间将持续 30 分钟至 1 小时。
6. 用于实时心电图测量的测试对象的电极位置如图 1 所示。电极 7、8、9 和 10 构成驱动右腿 Einthoven 增强导联系统。 电极 1 到 6 是胸导联，用作标准 12 电极系统的一部分。

图 1：用于实时 ECG 信号采集的电极放置图。 1.2 用干电极测量皮肤接触阻抗：

该程序将由经过培训的操作员执行。 步骤如下：

1. 受试者将被要求舒适地坐在床上或椅子上。
2. 电极位置将标记在手臂上。
3. 清洁皮肤后，借助牙套将电极放置到位。
4. 电极连接到电极阻抗计。
5. 阻抗读数将以最多 15 分钟的间隔（手动）制成表格。 实验持续时间为 60 至 90 分钟。

每隔一段时间，操作员会询问受试者手臂是否有任何刺痛感。 这将作为预防措施。 然而，阻抗计（在用）是测量皮肤-电极接触阻抗的专用设备。

1.3 呼吸传感器：呼吸传感器是用柔性基板（薄膜）上的器件电子器件制造的：聚酰亚胺 (KAPTON®)、硅橡胶、聚萘二甲酸乙二醇酯。 这些传感器将安装在弹性聚酯带或非弹性尼龙带上。 与皮肤直接接触的唯一材料是尼龙/聚酯带和硅胶或 KAPTON。 必须将带子戴在腹部周围，在吸气和呼气期间，直径的有效增加和减少分别最大。 所有通向传感器的电线都是市售的绝缘铜/镍电缆。

1.3.1 涉及测试对象的程序：

1. 如图 2 所示，受试者将在下腹部周围佩戴弹性/尼龙带。

   图 2：为实时呼吸努力信号采集安装呼吸传感器的策略

2. 受试者将被要求执行以下呼吸模式：

1.短而浅的呼吸。 2. 深呼吸。 3.深吸气后屏住呼吸。 4.深呼气后屏住呼吸。 5. 在 1 秒到 10 秒的不同间隔后正常呼吸。

上述涉及不同呼吸模式的测试旨在穷尽所有实际观察到的呼吸模式。 此外，这些条件全面涵盖第 2 节开头部分描述的身体状态（仰卧、坐着、站立、行走、适度运动）。信号采集时间段将取决于校准实验或正在测试的假设。

为了实现该传感器的标准化，还将同时安装市售的呼吸传感器并进行测量比较。

1.4 体温传感器：该传感器将用于测量皮肤的体温。 与呼吸传感器类似，该设备电路将位于柔性基板上。 与测试对象皮肤接触的唯一材料是 KAPTON®。 传感器将被封装以使其与受试者的身体电绝缘。 所有通向传感器的电线都是市售的绝缘铜/镍电缆。

1.4.1 涉及测试对象的程序：

1. 如图 3 所示，传感器将放置在测试对象一侧的腋下下方（对于轴向温度）、胸骨上方的胸部、背部或面部。

2. 受试者还将被要求在图 3 突出显示的区域的皮肤上佩戴市售的干球温度传感器。

   图 3：安装用于实时信号采集的温度传感器的策略。

3. 读数将在室内和室外环境中进行。
4. 数据采集​​将在受试者处于第 2 节中提到的身体状态（仰卧、坐姿、站立、行走、适度运动）时进行。

1.5 血压和脉率传感器：该传感器将用于以非侵入方式测量动脉血压和脉率、心音和血氧水平。 该设备电路由安装在聚酰亚胺 (KAPTON ®) 或聚酯薄膜上的 MEMS 麦克风、压电或光电换能器组成。 光电元件的能量耗散小于 0.5 瓦。 MEMS 麦克风是一种现成的电子元件，工作电压为 1.8 至 3.3 V，电流为 180 至 250 µA。 这部电影将与测试对象的皮肤接触。 传感器将安装在受试者的左前臂、胸骨或背部，如图 4 所示。传感器将与受试者的身体电绝缘。 所有通向传感器的电线都是市售的绝缘铜/镍电缆。

1.5.1 涉及测试对象的程序：

1. 在开始测试之前，将借助商用脉搏血氧仪和血压袖带获取标准脉搏率、血压和血氧水平读数。

2. 血压、心音和脉率传感器将安装在受试者的左前臂、胸骨或背部（图 4）。

   图 4：安装血压和脉搏率传感器系统的策略

3. 当受试者处于身体状态（仰卧、坐着、站立、行走、适度运动）时，将记录脉搏、血氧水平、心音和血压数据。
4. 在测试过程中，受试者将被要求佩戴商用脉搏血氧计，以实时比较脉搏率和血氧水平值。

1.6 干电极生物阻抗测量

1. 舒适地坐在床上或椅子上
2. 标记皮肤上的电极位置
3. 用支架将电极放置在皮肤上
4. 根据实验设计，测试对象可能会呈现上述身体状态（仰卧、坐着、站立、行走、适度运动）。
5. 测试的典型持续时间将持续 15 分钟到 12 小时
6. 用于实时生物阻抗测量的测试对象的电极位置如图 5 所示。
7. 生物阻抗测量将通过使用放置在皮肤上的 4 个电极来完成，如图 5 所示。 30kHz 至 100kHz 的 1-5 mA (rms) 调制电流通过两个电极 1,4 或 5,8 之间的受试者身体，并在两个电极 2,3 或 4,6 之间测量由此产生的生物电势变化。 生物阻抗由作为无线数据通信系统一部分的转换电路测量。 根据研究目的，将在受试者身体的手臂、前额、颈部、躯干或腿部区域进行类似的 4 电极放置。

1.7 心音传感器测量心音

1. 舒适地坐在床上或椅子上
2. 标记皮肤上的电极位置
3. 用支架将心音传感器放置在皮肤上的位置
4. 根据实验设计，测试对象可能会呈现上述身体状态（仰卧、坐着、站立、行走、适度运动）。
5. 测试的典型持续时间将持续 15 分钟到 12 小时
6. 用于实时生物阻抗测量的测试对象上的传感器位置 9 将如图 5 所示。

图 5 1.8 使用干电极进行 EEG、EOG 和 EMG 测量

1. 舒适地坐在床上或椅子上
2. 标记皮肤上的电极位置
3. 用支架或贴片将电极放置在皮肤上
4. 在测试期间，受试者将被要求进行眼球运动、下巴运动和闭眼放松，以校准传感器系统。
5. 根据实验设计，测试对象可以假设上述身体状态（仰卧清醒、仰卧睡眠、左右侧清醒、左右侧卧睡眠、坐着、站立、行走）。
6. 测试的典型持续时间将持续 15 分钟到 12 小时
7. 用于实时 EEG、EOG、EMG 测量的测试对象的电极位置如图 6 所示。 EEG 电极放置在前额区域（带），EOG 电极放置在眼睛周围，两侧乳突骨上有一个参考电极，下巴上有 EMG 电极对（2 个电极至少相距 2 毫米） .

图 6 1.9 用于测量受试者活动（活动记录）的加速度和旋转检测传感器

1. 舒适地坐在床上或椅子上
2. 使用支架将加速度和旋转检测传感器放置在皮肤上的位置
3. 根据实验设计，测试对象可能会呈现上述身体状态（仰卧、坐着、站立、行走、适度运动）。
4. 测试的典型持续时间将持续 15 分钟到 12 小时
5. 用于实时活动测量的测试对象上的传感器位置如图 7 所示。

图 7