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登山运动员远程生命体征监测系统的设计

时间:2022年06月25日 所属分类:文学论文 点击次数:

摘 要:户外登山运动的远程穿戴式智能监测设备设计,是提升登山运动员生命安全保障的重要手段。在远 程 监 测系统构建中充分考虑登山运动员的实际需求建立远程监测系统模型,提出针对登山运动员生命体征的远程监测系统设计模式;采用多学科交叉的设计方法,优

  摘 要:户外登山运动的远程穿戴式智能监测设备设计,是提升登山运动员生命安全保障的重要手段。在远 程 监 测系统构建中充分考虑登山运动员的实际需求建立远程监测系统模型,提出针对登山运动员生命体征的远程监测系统设计模式;采用多学科交叉的设计方法,优化现有智能监测登山服的设计方案,并完善远程监护平台的实时监测和应急反 应,为构建远程户外运动智能监测系统提供参考,也可为个性化登山服设计研究提供借鉴。

  关键词:登山服;生命体征;可穿戴设备;智能监测

登山运动

  登山运动事故已连续多年成为影响登山户外运动健康发展的关键,事故类型有迷路、滑坠、被困、高坠、疾病等。据统计 数 据 分 析,登山运动人数占总运动人数比例为33%,事故整体呈逐年递增,2019年 死 亡 和失踪人数之 和 达 历 年 之 最,2020年 受 疫 情 影 响,有 组织的活动事故大幅减少,创自2012年以来最低值。根据2014—2020年户外登山运动事故统计分析,因疾病导致登山事故发生已连续7年成为户外登山运动事故的主要类型之一。

  从登山员的生理需求出发,以生物力学、感性工学基本理论以及人体工 效 学 为 理 论 基 础,结 合 可 穿 戴 智能服装的功能特点,在 登 山 服 现 有 的 功 能 基 础 上 进 行优化改良设计。目 前,国 内 外 对 于 登 山 服 的 研 究 焦 点主要集中在登山服的 结 构 设 计、面料选择以及散热保暖等功能设计[1],而 对 于 登 山 服 的 对 象 化 智 能 监 测 方面的研究尚少。如何提供一种穿着轻便、结构合理,并针对户外运动员生命体征进行实时监测的智能监测系统是目前亟待解决的技术问题。

  1 远程生命体征监测系统

  1.1 生命体征监测

  目前国内外关于远程生命体征监测的登山服研究尚少,登山服功 能 多 为 基 础 常 规 功 能。基 于 远 程 监 测技术、柔性传感 器 技 术、无 线 通 讯 技 术、可 穿 戴 技 术 的发展,提出一款新型远程生命体征监测系统登山服,以解决登山运动员个性化的体征问题。生命体征是用来判断人体病情轻重和危急程度的指征,主要有心率、脉搏、血 压、呼 吸、体 温、血 氧、瞳 孔 和 角 膜 反 射 的 改 变等[2],以登山服为研究载体,构建生命体征监测 系 统,对运动者的 脉 搏、心 电、体温以及汗液中的葡萄糖浓度、乳酸浓度等进行监测,以实时反映运动者的身体状态。该远程生命体征监测系统由生命体征监测登山服和手机 App线上端构成,可以根据医院提供的登山员个人生命体征阈值来进行针对性 App线 上 端 数 值 设置,用于生命体征异常时报警,帮助登山运动员实时进行正确的运动强度监 控,以引导登山员在最安全的生命体征区值内活动。

  1.2 远程生命体征监测系统构建

  远程生命体征监测系统将各种生理信号传感器或放大滤波电路、电极、A/D转换等和电脑相连接,在计算机中对监测的多参数生理信号进行分析处理,得 到 一 定 的 分 析 诊 断 结 果,反传输到移动设备、服装信号接收器并储存至云端。总体远程生命体征监测系统框架,分为户外登山运动监测和平台监护两部分。

  登山运动员通过医护 端 就 诊 可 得 到 关 于 自 己 生 命 体 征 的 各 种 阈值,根据技术指导来对用户端进行阈值输入,进而根据生命体征的实时监测结果控制自己的运动强度。在户外登山运动中,登山运 动 员 的 生 命 体 征 通 过 穿 着 的 智能监测登山服进行实时数据采集及传输,该 监 测 系 统在采集到相关数值后 会 进 行 数 据 分 析,运 动 员 可 通 过用户端或登山服预警输出端得知自己的身体状态,从而控制自己的运动强 度,以免生命体征超出阈值发生危险。通过监测系统得到的生命体征数值也会通过云端的形式反馈给医生,为 远 程 监 护 搭 建 一 个 沟 通 的 平台,节约登山运动员的身体管理资源,提高管理效率。

  2 生命体征监测登山服的设计

  生命体征监测登山服以人体工效学和服装设计基本原理为设计基础,在 满 足 人 体 结 构 设 计 的 前 提 下 尽可能提高登山 服 的 舒 适 性、适 用 性 和 功 能 性。根 据 国家标准 GB/T32614—2016《户 外 运 动 服 装 冲 锋 衣》对衣身进行规范化 设 计,对 服 装 的 功 能、外 观、材 料 都 进行了严格的 规 范,其 中 包 括 功 能 方 面 的 抗 湿 性、静 水压、透湿率、耐用性以及外观要求胶条胶膜、防 水 结 构等设计。生命体征监测登山服主要分为衣体、数 据 采集端和数据终端3个 部 分。

  数 据 采 集 端分为脉搏压力传感和 汗 液 微 传 感2种 方 式,立 领 两 侧颈动脉处设置了脉搏 压 力 传 感 器,袖 口 设 置 了 汗 液 微传感器,用于采集分析人体体征实时状态的初步数据。领部的脉搏压力传感器[3]纱线部分使用18tex导电纱,其余衣体里料层所用的纱线为18tex不导电的锦纶纱,衣领部位通过 HQM61B 型电脑织领机一体成型,将导 线 和 压 力 传 感 模 块 一 同 织 入 领子面料内部。领子内部采用纬平组织,密度为5~8线圈/cm,领口区域采用1隔1罗纹组织结构,以增强领口的弹性。

  领子织物的密度会使领子和颈动脉间产生相互作 用 力,当压力传感器受到脉搏压力时,压阻会随 之 产 生 变 化。压 阻 变 化 的 工 作 原 理 是通过“压”(增加的接触点)和“放”(降低的接触点)工作过程中不锈钢颗粒间接触点的变化以及导电纱线之间接触面积的变 化,如 图7所 示。压 力 传 感 器 与 液 晶 显示器间的连接电线用织入里料的导电纤维代替[4],使得衣服里料可直接接触皮肤。汗液微传感器可以无创对汗液中乳酸、葡萄糖、钾离子、钠离子、氯化物、尿素浓度以及汗液pH 值、出汗率、总汗液量等指标进行监测,用不采集血样的方式进行生理生化分析,方便 登 山 员 在 户 外 登 山 运 动 过 程 中获得高质量的生命体征数据。

  通过汗液微传感器对登山运动员汗液中的乳酸浓度进行测量分析运动员的运动强度,对汗液中的葡 萄 糖 浓 度 进 行 测 量 分 析 运 动 员的能量消耗,测量和分 析 总 汗 液 量 可 以 对 运 动 员 身 体的水合状态和热调节状态等生理状态进行监测[5]。该传感器的 工 作 原 理 是 通 过 微 流 控 和 微 传 感 器 结 合 工作,微流控装置对汗液进行电化学分析,微传感器分析得出汗液中乳酸浓度电压数据、葡 萄 糖 浓 度 等。汗 液微传感器同脉搏传感 器 一 样,采用同纱线一起织入的方式织入袖口 面 料。汗 液 微 传 感 器 与 显示器间连 接 的 电 线 同 样 用 导 电 纱 线 织 入 面 料 代 替 电线,这样运用传感器设 计 的 登 山 服 比 传 统 登 山 服 更 加功能化、便利,方 便 洗 涤,给运动登山员带来更舒适的户外登山运动体验。

  3 远程监护平台优化设计

  远程监护平台由用户 App线上终端和云端组成。常 见 App终端主要为维持健康体征优选方案的推荐,在结合 登 山 员 实 时 生 命 体 征 危 及 生 命的情况下,优化设计为实时反馈用户生命体征现状与自我运动强度控制的 作 用,通 过 蓝 牙 无 线 传 输 技 术 或蜂窝网 络 和 监 测 系 统 信 号 器 连 接,实 现 监 测 系 统 与App终端之间的信号传输。云端功能的主要优化是实时记录并储存登山员 的 生 命 体 征 状 况,在 监 测 系 统 进行实时数据分析报告传输到 App线上终端后,同时上传到云端进行数据储 存,医生和家庭成员均可通过云端查看用户的身体状 态,以便医生查阅用户的历史病情和实时状况,也可给家庭成员实时反馈用户的身体状态,实现远程监护的功能及作用。

  登山服的体征稳定预警方面也进行了相应的优化设计,体征预警通常会通过携带设备自测完成,在无意识自测的情况下,登山员通常用经验值判断是否继续进行登山运动。优化设计为通过体征监测阈值自动预警的形式告知用户是 否 能 继 续 活 动,遇到阈值提醒范围内时,预警设备会自动发出警报提醒用户暂停继续活动且建议尽快就医查看身体状况。用户的生命体征监测阈值预警可通过2种 方 法 实 现:一种是从医院检查得出个体生命体征数据阈值,直接手动输入 App线上终端;另一种是监测系统通过运动员实时的生命体征数据采集,进行云端数据分析,预估目前身体的生命体征阈值。

  通过2种 不 同 的 数 据 来 源 分 析,根 据 实 时报告反馈作出运动强 度 控 制,预 警 身 体 状 态 超 出 阈 值范围,实现用户 的 安 全 保 障。监 测 系 统 的 预 警 设 备 由视觉效果鲜明的预警 灯 和 报 警 设 备 组 成,预 警 灯 根 据不同的身体状态分为3个 基 本 颜 色,预警颜色分别为浅绿色、绿色、浅黄色、黄色、浅红色、红色,生命体征数值处于正常范围内预 警 灯 显 示 浅 绿 色 或 绿 色,生 命 体征数值临 界 阈 值 预 警 灯 按 程 度 分 别 显 示 浅 黄 色 或 黄色,生命体征数值等于阈值预警灯显示浅红色,生命体征数值超出身体健康范围将对登山运动员的身体健康构成威胁预警灯显示 红 色,同时报警设备将发出报警声,提示用户必须立即停止高强度运动并就近就医,以免身体状态崩溃造成生命安全威胁。

  用户实时 监 测 数 据 分 析 反 馈 表 包 含 用 户 基 本 信息、数据采集时 间、数 据 采 集 地 点、具 体 生 命 体 征 参 数和分析报告,根据反馈 分 值 可 供 用 户 自 行 判 断 身 体 状态,并给出相应的运动强度推荐;健康指引模块具有影像效果,直观地记录并 告 知 用 户 身 体 的 实 时 状 态 与 建议性就医指导,有 助 于 预 警 身 体 状 态。远 程 监 测 数 据分析反馈 表 和 实 时 生 命 体 征 状 态 均 会 自 动 保 存 至 云端,以供医生和家庭成员掌握用户身体状态,实现远程互动沟通,提高身体安全保障和就医效率。

  4 结束语

  针对户外登山运动员进行远程生命体征监测系统的设计研究,基于用户角度,提出了远程监测系统和监护系统模型,搭建远程监护平台,给户外登山运动员提供更加舒适、安 全 的 登 山 运 动 体 验。采用多学科交叉的研究设计方法,涉及服装设计、运动医学、通讯工程、材料等专业,为远程生命体征监测系统的构建提供全方位的学科基础支持,可为构建远程户外运动智能监测系统提供参考,也为个性化登山服设计研究提供借鉴,进一步推进可穿戴产品的发展。

  参考文献:

  [1] 何碧霞,强利玲.基于户外运动功能的登山服设计与面料选择[J].现代纺织技术,2012,20(2):52-54.

  [2] 陈天启,张玉乾,宗宝超,等.基于心率及呼吸生命特征监测技术发展和应用[J].中国医疗器械杂志,2021,45(2):188-193.

  [3] 吕洋.独居老人生命体征远程监测系统的设计与实现[J].电子制作,2021(9):82-84.

  [4] 李思明,吴官正,胡雨洁,等.压力分布监测袜的制备及其传感性能[J].纺织学报,2019,40(7):138-144.

  [5] 边升太,叶 舜,杨 舒 斐.可穿戴式体表微流控系统在体育中的应用前景[J].北京体育大学学报,2021,44(1):134-144.

  选自期刊《纺织科技进展 》2022年第6期

  作者信息:张 敏,黎嘉琪,张龙琳*(西南大学 蚕桑纺织与生物质科学学院,重庆 400715)

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