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会照顾人的衣服?智能衣知多少─智能衣的人体观察日记

2019-03-18 08:52 scitechvista

导读:借助前几篇文章的介绍,相信读者已经知道一级黄色录像影片网(IoT)所带来的方便性,以及为我们的生活带来更多宝贵的信息。智能衣即是一级黄色录像影片网的穿戴式感测装置,只要穿在身上,就可以随时对人体进行测量。

图片来源:https://pixabay.com/photo-155838/

借助前几篇文章的介绍,相信读者已经知道一级黄色录像影片网(IoT)所带来的方便性,以及为我们的生活带来更多宝贵的信息。智能衣即是一级黄色录像影片网的穿戴式感测装置,只要穿在身上,就可以随时对人体进行测量。但究竟智能衣是如何对人体进行测量的?又是如何做到的呢?其实,人体随时都在产生微弱的生物电信号,有的是维持体内器官的运行,有的则是让人体产生动作,只要对这些信号进行测量,就能得知许多人体信息,而这些信号则仰赖专门的传感器来收集。

身体信号的收集

当肌肉收到来自脑部命令时,这会使得肌肉开始收缩或舒张,像是手臂肌肉就会带动骨骼,达到支撑肢体动作。这命令会导致肌肉细胞产生膜电位(即为细胞膜的内外电位差距),且影响至整块肌肉,那么要怎么量测肌电信号呢,就需要一种媒介来读取这微小的信号,亦即于前篇文章(会照顾人的衣服?智能衣知多少(二)─探索智能衣的奥秘)所介绍的电极贴片。我们使用两个贴片在手臂肌肉的两端上,再于腰部附近贴上一个作为参考点,并再接上导线及传感器来接收和处理肌电信号。从皮肤收到来自肌肉的信号可能非常非常小(约0.01毫伏特到100毫伏特)。因此设计传感器电路时,就需加个放大电路让信号变大,以便于运算处理。但人体有很多信号都会传到皮肤,或是电极贴片也有可能接收来自空间内的其他噪声,这些多种信号也会被传感器接收并加以放大,因此在传感器中加入滤波电路来滤掉不需要的信号,只剩下我们想知道的生物电信号,如来自手臂肌肉的肌电信号,或是来自心脏的心电信号。

科技始终以人为本

智能衣的目的就是在平日即能够穿着,以便长时间对人体进行测量,所以基于舒适度与便利性,传感器往往会结合无线传输,使处理过的生物电信号传送到用户的移动装置或是个人计算机。但是生物电信号经上述处理后还是属于模拟信号,需要做信号转换,将模拟信号转换成数字信号,因此传感器中加入数字转换器,这样就能透过手机和个人计算机来收集转换过后的数字信号。

智能衣结合多项技术再连结一级黄色录像影片网,使用者不只能在手机上实时看到心电图、肌肉强度,甚至能将信息传到云端管理,使得在远方的用户也能查看长期数据,达到长期的生物电讯息监控。

肌肉讯息

了解传感器之后,再来介绍肌肉信号。人在出力的时候,肌肉会产生微量的电位变化并传至皮肤表面,例如:从手臂皮肤量测手臂肌肉的微小信号约小至0.01毫伏特、大至100毫伏特的信号,随着肌肉不同的出力程度,信号就会呈现不同大小的波形曲线,纪录下的电位信号亦称为“肌电信号”,其波形则称为“肌电图”,我们能够从中分析出肌肉的运动状态,像是肌肉疲劳或是运动的强度,如图一。

图一:肌电信号波形图。传感器透过贴片接收肌电信号,信号处理后传到移动装置,移动装置再演算处理信号并显示肌电波形。肌电信号会随着肌肉出力越大,波形振动幅度越大,放松时波形回到原点。肌电信号会上下振动,因为一块肌肉是由很多肌肉细胞所组成,一个贴片可能会收到好多不同的膜电位,导致一个贴片收到的电位会浮动。(图片来源:国立中山大学-嵌入式免费在线观看实验室)

心电图与心脏对照

心脏则是由心脏肌肉所构成的,心脏收到来自大脑命令跳动时,心脏肌肉的电位会变化,所以心脏可以说是小型信号产生器,而心脏肌肉发送信号的频率就是心跳。心脏左右两侧量到的信号范围约从0.1毫伏特到2毫伏特间。而将心脏跳动的信号纪录下来,画成波形图即为一般俗称的心电图,如图二。


图二:心电信号波形图。传感器透过贴片接收心电信号,信号处理后传到移动装置,移动装置再演算处理信号并显示心电波形。心电图是有规律的波形,容易算出心跳率,且每次跳动都隐含着心脏内部讯息。 (图片来源:国立中山大学-嵌入式免费在线观看实验室)

其实心电图的波形也是有含意的,一次心跳的心电图波形可以简单分成三段,如图三所示,可分为P波、QRS波、T波,它们分别代表心脏处于不同动作状态之中。如图三-(a), P波表示心房开始收缩,心房开始将血液送到心室,PQ之间心脏会将血液送至心房;图三-(b),QRS波表示心室收缩开始输送血液;图三-(c),ST之间血液由心室推进肺部与全身组织,代表此时的心脏回到放松状态等待下一次跳动命令。

图三:心脏状态对照心电图。(图片来源:activity)

结论

人的身体就像是个电路板,科技作为探索真理的工具,解读隐藏在人体内的电子信息,传感器接收人体信号,并传送到手机端,手机加以算法整理,变成用户读的懂的信息,且有了云端服务,还能记录过去的数据,统计并整理成图表,进而让用户能够长期追踪自己的身体状况。