摘 要：戶外登山運(yùn)動(dòng)的遠(yuǎn)程穿戴式智能監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)，是提升登山運(yùn)動(dòng)員生命安全保障的重要手段。在遠(yuǎn) 程 監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建中充分考慮登山運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際需求建立遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型，提出針對(duì)登山運(yùn)動(dòng)員生命體征的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式;采用多學(xué)科交叉的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化現(xiàn)有智能監(jiān)測(cè)登山服的設(shè)計(jì)方案，并完善遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和應(yīng)急反 應(yīng)，為構(gòu)建遠(yuǎn)程戶外運(yùn)動(dòng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供參考，也可為個(gè)性化登山服設(shè)計(jì)研究提供借鑒。

　　關(guān)鍵詞：登山服;生命體征;可穿戴設(shè)備;智能監(jiān)測(cè)

　　登山運(yùn)動(dòng)事故已連續(xù)多年成為影響登山戶外運(yùn)動(dòng)健康發(fā)展的關(guān)鍵，事故類型有迷路、滑墜、被困、高墜、疾病等。據(jù)統(tǒng)計(jì) 數(shù) 據(jù) 分 析，登山運(yùn)動(dòng)人數(shù)占總運(yùn)動(dòng)人數(shù)比例為33%，事故整體呈逐年遞增，2019年 死 亡 和失蹤人數(shù)之 和 達(dá) 歷 年 之 最，2020年 受 疫 情 影 響，有 組織的活動(dòng)事故大幅減少，創(chuàng)自2012年以來(lái)最低值。根據(jù)2014—2020年戶外登山運(yùn)動(dòng)事故統(tǒng)計(jì)分析，因疾病導(dǎo)致登山事故發(fā)生已連續(xù)7年成為戶外登山運(yùn)動(dòng)事故的主要類型之一。

　　從登山員的生理需求出發(fā)，以生物力學(xué)、感性工學(xué)基本理論以及人體工 效 學(xué) 為 理 論 基 礎(chǔ)，結(jié) 合 可 穿 戴 智能服裝的功能特點(diǎn)，在 登 山 服 現(xiàn) 有 的 功 能 基 礎(chǔ) 上 進(jìn) 行優(yōu)化改良設(shè)計(jì)。目 前，國(guó) 內(nèi) 外 對(duì) 于 登 山 服 的 研 究 焦 點(diǎn)主要集中在登山服的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)、面料選擇以及散熱保暖等功能設(shè)計(jì)[1]，而 對(duì) 于 登 山 服 的 對(duì) 象 化 智 能 監(jiān) 測(cè) 方面的研究尚少。如何提供一種穿著輕便、結(jié)構(gòu)合理，并針對(duì)戶外運(yùn)動(dòng)員生命體征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是目前亟待解決的技術(shù)問題。

　　1 遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　1.1 生命體征監(jiān)測(cè)

　　目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)的登山服研究尚少，登山服功 能 多 為 基 礎(chǔ) 常 規(guī) 功 能。基 于 遠(yuǎn) 程 監(jiān) 測(cè)技術(shù)、柔性傳感 器 技 術(shù)、無(wú) 線 通 訊 技 術(shù)、可 穿 戴 技 術(shù) 的發(fā)展，提出一款新型遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)登山服，以解決登山運(yùn)動(dòng)員個(gè)性化的體征問題。生命體征是用來(lái)判斷人體病情輕重和危急程度的指征，主要有心率、脈搏、血 壓、呼 吸、體 溫、血 氧、瞳 孔 和 角 膜 反 射 的 改 變等[2]，以登山服為研究載體，構(gòu)建生命體征監(jiān)測(cè) 系 統(tǒng)，對(duì)運(yùn)動(dòng)者的 脈 搏、心 電、體溫以及汗液中的葡萄糖濃度、乳酸濃度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以實(shí)時(shí)反映運(yùn)動(dòng)者的身體狀態(tài)。該遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由生命體征監(jiān)測(cè)登山服和手機(jī) App線上端構(gòu)成，可以根據(jù)醫(yī)院提供的登山員個(gè)人生命體征閾值來(lái)進(jìn)行針對(duì)性 App線 上 端 數(shù) 值 設(shè)置，用于生命體征異常時(shí)報(bào)警，幫助登山運(yùn)動(dòng)員實(shí)時(shí)進(jìn)行正確的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度監(jiān) 控，以引導(dǎo)登山員在最安全的生命體征區(qū)值內(nèi)活動(dòng)。

　　1.2 遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

　　遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將各種生理信號(hào)傳感器或放大濾波電路、電極、A/D轉(zhuǎn)換等和電腦相連接，在計(jì)算機(jī)中對(duì)監(jiān)測(cè)的多參數(shù)生理信號(hào)進(jìn)行分析處理，得 到 一 定 的 分 析 診 斷 結(jié) 果，反傳輸?shù)揭苿?dòng)設(shè)備、服裝信號(hào)接收器并儲(chǔ)存至云端。總體遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架，分為戶外登山運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和平臺(tái)監(jiān)護(hù)兩部分。

　　登山運(yùn)動(dòng)員通過醫(yī)護(hù) 端 就 診 可 得 到 關(guān) 于 自 己 生 命 體 征 的 各 種 閾值，根據(jù)技術(shù)指導(dǎo)來(lái)對(duì)用戶端進(jìn)行閾值輸入，進(jìn)而根據(jù)生命體征的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果控制自己的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。在戶外登山運(yùn)動(dòng)中，登山運(yùn) 動(dòng) 員 的 生 命 體 征 通 過 穿 著 的 智能監(jiān)測(cè)登山服進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及傳輸，該 監(jiān) 測(cè) 系 統(tǒng)在采集到相關(guān)數(shù)值后 會(huì) 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 分 析，運(yùn) 動(dòng) 員 可 通 過用戶端或登山服預(yù)警輸出端得知自己的身體狀態(tài)，從而控制自己的運(yùn)動(dòng)強(qiáng) 度，以免生命體征超出閾值發(fā)生危險(xiǎn)。通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的生命體征數(shù)值也會(huì)通過云端的形式反饋給醫(yī)生，為 遠(yuǎn) 程 監(jiān) 護(hù) 搭 建 一 個(gè) 溝 通 的 平臺(tái)，節(jié)約登山運(yùn)動(dòng)員的身體管理資源，提高管理效率。

　　2 生命體征監(jiān)測(cè)登山服的設(shè)計(jì)

　　生命體征監(jiān)測(cè)登山服以人體工效學(xué)和服裝設(shè)計(jì)基本原理為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，在 滿 足 人 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 的 前 提 下 盡可能提高登山 服 的 舒 適 性、適 用 性 和 功 能 性。根 據(jù) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T32614—2016《戶 外 運(yùn) 動(dòng) 服 裝 沖 鋒 衣》對(duì)衣身進(jìn)行規(guī)范化 設(shè) 計(jì)，對(duì) 服 裝 的 功 能、外 觀、材 料 都 進(jìn)行了嚴(yán)格的 規(guī) 范，其 中 包 括 功 能 方 面 的 抗 濕 性、靜 水壓、透濕率、耐用性以及外觀要求膠條膠膜、防 水 結(jié) 構(gòu)等設(shè)計(jì)。生命體征監(jiān)測(cè)登山服主要分為衣體、數(shù) 據(jù) 采集端和數(shù)據(jù)終端3個(gè) 部 分。

　　數(shù) 據(jù) 采 集 端分為脈搏壓力傳感和 汗 液 微 傳 感2種 方 式，立 領(lǐng) 兩 側(cè)頸動(dòng)脈處設(shè)置了脈搏 壓 力 傳 感 器，袖 口 設(shè) 置 了 汗 液 微傳感器，用于采集分析人體體征實(shí)時(shí)狀態(tài)的初步數(shù)據(jù)。領(lǐng)部的脈搏壓力傳感器[3]紗線部分使用18tex導(dǎo)電紗，其余衣體里料層所用的紗線為18tex不導(dǎo)電的錦綸紗，衣領(lǐng)部位通過 HQM61B 型電腦織領(lǐng)機(jī)一體成型，將導(dǎo) 線 和 壓 力 傳 感 模 塊 一 同 織 入 領(lǐng)子面料內(nèi)部。領(lǐng)子內(nèi)部采用緯平組織，密度為5～8線圈/cm，領(lǐng)口區(qū)域采用1隔1羅紋組織結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)領(lǐng)口的彈性。

　　領(lǐng)子織物的密度會(huì)使領(lǐng)子和頸動(dòng)脈間產(chǎn)生相互作 用 力，當(dāng)壓力傳感器受到脈搏壓力時(shí)，壓阻會(huì)隨 之 產(chǎn) 生 變 化。壓 阻 變 化 的 工 作 原 理 是通過“壓”(增加的接觸點(diǎn))和“放”(降低的接觸點(diǎn))工作過程中不銹鋼顆粒間接觸點(diǎn)的變化以及導(dǎo)電紗線之間接觸面積的變 化，如 圖7所 示。壓 力 傳 感 器 與 液 晶 顯示器間的連接電線用織入里料的導(dǎo)電纖維代替[4]，使得衣服里料可直接接觸皮膚。汗液微傳感器可以無(wú)創(chuàng)對(duì)汗液中乳酸、葡萄糖、鉀離子、鈉離子、氯化物、尿素濃度以及汗液pH 值、出汗率、總汗液量等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用不采集血樣的方式進(jìn)行生理生化分析，方便 登 山 員 在 戶 外 登 山 運(yùn) 動(dòng) 過 程 中獲得高質(zhì)量的生命體征數(shù)據(jù)。

　　通過汗液微傳感器對(duì)登山運(yùn)動(dòng)員汗液中的乳酸濃度進(jìn)行測(cè)量分析運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)汗液中的葡 萄 糖 濃 度 進(jìn) 行 測(cè) 量 分 析 運(yùn) 動(dòng) 員的能量消耗，測(cè)量和分 析 總 汗 液 量 可 以 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 員 身 體的水合狀態(tài)和熱調(diào)節(jié)狀態(tài)等生理狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]。該傳感器的 工 作 原 理 是 通 過 微 流 控 和 微 傳 感 器 結(jié) 合 工作，微流控裝置對(duì)汗液進(jìn)行電化學(xué)分析，微傳感器分析得出汗液中乳酸濃度電壓數(shù)據(jù)、葡 萄 糖 濃 度 等。汗 液微傳感器同脈搏傳感 器 一 樣，采用同紗線一起織入的方式織入袖口 面 料。汗 液 微 傳 感 器 與 顯示器間連 接 的 電 線 同 樣 用 導(dǎo) 電 紗 線 織 入 面 料 代 替 電線，這樣運(yùn)用傳感器設(shè) 計(jì) 的 登 山 服 比 傳 統(tǒng) 登 山 服 更 加功能化、便利，方 便 洗 滌，給運(yùn)動(dòng)登山員帶來(lái)更舒適的戶外登山運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。

　　3 遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺(tái)由用戶 App線上終端和云端組成。常 見 App終端主要為維持健康體征優(yōu)選方案的推薦，在結(jié)合 登 山 員 實(shí) 時(shí) 生 命 體 征 危 及 生 命的情況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)為實(shí)時(shí)反饋用戶生命體征現(xiàn)狀與自我運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度控制的 作 用，通 過 藍(lán) 牙 無(wú) 線 傳 輸 技 術(shù) 或蜂窩網(wǎng) 絡(luò) 和 監(jiān) 測(cè) 系 統(tǒng) 信 號(hào) 器 連 接，實(shí) 現(xiàn) 監(jiān) 測(cè) 系 統(tǒng) 與App終端之間的信號(hào)傳輸。云端功能的主要優(yōu)化是實(shí)時(shí)記錄并儲(chǔ)存登山員 的 生 命 體 征 狀 況，在 監(jiān) 測(cè) 系 統(tǒng) 進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析報(bào)告?zhèn)鬏數(shù)?App線上終端后，同時(shí)上傳到云端進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ) 存，醫(yī)生和家庭成員均可通過云端查看用戶的身體狀 態(tài)，以便醫(yī)生查閱用戶的歷史病情和實(shí)時(shí)狀況，也可給家庭成員實(shí)時(shí)反饋用戶的身體狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的功能及作用。

　　登山服的體征穩(wěn)定預(yù)警方面也進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，體征預(yù)警通常會(huì)通過攜帶設(shè)備自測(cè)完成，在無(wú)意識(shí)自測(cè)的情況下，登山員通常用經(jīng)驗(yàn)值判斷是否繼續(xù)進(jìn)行登山運(yùn)動(dòng)。優(yōu)化設(shè)計(jì)為通過體征監(jiān)測(cè)閾值自動(dòng)預(yù)警的形式告知用戶是 否 能 繼 續(xù) 活 動(dòng)，遇到閾值提醒范圍內(nèi)時(shí)，預(yù)警設(shè)備會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)提醒用戶暫停繼續(xù)活動(dòng)且建議盡快就醫(yī)查看身體狀況。用戶的生命體征監(jiān)測(cè)閾值預(yù)警可通過2種 方 法 實(shí) 現(xiàn)：一種是從醫(yī)院檢查得出個(gè)體生命體征數(shù)據(jù)閾值，直接手動(dòng)輸入 App線上終端;另一種是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過運(yùn)動(dòng)員實(shí)時(shí)的生命體征數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行云端數(shù)據(jù)分析，預(yù)估目前身體的生命體征閾值。

　　通過2種 不 同 的 數(shù) 據(jù) 來(lái) 源 分 析，根 據(jù) 實(shí) 時(shí)報(bào)告反饋?zhàn)鞒鲞\(yùn)動(dòng)強(qiáng) 度 控 制，預(yù) 警 身 體 狀 態(tài) 超 出 閾 值范圍，實(shí)現(xiàn)用戶 的 安 全 保 障。監(jiān) 測(cè) 系 統(tǒng) 的 預(yù) 警 設(shè) 備 由視覺效果鮮明的預(yù)警 燈 和 報(bào) 警 設(shè) 備 組 成，預(yù) 警 燈 根 據(jù)不同的身體狀態(tài)分為3個(gè) 基 本 顏 色，預(yù)警顏色分別為淺綠色、綠色、淺黃色、黃色、淺紅色、紅色，生命體征數(shù)值處于正常范圍內(nèi)預(yù) 警 燈 顯 示 淺 綠 色 或 綠 色，生 命 體征數(shù)值臨 界 閾 值 預(yù) 警 燈 按 程 度 分 別 顯 示 淺 黃 色 或 黃色，生命體征數(shù)值等于閾值預(yù)警燈顯示淺紅色，生命體征數(shù)值超出身體健康范圍將對(duì)登山運(yùn)動(dòng)員的身體健康構(gòu)成威脅預(yù)警燈顯示 紅 色，同時(shí)報(bào)警設(shè)備將發(fā)出報(bào)警聲，提示用戶必須立即停止高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)并就近就醫(yī)，以免身體狀態(tài)崩潰造成生命安全威脅。

　　用戶實(shí)時(shí) 監(jiān) 測(cè) 數(shù) 據(jù) 分 析 反 饋 表 包 含 用 戶 基 本 信息、數(shù)據(jù)采集時(shí) 間、數(shù) 據(jù) 采 集 地 點(diǎn)、具 體 生 命 體 征 參 數(shù)和分析報(bào)告，根據(jù)反饋 分 值 可 供 用 戶 自 行 判 斷 身 體 狀態(tài)，并給出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度推薦;健康指引模塊具有影像效果，直觀地記錄并 告 知 用 戶 身 體 的 實(shí) 時(shí) 狀 態(tài) 與 建議性就醫(yī)指導(dǎo)，有 助 于 預(yù) 警 身 體 狀 態(tài)。遠(yuǎn) 程 監(jiān) 測(cè) 數(shù) 據(jù)分析反饋 表 和 實(shí) 時(shí) 生 命 體 征 狀 態(tài) 均 會(huì) 自 動(dòng) 保 存 至 云端，以供醫(yī)生和家庭成員掌握用戶身體狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程互動(dòng)溝通，提高身體安全保障和就醫(yī)效率。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　針對(duì)戶外登山運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，基于用戶角度，提出了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)護(hù)系統(tǒng)模型，搭建遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺(tái)，給戶外登山運(yùn)動(dòng)員提供更加舒適、安 全 的 登 山 運(yùn) 動(dòng) 體 驗(yàn)。采用多學(xué)科交叉的研究設(shè)計(jì)方法，涉及服裝設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、通訊工程、材料等專業(yè)，為遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建提供全方位的學(xué)科基礎(chǔ)支持，可為構(gòu)建遠(yuǎn)程戶外運(yùn)動(dòng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供參考，也為個(gè)性化登山服設(shè)計(jì)研究提供借鑒，進(jìn)一步推進(jìn)可穿戴產(chǎn)品的發(fā)展。

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　　選自期刊《紡織科技進(jìn)展 》2022年第6期

　　作者信息：張 敏，黎嘉琪，張龍琳*(西南大學(xué) 蠶桑紡織與生物質(zhì)科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)