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會照顧人的衣服?智能衣知多少─智能衣的人體觀察日記

2019-03-18 08:52 scitechvista

導讀:借助前幾篇文章的介紹,相信讀者已經知道物聯網(IoT)所帶來的方便性,以及爲我們的生活帶來更多寶貴的信息。智能衣即是物聯網的穿戴式感測裝置,只要穿在身上,就可以隨時對人體進行測量。

圖片來源:https://pixabay.com/photo-155838/

借助前幾篇文章的介紹,相信讀者已經知道物聯網(IoT)所帶來的方便性,以及爲我們的生活帶來更多寶貴的信息。智能衣即是物聯網的穿戴式感測裝置,只要穿在身上,就可以隨時對人體進行測量。但究竟智能衣是如何對人體進行測量的?又是如何做到的呢?其實,人體隨時都在産生微弱的生物電信號,有的是維持體內器官的運行,有的則是讓人體産生動作,只要對這些信號進行測量,就能得知許多人體信息,而這些信號則仰賴專門的傳感器來收集。

身體信號的收集

當肌肉收到來自腦部命令時,這會使得肌肉開始收縮或舒張,像是手臂肌肉就會帶動骨骼,達到支撐肢體動作。這命令會導致肌肉細胞産生膜電位(即爲細胞膜的內外電位差距),且影響至整塊肌肉,那麽要怎麽量測肌電信號呢,就需要一種媒介來讀取這微小的信號,亦即于前篇文章(會照顧人的衣服?智能衣知多少(二)─探索智能衣的奧秘)所介紹的電極貼片。我們使用兩個貼片在手臂肌肉的兩端上,再于腰部附近貼上一個作爲參考點,並再接上導線及傳感器來接收和處理肌電信號。從皮膚收到來自肌肉的信號可能非常非常小(約0.01毫伏特到100毫伏特)。因此設計傳感器電路時,就需加個放大電路讓信號變大,以便于運算處理。但人體有很多信號都會傳到皮膚,或是電極貼片也有可能接收來自空間內的其他噪聲,這些多種信號也會被傳感器接收並加以放大,因此在傳感器中加入濾波電路來濾掉不需要的信號,只剩下我們想知道的生物電信號,如來自手臂肌肉的肌電信號,或是來自心髒的心電信號。

科技始終以人爲本

智能衣的目的就是在平日即能夠穿著,以便長時間對人體進行測量,所以基于舒適度與便利性,傳感器往往會結合無線傳輸,使處理過的生物電信號傳送到用戶的移動裝置或是個人計算機。但是生物電信號經上述處理後還是屬于模擬信號,需要做信號轉換,將模擬信號轉換成數字信號,因此傳感器中加入數字轉換器,這樣就能透過手機和個人計算機來收集轉換過後的數字信號。

智能衣結合多項技術再連結物聯網,使用者不只能在手機上實時看到心電圖、肌肉強度,甚至能將信息傳到雲端管理,使得在遠方的用戶也能查看長期數據,達到長期的生物電訊息監控。

肌肉訊息

了解傳感器之後,再來介紹肌肉信號。人在出力的時候,肌肉會産生微量的電位變化並傳至皮膚表面,例如:從手臂皮膚量測手臂肌肉的微小信號約小至0.01毫伏特、大至100毫伏特的信號,隨著肌肉不同的出力程度,信號就會呈現不同大小的波形曲線,紀錄下的電位信號亦稱爲“肌電信號”,其波形則稱爲“肌電圖”,我們能夠從中分析出肌肉的運動狀態,像是肌肉疲勞或是運動的強度,如圖一。

圖一:肌電信號波形圖。傳感器透過貼片接收肌電信號,信號處理後傳到移動裝置,移動裝置再演算處理信號並顯示肌電波形。肌電信號會隨著肌肉出力越大,波形振動幅度越大,放松時波形回到原點。肌電信號會上下振動,因爲一塊肌肉是由很多肌肉細胞所組成,一個貼片可能會收到好多不同的膜電位,導致一個貼片收到的電位會浮動。(圖片來源:國立中山大學-嵌入式系統實驗室)

心電圖與心髒對照

心髒則是由心髒肌肉所構成的,心髒收到來自大腦命令跳動時,心髒肌肉的電位會變化,所以心髒可以說是小型信號産生器,而心髒肌肉發送信號的頻率就是心跳。心髒左右兩側量到的信號範圍約從0.1毫伏特到2毫伏特間。而將心髒跳動的信號紀錄下來,畫成波形圖即爲一般俗稱的心電圖,如圖二。


圖二:心電信號波形圖。傳感器透過貼片接收心電信號,信號處理後傳到移動裝置,移動裝置再演算處理信號並顯示心電波形。心電圖是有規律的波形,容易算出心跳率,且每次跳動都隱含著心髒內部訊息。 (圖片來源:國立中山大學-嵌入式系統實驗室)

其實心電圖的波形也是有含意的,一次心跳的心電圖波形可以簡單分成三段,如圖三所示,可分爲P波、QRS波、T波,它們分別代表心髒處于不同動作狀態之中。如圖三-(a), P波表示心房開始收縮,心房開始將血液送到心室,PQ之間心髒會將血液送至心房;圖三-(b),QRS波表示心室收縮開始輸送血液;圖三-(c),ST之間血液由心室推進肺部與全身組織,代表此時的心髒回到放松狀態等待下一次跳動命令。

圖三:心髒狀態對照心電圖。(圖片來源:activity)

結論

人的身體就像是個電路板,科技作爲探索真理的工具,解讀隱藏在人體內的電子信息,傳感器接收人體信號,並傳送到手機端,手機加以算法整理,變成用戶讀的懂的信息,且有了雲端服務,還能記錄過去的數據,統計並整理成圖表,進而讓用戶能夠長期追蹤自己的身體狀況。