无源无线全纺织可穿戴传感器系统用于人体运动实时监测

移动医疗（mHealth）为个性化、远程医疗监测和风险评估提供了可能。目前，越来越多的小型化移动健康技术以便携式、植入式和可穿戴设备的形式展现了传感、捕获、处理和传输各种生理参数以改善健康的能力。由于可穿戴设备在康复和物理治疗、假肢控制、步态和长期生理信号（如卡路里消耗、心脏和呼吸速率）分析等领域的重要意义，使用可穿戴设备跟踪人体运动已经获得了高度关注。

可穿戴设备大致可分为三类：（1）智能手表、腕带、耳机、眼镜等配件；（2）与身体直接接触的表皮装置（皮肤贴片、电子皮肤）、隐形眼镜、牙齿贴片；（3）集成在服装中的设备。基于纺织品的可穿戴设备（即智能服装）的优点是其与身体的自然接触以及定制形状以适应身体的能力。此外，与植入式设备相比，其侵入性小，并且基于纺织品的传感平台可以同时在多个不同的位置进行传感。这些功能使得基于纺织品的可穿戴设备比任何其他智能健康监测设备更有可能在日常生活中使用。

目前，在纺织品中集成无线传感平台的努力方向主要包括两类：i）使用具有商用传感器标签的通用无线通信协议或ii）带有电感-电容（LC）电路的定制传感平台，该传感平台依赖于谐振频移进行信号检测。对于纺织品中集成的第一类无线传感平台，其传感器标签通常配备专用芯片，用于蓝牙、近场通信（NFC）或射频识别（RFID）通信。而纺织品中集成的第二类无线传感平台通常采用电感耦合，以电感-电容谐振器作为传感器实现无源信号读取（即无电池供电），从而避免了与刚性硅基组件的有线连接。这种基于电感-电容电路的传感器只需要两个组件，即电感器（L）和电容器（C），这使得它很容易以全纺织形式实现。

然而，虽然已有研究在可穿戴设备中使用了电感-电容传感器电路，但是具有无线通信能力的全纺织传感器在可穿戴设备中的应用仍然很少。随着电子纺织品（e-textiles/textronics）的出现，新的材料和技术有助于在单纤维、纱线（细丝）或织物的水平上赋予标准织物导电性。因此，制备的电子电路元件（例如电容器和电感器）可以使用相对容易获得的传统技术（如缝纫或刺绣）无缝集成到服装上。

此外，采用具有内在柔性和可拉伸性的材料和纺织品图案可以进一步确保在跟踪从中度到快节奏事件（例如步行、跑步或爬楼梯）时所需的鲁棒性。同时，对于无源电感-电容传感器的无线传感，外部读取器必须靠近电感-电容传感器的电感器。这些电感-电容传感器的谐振频移在以往的研究中通常是用连接到台式矢量网络分析仪（VNA）或阻抗分析仪的耦合电感器记录。这些读取器不适合可穿戴设备应用，因为它们体积庞大（即使是小型化的矢量网络分析仪），无法应用到日常生活中。此外，小型化的矢量网络分析仪采样率很低，需要在时间分辨率和扫描频率范围之间进行权衡。因此，便携性和采样率方面的这些限制要求采用可替代的无线读取方法，使其适用于利用纺织品进行中度到快节奏运动的跟踪。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）的研究人员在Advanced Science期刊上发表了题为“Passive and Wireless All-Textile Wearable Sensor System”的论文，报告了一种可以跟踪身体运动并无线传输运动相关信息的无线传感可穿戴系统。该系统基于智能服装构建，该智能服装具有完全由纺织品元件制成的电感-电容传感器电路以及定制的读取器，可以通过电感耦合记录传感器的响应。

图1 利用智能服装进行运动跟踪的无源无线传感系统

该无源电感-电容纺织品传感器由用导线缝制的电感器（LWS）和用可拉伸导电纺织品制成的平行板电容器（CWS）组成，二者通过导电纺织品相互连接，并通过电容响应应变，从而改变谐振频率。

接着，研究人员制造了一个基于Colpitts振荡器的重量轻、成本低的的频率读取器（fReader），该频率读取器可以在不影响舒适性的情况下放在使用者衣服口袋中，并且以一种便捷的方式无线读取应变引起的电容变化。与依赖于扫频的矢量网络分析仪不同，频率读取器采用的电路策略很简单，其基于振荡器的频移进行检测。此外，该频率读取器还可以通过定制的应用程序与智能手机进行无线通信，以实时提供检测信息。

图2 频率读取器（fReader）无线读取模块

最后，作为概念验证，研究人员利用智能服装通过测量应变引起的电容变化来跟踪各种身体运动。与便携但尺寸较大的矢量网络分析仪相比，基于频率读取器的传感方法可以用制造的纺织电感-电容传感器提供更快的采样率来跟踪人体运动。

图3 用智能服装和频率读取器（fReader）在多个位置跟踪人体的运动

总体来说，该研究开发的强大系统为新型无源可穿戴设备创造了无线监测运动的可能性，特别是在采用替代技术变得不切实际的复杂情况下。推进这种传感模式的发展将为应用型研究人员提供更多可能的工具，从而将可穿戴设备用于身体康复、运动表现改善、伤害预防和健康等领域。

审核编辑：刘清