CN101728005A - 压力敏感导电纱线以及测量生物学信息的衣服 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种压力敏感导电纱线，当其用作电极时，能够同时检测不同的生物学信息。该压力敏感导电纱线包括由弹性纱线形成的芯纱线，具有导电性的缠绕纱线卷绕在所述芯纱线上，其中所述缠绕纱线是导电纤维和非导电纤维的混纺纱线，以使所述缠绕纱线的电阻值随着伸长或收缩而发生变化。本发明还提供了一种测量生物学信息的衣服。

Description

压力敏感导电纱线以及测量生物学信息的衣服
技术领域
本发明涉及一种压力敏感导电纱线以及一种测量生物学信息的衣服。
背景技术
生物学信息，例如呼吸、心率等，是确定健康状况的重要指标。然而，已知的生物学信号测量需要使用凝胶来贴上电极、卷绕呼吸带等，导致身体的极大拘束感。
为了消除这种拘束感并便于日常的健康管理，已经做出一些尝试，通过把电极装在衣服上来检测自然状态下的生物学信息。例如，专利文献1公开了在衣服上设置由导电纱线形成的电极来检测脉搏信号。
专利文献1：日本未审专利公开No.2005-525477
发明内容
本发明解决的技术问题
然而，由导电纱线制成的已知电极仅能够从检测出的信号中检测一种生物学信息。因此，需要另外的电极，以便随同脉搏信号一起测量其他的生物学信息，例如呼吸信号等。但是，这可能导致穿戴期间的不适以及成本问题。
本发明的一个目的是提供一种压力敏感导电纱线，当其用作电极时能够同时检测不同的生物学信息。本发明还提供了一种包括该压力敏感导电纱线的测量生物学信息的衣服。
解决问题的技术手段
本发明的目的能够通过一种压力敏感导电纱线来实现，所述压力敏感导电纱线包括：由弹性纱线形成的芯纱线，具有导电性的缠绕纱线卷绕在所述芯纱线上，其中所述缠绕纱线是导电纤维和非导电纤维的混纺纱线，以使所述缠绕纱线的电阻值随着伸长或收缩而发生变化。
在压力敏感导电纱线中，优选地将缠绕纱线双重地卷绕在芯纱线上，并且第一重卷绕方向与第二重卷绕方向相反。
本发明的目的能够通过一种测量生物学信息的衣服来实现，所述测量生物学信息的衣服包括：按照与身体紧密接触的方式设置在由非导电材料形成的衣服上的电极，其中，使用压力敏感导电纱线来形成所述电极。
根据本发明的测量生物学信息的衣服，能够根据来自电极的输出信号而同时提取心率信号和呼吸信号。
技术效果
当本发明的压力敏感导电纱线用作电极时，能同时检测不同的生物学信息。
附图说明
图1是本发明的压力敏感导电纱线的一个实施例的示意性结构图。
图2是示出缠绕纱线上的张力(负载)与电阻值间关系的例子的图表。
图3是用于图2所示的测量中的测量电路的结构图。
图4是示出缠绕纱线上的负载与缠绕纱线的伸长率之间关系的例子的图表。
图5是示出根据压力敏感导电纱线的一个实施例的伸长率与电阻值之间关系的图表。
图6是本发明的测量生物学信息的衣服的一个实施例的示意性结构图。
图7是示出从图6的测量生物学信息的衣服检测到的输出电压的波形图案的例子的图表。
图8(a)是示出心率信号的测量结果的例子的图表。图8(b)是示出心率信号的参考信号的例子的图表。
图9(a)是示出呼吸信号的例子的图表。图9(b)是示出呼吸信号的参考信号的例子的图表。
附图标记说明：
1：压力敏感导电纱线
2：芯纱线
4，6：缠绕纱线
10：测量生物学信息的衣服
12：衣服主体
14，16：探查电极
18：地电极
具体实施方式
将参考附图来描述本发明的实施例。
<压力敏感导电纱线>
图1是本发明的压力敏感导电纱线的一个实施例的示意性结构图。如图1所示，通过把缠绕纱线4、6双重地卷绕在芯纱线2上来形成压力敏感导电纱线1，其中芯纱线2由例如聚氨酯的弹性纱线构成。第一重缠绕纱线4的卷绕方向与第二重缠绕纱线6的卷绕方向相反。压力敏感导电纱线1的制造方法与已知的双覆盖纱线的制造方法相同。
缠绕纱线4、6是导电纤维(例如不锈钢纤维)和非导电纤维(例如聚酯纤维)形成的混纺纱线。例如，优选地使用日本未审专利公开No.2003-20538中所描述的那些纱线。当大值张力施加到具有该些属性的缠绕纱线4、6上时，导电纤维的密度变大，导致低电阻值。相反，当小值张力施加到缠绕纱线上时，导电纤维的密度变小，导致高电阻值。就是说，电阻值随着缠绕纱线4、6上的张力变化而变化。
图2是示出缠绕纱线上的张力(负载)与电阻值之间关系的例子的图表，该图表示出了五个缠绕纱线的测量结果。对于缠绕纱线，使用具有混纺比为70/30(聚酯纤维/不锈钢纤维)的纱线。缠绕纱线(300mm)的末端具有重物，使用图3所示的测量电路来测量缠绕纱线的电阻值的变化。在图3中，VCC表示恒定电压(5V)；R1表示金属膜电阻器(1kΩ)；以及Rx表示待测量的缠绕纱线的电阻。基于当VCC通过R1和Rx被分压时所获得的输出电压(Vout)来计算Rx的电阻值。使用水作为重物，以5g递增，直到150g。使用便携式示波器(欧姆龙公司生产的ZR-MDR 10)以200Hz的采样率来测量“Vout”。
如图2中所示，当负载的重量为约40g或更小时，所有缠绕纱线的电阻值随着负载的增加而显著减小。这表明缠绕纱线上作用的张力与电阻值之间存在关联。相反，当负载的重量为40g或更大时，几乎没有观测到缠绕纱线的电阻值发生变化。这表明电阻值的测量无助于唯一地确定负载的大小。
图4是示出作用于缠绕纱线上的负载与缠绕纱线的伸长率之间关系的例子的图表。基于缠绕纱线的自然长度来定义伸长率。当负载具有与电阻值的良好关联时，即，当负载的重量为40g或更小时，伸长率为1％或更小，如图4中所示。因此，当缠绕纱线单独用作电极时，难以精确地提取从与呼吸等有关的身体移动可以检测到的生物学信号。
另一方面，在本实施例的压力敏感导电纱线1中，具有上述属性的缠绕纱线4、6卷绕在由弹性纱线构成的芯纱线2上。因此，即使当身体移动所导致的大值张力作用于压力敏感导电纱线1上从而极大地伸长芯纱线2时，卷绕在芯纱线上的缠绕纱线4、6的伸长也可以相对被抑制。因此，检测到的压力敏感导电纱线1的整体伸长可以是缠绕纱线4、6的小的形变，这允许精确地检测与呼吸造成的身体移动等有关的生物学信号。
图5是示出根据本实施例的压力敏感导电纱线1的伸长率与电阻值之间关系的例子的图表。压力敏感导电纱线1具有原始长度100mm，并且以4％的增量测量直到20％的伸长率。按照上文所述的对单独的缠绕纱线进行测量的相同方式来测量电阻值，并且对于同一压力敏感导电纱线1进行3次测试。如图5所示，在伸长率达到20％之前，电阻值连续变化。这表明，与图2和4中所示的单独的缠绕纱线的结果相比，本发明的压力敏感导电纱线能够检测到伴随电阻值变化的更加明显的伸长率变化。
在本实施例的压力敏感导电纱线1中，各自具有不同卷绕方向的缠绕纱线4、6卷绕在芯纱线2上，从而抵消了扭矩，使得纱线稳定。此外，由于缠绕纱线4、6的接触点密度的变化，本发明的压力敏感导电纱线1比具有单重缠绕纱线的压力敏感导电纱线具有更高的灵敏度。然而，缠绕纱线可以单重卷绕在芯纱线上。在这种情况下，也可以通过相对于芯纱线而言抑制缠绕纱线的伸长来检测与身体移动有关的生物学信号。
此外，通过采用其中将具有伸缩性的材料用作芯纱线2的覆盖结构，芯纱线2的伸缩性得以稳定，这减小滞后并为缠绕纱线4、6提供足以用于整体形变的长度。由此，缠绕纱线4、6可在稳定的形变范围中得以使用，对比单独使用缠绕纱线4、6而不具备芯材料2的情况，这实现了稳定的检测。
<测量生物学信息的衣服>
在织物或编织物中形成上文所述的压力敏感导电纱线1，以获得片状电极。可以通过把电极缝到衣服上来获得测量生物学信息的衣服。
图6是根据本发明一个实施例的测量生物学信息的衣服的示意性结构图。图6中所示的测量生物学信息的衣服10用于同时测量心率和呼吸，并在衣服主体12内侧设置有两个探查电极(different electrode)14、16以及地电极(参考电极)18。优选地，衣服主体12具有由非导电材料(例如高弹性聚氨酯)制成的T恤衫的形式，并且具有某种程度的伸缩性，使得所设置的电极14、16和18容易地贴附到身体。
根据ECG系统的双极引线II，分别在右锁骨区域和左肋下区域上设置探查电极14、16，并且在左锁骨区域上设置地电极18。位于右锁骨区域上的探查电极14、位于左肋下区域上的探查电极16以及地电极18都是由图1中的压力敏感导电纱线1制成的织物，并且通过缝合等固定到衣服主体12。探查电极14、16的大小例如是约60×30(mm)。
为了减小来自商用电源的噪声的影响，可以在衣服主体12前侧、在与探查电极14、16相对应的区域处设置由压力敏感导电纱线1制成的编织物等作为屏蔽。此外，为了确保使用者的身体与探查电极14、16以及地电极18中每一个的贴合，可以在衣服主体12与探查电极14、16以及地电极18中每一个之间插入弹性体，例如聚氨酯泡沫。然而，该屏蔽和弹性体对于本发明来说不是必需的。
当测试对象穿着图6中的测量生物学信息的衣服10时，测量输出电压，该输出电压是探查电极14、16基于地电极18的电势差。将增益设为×510，并使用截止频率为0.05Hz的一阶高通滤波器(HPF)和截止频率为30Hz的四阶低通滤波器(LPF)。图7中示出了输出电压的示例。使用便携式示波器(欧姆龙公司生产的ZR-MDR10)来测量输出电压。可以把输出电压的值输入腕表式信息处理设备中，以对其进行显示和存储。
图7所示的输出电压包括基于心电图的心率信号以及通过呼吸的躯干移动所发生的呼吸信号。具体地，当左肋下区域上的探查电极16伸长或收缩而引起缠绕纱线4、6小的形变时，由于右锁骨区域上的探查电极14的差动，基线振荡。使用该信息，可以检测呼吸。
在进行测量时，通过HPF以0.8Hz对输出电压进行滤波而提取出心率信号，并通过LPF以0.8Hz对输出电压进行滤波而提取出呼吸信号。图8(a)和图9(a)分别示出了分开的心率信号和呼吸信号。
同时，测量心率信号和呼吸信号中每一个的参考信号。使用一次性电极(Ambu生产的蓝传感器)和呼吸拾取器(Futami ME生产的AP-C022)来分别检测心率的参考信号和呼吸的参考信号。使用Polymate(TECH生产的AP1524)同时测量和记录各信号。图8(b)和图9(b)分别示出了心率参考信号和呼吸参考信号。
图8(a)和图8(b)之间的比较、以及图9(a)和图9(b)之间的比较揭示出，心率信号和呼吸信号两者均具有与参考信号相类似的波形图案，这表明本实施例的测量生物学信息的衣服10能够同时检测心率信号和呼吸信号。
在本实施例的测量生物学信息的衣服10中，没有具体限定电极的位置和个数，而是可以根据测试对象的生物学信息和测量原理(例如肌电图和脑电波)而做适当的改变。此外，其上贴附有电极的衣服主体12的形式不限于T恤衫，可以根据电极的位置来选择任意的衣服或服装配件。在本实施例中，两个电极均使用本发明的压力敏感导电纱线而形成。然而，也可以使用本发明的压力敏感导电纱线来形成一侧的电极，即位于通过身体移动而伸长和收缩的区域上的电极。
除了使用电极的已知生物学信号测量之外，本发明的测量生物学信息的衣服能够同时检测由于身体移动(例如呼吸、肩关节的移动、躯干的倾斜、感到满腹或吞咽时颈部的移动，等等)而导致的生物学信号。因此，本发明特别适用于该目的。

Claims (4)

1.一种压力敏感导电纱线，包括由弹性纱线形成的芯纱线，具有导电性的缠绕纱线卷绕在所述芯纱线上，其中
所述缠绕纱线是导电纤维和非导电纤维的混纺纱线，以使所述缠绕纱线的电阻值随着伸长或收缩而发生变化。
2.如权利要求1所述的压力敏感导电纱线，其中，所述缠绕纱线双重地卷绕在所述芯纱线上，第一重卷绕方向与第二重卷绕方向相反。
3.一种测量生物学信息的衣服，包括按照与身体紧密接触的方式设置在由非导电材料形成的衣服上的电极，其中，使用如权利要求1或2所述的压力敏感导电纱线来形成所述电极。
4.如权利要求3所述的测量生物学信息的衣服，其中，能够根据来自所述电极的输出信号来同时提取心率信号和呼吸信号。
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