CN1882280B - 针织传感器设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种针织传感器设备(10)，包括具有至少一个传感区的针织结构，其中传感区是用导电纤维针织的，使得针织结构的变形引起传感区电特性的变化。本发明也公开了一种具有这种整体传感器的衣物。

Description

针织传感器设备
技术领域
本发明涉及传感器设备，特别是针织传感器设备以及具有该针织传感器设备的衣物。
背景技术
在很多应用中需要将传感器定位在人体上或人体附近。这些例子包括心电图(electro cardiogram：ECG)、血压和温度测量，以及监视其它生命体征。应变片用于监视胸部扩张。使用这些传感器是费时的，并且需要非常熟练的人员执行这项任务，特别是在保证传感器彼此之间需要按特定方式定向很重要时。并且，一般地，仅仅可能的是当受检者位于规定设施时进行测量，例如医疗机构。此外，将传感器装在主体上的传统方法可以引起受检者不舒服。国际专利公开WO02/40091和WO03/094717披露了基于织物的传感器，包括针织传感器。但是，上述织物传感器存在一些其中所描述的问题。并且，在上述二个情况中，将传感器耦合到外部检测系统的方式相当繁琐，需要大量制造/组装步骤。
发明内容
本发明克服上述问题，并提供新型的柔性传感器，其便于制造，并可以容易地结合到可穿戴的衣物中。
根据本发明第一方面，提供一种针织传感器设备，包括具有至少一个传感区的针织结构，其中传感区是用导电纤维针织的，使得该针织结构的变形引起该传感区的电特性变化。
这些传感器设备是柔性的，结构强度高，并且便于制造和使用。很多类型的装置，例如应变测量、接近检测和温度测量的传感器，以及针织麦可风和天线，可以由本发明提供。
有利的是，该传感区的第一和最后经线是由导电纤维针织的，所述导电纤维用作针织传感器设备的连接引线。这种设计是优选的，因为它使用诸如平型针织机的针织机而使针织传感器设备能够在一次操作中完成针织。此外，针织传感器设备可以在一次针织操作中构造作为诸如衣物的较大的针织结构的一部分。连接引线(用于为装置供电以及传输来自装置的检测信号)也可以在一次针织操作中容易地结合在结构中。
传感区可以与从线圈(stitch)、横褶圈(tuck loop)和浮丝(float)组成的组中选择的结合元素相结合来针织。
在一些实施例中，导电纤维包括弹性导电纱线。在这些实施例中，当装置弯曲时很小有纤维重新分布，使诸利用如金属线的非弹性导电纱线针织的传感器的响应特性不同。有利的是，当用弹性导电纱线针织装置时没有残余应变或残余应变很小。这是因为，当传感器设备的应变去除后，装置可以返回到可重复结构。
传感区可以用多种导电纤维针织，每种类型具有不同的电阻率。
导电纤维的例子是聚合物或金属纤维。金属纤维的例子是纤维和铜纤维。
装置可以是电阻针织传感器设备，其中针织结构的变形引起传感区电阻的变化。此装置可以作为应变片工作，其中的装置：
传感区是用导电纤维和不导电纤维针织的；以及
在传感区的导电纤维沿公共方向延伸。
导电纤维可以沿传感区的经线方向延伸。
导电纤维可以结合在传感区，例如作为纤维、横褶和浮丝布置。
电阻装置可以是电阻位移针织传感器设备，其中针织结构从松驰构造的位移引起传感区电阻的变化，该变化与位移有函数关系。传感区可以包括：
与导电纤维一起针织形成的传感部分；以及
与传感部分电连接的多个电触点，电触点包括导电率高于传感区导电纤维的导电率的针织导电纤维。
装置可以是电感针织传感器设备，其中针织结构的变形或运动引起传感区电感的变化。电感装置可以是基本圆柱状的电感螺线管针织传感器设备。传感区可以是由导电纤维和不导电纤维针织的。导电纤维可以置于螺线管外部，不导电纤维置于螺线管内部。
装置可以是电容针织传感器设备，其中针织结构的变形引起传感区电容的变化。传感区导电纤维可以定义多个隔开的电极。电极可以是同心的、交叉指型的或平行板状的电极。在后一种情况下，传感区可以进一步包括在平行板电极之间延伸的不导电纤维的一个或多个针织层。
针织传感器设备可以包括多个针织层。
根据本发明第二方面，提供一种包括多个根据本发明第一方面的针织传感器设备的结构。
根据本发明第三方面，提供一种检测系统，包括：
至少一个根据本发明第一方面的针织传感器设备；
为针织传感器设备提供电信号的电源装置；以及
监视针织传感器设备电特性的检测装置。
检测系统可以包括多个针织传感器设备，其中检测装置适于得到与针织传感器设备相对空间方位有关的信息。检测装置通过比较针织传感器设备的监视电特性，可以得到与针织传感器设备相对方位有关的信息。
可以监测多个频率下的电特性。通常，在这些实施例中，根据频率，测量电特性。可以在1到1000Hz，优选地在5到500Hz范围内在多个频率下监测电特性。这些频率对于ECG测量特别有用。
电阻抗是可以监测的电特性的一个例子，也可以监测其它的电特性，例如DC电阻和电容。
检测装置可以从监测的电特性产生ECG。
根据本发明第四方面，提供一种包括至少一个根据本发明第一方面的针织传感器设备的衣物。这些衣物具有在其所要求的位置原位存在的传感器。这样，一旦制成衣物，则自动实现传感器与衣物穿戴者身体的正确对准，因此不熟悉的使用者不需要技术指导即可穿着该衣物。数据可以摇控传输，例如通过遥测装置，并且这样受检者不必要处于医疗机构的附近。本发明的衣物方便、强度高，甚至可以洗涤和重复使用，而不需要技术人员关注。本发明的衣物可以用在医院环境中，并且也可以用于体育领域，以从穿戴衣物的患者/人员收集数据。有优势的是，针织传感器设备可以在制造过程中集成在针织衣物中。此外，由于具有很多优点，例如良好的拉伸恢复性、优异的悬垂性(提供优秀的皮肤接触)以及好的透气性(由针织结构的空气透过性提供的)，本发明的针织结构希望用于衣物中，特别是内衣。该衣物可以包括多个针织层。在此方面应注意，对于本发明的目的，衣物，例如具有单层前部和单层后部的背心，并不认为是具有两层。相反，将这认为是一层衣物，但可以描述为(1+1)层衣物。具有m层前部和n层后部的衣物被描述为(m+n)层衣物。并且，为了避免疑问，需要注意的是，在本发明的上下文中，折叠层针织织物，例如WO 03/09471中所述的，将被认为是单层，而不是两层结构。针织层可以形成为集成针织结构，具有存在于针织层中的针织传感器，作为针织结构的一部分。
衣物可以包括具有至少一个针织传感器设备的第一针织层，以及第二针织层可以用导电纤维针织，作为针织传感器设备的连接引线。
衣物可以包括三个或多个针织层。衣物可以包括：
具有一个或多个针织传感器设备的第一针织层；
第二针织层；以及
具有一个或多个针织传感器设备的第三针织层。
第二针织层可以适于屏蔽从第三针织层的针织传感器设备发出的或进入其中的电信号。第三层的针织传感器设备可以是电感针织传感器设备。有优势的是，衣物是无缝的。
根据本发明的第五方面，提供一种制造衣物的方法，包括步骤：在同一针织操作中，针织：
具有至少一个针织传感器设备的第一针织层，针织传感器设备包括具有至少一个传感区的针织结构，其中利用导电纤维针织传感区，使得针织结构的变形引起传感区电特性的变化；以及
与第一针织层集成的第二针织层，其中利用导电纤维针织第二针织层，作为针织传感器设备的连接引线。
该方法有很大优势：在一个制造步骤中，提供具有正确方位、对准和相对位置的部件的衣物。
有优势的是，衣物在平型针织机上针织。也可以使用其它形势的针织，例如圆纬编和经编。有优势的是，针织无缝衣物。
根据本发明第六方面，提供一种从患者获得ECG的方法，包括以下步骤：
提供包括多个针织传感器设备的衣物，其中每个针织传感器设备包括具有至少一个传感区的针织结构，其中传感区是用导电纤维针织的，使得针织结构的变形引起传感区电特性的变化；
将所述衣物穿到患者身上；
将适于进行ECG测量形式的电信号供应到针织传感器设备；以及
监测针织传感器设备的电特性，以便得到ECG。
实际上，通常使用至少三个针织传感器设备。
附图说明
下面将参考附图说明根据本发明的针织传感器设备、具有这种针织传感器设备的衣物、具有这种针织传感器设备的检测系统，以及包括多个针织传感器设备的结构。在附图中：
图1表示多个电阻应变片；
图2表示应变传感器的等效电路；
图3表示针织电阻位移传感器；
图4表示图3传感器中导电纱线的几何路线；
图5表示线圈(a)以及线圈的四个电阻等效电路(b)；
图6表示等效电阻网电路；
图7表示螺线管传感器；
图8表示图7螺线管的阻抗特性；
图9表示手指上三个螺线管传感器排列的示意图(a)和照片(b)；
图10是电容接近度传感器的平面图；
图11是电容应变片的平面图；
图12表示平行板电容传感器阵列的透视图(a)和剖视图(b)；
图13是受检者所穿的(1+3)层衣物的剖视图；
图14表示受检者所穿的(3+3)层衣物中的层的正视图(a)，(3+3)层衣物的剖视图(b)和顶视图(c)；
图15表示(1+3)层背心的透视图(a)和分解图(b)；
图16表示针织过程中贴边的排列；
图17是三层贴边的针织顺序；
图18表示在背心右织边上形成一层的针织和转移顺序；
图19表示在背心左织边上形成三层的针织和转移顺序；
图20表示肩部带的滚边和定形的针织和转移顺序；
图21表示成形背心左中部颈开口的三层的针织和转移顺序，也用于接合前和中嵌料；
图22表示成形背心右中部颈开口的三层的针织和转移顺序，也用于接合前和中嵌料；
图23表示完成三层背心主体的针织顺序的针织和转移顺序；
图24表示针织在背心中层的传感器设备的示例布局；
图25表示一个传感器设备例子的针织顺序；
图26表示皮肤/电极界面的等效电路；
图27表示测量结构的等效电路(a)以及电极系统的等效电路(b)；以及
图28表示使用针织电极得到的ECG信号。
具体实施方式
本发明提供柔性传感器，可以用于佩带电子设备领域。本发明提供表现为传感器的针织结构，例如，是由导电聚合物、金属和智能纤维制成的。制造这些传感器可以使用平型针织、圆型针织和经编技术。
下面将说明传感器的各种非限制性分类。
电阻纤维网传感器
针织传感器是使用导电纱线制造的。制造传感器的基本方法是用导电纱线针织预定面积的基本针织结构。上述面积在下文中定义为导电区(Electro Conductive Area：ECA)。尺寸、形状和结合单元(线圈、横褶圈、浮线以及布置纱线以及它们在基底针织结构中的组织，决定了ECA的综合电特性，以及其对针织结构之结构变形的响应。ECA电特性的这种变化决定针织传感器的类型及其功能。
针织传感器的一个可测量的电特性是ECA的电阻及其变化。电阻变化可以用两种不同的方法检测。一般地，当针织结构变形时，结构变形是由于纱线变形和/或线圈的纱线接触区之间的滑动(线圈是针织结构的基本部分)引起的。纱线变形可以是由于拉伸、弯曲、扭转和压缩引起的。获取针织电阻应变片电阻的第一方法是仅仅考虑针织结构中引起电阻变化的导电纱线长度变化。
第二方法是考虑ECA中引起电阻变化的线圈结构变形。在小载荷下，这起到电位计的功能，因此我们将之定义为位移传感器。但本发明并不限于上述两种建议的操作模式。
电阻应变片
使用导电弹性纱线(例如，碳填充的纤维线，通常的比电阻为5-6kΩ/cm)和不导电基底纱线(可以是弹性纱线)，可以将针织电阻应变片制成单独的针织层。基底针织结构是使用不导电纱线制成的，导电纱线按预定结构设置在基底结构的线路方向，这可以是矩形、正方形、三角形、圆形或椭圆形的几何形状。图1表示使用这些原理制造的多个针织传感器设备10。
由于上述结构，很可能电阻变化仅仅是由于导电纱线拉伸造成的。如果应变传感器的基底结构是条形花纹(rib)、两面针织(interlock)或衍生物(derivative)，则导电弹性体结合在针织结构中作为布置纱线；并且导电弹性体可以按横褶圈和浮线的形式结合在平纹(plain)、罗纹(purl)或衍生物中。在图1中，结构10是用白色不导电纱线和黑色布置导电纱线织成的。黑色导电纱线还延伸到针织传感器设备10以外，作为连接引线12。
考虑到导电弹性纱线的几何路线，可以将应变传感器的等效电路模型化。由于导电弹性纱线固定在不导电纱线织成的基底结构的线路(线圈行)中，因此布置导电弹性纱线在基底结构中是电绝缘的，即布置弹性纱线之间没有交叉连接。因此，电路与布置导电弹性纱线的几何路线相同。假定从导电弹性体两端(图2)供电，就可以算出等效电阻。当沿Y方向拉伸结构时，导电弹性纱线的电阻将随拉伸的增大而增大。
导电弹性体的电阻为：
R＝ρL/A........................................(1)
其中ρ是导电弹性体的电阻率；
L是布置导电弹性体的长度；以及
A是导电弹性体的横截面积。
电阻位移传感器
电阻位移传感器可以用诸如聚合物和金属纱线的导电纱线制成。位移传感器的功能是基于ECA的电阻变化。聚合物纱线用于制成ECA，以获得所需的电阻变化(由于其高的比电阻率)，而诸如不锈钢的金属纱线用于为ECA供电。ECA的变形引起其电阻的变化。如果为ECA供电，则这个变化将产生电信号。
一般地，为针织结构定义两个明显不同的结构变形。在针织结构变形的早期，纱线在线圈中自由运动。第二阶段的定义是由于纱线在线圈接触区的阻塞形成的，在此阶段，纱线不再在结构中自由运动。对ECA电阻变化贡献更大的部分将取决于导电聚合物纱线的机械特性和表面形貌以及造成针织结构变形的载荷。对于小载荷，线圈的变形主要由于纱线自由运动，因此传感器可以用于测定位移。另一方面，对于较大载荷，即，当纱线阻塞时，针织结构的变形来自于纱线变形(弯曲和拉伸)，并且传感器作为应变片。
图3表示针织位移传感器32的一个例子。装置30包括单独的针织层，但也可以提供多层装置。传感器的基底结构32是平纹针织结构。基底结构32是用不导电纱线针织的，并且矩形ECA 34是用导电单丝纱(1-10Ω/cm)针织特定数量线圈纵向(n)和特定数量线圈横列(m)形成的。使用高导电纱线(不锈钢1-5Ω/cm)针织形成的两列平行轨线36为ECA34供电。
图4所示的ECA 34的电阻取决于：
●导电材料的电阻率；
●线圈横列数量(m)和线圈纵行数量(n)；
●线圈的几何纱线路线；
●供电方向。
为了计算ECA的电阻，需要考虑其基本构成块，即线圈。图4表示线圈结构的平面图。任何花纹结构是通过物理缠绕纱线形成的，并且在针织结构的情况下，这是通过相互连接纱线形成的圈实现的，从而形成四个纱线接触区。纱线接触区的力学很复杂，并且针织结构的行为仍未完全理解，但这不影响此装置作为传感器的有效性。当针织结构处于完全放松状态时，纱线接触很可能是线接触，但是，当施加平面力时，由于纱线的可压缩性，不得不将纱线接触认为是面接触。因此，假定纱线接触区是可以作为电阻网络中的节点的短路点是合理的。线圈具有四个接触区或接触点。因此，线圈的DC等效电路可以使用线圈这四个节点之间的导电片段(在编织术语中称为头、腿和脚)的电阻形成。导电片段的长度是考虑线圈的纱线路线几何计算的。因此，线圈的DC等效电路可以用四个电阻定义：两个相等的代表头和脚(RH)的电阻、和两个相等的代表两个腿(RL)的电阻。线圈的DC等效电路表示在图5(b)中。通过重复构成图5(b)所示电阻网的线圈四个电阻等效电路模型，可以将ECA的总电阻模型化。在给定的供电结构下可以计算ECA的总等效电阻。
当ECA沿线圈纵行方向受力时，RL增大并且RH减小，这是由于接触区的纱线自由运动以及形成线圈腿的纱线片段拉伸、形成线圈头的纱线片段压缩造成的。实际机理取决于结构动力学。上述纱线片段的长度计算使用平纹针织结构的几何模型，它表明了给定载荷条件下结构的变形。接着，使用纱线片段的长度延伸计算电阻。例如，对于图4所示的ECA，总等效电路的供电结构如下所述。ECA的总电阻是利用构成等效电阻网(图6)的每个单胞(线圈)的RL和RH值计算的。
将网格(Mesh)理论用于计算网(ECA)的等效电阻。
Vm＝ZmIm.............................................(2)
Im＝Zm-1Vm..........................................(3)
Req＝1/z-1(1，1)....................................(4)
其中，Vm和Im分别是电压和电流矢量；
Zm是网阻抗矩阵；
z-1(1，1)是Zm-1第一单元。
当结构变形时，计算ECA的新电阻和电阻变化ΔR：
ΔR＝Req-Req1
其中，Req1是在松驰条件下结构的初始电阻。
电感纤维网传感器
电电感变片
在一个实施例中，使用导电纱线和不导电纱线针织螺线管，为了获得所需的弹性，优选使用诸如Lycra或Spandex的弹性纱线。结构可以是针织成管状的基本针织结构或其衍生物的任一种或者是它们的任何组合。导电纱线可以是聚合物线或金属线，但是优选的是电阻很低的线。图7表示由铜(Cu)线制成的螺线管70的一个例子。这两种线(铜线和弹性线)是使用辫绳(plaiting)技术针织的，即纱线输送到针织针的方式是，导电铜线出现在针织管(螺线管)的外层，以及弹性线出现在内层(侧)。导线从螺线管70延伸出来，作为连接引线72，连接到适合为螺线管70通电以及检测螺线管70电感特性变化的装置。
阻抗特性是在静态和动态力学加载条件下分析的。由此得到的结果表示在图8(a)和8(b)中。在松驰状态下的电特性表现出典型的高通过滤器特性。截止频率是103kHz，因此为了更好的特性，在1MHz下驱动螺线管传感器来测量应变，即在应变片模式下。
电感位移传感器
上述螺线管结构可以用作位移传感器。但是，为了得到较低的自感变化，针织结构需要做得更加稳定。优选地，使用μr较高的材料，例如不锈钢线(其μr值是铜的1000倍)，或者代替铜线，增大螺线管的电感。这提高了传感器的分辨率。基本原理是将一个阵列的螺线管针织在衣物中(最少是两个)的特定位置。图9给出一个相当简单和非限制性的例子，其中表示获取手指姿势的三个螺线管90、92、94的排列。使用更多数量的螺线管(或其它电感传感器设备)也在本发明范围内。S1、S2和S3表示三个针织的螺线管90、92、94。
可以使用两种方法检测角位移(α，β)。在第一方法中，检测互阻抗变化；在第二方法中，使用电磁电感变化。检测是使用一对螺线管进行的。对于图9所示的例子，螺线管S1和S2作为第一对，以及螺线管S2和S3作为第二对。两对螺线管交替供电。第一对由于手指弯曲产生的互感变化用于测量角位移α。同样地，第二对用于测量角位移β。这两对螺线管在1MHz下供电，采用时分复用技术测量两对螺线管在10Hz频率下的读数。
在第二方法中，首先，对螺线管S1供电，测量螺线管S2和S3中感生的电压。接着，对螺线管S2供电，测量螺线管S3和S1中感生的电压。最后对螺线管S3供电，测量螺线管S2和S1中感生的电压。由这些数据计算角位移α、β。
将针织螺线管阵列集成在针织衣物中(优选地，使用无缝针织技术)，可以检测(测量)肘和膝的运动。同样地，在制造手套时将螺线管阵列针织在手套中，可以检测手指运动，从而为PCS、音乐、游戏和其它适合的用途提供生成虚拟键盘的平台。
电容纤维网传感器
可以制造出电容针织传感器设备，并且可以在基底结构上针织该传感器的阵列。基底结构可以利用不导电纱线针织，并且可以使用导电纱线在基底结构中形成电极，优选的是低电阻纱线，例如不锈钢线或铜线。结构的变形引起电极的位移，电极的电容变化用于测量机械应变、触摸、位移和接近度。
电容接近度传感器
触摸或接近度传感器100的结构表示在图10中。电容接近度传感器100是用两个针织层构成的(多层结构)。传感器包括两个同心电极102、104、补偿电极106以及基底针织结构108。电极102、104、106针织在一层上，它们的接头针织在第二层上(电极所在层的下面一层)。所述的接近度传感器也可以用作智能衣物的柔性开关。
针织电容应变片
图11表示一个电容应变片110，其中包括交叉指型电极112、114以及由不导电纱线针织的基底结构116。应变片110可以制造成单独的针织层。
通过将电极112、114排列成图11所示(称为“梳”状电极结构)，可以测量针织结构的结构变形。结构变形可以由结构的机械加载造成。为了提高应变传感器110的特性，可以使用不导电的弹性纱线针织基底结构116。
针织平行板电容器
平行板电容传感器可以使用多层针织结构制成(这也称为间隔结构)间隔结构包括两个独立的平面针织结构，二者之间通过单丝纱相互连接。间隔结构可以方便地在现代电子平型针织机上使用三个不同纱线(纱线载体)进行针织。针织制造平行板结构的优点是特定尺寸、形状的针织电极的容量以及在接地结构内的精确定位。电极板是使用导电纱线通过将它们分开针织成单独的平面针织结构形成的，板之间的空间是通过针织高模量不导电单丝纱形成的。电容阵列是根据预定栅格将电极针织成单独的平面针织结构形成的，从而将导电板绝缘。当构成传感器时，重要的考虑是选择具有类似力学特性的板面纱线。有优势的是，整个结构是在一次运转时针织的。图12表示包括电极板122的平行板电容传感器120的阵列。由不导电纱线制成的基底层124在电极板122之间延伸。
针织电极等效电路的模型化
当电极接触皮肤并且在它们之间形成电界面时，形成的界面具有两个部分：1)在电极和电解液之间；以及2)在电解液和皮肤之间。
第二部分主要取决于表皮层，表皮层包括三个亚层。该层不断自我更新。细胞在称为“生发层”的最深层分裂和生长，并且随着新生成的细胞在下面的生长，新生成的细胞向外移动。当新生成的细胞越过“生发层”时，它们开始死亡并失去它们的核物质。在其向外的行程中，新生成的细胞进一步退化成扁平的角质层，从而形成“角质层”。该层包括死亡细胞，因此表皮层是不断变化的皮肤层。这样，当去除“角质层”时，它将在24小时内重新生成。较深层的皮肤包括皮肤的血管和神经部分、汗腺、汗管和毛囊。
皮肤电极界面的等效电路表示在图26中，其中
Ehc是电极和电解液界面之间的半电池电位；
Cd是电极电解液界面的电容；
Rd是电极电解液界面的漏电阻；
Rs是电解液电阻；
Ese是电解液和皮肤之间的半电池电位；
Ce是皮肤电解液界面的电容；
Re是电解液皮肤界面的漏电阻；
Ru是真皮和亚皮层的电阻；
Ep是汗腺、汗管和电解液的半电池电位；
Cp是汗腺、汗管和电解液界面的电容；以及
Rp是汗腺、汗管和电解液界面的漏电阻。
ECA系统的等效电路是用串联的电感(L)和电阻(R)修改公知的Cole-Cole模型得到的。这表示将ECA连接到预处理单元的电路阻抗。块状部分Rd、Rs、L、R和Cd是通过分析ECA系统的阻抗谱确定的。测量两个电极之间的阻抗。电极面积选定为2.5×2.5cm2(当然，此面积没有限制)。测量装置的等效电路表示在图27(a)，包括预放大器270和针织电极272。皮肤组织和有效ECG源分别表示在274和276。
电极系统的总阻抗可以表示为图27(b)所示的等效电路。根据Danchev和Al Hatib的描述，各个分量是经验估计的(Danchev，S.，andAl Hatib，F.，“Non linear curve fitting for bio electrical impedance dataanalysis：a minimum dllipsoid volume method”Physiologicalmeasurement 20(1999)N1-N9，其内容在此引用作为参考文献)。
确定电极-皮肤-电极的阻抗
为了测量阻抗，制造了一个集成有电极的袖子。在此例子的无缝针织袖中，电极(接触面积2.5×2.5cm2)相距5cm。不进行皮肤穿刺。电极连接到阻抗分析仪，在ECG频谱内测量阻抗，即在5-400Hz。
当前测量ECG的医疗实践是将金属电极贴在病人皮肤上。在贴电极之前，将一薄层导电凝胶涂在电极表面，以便提高皮肤-电极界面之间的导电性。研究本发明的ECA特性也用此实践，即使用一薄层导电凝胶，进行阻抗测量，结果表明，幅度在7-9kΩ之间，相位角变化在-35°到-65°之间。
ECA系统得到的ECG信号的一个例子表示在图28中。此信号对于早期诊断具有足够的质量。可以清楚地以波形的形式看出PQRST分量，偶尔也看到U波。
也可以不使用导电凝胶进行测量。阻抗的大小，对于频率范围20-40Hz，在1.4MΩ到200kΩ的范围内。相位角在-55°到-75°范围内。ECG信号可以用此系统恢复。由于诸如针织结构变形等人为因素和线路干扰，在“原始”ECG信号中观察到一定量的噪音。信号处理技术可以有利地用于消除这些人为因素和干扰，从而提高ECG信号的质量。
具有针织传感器设备的衣物
可以制造具有上述类型针织传感器设备的宽范围的衣物。例子包括手套、拳击手套、袜子、裤子和短裤。特别有用的例子包括上身的衣物，例如背心、羊毛衫、衬衫等等。图13表示具有针织传感器设备的背心130的剖视图。背心的背部由单一的针织层132构成。相反，背心的前部是由三个单独的针织层制成的，即第一层136、第二层138和第三层140。在一定示意性方式下，图13还示出背心穿戴者的身体134。我们将图13所示的背心描述为(1+3)层衣物。不同的传感器可以针织成不同的层。在一个优选的、但非限制性实施例中，将适于ECG测量的传感器针织成第一层136，即，靠近穿戴者皮肤的一层；并且诸如应变片的传感器可以针织在第三层140中。需要注意的是，优选地将电感针织传感器结合在衣物中。为了提高信噪比，在诸如1MHz或更高频率下为这些传感器供电。这些高频的信号对人体是有害的，因此图13所示的结构是有利的，其中在第三层140和穿戴者134之间具有第二层138。第二层138起到屏蔽穿戴者与高频信号的作用。另外，或者可供选择的是，通过提供与第一和/或第三层136、140的传感器连接的连接引线，第二层138具有另外有用的功能。这些连接引线包括形成第二层138部分针织的金属纱线。特别是，第二层138的针织列(线圈横列)可以包括金属线。应注意的是，需要使ECG测量的生物电位电极接触皮肤，但其连接引线不需要这样。因此，当第一层136中的传感器是生物电位电极时，图13所示的结构特别有利。传感器通过连接引线连接到适合的电源/检测器装置。这些装置是本领域公知的，因此这里不再进一步解释。
图14表示与图13实施例相关的一个实施例。图14实施例的不同在于，背心的前部和背部都是由三个针织层制成的。因此，使用我们的术语，图14表示(3+3)层背心。背心的前部和后部包括第一针织层142，其中具有多个传感器作为部分针织结构；第二层144，其中具有导电纱线作为背心中传感器的接头；以及第三针织层146，其中具有另外的传感器作为部分针织结构。在一个优选的、但非限制性实施例中，第一针织层142的传感器是电极，第三层146的传感器是应变片。图14还表示出，在一定示意性方式下，背心穿戴者的身体148。背心的主要部分是使用传统不导电纱线针织的。Lycra是适合纱线的一个例子，但很多其它的例子对本领域一般技术人员是公知的。
无接缝总共三层(1+2层)并针织传感器的时装背心
图15表示三层时装背心衣物150，它具有后层152、中层154和前层156，没有接缝而针织传感器(传感器)，例如，用于获取ECG心脏读数和呼吸读数。此衣物可以用于医疗环境，还可以是体育领域，用于从穿戴衣物的患者/人收集数据。该衣物也可以由不熟悉的操作者清洗、穿着和穿戴，因为传感器已经针织在衣物中，处于其正确位置，因此不需要特殊的排列或处理。
使用三个单独的滚边(welt)，每层织物一个，使最终背心上没有毛边，消除了这些织物三个边缘的锁定。
下面是这三层滚边的针织顺序。
拉拔线从三个滚边中分出梳状废物。每层背心衣物从其自己的滚边开始，从而没有毛边。
每个滚边包括前针床上四个线圈中的一个以及后针床上四个线圈中的一个的一个针织线圈横列(图17滚边开始)。下一个针织线圈横列准确地针织相同的针布局，但仅在后针床上(图17管状后部)，并且下一个针织线圈横列准确地针织相同的针布局，但仅在前针床(图17管状前部)。如果需要，可以重复这两个线圈横列。接着针织相同的针布局作为滚边开始线圈横列，结束操作。后床的针环现在转移到前针，从而它们不碍事，允许第二滚边开始。
此第二滚边按与第一滚边相同顺序针织，但除了环布局开始一针到左侧，最后针织的前环转移到后针，这允许在两个织物外层内针织第三滚边。
第三滚边也按与第一和第二滚边相同顺序针织，这也开始一针到具有后环的左侧，但前环针织在与第二滚边后环相反的空针上。此滚边顺序结束后，最后针织线圈横列的前环转移到后侧。
为了得到时装三层背心衣物，除了臂和颈的开始之外，需要连接前、中和后板织物，此处后板仍必须分离直到肩部的滚边(bind off)。
下面是背心右织边上所有三层样式以及前和后板接合的针织和转移顺序。参考图18。
当主体针织顺序结束后：
阶段1：右手后环(背心中层)从织边转移两针到左侧，以使针能从背心前层接收环；
阶段2：右手前环(背心前层)在接地位置直接转移到后侧。接着，此相同的环从织边转移到左侧两针；把前层的第二前环并圈，这完成前层的成形；
阶段3：将右手后环(背心后层)沿接地位置直接转移到前面当前的空针上。接着，将此相同环从织边转移到左侧两针，从织边将第二针环并圈。这完成后层的成形；
阶段4：在开始(阶段1)运动使其它环转移的针，此时转移到原始右织边针环顶部的左侧。这完成中层的成形。
以下是成形背心左织边所有三层的针织和转移顺序，并且也用于接合前和中嵌料。参看图19。
当针织顺序结束后：
阶段1：将背心中层左织边的第一环转移到前侧空针上两针到右侧，这使针可以从前层接收环。
阶段2：将前层左织边的第一环转移到接地位置的后侧。接着，与后层第一环一起转移两针到右侧。这完成前层成形和半个后层的成形。
阶段3：中层在阶段1转移的第一环此时转移到后侧，从左织边将第二针环并圈。
带的滚边和定形是朝向肩后部，这使双层织物带穿过肩部，有助于背心穿着时的舒适。参看图20。
以下是肩部带的滚边和定形的针织和转移顺序：
阶段1：从左开始在后针床上将主纱线针织三个奇数针，接着朝左针织相同三针出来(图20)。
阶段2：主纱线从左针织两个偶数针进入，并留下纱线导纱机在滚边区右侧(图20)。
阶段3：将左侧第一针此时转移一针到右侧，这将左针环并圈到前针床上(图20)。
阶段4：从前针床的奇数针开始，中层左侧的一环此时转移到后侧接地位置(图20)。
阶段5：主纱线从右侧开始在前侧针织三个偶数针，接着朝右侧在后侧针织三个奇数针，留下纱线导纱机在滚边区右侧(图20)。
阶段6：前层的左环转移到后侧接地位置的空针(图20)。
阶段7：先前阶段6转移的左前层环以及左后环将右侧两针转移到前针上(图20)。
阶段8：前针床上从左侧开始的第二环转移到后侧接地位置，将后层的左手环并圈(图20)。
以下是成形背心左中部颈开口的所有三层的针织和转移顺序，也用于接合前和中嵌料。参看图21。
当主体针织顺序结束后：
阶段1：右手中后环(背心中层)从左中织边转移两针到左侧，这使针可以从背心前层接收环(图21)。
阶段2：右手中前环(背心前层)在接地位置直接转移到后侧。接着，相同的环从右中织边转移两针到左侧；将前层的第二前环并圈，这完成前层成形(图21)。
阶段3：右手中后环(背心后层)在接地位置直接转移到此时前侧的空针。接着，此相同的环从右中织边转移到左侧两针，从滚边将第二针环并圈，这完成前层成形(图21)。
阶段4：在开始(阶段1)运动使其它环转移的针，此时转移到原始右中织边针环。这完成中层的成形(图21)。
以下是成形背心右中部颈开口的所有三层的针织和转移顺序，也用于接合前和中嵌料。参看图22。
在针织顺序结束后：
阶段1：背心中层右中织边的第一环转移到前侧空针上两针到右侧，这使针可以从前层接收环(图22)。
阶段2：前层右中织边的第一环转移到接地位置后部。接着，与后层两针的第一环转移到右侧。这完成前层成形以及半后层成形(图22)。
阶段3：中层的阶段1转移的第一环此时转移到后侧，将从织边的第二针环并圈(图22)。
以下是完成三层背心主体的针织顺序的针织和转移顺序。参看图23。
阶段1：第一导纱机仅在前床(织物前层)针织偶数针。
阶段2：第二导纱机仅在后床(织物中层)针织偶数针。
阶段3：中层环此时转移到前针床一针到左侧，这使后层针织中。
阶段4：第三导纱机针织后侧的奇数针(织物后层)。
阶段5：中层环此时转移到后针床一针到右侧，这使中和前层针织。
图24表示针织在衣物中层242中的传感器240的示例布局，其中传感器针织在所需的任何位置。
以下仅是一个衣物例子的针织顺序。参看图25。这仅是一个例子，由于传感器可以根据纱线类型以及从中所需的信号针织成不同形状，例如圆形、长方形或正方形。根据最终用途可以使用不同类型传感器。背心中层用于容纳传感器，因为它靠近皮肤，背心的前层用于传感器纱线进出，因此被中层绝缘。传感器接头引线用高导电纱线(比电阻低)针织，这些针织的行(列)形成集成电路的导电路线。
阶段1：背心的主要三层此时处于后针床上后和中层的正常位置，前层在前针床上。此时，具有传感器纱线的导纱机在前层前针从右到传感器位置开始进行针织或打褶(在这种情况下)，并在中层后针仅针织传感器开始宽度(图25)。
阶段2：此时，具有传感器纱线的导纱机针织到右侧，然后到左侧，接着选择执行所需的选择，针织所需的传感器形状或类型(图25)。
阶段3：当传感器已经针织完成，接着具有传感器纱线的纱线导纱机针织到传感器右侧，然后针织或打褶(在这种情况下)到右织边(图25)。
本发明的非限制性优点和特征如下：
●使用电子平型针织技术制成无缝多层衣物，使衣物针织有一个不同传感器的范围，例如电极、应变片、温度测量用的热电偶、接近度传感器(电容传感器)、针织麦可风和天线。上述传感器和电极可以针织成不同的衣物层；
●传感器和电极的阵列可以针织在衣物中，从而使用智能软件选择最佳特性的传感器和电极；
●传感器、电极及其连接引线(导线)可以针织成一个集成的针织结构，可以是单层或多层的(两层或多层)。对于电极，检测片(电极)可以针织在一层上，连接引线(导线)可以针织在下一层上。这可以通过电子平型针织技术达到；
●嵌花和提花技术可以用于制造传感器、电线和导线。这可以针织不同几何形状和尺寸(矩形、圆形、椭圆形)的电极和传感器。电子平板技术也使可以针织不同几何形状和尺寸的传感器和电极阵列，使我们测量不同物理量；
●针织诸如多层背心的概念，使健康监视系统作为集成电路生成。多层技术也使我们将微电子电路和/或元件结合在层间；
●衣物可以制造有接头、传感器、电极、天线和电子屏蔽作为一个结构(复合3D无缝针织结构)；
●电极和传感器可以针织在衣物的前层和后层。不同的传感器和电极位于不同位置，从而获取最佳质量信号。
在本发明的范围内，上述实施例有很多变化。例如，衣物可以具有其它的针织层。在另一个变化中，衣物和/或传感器可以是编织的，而不是针织的。

Claims (37)

1.一种包括针织结构的针织传感器设备，该针织结构具有至少一个传感区，其中该传感区是利用导电纤维针织的，使得该针织结构的变形引起该传感区的电特性的变化，在该针织结构中，该传感区的第一和最后线圈横列是利用导电纤维针织的，所述导电纤维作为用于该针织传感器设备的导电引线；以及检测装置，用于监测所述电特性，以提供该针织结构的变形的指示。
2.如权利要求1所述的针织传感器设备，其中，该传感区是与从线圈、横褶圈和浮线组成的组中选择的结合单元相结合而针织的。
3.如权利要求1所述的针织传感器设备，其中，所述导电纤维包括弹性导电纱线。
4.如权利要求1所述的针织传感器设备，其中，该传感区是利用多种导电纤维针织的，每种导电纤维具有不同的电阻率。
5.如权利要求1到4中任意一个所述的针织传感器设备，其中，该针织结构的变形引起该传感区的电阻的变化。
6.如权利要求5所述的针织传感器设备，该结构作为应变片工作，其中：
该传感区是利用导电纤维和不导电纤维针织的；以及
该传感区中的导电纤维沿公共方向延伸。
7.如权利要求6所述的针织传感器设备，其中，所述导电纤维沿该传感区的线圈横列方向延伸。
8.如权利要求6所述的针织传感器设备，其中，所述导电纤维被结合在该传感区中，作为内置纤维。
9.如权利要求5所述的针织传感器设备，其中，该针织结构从松驰状态的位移引起该传感区的电阻的变化，该电阻的变化与该位移成函数关系。
10.如权利要求4的针织传感器设备，其中，
该针织结构的变形引起该传感区的电阻的变化；
该针织结构从松驰状态的位移引起该传感区的电阻的变化，该电阻的变化与该位移成函数关系；以及
该传感区包括：
与导电纤维一起针织形成的传感部分；以及
与该传感部分电连接的多个电触点，所述电触点包括导电率高于该传感区的导电纤维导电率的针织导电纤维。
11.如权利要求1到4中任意一个所述的针织传感器设备，其中，该针织结构的变形或运动引起该传感区的电感的变化。
12.如权利要求11所述的针织传感器设备，该针织传感器设备是基本圆柱状的电感螺线管针织结构。
13.如权利要求12所述的针织传感器设备，其中，该传感区是由导电纤维和不导电纤维针织的。
14.如权利要求13所述的针织传感器设备，其中，该导电纤维置于该螺线管外部，以及该不导电纤维置于该螺线管内部。
15.如权利要求1到4中任意一个所述的针织传感器设备，其中，该针织结构的变形引起该传感区的电容的变化。
16.如权利要求15所述的针织传感器设备，其中，该传感区中的导电纤维形成多个隔开的电极。
17.如权利要求16所述的针织传感器设备，其中，所述电极是同心的。
18.如权利要求16所述的针织传感器设备，其中，所述电极是交叉指型的。
19.如权利要求16所述的针织传感器设备，其中，所述电极是平行板状电极。
20.如权利要求19所述的针织传感器设备，其中，该传感区还包括在该平行板状电极之间延伸的不导电纤维的一个或多个针织层。
21.如权利要求1到4中任意一个所述的针织传感器设备，包括多个针织层。
22.一种装置，包括多个如权利要求1到4中任意一个所述的针织传感器设备。
23.一种检测系统，包括：
如权利要求1到4中任意一个所述的针织传感器设备；以及
为至少一个针织传感器设备提供电信号的电源装置。
24.如权利要求23所述的检测系统，包括多个针织传感器设备，其中，该检测装置适于获得与所述针织传感器设备的相对空间方位有关的信息。
25.如权利要求24所述的检测系统，其中，该检测装置通过比较该针织传感器设备的监测电特性来得到与所述针织传感器设备相对方位有关的信息。
26.如权利要求23到25中任意一个所述的检测系统，其中，在多个频率下监测所述电特性。
27.如权利要求26所述的检测系统，其中，在1到1000Hz的范围内的多个频率下监测所述电特性。
28.如权利要求26所述的检测系统，其中，该检测装置根据所述监测的电特性来产生ECG。
29.一种衣物，包括如权利要求1到21中任意一个所述的针织传感器设备。
30.如权利要求29所述的衣物，包括多个针织层。
31.如权利要求30所述的衣物，其中，所述针织层以集成方式形成。
32.如权利要求30或31所述的衣物，包括具有至少一个针织传感器设备的第一针织层，以及其中第二针织层是利用导电纤维针织的，所述导电纤维作为该针织传感器设备的连接引线。
33.如权利要求30或31所述的衣物，包括三个或更多个针织层。
34.如权利要求33所述的衣物，包括：
具有一个或多个针织传感器设备的第一针织层；
第二针织层；以及
具有一个或多个针织传感器设备的第三针织层。
35.如权利要求34所述的衣物，其中，所述第二针织层适于屏蔽从位于所述第三针织层中的针织传感器设备发出的或引入其中的电信号。
36.如权利要求35所述的衣物，其中，所述第三针织层中的针织传感器设备是电感针织传感器设备。
37.如权利要求30或31所述衣物，该衣物是无缝的。
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