發佈日期:2015-12-30

健康醫療導向的織物型穿戴裝置研發重點聚焦在主動感知與量測機制

作者:賴明豐

專利資訊織物穿戴裝置健康感知TextilesWearable DeviceHealthSensing

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一、 前言

當全世界已經邁入資訊科技的時代,人們的生活方式深受資訊科技的影響;隨著資訊科技的硬體越來越輕薄短小,這些輕薄隨身的產品提供人們對工具的使用有著越來越敏捷靈活的行動性,也因應了現代繁忙複雜的生活型態。現在,穿戴式裝置議題正夯之際,消費性電子大廠正全力投入智慧手錶與智慧眼鏡之外,事實上,國外許多廠商也開始嘗試把紡織品科技化,像智慧衣、智慧貼片、智慧指套等概念產品陸續推出。為了進一步協助國內廠商瞭解紡織類穿戴式裝置相關技術,以美國SenSoria公司(www.sensoriainc.com)產品(如圖1所示)為例,同時搭配其專利(即US2011/0015498;這篇專利是Sensoria公司(前身為Heapsylon,2014年7月改名)在2010年5月的時候,從澳洲國家科學研究機構Commonwealth Scientific and Industrial Research Orgaziation (CSIRO)技轉過來的研發成果)內容說明其發明特色。

圖1 Sensoria智慧襪

資料及圖片來源:Nancy Owano(2013/12/25)

二、SenSoria以健康醫療為目的將ICT裝置「混搭」進織品中

連上SenSoria公司網站,首先映入眼簾的就是「Sensoria Fitness.Wearables.Reinvented」這幾個大字,明確地宣示著產品的發展方向是朝向健身或身體素質應用的裝戴式裝置進行重新改造,研發重點放在研發出能準確瞭解到健身時身體各項素質指標的表現狀況,進而實作到使用者身上的衣物,有效比較運動前中後階段各指標狀態,從中瞭解後續要強化或修正的面向與缺點。SenSoria推出的相關產品包括T恤、內衣褲與襪子。

從健康醫療目的來看,像糖尿病、酒精中毒、尿毒症、免疫不全或營養欠缺症等等疾病都是導致周邊神經病變的常見原因,這類患者會遭遇到肢體疼痛、麻木、刺痛、燒灼,或甚至觸感喪失等痛苦,例如肢體就像穿上一雙 "看不到的" 手套或襪子、不自覺產生冰冷或燒灼感、無端會有被尖銳物戳刺或被電的疼痛感,或是會對他物的觸碰極為敏感等。尤其,如果是糖尿病患者更會因為血液循環不好,讓傷口無法正常癒合,甚至會讓傷口愈益惡化,最後走上截肢一途;從統計數據來看,糖尿病患者通常會在發病後五年左右併發周邊神經病變,其中,有百分之五十的患者會有截肢之虞。目前來看,最好的方法就是早期發現早期治療。事實上,周邊神經病變患者初期會出現共同的行為特徵,行走時會因為種種原因,出現以臀部帶動雙腳走路的態樣,讓足部主要施力點集中在腳跟與蹠骨兩個區域,主治醫師即可根據這個樣態出現的狀況及時決定最適合的治療策略。

事實上,高齡化社會已是不可避免的趨勢,對於老年人健康管理的問題更顯重要,應用於醫療保健的相關生理量測系統,在全球已有相當多學者專家投入研究,經由即時偵測心電訊號等生理資訊,無線傳輸到分析系統,可長期連續追蹤分析生理訊號,隨時提醒使用者自身的生理狀態,在身體有異狀時能讓使用者及早排除生理不適的因素或紓發心理壓力,維持身心健康,以達到預防及保健之目的;或是老人居家看護、幼兒生理現象偵測,對於家中無法自我照顧的族群提供遠端監視,在遇到危險狀況時能適時的提供適當的救援措施。

德國Novel公司為了解決這個問題,發展了Pedar系統以鞋子為基礎,將感測器內嵌在鞋墊上,追蹤腳部局部區域承受的壓力狀態。但這種以鞋子為主的追蹤模式並不適合老年人或糖尿病患者。最好的方式就是不論患者是否有穿鞋,都能隨時追蹤腳部重點區域的壓力狀態。另外,有一篇德國專利(DE10314211)是以感壓材料製成具導電性的紡紗並進一步編織成襪子,透過這些延展到整個足部的感壓材料瞭解其受力分佈狀況;但其缺點就在於無法針對特定局域進行追蹤,也無法針對其他重要因素(如溫度或張力)蒐集量測。

三、SenSoria的發明整合並適當佈署了用來感知並量測壓力(或力量)的感測器

所以,SenSoria的發明整合並適當佈署了感測器,能用於量測或追蹤腳部、截肢患者裝上義肢後在截肢殘端的壓力或力量,或是身體其他部位受力的狀況,如端坐時的臀部或使用了壓迫繃帶的部位等等。這個發明也關乎一種方法,係用於追蹤或診斷任何腳部、肢體行為(如遊玩、運動、軍事),或相關醫療目的上的需要(尤其是針對神經或其他退化等相關疾病的治療)。

從技術分類來看,美國專利局給它「600/301」、「600/587」與「600/592」三個方向,被歸屬在手術應用下的研發成果,重點放在各種身體生理訊號與功能的偵察檢測(301),包括對身體施力的狀況(587),主要應用在腳的部位(592)。因此,為了便利不便穿鞋的病人也能進行診療,這個發明是以襪子為設計基底(如圖2),設計了五種不同使用情景,包括:

圖2 SenSoria專利中Figure 1與Figure 2

(1) 提供一個由使用者穿戴的系統,針對力量或壓力,或併同如溫度、張力、角度或其他物理條件(如汗溼或體液)等等狀況的追蹤感測。該系統包括一或多個離散的感測器可以直接或間接的嵌入或裝載在表面(如腳或截肢殘端),用以感測力量或壓力的狀況,再由電路接收來自感測器的信號。使用時,任一個感測器可放在需要位置的表面,以便追蹤感測該位置施力或承受壓力的狀況。

(2) 提供一個由使用者穿戴的系統,係針對力量或壓力,或併同如溫度、張力、角度或其他物理條件(如汗溼或體液)等等狀況的追蹤感測。該系統包括一個可靈活應用的基板,可以直接或間接的嵌入或裝載在表面(如腳或截肢殘端,但不僅限於此),其上連接了一或多個離散的固定或可移除感測器,用以感測需要量測力量或壓力的區域的狀況,同時也不會對該承載了力量或壓力的區塊造成額外重量。

(3) 提供一個由使用者穿戴的服裝,係針對力量或壓力,或併同如溫度、張力、角度或其他物理條件(如汗溼或體液)等等狀況的追蹤感測。該服裝包括一個可靈活應用的(flexible)基板,可以直接或間接的嵌入或裝載在表面(如腳或截肢殘端,但不僅限於此),其上連接了一或多個離散的固定或可移除感測器,用以感測需要量測力量或壓力的區域的狀況。使用時,基板位置可以視需求改變,同時,其上的感測器也可以移動並擺放在需要的位置。

(4) 提供一個由使用者穿戴的服裝,係針對力量或壓力,或併同如溫度、張力、角度或其他物理條件(如汗溼或體液)等等狀況的追蹤感測。該服裝包括一個可靈活應用的基板,可以直接或間接的嵌入或裝載在表面(如腳或截肢殘端,但不僅限於此),其上連接了一或多個離散的固定或可移除感測器,用以感測需要量測力量或壓力的區域的狀況,同時也不會對該承載了力量或壓力的區塊造成額外重量。

(5) 提供一種用來追蹤或治療病人的方法,該方法包括:(a)將一種對壓力敏感的服裝、手套或繃帶放置在臀、手、腳或病人的殘肢上,並與之接觸,(b)追蹤壓力量測數據,以及病人的重量或可能存在的外力(如截肢患者殘端因包裹繃帶所致的壓迫)。在追蹤階段中,可能會涉及到對量測位置(如患者的腳跟或腳指,包括腳拇指與第1、第3及第5蹠骨處)所在之感測器讀取到的力量或壓力信號進行分析的動作。該方法可能包括患者執行的不同活動,例如走路、跑步、跳躍,或是從一個固定位置移動到另一位置間不斷停停走走的過程。該方法可能會併同分析因同時實施各種可能方案(如服裝、手套、繃帶或其他嵌入該系統的可能載體)量測到的相關數據。

基本上,圖2中Figure 2中的12x(即12a、12b、12c、12d、12e、12f)都是感測器,從情境一及情境五中可以知道,主要是以重量或重力量測感測器為主,分佈在蹠骨區與腳根區兩個部份。在蹠骨區中的三個感測器會被擺放在對應於第1(12f)、第3(12e)及第5(12d)蹠骨的部位,而腳跟部份的感測器(12a、12b、12c)則會以三角方式擺放。每一個感測器都會接出兩條用銀塗佈於表層的導電引線(如圖3所示),每一條導電引線會由兩部份組成,一部份是裸於外的引線(15),一部份則是以S型式混摻在纖維中的引線(11),目的就是希望借此保持襪子本身具備的伸縮彈性。感測器(12)則會經由這兩條引線取得需要的電能,同時循著引線將資料傳到一個可卸除的殼體(如圖2 Figure 1中的13),其外觀如圖4所示,內含電路(包括處理單元、儲存單元與傳送單元)以及電源,殼體與襪子之間則以4或5個磁扣結合,然後透過該殼體將資料後傳至行動裝置上。

圖3 由感測器接出來的導電引線

圖4 殼體設計(殼體外觀設計專利為D711269S)

不過,感測器不是只有重力或重量感測這種應用,也可增加或置換成其他不同感測器,例如溫度或體液狀況的量測(如圖5所示),或是有一種用來偵測空氣中的含氧量多寡或是危險氣體存在的感測器,可以輕易地嵌入智慧型襯衫,如此,在火災的現場消防員便可以穿上它,作為探測火場的各種不良或是毒性氣體之用(台灣人織訊息網,2012),同時可併同其他生理訊號,以無線傳輸方式後送至指揮中心或是救災中心,方便監測者持續追蹤消防員安全與生理狀態,並提供適當的救難指導,在必要時刻,下命火場中消防員從危險場域撤離。情境二則是強調前述感測器,也可以實做在一片基板上。這樣,使用者就可以視狀況,將基板擺放在不同的位置,同時,也可以視需要增減感測器的個數。或是將基板跟使用者皮膚以直接或間接方式接觸,將基板置放在衣物的夾層中量測心跳狀態。

圖5 5498專利中Figure 16

後端分析平台透過殼體收到感測器量測到的訊息後,就可以透過對應的應用軟體進行分析,醫療人員可以根據數據呈現的結果(如圖6中左半部,實驗時是以Labjack data collector搭配Hounsfield公司設計製造的HS000M測試設備共同進行)為病人進行診斷並輔以行為修正的決策。目前,已經進步到以圖像方式呈現腳部受力的狀況(如圖12中右半部)。

圖6 量測結果的分析

為了考量使用者穿戴起來的方便性與舒適感,對於感測器的設計,在薄度上至少要等於或小於5.0公釐,最好是縮小到3.0公釐,甚至是1.0公釐以內,最佳狀況是設定在0.05公釐以下。面積的部份,以面對使用者這面來看,至少要等於或小於400平方公釐,最好是能縮小到100平方公釐以下,甚至是50平方公釐。如果在材料上可以做到的話,建議可以在襪體上特定區域使用特殊的導電材料做為基板,例如聚吡咯(Polypyrrole)或導電性超高分子聚3,4-乙撐二氧噻吩(Poly-ethylenedioxythiophene,PEDOT),並將之視為壓力感測材料,扮演重力(量)感測器的角色,類似惰性電極的機制,將電子由引線傳回殼體。這時,基板受力的大小會與基板上電勢(位)差成反比關係,來決定重力(量)的大小。目前市面上相關產品,例如美國Tekscan公司(www.tekscan.com)設計製造的FLEXI-FORCE(如圖7所示),或其他以半導體形式、RTD型式、紗線或纖維型式表現的感測器。

圖7 Tekscan公司設計製造的FLEXI-FORCE感測器

針對殼體的設計,基本上會有電源(power)、處理單元(processing unit)、儲存單位(memory unit)與傳送單位(transmitting unit),重量至少要小於或等於200公克,傳送資料的頻率則建議介於500到1500Hz,最好不要超過1000Hz。不過,主要還是受限於電力可以提供的量,以及要傳回分析平台的資料內容與數量。基本上,對電能續航力的要求,應該至少要能撐到一天;所以,儲存單元可以使用到的最大容量就可以用一天裡需要記錄的資料量來評估。如果使用導電油墨將部份電路印刷或針織在襪體上,則可以進一步簡化殼體內部電路的設計,進而減少可能的重量,或是移作電源容量的強化上;而且,從SensingTex的產品來看,使用導電油墨的電路印刷或針織設計並不會影響織品本身的彈性與可洗性。

四、織物類穿戴式裝置研發重點放在對生理訊號的感知與量測

可穿戴式生理量測智慧衣能夠量測生理訊號,是因為衣服內含有智慧型紡織品。所謂智慧型紡織品,是指受外在環境或電子刺激產生反應的紡織品,通常以導電纖維材料與紡織品素材研製而成。而導電纖維材料表面的電阻特性,可依用途產生不同的表面電阻效果。因此,開發適合貼身量測的生理導電纖維材料,是研製生理量測智慧衣的一大重點。

此外,如何透過紡織品傳輸訊號也是關鍵的因素。所以導電纖維技術變得非常重要,它是以金屬材料製成纖維或紗線做為傳輸訊號的導線。為避免傳遞時短路,需要包覆絕緣材質,來達到電子電路纖維化並可用以連結電子元件的目的,且具有可水洗、高傳導性、柔曲性、抗氧化等性能。藉著巧妙地整合紡織與電子科技,就可輕易地在穿戴載體上進行線路布局設計及製作應用,再透過智慧型無線傳輸模組,就能自動幫你把資料傳輸到網路上分析。受測者穿上服裝後,可在無線通訊可存取範圍內做各種活動,而不影響資料的擷取與傳輸,不像心電圖機量測時使用者行為受限狀況,受測者必須待在固定位置。因此,以智慧型紡織品為基礎的穿戴式裝置在居家照護、醫療保健及戶外意外防止方面都有很大的實用性。

五、結論

前幾年由於健康類的感測器體積太大,難以與衣服整合。如今拜科技進步之賜,感測器已經微縮到能夠扣在衣服上。現在的智慧衣物,其可拆式感應器比傳統感測器體積小很多,可精確量測到心跳率,而且產品也兼具防水功能。另外有關紡織界的術語—Wickable,最在意的就是能夠快速排汗、排水。智慧衣物最重要的就是講求舒適,因此可吸濕排汗採用內嵌式Fiber Sensor,甚至具有智慧濕度感應功能,能即時偵測到身上所流出來的汗水,並快速將汗水從皮膚排到衣服外,讓風吹乾,以維持身體的乾爽與舒適度。

對紡織領域而言,除了直接把電子產品掛戴在衣物上之外,有愈來愈多研發人員開始往織物本身使用的材料進行研發,找出更多更創新的應用,甚至可以借特殊材料的特性,直接讓織物本身轉變成能主動或被動感知及反應外部環境條件或刺激物的智慧織品(smart textiles),讓感測器與電子元件「消失在紡織物」裡面完全看不見(DIGITIMES企劃,2014)。因此,已經有愈來愈多國家開始針對這類高值化、高附加價值的智慧織品進行研究與開發。

隨著人口老齡化的趨勢,也有愈來愈多穿戴式裝置攻往醫療保健領域,近年來,全世界的健康醫療體系正值轉型期,已從醫療照護轉為以預防和疾病預警為主。面對未來,醫療保健服務勢必朝向更迅速、完整、個人化及居家化的方向發展。SenSoria透過感測器或以智慧織品製成的基板量測到的相關數據,讓醫療人員能夠針對糖尿病患者的行為模式進行早期治療,避免患者最後走到截肢的不好結果等等,都是以紡織品為基礎,針對醫療保健應用研發出來的穿戴式裝置。一般預料,這類應用將會愈來愈多。 

參考文獻

  1. Nancy Owano (2013/12/25), A smarter sock: Sensoria will watch how you step (w/Video). Ref. website: phys.org/news/2013-12-smarter-sock-sensoria-video.html
  2. 台灣人織訊息網(2012),整合無線傳輸功能的智慧衣。參考網址: 203.160.253.26/tmmfa/Doc/%E6%95%B4%E5%90%88%E5%82%B3%E8%BC%B8%E5%8A%9F%E8%83%BD%E7%9A%84%E6%99%BA%E6%85%A7%E8%A1%A3%28%E7%B6%B2%E7%AB%99%E7%94%A8%29.pdf
  3. DIGITIMES企劃(2014/6/26),將智慧穿在身上的紡織穿戴科技。DigiTimes電子時報。移除 Nancy Owano (2013/12/25), A smarter sock: Sensoria will watch how you step (w/Video). Ref. website: phys.org/news/2013-12-smarter-sock-sensoria-video.html