會照顧人的衣服?智慧衣知多少(三)─智慧衣的人體觀察日記
 
2018/10/30
 
蔡修華 | 國立中山大學資訊工程學系
黃英哲 | 國立中山大學資訊工程學系
 
 
藉由前幾篇文章的介紹,相信讀者已經知道物聯網(IoT)所帶來的方便性,以及為我們的生活帶來更多寶貴的資訊。智慧衣即是物聯網的穿戴式感測裝置,只要穿在身上,就可以隨時對人體作量測。但究竟智慧衣是如何對人體作量測的?又是如何做到的呢?其實,人體隨時都在產生微弱的生物電訊號,有的是維持體內器官的運行,有的則是讓人體產生動作,只要對這些訊號作量測,就能得知許多人體資訊,而這些訊號則仰賴專門的感測器來收集。
 

身體訊號的收集

 
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產生膜電位(即為細胞膜的內外電位差距),且影響至整塊肌肉,那麼要怎麼量測肌電訊號呢,就需要一種媒介來讀取這微小的訊號,亦即於前篇文章(會照顧人的衣服?智慧衣知多少(二)─探索智慧衣的奧秘)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,再於腰部附近貼上一個作為參考點,並再接上導線及感測器來接收和處理肌電訊號。從皮膚收到來自肌肉的訊號可能非常非常小(約0.01毫伏特到100毫伏特)。因此設計感測器電路時,就需加個放大電路讓訊號變大,以便於運算處理。但人體有很多訊號都會傳到皮膚,或是電極貼片也有可能接收來自空間內的其他雜訊,這些多種訊號也會被感測器接收並加以放大,因此在感測器中加入濾波電路來濾掉不需要的訊號,只剩下我們想知道的生物電訊號,如來自手臂肌肉的肌電訊號,或是來自心臟的心電訊號。
 

科技始終於人性

 

智慧衣的目的就是在平日即能夠穿著,以便長時間對人體作量測,所以基於舒適度與便利性,感測器往往會結合無線傳輸,使處理過的生物電訊號傳送到使用者的行動裝置或是個人電腦。但是生物電訊號經上述處理後還是屬於類比訊號,需要做訊號轉換,將類比訊號轉換成數位訊號,因此感測器中加入數位轉換器,這樣就能透過手機和個人電腦來收集轉換過後的數位訊號。

 
智慧衣結合多項技術再連結物聯網,使用者不只能在手機上即時看到心電圖、肌肉強度,甚至能將資訊傳到雲端管理,使得在遠方的使用者也能查看長期資料,達到長期的生物電訊息監控。
 
肌肉訊息
 
瞭解感測器之後,再來介紹肌肉訊號。人在出力的時候,肌肉會產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訊號約小至0.01毫伏特、大至100毫伏特的訊號,隨著肌肉不同的出力程度,訊號就會呈現不同大小的波形曲線,紀錄下的電位訊號亦稱為「肌電訊號」,其波形則稱為「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。
 

 

心電圖與心臟對照

 
心臟則是由心臟肌肉所構成的,心臟收到來自大腦命令跳動時,心臟肌肉的電位會變化,所以心臟可以說是小型訊號產生器,而心臟肌肉發送訊號的頻率就是心跳。心臟左右兩側量到的訊號範圍約從0.1毫伏特到2毫伏特間。而將心臟跳動的訊號紀錄下來,畫成波形圖即為一般俗稱的心電圖,如圖二。
 
 
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,可分為P波、QRS波、T波,它們分別代表心臟處於不同動作狀態之中。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之間心臟會將血液送至心房;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,代表此時的心臟回到放鬆狀態等待下一次跳動命令。
 
 

結論

 

人的身體就像是個電路板,科技作為探索真理的工具,解讀隱藏在人體內的電子資訊,感測器接收人體訊號,並傳送到手機端,手機加以演算法整理,變成使用者讀的懂的資訊,且有了雲端服務,還能記錄過去的資料,統計並整理成圖表,進而讓使用者能夠長期追蹤自己的身體狀況。

 

總編輯:國立中山大學資訊工程學系 黃英哲教授

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)
 
瀏覽人次:38