專利名稱：用于監(jiān)測部件運動的擴展光學范圍反射系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在監(jiān)測運動的系統(tǒng)中有用的織物，并涉及包括這種織物的監(jiān)測系統(tǒng)。能夠被監(jiān)測的這種類型的運動之一是與響應生理活動時身體的幾何變化相關(guān)聯(lián)的運動。
背景技術(shù)：
心率監(jiān)測在測量和記錄人體和動物體的心跳中是眾所周知的。這種監(jiān)測器從與心臟周期性泵送活動同步的搏動血流中接收信號。通常，這些公知的監(jiān)測器通過在胸帶中的傳感器或通過以機械方式夾持在耳朵或手指上的傳感器檢測搏動血流。美國專利U.S.5,820,567(Mackie)描述了一種用于心率檢測裝置的胸帶或耳夾的典型設置方式。
胸帶配帶起來比較困難，并且通常在使用前需要用凝膠弄濕傳感器電極。用于進行心臟監(jiān)測的繃緊的胸帶如果系較長時間會感到不舒服。夾到手指或耳朵上的機械傳感器也會感到不舒服。
由Salutron有限公司(弗里蒙特，加利福尼亞94538，USA)出售的QuickTouchTM心臟監(jiān)測器除去了胸帶、手指或耳夾以測量在鍛煉的所有階段的心率。不過，雖然除去了笨重的導線和帶子，但在操作中還需要兩個身體接觸點。因此這種裝置需要將兩個手指放置在表帶上，將兩只手放在踏車上，或?qū)芍皇址旁谧孕熊嚢焉弦垣@取心率讀數(shù)。因此，這種裝置不能使監(jiān)測對象完全擺脫監(jiān)測過程的約束。
已經(jīng)公開了使被監(jiān)測對象擺脫胸帶或手指或耳的夾持裝置帶來的不舒適感，并且擺脫被監(jiān)測裝置束縛的不方便感的系統(tǒng)。
美國專利No.6,360,615(Smela)公開了一種使用衣服的監(jiān)測系統(tǒng)，其通過用聚吡咯處理的織物制成的應變儀監(jiān)測身穿該衣服的人的身體運動。
美國專利No.6,341,504(Istook)公開了一種進行生理監(jiān)測的衣服，其包括一個或多個彈性材料制成的伸長的帶子，所述彈性材料帶有構(gòu)成彎曲圖案的導電金屬絲。當人穿上該衣服時，由于人體結(jié)構(gòu)的幾何變化導致所述織物結(jié)構(gòu)的伸長和松弛，引起衣服上的導電金屬絲的電特性改變，這種系統(tǒng)在織物的結(jié)構(gòu)上又增加了附加的復雜部分，這對于傳統(tǒng)的服裝設計和制作而言不是非常合適。
美國專利No.4,909,260(Salem)描述了一種笨重的用于進行生理監(jiān)測的腕帶系統(tǒng)。
美國專利No.5,577,510(Chittum)描述了一種笨重的用于進行生理監(jiān)測的胸和腕帶大不列顛的Healthcare Technology有限公司的公開號為WO9714357的專利公開了一種能夠產(chǎn)生可聽到的心跳消息的監(jiān)測器。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測部件運動的織物、衣服、系統(tǒng)和方法，并且它被認為在用于監(jiān)測在響應生理活動時對象身體的幾何變化所產(chǎn)生的運動中尤其有用。通過監(jiān)測這種運動，可以推導出表征生理活動的參數(shù)的無創(chuàng)性檢測。
當用具有波長從約400納米到約2200納米的范圍內(nèi)，特別是從400納米到約800納米的范圍內(nèi)和從約700納米到約2200納米的范圍內(nèi)的光照射這種織物時，這種織物表現(xiàn)出光反射特性和基本上不透光的特性。
當所述織物響應運動而拉伸和復原時，由織物反射進入接受孔徑內(nèi)的有用光的數(shù)量相對于沒有進入接受孔徑的光的數(shù)量發(fā)生變化，所述接受孔徑相對于從織物延伸的軸限定。這種運動例如能夠通過由生理活動引起的身邊中的幾何變化推導出。
在優(yōu)選的情況下，該織物包括多根反射紗線，每根反射紗線上具有多根位于其上的導電材料涂層并與多根第二可拉伸紗線針織或機織，每根可拉伸紗線是包覆彈性紗線和硬質(zhì)紗線的組合。
所述織物可以在包括衣服或紡織披風的各種情況下作為監(jiān)測補丁使用。
所述具有設置在其上或者其內(nèi)的進行監(jiān)測的織物的補丁的衣服或者是披風可以包括在一種用于監(jiān)測運動的系統(tǒng)中，例如由于生理活動引起的對象身體內(nèi)的幾何變化產(chǎn)生的運動。該系統(tǒng)還包括一個提供波長范圍在約400納米到約2200納米的范圍內(nèi)，尤其是波長范圍在400納米到約800納米范圍和在約700納米到約2200納米范圍的射線的源。該系統(tǒng)還包括至少一個在相同波長范圍和子范圍內(nèi)響應入射射線的檢測器。
所述檢測器設置在關(guān)于所述織物延伸的軸限定的接受孔徑中。所述源和檢測器優(yōu)選地在相對位置附著在所述織物上，該相對位置使得當織物拉伸時，檢測器接收的入射射線直接受到織物反射進入接受孔徑中的有用光的數(shù)量變化的影響。在當織物響應由于穿著衣服的對象S的身體上或披有披風的身體部位的幾何變化引起的運動而拉伸時，發(fā)生這種變化。信號處理器將來自檢測器的表示入射到其上的射線的信號轉(zhuǎn)換為表示穿著該衣物的對象的至少一種預定生理參數(shù)的信號。
可選擇地，該系統(tǒng)可包括不止一種單獨的輻射源，并且每個輻射源包括不止一種單獨的輻射檢測器。在這種可選擇的實施方案中，所述信號處理器響應來自不止一種單獨輻射源的信號和不止一種單獨輻射檢測器的信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換為表示與穿著該衣服的對象相關(guān)的一種或多種預定生理參數(shù)的信號。
通過下面詳細的說明，結(jié)合附圖(所述附圖形成了本發(fā)明的一部分)能夠更充分地理解本發(fā)明，其中
圖1是表示用于監(jiān)測對象S的至少一個生理參數(shù)的程序化圖示系統(tǒng)，其包括一件衣物，該衣服具有包括根據(jù)本發(fā)明的織物，其中所述衣物的尺寸適合穿戴在對象S的軀干上；圖2是表示本發(fā)明的織物的反射響應的圖示；圖3A和3B是表示本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)的操作的示意圖；圖3C是表示光平衡變化的圖示，即，當織物被拉伸和復原時，由所述織物反射的進入接受孔徑的有用光的數(shù)量相對于接受孔徑所損失光的數(shù)量；圖3D是表示隨時間周期變化的信號的圖示，其表示在織物拉伸和復原期間光平衡的變化。
具體實施例方式
在下面的具體描述中，在附圖的所有圖中，同樣的參考數(shù)字表示同樣的元件。
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)10的圖示，所述系統(tǒng)用于監(jiān)測由于響應生理活動引起的對象S身體的幾何變化產(chǎn)生的運動。也可以通過監(jiān)測這種運動推導出一種或多種參數(shù)的無創(chuàng)性檢測，所述參數(shù)表征對象S的生理活動，例如心率或呼吸頻率。
如圖1所示，所述系統(tǒng)10包括衣服12，所述衣服12至少具有由進行監(jiān)測的織物16構(gòu)成的一部分或補丁14。所述進行監(jiān)測的織物16具有呈現(xiàn)給查看者的外部或外表面16E，和面對對象S身體的內(nèi)表面16I。所述進行監(jiān)測的織物16的補丁14雖然在圖1中顯示為矩形，但可以采用任何常規(guī)形狀。例如，所述補丁可以是圓形、橢圓形和可以是任意規(guī)則或不規(guī)則形狀。如果希望，所述衣服12的一部分或甚至整個部分可以由進行監(jiān)測的織物16制成。
當根據(jù)本發(fā)明的進行監(jiān)測的織物16用在約400到約2200納米的擴展的波長范圍的光照射時，所述織物16表現(xiàn)出光反射特性并且基本上光不透射特性。所述波長范圍在某種意義上說包括了近紅外光和波長在可見光譜范圍內(nèi)的可見寬頻譜白光。
如這里所使用的，術(shù)語“寬頻譜白光”表示波長范圍在約四百(400)納米到約八百(800)納米的光。
如在這里所使用的，術(shù)語“近紅外光”指波長范圍在約七百(700)納米到約兩行千兩百(2200)納米內(nèi)的光，805納米的波長或880納米的波長可使系統(tǒng)在近紅外頻譜內(nèi)操作，優(yōu)選使用波長為805納米的光。
圖2通過圖示表示了根據(jù)本發(fā)明的織物16的反射響應。當織物拉伸和復原時，由織物16反射的通過接受孔徑27的有用光的數(shù)量改變。接受孔徑27通過圖2所述的方式顯示為任意預定形狀的區(qū)域(例如圖2中的圓形)，與織物16的表面間隔了預定的距離并以從所述織物16表面延伸的預定的參考軸24為中心。
術(shù)語“光平衡”在該申請中可指由所述織物反射的相對于光損失量的有用光的數(shù)量。術(shù)語“有用光”指最初入射到織物的被照射區(qū)域17并從所述織物16反射穿過接受孔徑27的光的數(shù)量，所述接受孔徑是相對于從所述織物16延伸的參考軸24被限定的?！皳p失光”指最初入射到照射區(qū)域17但沒有被反射進入接受孔徑27的光。
光可能由于各種原因從接受孔徑27中“損失”。例如，織物16的運動引起從織物16反射的光相對于軸24偏離并且不能進入接受孔徑27。另外地，當入射光被吸收進入形成織物16的材料時，入射光可能變得“損失了”。
在補丁14中使用的進行監(jiān)測的織物16可由可反射的紗線、可拉伸紗線、可反射和可拉伸紗線的組合或任何類似材料制成，在一種典型結(jié)構(gòu)中，多個第一反射紗線與多個第二可拉伸紗線組合在一起。
所述紗線能夠與任何傳統(tǒng)的方式結(jié)合，包括機織或非機織結(jié)構(gòu)。對于機織結(jié)構(gòu)，紗線能夠用平紋織法、緞紋織法、斜紋織法或其它公知的結(jié)構(gòu)組合。對于非機織結(jié)構(gòu)，例如針織結(jié)構(gòu)，紗線能夠通過圓形針織，經(jīng)編或其它任何合適的針織結(jié)構(gòu)組合。在圓形針織中，典型的結(jié)構(gòu)是單面針織(即正面和反面是不同結(jié)構(gòu))和雙面針織(即正面和反面是相同結(jié)構(gòu))。經(jīng)編可包括特里科和拉舍爾經(jīng)編針織物結(jié)構(gòu)，其中通過調(diào)整針的數(shù)量/英寸或針跡尺寸來調(diào)節(jié)硬挺度。
在制造進行監(jiān)測的織物時可使用任何合適的衣料用旦尼爾數(shù)和任何合適的針的組合或經(jīng)紗/緯紗的強度。每根反射紗線可以在其上包括特定反射材料的包覆層。所述包覆層也可以是可導電的。而且，所述反射紗可以是彈性的。每根可拉伸紗線由彈性紗部分和硬紗部分組合而成。
在優(yōu)選情況下，反射紗線是由Laird Sauquoit技術(shù)公司(300 Palm Street，斯克蘭頓，賓夕法尼亞州，18505)以X-static紗線的商標出售。X-static紗線基于從INVISTA North America S.àr.I.，威爾明頓，特拉華19805處可獲得的，產(chǎn)品標識為70-XS-34X2 TEX 5Z的70旦尼爾(77分特)，34根長絲結(jié)構(gòu)的尼龍，其電鍍有導電銀。
可選擇地，另一種形成進行監(jiān)測的織物16的方法是在用任何傳統(tǒng)的機織或非機織方式形成紗線后，使用可導電的染色劑用絲網(wǎng)印刷圖案。合適的可導電染色劑包括，但不限于那些由DuPont Microcircuit Materials，Research TrianglePark出售的NC 27709，如銀染色劑5021或銀染色劑5096等。
可導電染色劑的絲網(wǎng)印刷圖案也必須允許所述織物移動，優(yōu)選地，所述導電染色劑不能影響所述織物的拉伸和復原的能力。一種防止影響織物的拉伸和復原性能的方式是以矩陣點的形式用絲網(wǎng)印刷導電染色劑的圖案。這種點狀矩陣圖案向織物中的紗線提供了完全自由的運動，同時仍然呈現(xiàn)出理想的光反射和不透射特性。
進行監(jiān)測的織物16的補丁14能夠可選擇地由彈性和可導電的復合紗線形成，所述復合紗線包括包芯紗，其由例如使用標準的彈性纖維包覆工藝，用從瑞士的Escholzmatt的ELEKTRO-FEINDRAHT AG獲得的絕緣銀-銅金屬絲纏繞彈性纖維LYCRA制成。所述包芯紗可以進一步包覆有任何尼龍硬質(zhì)紗線或聚酯硬質(zhì)紗線。
可拉伸的紗線能夠用任何傳統(tǒng)的方式形成，例如，可拉伸的紗線能夠作為包覆的彈性紗線和硬質(zhì)紗線的組合形成。
在一個優(yōu)選實施方案中，包覆的彈性紗線可包括二十(20)旦尼爾(22分特)LYCRA彈性紗線，所述彈性紗線用十(10)旦尼爾(11分特)七根長絲尼龍紗線單獨包覆。LYCRA彈性紗線可從INVISTA North America S.àr.I.，威爾明頓，特拉華19805處獲得?？蛇x擇地，本發(fā)明的彈性紗線成分可包括彈性紗線或聚酯雙組分紗線，例如那些來自威爾明頓，特拉華的INVISTA S.àr.I.North America Inc的稱為ELASTERELL-PTM紗線。術(shù)語彈性纖維和伊萊斯坦(elastane)在本領(lǐng)域中是可以互換使用的。適合在本發(fā)明中使用的彈性纖維紗線品牌的例子是LYCRA。
合成雙組分復絲紡織紗線也可用于形成彈性紗線成分。一種優(yōu)選的合成雙組分長絲成分聚合物可以是熱塑性的。合成雙組分長絲可以是熔紡的或以在成絲領(lǐng)域中常用的任何其它方式形成的。在最優(yōu)選的實施方案中，該成分聚合物可以是聚酰胺或聚酯。
優(yōu)選的聚酰胺雙組分復絲紡織紗線包括那些自卷曲的尼龍雙組分紗線，上述紗線也稱作“合成纖維自變形”。這些雙組分紗線包括具有第一相對粘度的尼龍66聚合物或共聚酰胺組分和具有第二相對粘度的尼龍66聚合物或共聚酰胺組分，其中聚合物或共聚酰胺這兩種成分從每條絲的橫截面上看是并行關(guān)系。自卷曲尼龍紗線，例如由INVISTA North America S.àr.I.，威爾明頓，特拉華19805出售的商標為TACTELT-800TM的紗線在雙組分彈性紗線中是尤其有用的。
聚酯成分聚合物的一些例子包括聚對苯二甲酸亞乙酯(PET)，聚對苯二甲酸亞丙基酯(PIT)和聚對苯二甲酸四丁烯。在一個優(yōu)選實施方案中，聚酯雙組分長絲包括PET聚合物組分和從每條長絲的橫截面上看呈并行關(guān)系的PTT聚合物組分。具有這種結(jié)構(gòu)的一種典型紗線是由INVISTA North America S.àr.I.，威爾明頓，特拉華19805出售的商標為T-400TM的下一代纖維。
硬質(zhì)成分可以由任何非彈性合成聚合物纖維或天然紡織纖維制成，例如羊毛、棉、苧麻、亞麻、人造纖維、蠶絲等。合成聚合物纖維可以是選自復絲扁平長絲紗、部分取向紗、變形紗、選自尼龍、聚酯的雙組分紗或者長絲混紡紗的連續(xù)長絲或短纖維紗。硬質(zhì)成分優(yōu)選260旦尼爾(286分特)的68根長絲尼龍紗。
尼龍紗可包括合成聚酰胺組分聚合物，例如尼龍6，尼龍66，尼龍46，尼龍7，尼龍9，尼龍10，尼龍11，尼龍610，尼龍612，尼龍12，并且優(yōu)選它們的混合物和共聚酰胺。在共聚酰胺的情況下，尤其優(yōu)選的是包括高達40克摩爾百分比的聚己二酰二胺的尼龍66，其中脂肪族二胺組分選自由E.I.Du Pontde Nemours and Company，Inc.(威爾明頓，特拉華，USA，19880)獲得的商標分別為DYTEK A和DYTEK EP的二胺組中。進一步根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的硬紗部分可包括聚酯，例如聚對苯二甲酸亞乙酯，聚對苯二甲酸亞丙基酯、聚對苯二甲酸丁烯和它們的共聚多酯。
在補丁14中使用的進行監(jiān)測的織物16能夠根據(jù)任何一種傳統(tǒng)的紡織方式制成，包括經(jīng)編、緯編，機織、編織或通過無紡織結(jié)構(gòu)。所述紗線能夠被結(jié)合以獲得表現(xiàn)可變彈性的織物，包括但不限于緯紗彈性，經(jīng)紗彈性或雙向彈性織物。
所述進行監(jiān)測的織物16也可以由復合紗線形成，其中所述反射和可拉伸組分結(jié)合在同一紗線中。這種復合紗線可包括具有光譜反射外表面的包覆紗線，所述反射外表面以一層或多層的方式圍繞彈性紗線組分被包覆。
所述衣服12的其余結(jié)構(gòu)可呈現(xiàn)任何傳統(tǒng)的紡織結(jié)構(gòu)(例如針織、機織)，并且可以由任何合適的紡織長絲衣服用旦尼爾紗線制成。
在一個實施方案中，所述在補丁14中使用的進行監(jiān)測的織物16附著在衣服12上。所述補丁14可以用任何傳統(tǒng)的方式縫在、膠粘在、綁在、扣在、織進或附著在衣物上。
在本發(fā)明的另一個方面優(yōu)選包含，所述衣物12可完全由進行監(jiān)測的織物16形成，任何合適的針組合或經(jīng)紗/緯紗強度都可用于衣物12。
在另一個實施方案中，所述衣物通過使用任何合適的針將進行監(jiān)測的織物16與衣服12的剩余材料結(jié)合而無縫構(gòu)成。在此上下文中，術(shù)語“無縫”指已知的在無縫針織機(例如來自意大利的布雷西亞的Santoni S.p.A)上的圓形針織過程。用這種方法處理的衣服可以具有很少的縫隙，例如，背心的肩膀部分或連褲襪的分叉部分的接縫可以使用傳統(tǒng)使用的接縫方法形成。出于這些原因，本領(lǐng)域中的術(shù)語“無縫”包括帶有一個或只有很少接縫，并且基本上由單獨的一片織物構(gòu)成的衣服。
當織物被光照射時，使織物16能夠形成表現(xiàn)出理想的反射響應和基本上沒有光透射的一種方式是用致密機織或緊密針織的方式形成織物。這種致密機織的織物可通過以每厘米二十(20)到六十(60)經(jīng)紗和緯紗的密度紡織例如十(10)到三百(300)旦尼爾(11到330分特)的紗線獲得。緊密針織的織物也可以在圓形針織機的針筒上增加針數(shù)，或織物的量規(guī)，同時保持紗線的旦尼爾數(shù)為恒定值獲得。
另外，或可選擇地，可通過機織后或針織后的縮水或砑光步驟增加織物密度。例如，為了獲得本發(fā)明致密的機織或針織的具有反射性的織物，織物在濕潤并暴露在升高的溫度下(大約六十(60)攝氏度或更高)重新干燥后，可獲得在寬度和/或長度方向上的縮水。砑光步驟可通過將機織或針織的織物通過由一對砑光輥之間形成的輥隙來執(zhí)行以減小織物的厚度并使織物的密度增加。
其它已知的增加織物密度和使紡織圖案緊密的方法能夠用于減小或消除光透射。例如，通過在該結(jié)構(gòu)中增加每厘米的經(jīng)紗和每厘米的緯紗能夠使紡織結(jié)構(gòu)更致密。對于非機織結(jié)構(gòu)，例如針織結(jié)構(gòu)，調(diào)整針數(shù)/英寸或針距能夠減小或消除透過織物的光透射。
圖1所示的系統(tǒng)10適于監(jiān)測由伴隨著對象S的呼吸或心跳的生理活動的身體幾何變化產(chǎn)生的運動。因此，衣服12設置為類似一件背心或襯衫，雖然也可以設置為其它的衣服。對于背心狀或襯衫狀紡織結(jié)構(gòu)，設置有輪廓線和適當?shù)拈_口以便能穿在對象S的身體上。對于這種使用，進行監(jiān)測的織物16的補丁14應當設置在對于對象S身體的幾何變化最敏感的位置，例如，通過將補丁14設置在對象S的左胸乳頭下面，補丁14能夠用于監(jiān)測伴隨呼吸的心跳或胸壁運動。應當理解在需要監(jiān)測與其它生理參數(shù)相關(guān)的身體其它部分的運動時，衣服的物理形式能夠進行適當?shù)男薷囊苑胖迷趯ο骃的身體的其它部分。
當進行監(jiān)測的織物16拉伸和復原時，光平衡被監(jiān)測。為了達到這種目的，系統(tǒng)10進一步包括一個合適的輻射源18，其在在約400納米到約2200納米的波長范圍內(nèi)，尤其在約400納米到約800納米和在約700納米到約2200納米之間的范圍內(nèi)操作。相關(guān)的檢測器22相對于織物16設置在沿著參考軸24的接受孔徑27內(nèi)。檢測器22響應在給定波長范圍和子范圍內(nèi)的入射光，以產(chǎn)生相應于上述入射光的響應信號。
源18被布置成使得能夠保持它到檢測器22的相對位置，例如，源和檢測器可以在織物的一側(cè)牢固地連接在一起以保持一種空間關(guān)系?？蛇x擇地，所述源18和檢測器22能夠由用戶確定的任何常規(guī)方式保持，該常規(guī)方式允許檢測器接收由進行監(jiān)測的織物反射的光。也可以考慮采用其它公知方式保持所述源相對于檢測器的空間關(guān)系。
在用近紅外光進行操作的情況下，輻射源18可以是在紅外范圍內(nèi)(波長在805納米或880納米)工作的基于化合物半導體的(例如砷化鎵和砷化鎵鋁)發(fā)光二極管或任何類似的輻射源。輻射檢測器22可以是任何能夠檢測輻射線的裝置，例如，耦合到適當設置的輸出放大級的光電二極管。任何公知的半導體都能夠用于形成所述的光電二極管，包括硅或鍺。適合在本發(fā)明中使用的商業(yè)上可獲得的輻射源和檢測器組件可從Fourier Systems Ltd.(9635 HuntcliffTrace，亞特蘭大，喬治亞州，30350)獲得，型號為DT155(0-5伏輸出)。
對于寬頻譜白光(400-800納米)操作，所述源18可以是基于化合物半導體的“白光LED”(例如，采用具有合適的磷光體以提供寬頻譜白光輻射的基于氮化銦鎵的裝置的發(fā)光二極管)。檢測器22優(yōu)選的是一種耦合到適當設置的輸出放大級的硅光電晶體管。
輻射源18和檢測器22以預定的相對位置附著在進行監(jiān)測的織物16上。所述位置能夠被預先確定以使得當所述織物拉伸和復原時，由檢測器22接收的入射光直接受到進行監(jiān)測的織物16反射進入接受孔徑27的光的數(shù)量變化的影響。在優(yōu)選的情況下，輻射源18和檢測器22是嵌入在或牢固地固定在進行監(jiān)測的織物16的紡織結(jié)構(gòu)上。輻射源18和檢測器22能夠使用公知的附著方式固定，包括但不限于夾住、膠粘、縫制、綁住或采用鉤和環(huán)搭扣(Velcro)。可選擇地，可能希望在本發(fā)明的一些操作結(jié)構(gòu)中(例如當對象S在踏車上時)，將所述源和檢測器設置在遠離且不直接與織物16接觸的位置。在這種遠程布置中，輻射源18和檢測器22能夠被定位在任何允許檢測器22檢測在拉伸和復原期間的反射光的變化的設置中。
在圖1所示的操作結(jié)構(gòu)中(結(jié)合附圖3A和3B進行更詳細地討論)，源18和檢測器22安裝在進行監(jiān)測的織物16的補丁14的外表面16E上。用作輻射源18的合適電源26可以常規(guī)地裝載在衣服12上。電源26可以是本領(lǐng)域中任何常規(guī)的電源，包括但不限于電池。
系統(tǒng)10還包括一個連接到檢測器22上的信號采集和存儲單元28，用于存儲由檢測器響應入射光而產(chǎn)生的信號。在衣服12上提供有導電路徑32以用任何合適的電學結(jié)構(gòu)互相連接紅外線源18、檢測器22、電源26和信號存儲單元28。
形成導電路徑32的一種常規(guī)的方式是將導電長絲針織或機織在衣服12中。適合這種用途的合適導電長絲是前面提到的X-static紗線?？蛇x擇地，所述金屬絲可以布置成不附著在織物上。
形成導電路徑32的另一種方法是使用導電染色劑將導電路徑的圖案用絲網(wǎng)印刷術(shù)印刷。任何可以使用的導電染色劑包括，例如由DuPont MicrocircuitMaterials，Research Triangle Park，出售的導電染色劑，NC 27709，如銀染色劑5021或銀染色劑5096。銀染色劑5021的染色劑在柔性基底上制造低壓電路方面非常有用，而建議銀印色劑5096的染色劑用在有非常多褶皺的情況下。雖然銀染色劑5021具有較高導電性，但銀染色劑5096更容易延伸和更容易在衣服12的織物纖維之間建立橋接。
一旦信號由輻射檢測器22接收，信號處理器34可用于將來自檢測器22的表示其上入射光的、周期性變化的輸出信號轉(zhuǎn)換為表示穿著衣服12的對象S的至少一個(或多個)預定參數(shù)(例如呼吸速率、心率)的信號。在優(yōu)選情況下，所述信號處理器34包括一個適合進行編程的數(shù)字計算機。不過，對于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的任何信號處理器都可以使用。
存儲在存儲單元28的來自檢測器22的信號可以用任何傳統(tǒng)的方式傳輸給信號處理器34，以將其轉(zhuǎn)換為表示對象S的生理參數(shù)的信號。例如，在存儲單元28和處理器34之間的轉(zhuǎn)換可以通過硬件連接或空間無線連接(例如使用在高速無線數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中公知的使用2.4GHz和802.11a/b或802.11g協(xié)議的無線LAN)或光學傳輸鏈路來完成，如圖1中參考數(shù)字36所表示的區(qū)域所表示的。
來自檢測器22的信號是原始信號，并且包括至少包含對象S的呼吸周期和心率的復合頻率。某些噪聲源對整個波形有貢獻，這種噪聲源被認為來自對象S或進行監(jiān)測的織物16的外部運動，并且與呼吸和心率無關(guān)聯(lián)。這些噪聲源能夠通過使用合適的電子濾波技術(shù)被濾除。特別地，對高頻和低頻通過的濾波器進行適當?shù)剡x擇以能夠產(chǎn)生較干凈的原始整體波形。這些濾波器可以根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方法進行選擇，以便獲得僅與呼吸相關(guān)的信號或只與心跳相關(guān)的信號。同樣地，在所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中也容易使用減小已知信號噪聲源的濾波器。
雖然在圖1中描述的所述信號處理器34設置在遠離衣服的位置，應當理解將處理器設置為合適尺寸的包以能夠通過物理方式固定到衣服上也在本發(fā)明考慮的范圍內(nèi)。在這種情況下，來自檢測器22的輸出可以直接緩存到處理器34內(nèi)的合適存儲器中。
通過參考圖3A到3D可以更好地理解本發(fā)明的運動監(jiān)測系統(tǒng)的操作。如前面所述，源18和檢測器22都被安裝在或接近進行監(jiān)測的織物16的同一表面處，通常是外表面16E。
在圖3A和3B描述的實施例中，設置源18來照射由參考符號17表示的通常為圓形光斑。使用合適的光學器件(例如在源18上的物鏡)，光斑17的尺寸可以可選擇地被調(diào)整以聚焦在包含任意數(shù)目的形成織物16的紗線16Y的區(qū)域內(nèi)，或甚至聚焦在僅包含單絲紗線16Y的區(qū)域內(nèi)。
以一定的方式設置源18，以便保持它與檢測器22的相對位置。例如，源18和檢測器22可以牢固地連接在一起以保持一種空間關(guān)系。輻射源18和檢測器22可以使用“衣夾”或鱷魚型夾附著在進行監(jiān)測的織物16上?？墒褂帽３衷?8和檢測器22之間的相對關(guān)系的公知的裝置，以使得輻射檢測器22的光響應面位于接受孔徑27內(nèi)并與接受孔徑27一致，所述接受孔徑27相對于從織物16延伸的參考軸24被限定。
在監(jiān)測呼吸的周期性的生理活動中討論了監(jiān)測操作和系統(tǒng)。圖3A描述了處于未拉伸狀態(tài)下的織物16，而圖3B描述了處于拉伸狀態(tài)下的織物16。在圖3B中描述的拉伸能夠由于運動引起，例如呼吸的周期性生理活動。應當注意，圖3A和3B是示例性的，不是按比例繪制的。例如，雖然圖中只顯示了織物的二維運動，但也可以考慮在所有方向上的運動。如上面所討論的，使用合適的電子濾波技術(shù)，將對象S或進行監(jiān)測的織物16的任何體外部運動作為噪聲被濾除。
如圖3A所表示的，在未拉伸狀態(tài)，形成進行監(jiān)測的織物16的紗線16Y的長絲彼此位于較近的距離內(nèi)以限定一種具有較窄的間隙16G的圖案。四條有代表性的射線18A、18B、18C和18D被描述為投射在照射光斑17的范圍內(nèi)。使用合適的光學器件(例如源18上的物鏡)，光斑17的尺寸可以被可選擇地調(diào)整以聚焦在包含形成織物16的任意數(shù)目的紗線16Y的區(qū)域內(nèi)，或甚至聚焦在僅包含紗線16Y的單條長絲的區(qū)域。
射線18A和18B都限定了“有用光”射線，這在于這兩條射線從織物16的表面16E反射并通過接受孔徑27以由檢測器22收集。射線18A通過與包括織物16的紗線16Y的長絲相互作用來從織物16的表面16E進行鏡面反射。射線18B顯示為能夠進入紗線16Y的長絲的體積并從紗線16Y的長絲的體積逸出。圖3B通過射線18B在紗線中不相鄰的入點和出點示出，射線在從長絲出現(xiàn)朝向接受孔徑27發(fā)射之前，可能通過多次內(nèi)部反射引導。雖然這種機制可能影響由檢測器22接收的光的數(shù)量，但不能認為例如18B的射線顯著地影響了本發(fā)明。
射線18C和18D是“損失的”光。圖3A中的射線18C與包括織物16的絲16Y中的一個相互作用，并沿遠離軸24的發(fā)散路徑反射。這樣，射線18C并沒有通過接受孔徑27。因此，射線18C沒有被檢測器22收集，因此成為“損失的”光。射線18D與織物16的絲16Y中的一個相互作用，并且沒有被反射，而是由織物16吸收。這類射線18D沒有進入接受孔徑，并對于檢測器22而言也是“損失的”光。當射線(未示出)經(jīng)過紗線內(nèi)的多次反射并從絲中出來，但偏離了接受孔徑27時，光同樣會“損失”。
如在圖3B中所看到的，當織物拉伸時，在進行監(jiān)測的織物16上形成的間隙16G的尺寸增加。間隙16G的這種尺寸的增加減小了光子有效地向檢測器22反射的可能性。因此，有用光(例如射線18A)的射線數(shù)量與圖3A所示情況相比有所減少，而由于偏離或其它機制(例如由射線18B和18C表示的)導致對于檢測器22損失的光子的數(shù)量增加。來自檢測器22的信號輸出相應地下降。雖然被吸收的光子數(shù)量(例如由射線18D表示的)不是必然改變，但是在光斑大小17內(nèi)的紗線16Y的數(shù)量減小，并且光線投射到紗線16Y上并且被反射或吸收的可能性減小。
在呼氣期間，當對象S的身體收縮時，織物16經(jīng)歷它拉伸的彈性恢復階段。間隙16G回到它們的原始尺寸(圖3A)。所述光的較大部分再次被有效地反射到檢測器22，增加了從檢測器上的輸出信號。
連續(xù)地觀察的這些事件限定了一種拉長和復原的拉伸周期。在監(jiān)測系統(tǒng)的檢測器22處產(chǎn)生的信號從初始狀態(tài)向中間狀態(tài)改變，并且返回到初始狀態(tài)，如圖3C所表示的。這幅圖用圖形化的方式描述了在拉伸周期的過程期間，所述織物的光平衡(在圖3C中用“LB”表示)變化。在初始和吸氣狀態(tài)(分別由圖3C中的參考字母“I”和“II”表示)之間以及吸氣和呼氣狀態(tài)(分別由圖3C中的參考字母“II”和“I”表示)之間進行比較，清楚地表明當織物拉伸時，由進行監(jiān)測的織物16反射的通過接受孔徑27由檢測器收集的光的數(shù)量以周期性的方式隨時間發(fā)生變化。應注意由于吸收對于檢測器22損失的光被忽略。因此，在圖3C中，在初始狀態(tài)(“I”)，由“LB”下面的底部表示的有用光比由“LB”上面的上部表示的損傷光多。相反，在吸氣階段(“II”)，由“LB”下面的底部表示的有用光比由“LB”上面的上部表示的損失光少。
光平衡的這種周期性變化用圖3D表示為一種與織物拉伸的伸長和復原階段同步的從“I”到“II”再到“I”的隨時間變化的信號。這種信號是潛在的生理過程的時間測量，所述生理過程提供了引起伸長和復原的力。
在伸長后復原的連續(xù)的織物拉伸周期提供了一種光平衡隨時間同步的周期性變化(用圖3D表示)。因此，織物的拉伸周期具有由潛在生理過程的頻率驅(qū)動的相關(guān)聯(lián)頻率。為了測量這一潛在生理過程(或多個過程)的頻率(或多個頻率)或任何驅(qū)動織物拉伸周期的運動的頻率，來自檢測器22的輸出被傳送到數(shù)據(jù)采集裝置28。通常，數(shù)據(jù)采集裝置28包括一個檢測器信號采樣率，用戶可在軟件中對其進行選擇。例如，如果正常人體呼吸的頻率(15-20次/分鐘)被測量，則合適的檢測器信號采樣率被選擇為低于或等于100Hz。采樣信號可選地用適當選擇的高和低通濾波器進行濾波，以產(chǎn)生較干凈的原始信號，其可以用軟件或硬件執(zhí)行。由數(shù)據(jù)采集單元28采集得到的最后波形被下載到和存儲在合適的計算機中(例如Dell計算機公司的移動奔騰III，750MHzCPU)。所存儲的時域信號通過本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的軟件方法使用傅立葉頻率解卷積算法可解析地變換為頻域頻譜。任何大于所選擇的由傅立葉方法期望的最低頻率的頻率出現(xiàn)在頻域頻譜中，并且因此是可識別的，例如，探求的呼吸頻率。例如，使用傅立葉方法，通過信號處理技術(shù)中的已知變型也可得到高于或低于典型呼吸頻率的頻率。
本領(lǐng)域技術(shù)人員也理解在這之前描述的本發(fā)明的原理可以應用到各種需要監(jiān)測部件的運動的情況下。例如，在另一個實施方案中，本發(fā)明的部件運動監(jiān)測系統(tǒng)可用于監(jiān)測多部件結(jié)構(gòu)的部件運動。
用于這種用途的運動監(jiān)測系統(tǒng)包括紡織披風，其至少一部分由進行監(jiān)測的織物形成。術(shù)語“紡織披風”包括(完全或部分)覆蓋一種結(jié)構(gòu)的部件的任何織物結(jié)構(gòu)。
紡織披風用任何傳統(tǒng)的方式設置在被監(jiān)測運動的部件上。采用與前面討論同樣的方式，源18和檢測器22在相對位置上附著在紡織披風上，使得當織物響應部件的運動而經(jīng)歷拉伸周期時，由織物16反射的通過接受孔徑27由檢測器22收集的有用光的數(shù)量相對于對檢測器33損失的光的數(shù)量發(fā)生改變。
從前面的說明容易理解，本發(fā)明的織物、衣服和系統(tǒng)提供了一種監(jiān)測對象S的一個或多個生理參數(shù)，而不需要改變衣服或使用胸部或身體的帶子或夾子的特別有用的無創(chuàng)性技術(shù)。
當使用所述織物時，因為當其包括在衣服或披風中時，伸長和復原的拉伸周期的改變或調(diào)節(jié)由進行監(jiān)測的織物向接受孔徑反射的光的數(shù)量。
本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明前面所提出的教導的啟發(fā)下，能夠?qū)ζ溥M行修改，這種修改被認為在如后附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種織物，包括當用波長范圍在約400納米到約2200納米的光照射所述織物時，所述織物具有光反射特性和基本上不透射光的特性；其中當該織物被拉伸時，由所述織物反射進入接受孔徑的有用光的數(shù)量相對于接受孔徑所損失的光的數(shù)量改變，其中接受孔徑相關(guān)于從織物延伸的軸被限定。
2.如權(quán)利要求1所述的織物，其中所述織物包括多根第一反射紗線，其與多根第二可拉伸紗線一起進行針織或機織，其中每根可拉伸的紗線是由包覆的彈性紗線和硬質(zhì)紗線結(jié)合形成。
3.一種在用于監(jiān)測穿衣服者的至少一個預定生理參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)中使用的衣服，包括所述衣服的至少一部分由織物形成，所述織物當用波長范圍在約400納米到約2200納米的光照射時，表現(xiàn)出光反射特性和基本上不透射光的特性；其中，當織物響應穿衣服者的至少一個預定生理參數(shù)而被拉伸時，由所述織物反射進入接受孔徑的有用光的數(shù)量相對于接受孔徑所損失的光的數(shù)量可檢測地改變，其中接受孔徑相關(guān)于從織物延伸的軸被限定。
4.如權(quán)利要求3所述的衣服，其中所述織物包括多根第一反射紗線，其與多根第二可拉伸紗線一起針織或機織，其中每根可拉伸的紗線是由包覆的彈性紗線和硬質(zhì)紗線結(jié)合形成。
5.一種在用于監(jiān)測穿衣服者的至少一個預定生理參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，包括包含織物的衣服，當用波長范圍在約400納米到約2200納米的光照射所述織物時，其表現(xiàn)出光反射特性和基本上不透射光的特性；其中，當織物響應穿衣服者的至少一個預定生理參數(shù)而被拉伸時，由所述織物反射進入接受孔徑的有用光的數(shù)量相對于接受孔徑所損失的光的數(shù)量可檢測地改變，其中接受孔徑相關(guān)于從織物延伸的軸被限定；至少一個波長在約400納米到約2200納米范圍內(nèi)的輻射源；和至少一個設置在接受孔徑中的檢測器，其中所述源和檢測器在相對位置與所述織物相關(guān)聯(lián)，使得當織物響應穿衣其中所述源和檢測器在相對位置與所述織物相關(guān)聯(lián)，使得當織物響應穿衣服者的至少一個預定生理參數(shù)而被拉伸時，由檢測器所檢測的入射射線的接收直接受到由所述織物反射進入接受孔徑的有用光的數(shù)量變化的影響。
6.如權(quán)利要求5所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)還包括信號處理器，用于將來自檢測器的表示入射到檢測器上的波長范圍在約400納米到約2200納米內(nèi)的射線的信號轉(zhuǎn)換為表示穿衣服者的預定生理參數(shù)的信號。
7.如權(quán)利要求5所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其中所述織物包括多根第一反射紗線，其與多根第二可拉伸紗線一起針織或機織，其中每根可拉伸的紗線是由包覆的彈性紗線和硬質(zhì)紗線結(jié)合形成。
8.如權(quán)利要求5所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其中所述織物可從所述衣服上分離。
9.如權(quán)利要求5所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其中所述織物與所述衣服形成為整體。
10.如權(quán)利5所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其中所述信號處理器固定在衣服內(nèi)，并且其中所述衣服還包括設置在衣服上或衣服內(nèi)與檢測器和信號處理器連接的導電通路。
11.一種在用于監(jiān)測一種結(jié)構(gòu)運動的監(jiān)測系統(tǒng)中使用的織物，包括設置在所述結(jié)構(gòu)上或其附近的織物，當用波長范圍在約400納米到約2200納米的光照射所述織物時，其表現(xiàn)出光反射特性和基本上不透射光的特性；其中當所述織物響應它所位于的結(jié)構(gòu)的運動而被拉伸時，由所述織物反射進入接受孔徑的有用光的數(shù)量相對于接受孔徑所損失的光的數(shù)量可檢測地改變，其中接受孔徑相關(guān)于從織物延伸的軸被限定。
12.如權(quán)利要求11所述的織物，其中所述織物包括多根第一反射紗線，其與多根第二可拉伸紗線一起針織或機織，其中每根可拉伸的紗線是由包覆的彈性紗線和硬質(zhì)紗線結(jié)合形成。
13.一種在監(jiān)測一種結(jié)構(gòu)運動的監(jiān)測系統(tǒng)中使用的紡織披風，包括由織物構(gòu)成的所述披風的至少一部分，當用波長范圍在約400納米到約2200納米的光照射所述織物時，其表現(xiàn)出光反射特性和基本上不透射光的特性；其中當織物響應它所位于的結(jié)構(gòu)的運動而被拉伸時，由所述織物反射進入接受孔徑的有用光的數(shù)量相對于接受孔徑所損失的光的數(shù)量可檢測地改變，其
14.如權(quán)利要求13所述的披風，其中所述織物包括多根第一反射紗線，其與多根第二可拉伸紗線一起編織或紡織，其中每根可拉伸的紗線是由包覆的彈性紗線和硬質(zhì)紗線結(jié)合形成。
15.一種用于監(jiān)測一種結(jié)構(gòu)運動的系統(tǒng)，包括固定在所述結(jié)構(gòu)的至少一部分上的紡織披風，所述披風的至少一部分由織物構(gòu)成，當用波長范圍在約400納米到約2200納米的光照射所述織物時，其表現(xiàn)出光反射特性和基本上不透射光的特性；其中當所述織物響應第一部件的運動而被拉伸時，由所述織物反射進入接受孔徑的有用光的數(shù)量相對于接受孔徑所損失的光的數(shù)量可檢測地改變，其中接受孔徑相關(guān)于從織物延伸的軸被限定；至少一個波長在約400納米到約2200納米的范圍內(nèi)的輻射源；并且至少一個設置在接受孔徑中并響應入射射線以產(chǎn)生表示它的信號的檢測器，所述入射射線的波長在約400納米到約2200納米的范圍內(nèi)，其中所述源和檢測器在相對位置上與所述織物相關(guān)聯(lián)，使得當所述織物響應所述第一部件的運動而被拉伸時，檢測器對入射射線的接收直接受到由所述織物反射進入接受孔徑的有用光的數(shù)量變化的影響。
16.如權(quán)利要求15所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其中所述源和檢測器附著在所述織物上。
17.如權(quán)利要求15所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)還包括信號處理器，用于將來自檢測器的表示入射到檢測器上的波長范圍在約400納米到約2200納米的信號轉(zhuǎn)換為表示第一部件運動的信號。
18.如權(quán)利要求15所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其中所述織物包括多根第一反射紗線，其與多根第二可拉伸紗線一起針織或機織，其中，每根可拉伸紗線是由包覆的彈性紗線和硬質(zhì)紗線結(jié)合形成。
19.如權(quán)利要求1所述的織物，其中用波長范圍在約四百(400)納米到約八百(800)納米的光照射所述織物時，所述織物表現(xiàn)出光反射特性。
20.如權(quán)利要求3所述的衣服，其中當用波長范圍在約四百(400)納米到約八百(800)納米的光照射所述織物時，所述織物表現(xiàn)出光反射特性。
21.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中當用波長范圍在約四百(400)納米到約八百(800)納米的光照射所述織物時，所述織物表現(xiàn)出光反射特性；其中所述源提供波長范圍在約四百(400)納米到約八百(800)納米的射線，并且其中所述檢測器響應波長范圍在約四百(400)納米到約八百(800)納米的射線。
22.如權(quán)利要求11所述的織物，其中當用波長范圍在約四百(400)納米到約八百(800)納米的光照射所述織物時，所述織物表現(xiàn)出光反射特性。
23.如權(quán)利要求13所述的紡織披風，其中當用波長范圍在約四百(400)納米到約八百(800)納米的光照射所述織物時，所述織物表現(xiàn)出光反射特性。
24.如權(quán)利要求15所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其中當用波長范圍在約四百(400)納米到約八百(800)納米的光照射所述織物時，所述織物表現(xiàn)出光反射特性；其中所述源提供了波長范圍在約四百(400)納米到約八百(800)納米的射線，并且其中所述檢測器響應波長范圍在約四百(400)納米到約八百(800)納米的射線。
25.一種用于監(jiān)測織物運動的方法，包括將波長范圍在約400納米到約2200納米的射線照射到織物上，所述織物具有光反射特性和基本上不透射光的特性；拉伸所述織物；和在拉伸所述織物和復原所述織物期間測量由所述織物反射進入接受孔徑的光的數(shù)量，其中所述接受孔徑相關(guān)于從織物延伸的軸被限定。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述織物包括多根第一反射紗線，其與多根第二可拉伸紗線一起針織或機織，其中每根可拉伸的紗線是由包覆的彈性紗線和硬質(zhì)紗線結(jié)合形成。
全文摘要
一種包括進行監(jiān)測的織物的衣服和系統(tǒng)，當用波長范圍在400納米到2200納米的光照射所述織物時，所述織物具有光反射特性和基本上不透射光的特性。當所述織物響應由生理活動(例如心率)引起的運動而被拉伸時，由所述織物反射進入接受孔徑的有用光的數(shù)量相對于接受孔徑所損失的光的數(shù)量可檢測地變化，其中接受孔徑相關(guān)于從織物延伸的軸被限定。該系統(tǒng)包括至少一個輻射源和至少一個輻射檢測器，所述檢測器設置在接受孔徑內(nèi)。所述源和檢測器可以在相對位置上附著在所述織物上，使得當織物響應運動而被拉伸時，檢測器對入射射線的接收直接受到由所述織物反射進入接受孔徑的有用光的數(shù)量變化的影響。
文檔編號G01L1/24GK1863484SQ200480025983
公開日2006年11月15日 申請日期2004年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月12日
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