基于血糖实时监测的智能服装设计

田 金 枝

(山东科技职业学院 纺织服装系，山东 潍坊 261053)

智能服装是指模拟生命系统，通过一定的反馈机制对外部环境或内部状况变化做出反应的成衣。近年来，智能服装的研究和应用在学术界、产业界引起了广泛的关注，其中可以实现血压、心跳、体温等实时监测的智能医护服装也受到越来越多关注[1]。随着信息技术、纺织科学及材料科学等相关领域科技的发展，智能医护服装的推广应用将会给整个服装产业带来重大的变革，这也是服装科技未来的发展趋势[2]。

糖尿病是一种以高血糖为主要特征的多因素疾病，其发病率高、危害大，给病人和社会造成了沉重的负担。患者自我血糖监测是糖尿病综合治疗的重要环节，传统的血糖监测方式从反映特点可分为点的数据(尿糖、微血管监测)、线的数据(HbA1C监测、GA监测、(1,5-AG)监测)、面的数据(CGM监测)等[3-4]。面的数据(CGM监测)是指通过葡萄糖传感器监测皮下组织间液的葡萄糖浓度来反映血糖水平的监测技术，可以提供持续、全方位的血糖信息[5]，是目前国际上较为先进的检测技术。

穿着方便舒适且具有美感的智能医护服，是智能服装设计新思路的扩展。目前CGM监测系统主要以贴片形式与人体皮肤接触，这很大程度上影响了人体的舒适度，长期使用会出现局部皮肤排汗排污不畅通、异物感、皮肤过敏等现象[6]。将CGM监测系统与服装结合，选择舒适的面料，裁剪合体的尺寸，搭配时尚的色彩、造型，实时监控血糖。在整体设计中确保了病人穿着的舒适度，同时使得电子元件与成衣有效结合。再引入医护服的评价体系，确保实时血糖监测智能服装的整体有效性。

1 糖尿病患者需求

糖尿病患者主要以中老年群体为主，但糖尿病患者的病情进展和并发症等情况个体差异较大，患者涉及人群基数大、范围广[7]。针对糖尿病患者的生理需求、心理需求、使用需求等，采取咨询和调查问卷的方式对患者展开调查，并对调查结果进行分析。

糖尿病患者有以下几个主要需求：1)智能服装安全性，长期穿着无并发症；2)能够按时并准确检测血糖变化；3)穿着舒适性，特别是糖尿病并发皮肤病的患者对服装舒适度有更高要求。

2 智能服装的设计模式

目前智能医护服设计应用最多的是智能辅助模式，主要满足患者的个性化需要。在设计前，市场调研是获得患者诉求的必要条件，需要对智能服装的市场前景、流行趋势、电子元件的嵌入技巧进行取舍，实现科技与审美的有效融合。一是满足患者最基本的实体性、舒适度、吸汗易干等需求；二是智能监护服设计运用多学科的交叉完成既定目标，如柔性技术、传感器、交互技术等。例如，有专家将小型接头与服装组成微电子系统，使主板电源、传输系统相连接，并将数据传送到主机，使医护服能够感知人体的心率、温度、血糖等情况[8]。通过衣服中的传感器探测人体肢体动作体征数据，并传送到微机上，满足信息存储与交互。

3 智能服装设计手段

在满足用户需求的前提下，智能医护服装的设计不仅涉及信息技术、微电子技术等领域，还包括造型设计、颜色搭配、加工工艺等服装设计制造领域。与传统的服装设计相比，智能服装的设计需要考虑科技手段在服装上运用的合理性，确保电子元件与整体造型的融合，实现科技、服装有机的结合。

3.1 技术设计

考虑到糖尿病人的具体情况，其智能监护服系统设计如下：运用美国Medtronic最新研发的实时监测血糖数据系统(CGM)，由检测探头、发射器和显示装置构成。检测探头可通过细小金属丝随时贴近患者腹部，检测探头连续检测(到某一固定时间可丢弃更换)，将探头和服装的前衣片腹部部分结合在一起[9-10]。该系统每10 s对皮下间质液里的葡萄糖浓度进行测量，整个工作过程快速而无疼感。所得的数据信息经过处理，由无线方式传到接收器上，再进行均值处理，以每5 min一次的速度搜集糖尿病人的体征数据。该智能医护服搜集的信息量是指血测试法的100倍，提高了检测效率与准确性。医生能随时了解病人的状况，与之形成互动，使糖尿病人得到更好的监护。

动态血糖检测是连续的无创伤技术。采集过程不用刺破皮肤，且无疼感，主要由人体渗出液，也就是由皮下间质液测量血糖高低。第一方面由渗出液中两者的相关性进行计算来测量，最后由传感器通过收集间质液(人体汗液、唾液等统称为间质液)分析出血糖值。实时测量和时间标记测量是同步进行。第二方面是信息预处理阶段，有用的被保留，无用的被放弃。智能监护服最终解决的是传感器和其他电子元件和织物相融合问题[11]，如吸湿透气、调节体温，使患者感到舒适等。在不影响人们日常生活的状态下完成数据的采集。其准确度和可靠性有待于临床检验，在服装与模块结合的基础上，减小模块的体积、质量，低功耗，易使用，环保等问题，同时对该服装系统融合度、耐用性要做合理的评估，使其既实用又时尚。

3.2 材料设计

智能医护服材料的运用要确保用户穿着的舒适度及传统服装针对的质感、颜色运用外，还要考虑智能服装面料与电子元件的有效结合。实验服装用纯棉、莫代尔、氨纶制作，面料成分为45%纯棉、45%莫代尔、10%氨纶，这种面料常用于女性打底衫或者夏季服装中，舒适吸汗，透气性能好，氨纶的高弹性保证了服装穿脱方便，活动自如。该面料通过人体舒适性能的测试，断裂伸长率为1.9%，最大强度大于等于1 248 D，并且电子元件与成衣结合度适中，不会由于元件的植入而下垂，影响智能服装的美学效果。该系列监护服在设计时，既保证贴合人体部分的舒适、易穿，又为服装的流行时尚提供拓展空间。在收集间质液并测量分析血糖值时，由内置的探头、射频装置获取的信息，触发相应的报警装置[12]。

3.3 智能服装款式设计

本系列智能监护服追求健康环保、积极向上的生活理念，在款式上采用不同颜色的拼接，线条的分割是根据糖尿病人出汗部位不同、检测部位的合适程度设置，点线面的分割符合人体生长规律和审美要求。在设计中充分考虑了检测设备与人体的接触时长和准确性，如果服装款式加放量大、舒适透气，但是检测器与人体皮肤不能全方位地接触导致其作用不能很好的发挥。因此，本系列智能服装设计采用合体修身型，胸围放3 cm的松量，腹部放3 cm，裤子围度最大放10 cm。由于人体腹部前凸后凹，这种天生的结构造型决定了检测器与腹部良好的对接。

智能装置镶嵌在软体子母面料中，在成衣内部紧贴前衣片。内部是一个和刺绣图标一样大小的暗袋，暗扣封口，使智能装置不易滑落，外部为刺绣标，小巧轻便。这样的设计既美观又时尚，不用时可以取下，便于成衣洗涤。本系列智能服装为修身合体型，高弹布料制作，便于患者进行体育运动，用户可根据自己的喜好选择。款式结构如图1所示，血糖检测主体元件如图2所示，成衣正面刺绣图标如图3所示。

图1 系列服装款式结构Fig.1 Style structure of a series of clothing

图2 血糖检测主体元件Fig.2 Main component of blood glucose detection

图3 成衣正面刺绣图标Fig.3 Front embroidery icon of ready-made clothe

3.4 智能服装结构设计与工艺设计

智能成衣的形态造型，目前相关的研究工作较少。本实验是在糖尿病患者监护服的制作中，为了做到合体、实用、美观用单裁单量的方法制作，腰腹的放松量很小，以活动自如为主，目的是满足医疗监护服信息检测的准确性。在造型上衣长盖过臀部，前长后短，肩斜线前移、前领深加大尺寸等方式，便于前衣片上的探头能够刺激腹部。在工艺上用手工制作与机缝相结合，各裁片的缝制用三针五线，确保各拼接线应有的弹力，缝头光滑平整，与面料的拉伸度同步，使成衣既美观又舒适，确保医护服满足病人的需求[13]。在整体结构造型上，充分考虑工序的衔接性及可行性、缝型设计的合理性，并保障成衣与电路的完美结合，使成衣整体协调，使检测效果最佳。

3.4.1 多功能基座位置

本系统不需要额外供电，图2主体元件中4为充电口，多功能基座具有充电、检测、数据上传等多重功能，基座置于成衣前腹部暗袋中，随时取出充电。该智能成衣在设计、制版、制作时，充分考虑元件的适用性与准确性。按工业化成衣的要求，检验样板缝份正确性，对位点标记是否合理，设计刺绣图标，确定元件位置，在反面加入绒性无纺衬，电脑刺绣，保证图标的美观及牢固。

3.4.2 智能服装血糖测试电路分析

智能服装血糖测试电路设计：检测部分使用涂有化学材料的测试片，在测试片上施加一定的电压，GOx和葡萄糖分子发生反应生成电活性产物，形成电极电流，利用这种电流的强弱来计算血糖值。由于产生的电流值很小，因此设计了信号变送与放大电路，为方便使用，电路将电流值转换成电压值经A/D引脚输入到STM32中进行数据处理，处理的结果可在液晶屏上展示。

经过实验发现，正常人的血液与GOx反应后生成的电流大小为nA～μA级别，所以转换电路中比较器的正向输入端接入的电压是1 V，经过R6、R5和R4三个电阻分压得到需要的值是273 mV，智能服装血糖测试电路分析如图4所示。

图4 智能服装血糖测试电路Fig.4 Blood glucose test circuit of smart clothin

4 智能服装应用与评价

设计的智能服装包括照护系统在现实中的应用，分三个方面：1)血糖检测数据系统；2)电脑语音总机；3)专家照护系统。通过检测仪把检测到的血糖数据上传到资料接入界面→电脑语音总机→健康管理系统→专家、护士照护系统→药物推送→专人护理。其中医护人员、家属全程监控，随时了解病人的血糖升降趋势，达到合理用药。患者智能服装系统工作流程如图5所示。

图5 糖尿病患者智能服装系统工作流程Fig.5 Workflow of intelligent clothing system for diabetic patients

4.1 应用与分析

由于该服装主要是测量患者血糖数据，所以主体元件尽量贴近腹部，同时还要兼顾监护服的舒适性和外观的时尚性。针对血糖检测数据系统进行实验，患者分成两组，每组3人。一组把主体元件用医用低敏胶布贴在腹部，另一组穿上置入电子元件的智能服装，六人把前后获得的感受进行对比。表1是贴片式和融入电子元件智能服装在运动、焦虑、热湿、感知、情感、附着六个状态患者的感受，根据测试者的体验，智能服装比贴片舒适性好，活动自如，心情放松，更容易被患者接受。

表1 智能服装等级评价Tab.1 Intelligent apparel grade evaluation table

再让测试者穿上智能服装，用杜邦线与电脑相连，ATK-XCOM 软件读取血糖变化数据，测试时间是上午8:30早餐后开始，衣服连续穿着，不可脱卸，测试者静坐20 min，起来走动10 min，再静坐20 min，中餐后继续测量，连续测量3 d。立体制版如图6所示，做出的智能成衣如图7所示，实验过程如图8所示。

图6 立体制版示意Fig.6 Diagram of the institutional layout

如图9所示，测试者穿智能服装进餐后所测得连续3 d的血糖曲线。第一天显示的曲线进餐后有高血糖出现，夜里睡眠时有低血糖现象；第二天患者的饮食结构改变成清淡型，下午不再进餐，入睡前加适量餐；第三天白天调节好饮食结构适量进餐，夜里睡眠时无低血糖，对比贴片式检测无明显差异。

图7 智能成衣Fig.7 Intelligent clothing

图8 实验照片Fig.8 Experimental photos

图9 患者3 d的血糖曲线示意Fig.9 3 d glucose curve of patients

如图10所示，测试者穿着智能服装在运动时，如行走、上下楼梯等动作状态，实测的血糖数值。第一天发现午餐后有高血糖并持续下午血糖偏高；第二天午餐和晚餐后适当散步，血糖升降效果良好，血糖平稳。

图10 患者2 d的血糖曲线示意Fig.10 2 d glucose curve of patients

在检测期间病人无需改变生活状态，至少穿3 d，监测范围(2.2～22.2 mmol/L)记录器每10 s记录一次。每隔5 min把平均值转变为血糖值储存在记录器中，每天储存288个数值，多功能基座具有充电、检测、数据上传多重功能。为了防止电池长久老化，建议洗涤服装时取下，以免损坏电路元件。本系统可透过衣物扫描，即可获得葡萄糖趋势变化的相关数据[14]。

4.2 效果评价

本智能服装设计方案的优点主要有：1)该智能服装舒适自然，实用美观，它整合了检测、转换、存储、所有的元件放在一个纽扣大小的基座中，患者不用担心线路扭曲、旋转、各部件移位，同时取舍方便，便于成衣洗涤折叠；2)能帮助患者了解平时的饮食结构、控制进餐时间、作息时间，应激，运动，血糖管理等；3)能促进患者根据自身的情况养成良好的管理健康习惯，提高病人对医生的依从性，良好的互动性；4)患者穿着舒适，不会出现贴片接触面过敏现象，固定贴片胶布形成的紧绷感等。

本方案的缺点有：激烈的运动数值不够准确，如跳跃、翻滚等；在强辐射源附近使用也不准确。要使本智能服装发挥最佳效果，需通过长期的临床测试获得正常和异常的医疗值，分析精算，获得其稳定性、可穿性。还可以通过问卷调查方式来获得使用评价，对使用建议仔细分析，以便更好地改进思路。在面料的印染、整理、电子产品的嵌入、服装的加工过程中都存在污染，因此在糖尿病人监护服的加工过程中都要用纯天然易降解环保的材料。另外，当服装不再使用时，可以对系统内电路回收再处理，有利于保护环境。

5 结 语

本文旨在开发一款实时监测血糖变化的智能服装，设计了血糖测试基座及植入服装中的最佳位置，分析了智能服装血糖测试电路的工作原理。实验发现正常人的血液与GOx反应后生成的电流大小为nA～μA级别，所以转换电路中比较器的正向输入端接入的电压是1 V，处理的结果可在液晶屏上展示，用户可以随时查看结果，与医护人员互动。

综合考虑智能服装在临床中的应用，规划糖尿病患者智能服装系统工作流程，通过实验对比，贴片式和融入电子元件智能服装在运动、焦虑、热湿、感知、情感、附着六个状态患者的感受。测试者穿智能服装进餐后所测得连续3 d的血糖曲线图，与贴片式得到的数据无多大差异，实验验证该智能服装系统稳定性能较好。数据误差范围小，缺点是患者运动幅度过大，检测数据不够准确，原因是基座中的探针不停地变换位置所致。本智能服装的研发流程与应用，为血糖的实时监测提供了借鉴与参考依据，其柔性化、可穿性、时尚性、精确性是今后研究的方向。同时加强各项标准的完善，达到良好的使用效果。