专利名称：用于监测部件运动的扩展光学范围的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及在监测运动的系统中有用的织物，例如由响应生理活动时身体的几何变化产生的运动。
背景技术：
心率监测在测量和记录人体和动物体的心跳中是众所周知的。这种监测器从与心脏周期性泵送活动同步的搏动血流中接收信号。通常，这些公知的监测器通过在胸带中的传感器或通过以机械方式夹持在耳朵或手指上的传感器检测搏动血流。美国专利US5,820,567(Mackie)描述了一种用于心率检测装置的胸带或耳夹的典型设置方式。
胸带配带起来比较困难，并且通常在使用前需要用凝胶弄湿传感器电极。用于进行心脏监测的绷紧的胸带如果系较长时间会感到不舒服。夹到手指或耳朵上的机械传感器也会感到不舒服。
由Salutron有限公司(弗里蒙特，加利福尼亚94538，USA)出售的QuickTouchTM心脏监测器除去了胸带、手指或耳夹以测量在锻炼的所有阶段的心率。不过，虽然除去了笨重的导线和带子，但在操作中还需要两个身体接触点。因此这种装置需要将两个手指放置在表带上，将两只手放在踏车上，或将两只手放在自行车把上以获取心率读数。因此，这种装置不能使监测对象完全摆脱监测过程的约束。
已经公开了使被监测对象摆脱胸带或手指或耳的夹持装置带来的不舒适感，并且摆脱被监测装置束缚的不方便感的系统。
美国专利US6,360,615(Smela)公开了一种使用衣服的监测系统，其通过用聚吡咯处理的织物制成的应变仪监测身穿该衣服的人的身体运动。
美国专利US6,341,504(Istook)公开了一种进行生理监测的衣服，其包括一个或多个弹性材料制成的伸长的带子，所述弹性材料带有构成弯曲图案的导电金属丝。当人穿上该衣服时，由于人体结构的几何变化导致所述织物结构的伸长和松弛，引起衣服上的导电金属丝的电特性改变。这种系统在织物的结构上又增加了附加的复杂部分，这对于传统的服装设计和制作而言不是非常合适。
美国专利US4,909,260(Salem)描述了一种笨重的用于进行生理监测的腕带系统。
美国专利US5,577,510(Chittum)描述了一种笨重的用于进行生理监测的胸和腕带大不列颠的Healthcare Technology有限公司的公开号为WO9714357的专利公开了一种能够产生可听到的心跳消息的监测器。
发明内容
本发明涉及一种用于监测部件运动的织物、衣服、整体系统和方法，并且它被认为在用于监测在响应生理活动时对象身体的几何变化所产生的运动中尤其有用。通过监测这种运动，可以推导出表征生理活动的参数的无创性检测。
该织物可包括多根第一反射纱线，其与多根第二可拉伸纱线一起针织或机织。当用波长从约400纳米到约2200纳米的范围内，特别是从400纳米到约800纳米的范围内和从约700纳米到约2200纳米的范围内的光照射这种织物时，这种织物表现出光透射特性和光反射特性。
当所述织物响应运动(例如像由生理活动使得人体几何变化而引起的运动)而拉伸和复原时，通过所述织物的透射光的数量相对于由所述织物反射的光的数量改变。
在优选的情况下，每根反射纱线上面具有导电涂层、镜面反射材料，并且每根可拉伸纱线是包覆的弹性纱线和硬质纱线的组合。
所述织物可以在衣服或纺织披风中作为监测补丁使用。
所述具有进行监测的织物的补丁(所述的补丁设置在衣服或纺织披风上或者内)的衣服或纺织披风可以包括在一种用于监测运动的系统中，例如由于生理活动引起的对象身体内的几何变化产生的运动。该系统还包括至少一个提供波长范围在约400纳米到约2200纳米的范围内，尤其是波长范围在400纳米到约800纳米范围和在约700纳米到约2200纳米范围的射线的源。该系统还包括至少一个响应具有相同波长范围和子范围的入射射线的检测器。所述源和检测器优选地附着在所述织物上的预定位置上，由检测器对入射射线的接收直接受到通过织物透射或由织物反射的射线数量变化的影响，这取决于辐射源和辐射检测器的布置方式。这种变化在织物响应由于穿着衣服的对象S的身体上或披有披风的身体部位的几何变化引起的运动而拉伸时发生。信号处理器将从检测器接收的的信号转换为表示穿着该衣服或披风的对象的至少一种预定生理参数的信号。
可选择地，该系统可包括不止一种单独的辐射源，并且每个辐射源包括不止一种单独的辐射检测器。在这种可选择的实施方案中，所述信号处理器响应来自不止一种单独辐射源的信号和不止一种单独辐射检测器的信号，并将这些信号转换为表示与穿着该衣服的对象相关的一种或多种预定生理参数的信号。
通过下面详细的说明，结合附图(所述附图形成了本发明的一部分)能够更充分地理解本发明，其中图1是表示用于监测对象S的至少一个生理参数的系统的图示，其包括一个衣服，所述衣物的尺寸适合穿戴在对象S的躯干上；图2A和2B是本发明的监测系统在光反射模式下操作的示意图；
图2C是表示当织物被拉伸和复原时，由所述织物透射的光的数量相对于由织物反射的光的数量变化的图示；图2D是表示随时间周期变化的信号的图示，其表示在织物被拉伸和复原期间，由所述织物透射的光的数量相对于由织物反射的光的数量变化的图示；图3A和3B是表示本发明的监测系统在光透射模式下操作的示意图；图3C是表示当织物被拉伸时(即伸长和复原时)，由所述织物透射的光的数量相对于由织物反射的光的数量变化的图示；图3D是表示随时间周期变化的信号的图示，其表示在织物的拉伸周期内(连续地伸长和复原)，由所述织物透射的光的数量相对于由织物反射的光的数量变化的图示；图4A是由本发明所描述的实施例产生的原始信号的波形时序图；图4B是图4A所示波形的频域频谱；图4C和4D是表示从图4A的波形推导出的代表对象生理参数的波形；和图4E是在织物拉伸的三个分立的伸长阶段的每一阶段，由所述织物透射的光的数量相对于由织物反射的光的数量变化的图示。
具体实施例方式
在下面的具体描述中，在附图的所有图中，同样的参考数字表示同样的元件。
图1是表示根据本发明的监测系统10的图示，所述系统用于监测由于响应生理活动引起的对象S身体的几何变化产生的运动。也可以通过监测这种运动推导出一种或多种表征对象S的生理活动的参数的无创性检测。
如图1所示，所述系统10包括衣服12，所述衣服12至少具有由进行监测的织物16构成的一部分或补丁14。所述进行监测的织物16具有呈现给查看者的外部或外表面16E，和面对对象S身体的内表面16I。所述进行监测的织物16的补丁14虽然在图1中显示为矩形，但可以采用任何常规形状。例如，所述补丁可以是圆形、椭圆形，或者可以是任意规则或不规则形状。如果希望，所述衣服12的一部分或甚至整个部分可以由进行监测的织物16制成。
当根据本发明的进行监测的织物16用在约400到约2200纳米的扩展的波长范围的光照射时，所述织物16表现出光透射特性和光反射特性。所述波长范围在某种意义上说扩展到包括了波长在近红外光谱范围内的光和波长在可见光谱范围内的宽频谱白光。
如这里所使用的，术语“宽频谱白光”表示波长范围在约四百(400)纳米到约八百(800)纳米的光。
如在这里所使用的，术语“近红外光”指波长范围在约七百(700)纳米到约两千两百(2200)纳米内的光，805纳米的波长或880纳米的波长可使用于在近红外频谱内操作的系统中，优选使用波长为805纳米的光。
根据本发明，当织物拉伸时，通过所述织物16透射的光的数量相对于由织物16反射的光的数量能够改变。这种拉伸可以响应对象S的身体的几何变化，所述几何变化是由于在对象S的身体上或身体内发生了预定的生理活动，例如但不限于心率、呼吸频率、血压等所导致的。这里所使用的术语“光平衡”可指通过所述织物16的透射光的数量相对于从所述织物16反射的光的数量。
在补丁14中使用的进行监测的织物16可由可反射的纱线、可拉伸纱线或者可反射和可拉伸纱线的任意组合或任意类似材料制成，在一种典型结构中，多根第一反射纱线与多根第二可拉伸纱线组合在一起。
所述纱线能够以任何传统的方式结合，包括机织或非机织结构。
对于机织结构，纱线能够用平纹织法、缎纹织法、斜纹织法或其它公知的结构组合。机织织物也可包括纬纱弹性、经纱弹性或双弹性机织织物以改变织物弹性。
对于非机织结构，例如针织结构，纱线能够通过圆形针织，经编或其它任何合适的针织结构组合。在圆形针织中，典型的结构是单面针织(即在正面和反面是不同结构，例如1×1针织)和双面针织(即正面和反面是相同结构，例如2×1针织)。线圈的尺寸和距离确定了针织织物的开孔。经编可包括特里科和拉舍尔经编针织物结构，其中通过调整针数/英寸或针迹尺寸调节硬挺度。
在制造进行监测的织物时可使用任何合适的衣服用旦尼尔数和任何合适的针的组合或经纱/纬纱的强度。每根反射纱线可以在其上具有特定反射材料的包覆层。所述包覆层也可以是可导电的。而且，所述反射纱可以是弹性的或包括弹性部件。每根可拉伸纱线由弹性纱部分和硬纱部分组合而成。
在优选情况下，反射纱线是由Laird Sauquoit技术公司(300 Palm Street，斯克兰顿，宾夕法尼亚州，18505)以X-static_线的商标出售。X-static_纱线基于从INVISTA North America S.àr.I.，威尔明顿，特拉华19805处可获得的，产品ID为70-XS-34X2 TEX 5Z的70旦尼尔(77分特)，34根长丝结构的尼龙，其电镀有导电银。
可选择地，另一种形成进行监测的织物16的方法是在用任何传统的机织或非机织方式形成纱线后，使用可导电的染色剂用丝网印刷图案。合适的可导电染色剂包括，但不限于那些由DuPont Microcircuit Materials，Research TrianglePark出售的NC 27709，如银染色剂5021或银染色剂5096等。
可导电染色剂的丝网印刷图案也必须允许所述织物移动。优选地，所述导电染色剂不能影响所述织物的拉伸和复原的能力。一种防止影响织物的拉伸和复原性能的方式是以矩阵点的形式用丝网印刷导电染色剂的图案。这种点状矩阵图案向织物中的纱线提供了完全自由的运动，同时仍然呈现出理想的光反射和光透射特性。
进行监测的织物16的补丁14能够可选择地由弹性和可导电的复合纱线形成，所述复合纱线包括包芯纱，其由例如使用标准的弹性纤维包覆工艺，用从瑞士的Escholzmatt的ELEKTRO-FEINDRAHT AG获得的绝缘银—铜金属丝缠绕弹性纤维LYCRA_制成。所述包芯纱进一步包覆有任何尼龙硬质纱线或聚酯硬质纱线。
可拉伸的纱线能够用任何传统的方式形成，例如，可拉伸的纱线能够作为包覆的弹性纱线和硬质纱线的组合形成。
在一个优选实施方案中，包覆的弹性纱线可包括二十(20)旦尼尔(22分特)LYCRA_弹性纤维纱线，所述弹性纱线用十(10)旦尼尔(11分特)七根尼龙纱线丝单独包覆。LYCRA_弹性纤维纱线可从INVISTA North America S.àr.I.，威尔明顿，特拉华19805处获得。可选择地，本发明的弹性纱线成分可包括弹性纱线或聚酯双组分纱线，例如那些已知的来自威尔明顿，特拉华的INVISTA S.à.r.I.North America Inc的称为ELASTERELL-PTM纱线。术语弹性纤维和伊莱斯坦(elastane)在本领域中是可以互换使用的。适合在本发明中使用的斯潘德克斯弹性纤维纱线品牌的例子是LYCRA_。
合成双组分复丝纺织纱线也可用于形成弹性纱线成分。一种优选的合成双组分长丝成分聚合物可以是热塑性的。合成双组分长丝可以是熔纺的或使用在成丝领域中常用的任何其它方式形成的。在最优选的实施方案中，该成分聚合物可以是聚酰胺或聚酯。
优选的聚酰胺双组分复丝纺织纱线包括那些自卷曲的尼龙双组分纱线，上述纱线也称作“自变形”的。这些双组分纱线包括具有第一相对粘度的尼龙66聚合物或共聚酰胺组分和具有第二相对粘度的尼龙66聚合物或共聚酰胺组分，其中聚合物或共聚酰胺这两种成分从每条丝的横截面上看是并行关系。自卷曲尼龙纱线，例如由INVISTA North America S.àr.I.，威尔明顿，特拉华19805出售的商标为TACTEL_T-800TM的纱线在双组分弹性纱线中是尤其有用的。
聚酯成分聚合物的一些例子包括聚对苯二甲酸亚乙酯(PET)，聚对苯二甲酸亚丙基酯(PTT)和聚对苯二甲酸四丁烯。在一个优选实施方案中，聚酯双组分长丝包括PET聚合物组分和从每条长沙的横截面上看呈并行关系的PTT聚合物组分。具有这种结构的一种典型纱线是由INVISTA North America S.àr.I.，威尔明顿，特拉华19805出售的商标为T-400TM的下一代纤维。
硬质成分可以由任何非弹性合成聚合物纤维或天然纺织纤维制成，例如羊毛、棉、苎麻、亚麻、人造纤维、蚕丝等。合成聚合物纤维可以是选自复丝扁平长丝纱、部分取向纱、变形纱、选自尼龙、聚酯的双组分纱或者长丝混纺纱的连续长丝或短纤维纱。硬质成分优选260旦尼尔(286分特)的68根长丝尼龙纱。
尼龙纱优选地可包括合成聚酰胺组分聚合物，例如尼龙6，尼龙66，尼龙46，尼龙7，尼龙9，尼龙10，尼龙11，尼龙610，尼龙612，尼龙12，以及它们的混合物和共聚酰胺。在共聚酰胺的情况下，尤其优选的是包括高达40克摩尔百分比的聚己二酰二胺的尼龙66，其中脂肪族二胺组分选自由INVISTANorth America S.àr.I.，威尔明顿，特拉华19805(威尔明顿，特拉华，USA，19880)处获得的商标分别为DYTEK A_和DYTEK Ep_的二胺组中。
进一步根据本发明，本发明的硬纱部分可包括聚酯，例如聚对苯二甲酸亚乙酯，聚对苯二甲酸亚丙基酯、聚对苯二甲酸丁烯和它们的共聚多酯。
所述进行监测的织物16也可以由复合纱线形成，其中所述反射和可拉伸组分结合在同一纱线中。这种复合纱线可包括具有光谱反射外表面的包覆纱线，所述反射外表面以一层或多层的方式围绕弹性纱线被包覆。
所述衣服12的其余结构如果不是也由进行监测的织物形成的话，也可呈现任何传统的纺织结构(例如上面所述的针织、机织)，并且可以由任何合适的纺织长丝衣服用旦尼尔纱线制成。
在一个实施方案中，所述在补丁14中使用的进行监测的织物16附着在衣服12上。所述补丁14可以用任何其它的方式缝在、胶粘在、钉在、绑在、扣在、织进或附着在衣物上。
在本发明的目的内供选择地，所述衣物12可完全由进行监测的织物16形成，任何合适的针组合或经纱/纬纱强度都可用于衣物12。
在另一个实施方案中，所述衣物通过使用任何合适的针组合将进行监测的织物16与衣服12的剩余材料结合而无缝构成。在此上下文中，术语“无缝”指已知的在无缝针织机(例如来自意大利的布雷西亚的Santoni S.p.A)上的圆形针织过程。用这种方法处理的衣服可以具有很少的缝隙，例如，背心的肩部或连裤袜的分叉部分的接缝可以使用传统使用的接缝方法形成。出于这些原因，本领域中的术语“无缝”包括带有一个或只有很少接缝的衣服，并且基本上由单独的一片织物构成。
图1所示的系统10适于监测由伴随着对象S的呼吸或心跳的生理活动的身体几何变化产生的运动。因此，衣服12设置为类似一件背心或衬衫，虽然也可以设置为其它的衣服。对于背心状或衬衫状纺织结构，设置有轮廓线和适当的开口以便能穿在对象S的身体上。对于这种使用，进行监测的织物16的补丁14应当设置在对于对象S身体的几何变化最敏感的位置，例如，通过将补丁14设置在对象S的左胸乳头下面，补丁14能够用于监测伴随呼吸的心跳或胸壁运动。应当理解在需要监测身体其它部分的运动时，衣服的物理形式能够进行适当的修改以放置在对象S身体的其它部分。
当进行监测的织物16拉伸和复原时，光平衡被监测。为了达到这种目的，系统10进一步包括一个合适的辐射源18，其在约400纳米到约2200纳米的波长范围内，尤其在约400纳米到约800纳米和在约700纳米到约2200纳米之间的波长范围内操作。相关的检测器22响应在给定波长范围和子范围内的入射光，以产生对应于上述入射光的响应信号。
在用近红外光进行操作的情况下，辐射源18可以是在红外范围内(波长在805纳米或880纳米)的基于化合物半导体的(例如砷化镓和砷化镓铝)发光二极管或任何类似的辐射源。辐射检测器22可以是任何能够检测射线的装置，例如，耦合到适当设置的输出放大级的光电二极管。任何公知的半导体都能够用于形成所述的光电二极管，包括硅或锗。适合在本发明中使用的商业上可获得的辐射源和检测器组件包可从Fourier Systems Ltd.(9635 Huntcliff Trace，亚特兰大，乔治亚州，30350)获得，型号为DT155(0-5伏输出)。
对于宽频谱白光(400-800纳米)操作，所述源18可以是基于化物半导体的“白光LED”(例如，采用具有合适的磷光体以提供宽频谱自光辐射的基于氮化铟镓的装置的发光二级管)。检测器22优选的是一种耦合到适当设置的输出放大级的硅光电晶体管。
辐射源18和检测器22以预定的相对位置附着在进行监测的织物16上。所述位置能够被确定以使得当所述织物拉伸和复原时，由检测器22接收的入射光直接受到通过所述进行监测的织物16透射的光的数量相对于由所述进行监测的织物16反射的光的数量变化的影响。在优选的情况下，辐射源18和检测器22是嵌入在或牢固地固定在进行监测的织物16的纺织结构上。辐射源18和检测器22能够使用公知的附着方式固定，包括但不限于夹住、胶粘、缝制、绑住或采用钩和环搭扣(Velcro)。可选择地，可能希望在本发明的一些操作结构中(例如当对象S在踏车上时)，将所述源和检测器设置在远离且不直接与织物16接触的位置。在这种远程布置中，辐射源18和检测器22能够被定位在任何允许检测器22检测在拉伸和复原期间的透射和反射光的变化的位置。
在图1所示的操作结构中(结合附图2A和2B进行更详细地讨论)，源18和检测器22安装在进行监测的织物16的补丁14的外表面16E上。可选择地，如结合图3A和3B所讨论地，源18或检测器22之一安装在进行监测的织物16的补丁14的外表面16E上，而检测器22或源18中的另一个安装在进行监测的织物16的补丁14的内表面16I上。
用作辐射源18的合适的电源26可以常规地装载在衣服12上。电源26可以是本领域中任何常规的电源，包括但不限于电池。
系统10还可以包括一个耦合到检测器22上的信号采集和存储单元28，用于存储由检测器响应入射光而产生的信号。在衣服12上提供有导电路径32以用任何合适的电学结构互相连接红外线源18、检测器22、电源26和信号存储单元28。
形成导电路径32的一种常规的方式是将导电长丝针织或机织到衣服12中。适合这种用途的合适导电长丝是前面提到的X-static_纱线。可选择地，所述金属丝可以布置成不附着在织物上。
形成导电路径32的另一种方法是使用导电染色剂将导电路径的图案用丝网印刷术印刷。任何可以使用的导电染色剂包括，例如由DuPont MicrocircuitMaterials，Research Triangle Park，出售的导电染色剂，NC 27709，如银染色剂5021或银染色剂5096。银染色剂5021的染色剂在柔性基底上制造低压电路方面非常有用，而建议银印色剂5096的染色剂用在有非常多褶皱的情况下。虽然银染色剂5021具有较高导电性，但银染色剂5096更容易延伸和更容易在衣服12的织物纤维之间建立桥接。
一旦信号由辐射检测器22接收，信号处理器34可用于将来自检测器22的表示其上入射光的、周期性变化的输出信号转换为表示穿着衣服12的对象S的至少一个(或多个)预定参数(例如呼吸速率、心率)的信号。在优选情况下，所述信号处理器34包括一个适合进行编程的数字计算机。不过，对于本领域中的技术人员已知的任何信号处理器都可以使用。
存储在存储单元28的来自检测器22的信号可以用任何传统的方式传输给信号处理器34，以将其转换为表示对象S的生理参数的信号。例如，在存储单元28和处理器34之间的传输可以通过硬件连接或空间无线连接(例如使用在高速无线数据通信领域中公知的使用2.4GHz和802.11a/b或802.11g协议的无线LAN)或光学传输链路来完成，例如图1中参考数字36所表示的区域所表示的。
来自检测器22的信号是原始信号，并且包括至少包含对象S的呼吸周期和心率的复合频率。某些噪声源对整个波形有贡献，这种噪声源被认为来自对象S或进行监测的织物16的外部运动，并且与呼吸和心率无关联。这些噪声源能够通过使用合适的电子滤波技术被滤除。特别地，对高频和低频通过的滤波器进行适当地选择以能够产生较干净的原始整体波形。这些滤波器可以根据本领域技术人员公知的方法进行选择，以便获得仅与呼吸相关的信号或只与心跳相关的信号。同样地，在所述数据采集系统中也容易使用减小已知信号噪声源的滤波器。
虽然在图1中描述的所述信号处理器34设置在远离衣服的位置，应当理解将处理器设置为合适尺寸的包以能够通过物理方式固定到衣服上也在本发明考虑的范围内。在这种情况下，来自检测器22的输出可以直接缓存到处理器34内的合适存储器中。
通过参考图2A到2D可以更好地理解本发明的运动监测系统在反射模式下的操作。如前面所述，在反射模式操作下，源18和检测器22都被安装在或接近进行监测的织物16的同一表面处，通常是外表面16E。
源18布置为使得它能够保持与检测器22的相对位置。例如，源18和检测器22可以在所述进行监测的织物16的一侧牢固地连接在一起以保持一种空间关系。可选择地，所述源相对于检测器的位置可以保持在所述进行监测的织物16的相对侧以监测透射。在这种实施方案中，辐射源18可以使用“衣夹”或鳄鱼型夹连接在检测器22上。任何保持源18和检测器22之间的相对空间关系的公知装置都可以使用。
在监测呼吸的周期性的生理活动中讨论了所述操作。图2A描述了处于未拉伸状态下的织物16，而图2B描述了处于拉伸状态下的织物16。在图2B中描述的拉伸能够由于运动引起，例如呼吸的周期性生理活动。应当注意，图2A和2B是示例性的，不是按比例绘制的。例如，虽然图中只显示了织物的二维运动，但也可以考虑在所有方向上的运动。如上面所讨论的，使用合适的电子滤波技术，将对象S或进行监测的织物16的任何体外部运动作为噪声被滤除。
如图2A所表示的，在未拉伸状态，形成进行监测的织物16的纱线16Y的长丝彼此位于相对较近的距离内以限定一种具有较窄的间隙16G的图案。由参考符号17表示的通常为圆形的光斑表示由源18照射在所述进行监测的织物16上的区域。使用合适的光学器件(例如源18上的物镜)，光斑17的尺寸可以被可选择地调整以聚焦在包含形成织物16的任意数目的纱线16Y的区域内，或直到聚焦在仅包含纱线16Y的单根长丝的区域。
辐射检测器22可被设置在进行监测的织物16的同侧以接收射线(所谓的“反射模式”)或所述检测器22能够被设置在进行监测的织物16的相反侧以接收透射的射线(所谓的“透射模式”)。在由源18向织物16的表面16E发射的光子中，一些光子被织物的长丝16F吸收(例如由射线18C所描述的)，而另一些光子(例如射线18A和18B)通过了其间的间隙16G。如果源18和检测器22都设置在反射模式下，那么所有这些光子(18A，18B，18C)都不能被检测器22接收。在这种设置下，当所述织物没有被拉伸时，光的主要部分(例如通过18G的18D所表示的)被所述进行监测的织物16的表面16E反射到检测器22上。该光的主要部分在由检测器22产生相应的输出信号时非常有用。
如在图2B中所看到的，当织物拉伸时，在进行监测的织物16上形成的间隙16G的尺寸增加。间隙16G的这种尺寸的增加提高了光子通过所述织物16(和不能被设置在反射模式下的检测器接收)的可能性，减小了光子有效地向检测器22反射的可能性。由于透射通过所述织物(例如射线18A，18B，18G和18F所表示的)而致使检测器22不能接收到的光子的总量增加，而在反射模式下从检测器22输出的信号相应地下降。虽然被吸收的光子数量(例如由射线18C表示的)不是必然改变，但是在光斑大小17内的纱线16Y的数量减小，并且射线投射到纱线16Y上并且被反射或吸收的可能性减小。
在呼气期间，当对象S的身体收缩时，织物16经历其拉伸的弹性恢复阶段。间隙16G回到它们的原始尺寸(图2A)。所述光的较大部分再次被有效地反射到检测器22，增加了从检测器上的输出信号。
连续地观察的这些事件限定了一种拉长和复原的拉伸周期。在监测系统的检测器22处产生的信号从初始状态向中间状态改变，并且返回到初始状态，如图2C所表示的。这幅图用图形化的方式描述了在拉伸周期的过程期间，所述织物的光平衡(在图2C中用“LB”表示)的变化。在初始和吸气状态(分别由图2C中的参考字母“I”和“II”表示)之间以及吸气和呼气状态(分别由图2C中的参考字母“II”和“I”表示)之间进行比较，清楚地表明当织物拉伸时，由进行监测的织物16反射的光的数量以周期性的方式随时间发生变化。在图2C中，在初始状态(“I”)，由“LB”下面的底部表示的反射光比由“LB”上面的上部表示的透射光多。相反，在吸气阶段(“II”)，由“LB”下面的底部表示的反射光比由“LB”上面的上部表示的透射光少。
光平衡的这种周期性变化用图2D表示为一种与织物拉伸的伸长和复原阶段同步的从“I”到“II”再到“I”的随时间变化的信号。这种信号可以是潜在的生理过程的时间测量，所述生理过程提供了引起伸长和复原的力。
可选择地，系统10可以在光透射模式下操作，如图3A、3B所示。和2A和2B一样，所述描述是示例性的并且不是按照比例绘制的。在操作的透射模式下，源18和检测器22被设置在进行监测的织物16的相反侧。在监测呼吸的情况下会对所述操作进行再次描述。
当织物16没有被拉伸时(图3A)，来自光源18的照射到所述光斑17上的光只有相对较少的部分通过织物16中的间隙16G。因此，照射到检测器22上并用于由其产生信号的光子(例如由射线18A和18B表示的)的数量也随之较低。从所述织物16反射的光子(例如射线18D表示通过18G的)或由织物长丝16F吸收的光子(例如由射线18C表示的)丢失，并且因此对检测器22的输出没有贡献。
可是，当织物16由于吸气期间(如图3B所示)对象S的身体运动引起伸长时，因为照射光斑尺寸17保持恒定，通过织物上的间隙16G透射的光子数量(例如用射线18A，18B，18G和18F表示的)增加。这种落在检测器22上的有用光子数量的增加相应地改变了检测器的输出。来自检测器18的一些光子被反射(例如用射线18D和18E所表示的)或吸收(例如由射线18C所表示的)而丢失，因此对检测器22的输出没有贡献。
图3C用图形化的方式描述了光平衡LB的变化。而且，为了对讨论进行简化，忽略由织物吸收的总的光预算的部分。
如图3C所表示的，当织物经历了从初始状态到复原的拉伸周期时，从在检测器22上产生的信号从初始状态变化到中间状态并返回到初始状态。在拉伸周期的过程期间中，织物的光平衡的变化再次用图3C进行图示。在初始和吸气状态(分别由图3C中的参考字母“I”和“II”表示)之间以及吸气和呼气状态(分别由图3C中的参考字母“II”和随后的“I”表示)之间进行比较，清楚地表明当织物拉伸时，由织物16透射的光的数量相对于由所述织物16反射的光的数量以周期性的方式随时间发生变化(在透射模式的情况下，由于吸收导致的检测器的光损失对该图中的“反射光”部分有贡献)。因此，在图3C中，在初始状态(“I”)，由“LB”下面的底部表示的反射光比由“LB”上面的上部表示的透射光多，并且，在吸气阶段(“II”)，由“LB”下面的底部表示的反射光比由“LB”上面的上部表示的透射光少。
光平衡的这种周期性变化用图3D表示为一种与织物拉伸的伸长和复原阶段同步的从“I”到“II”再到“I”的随时间变化的信号，并且提供了引起伸长和复原的力的潜在的生理过程的时间测量。
如在图2C所示的信号的例子中，该表示光平衡LB变化的信号用于导出表示穿着该衣服12的对象S的生理参数的信号。
本领域技术人员也理解在这之前描述的本发明的原理可以应用到各种需要监测部件的运动的情况下。例如，在另一个实施方案中，本发明的部件运动监测系统可用于监测多部件结构的部件运动。
用于这种用途的运动监测系统包括纺织披风，其至少一部分由进行监测的织物形成。术语“纺织披风”包括(完全或部分)覆盖一种结构的部件的任何织物结构。
纺织披风用任何传统的方式设置在被监测运动的部件上。采用与前面讨论同样的方式，源18和检测器22在相对位置上附着在纺织披风上，使得当织物响应部件的运动而经历拉伸周期时，检测器22对入射射线的接收直接受到通过所述织物16的透射光相对于由所述织物16反射的光的数量变化的影响。
本发明的实例实例1构建基本如图1所描述的衣服12用于说明本发明的原理，具有由监测织物16制成的整体补丁14的衣服12使用八路圆形针织机制成，例如SantoniSM8-8TOP。补丁14正好位于胸部左乳头下面。形成所述补丁部分14的进行监测的织物16使用四根可反射的导电纱线和四根可拉伸的纱线构造。每根可反射的导电纱线都是如前面所述的X-Static_纱线。每根可拉伸的纱线都以软质成分和硬质成分结合形成。软质成分包括二十(20)旦尼尔(22分特)LYCRA_弹性纤维纱线，所述弹性纤维纱线用十(10)旦尼尔(11分特)七根长丝尼龙纱线单覆盖。硬质部分包括260旦尼尔(286分特)68根长丝尼龙纱线。该衣服12的剩余部分由包覆LYCRA_弹性纱线和尼龙组合纱线构成，所述的弹性纱线和尼龙组合纱线提供给圆形针织机的所有八路，没有将反射纱线提供给该机器。针织机的速度是四十九(49)转每分钟，并且衣服直接制成可穿的形式。
源18和检测器22被设置为透射模式，如图3A和3B所示。源18和检测器22使用从Fourier Systems有限公司(9635 Huntcliff Trace，亚特兰大，乔治亚州，30350)获得的型号为DT155的具有零至五(0-5)伏输出的单一组件构成，所使用的波长为805纳米。
DT155源/检测器组件直接夹在补丁14上。来自检测器22的输出传导到信号采集单元，所述信号采集单元从Fourier Systems有限公司获得，被称为“MultiLogPro”。所述信号采集单元包括板载电池组件。所述数据采集单元包括用户可选择的检测器信号采样率，以便更好地分辨期望的频率，即，对象的心跳频率和呼吸频率。因为期望的频率在100Hz或更低频率的范围内，选择五十(50)Hz的信号采样率。
由数据采集单元输出的零至五伏输出信号被下载到从Dell Computer处获得的带有移动Pentium_III CPU，750MHz的C600便携式计算机中，用于进行信号处理。
由对象S获得的原始信号在图4A中显示，该信号是包括至少包含对象S的呼吸周期和心率的复合频率。某些噪声源对整个波形起作用，这种噪声源被认为是来自对象S和织物16的体外部运动引起的，并且与呼吸和心率无关联。这些噪声源能够通过使用合适的电子滤波技术被滤除。特别地，对高频和低频通过的滤波器进行适当地选择以能够产生较干净的原始整体波形。这些滤波器可以根据本领域技术人员公知的方法进行选择，以便获得仅与呼吸相关的信号或只与心跳相关的信号。同样地，在所述数据采集系统中也容易使用用于减小已知信号噪声源的滤波器。
图4A中复合频率的波形可通过本领域技术人员已知的方法分解为图4B所示的频域频谱，在这个实施例中，图4A中的原始信号被下载到计算机中并使用傅立叶频率域去卷积算法进行处理。
图4A中的原始数据[F(time)-time]如方程1所示。
F(t)=a0+anΣn=1∞sin(2πnft)]]>(1)其中αn表示频率为n(每分钟)的那些信号成分的相对幅值，并且α0是零频率(“DC”)成分。
在频谱中每个期望频率的相对量由公式2确定的权重系数(αn)给出。
an=(2/L)∫0LF(t)sin(2πnft)dt]]>(2)其中L是影响频率分辨率的参数，由已知的方法获得和选择。
在这个例子中，期望的基频或最低频率(f)被选择为1/分钟。因而，任何大于基频的频率(nf；其中n为整数)都是可分辨的。
使用这种方法找到了两个主要频率。这些结果用图4C和4D表示。图4C是每分钟78次的心率，图4D是每分钟18次的呼吸频率。
根据这里公开的内容，这个结果表明在关键部位上具有一部分监测织物的衣服能够成功地报告穿该衣服的人的呼吸(呼吸过程)频率和心率，其中所述衣服作为该系统的一部分。
在透射操作模式下，在这个实例中使用的织物使用DT155源和检测器组件进行监测，所述检测器组件附着在所述织物上。源和检测器组件在0-5V范围内。来自检测器的输出作为在三个分立阶段中织物伸长的函数被测量，这三个阶段是松弛；拉长到比松弛状态时大10％(10％拉伸)；和拉长到比未拉伸状态时大20％(20％拉伸)。
所测量的检测器电压是织物反射加上吸收之和的补数(complement)。因此，随着织物长度的增加，光透射量增加，提供了减小的电压值。在初始状态，所述电压为3.64V(这一输出可称为织物偏置电压)。在10％拉伸中，所述电压为3.36V，在20％拉伸中，所述输出为2.71V。
在图4E中用图形化方式表示了这些结果。图4E说明当所述织物响应运动而拉伸时，通过所述监测织物透射的光的数量相对于由所述监测织物反射的光的数量(即光平衡)发生改变。
可使用任何程序实现傅立叶频率去卷积。用Visual Basic语言编写的用于执行傅立叶频率去卷积的程序如下所示Sub find_an()＇′findheartbeat MacroL=Cells(9,7).Valuef=Cells(9,5).Valuej=12avg=Cells(12,5).Value′avg=0For n=1 To 95an=0bn=0
i=4kuo2:t1=Cells(i，1).Valuet2=Cells(i+1，1).Valuey1=Cells(i，2).Value-avgy2=Cells(i+1，2).Value-avgan=an+2/L*(y1*Sin(2*3.1416*n*f*t1)+y2*Sin(2*3.1416*n*f*t2))/2*(t2-t1)bn=bn+y1+avgIf t2＞L ThenGo To kuolElsei=i+1Go To kuo2End IfKuol:Cells(j+n，5).Value=anNext nEnd Sub实例2在这个实施例中，基本上与实例1的方法相同，除了使用提供波长为880纳米的射线的源，可获得基本上相同的结果。
实例3除了下面的变化，其余基本上与实例1的方法相同。提供了波长范围在430-700纳米的射线的源(宽频谱白光LED；合适的源可从Lumitex_有限公司，8443 Dow Circle，Strongsville，Ohio 44136，USA；Part No.003387处获得)与硅光电晶体管检测器和本领域通常使用的合适的放大电路结合使用。获得组合的呼吸和心率信号。不过，在这个实施例中，该信号没有像实例1一样进行进一步地处理以分别获得心率和呼吸频率。
实例4在这个实施例中，在与本发明实施例1完全相同的透射操作模式下，使用附着在所述织物上的DT155源/检测器组件监测不同类型和结构的织物(电压范围为0-5V)。用未拉伸状态下的织物(也称为静止织物状态)测量来自检测器的输出。像前面所述的，所测得的检测器电压是织物反射和吸收之和的补数。
在每次测量中，静止织物状态以来自检测器的电压信号为特征。这种输出被称为该织物的偏置电压。零偏置电压表示对于来自所述源的805纳米的光，所述织物完全透射。
与偏置电压测量同步，从Fourier Systems有限公司获得的与“MultiLogPro”(如实施例1中的)耦合的DT009光传感器用于测量透射通过所述织物的可见光。这种光透射被测量作为用LUX表示的直流输出的照明度(1LUX＝1流明/平方米)。用DT009光传感器测量了来自标准荧光台灯的织物样本的光透射的照明度，所述的荧光台灯提供波长范围大多数在440-550纳米的频谱范围内的光。来自标准荧光台灯的测量的照明度是在每个样本上入射400LUX。由所述织物透射的照明度(LUX)是测量每个样本开孔的量度，数据如下面的表1所示。
如表1所示，对于805纳米波长的光，不同结构、成分和厚度的织物提供给了可见光透射和光平衡(透射、吸收和反射)范围。在静止织物状态，可工作的光平衡能够使用单层织物获得，并且将产生良好的偏置电压，例如范围在2.5-3.5V。单层1×1针织织物中的X-Static_纱线补丁是产生这种优良效果的一个典型织物。单层中的X-Static_纱线1×1针织补丁表现出6.45LUX可见光透射和3.17V的偏压。表1给出了各种被测试的织物和观察到的对应的照明度和偏置电压值。
表1
从前面的说明容易看出，本发明的织物、衣服和系统提供了一种监测对象S的一个或多个生理参数，而不需要改变衣服或使用胸部或身体的带子或夹子的特别有用的无创性技术。不过，本发明的织物和系统也允许监测任何能够转换为弹性监测材料的伸长和复原的运动。
当使用所述织物时，如当包括在衣服或披风中时，为响应穿着该衣服的对象的生理活动或响应其上带有披风的部件的生理活动而产生的所述织物的伸长和复原的拉伸周期，使得从所述织物透射的光的数量相对于由所述监测织物反射的光的数量改变或调节。
本领域技术人员在本发明前面所提出的教导的启发下，能够对其进行修改，这种修改被认为在如后附权利要求所限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种织物，包括辐射透射特性和辐射反射特性，其中当该织物被拉伸时，通过所述织物的透射光的数量相对于由所述织物反射的光的数量改变。
2.如权利要求1所述的织物，其中所述织物包括多根第一反射纱线，其与多根第二可拉伸纱线一起进行针织或机织，其中每根反射纱线上具有导电材料涂层，并且其中每根可拉伸的纱线是由包覆的弹性纱线和硬质纱线结合形成。
3.一种在用于监测穿衣服者的至少一个预定生理参数的监测系统中使用的衣服，包括所述衣服的至少一部分由织物形成，所述织物具有光透射特性和光反射特性；其中，当织物响应穿衣服者的至少一个预定生理参数而被拉伸时，通过所述织物的透射光的数量相对于由所述织物反射的光的数量改变。
4.如权利要求3所述的衣服，其中所述织物包括多根第一反射纱线，其与多根第二可拉伸纱线一起针织或机织，其中每根反射纱线上具有导电材料涂层，并且每根可拉伸的纱线是由包覆的弹性纱线和硬质纱线结合形成。
5.一种用于监测穿衣服者的至少一个预定生理参数的监测系统，包括衣服，所述衣服的至少一部分由一种织物形成，所述织物具有光透射特性和光反射特性；其中，当所述织物响应穿衣服者的至少一个预定生理参数而被拉伸时，通过所述织物的透射光的数量相对于由所述织物反射的光的数量改变；至少一个波长在约400纳米到约2200纳米范围内的辐射源；和至少一个响应波长在约400纳米到约2200纳米范围内的入射射线以生成表示它的信号的检测器，和其中所述源和检测器在相对位置上与所述织物相关联，使得检测器对入射射线的接收直接受到由所述织物反射的光的数量或通过所述织物的透射光的数量的变化的影响。
6.如权利要求5所述的监测系统，其中所述系统还包括信号处理器，用于将表示入射到检测器上的波长范围在约400纳米到约2200纳米内的射线的信号转换为表示穿着衣服者的至少一个预定生理参数的信号。
7.如权利要求5所述的监测系统，其中所述织物包括多根第一反射纱线，其与多根第二可拉伸纱线一起针织或机织，其中每根反射纱线上具有导电材料涂层，并且每根可拉伸的纱线是由包覆的弹性纱线和硬质纱线结合形成。
8.如权利要求5所述的监测系统，其中所述织物具有第一侧和第二侧，并且其中所述源和检测器安装在所述织物的相对侧上。
9.如权利要求5所述的监测系统，其中所述织物具有第一侧和第二侧，并且其中所述源和检测器安装在所述织物的同一侧上。
10.如权利5所述的监测系统，其中所述信号处理器安装在衣服内，并且其中所述衣服还包括设置在衣服上或衣服内与检测器和信号处理器连接的导电通路。
11.一种用于监测一种结构的运动的织物，包括织物，当所述织物受到辐射源照射时，其表现出光透射特性和光反射特性，其中当所述织物响应它所位于的结构的运动而被拉伸时，通过所述织物的透射光的数量相对于由所述织物反射的光的数量改变。
12.如权利要求11所述的织物，其中所述织物包括多根第一反射纱线，其与多根第二可拉伸纱线一起针织或机织，其中每根反射纱线上具有导电材料涂层，并且其中每个可拉伸的纱线是由包覆的弹性纱线和硬质纱线结合形成。
13.一种在监测一种结构的运动的监测系统中使用的纺织披风，包括所述披风的至少一部分由织物构成，当所述织物受到辐射源照射时，其表现出光透射特性和光反射特性，其中当所述织物响应其上设置有披风的结构的运动而被拉伸时，通过所述织物的透射光的数量相对于由所述织物反射的光的数量改变。
14.如权利要求13所述的纺织披风，其中所述织物包括多根第一反射纱线，其与多根第二可拉伸纱线一起针织或机织，其中每根反射纱线上具有导电材料涂层，并且每根可拉伸的纱线是由包覆的弹性纱线和硬质纱线结合形成。
15.一种用于监测一种结构的运动的系统，所述结构包括至少一个第一部件，所述系统包括安装在至少第一部件上的纺织披风，其中所述纺织披风的至少一部分由织物构成，所述织物具有光透射特性和光反射特性，其中当所述织物被拉伸时，通过所述织物的透射光的数量相对于由所述织物反射的光的数量改变；至少一个具有波长在约400纳米到约2200纳米的范围内的辐射源；并且至少一个响应波长在约400纳米到约2200纳米范围内的入射射线以生成表示表示它的信号的检测器，其中至少一个源和检测器在相对位置上附着在所述纺织披风上，使得当所述织物响应所述部件的运动而被拉伸时，检测器对入射射线的接收直接受到通过所述织物的透射光的数量相对于由所述织物反射的光的数量的改变的影响。
16.如权利要求15所述的监测系统，其中所述系统还包括信号处理器，用于将表示入射到检测器上的波长范围在约400纳米到约2200纳米的射线的信号转换为表示所述部件运动的信号。
17.如权利要求15所述的监测系统，其中所述织物包括多根第一反射纱线，其与多根第二可拉伸纱线一起针织或机织，其中，每根反射纱线上具有导电材料涂层，并且每根可拉伸纱线是由包覆的弹性纱线和硬质纱线结合形成。
18.如权利要求1所述的织物，其中当用波长范围在约四百(400)纳米到约八百(800)纳米的光照射所述织物时，所述织物表现出光透射特性和光反射特性。
19.如权利要求3所述的衣服，其中当用波长范围在约四百(400)纳米到约八百(800)纳米的光照射所述织物时，所述织物表现出光透射特性和光反射特性；
20.如权利要求5所述的系统，其中当用波长范围在约四百(400)纳米到约八百(800)纳米的光照射所述织物时，所述织物表现出光透射特性和光反射特性；其中所述源提供了波长范围在约四百(400)纳米到约八百(800)纳米的射线；并且其中所述检测器响应波长范围在约四百(400)纳米到约八百(800)纳米的射线。
21.如权利要求11所述的织物，其中当用波长范围在约四百(400)纳米到约八百(800)纳米的光照射所述织物时，所述织物表现出光透射特性和光反射特性。
22.如权利要求13所述的纺织披风，其中当用波长范围在约四百(400)纳米到约八百(800)纳米的光照射所述织物时，所述织物表现出光透射特性和光反射特性。
23.如权利要求15所述的系统，其中当用波长范围在约四百(400)纳米到约八百(800)纳米的光照射所述织物时，所述织物表现出光透射特性和光反射特性；其中所述至少一个源提供了波长范围在约四百(400)纳米到约八百(800)纳米的射线；并且其中所述检测器响应波长范围在约四百(400)纳米到约八百(800)纳米的射线。
24.一种用于监测织物拉伸和复原的方法，包括对表现出光透射特性和光反射特性的织物辐射能量，并且；当织物拉伸时，测量由给定辐射区域反射的光的数量或通过所述给定辐射区域的透射光的数量。
25.如权利要求24所述的方法，还包括用波长在约400纳米到约2200纳米范围内的射线照射所述织物。
26.如权利要求24所述的方法，其中所述织物具有第一侧和第二侧，并且其中所述源和检测器安装在所述织物的同一侧上。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述源和检测器牢固地附着在所述织物上。
28.一种用于监测织物运动的系统，包括用于照射织物的辐射源；具有反射特性和透射特性的织物，和检测器，其被设置为当所述织物拉伸时用于检测射线透射或反射的变化。
全文摘要
一种包括进行监测的织物的衣服和系统，所述织物包括多根第一反射纱线，其与多根第二可拉伸纱线一起针织或机织。所述织物表现出光透射特性和光反射特性。当该织物响应诸如由生理活动引起的运动(例如心率)而被拉伸时，通过所述织物的透射光的数量相对于由所述织物反射的光的数量改变。所述系统包括至少一个波长范围在400纳米到2200纳米的辐射源，和至少一个响应这种入射射线的检测器。所述源和检测器可以与所述织物相关联，使得当织物被拉伸时，检测器对入射射线的接收直接受到通过所述织物的透射光的数量相对于由所述织物反射的光的数量的变化的影响。信号处理器将来自检测器的信号转换为表示穿该衣服者的至少一个预定生理参数的信号。
文档编号A61B5/024GK1863482SQ200480025984
公开日2006年11月15日 申请日期2004年9月10日 优先权日2003年9月12日
发明者C·扩, G·W·考尔斯顿 申请人:特克斯特龙尼克斯公司