基于光纤传感的智能护理服装

基于嵌入异芯光纤传感器的智能纺织品对床上护理动作的监测测试

摘要

学习正确的护理动作对于预防护士和护理人员的下背痛是有效的。监测身体运动以识别正确的护理动作非常重要。测量系统需要成本低廉，适合日常使用，并且对人体舒适。本文提出了一种利用异核光纤监测床上护理动作的智能服装。结果表明，所提出的织物传感器仅通过光损耗变化即可判断护理动作是否存在重心转移。

关键词

医疗保健；技能培训；测量；护理动作；智能纺织品；异核光纤

I. 引言

由于少子化和老龄化社会，护理老年人的护士和护理人员患下背痛成为了一个问题。在工作中，他们需要移动患者的身体以协助使用翻身床。床上护理动作中的姿势可能导致下背痛[1]。通过重心转移进行正确的身体运动，有助于预防下背痛。在掌握护理动作技能时，学员通常在专家的面对面教学指导下反复训练。然而，学员与专家在时间和空间上始终同步进行护理动作学习较为困难。采用电子学习方式进行技能培训，有助于练习正确的护理动作[2]。该系统使用摄像头捕捉身体运动。尽管摄像头系统与身体之间无物理接触，但其日常使用可能面临较高的成本。

使用安装在身体部位上的惯性传感器的可穿戴方法可以直接检测关节角度[3]。由于传感器模块的存在，这种技术可能会让人感到不适。为了提高舒适度，采用纺织品等柔性传感元件较为合适。我们已经开发了使用异芯光纤传感器的运动监测应用[4]。异芯光纤可以嵌入织物中[5]。本文提出了一种基于异核光纤技术的织物传感器用于床上护理动作测量。通过将织物传感器缝制在衣物的 thigh 部位，对健康受试者的床上护理动作进行了监测。所获得的光损耗信号与通过惯性参考传感器测得的关节角度进行了比较。

II. 实验装置

图1显示了使用异芯光纤的织物传感器。如图1(a)所示，异芯光纤被编织在具有经纬线的织物中。来自发光二极管的波长为1.31 μm的透射光穿过传感器部分，并耦合到光电探测器。如图1(b)所示，所制备的织物传感器能够通过光损耗变化检测织物的弯曲。使用羊毛线制成的织物传感器可以缝制在衣物上，无创地检测人体运动。

图2显示了使用织物传感器进行动作捕捉的实验装置。如图2所示，织物传感器被布置在衣物的两条大腿部位。通过配备发光二极管和光电二极管(PD)的仪器以50赫兹的采样频率测量光损耗。来自光电二极管(PD)的电压输出通过模数转换器数字化，并通过蓝牙通信发送至计算机。同时，在大腿上放置的惯性传感器（TSND151，ATR‐Promotions公司）以50千赫兹的采样频率测量大腿的关节角度。对一名健康受试者（男性，35岁）使用所提出的系统进行了测试。

图3显示了护理过程中的床上护理动作。如图3所示，正确的护理动作会将重心从受试者的前方转移到后方，从而移动床上患者的身体。在正确的护理动作中，随着受试者重心的转移，其姿势向后移动。在此过程中，右髋关节由屈曲变为伸展，左髋关节由伸展变为屈曲。另一方面，在未进行重心转移的护理动作情况下，床上患者的身体主要依靠手臂移动，因此髋关节不发挥作用。

III. 结果与讨论

光损耗。(b) 关节角度。)
图4显示了在正确动作（动作A）过程中织物传感器和惯性参考传感器的响应。如图4(a)所示，光损耗随重心移动而发生变化，反映了髋关节的运动。如图4(b)所示，惯性参考传感器测得的关节角度与织物传感器的光损耗同时发生变化。在正确的动作中，主要是左腿髋关节的角度发生变化，而右腿髋关节的角度几乎保持不变。结果表明，缝制在衣物上的织物传感器能够针对重复的护理动作跟踪髋关节的运动。

光损耗。(b) 关节角度。)
图5显示了在错误动作（动作B）期间织物传感器和惯性参考传感器的响应。如图5(a)所示，右腿织物传感器的光损耗响应相比左侧略有变化。如图5(b)所示，关节角度几乎没有变化。这种差异的原因在于，安装在衣物上的织物传感器对由于动作引起的小姿势变化更为敏感。这些结果表明，所提出的织物传感器仅通过光损耗变化即可判断护理动作是否发生了重心偏移。

IV. 结论

本文利用嵌入织物中的异核光纤对床上护理动作进行了监测。缝制在衣物上的所提出的织物传感器能够检测身体运动。不同护理动作分别通过该织物传感器进行了监测。结果表明，所提出的织物传感器仅通过光损耗变化即可判断护理动作是否发生了重心偏移。