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借助前幾篇文章的介紹，相信讀者已經(jīng)知道物聯(lián)網(wǎng)(IoT)所帶來(lái)的方便性，以及為我們的生活帶來(lái)更多寶貴的信息。智能衣即是物聯(lián)網(wǎng)的穿戴式感測(cè)裝置，只要穿在身上，就可以隨時(shí)對(duì)人體進(jìn)行測(cè)量。但究竟智能衣是如何對(duì)人體進(jìn)行測(cè)量的?又是如何做到的呢?其實(shí)，人體隨時(shí)都在產(chǎn)生微弱的生物電信號(hào)，有的是維持體內(nèi)器官的運(yùn)行，有的則是讓人體產(chǎn)生動(dòng)作，只要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，就能得知許多人體信息，而這些信號(hào)則仰賴(lài)專(zhuān)門(mén)的傳感器來(lái)收集。

身體信號(hào)的收集

當(dāng)肌肉收到來(lái)自腦部命令時(shí)，這會(huì)使得肌肉開(kāi)始收縮或舒張，像是手臂肌肉就會(huì)帶動(dòng)骨骼，達(dá)到支撐肢體動(dòng)作。這命令會(huì)導(dǎo)致肌肉細(xì)胞產(chǎn)生膜電位(即為細(xì)胞膜的內(nèi)外電位差距)，且影響至整塊肌肉，那么要怎么量測(cè)肌電信號(hào)呢，就需要一種媒介來(lái)讀取這微小的信號(hào)，亦即于前篇文章(會(huì)照顧人的衣服?智能衣知多少(二)─探索智能衣的奧秘)所介紹的電極貼片。我們使用兩個(gè)貼片在手臂肌肉的兩端上，再于腰部附近貼上一個(gè)作為參考點(diǎn)，并再接上導(dǎo)線及傳感器來(lái)接收和處理肌電信號(hào)。從皮膚收到來(lái)自肌肉的信號(hào)可能非常非常小(約0.01毫伏特到100毫伏特)。因此設(shè)計(jì)傳感器電路時(shí)，就需加個(gè)放大電路讓信號(hào)變大，以便于運(yùn)算處理。但人體有很多信號(hào)都會(huì)傳到皮膚，或是電極貼片也有可能接收來(lái)自空間內(nèi)的其他噪聲，這些多種信號(hào)也會(huì)被傳感器接收并加以放大，因此在傳感器中加入濾波電路來(lái)濾掉不需要的信號(hào)，只剩下我們想知道的生物電信號(hào)，如來(lái)自手臂肌肉的肌電信號(hào)，或是來(lái)自心臟的心電信號(hào)。

科技始終以人為本

智能衣的目的就是在平日即能夠穿著，以便長(zhǎng)時(shí)間對(duì)人體進(jìn)行測(cè)量，所以基于舒適度與便利性，傳感器往往會(huì)結(jié)合無(wú)線傳輸，使處理過(guò)的生物電信號(hào)傳送到用戶的移動(dòng)裝置或是個(gè)人計(jì)算機(jī)。但是生物電信號(hào)經(jīng)上述處理后還是屬于模擬信號(hào)，需要做信號(hào)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，因此傳感器中加入數(shù)字轉(zhuǎn)換器，這樣就能透過(guò)手機(jī)和個(gè)人計(jì)算機(jī)來(lái)收集轉(zhuǎn)換過(guò)后的數(shù)字信號(hào)。

智能衣結(jié)合多項(xiàng)技術(shù)再連結(jié)物聯(lián)網(wǎng)，使用者不只能在手機(jī)上實(shí)時(shí)看到心電圖、肌肉強(qiáng)度，甚至能將信息傳到云端管理，使得在遠(yuǎn)方的用戶也能查看長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，達(dá)到長(zhǎng)期的生物電訊息監(jiān)控。

肌肉訊息

了解傳感器之后，再來(lái)介紹肌肉信號(hào)。人在出力的時(shí)候，肌肉會(huì)產(chǎn)生微量的電位變化并傳至皮膚表面，例如：從手臂皮膚量測(cè)手臂肌肉的微小信號(hào)約小至0.01毫伏特、大至100毫伏特的信號(hào)，隨著肌肉不同的出力程度，信號(hào)就會(huì)呈現(xiàn)不同大小的波形曲線，紀(jì)錄下的電位信號(hào)亦稱(chēng)為“肌電信號(hào)”，其波形則稱(chēng)為“肌電圖”，我們能夠從中分析出肌肉的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，像是肌肉疲勞或是運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，如圖一。

圖一：肌電信號(hào)波形圖。傳感器透過(guò)貼片接收肌電信號(hào)，信號(hào)處理后傳到移動(dòng)裝置，移動(dòng)裝置再演算處理信號(hào)并顯示肌電波形。肌電信號(hào)會(huì)隨著肌肉出力越大，波形振動(dòng)幅度越大，放松時(shí)波形回到原點(diǎn)。肌電信號(hào)會(huì)上下振動(dòng)，因?yàn)橐粔K肌肉是由很多肌肉細(xì)胞所組成，一個(gè)貼片可能會(huì)收到好多不同的膜電位，導(dǎo)致一個(gè)貼片收到的電位會(huì)浮動(dòng)。(圖片來(lái)源：國(guó)立中山大學(xué)-嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室)

心電圖與心臟對(duì)照

心臟則是由心臟肌肉所構(gòu)成的，心臟收到來(lái)自大腦命令跳動(dòng)時(shí)，心臟肌肉的電位會(huì)變化，所以心臟可以說(shuō)是小型信號(hào)產(chǎn)生器，而心臟肌肉發(fā)送信號(hào)的頻率就是心跳。心臟左右兩側(cè)量到的信號(hào)范圍約從0.1毫伏特到2毫伏特間。而將心臟跳動(dòng)的信號(hào)紀(jì)錄下來(lái)，畫(huà)成波形圖即為一般俗稱(chēng)的心電圖，如圖二。

圖二：心電信號(hào)波形圖。傳感器透過(guò)貼片接收心電信號(hào)，信號(hào)處理后傳到移動(dòng)裝置，移動(dòng)裝置再演算處理信號(hào)并顯示心電波形。心電圖是有規(guī)律的波形，容易算出心跳率，且每次跳動(dòng)都隱含著心臟內(nèi)部訊息。 (圖片來(lái)源：國(guó)立中山大學(xué)-嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室)

其實(shí)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(jiǎn)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于不同動(dòng)作狀態(tài)之中。如圖三-(a)， P波表示心房開(kāi)始收縮，心房開(kāi)始將血液送到心室，PQ之間心臟會(huì)將血液送至心房;圖三-(b)，QRS波表示心室收縮開(kāi)始輸送血液;圖三-(c)，ST之間血液由心室推進(jìn)肺部與全身組織，代表此時(shí)的心臟回到放松狀態(tài)等待下一次跳動(dòng)命令。

圖三：心臟狀態(tài)對(duì)照心電圖。(圖片來(lái)源：activity)

結(jié)論

人的身體就像是個(gè)電路板，科技作為探索真理的工具，解讀隱藏在人體內(nèi)的電子信息，傳感器接收人體信號(hào)，并傳送到手機(jī)端，手機(jī)加以算法整理，變成用戶讀的懂的信息，且有了云端服務(wù)，還能記錄過(guò)去的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)并整理成圖表，進(jìn)而讓用戶能夠長(zhǎng)期追蹤自己的身體狀況。