专利名称：用于监测部件运动的扩展光学范围反射系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及在监测运动的系统中有用的织物，并涉及包括这种织物的监测系统。能够被监测的这种类型的运动之一是与响应生理活动时身体的几何变化相关联的运动。
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U.S.5,820,567(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No.6,360,615(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No.6,341,504(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No.4,909,260(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No.5,577,510(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、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。
当用具有波长从约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，这种织物表现出光反射特性和基本上不透光的特性。
当所述织物响应运动而拉伸和复原时，由织物反射进入接受孔径内的有用光的数量相对于没有进入接受孔径的光的数量发生变化，所述接受孔径相对于从织物延伸的轴限定。这种运动例如能够通过由生理活动引起的身边中的几何变化推导出。
在优选的情况下，该织物包括多根反射纱线，每根反射纱线上具有多根位于其上的导电材料涂层并与多根第二可拉伸纱线针织或机织，每根可拉伸纱线是包覆弹性纱线和硬质纱线的组合。
所述织物可以在包括衣服或纺织披风的各种情况下作为监测补丁使用。
所述具有设置在其上或者其内的进行监测的织物的补丁的衣服或者是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在相同波长范围和子范围内响应入射射线的检测器。
所述检测器设置在关于所述织物延伸的轴限定的接受孔径中。所述源和检测器优选地在相对位置附着在所述织物上，该相对位置使得当织物拉伸时，检测器接收的入射射线直接受到织物反射进入接受孔径中的有用光的数量变化的影响。在当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，发生这种变化。信号处理器将来自检测器的表示入射到其上的射线的信号转换为表示穿着该衣物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程序化图示系统，其包括一件衣物，该衣服具有包括根据本发明的织物，其中所述衣物的尺寸适合穿戴在对象S的躯干上；图2是表示本发明的织物的反射响应的图示；图3A和3B是表示本发明的监测系统的操作的示意图；图3C是表示光平衡变化的图示，即，当织物被拉伸和复原时，由所述织物反射的进入接受孔径的有用光的数量相对于接受孔径所损失光的数量；图3D是表示随时间周期变化的信号的图示，其表示在织物拉伸和复原期间光平衡的变化。
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参数的无创性检测，所述参数表征对象S的生理活动，例如心率或呼吸频率。
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、椭圆形和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表现出光反射特性并且基本上光不透射特性。所述波长范围在某种意义上说包括了近红外光和波长在可见光谱范围内的可见宽频谱白光。
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)纳米到约两行千两百(2200)纳米内的光，805纳米的波长或880纳米的波长可使系统在近红外频谱内操作，优选使用波长为805纳米的光。
图2通过图示表示了根据本发明的织物16的反射响应。当织物拉伸和复原时，由织物16反射的通过接受孔径27的有用光的数量改变。接受孔径27通过图2所述的方式显示为任意预定形状的区域(例如图2中的圆形)，与织物16的表面间隔了预定的距离并以从所述织物16表面延伸的预定的参考轴24为中心。
术语“光平衡”在该申请中可指由所述织物反射的相对于光损失量的有用光的数量。术语“有用光”指最初入射到织物的被照射区域17并从所述织物16反射穿过接受孔径27的光的数量，所述接受孔径是相对于从所述织物16延伸的参考轴24被限定的。“损失光”指最初入射到照射区域17但没有被反射进入接受孔径27的光。
光可能由于各种原因从接受孔径27中“损失”。例如，织物16的运动引起从织物16反射的光相对于轴24偏离并且不能进入接受孔径27。另外地，当入射光被吸收进入形成织物16的材料时，入射光可能变得“损失了”。
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、可反射和可拉伸纱线的组合或任何类似材料制成，在一种典型结构中，多个第一反射纱线与多个第二可拉伸纱线组合在一起。
所述纱线能够与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。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(即正面和反面是不同结构)和双面针织(即正面和反面是相同结构)。经编可包括特里科和拉舍尔经编针织物结构，其中通过调整针的数量/英寸或针迹尺寸来调节硬挺度。
在制造进行监测的织物时可使用任何合适的衣料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包括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。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纱线的商标出售。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，产品标识为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不透射特性。
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。所述包芯纱可以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弹性纱线，所述弹性纱线用十(10)旦尼尔(11分特)七根长丝尼龙纱线单独包覆。LYCRA弹性纱线可从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，例如那些来自威尔明顿，特拉华的INVISTA S.àr.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以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“合成纤维自变形”。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TACTELT-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(PIT)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丝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，并且优选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E.I.Du Pontde Nemours and Company，Inc.(威尔明顿，特拉华，USA，19880)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。
在补丁14中使用的进行监测的织物16能够根据任何一种传统的纺织方式制成，包括经编、纬编，机织、编织或通过无纺织结构。所述纱线能够被结合以获得表现可变弹性的织物，包括但不限于纬纱弹性，经纱弹性或双向弹性织物。
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组分被包覆。
所述衣服12的其余结构可呈现任何传统的纺织结构(例如针织、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可以用任何传统的方式缝在、胶粘在、绑在、扣在、织进或附着在衣物上。
在本发明的另一个方面优选包含，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，背心的肩膀部分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，并且基本上由单独的一片织物构成的衣服。
当织物被光照射时，使织物16能够形成表现出理想的反射响应和基本上没有光透射的一种方式是用致密机织或紧密针织的方式形成织物。这种致密机织的织物可通过以每厘米二十(20)到六十(60)经纱和纬纱的密度纺织例如十(10)到三百(300)旦尼尔(11到330分特)的纱线获得。紧密针织的织物也可以在圆形针织机的针筒上增加针数，或织物的量规，同时保持纱线的旦尼尔数为恒定值获得。
另外，或可选择地，可通过机织后或针织后的缩水或砑光步骤增加织物密度。例如，为了获得本发明致密的机织或针织的具有反射性的织物，织物在湿润并暴露在升高的温度下(大约六十(60)摄氏度或更高)重新干燥后，可获得在宽度和/或长度方向上的缩水。砑光步骤可通过将机织或针织的织物通过由一对砑光辊之间形成的辊隙来执行以减小织物的厚度并使织物的密度增加。
其它已知的增加织物密度和使纺织图案紧密的方法能够用于减小或消除光透射。例如，通过在该结构中增加每厘米的经纱和每厘米的纬纱能够使纺织结构更致密。对于非机织结构，例如针织结构，调整针数/英寸或针距能够减小或消除透过织物的光透射。
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与其它生理参数相关的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的身体的其它部分。
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纳米之间的范围内操作。相关的检测器22相对于织物16设置在沿着参考轴24的接受孔径27内。检测器22响应在给定波长范围和子范围内的入射光，以产生相应于上述入射光的响应信号。
源18被布置成使得能够保持它到检测器22的相对位置，例如，源和检测器可以在织物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18和检测器22能够由用户确定的任何常规方式保持，该常规方式允许检测器接收由进行监测的织物反射的光。也可以考虑采用其它公知方式保持所述源相对于检测器的空间关系。
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)工作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辐射线的装置，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可从Fourier Systems Ltd.(9635 HuntcliffTrace，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可以是基于化合物半导体的“白光LED”(例如，采用具有合适的磷光体以提供宽频谱白光辐射的基于氮化铟镓的装置的发光二极管)。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。所述位置能够被预先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进行监测的织物16反射进入接受孔径27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反射光的变化的设置中。
在图1所示的操作结构中(结合附图3A和3B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。用作辐射源18的合适电源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还包括一个连接到检测器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在衣服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之间的转换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，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3A到3D可以更好地理解本发明的运动监测系统的操作。如前面所述，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。
在图3A和3B描述的实施例中，设置源18来照射由参考符号17表示的通常为圆形光斑。使用合适的光学器件(例如在源18上的物镜)，光斑17的尺寸可以可选择地被调整以聚焦在包含任意数目的形成织物16的纱线16Y的区域内，或甚至聚焦在仅包含单丝纱线16Y的区域内。
以一定的方式设置源18，以便保持它与检测器22的相对位置。例如，源18和检测器22可以牢固地连接在一起以保持一种空间关系。辐射源18和检测器22可以使用“衣夹”或鳄鱼型夹附着在进行监测的织物16上。可使用保持源18和检测器22之间的相对关系的公知的装置，以使得辐射检测器22的光响应面位于接受孔径27内并与接受孔径27一致，所述接受孔径27相对于从织物16延伸的参考轴24被限定。
在监测呼吸的周期性的生理活动中讨论了监测操作和系统。图3A描述了处于未拉伸状态下的织物16，而图3B描述了处于拉伸状态下的织物16。在图3B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3A和3B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3A所表示的，在未拉伸状态，形成进行监测的织物16的纱线16Y的长丝彼此位于较近的距离内以限定一种具有较窄的间隙16G的图案。四条有代表性的射线18A、18B、18C和18D被描述为投射在照射光斑17的范围内。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，或甚至聚焦在仅包含纱线16Y的单条长丝的区域。
射线18A和18B都限定了“有用光”射线，这在于这两条射线从织物16的表面16E反射并通过接受孔径27以由检测器22收集。射线18A通过与包括织物16的纱线16Y的长丝相互作用来从织物16的表面16E进行镜面反射。射线18B显示为能够进入纱线16Y的长丝的体积并从纱线16Y的长丝的体积逸出。图3B通过射线18B在纱线中不相邻的入点和出点示出，射线在从长丝出现朝向接受孔径27发射之前，可能通过多次内部反射引导。虽然这种机制可能影响由检测器22接收的光的数量，但不能认为例如18B的射线显著地影响了本发明。
射线18C和18D是“损失的”光。图3A中的射线18C与包括织物16的丝16Y中的一个相互作用，并沿远离轴24的发散路径反射。这样，射线18C并没有通过接受孔径27。因此，射线18C没有被检测器22收集，因此成为“损失的”光。射线18D与织物16的丝16Y中的一个相互作用，并且没有被反射，而是由织物16吸收。这类射线18D没有进入接受孔径，并对于检测器22而言也是“损失的”光。当射线(未示出)经过纱线内的多次反射并从丝中出来，但偏离了接受孔径27时，光同样会“损失”。
如在图3B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的这种尺寸的增加减小了光子有效地向检测器22反射的可能性。因此，有用光(例如射线18A)的射线数量与图3A所示情况相比有所减少，而由于偏离或其它机制(例如由射线18B和18C表示的)导致对于检测器22损失的光子的数量增加。来自检测器22的信号输出相应地下降。虽然被吸收的光子数量(例如由射线18D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，并且光线投射到纱线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经历它拉伸的弹性恢复阶段。间隙16G回到它们的原始尺寸(图3A)。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3C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3C中用“LB”表示)变化。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“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反射的通过接受孔径27由检测器收集的光的数量以周期性的方式随时间发生变化。应注意由于吸收对于检测器22损失的光被忽略。因此，在图3C中，在初始状态(“I”)，由“LB”下面的底部表示的有用光比由“LB”上面的上部表示的损伤光多。相反，在吸气阶段(“II”)，由“LB”下面的底部表示的有用光比由“LB”上面的上部表示的损失光少。
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。这种信号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。
在伸长后复原的连续的织物拉伸周期提供了一种光平衡随时间同步的周期性变化(用图3D表示)。因此，织物的拉伸周期具有由潜在生理过程的频率驱动的相关联频率。为了测量这一潜在生理过程(或多个过程)的频率(或多个频率)或任何驱动织物拉伸周期的运动的频率，来自检测器22的输出被传送到数据采集装置28。通常，数据采集装置28包括一个检测器信号采样率，用户可在软件中对其进行选择。例如，如果正常人体呼吸的频率(15-20次/分钟)被测量，则合适的检测器信号采样率被选择为低于或等于100Hz。采样信号可选地用适当选择的高和低通滤波器进行滤波，以产生较干净的原始信号，其可以用软件或硬件执行。由数据采集单元28采集得到的最后波形被下载到和存储在合适的计算机中(例如Dell计算机公司的移动奔腾III，750MHzCPU)。所存储的时域信号通过本领域技术人员公知的软件方法使用傅立叶频率解卷积算法可解析地变换为频域频谱。任何大于所选择的由傅立叶方法期望的最低频率的频率出现在频域频谱中，并且因此是可识别的，例如，探求的呼吸频率。例如，使用傅立叶方法，通过信号处理技术中的已知变型也可得到高于或低于典型呼吸频率的频率。
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，由织物16反射的通过接受孔径27由检测器22收集的有用光的数量相对于对检测器33损失的光的数量发生改变。
从前面的说明容易理解，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。
当使用所述织物时，因为当其包括在衣服或披风中时，伸长和复原的拉伸周期的改变或调节由进行监测的织物向接受孔径反射的光的数量。
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，包括当用波长范围在约400纳米到约2200纳米的光照射所述织物时，所述织物具有光反射特性和基本上不透射光的特性；其中当该织物被拉伸时，由所述织物反射进入接受孔径的有用光的数量相对于接受孔径所损失的光的数量改变，其中接受孔径相关于从织物延伸的轴被限定。
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，所述织物当用波长范围在约400纳米到约2200纳米的光照射时，表现出光反射特性和基本上不透射光的特性；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，由所述织物反射进入接受孔径的有用光的数量相对于接受孔径所损失的光的数量可检测地改变，其中接受孔径相关于从织物延伸的轴被限定。
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，包括包含织物的衣服，当用波长范围在约400纳米到约2200纳米的光照射所述织物时，其表现出光反射特性和基本上不透射光的特性；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，由所述织物反射进入接受孔径的有用光的数量相对于接受孔径所损失的光的数量可检测地改变，其中接受孔径相关于从织物延伸的轴被限定；至少一个波长在约400纳米到约2200纳米范围内的辐射源；和至少一个设置在接受孔径中的检测器，其中所述源和检测器在相对位置与所述织物相关联，使得当织物响应穿衣其中所述源和检测器在相对位置与所述织物相关联，使得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，由检测器所检测的入射射线的接收直接受到由所述织物反射进入接受孔径的有用光的数量变化的影响。
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，用于将来自检测器的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衣服者的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，其中所述织物可从所述衣服上分离。
9.如权利要求5所述的监测系统，其中所述织物与所述衣服形成为整体。
10.如权利5所述的监测系统，其中所述信号处理器固定在衣服内，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。
11.一种在用于监测一种结构运动的监测系统中使用的织物，包括设置在所述结构上或其附近的织物，当用波长范围在约400纳米到约2200纳米的光照射所述织物时，其表现出光反射特性和基本上不透射光的特性；其中当所述织物响应它所位于的结构的运动而被拉伸时，由所述织物反射进入接受孔径的有用光的数量相对于接受孔径所损失的光的数量可检测地改变，其中接受孔径相关于从织物延伸的轴被限定。
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运动的监测系统中使用的纺织披风，包括由织物构成的所述披风的至少一部分，当用波长范围在约400纳米到约2200纳米的光照射所述织物时，其表现出光反射特性和基本上不透射光的特性；其中当织物响应它所位于的结构的运动而被拉伸时，由所述织物反射进入接受孔径的有用光的数量相对于接受孔径所损失的光的数量可检测地改变，其
14.如权利要求13所述的披风，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编织或纺织，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。
15.一种用于监测一种结构运动的系统，包括固定在所述结构的至少一部分上的纺织披风，所述披风的至少一部分由织物构成，当用波长范围在约400纳米到约2200纳米的光照射所述织物时，其表现出光反射特性和基本上不透射光的特性；其中当所述织物响应第一部件的运动而被拉伸时，由所述织物反射进入接受孔径的有用光的数量相对于接受孔径所损失的光的数量可检测地改变，其中接受孔径相关于从织物延伸的轴被限定；至少一个波长在约400纳米到约2200纳米的范围内的辐射源；并且至少一个设置在接受孔径中并响应入射射线以产生表示它的信号的检测器，所述入射射线的波长在约400纳米到约2200纳米的范围内，其中所述源和检测器在相对位置上与所述织物相关联，使得当所述织物响应所述第一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由所述织物反射进入接受孔径的有用光的数量变化的影响。
16.如权利要求15所述的监测系统，其中所述源和检测器附着在所述织物上。
17.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，用于将来自检测器的表示入射到检测器上的波长范围在约400纳米到约2200纳米的信号转换为表示第一部件运动的信号。
18.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，每根可拉伸纱线是由包覆的弹性纱线和硬质纱线结合形成。
19.如权利要求1所述的织物，其中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，所述织物表现出光反射特性。
20.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，所述织物表现出光反射特性。
21.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，所述织物表现出光反射特性；其中所述源提供波长范围在约四百(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。
22.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，所述织物表现出光反射特性。
23.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，所述织物表现出光反射特性。
24.如权利要求15所述的监测系统，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。
25.一种用于监测织物运动的方法，包括将波长范围在约400纳米到约2200纳米的射线照射到织物上，所述织物具有光反射特性和基本上不透射光的特性；拉伸所述织物；和在拉伸所述织物和复原所述织物期间测量由所述织物反射进入接受孔径的光的数量，其中所述接受孔径相关于从织物延伸的轴被限定。
26.如权利要求25所述的方法，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，其中每根可拉伸的纱线是由包覆的弹性纱线和硬质纱线结合形成。
全文摘要
一种包括进行监测的织物的衣服和系统，当用波长范围在400纳米到2200纳米的光照射所述织物时，所述织物具有光反射特性和基本上不透射光的特性。当所述织物响应由生理活动(例如心率)引起的运动而被拉伸时，由所述织物反射进入接受孔径的有用光的数量相对于接受孔径所损失的光的数量可检测地变化，其中接受孔径相关于从织物延伸的轴被限定。该系统包括至少一个辐射源和至少一个辐射检测器，所述检测器设置在接受孔径内。所述源和检测器可以在相对位置上附着在所述织物上，使得当织物响应运动而被拉伸时，检测器对入射射线的接收直接受到由所述织物反射进入接受孔径的有用光的数量变化的影响。
文档编号G01L1/24GK1863484SQ200480025983
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G·W·考尔斯顿 申请人:特克斯特龙尼克斯公司