可拉伸的膝盖可穿戴设备提供了改进医疗保健电子纺织品的见解
行动受限是人类行动障碍的初始阶段，也是机能衰退的早期征兆。它可以表现为肌肉无力、失去平衡、步态不稳和关节痛。对关节运动的长期和连续监测可能会通过允许早期诊断、预后和管理与运动相关的条件来潜在地预防或延迟衰退。
不可穿戴或可穿戴的分析系统使这种长期和连续的监测成为可能。不可穿戴系统是可靠的，但需要实验室环境和训练有素的人员，因此不适合日常使用。另一方面，可穿戴系统便携、便宜且更易于使用。不幸的是，典型的可穿戴传感器往往不灵活且体积庞大。
可穿戴系统领域的一个相对较新的参与者是由导电织物 (CF) 制成的可穿戴设备，它们柔软、轻便、有延展性和非侵入性。这些传感器舒适且适合长期监测。然而，大多数基于 CF 的可穿戴设备如果偏离预期位置并依赖限制传感器灵敏度和工作范围的外部组件，就会变得容易出错。
为了克服这些限制，一个研究团队创造了一种具有高度功能和设计自由度的可穿戴设备。
根据 Low 副教授的说法，他们在设计可穿戴设备时的主要考虑因素是传感器数据的准确性和可靠性，以及传感器对尽可能少的外部组件的依赖。其结果是一种由单一织物制成的高度可拉伸、功能齐全的传感电路。由于膝关节对于下肢的活动能力很重要，因此这款可穿戴设备专为膝盖设计。
为了开发这种单层织物电路，该团队将导电纱线与高弹性介电纱线以各种缝合图案机械耦合。尺寸是根据受试者的腿定制的。功能组件——传感器、互连和电阻器——在全编织可穿戴设备上形成了一个可伸缩电路，可以获取实时数据。
然而，将传感器、互连器和电阻器放在一个可拉伸的编织物中是很困难的。Low 副教授提到“具有不同电气和机械性能的纱线的协同作用以实现高信号灵敏度和高拉伸性”具有挑战性，因为每个组件所需的性能都大不相同。
传感器需要产生较大的电阻变化以提高灵敏度，而互连和电阻器需要分别具有最高值和最低值的固定电阻。因此，研究人员在将功能电路连接到可穿戴设备口袋中的电路板之前，优化了每个组件的纱线成分和针脚类型，从而实现了实时数据的无线传输。
随着软膝可穿戴设备的开发，其组件功能正常，数据传输成为可能，是时候测试可穿戴设备的性能了。该团队通过伸展-屈曲、步行、慢跑和楼梯活动评估了可穿戴设备。受试者佩戴膝盖可穿戴设备以及运动捕捉系统检测到的反射标记，从而可以比较传感器数据和实际关节运动。
对于步进输入，传感器响应时间小于 90 毫秒，这足以监测研究中包含的人体运动。此外，传感器可以检测到的最小关节角度变化为 0.12 度。传感器数据与从运动捕捉系统获取的关节运动数据有很强的相关性，证明了传感器数据的可靠性。
这种设备在医疗领域的潜在影响是巨大的。长期连续监测关节运动对于跟踪与活动相关的条件很重要。通常，人们会忽视行动能力下降的早期迹象，因为人们认为这些迹象还没有严重到需要寻求帮助的程度。可穿戴技术通过直接实时评估用户的移动性解决了这个问题。
将用户友好的传感器电路嵌入柔软舒适的织物中可能会增加公众对可穿戴技术的采用，尤其是在运动员和老年人中。可以实时收集数据并将其转化为可以检测流动性下降的指标。当发现行动能力下降的迹象时，可以提供预防保健、预后和医疗状况管理。
在这项工作的基础上，该团队打算研究汗水和湿度对传感器信号的影响，并在未来将研究扩展到包括来自健康和不健康人群的受试者。“我们已经开始致力于将可穿戴设备扩展到特殊用户群体，并监测其他身体关节，例如肩部，”Low 副教授说。“我们还在考虑获得孵化基金，以探索可穿戴设备的商业化潜力。”
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