11.1 科学训练辅助：柔性可穿戴传感器运动监测应用
<p>科学训练辅助：柔性可穿戴传感器运动监测应用 苏炳添，李健良，徐慧华，徐泽，孟建新，陈小平，李风煜 中国科学：信息科学 2022年 第52卷 第1期</p> <p>研究目的：运用大量的数据分析，实时监控运动员的各项生理指标，预测运动员训练存在的风险，为我国运动员与体育工作者提供最新、最前沿的可穿戴传感器技术的总结。</p> <p>文章脉络： 1 引言 百米短跑是国家体育发展水平的核心竞争力项目之一。在训练中可以运用内部的传感器、生化传感器、运动传感器和可穿戴传感器来全方位的监测运动员。现有的基于视频技术的动作分析无法获取准确运动参数信息，严重影响训练效果。 研究表明，我国的可穿戴的市场缺口巨大，人们对可穿戴的关注明显下降，主要原因包括：产品多但功能单一、佩戴舒适性差以及灵敏度和准确性不高。</p> <p>2 运动信号类型 运动信号类型可以分为：运动生物化学信号、运动电生理信号、运动生物姿态信号、生物组织动力学信号。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=5b81b50719b418a6c63a56ff54a4e9a7&file=file.png" alt="" /> （1）运动生物化学信号：在人体运动过程中，研究相应化学成分的含量变化规律，从而反映运动员运动过程的机能变化、能量代谢等生理信息。葡萄糖和乳酸是目前最为常见的生物化学监测信号。此方法无法实现动态持续监测，如何持续监测是目前亟待解决的问题。 （2）运动电生理信号：在运动过程中，人体各种细胞和组织，尤其是神经元和神经元组织产生的动作电势的总和。主要包括脑电信号、心电信号、肌电信号等。运动电生理信号存在的一个问题是在高强度运动条件下，会产生严重的运动伪影导致准确性下降。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=613202717b9c46706ad41c23175b238e&file=file.png" alt="" /> （3）运动生物姿态信号：反映运动过程中的人体姿态，衡量动作的变化。通过对运动姿态发生的变化进行分析, 获得运动参数, 如步频、步长、动作幅度、关节角度等的变化规律。存在的问题是还无法实现可穿戴化，不利于实时监测。 （4）生物组织动力学信号：运动中人体组织的动力学特性信号。血管动力学信号是主要的组织动力学信号，是指心血管系统产生的生物物理信号, 如血压、脉搏波速、心输出量等。可作为预警信号对心脏疾病进行提前预测。</p> <p>3 运动信号的采集、传感与分析方法 3.1 基于电生理信号监测 3.1.1 肌电信号 肌电信号采集的原理是通过体表附着电极，对肌肉系统的神经细胞所产生的电生理信号进行监测。传统的肌电信号采集方法存在的问题有：设备太繁琐、电极与皮肤贴合性不好、抗疲劳性差，不能实现重复监测。通过对新型导电材料的 开发，大力发展绿色印刷技术，制备柔性电极，可解决肌电信号监测中器件集成与贴附的问题。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=8a12558249465c0806b56440418e700d&file=file.png" alt="" /> 3.1.2 心电信号 在运动电生理信号监测中，心电信号监测相对较为容易。目前应用较为广泛的电极为Ag/AgCl凝胶电极。存在的问题为：长期佩戴容易过敏、运动中产生的汗液会使表面阻力增大。采用丝素蛋白作为电极材料，制备导电水凝胶用于电生理信号的监测。同时为了解决电极在水下的问题，电极采用可拉伸的Au/PDMS复合膜和含多巴胺的离子导电聚合物组成。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=2d4d35320bccb27a40125aae1d245c09&file=file.png" alt="" /> 3.1.3 脑电信号 脑电信号主要通过头皮表面的多位点电极进行采集。可以通过分析反馈信息，训练运动员提高在比赛过程中的专注能力。瑞士苏黎世联邦理工学院提出一种基于导电的软微柱聚合物电极，韩国延世大学以糖粒作为原料，利用3D打印技 术打印支架模板，得到三维多孔导电网络结构。</p> <p>3.2 基于光电感知的体征监测 光电传感器主要包括发光二极管和光电探测器两部分。 3.2.1 心率 心率监测主要有基于EGG黄金标准法和基于PPG原理的方法。大多数智能手表、健康监测手环都是采用PPG监测心率变化的。存在的问题有：体积较大材质坚硬不适合长期佩戴、剧烈运动或环境光噪声干扰影响准确性。 香港中文大学的赵铌研制了基于光电容积扫描原理的超薄柔性传感器，并应用于心率、脉搏、血压等生理信号检测，可以解决伪影和失真的问题。美国西北大学的Rogers团队在指甲片上安装柔性薄膜光电传感器，利用先进的光电转换结构和双层环形天线布局，实现实时监测。 当运动员进行高强度运动时， 基于光电容积描记法进行心率监测会受到干扰，准确性会下降，利用维纳滤波算法可以解决这个问题。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=bf71791c554bd16467d229e712832846&file=file.png" alt="" /> 3.2.2 心率变异性 心率变异性（HRV）是指逐次心跳周期差异的变化情况，是反映神经系统健康的重要标志。HRV的检测方法主要是监测人体心电信号的心脏搏动区间。 3.2.3 血氧饱和度 血氧饱和度反映血液中的血氧浓度。基于PPG原理的方法是目前较常用的血氧饱和度监测的方法。但是存在运动伪影影响测试数据结果的问题。基于PPG原理传感器除了可以实现心率、心率变异性、血氧饱和度的监测外，还可以进行乳酸 阈值的测定。</p> <p>3.3 基于电化学生物传感监测 3.3.1 乳酸 乳酸是衡量运动员运动量以及新陈代谢的重要指标。传统的乳酸检测的主要方法是通过采集人体的血样或者活检等破坏性介入检测。汗液乳酸的测定可以为血液乳酸测定提供一种无创的检测方法。对可穿戴传感器而言，乳酸的主要检测方法有两种: 基于光学感知与基于电化学生物传感。 3.3.2 葡萄糖 利用汗液检测葡萄糖具有独特的优势，一方面非入侵式的样本采集可以减少采集时人的疼痛感，另一方面人体布满汗腺，可以实现实时收集。存在的问题包括：汗液中葡萄糖含量难以保证高保真度、浓度较低时灵敏度较差、在实际场景中性能不稳定。 唾液是由唾液腺产生的生物体液，其成分包含电解质、葡萄糖、多肽等，可应用于各项生理指标的监测。泪液同样是一种可以反映各种生理状态的生物液体，泪液的主要组分有蛋白质、电解质、葡萄糖、代谢产物以及水，泪液中的葡萄糖含量同样与血液的葡萄糖含量密切相关。</p> <p>4 总结与展望 柔性可穿戴设备将向万物互联方向发展。在人工智能的技术协助下，柔性可穿戴传感器获取的数据将从原来的单一化、孤立化向大容量、多样化转变。科学化运动训练需要一个完整的运动监控系统，这个系统需要多种柔性可穿戴运动传感器的整合。科学化运动训练监控系统的发展将会成为竞技体育成绩突破的新科技，推动我国体育强国建设。</p> <p>思考： 本文针对每一项监测数据进行了分析，分析出了每一项检测指标最适用的可穿戴式检测系统。但是运动员身体上佩戴许多穿戴式传感器会有些不方便，怎么把他们这些功能聚集到一个穿戴式传感器上。</p>