藉由前幾篇文章的介紹，相信讀者已經知道物聯網（IoT）所帶來的方便性，以及為我們的生活帶來更多寶貴的資訊。智慧衣即是物聯網的穿戴式感測裝置，只要穿在身上，就可以隨時對人體作量測。但究竟智慧衣是如何對人體作量測的？又是如何做到的呢？其實，人體隨時都在產生微弱的生物電訊號，有的是維持體內器官的運行，有的則是讓人體產生動作，只要對這些訊號作量測，就能得知許多人體資訊，而這些訊號則仰賴專門的感測器來收集。

 

身體訊號的收集

當肌肉收到來自腦部命令時，這會使得肌肉開始收縮或舒張，像是手臂肌肉就會帶動骨骼，達到支撐肢體動作。這命令會導致肌肉細胞產生膜電位（即為細胞膜的內外電位差距），且影響至整塊肌肉，那麼要怎麼量測肌電訊號呢，就需要一種媒介來讀取這微小的訊號，亦即於前篇文章（會照顧人的衣服？智慧衣知多少（二）─探索智慧衣的奧秘）所介紹的電極貼片。我們使用兩個貼片在手臂肌肉的兩端上，再於腰部附近貼上一個作為參考點，並再接上導線及感測器來接收和處理肌電訊號。從皮膚收到來自肌肉的訊號可能非常非常小（約0.01毫伏特到100毫伏特）。因此設計感測器電路時，就需加個放大電路讓訊號變大，以便於運算處理。但人體有很多訊號都會傳到皮膚，或是電極貼片也有可能接收來自空間內的其他雜訊，這些多種訊號也會被感測器接收並加以放大，因此在感測器中加入濾波電路來濾掉不需要的訊號，只剩下我們想知道的生物電訊號，如來自手臂肌肉的肌電訊號，或是來自心臟的心電訊號。

 

科技始終於人性

智慧衣的目的就是在平日即能夠穿著，以便長時間對人體作量測，所以基於舒適度與便利性，感測器往往會結合無線傳輸，使處理過的生物電訊號傳送到使用者的行動裝置或是個人電腦。但是生物電訊號經上述處理後還是屬於類比訊號，需要做訊號轉換，將類比訊號轉換成數位訊號，因此感測器中加入數位轉換器，這樣就能透過手機和個人電腦來收集轉換過後的數位訊號。

智慧衣結合多項技術再連結物聯網，使用者不只能在手機上即時看到心電圖、肌肉強度，甚至能將資訊傳到雲端管理，使得在遠方的使用者也能查看長期資料，達到長期的生物電訊息監控。

 

瞭解感測器之後，再來介紹肌肉訊號。人在出力的時候，肌肉會產生微量的電位變化並傳至皮膚表面，例如：從手臂皮膚量測手臂肌肉的微小訊號約小至0.01毫伏特、大至100毫伏特的訊號，隨著肌肉不同的出力程度，訊號就會呈現不同大小的波形曲線，紀錄下的電位訊號亦稱為「肌電訊號」，其波形則稱為「肌電圖」，我們能夠從中分析出肌肉的運動狀態，像是肌肉疲勞或是運動的強度，如圖一。

 

 圖一：肌電訊號波形圖。感測器透過貼片接收肌電訊號，訊號處理後傳到行動裝置，行動裝置再演算處理訊號並顯示肌電波形。肌電訊號會隨著肌肉出力越大，波形振動幅度越大，放鬆時波形回到原點。肌電訊號會上下振動，因為一塊肌肉是由很多肌肉細胞所組成，一個貼片可能會收到好多不同的膜電位，導致一個貼片收到的電位會浮動。（圖片來源：國立中山大學-嵌入式系統實驗室）

 

心電圖與心臟對照

心臟則是由心臟肌肉所構成的，心臟收到來自大腦命令跳動時，心臟肌肉的電位會變化，所以心臟可以說是小型訊號產生器，而心臟肌肉發送訊號的頻率就是心跳。心臟左右兩側量到的訊號範圍約從0.1毫伏特到2毫伏特間。而將心臟跳動的訊號紀錄下來，畫成波形圖即為一般俗稱的心電圖，如圖二。

 

 圖二：心電訊號波形圖。感測器透過貼片接收心電訊號，訊號處理後傳到行動裝置，行動裝置再演算處理訊號並顯示心電波形。心電圖是有規律的波形，容易算出心跳率，且每次跳動都隱含著心臟內部訊息。（圖片來源：國立中山大學-嵌入式系統實驗室）

 

其實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於不同動作狀態之中。如圖三－(a)， P波表示心房開始收縮，心房開始將血液送到心室，PQ之間心臟會將血液送至心房；圖三－(b)，QRS波表示心室收縮開始輸送血液；圖三－(c)，ST之間血液由心室推進肺部與全身組織，代表此時的心臟回到放鬆狀態等待下一次跳動命令。

 

 圖三：心臟狀態對照心電圖。（圖片來源：https://activity.ntsec.gov.tw/lifeworld/body_c7.html）

 

結論

人的身體就像是個電路板，科技作為探索真理的工具，解讀隱藏在人體內的電子資訊，感測器接收人體訊號，並傳送到手機端，手機加以演算法整理，變成使用者讀的懂的資訊，且有了雲端服務，還能記錄過去的資料，統計並整理成圖表，進而讓使用者能夠長期追蹤自己的身體狀況。

 

總編輯：國立中山大學資訊工程學系 黃英哲教授

（本文由科技部補助｢新媒體科普傳播實作計畫｣執行團隊撰稿）