Drabare tekstielelektronika is hoogs wenslik vir die verwesenliking van persoonlike gesondheidsbestuur.Die meeste gerapporteerde tekstielelektronika kan egter óf periodiek 'n enkele fisiologiese sein teiken óf die eksplisiete besonderhede van die seine mis, wat lei tot 'n gedeeltelike gesondheidsbeoordeling.Verder bly tekstiele met uitstekende eiendom en gerief steeds 'n uitdaging.Hier rapporteer ons 'n tribo-elektriese alle-tekstiel sensor reeks met hoë druk sensitiwiteit en gemak.Dit vertoon die druksensitiwiteit (7.84 mV Pa−1), vinnige reaksietyd (20 ms), stabiliteit (>100 000 siklusse), wye werkfrekwensiebandwydte (tot 20 Hz), en masjienwasbaarheid (>40 wasgoed).Die vervaardigde TATSA's is in verskillende dele van klere gestik om die arteriële polsgolwe en respiratoriese seine gelyktydig te monitor.Ons het verder 'n gesondheidsmoniteringstelsel ontwikkel vir langtermyn- en nie-indringende assessering van kardiovaskulêre siektes en slaapapneesindroom, wat groot vooruitgang toon vir kwantitatiewe ontleding van sommige chroniese siektes.
Drabare elektronika verteenwoordig 'n fassinerende geleentheid vanweë hul belowende toepassings in persoonlike medisyne.Hulle kan 'n individu se gesondheidstoestand op 'n deurlopende, intydse en nie-indringende wyse monitor (1-11).Polsslag en asemhaling, as twee onontbeerlike komponente van vitale tekens, kan beide 'n akkurate beoordeling van die fisiologiese toestand en merkwaardige insigte in die diagnose en prognose van verwante siektes verskaf (12-21).Tot op datum is die meeste draagbare elektronika vir die opsporing van subtiele fisiologiese seine gebaseer op ultradun substrate soos poliëtileentereftalaat, polidimetielsiloksaan, poliimied, glas en silikoon (22-26).'n Nadeel van hierdie substrate vir gebruik op die vel lê op hul vlakke en rigiede formate.As gevolg hiervan word bande, pleisters of ander meganiese toebehore nodig om 'n kompakte kontak tussen draagbare elektronika en menslike vel te bewerkstellig, wat irritasie en ongerief kan veroorsaak gedurende lang tydperke van gebruik (27, 28).Boonop het hierdie substrate swak lugdeurlaatbaarheid, wat lei tot ongemak wanneer dit gebruik word vir langtermyn, deurlopende gesondheidsmonitering.Om die voorgenoemde kwessies in gesondheidsorg te verlig, veral in daaglikse gebruik, bied slim tekstiele 'n betroubare oplossing.Hierdie tekstiele het die kenmerke van sagtheid, ligte gewig en asemhaling en dus die potensiaal om gemak in draagbare elektronika te verwesenlik.In onlangse jare is intensiewe pogings gewy om tekstielgebaseerde stelsels te ontwikkel in sensitiewe sensors, energie-oes en berging (29-39).Suksesvolle navorsing is veral gerapporteer oor optiese vesel, piëzo-elektrisiteit en weerstandsgebaseerde slim tekstiele wat toegepas word in die monitering van pols- en respiratoriese seine (40-43).Hierdie slim tekstiele het egter tipies lae sensitiwiteit en 'n enkele moniteringsparameter en kan nie op groot skaal vervaardig word nie (tabel S1).In die geval van polsmeting, is gedetailleerde inligting moeilik om vas te vang as gevolg van die flou en vinnige fluktuasie van pols (bv. sy kenmerkpunte), en dus word hoë sensitiwiteit en toepaslike frekwensieresponsprestasie vereis.
In hierdie studie stel ons 'n tribo-elektriese alle-tekstiel sensor skikking (TATSA) bekend met 'n hoë sensitiwiteit vir epidermale subtiele druk vaslegging, gebrei met geleidende en nylon garings in 'n volle veststeek.Die TATSA kan hoë druksensitiwiteit (7.84 mV Pa−1), vinnige reaksietyd (20 ms), stabiliteit (>100 000 siklusse), wye werkfrekwensiebandwydte (tot 20 Hz) en masjienwasbaarheid (>40 was) verskaf.Dit is in staat om homself gerieflik in klere te integreer met diskresie, gemak en estetiese aantrekkingskrag.Veral, ons TATSA kan direk geïnkorporeer word in verskillende plekke van die stof wat ooreenstem met die polsgolwe by die nek-, pols-, vingerpunt- en enkelposisies en met die respiratoriese golwe in die buik en bors.Om die uitstekende prestasie van die TATSA in intydse en afstandgesondheidsmonitering te evalueer, ontwikkel ons 'n persoonlike intelligente gesondheidsmoniteringstelsel om voortdurend fisiologiese seine te verkry en te stoor vir die ontleding van kardiovaskulêre siekte (CAD) en die assessering van slaapapnee-sindroom (SAS) ).
Soos geïllustreer in Fig. 1A, is twee TATSA's in die manchet en bors van 'n hemp gestik om die dinamiese en gelyktydige monitering van die pols- en respiratoriese seine, onderskeidelik, moontlik te maak.Hierdie fisiologiese seine is draadloos na die intelligente mobiele terminale toepassing (APP) oorgedra vir verdere ontleding van gesondheidstatus.Figuur 1B toon die TATSA wat in 'n stuk lap gestik is, en die insetsel toon die vergrote aansig van die TATSA, wat met die kenmerkende geleidende gare en kommersiële nylongare saam in 'n volle veststeek gebrei is.In vergelyking met die fundamentele gewone steek, die mees algemene en basiese breimetode, is die volle veststeek gekies omdat die kontak tussen die luskop van die geleidende garing en die aangrensende steeksteekkop van die nylongare (fig. S1) 'n oppervlak is eerder as 'n puntkontak, wat lei tot 'n groter werkende area vir hoë tribo-elektriese effek.Om die geleidende garing voor te berei, het ons vlekvrye staal as die vaste kernvesel gekies, en verskeie stukke eenlaag Terylene garings is om die kernvesel gedraai in een geleidende garing met 'n deursnee van 0,2 mm (fig. S2), wat gedien het as beide die elektrifiseringsoppervlak en die geleidende elektrode.Die nylondraad, wat 'n deursnee van 0,15 mm gehad het en as nog 'n elektrifiseringsoppervlak gedien het, het 'n sterk trekkrag gehad omdat dit deur onberekenbare garings gedraai is (fig. S3).Figuur 1 (C en D, onderskeidelik) toon foto's van die vervaardigde geleidende gare en nylongare.Die insetsels toon hul onderskeie skandeerelektronmikroskopie (SEM) beelde, wat 'n tipiese deursnit van die geleidende gare en die oppervlak van die nylongare voorstel.Die hoë treksterkte van die geleidende en nylon garings het hul weefvermoë op 'n industriële masjien verseker om 'n eenvormige werkverrigting van alle sensors te handhaaf.Soos getoon in Fig. 1E, is die geleidende garings, nylon garings en gewone drade op hul onderskeie keëls gewikkel, wat dan op die industriële gerekenariseerde platbreimasjien gelaai is vir outomatiese weef (film S1).Soos in fig.S4, verskeie TATSA's is saam gebrei met gewone lap met behulp van die industriële masjien.'n Enkele TATSA met 'n dikte van 0,85 mm en 'n gewig van 0,28 g kan van die hele struktuur aangepas word vir individuele gebruik, wat sy uitstekende verenigbaarheid met ander lappe toon.Daarbenewens kan TATSA's in verskeie kleure ontwerp word om aan estetiese en modieuse vereistes te voldoen as gevolg van die diversiteit van kommersiële nylongarings (Fig. 1F en Fig. S5).Die vervaardigde TATSA's het uitstekende sagtheid en die vermoë om harde buiging of vervorming te weerstaan (fig. S6).Figuur 1G toon die TATSA wat direk in die buik en manchet van 'n trui gestik is.Die proses om die trui te brei word in fig.S7 en fliek S2.Die besonderhede van die voor- en agterkant van die gestrekte TATSA by die buikposisie word in fig.S8 (A en B, onderskeidelik), en die posisie van geleidende gare en nylongare word in fig.S8C.Hier kan gesien word dat die TATSA naatloos in gewone materiaal ingebed kan word vir 'n diskrete en slim voorkoms.
(A) Twee TATSA's geïntegreer in 'n hemp vir die monitering van pols- en respiratoriese seine in reële tyd.(B) Skematiese illustrasie van die kombinasie van TATSA en klere.Die insetsel wys die vergrote aansig van die sensor.(C) Foto van die geleidende garing (skaalstaaf, 4 cm).Die insetsel is die SEM-beeld van die deursnit van die geleidende garing (skaalstaaf, 100 μm), wat uit vlekvrye staal en Terylene-garings bestaan.(D) Foto van die nylongaring (skaalstaaf, 4 cm).Die insetsel is die SEM-beeld van die nylondraadoppervlak (skaalstaaf, 100 μm).(E) Beeld van die gerekenariseerde platbreimasjien wat die outomatiese weef van die TATSA's uitvoer.(F) Foto van TATSA's in verskillende kleure (skaalbalk, 2 cm).Die insetsel is die gedraaide TATSA, wat sy uitstekende sagtheid demonstreer.(G) Foto van twee TATSA's wat heeltemal en naatloos in 'n trui gestik is.Fotokrediet: Wenjing Fan, Chongqing Universiteit.
Om die werkmeganisme van die TATSA te ontleed, insluitend sy meganiese en elektriese eienskappe, het ons 'n meetkundige breimodel van die TATSA gebou, soos in Fig. 2A getoon.Deur die volle veststeek te gebruik, word die geleidende en nylon garings in vorms van luseenhede in die loop- en walrigting ineengesluit.'n Enkellusstruktuur (fig. S1) bestaan uit 'n luskop, lusarm, ribkruisdeel, steeksteekarm en steeksteekkop.Twee vorme van die kontakoppervlak tussen die twee verskillende garings kan gevind word: (i) die kontakoppervlak tussen die luskop van die geleidende garing en die steeksteekkop van die nylongare en (ii) die kontakoppervlak tussen die luskop van die nylondraad en die steeksteekkop van die geleidende gare.
(A) Die TATSA met die voor-, regter- en bokant van die gebreide lusse.(B) Simulasie resultaat van die kragverspreiding van 'n TATSA onder 'n toegepaste druk van 2 kPa met behulp van die COMSOL sagteware.(C) Skematiese illustrasies van die ladingoordrag van 'n kontakeenheid onder kortsluittoestande.(D) Simulasieresultate van die ladingverspreiding van 'n kontakeenheid onder 'n oopkringtoestand deur die COMSOL-sagteware te gebruik.
Die werkingsbeginsel van die TATSA kan in twee aspekte verduidelik word: eksterne kragstimulasie en sy geïnduseerde lading.Om die spanningsverspreiding in reaksie op eksterne kragstimulus intuïtief te verstaan, het ons eindige-elementanalise gebruik deur COMSOL-sagteware te gebruik by verskillende eksterne kragte van 2 en 0.2 kPa, soos onderskeidelik in Fig. 2B en Fig.S9.Die spanning verskyn op die kontakvlakke van twee garings.Soos in fig.S10, ons het twee luseenhede oorweeg om die spanningsverspreiding te verduidelik.Deur die spanningsverspreiding onder twee verskillende eksterne kragte te vergelyk, neem die spanning op die oppervlakke van die geleidende en nylon garings toe met die verhoogde eksterne krag, wat lei tot die kontak en ekstrusie tussen die twee garings.Sodra die eksterne krag vrygestel is, skei die twee garings en beweeg weg van mekaar.
Die kontak-skeidingsbewegings tussen die geleidende gare en nylongare veroorsaak ladingoordrag, wat toegeskryf word aan die samehang van tribo-elektrifisering en elektrostatiese induksie.Om die elektrisiteit-opwekkingsproses te verduidelik, ontleed ons die deursnee van die area waar die twee garings met mekaar in aanraking kom (Fig. 2C1).Soos gedemonstreer in Fig. 2 (C2 en C3, onderskeidelik), wanneer die TATSA deur die eksterne krag gestimuleer word en die twee garings met mekaar kontak maak, vind elektrifisering plaas op die oppervlak van die geleidende en nylon garings, en die ekwivalente ladings met teenoorgestelde polariteite word op die oppervlak van die twee garings gegenereer.Sodra die twee garings skei, word positiewe ladings in die binneste vlekvrye staal geïnduseer as gevolg van die elektrostatiese induksie-effek.Die volledige skema word in fig.S11.Om 'n meer kwantitatiewe begrip van die elektrisiteit genererende proses te verkry, het ons die potensiële verspreiding van die TATSA gesimuleer deur gebruik te maak van COMSOL sagteware (Fig. 2D).Wanneer die twee materiale in kontak is, versamel die lading hoofsaaklik op die wrywingmateriaal, en slegs 'n klein hoeveelheid geïnduseerde lading is op die elektrode teenwoordig, wat lei tot die klein potensiaal (Fig. 2D, onder).Wanneer die twee materiale geskei word (Fig. 2D, bo), neem die geïnduseerde lading op die elektrode toe as gevolg van die potensiaalverskil, en die ooreenstemmende potensiaal neem toe, wat 'n goeie ooreenstemming openbaar tussen die resultate verkry uit die eksperimente en dié van die simulasies .Verder, aangesien die geleidende elektrode van die TATSA in Terylene-garings toegedraai is en die vel in kontak is met beide die twee wrywingsmateriale, dus, wanneer die TATSA direk na die vel gedra word, is die lading afhanklik van die eksterne krag en sal nie verswak word deur die vel.
Om die werkverrigting van ons TATSA in verskeie aspekte te karakteriseer, het ons 'n meetstelsel verskaf wat 'n funksiegenerator, kragversterker, elektrodinamiese skuder, kragmeter, elektrometer en rekenaar bevat (fig. S12).Hierdie stelsel genereer 'n eksterne dinamiese druk van tot 7 kPa.In eksperiment is die TATSA in 'n vrye toestand op 'n plat plastiekvel geplaas, en die uitset elektriese seine word deur die elektrometer aangeteken.
Die spesifikasies van die geleidende en nylon garings beïnvloed die uitsetprestasie van die TATSA omdat dit die kontakoppervlak en kapasiteit bepaal om die eksterne druk waar te neem.Om dit te ondersoek, het ons onderskeidelik drie groottes van die twee garings vervaardig: geleidende gare met 'n grootte van 150D/3, 210D/3, en 250D/3 en nylongare met 'n grootte van 150D/6, 210D/6 en 250D /6 (D, denier; 'n maateenheid wat gebruik word om die veseldikte van individuele drade te bepaal; stowwe met 'n hoë deniertelling is geneig om dik te wees).Toe het ons hierdie twee garings met verskillende groottes gekies om dit in 'n sensor te brei, en die afmeting van die TATSA is op 3 cm by 3 cm gehou met die lusnommer van 16 in die walrigting en 10 in die looprigting.So is die sensors met nege breipatrone verkry.Die sensor by die geleidende gare met die grootte van 150D/3 en nylondraad met die grootte van 150D/6 was die dunste, en die sensor deur die geleidende gare met die grootte van 250D/3 en nylondraad met die grootte van 250D/ 6 was die dikste.Onder 'n meganiese opwekking van 0.1 tot 7 kPa, is die elektriese uitsette vir hierdie patrone sistematies ondersoek en getoets, soos getoon in Fig. 3A.Die uitsetspannings van die nege TATSA's het toegeneem met die verhoogde toegepaste druk, van 0.1 tot 4 kPa.Spesifiek, van al die breipatrone het die spesifikasie van die 210D/3 geleidende gare en 210D/6 nylongare die hoogste elektriese uitset gelewer en die hoogste sensitiwiteit getoon.Die uitsetspanning het 'n toenemende neiging getoon met die toename in die dikte van die TATSA (as gevolg van die voldoende kontakoppervlak) totdat die TATSA met die 210D/3 geleidende gare en 210D/6 nylongare gebrei is.Aangesien verdere toenames in dikte tot die absorpsie van eksterne druk deur die garings sou lei, het die uitsetspanning dienooreenkomstig afgeneem.Verder word opgemerk dat in die laedrukgebied (<4 kPa), 'n lineêre variasie in die uitsetspanning met druk 'n beter druksensitiwiteit van 7.84 mV Pa−1 gegee het.In die hoëdrukgebied (>4 kPa) is 'n laer druksensitiwiteit van 0.31 mV Pa−1 eksperimenteel waargeneem as gevolg van die versadiging van die effektiewe wrywingsarea.'n Soortgelyke druksensitiwiteit is gedemonstreer tydens die teenoorgestelde proses van kragtoediening.Die konkrete tydprofiele van die uitsetspanning en stroom onder verskillende drukke word in fig.S13 (A en B, onderskeidelik).
(A) Uitsetspanning onder nege breipatrone van die geleidende gare (150D/3, 210D/3 en 250D/3) gekombineer met die nylongare (150D/6, 210D/6 en 250D/6).(B) Spanningsreaksie op verskeie aantal luseenhede in dieselfde stofarea wanneer die lusnommer in die walrigting onveranderd gehou word.(C) Plotte wat die frekwensieresponse onder 'n dinamiese druk van 1 kPa en drukinvoerfrekwensie van 1 Hz toon.(D) Verskillende uitset- en stroomspannings onder die frekwensies van 1, 5, 10 en 20 Hz.(E) Duursaamheidstoets van 'n TATSA onder 'n druk van 1 kPa.(F) Uitset eienskappe van die TATSA na 20 en 40 keer gewas.
Die sensitiwiteit en uitsetspanning is ook beïnvloed deur die steekdigtheid van die TATSA, wat bepaal is deur die totale aantal lusse in 'n gemete area van stof.'n Toename in die steekdigtheid sal lei tot die groter kompaktheid van die stofstruktuur.Figuur 3B toon die uitsetprestasies onder verskillende lusnommers in die tekstielarea van 3 cm by 3 cm, en die inlas illustreer die struktuur van 'n luseenheid (ons het die lusnommer in die kursusrigting op 10 gehou, en die lusnommer in die rigting was 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 en 26).Deur die lusgetal te verhoog, het die uitsetspanning eers 'n toenemende neiging vertoon as gevolg van die toenemende kontakoppervlak, tot die maksimum uitsetspanningspiek van 7.5 V met 'n lusgetal van 180. Na hierdie punt het die uitsetspanning 'n dalende neiging gevolg omdat die TATSA het styf geword, en die twee garings het 'n verminderde kontakskeidingspasie gehad.Om te ondersoek in watter rigting die digtheid 'n groot impak op die uitset het, het ons die lusnommer van die TATSA in die walrigting op 18 gehou, en die lusnommer in die kursusrigting is gestel op 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 en 14. Die ooreenstemmende uitsetspannings word in fig.S14.Ter vergelyking kan ons sien dat die digtheid in die kursusrigting 'n groter invloed op die uitsetspanning het.Gevolglik is die breipatroon van die 210D/3 geleidende garing en 210D/6 nylon gare en 180 lus eenhede gekies om die TATSA te brei na omvattende evaluasies van die uitset eienskappe.Verder het ons die uitsetseine van twee tekstielsensors vergelyk deur die volle veststeek en gewone steek te gebruik.Soos in fig.S15, die elektriese uitset en sensitiwiteit met volle veststeek is baie hoër as dié met gewone steek.
Die reaksietyd vir die monitering van intydse seine is gemeet.Om die reaksietyd van ons sensor op eksterne kragte te ondersoek, het ons die uitsetspanningseine vergelyk met die dinamiese drukinsette by 'n frekwensie van 1 tot 20 Hz (Fig. 3C en Fig. S16, onderskeidelik).Die uitsetspanningsgolfvorms was byna identies aan die inset sinusvormige drukgolwe onder 'n druk van 1 kPa, en die uitsetgolfvorms het 'n vinnige reaksietyd gehad (ongeveer 20 ms).Hierdie histerese kan toegeskryf word aan die elastiese struktuur wat nie so gou as moontlik na die oorspronklike toestand teruggekeer het nadat die eksterne krag ontvang is nie.Nietemin, hierdie klein histerese is aanvaarbaar vir intydse monitering.Om die dinamiese druk met 'n sekere frekwensiereeks te verkry, word 'n toepaslike frekwensierespons van TATSA verwag.Die frekwensiekenmerk van TATSA is dus ook getoets.Deur die eksterne opwindende frekwensie te verhoog, het die amplitude van die uitsetspanning byna onveranderd gebly, terwyl die amplitude van die stroom toegeneem het wanneer die aftapfrekwensies van 1 tot 20 Hz gewissel het (Fig. 3D).
Om die herhaalbaarheid, stabiliteit en duursaamheid van die TATSA te evalueer, het ons die uitsetspanning en stroomreaksies op druklaai-aflaai-siklusse getoets.'n Druk van 1 kPa met 'n frekwensie van 5 Hz is op die sensor toegepas.Die piek-tot-piek spanning en stroom is aangeteken na 100 000 laai-aflaai siklusse (Fig. 3E en Fig. S17, onderskeidelik).Die vergrote aansigte van die spanning en die stroomgolfvorm word in die inlas van Fig. 3E en Fig.S17, onderskeidelik.Die resultate toon die merkwaardige herhaalbaarheid, stabiliteit en duursaamheid van die TATSA.Wasbaarheid is ook 'n noodsaaklike assesseringskriterium van die TATSA as 'n geheel-tekstiel toestel.Om die wasvermoë te evalueer, het ons die uitsetspanning van die sensor getoets nadat ons die TATSA masjien gewas het volgens die American Association of Textile Chemists and Colorists (AATCC) Test Method 135-2017.Die gedetailleerde wasprosedure word in Materiale en Metodes beskryf.Soos getoon in Fig. 3F, is die elektriese uitsette aangeteken nadat dit 20 keer en 40 keer gewas is, wat gedemonstreer het dat daar geen duidelike veranderinge van die uitsetspanning gedurende die wastoetse was nie.Hierdie resultate bevestig die merkwaardige wasbaarheid van die TATSA.As 'n draagbare tekstielsensor het ons ook die uitsetprestasie ondersoek wanneer die TATSA in trektoestande (fig. S18), gedraaide (fig. S19) en verskillende humiditeitstoestande (fig. S20) was.
Op grond van die talle voordele van die TATSA wat hierbo gedemonstreer is, het ons 'n draadlose mobiele gesondheidsmoniteringstelsel (WMHMS) ontwikkel wat die vermoë het om voortdurend fisiologiese seine te verkry en dan professionele advies vir 'n pasiënt te gee.Figuur 4A toon die skemadiagram van die WMHMS gebaseer op die TATSA.Die stelsel het vier komponente: die TATSA om die analoog fisiologiese seine te verkry, 'n analoog kondisioneringskring met 'n laagdeurlaatfilter (MAX7427) en 'n versterker (MAX4465) om voldoende besonderhede en uitstekende sinchronisasie van seine te verseker, 'n analoog-na-digitaal omskakelaar gebaseer op 'n mikrobeheerder-eenheid om die analoog seine te versamel en om te skakel na digitale seine, en 'n Bluetooth-module (CC2640 laekrag Bluetooth-skyfie) om die digitale sein na die selfoonterminaaltoepassing (APP; Huawei Honor 9) oor te dra.In hierdie studie het ons die TATSA naatloos in 'n kant, polsband, vingerstalletjie en sokkie gestik, soos getoon in Fig. 4B.
(A) Illustrasie van die WMHMS.(B) Foto's van die TATSA's wat onderskeidelik in 'n polsband, vingerhok, sokkie en borsband vasgestik is.Meting van die polsslag by die (C1) nek, (D1) pols, (E1) vingerpunt en (F1) enkel.Polsgolfvorm by die (C2) nek, (D2) pols, (E2) vingerpunt en (F2) enkel.(G) Polsgolfvorms van verskillende ouderdomme.(H) Analise van 'n enkele pulsgolf.Radiale vergrotingsindeks (AIx) gedefinieer as AIx (%) = P2/P1.P1 is die piek van die voortgaande golf, en P2 is die piek van die gereflekteerde golf.(I) 'n Polssiklus van die bragiale en die enkel.Polsgolfsnelheid (PWV) word gedefinieer as PWV = D/∆T.D is die afstand tussen die enkel en die bragiaal.∆T is die tydsvertraging tussen die pieke van die enkel- en bragiale polsgolwe.PTT, pols vervoer tyd.(J) Vergelyking van AIx en bragiale-enkel PWV (BAPWV) tussen gesonde en CAD's.*P < 0,01, **P < 0,001, en ***P < 0,05.HTN, hipertensie;CHD, koronêre hartsiekte;DM, diabetes mellitus.Fotokrediet: Jin Yang, Chongqing Universiteit.
Om die polsseine van die verskillende menslike liggaamsdele te monitor, het ons bogenoemde versierings met TATSA's aan die ooreenstemmende posisies geheg: nek (Fig. 4C1), pols (Fig. 4D1), vingerpunt (Fig. 4E1), en enkel (Fig. 4F1). ), soos uitgebrei in flieks S3 tot S6.In medisyne is daar drie wesenlike kenmerkpunte in die polsgolf: die piek van die voortgaande golf P1, die piek van die gereflekteerde golf P2 en die piek van die dikrotiese golf P3.Die kenmerke van hierdie kenmerkpunte weerspieël die gesondheidstoestand van arteriële elastisiteit, perifere weerstand en linkerventrikulêre kontraktiliteit wat verband hou met die kardiovaskulêre stelsel.Die polsgolfvorms van 'n 25-jarige vrou by bogenoemde vier posisies is in ons toets aangeteken en aangeteken.Let daarop dat die drie onderskeibare kenmerkpunte (P1 tot P3) op die polsgolfvorm by die nek-, pols- en vingerpuntposisies waargeneem is, soos getoon in Fig. 4 (C2 tot E2).Daarenteen het slegs P1 en P3 op die polsgolfvorm by die enkelposisie verskyn, en P2 was nie teenwoordig nie (Fig. 4F2).Hierdie resultaat is veroorsaak deur die superposisie van die inkomende bloedgolf wat deur die linkerventrikel uitgestoot is en die gereflekteerde golf van die onderste ledemate (44).Vorige studies het getoon dat P2 voorkom in golfvorms gemeet in die boonste ledemate, maar nie in die enkel nie (45, 46).Ons het soortgelyke resultate waargeneem in die golfvorms gemeet met die TATSA, soos getoon in fig.S21, wat tipiese data toon van die bevolking van 80 pasiënte wat hier bestudeer is.Ons kan sien dat P2 nie verskyn het in hierdie polsgolfvorms wat in die enkel gemeet is nie, wat die vermoë van die TATSA demonstreer om subtiele kenmerke binne die golfvorm op te spoor.Hierdie polsmetingsresultate dui daarop dat ons WMHMS die polsgolfkenmerke van die bo- en onderlyf akkuraat kan openbaar en dat dit beter is as ander werke (41, 47).Om verder aan te dui dat ons TATSA wyd toegepas kan word op verskillende ouderdomme, het ons polsgolfvorms van 80 proefpersone op verskillende ouderdomme gemeet, en ons het 'n paar tipiese data getoon, soos in fig.S22.Soos getoon in Fig. 4G, het ons drie deelnemers van 25, 45 en 65 jaar oud gekies, en die drie kenmerkpunte was duidelik vir die jong en middeljarige deelnemers.Volgens die mediese literatuur (48) verander die kenmerke van die meeste mense se polsgolfvorms soos hulle ouer word, soos die verdwyning van die punt P2, wat veroorsaak word deur die gereflekteerde golf wat vorentoe beweeg om homself op die voortgaande golf te plaas deur die afname in vaskulêre elastisiteit.Hierdie verskynsel word ook weerspieël in die golfvorms wat ons versamel het, wat verder verifieer dat die TATSA op verskillende populasies toegepas kan word.
Polsgolfvorm word nie net deur die fisiologiese toestand van die individu beïnvloed nie, maar ook deur die toetstoestande.Daarom het ons die polsseine gemeet onder verskillende kontakdigtheid tussen die TATSA en die vel (fig. S23) en verskeie opsporingsposisies by die meetplek (fig. S24).Daar kan gevind word dat die TATSA konsekwente polsgolfvorms kan verkry met gedetailleerde inligting rondom die vaartuig in 'n groot effektiewe opsporingsarea by die meetplek.Daarbenewens is daar duidelike uitsetseine onder verskillende kontakdigtheid tussen die TATSA en die vel.Daarbenewens sal die beweging van individue wat die sensors dra die polsseine beïnvloed.Wanneer die pols van die proefpersoon in 'n statiese toestand is, is die amplitude van die verkregen polsgolfvorm stabiel (fig. S25A);omgekeerd, wanneer die pols stadig beweeg teen 'n hoek van -70° tot 70° gedurende 30 s, sal die amplitude van die polsgolfvorm fluktueer (fig. S25B).Die kontoer van elke polsgolfvorm is egter sigbaar, en die polsslag kan steeds akkuraat verkry word.Dit is duidelik dat, om stabiele polsgolfverkryging in menslike beweging te bereik, verdere werk, insluitend sensorontwerp en back-end seinverwerking, nodig is om nagevors te word.
Verder, om die toestand van die kardiovaskulêre sisteem te analiseer en kwantitatief te assesseer deur die verworwe polsgolfvorms met behulp van ons TATSA, het ons twee hemodinamiese parameters ingestel volgens die assesseringsspesifikasie van die kardiovaskulêre stelsel, naamlik die vergrotingsindeks (AIx) en die polsgolfsnelheid (PWV), wat die elastisiteit van arteries verteenwoordig.Soos getoon in Fig. 4H, is die polsgolfvorm by die polsposisie van die 25-jarige gesonde man gebruik vir die ontleding van AIx.Volgens die formule (afdeling S1) is AIx = 60% verkry, wat 'n normale waarde is.Toe het ons gelyktydig twee polsgolfvorms by die arm- en enkelposisies van hierdie deelnemer versamel (die gedetailleerde metode om die polsgolfvorm te meet word beskryf in Materiale en Metodes).Soos getoon in Fig. 4I, was die kenmerkpunte van die twee pulsgolfvorms duidelik.Ons het toe die PWV volgens die formule (afdeling S1) bereken.PWV = 1363 cm/s, wat 'n kenmerkende waarde is wat van 'n gesonde volwasse man verwag word, is verkry.Aan die ander kant kan ons sien dat die maatstawwe van AIx of PWV nie deur die amplitudeverskil van die polsgolfvorm beïnvloed word nie, en die waardes van AIx in verskillende liggaamsdele verskil.In ons studie is die radiale AIx gebruik.Om die toepaslikheid van WMHMS in verskillende mense te verifieer, het ons 20 deelnemers in die gesonde groep gekies, 20 in die hipertensie (HTN) groep, 20 in die koronêre hartsiekte (CHD) groep van 50 tot 59 jaar oud, en 20 in die diabetes mellitus (DM) groep.Ons het hul polsgolwe gemeet en hul twee parameters, AIx en PWV, vergelyk soos in Fig. 4J.Daar kan gevind word dat die PWV-waardes van die HTN-, CHD- en DM-groepe laer was in vergelyking met dié van gesonde groepe en statistiese verskil het (PHTN ≪ 0.001, PCHD ≪ 0.001 en PDM ≪ 0.001; die P-waardes is bereken deur t toets).Intussen was die AIx-waardes van die HTN- en CHD-groepe laer in vergelyking met die gesonde groep en het statistiese verskille (PHTN < 0.01, PCHD < 0.001 en PDM < 0.05).Die PWV en AIx van die deelnemers met CHD, HTN of DM was hoër as dié in die gesonde groep.Die resultate toon dat die TATSA in staat is om die polsgolfvorm akkuraat te verkry om die kardiovaskulêre parameter te bereken om kardiovaskulêre gesondheidstatus te bepaal.Ten slotte, as gevolg van sy draadlose, hoë resolusie, hoë sensitiwiteitseienskappe en gemak, bied die WMHMS gebaseer op die TATSA 'n meer doeltreffende alternatief vir intydse monitering as die huidige duur mediese toerusting wat in hospitale gebruik word.
Afgesien van die polsgolf, is respiratoriese inligting ook 'n primêre noodsaaklike teken om te help om die fisiese toestand van 'n individu te bepaal.Die monitering van respirasie gebaseer op ons TATSA is aantrekliker as die konvensionele polisomnografie, want dit kan naatloos in klere geïntegreer word vir beter gemak.Gestik in 'n wit elastiese borsband, die TATSA is direk aan die menslike liggaam vasgemaak en om die bors vasgemaak vir die monitering van asemhaling (Fig. 5A en film S7).Die TATSA het vervorm met die uitsetting en sametrekking van die ribbekas, wat gelei het tot 'n elektriese uitset.Die verkry golfvorm word geverifieer in Fig. 5B.Die sein met groot fluktuasies ('n amplitude van 1,8 V) en periodieke veranderinge ('n frekwensie van 0,5 Hz) het ooreengestem met die respiratoriese beweging.Die relatief klein fluktuasiesein is gesuperponeer op hierdie groot fluktuasiesein, wat die hartklopsein was.Volgens die frekwensie-eienskappe van die respirasie- en hartklopseine het ons 'n 0.8-Hz laagdeurlaatfilter en 'n 0.8- tot 20-Hz banddeurlaatfilter gebruik om onderskeidelik die respiratoriese en hartklopseine te skei, soos getoon in Fig. 5C .In hierdie geval is stabiele respiratoriese en polsseine met oorvloedige fisiologiese inligting (soos respiratoriese tempo, hartkloptempo en kenmerkpunte van die polsgolf) gelyktydig en akkuraat verkry deur bloot die enkele TATSA op die bors te plaas.
(A) Foto wat die vertoning van die TATSA wys wat op die bors geplaas is vir die meet van die sein in die druk wat met respirasie geassosieer word.(B) Spanning-tyd plot vir die TATSA op die bors gemonteer.(C) Ontbinding van die sein (B) in die hartklop en die respiratoriese golfvorm.(D) Foto wat twee TATSA's wys wat op die buik en pols geplaas is om respirasie en pols onderskeidelik tydens slaap te meet.(E) Respiratoriese en pols seine van 'n gesonde deelnemer.HR, hartklop;BPM, slae per minuut.(F) Respiratoriese en polsseine van 'n SAS-deelnemer.(G) Respiratoriese sein en PTT van 'n gesonde deelnemer.(H) Respiratoriese sein en PTT van 'n SAS-deelnemer.(I) Verwantskap tussen PTT-opwekkingsindeks en apnee-hipopnee-indeks (AHI).Fotokrediet: Wenjing Fan, Chongqing Universiteit.
Om te bewys dat ons sensor pols- en respiratoriese seine akkuraat en betroubaar kan monitor, het ons 'n eksperiment uitgevoer om die metingsresultate van die pols- en respirasieseine tussen ons TATSA's en 'n standaard mediese instrument (MHM-6000B) te vergelyk, soos uitgebrei in films S8 en S9.In polsgolfmeting is die foto-elektriese sensor van die mediese instrument op die linkerwysvinger van 'n jong meisie gedra, en intussen is ons TATSA op haar regterwysvinger gedra.Uit die twee verworwe polsgolfvorms kan ons sien dat hul kontoere en besonderhede identies was, wat aandui dat die pols wat deur die TATSA gemeet word, so presies is soos dié deur die mediese instrument.In respirasiegolfmeting is vyf elektrokardiografiese elektrodes aan vyf areas op die liggaam van 'n jong man geheg volgens die mediese instruksie.Daarteenoor was slegs een TATSA direk aan die liggaam vasgemaak en om die bors vasgemaak.Uit die versamelde respiratoriese seine kan gesien word dat die variasieneiging en tempo van die bespeurde respirasiesein deur ons TATSA ooreenstem met dié van die mediese instrument.Hierdie twee vergelykingseksperimente het die akkuraatheid, betroubaarheid en eenvoud van ons sensorstelsel vir die monitering van pols- en respiratoriese seine bekragtig.
Verder het ons 'n stukkie slim klere vervaardig en twee TATSA's by die buik- en polsposisies gestik vir die monitering van die respiratoriese en polsseine, onderskeidelik.Spesifiek, 'n ontwikkelde dubbelkanaal WMHMS is gebruik om die pols- en respiratoriese seine gelyktydig vas te vang.Deur hierdie stelsel het ons die asemhalings- en polsseine verkry van 'n 25-jarige man geklee in ons slim klere terwyl hy slaap (Fig. 5D en fliek S10) en sit (fig. S26 en fliek S11).Die verworwe respiratoriese en polsseine kan draadloos na die APP van die selfoon oorgedra word.Soos hierbo genoem, het die TATSA die vermoë om respiratoriese en pols seine vas te vang.Hierdie twee fisiologiese seine is ook die kriteria om SAS medies te skat.Daarom kan ons TATSA ook gebruik word om slaapkwaliteit en verwante slaapversteurings te monitor en te assesseer.Soos getoon in Fig. 5 (E en F, onderskeidelik), het ons voortdurend die pols- en respiratoriese golfvorms van twee deelnemers gemeet, 'n gesonde een en 'n pasiënt met SAS.Vir die persoon sonder apnee het die gemete respiratoriese en polsslag stabiel gebly op 15 en 70, onderskeidelik.Vir die pasiënt met SAS is 'n duidelike apnee vir 24 s waargeneem, wat 'n aanduiding is van 'n obstruktiewe respiratoriese gebeurtenis, en die hartklop het effens toegeneem na 'n tydperk van apnee as gevolg van die regulering van die senuweestelsel (49).Samevattend kan respiratoriese status deur ons TATSA geëvalueer word.
Om die tipe SAS verder te assesseer deur pols- en respiratoriese seine, het ons die polsoorgangstyd (PTT) ontleed, 'n nie-indringende aanwyser wat die veranderinge in perifere vaskulêre weerstand en intratorakale druk (gedefinieer in afdeling S1) van 'n gesonde man en 'n pasiënt met SAS.Vir die gesonde deelnemer het die respiratoriese tempo onveranderd gebly, en die PTT was relatief stabiel van 180 tot 310 ms (Fig. 5G).Vir die SAS-deelnemer het die PTT egter voortdurend toegeneem van 120 tot 310 ms tydens apnee (Fig. 5H).Dus is die deelnemer met obstruktiewe SAS (OSAS) gediagnoseer.As die verandering in PTT tydens die apnee afgeneem het, sou die toestand as 'n sentrale slaapapnee-sindroom (CSAS) bepaal word, en as beide hierdie twee simptome gelyktydig bestaan, sou dit as 'n gemengde SAS (MSAS) gediagnoseer word.Om die erns van SAS te bepaal, het ons die versamelde seine verder ontleed.PTT-opwekkingsindeks, wat die aantal PTT-opwekkings per uur is (PTT-opwekking word gedefinieer as 'n daling in PTT van ≥15 ms wat vir ≥3 s duur), speel 'n belangrike rol in die evaluering van die graad van SAS.Die apnee-hipopnee-indeks (AHI) is 'n standaard vir die bepaling van die graad van SAS (apnee is die staking van asemhaling, en hipopnee is te vlak asemhaling of 'n abnormaal lae respiratoriese tempo), wat gedefinieer word as die aantal apnee en hipopnee per uur terwyl jy slaap (die verband tussen die AHI en die graderingskriteria vir OSAS word in tabel S2 getoon).Om die verband tussen die AHI en die PTT-opwekkingsindeks te ondersoek, is die respiratoriese seine van 20 pasiënte met SAS geselekteer en met TATSA's ontleed.Soos getoon in Fig. 5I, het die PTT-opwekkingsindeks positief gekorreleer met die AHI, aangesien apnee en hipopnee tydens slaap die ooglopende en verbygaande verhoging van bloeddruk veroorsaak, wat lei tot die afname in die PTT.Daarom kan ons TATSA gelyktydig stabiele en akkurate pols- en respiratoriese seine verkry en sodoende belangrike fisiologiese inligting oor die kardiovaskulêre stelsel en SAS verskaf vir die monitering en evaluering van verwante siektes.
Ter opsomming, ons het 'n TATSA ontwikkel wat die volle veststeek gebruik om verskillende fisiologiese seine gelyktydig op te spoor.Hierdie sensor het 'n hoë sensitiwiteit van 7.84 mV Pa−1, vinnige reaksietyd van 20 ms, hoë stabiliteit van meer as 100 000 siklusse en wye werkfrekwensiebandwydte gehad.Op grond van die TATSA is 'n WMHMS ook ontwikkel om die gemete fisiologiese parameters na 'n selfoon oor te dra.TATSA kan in verskillende plekke van klere ingewerk word vir estetiese ontwerp en gebruik word om die pols- en respiratoriese seine gelyktydig in reële tyd te monitor.Die stelsel kan toegepas word om te help om tussen gesonde individue en diegene met CAD of SAS te onderskei vanweë sy vermoë om gedetailleerde inligting vas te lê.Hierdie studie het 'n gemaklike, doeltreffende en gebruikersvriendelike benadering verskaf vir die meting van menslike polsslag en asemhaling, wat 'n vooruitgang in die ontwikkeling van draagbare tekstielelektronika verteenwoordig.
Die vlekvrye staal is herhaaldelik deur die vorm gevoer en gestrek om 'n vesel met 'n deursnee van 10 μm te vorm.'n Vlekvrye staalvesel as die elektrode is in verskeie stukke kommersiële eenlaag Terylene-garings geplaas.
'n Funksiegenerator (Stanford DS345) en 'n versterker (LabworkPa-13) is gebruik om 'n sinusvormige druksein te verskaf.'n Dubbele-reeks kragsensor (Vernier Software & Technology LLC) is gebruik om die eksterne druk wat op die TATSA toegepas word, te meet.'n Keithley-stelselelektrometer (Keithley 6514) is gebruik om die uitsetspanning en stroom van die TATSA te monitor en aan te teken.
Volgens AATCC-toetsmetode 135-2017 het ons die TATSA en genoeg ballas as 'n 1,8 kg-vrag gebruik en dit dan in 'n kommersiële wasmasjien (Labtex LBT-M6T) gesit om delikate masjienwassiklusse uit te voer.Toe het ons die wasmasjien met 18 liter water by 25°C gevul en die wasser vir die geselekteerde wassiklus en tyd gestel (roerspoed, 119 houe per minuut; wastyd, 6 min; finale spinspoed, 430 rpm; finale spintyd, 3 min).Laastens is die TATSA droog in stil lug gehang by kamertemperatuur nie hoër as 26°C nie.
Die proefpersone is opdrag gegee om in 'n rugliggende posisie op die bed te lê.Die TATSA is op die meetterreine geplaas.Sodra die proefpersone in standaard rugliggende posisie was, het hulle 'n heeltemal ontspanne toestand vir 5 tot 10 minute gehandhaaf.Die polssein het toe begin meet.
Aanvullende materiaal vir hierdie artikel is beskikbaar by https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Fig. S9.Simulasieresultaat van die kragverspreiding van 'n TATSA onder toegepaste druk by 0.2 kPa met behulp van die COMSOL sagteware.
Fig. S10.Simulasieresultate van die kragverspreiding van 'n kontakeenheid onder die toegepaste druk by onderskeidelik 0.2 en 2 kPa.
Fig. S11.Voltooi skematiese illustrasies van die ladingoordrag van 'n kontakeenheid onder kortsluitingstoestande.
Fig. S13.Deurlopende uitsetspanning en stroom van TATSA in reaksie op die voortdurend toegepaste eksterne druk in 'n meetsiklus.
Fig. S14.Spanningsreaksie op verskeie aantal luseenhede in dieselfde stofarea wanneer die lusnommer in die walrigting onveranderd gehou word.
Fig. S15.'n Vergelyking tussen die uitsetprestasies van die twee tekstielsensors met die volle veststeek en gewone steek.
Fig. S16.Plotte wat frekwensiereaksies toon by die dinamiese druk van 1 kPa en drukinvoerfrekwensie van 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 en 20 Hz.
Fig. S25.Die uitsetspannings van die sensor wanneer die onderwerp in die statiese en bewegingstoestande was.
Fig. S26.Foto wat die TATSA's wys wat gelyktydig op die buik en pols geplaas is om respirasie en pols onderskeidelik te meet.
Hierdie is 'n ooptoegang-artikel wat versprei word onder die bepalings van die Creative Commons Erkenning-Niekommersieel-lisensie, wat gebruik, verspreiding en reproduksie in enige medium toelaat, solank die gevolglike gebruik nie vir kommersiële voordeel is nie en mits die oorspronklike werk behoorlik is aangehaal.
LET WEL: Ons versoek net jou e-posadres sodat die persoon vir wie jy die bladsy aanbeveel weet dat jy wou hê hulle moet dit sien, en dat dit nie gemorspos is nie.Ons neem geen e-posadres vas nie.
Deur Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
’n Tribo-elektriese alletekstielsensor met hoë druksensitiwiteit en gemak is ontwikkel vir gesondheidsmonitering.
Deur Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
’n Tribo-elektriese alletekstielsensor met hoë druksensitiwiteit en gemak is ontwikkel vir gesondheidsmonitering.
© 2020 American Association for the Advancement of Science.Alle regte voorbehou.AAAS is 'n vennoot van HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef en COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Postyd: 27 Maart 2020