Els productes electrònics tèxtils portàtils són molt desitjables per aconseguir una gestió personalitzada de la salut.Tanmateix, la majoria de l'electrònica tèxtil informada pot orientar-se periòdicament a un sol senyal fisiològic o perdre els detalls explícits dels senyals, donant lloc a una avaluació parcial de la salut.A més, els tèxtils amb excel·lents propietats i comoditat segueixen sent un repte.Aquí, informem d'una matriu de sensors triboelèctrics totalment tèxtils amb alta sensibilitat a la pressió i comoditat.Presenta sensibilitat a la pressió (7,84 mV Pa−1), temps de resposta ràpid (20 ms), estabilitat (>100.000 cicles), ample de banda de freqüència de treball (fins a 20 Hz) i capacitat de rentat a màquina (>40 rentats).Els TATSA fabricats es van cosir a diferents parts de la roba per controlar les ones de pols arterial i els senyals respiratoris simultàniament.També hem desenvolupat un sistema de control de la salut per a l'avaluació a llarg termini i no invasiva de la malaltia cardiovascular i la síndrome d'apnea del son, que presenta un gran avenç per a l'anàlisi quantitativa d'algunes malalties cròniques.
L'electrònica portàtil representa una oportunitat fascinant per les seves prometedores aplicacions en medicina personalitzada.Poden controlar l'estat de salut d'una persona de manera contínua, en temps real i no invasiva (1–11).El pols i la respiració, com a dos components indispensables dels signes vitals, poden proporcionar tant una avaluació precisa de l'estat fisiològic com una visió notable del diagnòstic i el pronòstic de malalties relacionades (12-21).Fins ara, la majoria de l'electrònica portàtil per detectar senyals fisiològics subtils es basa en substrats ultrafins com el tereftalat de polietilè, el polidimetilsiloxà, la poliimida, el vidre i la silicona (22–26).Un inconvenient d'aquests substrats per al seu ús a la pell rau en els seus formats plans i rígids.Com a resultat, calen cintes, tirita o altres accessoris mecànics per establir un contacte compacte entre l'electrònica portàtil i la pell humana, que pot causar irritació i molèsties durant períodes prolongats d'ús (27, 28).A més, aquests substrats tenen una mala permeabilitat a l'aire, cosa que provoca molèsties quan s'utilitzen per a un seguiment continu i a llarg termini de la salut.Per pal·liar els problemes esmentats en l'assistència sanitària, especialment en l'ús diari, els tèxtils intel·ligents ofereixen una solució fiable.Aquests tèxtils tenen les característiques de suavitat, pes lleuger i transpirabilitat i, per tant, el potencial per aconseguir comoditat en l'electrònica portàtil.En els darrers anys, s'han dedicat esforços intensius per desenvolupar sistemes basats en tèxtils en sensors sensibles, recollida d'energia i emmagatzematge (29-39).En particular, s'ha informat d'una investigació reeixida sobre fibra òptica, piezoelectricitat i tèxtils intel·ligents basats en resistivitat aplicats en el control de senyals de pols i respiracions (40–43).Tanmateix, aquests tèxtils intel·ligents solen tenir una sensibilitat baixa i un únic paràmetre de control i no es poden fabricar a gran escala (taula S1).En el cas de la mesura del pols, la informació detallada és difícil de capturar a causa de la fluïdesa i ràpida fluctuació del pols (per exemple, els seus punts característics) i, per tant, es requereix una alta sensibilitat i un rendiment de resposta de freqüència adequat.
En aquest estudi, introduïm una matriu de sensors triboelèctrics tot tèxtil (TATSA) amb alta sensibilitat per a la captura de pressió subtil epidèrmica, teixida amb fils conductors i de niló en una puntada de cardigan completa.El TATSA pot proporcionar alta sensibilitat a la pressió (7,84 mV Pa−1), temps de resposta ràpid (20 ms), estabilitat (> 100.000 cicles), ample de banda de freqüència de treball (fins a 20 Hz) i capacitat de rentat a màquina (> 40 rentats).És capaç d'integrar-se còmodament a la roba amb discreció, comoditat i atractiu estètic.En particular, el nostre TATSA es pot incorporar directament a diferents llocs del teixit que corresponen a les ones de pols a les posicions de coll, canell, punta dels dits i turmells i a les ones respiratòries a l'abdomen i al pit.Per avaluar l'excel·lent rendiment del TATSA en el seguiment de la salut en temps real i remot, desenvolupem un sistema intel·ligent personalitzat de monitorització de la salut per adquirir i guardar contínuament senyals fisiològics per a l'anàlisi de malalties cardiovasculars (CAD) i l'avaluació de la síndrome d'apnea del son (SAS). ).
Tal com s'il·lustra a la figura 1A, es van cosir dos TATSA al puny i al pit d'una samarreta per permetre el seguiment dinàmic i simultània dels senyals de pols i respiratoris, respectivament.Aquests senyals fisiològics es van transmetre sense fil a l'aplicació de terminal mòbil intel·ligent (APP) per a una anàlisi més detallada de l'estat de salut.La figura 1B mostra el TATSA cosit en un tros de tela, i la inserció mostra la vista ampliada del TATSA, que es va teixir amb el fil conductor característic i el fil de niló comercial junts en una puntada de cardigan completa.En comparació amb la puntada llisa fonamental, el mètode de teixir més comú i bàsic, es va triar la puntada completa perquè el contacte entre el capçal de bucle del fil conductor i el cap de puntada adjacent del fil de niló (fig. S1) és una superfície. en lloc d'un punt de contacte, donant lloc a una àrea d'actuació més gran per a un alt efecte triboelèctric.Per preparar el fil conductor, vam seleccionar l'acer inoxidable com a fibra del nucli fix i es van retorçar diverses peces de fils de terileno d'una sola capa al voltant de la fibra del nucli en un fil conductor amb un diàmetre de 0,2 mm (fig. S2), que va servir com a tant la superfície d'electrificació com l'elèctrode conductor.El fil de niló, que tenia un diàmetre de 0,15 mm i servia com una altra superfície d'electrificació, tenia una forta força de tracció perquè estava retorçat per fils incomputables (fig. S3).La figura 1 (C i D, respectivament) mostra fotografies del fil conductor fabricat i el fil de niló.Les insercions mostren les seves respectives imatges de microscòpia electrònica d'escaneig (SEM), que presenten una secció transversal típica del fil conductor i la superfície del fil de niló.L'alta resistència a la tracció dels fils conductors i de niló va assegurar la seva capacitat de teixit en una màquina industrial per mantenir un rendiment uniforme de tots els sensors.Tal com es mostra a la figura 1E, els fils conductors, els fils de niló i els fils ordinaris es van enrotllar als seus respectius cons, que després es van carregar a la màquina de teixir plana industrial informatitzada per a teixir automàticament (pel·lícula S1).Com es mostra a la fig.S4, es van teixir diverses TATSA amb un drap normal mitjançant la màquina industrial.Una única TATSA amb un gruix de 0,85 mm i un pes de 0,28 g es podria adaptar de tota l'estructura per a un ús individual, mostrant la seva excel·lent compatibilitat amb altres teles.A més, els TATSA es podrien dissenyar en diversos colors per satisfer els requisits estètics i de moda a causa de la diversitat de fils de niló comercials (Fig. 1F i fig. S5).Els TATSA fabricats tenen una suavitat excel·lent i la capacitat de suportar flexions o deformacions dures (fig. S6).La figura 1G mostra el TATSA cosit directament a l'abdomen i el puny d'un jersei.El procés de teixir el jersei es mostra a la fig.S7 i pel·lícula S2.A la fig.S8 (A i B, respectivament) i la posició del fil conductor i el fil de niló s'il·lustra a la fig.S8C.Aquí es pot veure que el TATSA es pot incrustar en teixits normals sense costures per obtenir un aspecte discret i intel·ligent.
(A) Dos TATSA integrats en una samarreta per al seguiment de senyals de pols i respiració en temps real.(B) Il·lustració esquemàtica de la combinació de TATSA i roba.La inserció mostra la vista ampliada del sensor.(C) Fotografia del fil conductor (barra d'escala, 4 cm).L'insert és la imatge SEM de la secció transversal del fil conductor (barra d'escala, 100 μm), que consta d'acer inoxidable i fils de terileno.(D) Fotografia del fil de niló (barra d'escala, 4 cm).La inserció és la imatge SEM de la superfície del fil de niló (barra d'escala, 100 μm).(E) Imatge de la màquina de teixir plana informatitzada que realitza el teixit automàtic de les TATSA.(F) Fotografia de TATSA en diferents colors (barra d'escala, 2 cm).L'insert és el TATSA retorçat, que demostra la seva excel·lent suavitat.(G) Fotografia de dos TATSA cosits completament i sense costures en un jersei.Crèdit fotogràfic: Wenjing Fan, Universitat de Chongqing.
Per analitzar el mecanisme de treball del TATSA, incloses les seves propietats mecàniques i elèctriques, hem construït un model de teixit geomètric del TATSA, tal com es mostra a la figura 2A.Utilitzant la puntada completa del cardigan, els fils conductors i de niló s'entrellacen en forma d'unitats de bucle en la direcció del curs i del gal.Una estructura de bucle únic (fig. S1) consta d'un capçal de bucle, un braç de bucle, una part de creuament de costelles, un braç de puntada i un cap de puntada.Es poden trobar dues formes de superfície de contacte entre els dos fils diferents: (i) la superfície de contacte entre el capçal del bucle del fil conductor i el capçal de puntada del fil de niló i (ii) la superfície de contacte entre el capçal del bucle de el fil de niló i el capçal de puntada del fil conductor.
(A) El TATSA amb els costats frontal, dret i superior dels bucles de punt.(B) Resultat de la simulació de la distribució de la força d'un TATSA sota una pressió aplicada de 2 kPa mitjançant el programari COMSOL.(C) Il·lustracions esquemàtiques de la transferència de càrrega d'una unitat de contacte en condicions de curtcircuit.(D) Resultats de la simulació de la distribució de càrrega d'una unitat de contacte en condicions de circuit obert mitjançant el programari COMSOL.
El principi de funcionament del TATSA es pot explicar en dos aspectes: l'estimulació de la força externa i la seva càrrega induïda.Per comprendre de manera intuïtiva la distribució de l'estrès en resposta a l'estímul de força externa, hem utilitzat l'anàlisi d'elements finits mitjançant el programari COMSOL a diferents forces externes de 2 i 0, 2 kPa, tal com es mostra respectivament a la figura 2B i la fig.S9.La tensió apareix a les superfícies de contacte de dos fils.Com es mostra a la fig.S10, vam considerar dues unitats de bucle per aclarir la distribució de tensions.En comparar la distribució de tensions sota dues forces externes diferents, la tensió a les superfícies dels fils conductors i de niló augmenta amb l'augment de la força externa, donant lloc al contacte i l'extrusió entre els dos fils.Un cop alliberada la força externa, els dos fils se separen i s'allunyen l'un de l'altre.
Els moviments de separació de contacte entre el fil conductor i el fil de niló indueixen la transferència de càrrega, que s'atribueix a la conjunció de la triboelectrificació i la inducció electrostàtica.Per aclarir el procés de generació d'electricitat, analitzem la secció transversal de la zona on els dos fils entren en contacte (Fig. 2C1).Com es demostra a la figura 2 (C2 i C3, respectivament), quan el TATSA és estimulat per la força externa i els dos fils es posen en contacte entre ells, l'electrificació es produeix a la superfície dels fils conductors i de niló, i les càrregues equivalents amb el contrari. es generen polaritats a la superfície dels dos fils.Una vegada que els dos fils se separen, s'indueixen càrregues positives a l'acer inoxidable interior a causa de l'efecte d'inducció electrostàtica.L'esquema complet es mostra a la fig.S11.Per adquirir una comprensió més quantitativa del procés de generació d'electricitat, vam simular la distribució potencial del TATSA mitjançant el programari COMSOL (Fig. 2D).Quan els dos materials estan en contacte, la càrrega s'acumula principalment al material de fricció, i només una petita quantitat de càrrega induïda està present a l'elèctrode, donant lloc al petit potencial (Fig. 2D, inferior).Quan els dos materials estan separats (Fig. 2D, a dalt), la càrrega induïda a l'elèctrode augmenta a causa de la diferència de potencial, i augmenta el potencial corresponent, la qual cosa revela una bona concordança entre els resultats obtinguts dels experiments i els de les simulacions. .A més, atès que l'elèctrode conductor del TATSA està embolicat amb fils de terilè i la pell està en contacte amb els dos materials de fricció, per tant, quan el TATSA es porta directament a la pell, la càrrega depèn de la força externa i no ho farà. quedar debilitat per la pell.
Per caracteritzar el rendiment del nostre TATSA en diversos aspectes, vam proporcionar un sistema de mesura que conté un generador de funcions, un amplificador de potència, un agitador electrodinàmic, un mesurador de força, un electròmetre i un ordinador (fig. S12).Aquest sistema genera una pressió dinàmica externa de fins a 7 kPa.En l'experiment, el TATSA es va col·locar sobre una làmina de plàstic plana en estat lliure i l'electròmetre registra els senyals elèctrics de sortida.
Les especificacions dels fils conductors i de niló afecten el rendiment de sortida del TATSA perquè determinen la superfície de contacte i la capacitat de percebre la pressió externa.Per investigar-ho, vam fabricar tres mides dels dos fils, respectivament: fil conductor amb una mida de 150D/3, 210D/3 i 250D/3 i fil de niló amb una mida de 150D/6, 210D/6 i 250D. /6 (D, denier; unitat de mesura que s'utilitza per determinar el gruix de la fibra de fils individuals; els teixits amb un nombre elevat de deniers solen ser gruixuts).A continuació, vam seleccionar aquests dos fils amb diferents mides per teixir-los en un sensor, i la dimensió del TATSA es va mantenir a 3 cm per 3 cm amb el número de bucle de 16 en la direcció de Wale i 10 en la direcció del curs.Així, es van obtenir els sensors amb nou patrons de teixir.El sensor del fil conductor amb la mida de 150D/3 i el fil de niló amb la mida de 150D/6 era el més prim, i el sensor del fil conductor amb la mida de 250D/3 i el fil de niló amb la mida de 250D/ 6 era el més gruixut.Sota una excitació mecànica de 0,1 a 7 kPa, les sortides elèctriques d'aquests patrons es van investigar i provar sistemàticament, tal com es mostra a la figura 3A.Les tensions de sortida dels nou TATSA van augmentar amb l'augment de la pressió aplicada, de 0,1 a 4 kPa.Concretament, de tots els patrons de teixir, l'especificació del fil conductor 210D/3 i el fil de niló 210D/6 va oferir la sortida elèctrica més alta i va mostrar la sensibilitat més alta.La tensió de sortida va mostrar una tendència creixent amb l'augment del gruix del TATSA (a causa de la superfície de contacte suficient) fins que el TATSA es va teixir amb el fil conductor 210D/3 i el fil de niló 210D/6.Com que els augments addicionals de gruix conduirien a l'absorció de pressió externa per part dels fils, la tensió de sortida va disminuir en conseqüència.A més, cal assenyalar que a la regió de baixa pressió (<4 kPa), una variació lineal ben comportada de la tensió de sortida amb pressió va donar una sensibilitat a la pressió superior de 7, 84 mV Pa-1.A la regió d'alta pressió (> 4 kPa), es va observar experimentalment una sensibilitat a la pressió més baixa de 0, 31 mV Pa−1 a causa de la saturació de l'àrea de fricció efectiva.Es va demostrar una sensibilitat a la pressió similar durant el procés contrari d'aplicar força.A la fig.S13 (A i B, respectivament).
(A) Tensió de sortida sota nou patrons de teixit del fil conductor (150D/3, 210D/3 i 250D/3) combinat amb el fil de niló (150D/6, 210D/6 i 250D/6).(B) Resposta de tensió a diversos nombres d'unitats de bucle a la mateixa àrea de teixit quan es manté el número de bucle en la direcció Wale sense canvis.(C) Gràfics que mostren les respostes de freqüència sota una pressió dinàmica d'1 kPa i una freqüència d'entrada de pressió d'1 Hz.(D) Diferents tensions de sortida i corrent sota les freqüències d'1, 5, 10 i 20 Hz.(E) Prova de durabilitat d'un TATSA sota una pressió d'1 kPa.(F) Característiques de sortida del TATSA després de rentar-se 20 i 40 vegades.
La sensibilitat i la tensió de sortida també es van veure influenciades per la densitat de puntada del TATSA, que va ser determinada pel nombre total de bucles en una àrea mesurada de teixit.Un augment de la densitat de puntada comportaria una major compacitat de l'estructura del teixit.La figura 3B mostra els rendiments de sortida amb diferents números de bucle a l'àrea tèxtil de 3 cm per 3 cm, i la inserció il·lustra l'estructura d'una unitat de bucle (hem mantingut el número de bucle en la direcció del curs a 10, i el número de bucle a la la direcció de Wale era 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 i 26).En augmentar el nombre de bucle, la tensió de sortida va mostrar primer una tendència creixent a causa de l'augment de la superfície de contacte, fins al pic màxim de tensió de sortida de 7,5 V amb un nombre de bucle de 180. Després d'aquest punt, la tensió de sortida va seguir una tendència decreixent perquè el TATSA es va tornar ajustat i els dos fils tenien un espai de separació de contacte reduït.Per explorar en quina direcció la densitat té un gran impacte en la sortida, vam mantenir el número de bucle del TATSA en la direcció Wale en 18, i el número de bucle en la direcció del curs es va establir en 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 i 14. Les tensions de sortida corresponents es mostren a la fig.S14.En comparació, podem veure que la densitat en la direcció del curs té una major influència en la tensió de sortida.Com a resultat, es va triar el patró de teixir del fil conductor 210D/3 i el fil de niló 210D/6 i 180 unitats de bucle per teixir el TATSA després d'avaluacions exhaustives de les característiques de sortida.A més, vam comparar els senyals de sortida de dos sensors tèxtils mitjançant la puntada de cardigan completa i la puntada plana.Com es mostra a la fig.S15, la sortida elèctrica i la sensibilitat amb puntada de cardigan completa són molt més altes que les que utilitza puntada simple.
Es va mesurar el temps de resposta per al seguiment de senyals en temps real.Per examinar el temps de resposta del nostre sensor a les forces externes, vam comparar els senyals de voltatge de sortida amb les entrades de pressió dinàmica a una freqüència d'1 a 20 Hz (Fig. 3C i fig. S16, respectivament).Les formes d'ona de voltatge de sortida eren gairebé idèntiques a les ones de pressió sinusoïdals d'entrada sota una pressió d'1 kPa, i les formes d'ona de sortida tenien un temps de resposta ràpid (uns 20 ms).Aquesta histèresi es pot atribuir a que l'estructura elàstica no ha tornat a l'estat original tan aviat com sigui possible després de rebre la força externa.No obstant això, aquesta petita histèresi és acceptable per al monitoratge en temps real.Per obtenir la pressió dinàmica amb un determinat rang de freqüències, s'espera una resposta de freqüència adequada de TATSA.Així, també es va provar la característica de freqüència de TATSA.En augmentar la freqüència d'excitació externa, l'amplitud de la tensió de sortida es va mantenir gairebé sense canvis, mentre que l'amplitud del corrent va augmentar quan les freqüències de toc variaven d'1 a 20 Hz (Fig. 3D).
Per avaluar la repetibilitat, l'estabilitat i la durabilitat del TATSA, vam provar la tensió de sortida i les respostes actuals als cicles de càrrega i descàrrega de pressió.Es va aplicar una pressió d'1 kPa amb una freqüència de 5 Hz al sensor.La tensió i el corrent de pic a pic es van registrar després de 100.000 cicles de càrrega-descàrrega (Fig. 3E i fig. S17, respectivament).Les vistes ampliades de la tensió i la forma d'ona actual es mostren a l'insert de la figura 3E i la fig.S17, respectivament.Els resultats revelen la notable repetibilitat, estabilitat i durabilitat del TATSA.La rentabilitat també és un criteri d'avaluació essencial del TATSA com a dispositiu totalment tèxtil.Per avaluar la capacitat de rentat, vam provar la tensió de sortida del sensor després de rentar el TATSA a màquina segons el mètode de prova 135-2017 de l'Associació Americana de Químics i Coloristes Tèxtils (AATCC).El procediment de rentat detallat es descriu a Materials i mètodes.Tal com es mostra a la figura 3F, les sortides elèctriques es van registrar després de rentar-se 20 i 40 vegades, cosa que va demostrar que no hi havia canvis diferents de la tensió de sortida durant les proves de rentat.Aquests resultats comproven la notable rentabilitat del TATSA.Com a sensor tèxtil portàtil, també vam explorar el rendiment de sortida quan el TATSA estava en condicions de tracció (fig. S18), retorçat (fig. S19) i diferents condicions d'humitat (fig. S20).
Sobre la base dels nombrosos avantatges del TATSA demostrats anteriorment, hem desenvolupat un sistema de monitorització de la salut mòbil sense fil (WMHMS), que té la capacitat d'adquirir contínuament senyals fisiològics i després donar assessorament professional a un pacient.La figura 4A mostra el diagrama d'esquema del WMHMS basat en el TATSA.El sistema té quatre components: el TATSA per adquirir els senyals fisiològics analògics, un circuit de condicionament analògic amb un filtre de pas baix (MAX7427) i un amplificador (MAX4465) per garantir uns detalls suficients i un excel·lent sincronisme dels senyals, un sistema analògic a digital. convertidor basat en una unitat de microcontrolador per recollir i convertir els senyals analògics en senyals digitals, i un mòdul Bluetooth (xip Bluetooth de baixa potència CC2640) per transmetre el senyal digital a l'aplicació del terminal del telèfon mòbil (APP; Huawei Honor 9).En aquest estudi, vam cosir el TATSA sense problemes en un encaix, una polsera, un dit i un mitjó, tal com es mostra a la figura 4B.
(A) Il·lustració del WMHMS.(B) Fotografies dels TATSA cosits en una polsera, un dits, un mitjó i una corretja per al pit, respectivament.Mesura del pols al coll (C1), al canell (D1), a la punta del dit (E1) i al turmell (F1).Forma d'ona del pols al coll (C2), al canell (D2), a la punta del dit (E2) i al turmell (F2).(G) Formes d'ona de pols de diferents edats.(H) Anàlisi d'una sola ona de pols.Índex d'augment radial (AIx) definit com AIx (%) = P2/P1.P1 és el pic de l'ona que avança i P2 és el pic de l'ona reflectida.(I) Un cicle de pols del braquial i el turmell.La velocitat de l'ona de pols (PWV) es defineix com PWV = D/∆T.D és la distància entre el turmell i el braquial.∆T és el temps de retard entre els pics del turmell i les ones de pols braquial.PTT, temps de trànsit del pols.(J) Comparació d'AIx i PWV de turmell braquial (BAPWV) entre sans i CAD.*P <0,01, **P <0,001 i ***P <0,05.HTA, hipertensió;CHD, malaltia coronària;DM, diabetis mellitus.Crèdit fotogràfic: Jin Yang, Universitat de Chongqing.
Per controlar els senyals de pols de les diferents parts del cos humà, hem adjuntat les decoracions esmentades amb TATSA a les posicions corresponents: coll (Fig. 4C1), canell (Fig. 4D1), punta del dit (Fig. 4E1) i turmell (Fig. 4F1). ), tal com s'elabora a les pel·lícules S3 a S6.En medicina, hi ha tres punts característics substancials de l'ona de pols: el pic de l'ona avançada P1, el pic de l'ona reflectida P2 i el pic de l'ona dicròtica P3.Les característiques d'aquests punts característics reflecteixen l'estat de salut de l'elasticitat arterial, la resistència perifèrica i la contractilitat ventricular esquerra relacionada amb el sistema cardiovascular.Les formes d'ona de pols d'una dona de 25 anys a les quatre posicions anteriors es van adquirir i registrar a la nostra prova.Tingueu en compte que els tres punts característics distingibles (P1 a P3) es van observar a la forma d'ona del pols a les posicions del coll, el canell i la punta dels dits, tal com es mostra a la figura 4 (C2 a E2).Per contra, només P1 i P3 van aparèixer a la forma d'ona del pols a la posició del turmell, i P2 no estava present (Fig. 4F2).Aquest resultat va ser causat per la superposició de l'ona de sang entrant expulsada pel ventricle esquerre i l'ona reflectida de les extremitats inferiors (44).Estudis previs han demostrat que P2 es presenta en formes d'ona mesurades a les extremitats superiors però no al turmell (45, 46).Hem observat resultats similars en les formes d'ona mesurades amb el TATSA, tal com es mostra a la fig.S21, que mostra dades típiques de la població de 80 pacients estudiats aquí.Podem veure que P2 no apareixia en aquestes formes d'ona de pols mesurades al turmell, demostrant la capacitat del TATSA per detectar característiques subtils dins de la forma d'ona.Aquests resultats de mesura de pols indiquen que el nostre WMHMS pot revelar amb precisió les característiques de l'ona de pols de la part superior i inferior del cos i que és superior a altres treballs (41, 47).Per indicar encara més que el nostre TATSA es pot aplicar àmpliament a diferents edats, vam mesurar formes d'ona de pols de 80 subjectes a diferents edats i vam mostrar algunes dades típiques, tal com es mostra a la fig.S22.Com es mostra a la figura 4G, vam triar tres participants de 25, 45 i 65 anys, i els tres punts característics eren evidents per als participants joves i de mitjana edat.Segons la literatura mèdica (48), les característiques de les formes d'ona de pols de la majoria de les persones canvien a mesura que envelleixen, com ara la desaparició del punt P2, que és causada per l'ona reflectida avançada per sobreposar-se a l'ona que avança mitjançant la disminució de elasticitat vascular.Aquest fenomen també es reflecteix en les formes d'ona que hem recollit, comprovant encara més que el TATSA es pot aplicar a diferents poblacions.
La forma d'ona del pols es veu afectada no només per l'estat fisiològic de l'individu sinó també per les condicions de prova.Per tant, vam mesurar els senyals de pols sota diferents estanquitats de contacte entre el TATSA i la pell (fig. S23) i diverses posicions de detecció al lloc de mesura (fig. S24).Es pot trobar que el TATSA pot obtenir formes d'ona de pols consistents amb informació detallada al voltant del vaixell en una gran àrea de detecció efectiva al lloc de mesura.A més, hi ha senyals de sortida diferents sota una estanquitat de contacte diferent entre el TATSA i la pell.A més, el moviment de les persones que porten els sensors afectaria els senyals de pols.Quan el canell del subjecte es troba en una condició estàtica, l'amplitud de la forma d'ona de pols obtinguda és estable (fig. S25A);per contra, quan el canell es mou lentament en un angle de -70° a 70° durant 30 s, l'amplitud de la forma d'ona del pols fluctuarà (fig. S25B).Tanmateix, el contorn de cada forma d'ona de pols és visible i la freqüència del pols encara es pot obtenir amb precisió.Òbviament, per aconseguir una adquisició estable d'ones de pols en el moviment humà, cal investigar més treball, inclòs el disseny del sensor i el processament del senyal de fons.
A més, per analitzar i avaluar quantitativament l'estat del sistema cardiovascular mitjançant les formes d'ona de pols adquirides mitjançant el nostre TATSA, vam introduir dos paràmetres hemodinàmics segons l'especificació d'avaluació del sistema cardiovascular, és a dir, l'índex d'augment (AIx) i la velocitat de l'ona de pols. (PWV), que representen l'elasticitat de les artèries.Com es mostra a la figura 4H, es va utilitzar la forma d'ona del pols a la posició del canell de l'home sa de 25 anys per a l'anàlisi de l'AIx.Segons la fórmula (apartat S1), es va obtenir AIx = 60%, que és un valor normal.Aleshores, vam recollir simultàniament dues formes d'ona de pols a les posicions del braç i el turmell d'aquest participant (el mètode detallat de mesura de la forma d'ona de pols es descriu a Materials i mètodes).Com es mostra a la figura 4I, els punts característics de les dues formes d'ona de pols eren diferents.Després vam calcular el PWV segons la fórmula (secció S1).Es va obtenir PWV = 1363 cm/s, que és un valor característic esperat d'un mascle adult sa.D'altra banda, podem veure que la mètrica d'AIx o PWV no es veu afectada per la diferència d'amplitud de la forma d'ona del pols, i els valors d'AIx en diferents parts del cos són diversos.En el nostre estudi, es va utilitzar l'AIx radial.Per verificar l'aplicabilitat del WMHMS en diferents persones, vam seleccionar 20 participants en el grup sans, 20 en el grup hipertensió (HTN), 20 en el grup de malalties coronàries (CHD) d'edats compreses entre els 50 i els 59 anys i 20 en el grup. grup de diabetis mellitus (DM).Hem mesurat les seves ones de pols i hem comparat els seus dos paràmetres, AIx i PWV, tal com es presenta a la figura 4J.Es pot trobar que els valors de PWV dels grups HTN, CHD i DM eren més baixos en comparació amb els del grup sans i tenen una diferència estadística (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 i PDM ≪ 0,001; els valors de P es van calcular per t prova).Mentrestant, els valors AIx dels grups HTN i CHD van ser més baixos en comparació amb el grup sa i tenen diferència estadística (PHTN <0,01, PCHD <0,001 i PDM <0,05).El PWV i AIx dels participants amb CHD, HTN o DM eren més alts que els del grup sans.Els resultats mostren que el TATSA és capaç d'obtenir amb precisió la forma d'ona del pols per calcular el paràmetre cardiovascular per avaluar l'estat de salut cardiovascular.En conclusió, a causa de les seves característiques sense fil, d'alta resolució i d'alta sensibilitat i comoditat, el WMHMS basat en el TATSA ofereix una alternativa més eficient per al monitoratge en temps real que els costosos equips mèdics actuals utilitzats als hospitals.
A part de l'ona de pols, la informació respiratòria també és un signe vital principal per ajudar a avaluar la condició física d'un individu.El seguiment de la respiració basat en el nostre TATSA és més atractiu que la polisomnografia convencional perquè es pot integrar perfectament a la roba per a una millor comoditat.Cosida a una corretja de pit elàstica blanca, la TATSA estava directament lligada al cos humà i fixada al voltant del pit per controlar la respiració (Fig. 5A i pel·lícula S7).El TATSA es va deformar amb l'expansió i la contracció de la caixa toràcica, donant lloc a una sortida elèctrica.La forma d'ona adquirida es verifica a la figura 5B.El senyal amb grans fluctuacions (una amplitud d'1,8 V) i canvis periòdics (una freqüència de 0,5 Hz) corresponia al moviment respiratori.El senyal de fluctuació relativament petit es va sobreposar a aquest gran senyal de fluctuació, que era el senyal del batec del cor.D'acord amb les característiques de freqüència dels senyals de respiració i batec del cor, hem utilitzat un filtre de pas baix de 0,8 Hz i un filtre de pas de banda de 0,8 a 20 Hz per separar els senyals respiratoris i del batec del cor, respectivament, tal com es mostra a la figura 5C. .En aquest cas, es van obtenir senyals respiratoris i de pols estables amb abundant informació fisiològica (com la freqüència respiratòria, la freqüència cardíaca i els punts característics de l'ona de pols) simultàniament i amb precisió simplement col·locant l'únic TATSA al pit.
(A) Fotografia que mostra la pantalla del TATSA col·locat al pit per mesurar el senyal de la pressió associada a la respiració.(B) Gràfic voltatge-temps per al TATSA muntat al pit.(C) Descomposició del senyal (B) en el batec del cor i la forma d'ona respiratòria.(D) Fotografia que mostra dos TATSA col·locats a l'abdomen i al canell per mesurar la respiració i el pols, respectivament, durant el son.(E) Senyals respiratoris i de pols d'un participant sa.HR, freqüència cardíaca;BPM, batecs per minut.(F) Senyals respiratoris i de pols d'un participant de SAS.(G) Senyal respiratori i PTT d'un participant sa.(H) Senyal respiratori i PTT d'un participant de SAS.(I) Relació entre l'índex d'excitació PTT i l'índex d'apnea-hipopnea (AHI).Crèdit fotogràfic: Wenjing Fan, Universitat de Chongqing.
Per demostrar que el nostre sensor pot controlar amb precisió i fiabilitat els senyals de pols i respiratoris, vam realitzar un experiment per comparar els resultats de la mesura dels senyals de pols i respiració entre els nostres TATSA i un instrument mèdic estàndard (MHM-6000B), tal com s'elabora a les pel·lícules S8. i S9.En la mesura de l'ona de pols, el sensor fotoelèctric de l'instrument mèdic es portava al dit índex esquerre d'una noia jove i, mentrestant, el nostre TATSA es portava al dit índex dret.A partir de les dues formes d'ona de pols adquirides, podem veure que els seus contorns i detalls eren idèntics, cosa que indica que el pols mesurat pel TATSA és tan precís com el de l'instrument mèdic.En la mesura de les ones respiratòries, es van connectar cinc elèctrodes electrocardiogràfics a cinc zones del cos d'un jove segons les instruccions mèdiques.En canvi, només un TATSA estava lligat directament al cos i assegurat al voltant del pit.A partir dels senyals respiratoris recollits, es pot veure que la tendència i la velocitat de variació del senyal de respiració detectat pel nostre TATSA eren coherents amb els de l'instrument mèdic.Aquests dos experiments de comparació van validar la precisió, la fiabilitat i la simplicitat del nostre sistema de sensors per controlar els senyals de pols i respiracions.
A més, vam fabricar una peça de roba intel·ligent i vam cosir dos TATSA a les posicions de l'abdomen i del canell per controlar els senyals respiratoris i de pols, respectivament.Concretament, es va utilitzar un WMHMS de doble canal desenvolupat per capturar el pols i els senyals respiratoris simultàniament.Mitjançant aquest sistema, vam obtenir els senyals respiratoris i de pols d'un home de 25 anys vestit amb la nostra roba intel·ligent mentre dormia (fig. 5D i pel·lícula S10) i assegut (fig. S26 i pel·lícula S11).Els senyals respiratoris i de pols adquirits es podrien transmetre sense fil a l'APP del telèfon mòbil.Com s'ha esmentat anteriorment, el TATSA té la capacitat de capturar senyals respiratoris i de pols.Aquests dos senyals fisiològics també són els criteris per estimar mèdicament el SAS.Per tant, el nostre TATSA també es pot utilitzar per controlar i avaluar la qualitat del son i els trastorns del son relacionats.Com es mostra a la figura 5 (E i F, respectivament), vam mesurar contínuament les formes d'ona de pols i respiratòries de dos participants, un sa i un pacient amb SAS.Per a la persona sense apnea, les freqüències respiratòries i pols mesurades es van mantenir estables a 15 i 70, respectivament.Per al pacient amb SAS, es va observar una apnea diferent durant 24 s, que és una indicació d'un esdeveniment respiratori obstructiu, i la freqüència cardíaca va augmentar lleugerament després d'un període d'apnea a causa de la regulació del sistema nerviós (49).En resum, l'estat respiratori pot ser avaluat pel nostre TATSA.
Per avaluar encara més el tipus de SAS mitjançant senyals de pols i respiracions, es va analitzar el temps de trànsit del pols (PTT), un indicador no invasiu que reflecteix els canvis en la resistència vascular perifèrica i la pressió intratoràcica (definida a la secció S1) d'un home sa i un pacient amb SAS.Per al participant sa, la freqüència respiratòria es va mantenir sense canvis i el PTT va ser relativament estable de 180 a 310 ms (Fig. 5G).Tanmateix, per al participant SAS, el PTT va augmentar contínuament de 120 a 310 ms durant l'apnea (Fig. 5H).Així, al participant se li va diagnosticar SAS obstructiva (SAOS).Si el canvi en el PTT disminuís durant l'apnea, llavors la condició es determinaria com a síndrome d'apnea central del son (CSAS) i si aquests dos símptomes existissin simultàniament, es diagnosticaria com un SAS mixt (MSAS).Per avaluar la gravetat del SAS, vam analitzar més els senyals recollits.L'índex d'excitació PTT, que és el nombre d'excitacions PTT per hora (l'excitació PTT es defineix com una caiguda del PTT de ≥15 ms que dura ≥3 s), juga un paper vital a l'hora d'avaluar el grau de SAS.L'índex d'apnea-hipopnea (AHI) és un estàndard per determinar el grau de SAS (l'apnea és el cessament de la respiració i la hipopnea és una respiració massa superficial o una freqüència respiratòria anormalment baixa), que es defineix com el nombre d'apnees i hipopnea per cada hora mentre dorm (la relació entre l'AHI i els criteris de qualificació del SAOS es mostra a la taula S2).Per investigar la relació entre l'AHI i l'índex d'excitació PTT, es van seleccionar i analitzar els senyals respiratoris de 20 pacients amb SAS amb TATSA.Com es mostra a la figura 5I, l'índex d'excitació del PTT es correlaciona positivament amb l'AHI, ja que l'apnea i la hipopnea durant el son provoquen l'elevació òbvia i transitòria de la pressió arterial, donant lloc a la disminució del PTT.Per tant, el nostre TATSA pot obtenir pols i senyals respiratoris estables i precisos simultàniament, proporcionant així informació fisiològica important sobre el sistema cardiovascular i SAS per al seguiment i avaluació de malalties relacionades.
En resum, hem desenvolupat un TATSA utilitzant la puntada completa del cardigan per detectar diferents senyals fisiològics simultàniament.Aquest sensor presentava una alta sensibilitat de 7,84 mV Pa−1, un temps de resposta ràpid de 20 ms, una alta estabilitat de més de 100.000 cicles i una àmplia amplada de banda de freqüència de treball.Sobre la base del TATSA, també es va desenvolupar un WMHMS per transmetre els paràmetres fisiològics mesurats a un telèfon mòbil.TATSA es pot incorporar a diferents llocs de roba per al disseny estètic i s'utilitza per controlar simultàniament el pols i els senyals respiratoris en temps real.El sistema es pot aplicar per ajudar a distingir entre individus sans i aquells amb CAD o SAS a causa de la seva capacitat per capturar informació detallada.Aquest estudi va proporcionar un enfocament còmode, eficient i fàcil d'utilitzar per mesurar el pols i la respiració humans, cosa que representa un avenç en el desenvolupament de l'electrònica tèxtil portàtil.
L'acer inoxidable es va passar repetidament pel motlle i es va estirar per formar una fibra amb un diàmetre de 10 μm.Es va inserir una fibra d'acer inoxidable com a elèctrode en diverses peces de fils comercials de terileno d'una sola capa.
Es va utilitzar un generador de funcions (Stanford DS345) i un amplificador (LabworkPa-13) per proporcionar un senyal de pressió sinusoïdal.Es va utilitzar un sensor de força de doble rang (Vernier Software & Technology LLC) per mesurar la pressió externa aplicada al TATSA.Es va utilitzar un electròmetre del sistema Keithley (Keithley 6514) per controlar i registrar la tensió i el corrent de sortida del TATSA.
Segons el mètode de prova AATCC 135-2017, vam utilitzar el TATSA i prou llast com a càrrega d'1,8 kg i després els vam posar en una rentadora comercial (Labtex LBT-M6T) per realitzar cicles delicats de rentat de màquina.A continuació, vam omplir la rentadora amb 18 galons d'aigua a 25 °C i vam configurar la rentadora pel cicle i el temps de rentat seleccionats (velocitat d'agitació, 119 cops per minut; temps de rentat, 6 min; velocitat final de centrifugació, 430 rpm; final). temps de centrifugació, 3 min).Finalment, el TATSA es va penjar sec en aire tranquil a una temperatura ambient no superior a 26 °C.
Es va indicar als subjectes que estiguessin en posició supina al llit.El TATSA es va col·locar als llocs de mesura.Un cop els subjectes estaven en posició supina estàndard, van mantenir un estat completament relaxat durant 5 a 10 minuts.Aleshores, el senyal de pols va començar a mesurar.
El material suplementari d'aquest article està disponible a https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Fig. S9.Resultat de la simulació de la distribució de la força d'un TATSA sota pressions aplicades a 0,2 kPa mitjançant el programari COMSOL.
Fig. S10.Resultats de la simulació de la distribució de forces d'una unitat de contacte sota les pressions aplicades a 0,2 i 2 kPa, respectivament.
Fig. S11.Il·lustracions esquemàtiques completes de la transferència de càrrega d'una unitat de contacte en condicions de curtcircuit.
Fig. S13.Tensió i corrent de sortida continus de TATSA en resposta a la pressió externa aplicada contínuament en un cicle de mesura.
Fig. S14.Resposta de tensió a diversos nombres d'unitats de bucle a la mateixa àrea de teixit quan es manté el número de bucle en la direcció de la galera sense canvis.
Fig. S15.Una comparació entre els rendiments de sortida dels dos sensors tèxtils utilitzant la puntada de cardigan completa i la puntada plana.
Fig. S16.Gràfics que mostren les respostes de freqüència a la pressió dinàmica d'1 kPa i la freqüència d'entrada de pressió de 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 i 20 Hz.
Fig. S25.Les tensions de sortida del sensor quan el subjecte es trobava en condicions estàtiques i de moviment.
Fig. S26.Fotografia que mostra els TATSA col·locats a l'abdomen i al canell simultàniament per mesurar la respiració i el pols, respectivament.
Aquest és un article d'accés obert distribuït sota els termes de la llicència Reconeixement-NoComercial de Creative Commons, que permet l'ús, la distribució i la reproducció en qualsevol mitjà, sempre que l'ús resultant no sigui per a un avantatge comercial i sempre que l'obra original sigui correctament. citat.
NOTA: Només demanem la vostra adreça de correu electrònic perquè la persona a qui recomaneu la pàgina sàpiga que volíeu que la vegi i que no és correu brossa.No capturem cap adreça de correu electrònic.
Per Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
S'ha desenvolupat un sensor triboelèctric totalment tèxtil amb alta sensibilitat a la pressió i comoditat per al control de la salut.
Per Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
S'ha desenvolupat un sensor triboelèctric totalment tèxtil amb alta sensibilitat a la pressió i comoditat per al control de la salut.
© 2020 Associació Americana per a l'Avenç de la Ciència.Tots els drets reservats.AAAS és soci de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef i COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Hora de publicació: 27-mar-2020