L'elettronica tessili indossabile hè assai desiderata per a realizazione di una gestione di salute persunalizata.In ogni casu, a maiò parte di l'elettronica tessili rappurtata pò sia puntualmente mira à un unicu signalu fisiologicu o mancate i dettagli espliciti di i segnali, purtendu à una valutazione parziale di a salute.Inoltre, i tessili cù una pruprietà eccellente è cunfortu restanu sempre una sfida.Eccu, rappurtamu una matrice di sensori triboelettrici all-tessile cù sensibilità è cunfortu à alta pressione.Mostra a sensibilità à a pressione (7,84 mV Pa-1), u tempu di risposta veloce (20 ms), a stabilità (> 100.000 cicli), a larghezza di banda di frequenza di travagliu larga (finu à 20 Hz), è a lavabilità in lavatrice (> 40 lavaggi).I TATSA fabbricati sò stati cuciti in diverse parti di vestiti per monitorizà simultaneamente l'onda di pulsazioni arteriale è i segnali respiratorii.Avemu sviluppatu ancu un sistema di monitoraghju di a salute per a valutazione à longu andà è non invasive di e malatie cardiovascular è u sindromu di l'apnea di u sonnu, chì mostra un grande avanzamentu per l'analisi quantitativa di alcune malatie croniche.
L'elettronica portabile rapprisenta una opportunità fascinante per via di e so applicazioni promettenti in a medicina persunalizata.Puderanu monitorà u statu di salute di l'individuu in modu cuntinuu, in tempu reale è micca invasivu (1-11).U pulsu è a respirazione, cum'è dui cumpunenti indispensabili di i segni vitali, ponu furnisce una valutazione precisa di u statu fisiulogicu è insights notevuli in u diagnosticu è u pronostico di e malatie relative (12-21).A data, a maiò parte di l'elettronica wearable per a rilevazione di segnali fisiologichi sottili sò basati nantu à sustrati ultrathin, cum'è polietilene tereftalato, polidimetilsiloxano, poliimide, vetru è silicone (22-26).Un inconveniente di questi sustrati per l'usu nantu à a pelle si trova nantu à i so formati planari è rigidi.In u risultatu, cintes, Band-Aids, o altri attrezzi meccanichi sò necessarii per stabilisce un cuntattu compactu trà l'elettronica wearable è a pelle umana, chì pò causà irritazione è inconvenienza durante i periodi d'usu estensi (27, 28).Inoltre, questi sustrati anu poca permeabilità di l'aria, chì risultanu in discomfort quandu s'utilice per un seguimentu di salute cuntinuu à longu andà.Per allevà i prublemi citati in l'assistenza sanitaria, in particulare in l'usu di ogni ghjornu, i tessili intelligenti offrenu una soluzione affidabile.Questi tessili anu e caratteristiche di dolcezza, pesu ligeru è transpirabilità è, cusì, u putenziale di realizà cunfortu in l'elettronica wearable.Nta l'ultimi anni, sforzi intensivi sò stati dedicati à sviluppà sistemi basati in tessili in sensori sensittivi, cugliera di energia è almacenamiento (29-39).In particulare, a ricerca riescita hè stata rappurtata nantu à a fibra ottica, a piezoelectricità è i tessili intelligenti basati in resistività applicati in u monitoraghju di i segnali di pulsi è respiratorii (40-43).Tuttavia, sti tessili intelligenti sò tipicamente bassu sensibilità è un paràmetru di monitoraghju unicu è ùn ponu micca esse fabbricati à grande scala (tavula S1).In u casu di a misurazione di l'impulsu, l'infurmazioni detallati sò difficiuli di catturà per via di a fluttuazione debole è rapida di u pulse (per esempiu, i so punti di caratteristiche), è cusì, una alta sensibilità è un rendimentu di risposta di frequenza adatta sò necessarii.
In questu studiu, introducemu una matrice di sensori triboelettrici all-textile (TATSA) cun alta sensibilità per a cattura di pressione sottile epidermica, magliata cù filati conduttivi è nylon in un puntu di cardigan pienu.U TATSA pò furnisce sensibilità à alta pressione (7,84 mV Pa−1), tempu di risposta veloce (20 ms), stabilità (> 100.000 cicli), larghezza di banda larga di frequenza di travagliu (finu à 20 Hz), è lavabilità in lavatrice (> 40 lavaggi).Hè capace di integrà si cunvene in vestiti cun discrezione, cunfortu è appellu esteticu.In particulare, u nostru TATSA pò esse incorpore direttamente in diversi siti di u tessulu chì currispondenu à l'onda di pulsazione à u collu, u polsu, a punta di i dita, è e pusizioni di l'ankle è à l'onda respiratorie in l'abdomen è u pettu.Per valutà l'eccellente prestazione di TATSA in u monitoraghju di a salute in tempu reale è remota, sviluppemu un sistema di monitoraghju di salute intelligente persunalizatu per acquistà è salvà continuamente segnali fisiologichi per l'analisi di e malatie cardiovascular (CAD) è a valutazione di u sindromu di l'apnea di u sonnu (SAS). ).
Cum'è illustratu in Fig. 1A, dui TATSA sò stati stitched in u cuff è u pettu di una cammisa per attivà a monitorizazione dinamica è simultanea di u pulsu è i signali respiratorii, rispettivamente.Questi signali fisiologichi sò stati trasmessi in wireless à l'applicazione di terminal mobile intelligente (APP) per più analisi di u statu di salute.A figura 1B mostra a TATSA cucita in un pezzu di tela, è l'inseritu mostra a vista allargata di u TATSA, chì hè stata tricotata cù u filatu conduttivu caratteristicu è u filatu di nylon cummerciale inseme in un puntu di cardigan pienu.In cunfrontu cù a puntata pianura fundamentale, u metudu di tricot più cumuni è basicu, u puntu di cardigan pienu hè statu sceltu perchè u cuntattu trà u capu di loop di u filatu conduttivu è a testa di puntata adiacente di u filatu di nylon (fig. S1) hè una superficia. piuttostu cà un puntu di cuntattu, purtendu à un spaziu più grande agisce per altu effettu triboelectric.Per preparà u filatu cunduttivu, avemu sceltu l'acciaio inossidabile cum'è a fibra di u core fissu, è parechji pezzi di filati di Terylene d'una sola capa sò stati torciati intornu à a fibra di u core in un filatu cunduttivu cù un diametru di 0,2 mm (fig. S2), chì serve com'è. tramindui a superficia di l'elettrificazione è l'elettrodu cunduttore.U filatu di nylon, chì hà avutu un diametru di 0,15 mm è sirvutu com'è una altra superficia di l'electrificazione, hà avutu una forza di tensione forte perchè era torciata da filati incomputable (fig. S3).A Figura 1 (C è D, rispettivamente) mostra e fotografie di u filatu conduttivu fabbricatu è u filatu di nylon.L'inseriti mostranu e so rispittive imagine di microscopia elettronica à scanning (SEM), chì presentanu una sezione trasversale tipica di u filatu conduttivu è a superficia di u filatu di nylon.L'alta forza di trazione di i filati conduttivi è di nylon hà assicuratu a so capacità di tessitura in una macchina industriale per mantene una prestazione uniforme di tutti i sensori.Cum'è mostra in Fig. 1E, i filati cunduttivi, i filati di nylon, è i filamenti ordinali sò stati feriti nantu à i so cuni rispettivi, chì sò stati caricati nantu à a macchina industriale di maglia piatta computerizzata per u tissutu automaticu (film S1).Comu mostra in fig.S4, parechji TATSA sò stati magliati inseme cù tela ordinariu cù a macchina industriale.Una sola TATSA cù un grossu di 0,85 mm è un pesu di 0,28 g puderia esse adattatu da tutta a struttura per l'usu individuale, chì mostra a so cumpatibilità eccellente cù altri panni.Inoltre, TATSAs puderia esse designatu in parechji culori per risponde à e esigenze estetiche è di moda per via di a diversità di filati di nylon cummerciale (Fig. 1F è fig. S5).I TATSA fabbricati anu una dolcezza eccellente è a capacità di sustene a curvatura dura o deformazione (fig. S6).A figura 1G mostra a TATSA stitched direttamente in l'abdomen è u bracciu di un sweater.U prucessu di tricotà u sweater hè mostratu in a fig.S7 è filmu S2.I ditaglii di a parte frontale è posteriore di u TATSA allungatu in a pusizione di l'abdomen sò mostrati in a fig.S8 (A è B, rispettivamente), è a pusizione di filatu conduttivu è filatu di nylon hè illustrata in fig.S8C.Pò esse vistu quì chì u TATSA pò esse incrustatu in tessili ordinali senza saldatura per un aspettu discretu è intelligente.
(A) Dui TATSA integrati in una cammisa per u monitoraghju di i segnali di pulsi è respiratorii in tempu reale.(B) Illustrazione schematica di a cumminazzioni di TATSA è vestiti.L'inseritu mostra a vista allargata di u sensoru.(C) Fotografia di u filatu conduttivu (scala bar, 4 cm).L'inseritu hè l'imaghjini SEM di a seccione trasversale di u filatu conduttivu (scala bar, 100 μm), chì si compone di filati d'acciaio inox è Terylene.(D) Fotografia di u filatu di nylon (scala bar, 4 cm).L'inseritu hè l'imaghjini SEM di a superficia di filatu di nylon (scala bar, 100 μm).(E) Image di a macchina di maglieria piatta computerizzata chì esegue a tessitura automatica di i TATSA.(F) Fotografia di TATSA in diversi culori (scala bar, 2 cm).L'inseritu hè u TATSA torciatu, chì dimostra a so eccellente dolcezza.(G) Fotografia di dui TATSA cuciti cumpletamente è senza cuciture in un maglione.Creditu di foto: Wenjing Fan, Università Chongqing.
Per analizà u mecanismu di travagliu di u TATSA, cumprese e so proprietà meccaniche è elettriche, avemu custruitu un mudellu di maglia geomètrica di u TATSA, cum'è mostra in Fig. 2A.Utilizendu a puntata di cardigan piena, i filati conduttivi è di nylon sò intrecciati in forme di unità di loop in a direzzione di u cursu è di u corsu.Una sola struttura di loop (fig. S1) hè custituita da un capu di loop, loop arm, parte di rib-crossing, tuck stitch arm, è tuck stitch head.Dui formi di a superficia di cuntattu trà i dui filati diffirenti ponu esse truvati: (i) a superficia di cuntattu trà a testa di loop di u filatu conduttivu è a testa di tuck stitch di u filatu di nylon è (ii) a superficia di cuntattu trà a testa di loop di u filatu. u filatu di nylon è a testa di puntata di u filatu conduttivu.
(A) U TATSA cù i lati frontali, dritti è superiori di i loops di maglia.(B) Risultu di simulazione di a distribuzione di forza di un TATSA sottu una pressione applicata di 2 kPa cù u software COMSOL.(C) Illustrazioni schematiche di u trasferimentu di carica di una unità di cuntattu in cundizioni di cortu-circuit.(D) Risultati di simulazione di a distribuzione di carica di una unità di cuntattu in una cundizione di circuitu apertu cù u software COMSOL.
U principiu di travagliu di u TATSA pò esse spiegatu in dui aspetti: stimulazione di forza esterna è a so carica indutta.Per capisce intuitivamente a distribuzione di l'estressi in risposta à stimulus di forza esterna, avemu usatu analisi di elementi finiti cù u software COMSOL à e diverse forze esterne di 2 è 0.2 kPa, cum'è rispettivamente mostratu in Fig. 2B è fig.S9.U stress apparisce nantu à e superfici di cuntattu di dui filati.Comu mostra in fig.S10, avemu cunsideratu duie unità di loop per chjarificà a distribuzione di stress.In paragunà a distribuzione di stress sottu duie forze esterne diverse, u stress nantu à a superficia di i filati conduttivi è di nylon aumenta cù a forza esterna aumentata, risultatu in u cuntattu è l'estrusione trà i dui filati.Quandu a forza esterna hè liberata, i dui filati si separanu è si alluntananu l'un l'altru.
I muvimenti di separazione di cuntattu trà u filatu conduttivu è u filatu di nylon induce u trasferimentu di carica, chì hè attribuita à a cunghjunzione di triboelectrification è induzione elettrostatica.Per clarificà u prucessu di generazione di l'electricità, analizemu a seccione trasversale di l'area induve i dui filati sò in cuntattu cù l'altri (Fig. 2C1).Comu dimustratu in Fig. 2 (C2 è C3, rispettivamente), quandu u TATSA hè stimulatu da a forza esterna è i dui filati in cuntattu cù l'altri, l'elettrificazione si trova nantu à a superficia di i filati conduttivi è di nylon, è i carichi equivalenti cù u cuntrariu. polarità sò generati nantu à a superficia di i dui filati.Una volta chì i dui filati si separanu, carichi pusitivi sò indotti in l'acciaio inox internu per via di l'effettu di induzione elettrostatica.U schema cumpletu hè mostratu in a fig.S11.Per acquistà una cunniscenza più quantitativa di u prucessu di generazione di l'electricità, avemu simulatu a distribuzione potenziale di u TATSA cù u software COMSOL (Fig. 2D).Quandu i dui materiali sò in cuntattu, a carica principarmenti cullighja nantu à u materiale di attritu, è solu una piccula quantità di carica induva hè prisente nantu à l'elettrodu, risultatu in u picculu putenziale (Fig. 2D, fondu).Quandu i dui materiali sò siparati (Fig. 2D, cima), a carica induva nantu à l'elettrodu aumenta per via di a diffarenza potenziale, è u potenziale currispundente aumenta, chì palesa un bonu accordu trà i risultati ottenuti da l'esperimenti è quelli da i simulazioni. .Inoltre, postu chì l'elettrodu di cunduttore di u TATSA hè impannillatu in filati di Terylene è a pelle hè in cuntattu cù i dui materiali di frizione, per quessa, quandu u TATSA hè purtatu direttamente à a pelle, a carica dipende da a forza esterna è ùn sarà micca. esse debilitatu da a pelle.
Per caratterizà u funziunamentu di u nostru TATSA in parechji aspetti, avemu furnitu un sistema di misurazione chì cuntene un generatore di funzioni, un amplificatore di putenza, un agitatore elettrodinamicu, un calibre di forza, un elettrometru è un computer (fig. S12).Stu sistema genera una pressione dinamica esterna finu à 7 kPa.In l'esperimentu, u TATSA hè stata postu nantu à una foglia di plastica plana in un statu liberu, è i signali elettrici di output sò registrati da l'elettrometru.
E specificazioni di i filati conduttivi è di nylon affettanu a prestazione di output di TATSA perchè determinanu a superficia di cuntattu è a capacità per percive a pressione esterna.Per investigà questu, avemu fattu trè dimensioni di i dui filati, rispettivamente: filatu conduttivu cù una dimensione di 150D/3, 210D/3 è 250D/3 è filatu di nylon cù una dimensione di 150D/6, 210D/6 è 250D. /6 (D, denier; una unità di misura utilizata per determinà u gruixu di fibra di i fili individuali; i tessuti cù un altu denier count tendenu à esse grossi).Allora, avemu sceltu sti dui filati cù diverse dimensioni per triglielli in un sensoru, è a dimensione di u TATSA hè stata guardata à 3 cm da 3 cm cù u numaru di loop di 16 in a direzzione di u Wale è 10 in a direzzione di u cursu.Cusì, i sensori cù novi mudelli di maglia sò stati ottenuti.U sensoru da u filatu conduttivu cù a dimensione di 150D/3 è u filatu di nylon cù a dimensione di 150D/6 era u più sottile, è u sensoru da u filatu conduttivu cù a dimensione di 250D/3 è u filatu di nylon cù a dimensione di 250D/ 6 era u più grossu.Sutta una excitazione meccanica di 0,1 à 7 kPa, i risultati elettrici per questi mudelli sò stati sistematicamente investigati è pruvati, cum'è mostra in Fig. 3A.I tensioni di output di i nove TATSA anu aumentatu cù a pressione aumentata applicata, da 0,1 à 4 kPa.In particulare, di tutti i mudelli di maglieria, a specificazione di u filatu conduttivu 210D/3 è u filatu di nylon 210D/6 hà furnitu a più alta pruduzzione elettrica è esibì a più alta sensibilità.A tensione di output hà dimustratu una tendenza crescente cù l'aumentu di u grossu di u TATSA (per via di a superficia di cuntattu suffirenziu) finu à chì u TATSA hè stata magliata cù u filatu conduttivu 210D/3 è u filatu di nylon 210D/6.Cume l'aumentu di u grossu portanu à l'assorbimentu di pressione esterna da i filati, a tensione di output diminuì in cunseguenza.Inoltre, hè nutatu chì in a regione di bassa pressione (<4 kPa), una variazione lineale ben cumportata in a tensione di output cù a pressione hà datu una sensibilità di pressione superiore di 7.84 mV Pa-1.In a regione d'alta pressione (> 4 kPa), una sensibilità di pressione più bassa di 0.31 mV Pa-1 hè stata osservata sperimentalmente per via di a saturazione di l'area di attritu efficace.Una sensibilità di pressione simili hè stata dimustrata durante u prucessu oppostu di applicà a forza.I profili di u tempu concretu di a tensione di output è u currente sottu diverse pressioni sò prisentati in a fig.S13 (A è B, rispettivamente).
(A) Tensione di output sottu nove mudelli di maglia di u filatu conduttivu (150D/3, 210D/3 è 250D/3) cumminati cù u filatu di nylon (150D/6, 210D/6 è 250D/6).(B) Risposta di tensione à parechji numeri di unità di loop in a listessa zona di tela quandu mantene u numeru di loop in a direzzione di Wale invariable.(C) Plots chì mostranu e risposte di frequenza sottu una pressione dinamica di 1 kPa è una frequenza di input di pressione di 1 Hz.(D) Different output and current voltages sottu à e frequenze di 1, 5, 10 è 20 Hz.(E) Test de durabilité d'un TATSA sous une pression de 1 kPa.(F) E caratteristiche di u TATSA dopu à lavà 20 è 40 volte.
A sensibilità è a tensione di output sò ancu influinzati da a densità di puntata di u TATSA, chì era determinata da u numeru tutale di loops in una zona misurata di tela.Un aumentu di a densità di stitch porta à a più grande compattezza di a struttura di tela.A figura 3B mostra e prestazioni di output sottu diverse numeri di loop in l'area tessili di 3 cm per 3 cm, è l'inseritu illustra a struttura di una unità di loop (avemu mantene u numeru di loop in a direzzione di u cursu à 10, è u numeru di loop in u 10). a direzione di Wale era 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 è 26).Aumentendu u numeru di loop, a tensione di output prima mostrava una tendenza crescente per via di a superficia di cuntattu crescente, finu à u piccu massimu di tensione di output di 7,5 V cù un numaru di loop di 180. Dopu questu puntu, a tensione di output seguita una tendenza decrescente perchè u TATSA hè diventatu strettu, è i dui filati avianu un spaziu di separazione di cuntattu ridutta.Per scopre in quale direzzione a densità hà un grande impattu nantu à a pruduzzione, mantenemu u numeru di loop di TATSA in a direzzione di u Wale à 18, è u numeru di loop in a direzzione di u corsu hè stata stabilita per esse 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 è 14. I voltages di output currispundenti sò mostrati in a fig.S14.In paragone, pudemu vede chì a densità in a direzzione di u corsu hà una influenza maiò nantu à a tensione di output.In u risultatu, u mudellu di maglia di u filatu conduttivu 210D/3 è u filatu di nylon 210D/6 è l'unità di loop 180 sò stati scelti per maglia u TATSA dopu valutazioni cumpletu di e caratteristiche di output.Inoltre, avemu paragunatu i segnali di output di dui sensori tessili utilizendu u puntu di cardigan pienu è u puntu pianu.Comu mostra in fig.S15, a pruduzzione elettrica è a sensibilità cù u puntu di cardigan pienu sò assai più altu ch'è quelli chì utilizanu un puntu pianu.
U tempu di risposta per monitorà i signali in tempu reale hè statu misuratu.Per esaminà u tempu di risposta di u nostru sensoru à e forze esterne, avemu paragunatu i signali di tensione di output cù l'inputs di pressione dinamica à una freccia di 1 à 20 Hz (Fig. 3C è fig. S16, rispettivament).E forme d'onda di tensione di output eranu quasi identiche à l'onda di pressione sinusoidale di input sottu una pressione di 1 kPa, è e forme d'onda di output avianu un tempu di risposta veloce (circa 20 ms).Questa histeresi pò esse attribuita à a struttura elastica chì ùn hà micca tornatu à u statu originale u più prestu pussibule dopu avè ricivutu a forza esterna.Tuttavia, sta piccula isteresi hè accettata per u monitoraghju in tempu reale.Per ottene a pressione dinamica cù una certa gamma di freccia, una risposta di frequenza adatta di TATSA hè prevista.Cusì, a freccia caratteristica di TATSA hè stata ancu pruvata.Aumentendu a freccia eccitante esterna, l'amplitude di a tensione di output restava quasi inalterata, mentri l'amplitude di u currente cresce quandu e frequenze di tapping variavanu da 1 à 20 Hz (Fig. 3D).
Per valutà a ripetibilità, a stabilità è a durabilità di u TATSA, avemu pruvatu a tensione di output è e risposti currente à i cicli di carica-scaricamentu di pressione.Una pressione di 1 kPa cù una freccia di 5 Hz hè stata applicata à u sensoru.A tensione è u currenti piccu-à-piccu sò stati arregistrati dopu à 100 000 cicli di carica-scaricamentu (Fig. 3E è fig. S17, rispettivament).I veduti allargati di a tensione è a forma d'onda attuale sò mostrati in l'inseritu di Fig. 3E è fig.S17, rispettivamente.I risultati revelanu a ripetibilità, stabilità è durabilità notevuli di u TATSA.Lavabilità hè ancu un criteriu di valutazione essenziale di u TATSA cum'è un dispositivu tuttu tessili.Per valutà a capacità di lavare, avemu pruvatu a tensione di output di u sensoru dopu avè lavatu in macchina u TATSA secondu l'Associazione Americana di Chemists and Colorists Textile (AATCC) Test Method 135-2017.A prucedura di lavaggio dettagliata hè descritta in Materiali è Metudi.Cum'è mostra in Fig. 3F, i outputs elettrichi sò stati arregistrati dopu à lavà 20 volte è 40 volte, chì dimustrava chì ùn ci era micca cambiamenti distinti di a tensione di output in tuttu i testi di lavare.Questi risultati verificanu a notevole lavabilità di u TATSA.Cum'è un sensoru di tessili wearable, avemu ancu scupertu u rendiment di output quandu u TATSA era in tensile (fig. S18), torcia (fig. S19), è diverse umidità (fig. S20).
In basa di i numerosi vantaghji di u TATSA dimustratu sopra, avemu sviluppatu un sistema di monitoraghju di a salute mobile wireless (WMHMS), chì hà a capacità di acquistà continuamente signali fisiologichi è poi dà cunsiglii prufessiunali per un paziente.A Figura 4A mostra u schema schema di u WMHMS basatu annantu à TATSA.U sistema hà quattru cumpunenti: u TATSA per acquistà i signali fisiologichi analogichi, un circuitu di cundizzioni analogicu cù un filtru low-pass (MAX7427) è un amplificatore (MAX4465) per assicurà abbastanza dettagli è un eccellente sincronismu di i segnali, un analogu à digitale. cunvertitore basatu annantu à una unità di microcontroller per cullà è cunvertisce i segnali analogichi in segnali digitale, è un modulu Bluetooth (chip Bluetooth CC2640 di bassa putenza) per trasmette u signale digitale à l'applicazione di terminal di telefuninu (APP; Huawei Honor 9).In questu studiu, avemu stitched the TATSA seamlessly in un lace, wristband, fingerstall, è calzino, cum'è mostra in Fig. 4B.
(A) Illustrazione di u WMHMS.(B) Fotografie di i TATSA stitched in un bracciale, fingerstall, calzini è cinturini di pettu, rispettivamente.Misurazione di u pulse à u collu (C1), (D1) polsu, (E1) punta di u dito è (F1) a caviglia.Forma d'onda di pulse à u collu (C2), (D2) polsu, (E2) punta di dita è (F2) caviglia.(G) Forme d'onda di impulsi di diverse età.(H) Analisi di una sola onda di impulsu.L'indice d'augmentation radiale (AIx) défini comme AIx (%) = P2/P1.P1 hè u piccu di l'onda chì avanza, è P2 hè u piccu di l'onda riflessa.(I) Un ciclu di pulsazioni di u brachiale è di a caviglia.A velocità di l'onda di impulsu (PWV) hè definita cum'è PWV = D/∆T.D hè a distanza trà l'ankle è u brachiale.∆T hè u ritardu di tempu trà i picchi di a caviglia è l'onda di pulsazione brachiale.PTT, tempu di transitu di l'impulsu.(J) Comparazione di AIx è brachial-ankle PWV (BAPWV) trà sani è CAD.* P < 0,01, ** P < 0,001, è *** P < 0,05.HTN, ipertensione;CHD, coronary heart disease;DM, diabete mellitus.Creditu di foto: Jin Yang, Università Chongqing.
Per monitorà i signali di pulsazioni di e diverse parti di u corpu umanu, avemu attaccatu i decoru sopra citati cù TATSA à e pusizioni currispundenti: u collu (Fig. 4C1), u polsu (Fig. 4D1), a punta di i dita (Fig. 4E1) è l'ankle (Fig. 4F1). ), cum'è elaboratu in i filmi S3 à S6.In medicina, ci sò trè punti di caratteristiche sustanziali in l'onda di impulsu: u piccu di l'onda P1 chì avanza, u piccu di l'onda riflessa P2 è u piccu di l'onda dicrotica P3.E caratteristiche di sti punti di caratteristiche riflettenu u statu di salute di l'elasticità arteriale, a resistenza perifèrica è a contractility ventricular left ligata à u sistema cardiovascular.E forme d'onda di pulsazione di una donna di 25 anni in e quattru pusizioni sopra sò state acquistate è arregistrate in a nostra prova.Innota chì i trè punti di funziunalità distinti (P1 à P3) sò stati osservati nantu à a forma d'onda di impulsu à u collu, u polsu è e pusizioni di i dita, cum'è mostra in Fig. 4 (C2 à E2).À u cuntrastu, solu P1 è P3 apparsu nantu à a forma d'onda di pulse à a pusizione di l'ankle, è P2 ùn era micca presente (Fig. 4F2).Stu risultatu hè statu causatu da a superposizione di l'onda di sangue entrante espulsa da u ventriculu manca è l'onda riflessa da i membri inferiori (44).Studi precedenti anu dimustratu chì P2 presenta in forme d'onda misurate in l'estremità superiore, ma micca in l'ankle (45, 46).Avemu osservatu risultati simili in e forme d'onda misurate cù u TATSA, cum'è mostra in a fig.S21, chì mostra dati tipici da a pupulazione di 80 pazienti studiati quì.Pudemu vede chì P2 ùn hè micca apparsu in queste forme d'onda di pulse misurate in l'ankle, dimustrendu a capacità di u TATSA per detectà caratteristiche sottili in a forma d'onda.Questi risultati di misurazione di u pulsu indicanu chì u nostru WMHMS pò revelà accuratamente e caratteristiche di l'onda di pulsazione di u corpu superiore è inferiore è chì hè superiore à l'altri travaglii (41, 47).Per indicà ancu chì a nostra TATSA pò esse largamente appiicata à e diverse età, avemu misuratu e forme d'onda di impulsi di 80 sughjetti à diverse età, è avemu dimustratu qualchi dati tipici, cum'è mostra in a fig.S22.Comu mostra in Fig. 4G, avemu sceltu trè participanti di 25, 45 è 65 anni, è i trè punti di funziunalità eranu evidenti per i participanti ghjovani è di età media.Sicondu a littiratura medica (48), e caratteristiche di e forme d'onda di pulsazioni di a maiò parte di a ghjente cambianu cum'è l'età, cum'è a sparizione di u puntu P2, chì hè causatu da l'onda riflessa avanzata per superpone à l'onda chì avanza per via di a diminuzione di elasticità vascular.Stu fenominu hè ancu riflessu in e forme d'onda chì avemu cullatu, verificate ancu chì u TATSA pò esse applicatu à e diverse populazioni.
A forma d'onda di pulse hè affettata micca solu da u statu fisiulogicu di l'individuu, ma ancu da e cundizioni di prova.Per quessa, avemu misurà i signali di pulse sottu differente tightness cuntattu trà u TATSA è a pelle (fig. S23) è diversi pusizzioni detecting à u situ di misura (fig. S24).Pò esse truvatu chì u TATSA pò ottene forme d'onda di impulsu consistente cù infurmazioni detallate intornu à u bastimentu in una grande zona di rilevazione efficace in u situ di misurazione.Inoltre, ci sò signali di output distinti sottu diverse strettezza di cuntattu trà u TATSA è a pelle.Inoltre, u muvimentu di l'individui chì portanu i sensori affettanu i signali di impulsu.Quandu u polsu di u sughjettu hè in una cundizione statica, l'amplitude di a forma d'onda di impulsu ottenuta hè stabile (fig. S25A);à u cuntrariu, quandu u polsu si move lentamente in un angulu da -70 ° à 70 ° durante 30 s, l'amplitude di a forma d'onda di impulsu fluttuarà (fig. S25B).Tuttavia, u contornu di ogni forma d'onda di impulsu hè visibile, è a freccia di u pulsu pò ancu esse ottenuta accuratamente.Ovviamente, per ottene l'acquistu stabile di l'onda di impulsu in u muvimentu umanu, un travagliu ulteriore cumpresu u disignu di sensori è u processu di signale back-end hè necessariu per esse ricerca.
Inoltre, per analizà è valutà quantitativamente a cundizione di u sistema cardiovascular attraversu e forme d'onda di impulsu acquistate cù u nostru TATSA, avemu introduttu dui parametri emodinamici secondu a specificazione di valutazione di u sistema cardiovascular, vale à dì l'indice d'aumentu (AIx) è a velocità di l'onda di impulsu. (PWV), chì rapprisentanu l'elasticità di l'arterie.Comu mostra in a Fig. 4H, a forma d'onda di u polsu à a pusizione di u polsu di l'omu sanu di 25 anni hè stata utilizata per l'analisi di AIx.Sicondu a formula (sezione S1), AIx = 60% hè stata ottenuta, chì hè un valore normale.Dopu, avemu cullatu simultaneamente duie forme d'onda di impulsu à e pusizioni di u bracciu è di l'ankle di stu participante (u metudu detallatu di misurazione di a forma d'onda di impulsu hè descritta in Materiali è Metodi).Comu mostra in Fig. 4I, i punti di caratteristiche di e duie forme d'onda di pulse eranu distinti.Dopu avemu calculatu u PWV secondu a formula (sezione S1).PWV = 1363 cm/s, chì hè un valore caratteristicu previstu di un maschile adultu sanu, hè stata ottenuta.Per d 'altra banda, pudemu vede chì a metrica di AIx o PWV ùn hè micca affettata da a diferenza di amplitude di a forma d'onda di impulsu, è i valori di AIx in diverse parti di u corpu sò diversi.In u nostru studiu, l'AIx radiale hè stata utilizata.Per verificà l'applicabilità di WMHMS in diverse persone, avemu sceltu 20 participanti in u gruppu sano, 20 in u gruppu di ipertensione (HTN), 20 in u gruppu di a malatia coronaria (CHD) di età da 50 à 59 anni, è 20 in u gruppu. gruppu di diabete mellitus (DM).Avemu misuratu e so onda di pulsi è paragunate i so dui parametri, AIx è PWV, cum'è prisentatu in Fig. 4J.Pò esse truvatu chì i valori PWV di i gruppi HTN, CHD è DM eranu più bassi paragunati à quelli di u gruppu sanu è anu una differenza statistica (PHTN ≪ 0.001, PCHD ≪ 0.001, è PDM ≪ 0.001; i valori P sò stati calculati da t. prova).Intantu, i valori AIx di i gruppi HTN è CHD eranu più bassi cumparatu cù u gruppu sanu è anu una diferenza statistica (PHTN <0.01, PCHD <0.001, è PDM <0.05).U PWV è AIx di i participanti cù CHD, HTN, o DM eranu più altu ch'è quelli in u gruppu sanu.I risultati mostranu chì u TATSA hè capaci di ottene accuratamente a forma d'onda di pulsazione per calculà u paràmetru cardiovascular per valutà u statu di salute cardiovascular.In cunclusioni, per via di e so caratteristiche wireless, d'alta risoluzione, d'alta sensibilità è cunfortu, u WMHMS basatu nantu à u TATSA furnisce una alternativa più efficace per u monitoraghju in tempu reale chì l'attrezzatura medica caru attuale utilizata in l'uspitali.
A parti di l'onda di pulsu, l'infurmazioni respiratorii hè ancu un signu vitale primariu per aiutà à valutà a cundizione fisica di un individuu.U monitoraghju di a respirazione basatu nantu à a nostra TATSA hè più attraente cà a polisonnografia convenzionale perchè pò esse integrata senza saldatura in vestiti per un megliu cunfortu.Stitched in una cinta di pettu elasticu biancu, u TATSA hè stata direttamente ligata à u corpu umanu è assicurata intornu à u pettu per u monitoraghju di respirazione (Fig. 5A è film S7).U TATSA s'hè deformatu cù l'espansione è a cuntrazione di a ribcage, risultatu in una pruduzzioni elettrica.A forma d'onda acquistata hè verificata in a figura 5B.U signale cù grandi fluttuazioni (una amplitude di 1,8 V) è cambiamenti periodichi (una freccia di 0,5 Hz) currispondenu à u muvimentu respiratoriu.U signale di fluttuazione relativamente chjuca hè stata superposta nantu à stu grande signale di fluttuazione, chì era u signale di u battitu di u core.Sicondu e caratteristiche di freccia di i signali di respirazione è di ritmu di u core, avemu usatu un filtru passaghju 0.8-Hz è un filtru passa-banda da 0.8 à 20-Hz per separà i signali respiratorii è di u core, rispettivamente, cum'è mostra in Fig. .In questu casu, i segnali respiratorii è pulsi stabili cù infurmazione fisiologica abbundante (cum'è a freccia respiratoria, a freccia di u battitu di u core è i punti di caratteristiche di l'onda di pulsi) sò stati ottenuti simultaneamente è accuratamente pusendu l'unica TATSA in u pettu.
(A) Fotografia chì mostra a visualizazione di u TATSA pusatu nantu à u pettu per a misurazione di u signale in a pressione assuciata à a respirazione.(B) Trama di tensione-tempu per u TATSA muntatu nantu à u pettu.(C) Décomposition du signal (B) dans le rythme cardiaque et la forme d'onde respiratoire.(D) Fotografia chì mostra dui TATSA posti nantu à l'abdomen è u polsu per a misurazione di a respirazione è u pulsu, rispettivamente, durante u sonnu.(E) Segnali respiratorii è pulsi di un participante sanu.HR, frequenza cardiaca;BPM, battiti per minutu.(F) Segnali respiratorii è pulsi di un participante SAS.(G) Segnale respiratoriu è PTT di un participante sanu.(H) Segnale respiratoriu è PTT di un participante SAS.(I) Relation entre l'indice d'excitation PTT et l'indice d'apnea-hypopnea (AHI).Creditu di foto: Wenjing Fan, Università Chongqing.
Per dimustrà chì u nostru sensore pò monitorà in modu precisu è affidabile i segnali di pulsi è respiratorii, avemu realizatu un esperimentu per paragunà i risultati di a misurazione di i segnali di pulsi è di respirazione trà i nostri TATSA è un strumentu medico standard (MHM-6000B), cum'è elaboratu in i filmi S8. è S9.In a misurazione di l'onda di impulsu, u sensoru fotoelettricu di l'instrumentu medicale era purtatu nantu à u dito indice di manca di una zitella, è intantu, u nostru TATSA era purtatu nantu à u dito indexu dirittu.Da e duie forme d'onda di pulsazioni acquistate, pudemu vede chì i so cuntorni è i dettagli eranu idèntici, chì indicanu chì u pulse misuratu da u TATSA hè cusì precisu cum'è quellu di l'instrumentu medicale.In a misurazione di l'onda di respirazione, cinque elettrodi elettrocardiografichi sò stati attaccati à cinque spazii nantu à u corpu di un ghjovanu secondu l'istruzzioni medica.In cuntrastu, solu un TATSA era direttamente ligatu à u corpu è assicuratu intornu à u pettu.Da i signali respiratorii raccolti, pò esse vistu chì a tendenza di variazione è u ritmu di u signale di respirazione rilevatu da u nostru TATSA eranu coherenti cù quellu di u strumentu medico.Questi dui esperimenti di paragone anu validatu l'accuratezza, l'affidabilità è a simplicità di u nostru sistema di sensori per u monitoraghju di i segnali di pulsi è respiratorii.
Inoltre, avemu fabricatu un pezzu di vestiti intelligenti è cuciti dui TATSA à e pusizioni di l'abdomen è di u polso per monitorizà i segnali respiratorii è di u pulsu, rispettivamente.In particulare, un WMHMS dual-channel sviluppatu hè stata utilizata per catturà i segnali di pulsi è respiratorii simultaneamente.Attraversu stu sistema, avemu ottinutu i segnali respiratorii è pulsi di un omu di 25 anni, vistutu cù a nostra robba intelligente mentre dorme (Fig. 5D è film S10) è pusatu (fig. S26 è film S11).I signali respiratorii è di pulsi acquistati puderanu esse trasmessi in wireless à l'APP di u telefuninu.Cumu l'esitatu sopra, u TATSA hà a capacità di catturà i signali respiratorii è di pulsi.Sti dui signali fisiologichi sò ancu i criterii per stimà SAS medically.Dunque, a nostra TATSA pò ancu esse usata per monitorà è valutà a qualità di u sonnu è i disordini di u sonnu cunnessi.Cum'è mostra in Fig. 5 (E è F, rispettivamente), avemu misuratu continuamente u pulsu è e forme d'onda respiratorie di dui participanti, un sanu è un paziente cù SAS.Per a persona senza apnea, i ritmi respiratorii è pulsi misurati sò stati stabili à 15 è 70, rispettivamente.Per u paci cù SAS, una apnea distinta per 24 s, chì hè un'indicazione di un avvenimentu respiratoriu obstructivu, hè stata osservata, è a freccia di u core hà ligeramente aumentatu dopu un periodu di apnea per via di a regulazione di u sistema nervu (49).In riassuntu, u statu respiratoriu pò esse evaluatu da u nostru TATSA.
Per valutà ulteriormente u tipu di SAS per mezu di i segnali di pulsi è respiratorii, avemu analizatu u tempu di transitu di u pulsu (PTT), un indicatore non invasivu chì riflette i cambiamenti in a resistenza vascular perifèrica è a pressione intratoracica (definita in a sezione S1) di un omu sano è un paziente cù SAS.Per u participante sanu, u ritmu respiratoriu ùn hè micca cambiatu, è u PTT era relativamente stabile da 180 à 310 ms (Fig. 5G).In ogni casu, per u participante SAS, u PTT hà aumentatu continuamente da 120 à 310 ms durante l'apnea (Fig. 5H).Cusì, u participante hè statu diagnosticatu cù SAS obstructive (OSAS).Se u cambiamentu di PTT diminuite durante l'apnea, a cundizione serà determinata cum'è un sindromu di l'apnea di u sonnu cintrali (CSAS), è se i dui sintomi esistenu simultaneamente, allora serà diagnosticatu cum'è un SAS mistu (MSAS).Per valutà a gravità di SAS, avemu analizatu ancu i signali cullati.L'indice di eccitazione PTT, chì hè u numeru di eccitazione PTT per ora (l'arousal PTT hè definitu cum'è una caduta di PTT di ≥15 ms chì dura ≥3 s), ghjoca un rolu vitale in a valutazione di u gradu di SAS.L'indice d'apnea-hypopnea (AHI) hè un standard per determinà u gradu di SAS (l'apnea hè a cessazione di a respirazione, è l'ipopnea hè una respirazione troppu superficiale o un ritmu respiratoriu anormalmente bassu), chì hè definitu cum'è u numeru di apneas è ipopnea per ogni. ora mentre dorme (a relazione trà l'AHI è i criterii di qualificazione per OSAS hè mostrata in a tabella S2).Per investigà a relazione trà l'AHI è l'indici di arousal PTT, i signali respiratorii di 20 pazienti cù SAS sò stati scelti è analizati cù TATSA.Cum'è mostra in Fig. 5I, l'indici di arousal PTT correlated positivamente cù l'AHI, cum'è l'apnea è l'ipopnea durante u sonnu causanu l'elevazione evidenti è transitoria di a pressione di sangue, chì porta à a diminuzione di u PTT.Dunque, u nostru TATSA pò ottene pulsi è segnali respiratorii stabili è precisi simultaneamente, furnisce cusì infurmazione fisiologica impurtante nantu à u sistema cardiovascular è SAS per u monitoraghju è a valutazione di e malatie relative.
In riassuntu, avemu sviluppatu un TATSA utilizendu u puntu di cardigan pienu per detectà diversi signali fisiologichi simultaneamente.Stu sensore presentava una alta sensibilità di 7.84 mV Pa−1, un tempu di risposta veloce di 20 ms, una alta stabilità di più di 100.000 cicli, è una larga larghezza di banda di frequenza di travagliu.In basa di u TATSA, un WMHMS hè statu ancu sviluppatu per trasmette i parametri fisiologichi misurati à un telefuninu.TATSA pò esse incorporatu in diversi siti di vestiti per u disignu esteticu è utilizatu per monitorà simultaneamente u pulsu è i segnali respiratorii in tempu reale.U sistema pò esse appiicatu per aiutà à distingue trà individui sani è quelli cù CAD o SAS per via di a so capacità di catturà infurmazioni detallati.Stu studiu hà furnitu un accostu còmode, efficiente è amichevule per a misurazione di u pulsu umanu è a respirazione, chì rapprisenta un avanzu in u sviluppu di l'elettronica tessili wearable.
L'acciaio inossidabile hè stata ripetutamente passatu per u moldu è stendu per furmà una fibra cù un diametru di 10 μm.Una fibra d'acciaio inossidabile cum'è l'elettrodu hè stata inserita in parechji pezzi di filati di Terylene di una sola capa cummerciale.
Un generatore di funzioni (Stanford DS345) è un amplificatore (LabworkPa-13) sò stati utilizati per furnisce un signalu di pressione sinusoidale.Un sensor di forza di doppia gamma (Vernier Software & Technology LLC) hè stata utilizata per misurà a pressione esterna applicata à u TATSA.Un elettrometru di u sistema Keithley (Keithley 6514) hè stata utilizata per monitorà è registrà a tensione di output è u currente di u TATSA.
Sicondu AATCC Test Method 135-2017, avemu usatu u TATSA è abbastanza ballast cum'è una carica di 1,8 kg è poi mette in una lavatrice cummerciale (Labtex LBT-M6T) per eseguisce cicli di lavaggio delicati.Dopu, avemu riempitu a lavatrice cù 18 litri d'acqua à 25 ° C è hà stabilitu a lavatrice per u ciclu di lavaggio è u tempu sceltu (velocità di agitazione, 119 colpi per minutu; tempu di lavaggio, 6 min; velocità di centrifuga finale, 430 rpm; finale. tempu di spin, 3 min).Infine, u TATSA hè statu appiccicatu seccu in aria tranquilla à a temperatura di l'ambienti micca più di 26 ° C.
I sughjetti sò stati urdinati per stà in una pusizioni supina nantu à u lettu.U TATSA hè stata postu nantu à i siti di misurazione.Quandu i sughjetti eranu in una pusizione supina standard, mantenenu un statu completamente rilassatu per 5 à 10 min.Allora u signale di impulsu hà cuminciatu à misurà.
Materiale supplementu per questu articulu hè dispunibule à https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Figu S9.Risultato di simulazione di a distribuzione di forza di un TATSA sottu pressioni applicate à 0,2 kPa cù u software COMSOL.
Figu S10.I risultati di simulazione di a distribuzione di forza di una unità di cuntattu sottu à e pressioni applicate à 0,2 è 2 kPa, rispettivamente.
Figu S11.Illustrazioni schematiche cumplete di u trasferimentu di carica di una unità di cuntattu in cundizioni di cortu circuitu.
Figu S13.Tensione di output continuu è corrente di TATSA in risposta à a pressione esterna continuamente applicata in un ciculu di misurazione.
Figu S14.Risposta di tensione à parechji numeri di unità di loop in a listessa zona di tela quandu mantenenu u numeru di loop in a direzzione di Wale invariable.
Figu S15.Un paragone trà e prestazioni di output di i dui sensori tessili chì utilizanu u puntu di cardigan pienu è u puntu pianu.
Figu S16.Trama chì mostra risposti di frequenza à a pressione dinamica di 1 kPa è a frequenza di input di pressione di 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 è 20 Hz.
Figu S25.A tensione di output di u sensoru quandu u sughjettu era in e cundizioni statiche è di muvimentu.
Figu S26.Fotografia chì mostra i TATSA posti nantu à l'abdomen è u polsu simultaneamente per a misurazione di a respirazione è u pulsu, rispettivamente.
Questu hè un articulu d'accessu apertu distribuitu sottu i termini di a licenza Creative Commons Attribution-NonCommercial, chì permette l'usu, a distribuzione è a ripruduzzione in ogni mediu, sempre chì l'usu resultante ùn hè micca per un vantaghju cummerciale è sempre chì l'opera originale hè bè. citatu.
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Di Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Un sensoru triboelettricu tuttu tessili cù sensibilità è cunfortu à alta pressione hè statu sviluppatu per u monitoraghju di a salute.
Di Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
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© 2020 Associazione Americana per l'Avanzamentu di a Scienza.Tutti i diritti riservati.AAAS hè un cumpagnu di HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef è COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Tempu di post: 27-mar-2020