Τα φορητά ηλεκτρονικά υφάσματα είναι ιδιαίτερα επιθυμητά για την υλοποίηση εξατομικευμένης διαχείρισης υγείας.Ωστόσο, τα περισσότερα αναφερόμενα ηλεκτρονικά κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα μπορούν είτε να στοχεύουν περιοδικά σε ένα μόνο φυσιολογικό σήμα είτε να χάνουν τις σαφείς λεπτομέρειες των σημάτων, οδηγώντας σε μερική αξιολόγηση της υγείας.Επιπλέον, τα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα με εξαιρετική ιδιότητα και άνεση εξακολουθούν να αποτελούν πρόκληση.Εδώ, αναφέρουμε μια τριβοηλεκτρική συστοιχία αισθητήρων αποκλειστικά από ύφασμα με υψηλή ευαισθησία πίεσης και άνεση.Παρουσιάζει ευαισθησία πίεσης (7,84 mV Pa−1), γρήγορο χρόνο απόκρισης (20 ms), σταθερότητα (>100.000 κύκλους), μεγάλο εύρος ζώνης συχνότητας εργασίας (έως 20 Hz) και δυνατότητα πλύσης στο πλυντήριο (>40 πλύσεις).Τα κατασκευασμένα TATSA ράφτηκαν σε διαφορετικά μέρη των ρούχων για την παρακολούθηση των αρτηριακών κυμάτων παλμών και των αναπνευστικών σημάτων ταυτόχρονα.Αναπτύξαμε περαιτέρω ένα σύστημα παρακολούθησης της υγείας για μακροπρόθεσμη και μη επεμβατική αξιολόγηση της καρδιαγγειακής νόσου και του συνδρόμου της υπνικής άπνοιας, το οποίο παρουσιάζει μεγάλη πρόοδο για την ποσοτική ανάλυση ορισμένων χρόνιων ασθενειών.
Τα φορητά ηλεκτρονικά είδη αντιπροσωπεύουν μια συναρπαστική ευκαιρία λόγω των πολλά υποσχόμενων εφαρμογών τους στην εξατομικευμένη ιατρική.Μπορούν να παρακολουθούν την κατάσταση της υγείας ενός ατόμου με συνεχή, σε πραγματικό χρόνο και μη επεμβατικό τρόπο (1–11).Ο παλμός και η αναπνοή, ως δύο απαραίτητα συστατικά των ζωτικών σημείων, μπορούν να παρέχουν τόσο ακριβή εκτίμηση της φυσιολογικής κατάστασης όσο και αξιοσημείωτες γνώσεις για τη διάγνωση και την πρόγνωση σχετικών ασθενειών (12-21).Μέχρι σήμερα, τα περισσότερα φορητά ηλεκτρονικά για την ανίχνευση λεπτών φυσιολογικών σημάτων βασίζονται σε εξαιρετικά λεπτά υποστρώματα όπως το τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο, το πολυδιμεθυλσιλοξάνιο, το πολυιμίδιο, το γυαλί και η σιλικόνη (22–26).Ένα μειονέκτημα αυτών των υποστρωμάτων για χρήση στο δέρμα έγκειται στην επίπεδη και άκαμπτη μορφή τους.Ως αποτέλεσμα, απαιτούνται ταινίες, κορδόνια ή άλλα μηχανικά εξαρτήματα για τη δημιουργία μιας συμπαγούς επαφής μεταξύ των φορητών ηλεκτρονικών συσκευών και του ανθρώπινου δέρματος, η οποία μπορεί να προκαλέσει ερεθισμό και ταλαιπωρία κατά τη διάρκεια παρατεταμένων περιόδων χρήσης (27, 28).Επιπλέον, αυτά τα υποστρώματα έχουν κακή διαπερατότητα αέρα, με αποτέλεσμα την ενόχληση όταν χρησιμοποιούνται για μακροχρόνια, συνεχή παρακολούθηση της υγείας.Για την ανακούφιση των προαναφερθέντων ζητημάτων στην υγειονομική περίθαλψη, ειδικά στην καθημερινή χρήση, τα έξυπνα υφάσματα προσφέρουν μια αξιόπιστη λύση.Αυτά τα υφάσματα έχουν τα χαρακτηριστικά της απαλότητας, του μικρού βάρους και της δυνατότητας αναπνοής και, ως εκ τούτου, τη δυνατότητα επίτευξης άνεσης σε φορητές ηλεκτρονικές συσκευές.Τα τελευταία χρόνια, εντατικές προσπάθειες έχουν αφιερωθεί για την ανάπτυξη συστημάτων που βασίζονται σε κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα σε ευαίσθητους αισθητήρες, συλλογή ενέργειας και αποθήκευση (29–39).Συγκεκριμένα, έχει αναφερθεί επιτυχημένη έρευνα για έξυπνα υφάσματα οπτικών ινών, πιεζοηλεκτρισμού και ειδικής αντίστασης που εφαρμόζονται στην παρακολούθηση παλμών και αναπνευστικών σημάτων (40-43).Ωστόσο, αυτά τα έξυπνα υφάσματα έχουν συνήθως χαμηλή ευαισθησία και μία μόνο παράμετρο παρακολούθησης και δεν μπορούν να κατασκευαστούν σε μεγάλη κλίμακα (πίνακας S1).Στην περίπτωση της μέτρησης παλμού, είναι δύσκολο να συλληφθούν λεπτομερείς πληροφορίες λόγω της αμυδρής και γρήγορης διακύμανσης του παλμού (π.χ., τα σημεία χαρακτηριστικών του), και επομένως απαιτείται υψηλή ευαισθησία και κατάλληλη απόδοση απόκρισης συχνότητας.
Σε αυτή τη μελέτη, εισάγουμε μια τριβοηλεκτρική συστοιχία αισθητήρων εξ ολοκλήρου από ύφασμα (TATSA) με υψηλή ευαισθησία για επιδερμική ανεπαίσθητη σύλληψη πίεσης, πλεγμένη με αγώγιμα και νάιλον νήματα σε μια πλήρη βελονιά ζακέτας.Το TATSA μπορεί να παρέχει ευαισθησία υψηλής πίεσης (7,84 mV Pa−1), γρήγορο χρόνο απόκρισης (20 ms), σταθερότητα (>100.000 κύκλους), μεγάλο εύρος ζώνης συχνότητας εργασίας (έως 20 Hz) και δυνατότητα πλύσης στο πλυντήριο (>40 πλύσεις).Είναι σε θέση να ενσωματωθεί άνετα στα ρούχα με διακριτικότητα, άνεση και αισθητική.Συγκεκριμένα, το TATSA μας μπορεί να ενσωματωθεί απευθείας σε διαφορετικές θέσεις του υφάσματος που αντιστοιχούν στα παλμικά κύματα στο λαιμό, στον καρπό, στο άκρο των δακτύλων και στον αστράγαλο και στα αναπνευστικά κύματα στην κοιλιά και το στήθος.Για να αξιολογήσουμε την εξαιρετική απόδοση του TATSA στην παρακολούθηση της υγείας σε πραγματικό χρόνο και εξ αποστάσεως, αναπτύσσουμε ένα εξατομικευμένο έξυπνο σύστημα παρακολούθησης της υγείας για τη συνεχή λήψη και αποθήκευση φυσιολογικών σημάτων για την ανάλυση της καρδιαγγειακής νόσου (CAD) και την αξιολόγηση του συνδρόμου υπνικής άπνοιας (SAS). ).
Όπως απεικονίζεται στο Σχ. 1Α, δύο TATSA ράφτηκαν στη μανσέτα και στο στήθος ενός πουκάμισου για να καταστεί δυνατή η δυναμική και ταυτόχρονη παρακολούθηση των σημάτων παλμού και αναπνοής, αντίστοιχα.Αυτά τα φυσιολογικά σήματα μεταδόθηκαν ασύρματα στην έξυπνη εφαρμογή τερματικού κινητού (APP) για περαιτέρω ανάλυση της κατάστασης της υγείας.Το Σχήμα 1Β δείχνει το TATSA ραμμένο σε ένα κομμάτι ύφασμα και το ένθετο δείχνει τη μεγεθυμένη όψη του TATSA, το οποίο πλέκεται χρησιμοποιώντας το χαρακτηριστικό αγώγιμο νήμα και το εμπορικό νήμα από νάιλον μαζί σε μια πλήρη βελονιά ζακέτας.Σε σύγκριση με τη βασική απλή βελονιά, την πιο κοινή και βασική μέθοδο πλεξίματος, επιλέχθηκε η πλήρης βελονιά με ζακέτα επειδή η επαφή μεταξύ της κεφαλής βρόχου του αγώγιμου νήματος και της γειτονικής κεφαλής βελονιάς βελονιάς του νήματος από νάιλον (εικ. S1) είναι μια επιφάνεια παρά μια σημειακή επαφή, που οδηγεί σε μεγαλύτερη περιοχή δράσης για υψηλό τριβοηλεκτρικό αποτέλεσμα.Για να προετοιμάσουμε το αγώγιμο νήμα, επιλέξαμε τον ανοξείδωτο χάλυβα ως σταθερή ίνα πυρήνα και πολλά κομμάτια μονόφυλλων νημάτων τερυλενίου στρίφθηκαν γύρω από την ίνα πυρήνα σε ένα αγώγιμο νήμα με διάμετρο 0,2 mm (εικ. S2), το οποίο χρησίμευε ως τόσο η επιφάνεια ηλεκτροδότησης όσο και το αγώγιμο ηλεκτρόδιο.Το νήμα από νάιλον, το οποίο είχε διάμετρο 0,15 mm και χρησίμευε ως άλλη επιφάνεια ηλεκτροδότησης, είχε ισχυρή εφελκυστική δύναμη επειδή το έστριβαν από μη υπολογίσιμα νήματα (εικ. S3).Το Σχήμα 1 (C και D, αντίστοιχα) δείχνει φωτογραφίες του κατασκευασμένου αγώγιμου νήματος και του νήματος από νάιλον.Τα ένθετα δείχνουν τις αντίστοιχες εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM), οι οποίες παρουσιάζουν μια τυπική διατομή του αγώγιμου νήματος και της επιφάνειας του νήματος από νάιλον.Η υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό των αγώγιμων νημάτων και των νημάτων από νάιλον εξασφάλισε την ικανότητα ύφανσής τους σε μια βιομηχανική μηχανή ώστε να διατηρείται ομοιόμορφη απόδοση όλων των αισθητήρων.Όπως φαίνεται στο Σχ. 1 Ε, τα αγώγιμα νήματα, τα νήματα από νάιλον και οι συνηθισμένες κλωστές τυλίχθηκαν στους αντίστοιχους κώνους τους, οι οποίοι στη συνέχεια φορτώθηκαν στη βιομηχανική επίπεδη μηχανή πλεξίματος για αυτόματη ύφανση (ταινία S1).Όπως φαίνεται στο σχ.S4, πολλά TATSA πλέκονταν μαζί με συνηθισμένο ύφασμα χρησιμοποιώντας τη βιομηχανική μηχανή.Ένα μόνο TATSA με πάχος 0,85 mm και βάρος 0,28 g θα μπορούσε να προσαρμοστεί από ολόκληρη τη δομή για ατομική χρήση, επιδεικνύοντας την εξαιρετική συμβατότητά του με άλλα πανιά.Επιπλέον, τα TATSA θα μπορούσαν να σχεδιαστούν σε διάφορα χρώματα για να ανταποκρίνονται στις αισθητικές και μοντέρνες απαιτήσεις λόγω της ποικιλίας των εμπορικών νημάτων από νάιλον (Εικ. 1F και εικ. S5).Τα κατασκευασμένα TATSA έχουν εξαιρετική απαλότητα και την ικανότητα να αντέχουν σε σκληρή κάμψη ή παραμόρφωση (εικ. S6).Το σχήμα 1G δείχνει το TATSA ραμμένο απευθείας στην κοιλιά και στη μανσέτα ενός πουλόβερ.Η διαδικασία πλέξης του πουλόβερ φαίνεται στο σχ.S7 και ταινία S2.Οι λεπτομέρειες της μπροστινής και πίσω πλευράς του τεντωμένου TATSA στη θέση της κοιλιάς φαίνονται στο σχ.S8 (Α και Β, αντίστοιχα), και η θέση του αγώγιμου νήματος και του νήματος από νάιλον απεικονίζεται στο Σχ.S8C.Μπορείτε να δείτε εδώ ότι το TATSA μπορεί να ενσωματωθεί σε συνηθισμένα υφάσματα απρόσκοπτα για μια διακριτική και έξυπνη εμφάνιση.
(Α) Δύο TATSA ενσωματωμένα σε ένα πουκάμισο για την παρακολούθηση παλμών και αναπνευστικών σημάτων σε πραγματικό χρόνο.(Β) Σχηματική απεικόνιση του συνδυασμού ΤΑΤΣΑ και ρούχων.Το ένθετο δείχνει τη μεγεθυμένη όψη του αισθητήρα.(Γ) Φωτογραφία του αγώγιμου νήματος (ράβδος κλίμακας, 4 cm).Το ένθετο είναι η εικόνα SEM της διατομής του αγώγιμου νήματος (ράβδος κλίμακας, 100 μm), το οποίο αποτελείται από νήματα από ανοξείδωτο χάλυβα και τερυλένιο.(Δ) Φωτογραφία του νήματος από νάιλον (ράβδος κλίμακας, 4 cm).Το ένθετο είναι η εικόνα SEM της επιφάνειας του νήματος από νάιλον (ράβδος κλίμακας, 100 μm).(Ε) Εικόνα της μηχανογραφημένης επίπεδης πλεκτομηχανής που πραγματοποιεί την αυτόματη ύφανση των ΤΑΤΣΑ.(ΣΤ) Φωτογραφία ΤΑΤΣΑ σε διάφορα χρώματα (γραμμή κλίμακας, 2 cm).Το ένθετο είναι το στριφτό TATSA, που δείχνει την εξαιρετική απαλότητά του.(Ζ) Φωτογραφία δύο TATSA πλήρως και χωρίς ραφή ραμμένα σε πουλόβερ.Φωτογραφία: Wenjing Fan, Πανεπιστήμιο Chongqing.
Για να αναλύσουμε τον μηχανισμό λειτουργίας του TATSA, συμπεριλαμβανομένων των μηχανικών και ηλεκτρικών του ιδιοτήτων, κατασκευάσαμε ένα γεωμετρικό μοντέλο πλεξίματος του TATSA, όπως φαίνεται στο Σχ. 2Α.Χρησιμοποιώντας την πλήρη βελονιά ζακέτας, τα αγώγιμα νήματα και τα νήματα από νάιλον συμπλέκονται με τη μορφή μονάδων βρόχου στην κατεύθυνση της πορείας και της κατευθύνσεως.Μια δομή μονής θηλιάς (εικ. S1) αποτελείται από μια κεφαλή βρόχου, έναν βραχίονα βρόχου, ένα τμήμα που διασταυρώνεται με νευρώσεις, τον βραχίονα βελονιάς και την κεφαλή βελονιάς.Μπορούν να βρεθούν δύο μορφές της επιφάνειας επαφής μεταξύ των δύο διαφορετικών νημάτων: (i) η επιφάνεια επαφής μεταξύ της κεφαλής βρόχου του αγώγιμου νήματος και της κεφαλής βελονιάς του νήματος από νάιλον και (ii) η επιφάνεια επαφής μεταξύ της κεφαλής βρόχου του το νήμα από νάιλον και η κεφαλή του αγώγιμου νήματος.
(Α) Το TATSA με την μπροστινή, δεξιά και πάνω πλευρά των πλεκτών θηλιών.(Β) Αποτέλεσμα προσομοίωσης της κατανομής δύναμης ενός TATSA υπό ασκούμενη πίεση 2 kPa χρησιμοποιώντας το λογισμικό COMSOL.(Γ) Σχηματικές απεικονίσεις της μεταφοράς φορτίου μιας μονάδας επαφής υπό συνθήκες βραχυκυκλώματος.(Δ) Αποτελέσματα προσομοίωσης της κατανομής φορτίου μιας μονάδας επαφής υπό συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος χρησιμοποιώντας το λογισμικό COMSOL.
Η αρχή λειτουργίας του TATSA μπορεί να εξηγηθεί σε δύο πτυχές: διέγερση εξωτερικής δύναμης και επαγόμενη φόρτιση.Για να κατανοήσουμε διαισθητικά την κατανομή της τάσης ως απόκριση σε ερέθισμα εξωτερικής δύναμης, χρησιμοποιήσαμε ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιώντας λογισμικό COMSOL σε διαφορετικές εξωτερικές δυνάμεις 2 και 0,2 kPa, όπως φαίνεται αντίστοιχα στο Σχ. 2Β και στο Σχ.S9.Η τάση εμφανίζεται στις επιφάνειες επαφής δύο νημάτων.Όπως φαίνεται στο σχ.S10, θεωρήσαμε δύο μονάδες βρόχου για να διευκρινίσουμε την κατανομή της τάσης.Συγκρίνοντας την κατανομή της τάσης κάτω από δύο διαφορετικές εξωτερικές δυνάμεις, η τάση στις επιφάνειες των αγώγιμων και νάιλον νημάτων αυξάνεται με την αυξημένη εξωτερική δύναμη, με αποτέλεσμα την επαφή και την εξώθηση μεταξύ των δύο νημάτων.Μόλις απελευθερωθεί η εξωτερική δύναμη, τα δύο νήματα χωρίζονται και απομακρύνονται το ένα από το άλλο.
Οι κινήσεις διαχωρισμού επαφής μεταξύ του αγώγιμου νήματος και του νήματος από νάιλον προκαλούν μεταφορά φορτίου, η οποία αποδίδεται στον συνδυασμό τριβοηλεκτρισμού και ηλεκτροστατικής επαγωγής.Για να διευκρινιστεί η διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, αναλύουμε τη διατομή της περιοχής όπου τα δύο νήματα έρχονται σε επαφή μεταξύ τους (Εικ. 2C1).Όπως φαίνεται στο Σχ. 2 (C2 και C3, αντίστοιχα), όταν το TATSA διεγείρεται από την εξωτερική δύναμη και τα δύο νήματα έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, εμφανίζεται ηλεκτρισμός στην επιφάνεια των αγώγιμων και νάιλον νημάτων και τα ισοδύναμα φορτία με αντίθετα δημιουργούνται πολικότητες στην επιφάνεια των δύο νημάτων.Μόλις διαχωριστούν τα δύο νήματα, προκαλούνται θετικά φορτία στον εσωτερικό ανοξείδωτο χάλυβα λόγω του φαινομένου της ηλεκτροστατικής επαγωγής.Το πλήρες σχηματικό φαίνεται στο σχ.S11.Για να αποκτήσουμε μια πιο ποσοτική κατανόηση της διαδικασίας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, προσομοιώσαμε την κατανομή δυναμικού του TATSA χρησιμοποιώντας το λογισμικό COMSOL (Εικ. 2D).Όταν τα δύο υλικά έρχονται σε επαφή, το φορτίο συγκεντρώνεται κυρίως στο υλικό τριβής, και μόνο μια μικρή ποσότητα επαγόμενου φορτίου υπάρχει στο ηλεκτρόδιο, με αποτέλεσμα το μικρό δυναμικό (Εικ. 2D, κάτω).Όταν τα δύο υλικά διαχωρίζονται (Εικ. 2D, πάνω), το επαγόμενο φορτίο στο ηλεκτρόδιο αυξάνεται λόγω της διαφοράς δυναμικού και το αντίστοιχο δυναμικό αυξάνεται, γεγονός που αποκαλύπτει μια καλή συμφωνία μεταξύ των αποτελεσμάτων που λαμβάνονται από τα πειράματα και εκείνων από τις προσομοιώσεις .Επιπλέον, δεδομένου ότι το αγώγιμο ηλεκτρόδιο του TATSA είναι τυλιγμένο σε νήματα από τερυλένιο και το δέρμα έρχεται σε επαφή και με τα δύο υλικά τριβής, επομένως, όταν το TATSA φοριέται απευθείας στο δέρμα, το φορτίο εξαρτάται από την εξωτερική δύναμη και δεν θα να αποδυναμωθεί από το δέρμα.
Για να χαρακτηρίσουμε την απόδοση του TATSA μας σε διάφορες πτυχές, παρείχαμε ένα σύστημα μέτρησης που περιέχει μια γεννήτρια λειτουργιών, ενισχυτή ισχύος, ηλεκτροδυναμικό αναδευτήρα, μετρητή δύναμης, ηλεκτρόμετρο και υπολογιστή (εικ. S12).Αυτό το σύστημα δημιουργεί εξωτερική δυναμική πίεση έως και 7 kPa.Στο πείραμα, το TATSA τοποθετήθηκε σε ένα επίπεδο πλαστικό φύλλο σε ελεύθερη κατάσταση και τα ηλεκτρικά σήματα εξόδου καταγράφονται από το ηλεκτρόμετρο.
Οι προδιαγραφές των αγώγιμων και νάιλον νημάτων επηρεάζουν την απόδοση εξόδου του TATSA επειδή καθορίζουν την επιφάνεια επαφής και την ικανότητα αντίληψης της εξωτερικής πίεσης.Για να το διερευνήσουμε αυτό, κατασκευάσαμε τρία μεγέθη από τα δύο νήματα, αντίστοιχα: αγώγιμο νήμα με μέγεθος 150D/3, 210D/3 και 250D/3 και νήμα νάιλον με μέγεθος 150D/6, 210D/6 και 250D /6 (D, ντενιέ· μονάδα μέτρησης που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του πάχους ινών μεμονωμένων νημάτων· υφάσματα με υψηλό αριθμό ντενιέ τείνουν να είναι παχιά).Στη συνέχεια, επιλέξαμε αυτά τα δύο νήματα με διαφορετικά μεγέθη για να τα πλέξουμε σε έναν αισθητήρα, και η διάσταση του TATSA διατηρήθηκε στα 3 cm επί 3 cm με τον αριθμό βρόχου 16 στην κατεύθυνση του λουλουδιού και 10 στην κατεύθυνση της πορείας.Έτσι, αποκτήθηκαν οι αισθητήρες με εννέα σχέδια πλεξίματος.Ο αισθητήρας από το αγώγιμο νήμα με το μέγεθος 150D/3 και το νήμα από νάιλον με το μέγεθος 150D/6 ήταν το πιο λεπτό, και ο αισθητήρας από το αγώγιμο νήμα με το μέγεθος 250D/3 και το νήμα από νάιλον με το μέγεθος 250D/ Το 6 ήταν το πιο χοντρό.Κάτω από μηχανική διέγερση από 0,1 έως 7 kPa, οι ηλεκτρικές έξοδοι για αυτά τα μοτίβα διερευνήθηκαν και δοκιμάστηκαν συστηματικά, όπως φαίνεται στο Σχ. 3Α.Οι τάσεις εξόδου των εννέα TATSA αυξήθηκαν με την αυξημένη εφαρμοζόμενη πίεση, από 0,1 σε 4 kPa.Συγκεκριμένα, από όλα τα σχέδια πλεξίματος, οι προδιαγραφές του αγώγιμου νήματος 210D/3 και του νήματος νάιλον 210D/6 παρείχαν την υψηλότερη ηλεκτρική απόδοση και παρουσίασαν την υψηλότερη ευαισθησία.Η τάση εξόδου παρουσίασε αυξητική τάση με την αύξηση του πάχους του TATSA (λόγω της επαρκούς επιφάνειας επαφής) έως ότου το TATSA πλέκεται χρησιμοποιώντας το αγώγιμο νήμα 210D/3 και νήμα νάιλον 210D/6.Καθώς περαιτέρω αυξήσεις στο πάχος θα οδηγούσαν στην απορρόφηση της εξωτερικής πίεσης από τα νήματα, η τάση εξόδου μειώθηκε ανάλογα.Επιπλέον, σημειώνεται ότι στην περιοχή χαμηλής πίεσης (<4 kPa), μια καλά συμπεριφερόμενη γραμμική διακύμανση στην τάση εξόδου με την πίεση έδωσε μια ανώτερη ευαισθησία πίεσης 7,84 mV Pa−1.Στην περιοχή υψηλής πίεσης (>4 kPa), παρατηρήθηκε πειραματικά μια χαμηλότερη ευαισθησία πίεσης 0,31 mV Pa−1 λόγω του κορεσμού της αποτελεσματικής περιοχής τριβής.Παρόμοια ευαισθησία πίεσης καταδείχθηκε κατά την αντίθετη διαδικασία εφαρμογής δύναμης.Τα συγκεκριμένα χρονικά προφίλ της τάσης και του ρεύματος εξόδου υπό διαφορετικές πιέσεις παρουσιάζονται στο Σχ.S13 (Α και Β, αντίστοιχα).
(Α) Τάση εξόδου κάτω από εννέα σχέδια πλέξης του αγώγιμου νήματος (150D/3, 210D/3 και 250D/3) σε συνδυασμό με το νήμα από νάιλον (150D/6, 210D/6 και 250D/6).(Β) Απόκριση τάσης σε διάφορους αριθμούς μονάδων βρόχου στην ίδια περιοχή υφάσματος όταν διατηρείται αμετάβλητος ο αριθμός βρόχου προς την κατεύθυνση κενού.(Γ) Διαγράμματα που δείχνουν τις αποκρίσεις συχνότητας υπό δυναμική πίεση 1 kPa και συχνότητα εισόδου πίεσης 1 Hz.(Δ) Διαφορετικές τάσεις εξόδου και ρεύματος κάτω από τις συχνότητες 1, 5, 10 και 20 Hz.(Ε) Δοκιμή αντοχής ενός TATSA υπό πίεση 1 kPa.(ΣΤ) Χαρακτηριστικά εξόδου του TATSA μετά από πλύση 20 και 40 φορές.
Η ευαισθησία και η τάση εξόδου επηρεάστηκαν επίσης από την πυκνότητα βελονιάς του TATSA, η οποία καθορίστηκε από τον συνολικό αριθμό των βρόχων σε μια μετρημένη περιοχή του υφάσματος.Μια αύξηση στην πυκνότητα της βελονιάς θα οδηγούσε σε μεγαλύτερη συμπαγή δομή του υφάσματος.Το σχήμα 3Β δείχνει τις επιδόσεις εξόδου κάτω από διαφορετικούς αριθμούς βρόχων στην περιοχή του υφάσματος 3 cm επί 3 cm και το ένθετο απεικονίζει τη δομή μιας μονάδας βρόχου (κρατήσαμε τον αριθμό βρόχου στην κατεύθυνση πορείας στο 10 και τον αριθμό βρόχου στο η κατεύθυνση του Wale ήταν 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 και 26).Αυξάνοντας τον αριθμό βρόχου, η τάση εξόδου παρουσίασε αρχικά μια αυξητική τάση λόγω της αυξανόμενης επιφάνειας επαφής, μέχρι τη μέγιστη κορυφή τάσης εξόδου των 7,5 V με αριθμό βρόχου 180. Μετά από αυτό το σημείο, η τάση εξόδου ακολούθησε μια πτωτική τάση επειδή Το TATSA έγινε σφιχτό και τα δύο νήματα είχαν μειωμένο χώρο διαχωρισμού επαφής.Για να διερευνήσουμε σε ποια κατεύθυνση η πυκνότητα έχει μεγάλη επίδραση στην έξοδο, κρατήσαμε τον αριθμό βρόχου του TATSA στην κατεύθυνση Wale στο 18 και ο αριθμός βρόχου στην κατεύθυνση πορείας ορίστηκε να είναι 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 και 14. Οι αντίστοιχες τάσεις εξόδου φαίνονται στο σχ.S14.Συγκριτικά, μπορούμε να δούμε ότι η πυκνότητα στην κατεύθυνση πορείας έχει μεγαλύτερη επίδραση στην τάση εξόδου.Ως αποτέλεσμα, το σχέδιο πλεξίματος του αγώγιμου νήματος 210D/3 και του νήματος από νάιλον 210D/6 και των 180 μονάδων βρόχου επιλέχθηκαν για το πλέξιμο του TATSA μετά από ολοκληρωμένες αξιολογήσεις των χαρακτηριστικών εξόδου.Επιπλέον, συγκρίναμε τα σήματα εξόδου δύο αισθητήρων υφασμάτων χρησιμοποιώντας την πλήρη βελονιά ζακέτας και την απλή βελονιά.Όπως φαίνεται στο σχ.S15, η ηλεκτρική ισχύς και η ευαισθησία με τη χρήση πλήρους βελονιάς ζακέτας είναι πολύ υψηλότερες από αυτές της απλής βελονιάς.
Μετρήθηκε ο χρόνος απόκρισης για την παρακολούθηση σημάτων σε πραγματικό χρόνο.Για να εξετάσουμε το χρόνο απόκρισης του αισθητήρα μας στις εξωτερικές δυνάμεις, συγκρίναμε τα σήματα τάσης εξόδου με τις εισόδους δυναμικής πίεσης σε συχνότητα από 1 έως 20 Hz (Εικ. 3C και εικ. S16, αντίστοιχα).Οι κυματομορφές της τάσης εξόδου ήταν σχεδόν πανομοιότυπες με τα κύματα ημιτονοειδούς πίεσης εισόδου υπό πίεση 1 kPa και οι κυματομορφές εξόδου είχαν γρήγορο χρόνο απόκρισης (περίπου 20 ms).Αυτή η υστέρηση μπορεί να αποδοθεί στο ότι η ελαστική δομή δεν έχει επιστρέψει στην αρχική κατάσταση το συντομότερο δυνατό μετά τη λήψη της εξωτερικής δύναμης.Ωστόσο, αυτή η μικροσκοπική υστέρηση είναι αποδεκτή για παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο.Για να ληφθεί η δυναμική πίεση με ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων, αναμένεται μια κατάλληλη απόκριση συχνότητας του TATSA.Έτσι, δοκιμάστηκε και το χαρακτηριστικό συχνότητας του TATSA.Αυξάνοντας την εξωτερική διεγερτική συχνότητα, το πλάτος της τάσης εξόδου παρέμεινε σχεδόν αμετάβλητο, ενώ το πλάτος του ρεύματος αυξήθηκε όταν οι συχνότητες κρούσης κυμαίνονταν από 1 έως 20 Hz (Εικ. 3D).
Για να αξιολογήσουμε την επαναληψιμότητα, τη σταθερότητα και την ανθεκτικότητα του TATSA, δοκιμάσαμε τις αποκρίσεις τάσης εξόδου και ρεύματος στους κύκλους φόρτωσης-εκφόρτωσης πίεσης.Στον αισθητήρα εφαρμόστηκε πίεση 1 kPa με συχνότητα 5 Hz.Η τάση και το ρεύμα από αιχμή σε κορυφή καταγράφηκαν μετά από 100.000 κύκλους φόρτωσης-εκφόρτωσης (Εικ. 3Ε και εικ. S17, αντίστοιχα).Οι μεγεθυμένες όψεις της τάσης και της κυματομορφής του ρεύματος φαίνονται στο ένθετο του Σχ. 3Ε και του Σχ.S17, αντίστοιχα.Τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν την αξιοσημείωτη επαναληψιμότητα, σταθερότητα και ανθεκτικότητα του TATSA.Η δυνατότητα πλυσίματος είναι επίσης ένα ουσιαστικό κριτήριο αξιολόγησης του TATSA ως συσκευής αποκλειστικά από υφάσματα.Για να αξιολογήσουμε την ικανότητα πλύσης, δοκιμάσαμε την τάση εξόδου του αισθητήρα μετά το πλύσιμο στο πλυντήριο του TATSA σύμφωνα με τη Μέθοδο δοκιμής 135-2017 της Αμερικανικής Ένωσης Χημικών και Χρωματιστών Κλωστοϋφαντουργίας (AATCC).Η λεπτομερής διαδικασία πλύσης περιγράφεται στα Υλικά και Μέθοδοι.Όπως φαίνεται στο Σχ. 3ΣΤ, οι ηλεκτρικές έξοδοι καταγράφηκαν μετά από πλύσιμο 20 φορές και 40 φορές, γεγονός που απέδειξε ότι δεν υπήρχαν ευδιάκριτες αλλαγές της τάσης εξόδου κατά τη διάρκεια των δοκιμών πλύσης.Αυτά τα αποτελέσματα επαληθεύουν την αξιοσημείωτη ικανότητα πλύσης του TATSA.Ως αισθητήρας υφασμάτων που μπορεί να φορεθεί, διερευνήσαμε επίσης την απόδοση εξόδου όταν το TATSA ήταν σε εφελκυσμό (εικ. S18), στριμμένο (εικ. S19) και διαφορετική υγρασία (εικ. S20).
Με βάση τα πολυάριθμα πλεονεκτήματα του TATSA που παρουσιάστηκαν παραπάνω, αναπτύξαμε ένα ασύρματο κινητό σύστημα παρακολούθησης υγείας (WMHMS), το οποίο έχει τη δυνατότητα να λαμβάνει συνεχώς φυσιολογικά σήματα και στη συνέχεια να παρέχει επαγγελματικές συμβουλές για έναν ασθενή.Το σχήμα 4Α δείχνει το διάγραμμα σχήματος του WMHMS που βασίζεται στο TATSA.Το σύστημα έχει τέσσερα εξαρτήματα: το TATSA για την απόκτηση των αναλογικών φυσιολογικών σημάτων, ένα αναλογικό κύκλωμα κλιματισμού με φίλτρο χαμηλής διέλευσης (MAX7427) και έναν ενισχυτή (MAX4465) για την εξασφάλιση επαρκών λεπτομερειών και άριστο συγχρονισμό σημάτων, αναλογικό προς ψηφιακό μετατροπέας που βασίζεται σε μονάδα μικροελεγκτή για τη συλλογή και μετατροπή των αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά σήματα και μια μονάδα Bluetooth (τσιπ Bluetooth χαμηλής κατανάλωσης CC2640) για τη μετάδοση του ψηφιακού σήματος στην εφαρμογή τερματικού κινητού τηλεφώνου (APP; Huawei Honor 9).Σε αυτή τη μελέτη, ράψαμε το TATSA απρόσκοπτα σε μια δαντέλα, ένα περικάρπιο, ένα δάχτυλο και μια κάλτσα, όπως φαίνεται στο Σχ. 4Β.
(Α) Απεικόνιση του WMHMS.(Β) Φωτογραφίες των TATSA ραμμένες σε βραχιολάκι, δακτύλους, κάλτσα και ιμάντα στήθους, αντίστοιχα.Μέτρηση του παλμού στον (C1) λαιμό, (D1) στον καρπό, (E1) στο άκρο του δακτύλου και (F1) στον αστράγαλο.Κυματομορφή παλμού στον (C2) λαιμό, (D2) στον καρπό, (E2) στο άκρο του δακτύλου και (F2) στον αστράγαλο.(Ζ) Παλμικές κυματομορφές διαφορετικών ηλικιών.(Η) Ανάλυση μονού παλμικού κύματος.Δείκτης ακτινικής αύξησης (AIx) που ορίζεται ως AIx (%) = P2/P1.Το P1 είναι η κορυφή του προωθούμενου κύματος και το P2 είναι η κορυφή του ανακλώμενου κύματος.(I) Ένας παλμικός κύκλος του βραχιονίου και του αστραγάλου.Η ταχύτητα παλμικού κύματος (PWV) ορίζεται ως PWV = D/∆T.D είναι η απόσταση μεταξύ του αστραγάλου και του βραχιόνιου.ΔT είναι η χρονική καθυστέρηση μεταξύ των κορυφών των κυμάτων του αστραγάλου και του βραχιονίου παλμού.PTT, χρόνος μετάδοσης παλμών.(J) Σύγκριση AIx και PWV βραχιονίου αστραγάλου (BAPWV) μεταξύ υγιών και CAD.*P <0,01, **P <0,001 και ***P <0,05.HTN, υπέρταση;ΣΝ, στεφανιαία νόσος;ΣΔ, σακχαρώδης διαβήτης.Φωτογραφία: Jin Yang, Πανεπιστήμιο Chongqing.
Για να παρακολουθήσουμε τα σήματα παλμών των διαφορετικών τμημάτων του ανθρώπινου σώματος, συνδέσαμε τις προαναφερθείσες διακοσμήσεις με TATSA στις αντίστοιχες θέσεις: λαιμός (Εικ. 4C1), καρπός (Εικ. 4D1), άκρη του δακτύλου (Εικ. 4Ε1) και αστράγαλος (Εικ. 4F1). ), όπως αναλύεται στις ταινίες S3 έως S6.Στην ιατρική, υπάρχουν τρία ουσιαστικά σημεία χαρακτηριστικών στο παλμικό κύμα: η κορυφή του προωθούμενου κύματος P1, η κορυφή του ανακλώμενου κύματος P2 και η κορυφή του δικρωτικού κύματος P3.Τα χαρακτηριστικά αυτών των χαρακτηριστικών σημείων αντικατοπτρίζουν την κατάσταση υγείας της αρτηριακής ελαστικότητας, της περιφερικής αντίστασης και της συσταλτικότητας της αριστερής κοιλίας που σχετίζεται με το καρδιαγγειακό σύστημα.Οι παλμικές κυματομορφές μιας 25χρονης γυναίκας στις παραπάνω τέσσερις θέσεις αποκτήθηκαν και καταγράφηκαν στη δοκιμή μας.Σημειώστε ότι τα τρία διακριτά σημεία χαρακτηριστικών (P1 έως P3) παρατηρήθηκαν στην κυματομορφή του παλμού στις θέσεις του λαιμού, του καρπού και των άκρων των δακτύλων, όπως φαίνεται στην Εικ. 4 (C2 έως E2).Αντίθετα, μόνο τα P1 και P3 εμφανίστηκαν στην κυματομορφή του παλμού στη θέση του αστραγάλου και το P2 δεν ήταν παρόν (Εικ. 4F2).Αυτό το αποτέλεσμα προκλήθηκε από την υπέρθεση του εισερχόμενου κύματος αίματος που εκτοξεύτηκε από την αριστερή κοιλία και του ανακλώμενου κύματος από τα κάτω άκρα (44).Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι το P2 εμφανίζεται σε κυματομορφές που μετρώνται στα άνω άκρα αλλά όχι στον αστράγαλο (45, 46).Παρατηρήσαμε παρόμοια αποτελέσματα στις κυματομορφές που μετρήθηκαν με το TATSA, όπως φαίνεται στο σχ.S21, το οποίο δείχνει τυπικά δεδομένα από τον πληθυσμό των 80 ασθενών που μελετήθηκαν εδώ.Μπορούμε να δούμε ότι το P2 δεν εμφανίστηκε σε αυτές τις κυματομορφές παλμού που μετρήθηκαν στον αστράγαλο, αποδεικνύοντας την ικανότητα του TATSA να ανιχνεύει λεπτές ιδιότητες εντός της κυματομορφής.Αυτά τα αποτελέσματα μέτρησης παλμών υποδεικνύουν ότι το WMHMS μας μπορεί να αποκαλύψει με ακρίβεια τα χαρακτηριστικά παλμικού κύματος του άνω και κάτω σώματος και ότι είναι ανώτερο από άλλα έργα (41, 47).Για να υποδείξουμε περαιτέρω ότι το TATSA μας μπορεί να εφαρμοστεί ευρέως σε διαφορετικές ηλικίες, μετρήσαμε τις κυματομορφές παλμών 80 ατόμων σε διαφορετικές ηλικίες και δείξαμε ορισμένα τυπικά δεδομένα, όπως φαίνεται στο σχήμα.S22.Όπως φαίνεται στο Σχ. 4G, επιλέξαμε τρεις συμμετέχοντες ηλικίας 25, 45 και 65 ετών και τα τρία χαρακτηριστικά γνωρίσματα ήταν προφανή για τους νεαρούς και μεσήλικες συμμετέχοντες.Σύμφωνα με την ιατρική βιβλιογραφία (48), τα χαρακτηριστικά των κυματομορφών παλμών των περισσότερων ανθρώπων αλλάζουν καθώς γερνούν, όπως η εξαφάνιση του σημείου P2, το οποίο προκαλείται από το ανακλώμενο κύμα που μετακινείται προς τα εμπρός για να επιτεθεί στο προοδευόμενο κύμα μέσω της μείωσης του αγγειακή ελαστικότητα.Αυτό το φαινόμενο αντικατοπτρίζεται επίσης στις κυματομορφές που συλλέξαμε, επαληθεύοντας περαιτέρω ότι το TATSA μπορεί να εφαρμοστεί σε διαφορετικούς πληθυσμούς.
Η κυματομορφή παλμού επηρεάζεται όχι μόνο από τη φυσιολογική κατάσταση του ατόμου αλλά και από τις συνθήκες δοκιμής.Επομένως, μετρήσαμε τα σήματα παλμού υπό διαφορετική στεγανότητα επαφής μεταξύ του TATSA και του δέρματος (εικ. S23) και διάφορες θέσεις ανίχνευσης στο σημείο μέτρησης (εικ. S24).Μπορεί να βρεθεί ότι το TATSA μπορεί να αποκτήσει συνεπείς κυματομορφές παλμών με λεπτομερείς πληροφορίες γύρω από το σκάφος σε μια μεγάλη περιοχή αποτελεσματικής ανίχνευσης στο σημείο μέτρησης.Επιπλέον, υπάρχουν διακριτά σήματα εξόδου υπό διαφορετική στεγανότητα επαφής μεταξύ του TATSA και του δέρματος.Επιπλέον, η κίνηση των ατόμων που φορούν τους αισθητήρες θα επηρεάσει τα σήματα παλμών.Όταν ο καρπός του ατόμου βρίσκεται σε στατική κατάσταση, το πλάτος της λαμβανόμενης κυματομορφής παλμού είναι σταθερό (εικ. S25A).αντίστροφα, όταν ο καρπός κινείται αργά υπό γωνία από -70° έως 70° κατά τη διάρκεια 30 δευτερολέπτων, το πλάτος της κυματομορφής του παλμού θα κυμαίνεται (εικ. S25B).Ωστόσο, το περίγραμμα κάθε κυματομορφής παλμού είναι ορατό και ο ρυθμός παλμού μπορεί ακόμα να ληφθεί με ακρίβεια.Προφανώς, για να επιτευχθεί σταθερή απόκτηση παλμικών κυμάτων στην ανθρώπινη κίνηση, απαιτείται περαιτέρω έρευνα, συμπεριλαμβανομένου του σχεδιασμού του αισθητήρα και της επεξεργασίας σήματος back-end.
Επιπλέον, για να αναλύσουμε και να αξιολογήσουμε ποσοτικά την κατάσταση του καρδιαγγειακού συστήματος μέσω των αποκτηθέντων παλμικών κυματομορφών χρησιμοποιώντας το TATSA μας, εισαγάγαμε δύο αιμοδυναμικές παραμέτρους σύμφωνα με τις προδιαγραφές αξιολόγησης του καρδιαγγειακού συστήματος, δηλαδή τον δείκτη αύξησης (AIx) και την ταχύτητα κύματος παλμού. (PWV), που αντιπροσωπεύουν την ελαστικότητα των αρτηριών.Όπως φαίνεται στο Σχ. 4Η, η κυματομορφή παλμού στη θέση του καρπού του 25χρονου υγιούς άνδρα χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση του AIx.Σύμφωνα με τον τύπο (τμήμα S1), προέκυψε AIx = 60%, που είναι μια κανονική τιμή.Στη συνέχεια, συλλέξαμε ταυτόχρονα δύο κυματομορφές παλμού στις θέσεις του βραχίονα και του αστραγάλου αυτού του συμμετέχοντος (η λεπτομερής μέθοδος μέτρησης της κυματομορφής παλμού περιγράφεται στα Υλικά και Μέθοδοι).Όπως φαίνεται στο Σχ. 4Ι, τα σημεία χαρακτηριστικών των δύο κυματομορφών παλμού ήταν διακριτά.Στη συνέχεια υπολογίσαμε το PWV σύμφωνα με τον τύπο (τμήμα S1).Λήφθηκε PWV = 1363 cm/s, που είναι μια χαρακτηριστική τιμή που αναμένεται από έναν υγιή ενήλικα αρσενικό.Από την άλλη πλευρά, μπορούμε να δούμε ότι οι μετρήσεις του AIx ή του PWV δεν επηρεάζονται από τη διαφορά πλάτους της κυματομορφής του παλμού και οι τιμές του AIx σε διαφορετικά μέρη του σώματος είναι διαφορετικές.Στη μελέτη μας χρησιμοποιήθηκε το ακτινωτό AIx.Για να επαληθεύσουμε την εφαρμογή του WMHMS σε διαφορετικά άτομα, επιλέξαμε 20 συμμετέχοντες στην υγιή ομάδα, 20 στην ομάδα υπέρτασης (HTN), 20 στην ομάδα της στεφανιαίας νόσου (CHD) ηλικίας 50 έως 59 ετών και 20 στην ομάδα ομάδα σακχαρώδους διαβήτη (ΣΔ).Μετρήσαμε τα παλμικά τους κύματα και συγκρίναμε τις δύο παραμέτρους τους, AIx και PWV, όπως παρουσιάζονται στο Σχ. 4J.Μπορεί να βρεθεί ότι οι τιμές PWV των ομάδων HTN, CHD και DM ήταν χαμηλότερες σε σύγκριση με αυτές της υγιούς ομάδας και έχουν στατιστική διαφορά (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 και PDM ≪ 0,001· οι τιμές P υπολογίστηκαν με t δοκιμή).Εν τω μεταξύ, οι τιμές AIx των ομάδων HTN και CHD ήταν χαμηλότερες σε σύγκριση με την υγιή ομάδα και έχουν στατιστική διαφορά (PHTN < 0,01, PCHD < 0,001 και PDM < 0,05).Το PWV και το AIx των συμμετεχόντων με ΣΝ, HTN ή ΣΔ ήταν υψηλότερα από αυτά της υγιούς ομάδας.Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το TATSA είναι ικανό να λαμβάνει με ακρίβεια την κυματομορφή παλμού για να υπολογίσει την καρδιαγγειακή παράμετρο για να αξιολογήσει την κατάσταση της καρδιαγγειακής υγείας.Συμπερασματικά, λόγω των χαρακτηριστικών ασύρματης, υψηλής ανάλυσης, υψηλής ευαισθησίας και άνεσης, το WMHMS που βασίζεται στο TATSA παρέχει μια πιο αποτελεσματική εναλλακτική λύση για παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο από τον τρέχοντα ακριβό ιατρικό εξοπλισμό που χρησιμοποιείται στα νοσοκομεία.
Εκτός από το παλμικό κύμα, οι αναπνευστικές πληροφορίες είναι επίσης ένα πρωταρχικό ζωτικό σημάδι που βοηθά στην αξιολόγηση της φυσικής κατάστασης ενός ατόμου.Η παρακολούθηση της αναπνοής με βάση το TATSA μας είναι πιο ελκυστική από τη συμβατική πολυυπνογραφία γιατί μπορεί να ενσωματωθεί απρόσκοπτα στα ρούχα για καλύτερη άνεση.Ραμμένο σε λευκό ελαστικό ιμάντα στήθους, το TATSA δέθηκε απευθείας στο ανθρώπινο σώμα και στερεώθηκε γύρω από το στήθος για παρακολούθηση της αναπνοής (Εικ. 5Α και ταινία S7).Το TATSA παραμορφώθηκε με τη διαστολή και τη συστολή του θώρακα, με αποτέλεσμα μια ηλεκτρική έξοδο.Η αποκτηθείσα κυματομορφή επαληθεύεται στο Σχ. 5Β.Το σήμα με μεγάλες διακυμάνσεις (πλάτος 1,8 V) και περιοδικές αλλαγές (συχνότητα 0,5 Hz) αντιστοιχούσε στην αναπνευστική κίνηση.Το σχετικά μικρό σήμα διακύμανσης υπερτέθηκε σε αυτό το σήμα μεγάλης διακύμανσης, το οποίο ήταν το σήμα του καρδιακού παλμού.Σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά συχνότητας των σημάτων αναπνοής και καρδιακού παλμού, χρησιμοποιήσαμε ένα χαμηλοπερατό φίλτρο 0,8 Hz και ένα φίλτρο ζώνης 0,8 έως 20 Hz για να διαχωρίσουμε τα σήματα αναπνοής και καρδιακού παλμού, αντίστοιχα, όπως φαίνεται στην Εικ. 5C .Σε αυτή την περίπτωση, σταθερά αναπνευστικά και παλμικά σήματα με άφθονες φυσιολογικές πληροφορίες (όπως ο αναπνευστικός ρυθμός, ο καρδιακός ρυθμός και τα σημεία χαρακτηριστικών του παλμικού κύματος) λήφθηκαν ταυτόχρονα και με ακρίβεια τοποθετώντας απλώς το μονό TATSA στο στήθος.
(Α) Φωτογραφία που δείχνει την οθόνη του TATSA που τοποθετείται στο στήθος για τη μέτρηση του σήματος στην πίεση που σχετίζεται με την αναπνοή.(Β) Οικόπεδο τάσης-χρόνου για το TATSA τοποθετημένο στο στήθος.(Γ) Αποσύνθεση του σήματος (Β) στον καρδιακό παλμό και την αναπνευστική κυματομορφή.(Δ) Φωτογραφία που δείχνει δύο TATSA τοποθετημένα στην κοιλιά και στον καρπό για τη μέτρηση της αναπνοής και του σφυγμού, αντίστοιχα, κατά τη διάρκεια του ύπνου.(Ε) Αναπνευστικά και παλμικά σήματα υγιούς συμμετέχοντα.HR, καρδιακός ρυθμός;BPM, παλμοί ανά λεπτό.(ΣΤ) Αναπνευστικά και παλμικά σήματα ενός συμμετέχοντος SAS.(Ζ) Αναπνευστικό σήμα και PTT ενός υγιούς συμμετέχοντος.(Η) Αναπνευστικό σήμα και PTT ενός συμμετέχοντος SAS.(Ι) Σχέση μεταξύ του δείκτη διέγερσης PTT και του δείκτη άπνοιας-υποπνοίας (AHI).Φωτογραφία: Wenjing Fan, Πανεπιστήμιο Chongqing.
Για να αποδείξουμε ότι ο αισθητήρας μας μπορεί να παρακολουθεί με ακρίβεια και αξιοπιστία τους παλμούς και τα αναπνευστικά σήματα, πραγματοποιήσαμε ένα πείραμα για να συγκρίνουμε τα αποτελέσματα μέτρησης των σημάτων παλμού και αναπνοής μεταξύ των TATSA μας και ενός τυπικού ιατρικού οργάνου (MHM-6000B), όπως περιγράφεται στις ταινίες S8 και S9.Στη μέτρηση παλμικού κύματος, ο φωτοηλεκτρικός αισθητήρας του ιατρικού οργάνου φορέθηκε στον αριστερό δείκτη μιας νεαρής κοπέλας και εν τω μεταξύ το ΤΑΤΣΑ μας φορούσε στο δεξί της δείκτη.Από τις δύο αποκτηθείσες κυματομορφές παλμού, μπορούμε να δούμε ότι τα περιγράμματα και οι λεπτομέρειές τους ήταν πανομοιότυπα, υποδεικνύοντας ότι ο παλμός που μετρήθηκε από το TATSA είναι εξίσου ακριβής με εκείνον του ιατρικού οργάνου.Στη μέτρηση αναπνευστικών κυμάτων, πέντε ηλεκτροκαρδιογραφικά ηλεκτρόδια προσαρτήθηκαν σε πέντε περιοχές στο σώμα ενός νεαρού άνδρα σύμφωνα με τις ιατρικές οδηγίες.Αντίθετα, μόνο ένα TATSA ήταν δεμένο απευθείας στο σώμα και ασφαλισμένο γύρω από το στήθος.Από τα αναπνευστικά σήματα που συλλέχθηκαν, μπορεί να φανεί ότι η τάση διακύμανσης και ο ρυθμός του σήματος αναπνοής που ανιχνεύτηκε από το TATSA ήταν σύμφωνο με αυτό του ιατρικού οργάνου.Αυτά τα δύο πειράματα σύγκρισης επικύρωσαν την ακρίβεια, την αξιοπιστία και την απλότητα του συστήματος αισθητήρων μας για την παρακολούθηση των σημάτων παλμών και αναπνοής.
Επιπλέον, κατασκευάσαμε ένα έξυπνο ρούχο και ράψαμε δύο TATSA στη θέση της κοιλιάς και του καρπού για την παρακολούθηση των αναπνευστικών και παλμικών σημάτων, αντίστοιχα.Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε ένα ανεπτυγμένο WMHMS διπλού καναλιού για την ταυτόχρονη λήψη του παλμού και των αναπνευστικών σημάτων.Μέσω αυτού του συστήματος, λάβαμε τα αναπνευστικά και παλμικά σήματα ενός 25χρονου άνδρα ντυμένου με τα έξυπνα ρούχα μας ενώ κοιμόταν (Εικ. 5D και ταινία S10) και καθόταν (εικ. S26 και ταινία S11).Τα ληφθέντα αναπνευστικά και παλμικά σήματα θα μπορούσαν να μεταδοθούν ασύρματα στην APP του κινητού τηλεφώνου.Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, το TATSA έχει την ικανότητα να συλλαμβάνει αναπνευστικά και παλμικά σήματα.Αυτά τα δύο φυσιολογικά σήματα είναι επίσης τα κριτήρια για την ιατρική εκτίμηση του SAS.Επομένως, το TATSA μας μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση και αξιολόγηση της ποιότητας του ύπνου και των σχετικών διαταραχών ύπνου.Όπως φαίνεται στο Σχ. 5 (Ε και ΣΤ, αντίστοιχα), μετρήσαμε συνεχώς τον παλμό και την αναπνευστική κυματομορφή δύο συμμετεχόντων, ενός υγιούς και ενός ασθενούς με SAS.Για το άτομο χωρίς άπνοια, οι μετρημένοι ρυθμοί αναπνοής και σφυγμού παρέμειναν σταθεροί στο 15 και 70, αντίστοιχα.Για τον ασθενή με SAS, παρατηρήθηκε μια διακριτή άπνοια για 24 δευτερόλεπτα, η οποία αποτελεί ένδειξη αποφρακτικού αναπνευστικού συμβάντος, και ο καρδιακός ρυθμός αυξήθηκε ελαφρώς μετά από μια περίοδο άπνοιας λόγω της ρύθμισης του νευρικού συστήματος (49).Συνοπτικά, η αναπνευστική κατάσταση μπορεί να αξιολογηθεί από το TATSA μας.
Για να αξιολογήσουμε περαιτέρω τον τύπο του SAS μέσω παλμικών και αναπνευστικών σημάτων, αναλύσαμε τον χρόνο διέλευσης παλμών (PTT), έναν μη επεμβατικό δείκτη που αντικατοπτρίζει τις αλλαγές στην περιφερική αγγειακή αντίσταση και την ενδοθωρακική πίεση (που ορίζεται στην ενότητα S1) ενός υγιούς άνδρα και ενός ασθενούς με SAS.Για τον υγιή συμμετέχοντα, ο αναπνευστικός ρυθμός παρέμεινε αμετάβλητος και το PTT ήταν σχετικά σταθερό από 180 έως 310 ms (Εικ. 5G).Ωστόσο, για τον συμμετέχοντα SAS, το PTT αυξανόταν συνεχώς από 120 σε 310 ms κατά τη διάρκεια της άπνοιας (Εικ. 5Η).Έτσι, ο συμμετέχων διαγνώστηκε με αποφρακτικό SAS (OSAS).Εάν η αλλαγή στο PTT μειώθηκε κατά τη διάρκεια της άπνοιας, τότε η κατάσταση θα προσδιοριζόταν ως σύνδρομο κεντρικής άπνοιας ύπνου (CSAS) και εάν υπήρχαν και τα δύο αυτά συμπτώματα ταυτόχρονα, τότε θα διαγνωστεί ως μικτό SAS (MSAS).Για να αξιολογήσουμε τη σοβαρότητα του SAS, αναλύσαμε περαιτέρω τα συλλεγμένα σήματα.Ο δείκτης διέγερσης PTT, που είναι ο αριθμός των διεγέρσεων PTT ανά ώρα (η διέγερση PTT ορίζεται ως η πτώση της PTT ≥15 ms που διαρκεί για ≥3 s), παίζει ζωτικό ρόλο στην αξιολόγηση του βαθμού SAS.Ο δείκτης άπνοιας-υποπνοίας (AHI) είναι ένα πρότυπο για τον προσδιορισμό του βαθμού SAS (άπνοια είναι η διακοπή της αναπνοής και η υπόπνοια είναι υπερβολικά ρηχή αναπνοή ή ασυνήθιστα χαμηλός αναπνευστικός ρυθμός), που ορίζεται ως ο αριθμός των άπνοιας και της υπόπνοιας ανά ώρα ύπνου (η σχέση μεταξύ του AHI και των κριτηρίων αξιολόγησης για το OSAS φαίνεται στον πίνακα S2).Για τη διερεύνηση της σχέσης μεταξύ του AHI και του δείκτη διέγερσης PTT, επιλέχθηκαν τα αναπνευστικά σήματα 20 ασθενών με SAS και αναλύθηκαν με TATSA.Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5I, ο δείκτης διέγερσης PTT συσχετίστηκε θετικά με το AHI, καθώς η άπνοια και η υπόπνοια κατά τη διάρκεια του ύπνου προκαλούν την εμφανή και παροδική αύξηση της αρτηριακής πίεσης, οδηγώντας σε μείωση του PTT.Ως εκ τούτου, το TATSA μας μπορεί να λάβει σταθερά και ακριβή σήματα παλμών και αναπνοής ταυτόχρονα, παρέχοντας έτσι σημαντικές φυσιολογικές πληροφορίες για το καρδιαγγειακό σύστημα και το SAS για την παρακολούθηση και αξιολόγηση σχετικών ασθενειών.
Συνοπτικά, αναπτύξαμε ένα TATSA χρησιμοποιώντας την πλήρη βελονιά ζακέτας για την ταυτόχρονη ανίχνευση διαφορετικών φυσιολογικών σημάτων.Αυτός ο αισθητήρας διέθετε υψηλή ευαισθησία 7,84 mV Pa−1, γρήγορο χρόνο απόκρισης 20 ms, υψηλή σταθερότητα άνω των 100.000 κύκλων και μεγάλο εύρος ζώνης συχνότητας εργασίας.Με βάση το TATSA, αναπτύχθηκε επίσης ένα WMHMS για τη μετάδοση των μετρούμενων φυσιολογικών παραμέτρων σε ένα κινητό τηλέφωνο.Το TATSA μπορεί να ενσωματωθεί σε διαφορετικές τοποθεσίες ρούχων για αισθητικό σχεδιασμό και να χρησιμοποιηθεί για την ταυτόχρονη παρακολούθηση του παλμού και των αναπνευστικών σημάτων σε πραγματικό χρόνο.Το σύστημα μπορεί να εφαρμοστεί για να βοηθήσει στη διάκριση μεταξύ υγιών ατόμων και ατόμων με CAD ή SAS λόγω της ικανότητάς του να συλλαμβάνει λεπτομερείς πληροφορίες.Αυτή η μελέτη παρείχε μια άνετη, αποτελεσματική και φιλική προς το χρήστη προσέγγιση για τη μέτρηση του ανθρώπινου παλμού και της αναπνοής, αντιπροσωπεύοντας μια πρόοδο στην ανάπτυξη φορητών ηλεκτρονικών υφασμάτων.
Ο ανοξείδωτος χάλυβας πέρασε επανειλημμένα από το καλούπι και τεντώθηκε για να σχηματίσει μια ίνα με διάμετρο 10 μm.Μια ίνα από ανοξείδωτο χάλυβα ως το ηλεκτρόδιο εισήχθη σε πολλά κομμάτια μονόφυλλων νημάτων από τερυλένιο του εμπορίου.
Μια γεννήτρια συναρτήσεων (Stanford DS345) και ένας ενισχυτής (LabworkPa-13) χρησιμοποιήθηκαν για την παροχή ενός ημιτονοειδούς σήματος πίεσης.Ένας αισθητήρας δύναμης διπλού εύρους (Vernier Software & Technology LLC) χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της εξωτερικής πίεσης που εφαρμόζεται στο TATSA.Ένα ηλεκτρόμετρο συστήματος Keithley (Keithley 6514) χρησιμοποιήθηκε για την παρακολούθηση και την καταγραφή της τάσης και του ρεύματος εξόδου του TATSA.
Σύμφωνα με τη μέθοδο δοκιμής AATCC 135-2017, χρησιμοποιήσαμε το TATSA και αρκετό έρμα ως φορτίο 1,8 κιλών και στη συνέχεια τα τοποθετήσαμε σε ένα εμπορικό πλυντήριο (Labtex LBT-M6T) για να εκτελέσουμε ευαίσθητους κύκλους πλύσης στο πλυντήριο.Στη συνέχεια, γεμίσαμε το πλυντήριο με 18 γαλόνια νερού στους 25°C και ρυθμίσαμε το πλυντήριο για τον επιλεγμένο κύκλο και χρόνο πλύσης (ταχύτητα ανάδευσης, 119 χτυπήματα ανά λεπτό, χρόνος πλύσης, 6 λεπτά, τελική ταχύτητα στυψίματος, 430 rpm, τελικός χρόνος στυψίματος, 3 λεπτά).Τελευταία, το TATSA κρεμάστηκε στεγνό σε ήρεμο αέρα σε θερμοκρασία δωματίου όχι μεγαλύτερη από 26°C.
Τα άτομα έλαβαν οδηγίες να ξαπλώσουν σε ύπτια θέση στο κρεβάτι.Το TATSA τοποθετήθηκε στα σημεία μέτρησης.Μόλις τα άτομα ήταν σε τυπική ύπτια θέση, διατήρησαν μια εντελώς χαλαρή κατάσταση για 5 έως 10 λεπτά.Στη συνέχεια άρχισε να μετριέται το σήμα παλμού.
Συμπληρωματικό υλικό για αυτό το άρθρο είναι διαθέσιμο στη διεύθυνση https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Εικ. S9.Αποτέλεσμα προσομοίωσης της κατανομής δύναμης ενός TATSA υπό ασκούμενες πιέσεις στα 0,2 kPa χρησιμοποιώντας το λογισμικό COMSOL.
Εικ. S10.Αποτελέσματα προσομοίωσης της κατανομής δύναμης μιας μονάδας επαφής υπό τις ασκούμενες πιέσεις στα 0,2 και 2 kPa, αντίστοιχα.
Εικ. S11.Πλήρεις σχηματικές απεικονίσεις της μεταφοράς φορτίου μιας μονάδας επαφής υπό συνθήκες βραχυκυκλώματος.
Εικ. S13.Συνεχής τάση και ρεύμα εξόδου του TATSA ως απόκριση στη συνεχώς εφαρμοζόμενη εξωτερική πίεση σε έναν κύκλο μέτρησης.
Εικ. S14.Απόκριση τάσης σε διάφορους αριθμούς μονάδων βρόχου στην ίδια περιοχή υφάσματος, όταν διατηρείται αμετάβλητος ο αριθμός βρόχου προς την κατεύθυνση Wale.
Εικ. S15.Σύγκριση μεταξύ των επιδόσεων εξόδου των δύο υφασμάτινων αισθητήρων που χρησιμοποιούν την πλήρη βελονιά ζακέτας και την απλή βελονιά.
Εικ. S16.Διαγράμματα που δείχνουν αποκρίσεις συχνότητας στη δυναμική πίεση 1 kPa και συχνότητα εισόδου πίεσης 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 και 20 Hz.
Εικ. S25.Οι τάσεις εξόδου του αισθητήρα όταν το θέμα βρισκόταν σε συνθήκες στατικής και κίνησης.
Εικ. S26.Φωτογραφία που δείχνει τα TATSA τοποθετημένα στην κοιλιά και στον καρπό ταυτόχρονα για τη μέτρηση της αναπνοής και του σφυγμού, αντίστοιχα.
Αυτό είναι ένα άρθρο ανοιχτής πρόσβασης που διανέμεται υπό τους όρους της άδειας Creative Commons Attribution-NonCommercial, η οποία επιτρέπει τη χρήση, τη διανομή και την αναπαραγωγή σε οποιοδήποτε μέσο, εφόσον η προκύπτουσα χρήση δεν είναι για εμπορικό πλεονέκτημα και υπό την προϋπόθεση ότι το πρωτότυπο έργο είναι σωστά αναφέρεται.
ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Ζητάμε μόνο τη διεύθυνση email σας, ώστε το άτομο στο οποίο προτείνετε τη σελίδα να γνωρίζει ότι θέλατε να τη δει και ότι δεν πρόκειται για ανεπιθύμητη αλληλογραφία.Δεν καταγράφουμε καμία διεύθυνση email.
Από Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Αναπτύχθηκε ένας τριβοηλεκτρικός αισθητήρας εξ ολοκλήρου από ύφασμα με υψηλή ευαισθησία πίεσης και άνεση για την παρακολούθηση της υγείας.
Από Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Αναπτύχθηκε ένας τριβοηλεκτρικός αισθητήρας εξ ολοκλήρου από ύφασμα με υψηλή ευαισθησία πίεσης και άνεση για την παρακολούθηση της υγείας.
© 2020 American Association for the Advancement of Science.Ολα τα δικαιώματα διατηρούνται.Η AAAS είναι συνεργάτης των HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef και COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Ώρα δημοσίευσης: Μαρ-27-2020