Portebla teksa elektroniko estas tre dezirinda por realigi personigitan sanadministradon.Tamen, plej raportita teksa elektroniko povas aŭ periode celi ununuran fiziologian signalon aŭ maltrafi la eksplicitajn detalojn de la signaloj, kondukante al parta santakso.Krome, teksaĵoj kun bonega posedaĵo kaj komforto ankoraŭ restas defio.Ĉi tie, ni raportas triboelektran tuttekstilan sensilaron kun alta prema sentemo kaj komforto.Ĝi elmontras la premsentemon (7.84 mV Pa−1), rapidan respondtempon (20 ms), stabilecon (>100,000 cikloj), larĝan laborfrekvencan bendolarĝon (ĝis 20 Hz), kaj maŝinlaveblon (>40 lavoj).La fabrikitaj TATSAoj estis kudritaj en malsamaj partoj de vestaĵoj por monitori la arteriajn pulsondojn kaj spirajn signalojn samtempe.Ni plue evoluigis sanmonitoradsistemon por longtempa kaj neinvasiva taksado de kardiovaskula malsano kaj dormapnea sindromo, kiu elmontras grandan progreson por kvanta analizo de iuj kronikaj malsanoj.
Portebla elektroniko reprezentas fascinan ŝancon pro siaj promesplenaj aplikoj en personigita medicino.Ili povas monitori la staton de individuo en kontinua, realtempa, kaj neinvasiva maniero (1-11).Pulso kaj spirado, kiel du nemalhaveblaj komponentoj de esencaj signoj, povas provizi kaj precizan takson de la fiziologia stato kaj rimarkindajn sciojn pri la diagnozo kaj prognozo de rilataj malsanoj (12-21).Ĝis nun, plej portebla elektroniko por detektado de subtilaj fiziologiaj signaloj baziĝas sur ultramaldikaj substratoj kiel polietilen tereftalato, polidimetilsiloksano, poliimido, vitro kaj silikono (22–26).Malavantaĝo de ĉi tiuj substratoj por uzo sur la haŭto kuŝas sur iliaj ebenaj kaj rigidaj formatoj.Kiel rezulto, bendoj, Band-Aids, aŭ aliaj mekanikaj fiksaĵoj estas postulataj por establi kompaktan kontakton inter portebla elektroniko kaj homa haŭto, kiu povas kaŭzi koleron kaj ĝenon dum plilongigitaj periodoj de uzo (27, 28).Plie, ĉi tiuj substratoj havas malbonan aerpermeablon, rezultigante malkomforton kiam ili estas uzataj por longdaŭra, kontinua sano-monitorado.Por mildigi la menciitajn problemojn en sanservo, precipe en ĉiutaga uzado, inteligentaj teksaĵoj proponas fidindan solvon.Ĉi tiuj teksaĵoj havas la karakterizaĵojn de moleco, malpeza pezo kaj spirebleco kaj, tiel, la potencialon por realigi komforton en portebla elektroniko.En la lastaj jaroj, intensaj klopodoj estis dediĉitaj por evoluigi tekstil-bazitajn sistemojn en sentemaj sensiloj, energirikoltlaboron, kaj stokadon (29-39).Aparte, sukcesa esplorado estis raportita pri optika fibro, piezoelektro, kaj resistive-bazitaj inteligentaj teksaĵoj aplikataj en la monitorado de pulsaj kaj spiraj signaloj (40-43).Tamen, ĉi tiuj inteligentaj teksaĵoj kutime havas malaltan sentemon kaj ununuran monitoran parametron kaj ne povas esti fabrikitaj grandskale (tabelo S1).Koncerne pulsmezuradon, detalajn informojn malfacilas kapti pro la malforta kaj rapida fluktuo de pulso (ekz., ĝiaj karakterizaj punktoj), kaj tiel, alta sentemo kaj taŭga frekvencresponda efikeco estas postulataj.
En ĉi tiu studo, ni enkondukas triboelektran tuttekstilan sensilaron (TATSA) kun alta sentemo por epiderma subtila premo-kaptado, trikita per konduktaj kaj nilonaj fadenoj en plena cardigan-kudrero.La TATSA povas disponigi altpremsentemon (7.84 mV Pa−1), rapidan respondtempon (20 ms), stabilecon (>100,000 cikloj), larĝan laborfrekvencan bendolarĝon (ĝis 20 Hz), kaj maŝinlaveblon (>40 lavoj).Ĝi kapablas integri sin oportune en vestaĵojn kun diskreteco, komforto kaj estetika alogo.Precipe, nia TATSA povas esti rekte korpigita en malsamaj lokoj de la ŝtofo, kiuj respondas al la pulsaj ondoj ĉe la kolo, pojno, fingropinto kaj maleolo pozicioj kaj al la spiraj ondoj en la abdomeno kaj brusto.Por taksi la bonegan agadon de la TATSA en realtempa kaj fora sano-monitorado, ni disvolvas personigitan inteligentan sanmonitoran sistemon por kontinue akiri kaj konservi fiziologiajn signalojn por la analizo de kardiovaskula malsano (CAD) kaj la taksado de dormapnea sindromo (SAS). ).
Kiel ilustrite en Fig. 1A, du TATSAoj estis kudritaj en la manumon kaj bruston de ĉemizo por ebligi la dinamikan kaj samtempan monitoradon de la pulso kaj spira signaloj, respektive.Ĉi tiuj fiziologiaj signaloj estis senditaj sendrate al la inteligenta poŝtelefona aplikaĵo (APP) por plia analizo de sanstato.Figuro 1B montras la TATSA kudritan en pecon de ŝtofo, kaj la enmetita montras la pligrandigitan vidon de la TATSA, kiu estis trikita uzante la karakterizan konduktan fadenon kaj komercan nilonfadenon kune en plena kardigankudrero.Kompare kun la fundamenta simpla kudrero, la plej ofta kaj baza trikmetodo, la plena kardigankudrero estis elektita ĉar la kontakto inter la buklokapo de la kondukta fadeno kaj la apuda tuckpunta kapo de la nilona fadeno (fig. S1) estas surfaco. prefere ol punktokontakto, kondukante al pli granda aktora areo por alta triboelektra efiko.Por prepari la konduktan fadenon, ni elektis neoksideblan ŝtalon kiel la fiksan kernan fibron, kaj pluraj pecoj de unu-tavolaj terilenaj fadenoj estis torditaj ĉirkaŭ la kernfibro en unu konduktan fadenon kun diametro de 0,2 mm (fig. S2), kiu servis kiel kaj la elektra surfaco kaj la kondukanta elektrodo.La nilona fadeno, kiu havis diametron de 0,15 mm kaj servis kiel alia elektra surfaco, havis fortan tirforton ĉar ĝi estis tordita de nekomputeblaj fadenoj (fig. S3).Figuro 1 (C kaj D, respektive) montras fotojn de la fabrikita kondukta fadeno kaj nilona fadeno.La enigaĵoj montras siajn respektivajn skanajn elektronmikroskopiajn (SEM) bildojn, kiuj prezentas tipan sekcon de la kondukta fadeno kaj la surfacon de la nilonfadeno.La alta tirforto de la konduktaj kaj nilonaj fadenoj certigis ilian teksadkapablon sur industria maŝino por konservi unuforman agadon de ĉiuj sensiloj.Kiel montrite en Fig. 1E, la konduktaj fadenoj, nilonaj fadenoj kaj ordinaraj fadenoj estis bobenitaj sur siaj respektivaj konusoj, kiuj tiam estis ŝarĝitaj sur la industria komputilizita plata trikmaŝino por aŭtomata teksado (filmo S1).Kiel montrite en fig.S4, pluraj TATSA-oj estis trikitaj kune kun ordinara ŝtofo uzante la industrian maŝinon.Ununura TATSA kun dikeco de 0,85 mm kaj pezo de 0,28 g povus esti tajlorita de la tuta strukturo por individua uzo, elmontrante sian bonegan kongruon kun aliaj ŝtofoj.Krome, TATSAoj povus esti desegnitaj en diversaj koloroj por plenumi estetikajn kaj modajn postulojn pro la diverseco de komercaj nilonaj fadenoj (Fig. 1F kaj fig. S5).La fabrikitaj TATSAoj havas bonegan molecon kaj la kapablon elteni severan fleksadon aŭ deformadon (fig. S6).Figuro 1G montras la TATSA kudritan rekte en la abdomenon kaj manumon de svetero.La procezo de trikado de la svetero estas montrita en fig.S7 kaj filmo S2.La detaloj de la antaŭa kaj malantaŭa flanko de la streĉita TATSA ĉe la abdomena pozicio estas montritaj en fig.S8 (A kaj B, respektive), kaj la pozicio de kondukta fadeno kaj nilona fadeno estas ilustrita en fig.S8C.Oni povas vidi ĉi tie, ke la TATSA povas esti enigita en ordinaraj ŝtofoj perfekte por diskreta kaj inteligenta aspekto.
(A) Du TATSAoj integritaj en ĉemizon por la monitorado de pulsaj kaj spiraj signaloj en reala tempo.(B) Skema ilustraĵo de la kombinaĵo de TATSA kaj vestaĵoj.La enmetita montras la pligrandigitan vidon de la sensilo.(C) Foto de la kondukta fadeno (skalo, 4 cm).La enmetita estas la SEM-bildo de la sekco de la kondukta fadeno (skalstango, 100 μm), kiu konsistas el neoksidebla ŝtalo kaj Terylene-fadenoj.(D) Foto de la nilona fadeno (skalo, 4 cm).La enmetita estas la SEM-bildo de la nilona fadensurfaco (skalstango, 100 μm).(E) Bildo de la komputilizita plata trikmaŝino faranta la aŭtomatan teksadon de la TATSAoj.(F) Foto de TATSAoj en malsamaj koloroj (skalstango, 2 cm).La enmetita estas la tordita TATSA, kiu pruvas sian bonegan molecon.(G) Foto de du TATSA-oj tute kaj senjunte kudritaj en sveteron.Fotokredito: Wenjing Fan, Universitato de Chongqing.
Por analizi la funkcian mekanismon de la TATSA, inkluzive de ĝiaj mekanikaj kaj elektraj trajtoj, ni konstruis geometrian trikan modelon de la TATSA, kiel montrite en Fig. 2A.Uzante la plenan cardigan-kudreron, la konduktaj kaj nilonaj fadenoj estas interligitaj en formoj de buklounuoj en la direkto kaj la direkto.Ununura buklostrukturo (fig. S1) konsistas el buklokapo, buklobrako, rip-kruca parto, tuck-kudredbrako, kaj tuck-kudredkapo.Du formoj de la kontaktsurfaco inter la du malsamaj fadenoj povas esti trovitaj: (i) la kontaktsurfaco inter la buklokapo de la kondukta fadeno kaj la tuck-kudredkapo de la nilonfadeno kaj (ii) la kontaktsurfaco inter la buklokapo de la nilona fadeno kaj la tuck-stitchkapo de la kondukta fadeno.
(A) La TATSA kun la antaŭaj, dekstraj kaj supraj flankoj de la trikitaj bukloj.(B) Simula rezulto de la fortodistribuo de TATSA sub aplikata premo de 2 kPa uzante la COMSOL-programaron.(C) Skemaj ilustraĵoj de la ŝargotransigo de kontaktunuo sub fuŝkontaktokondiĉoj.(D) Simuladrezultoj de la ŝargodistribuo de kontaktunuo sub malferma cirkvitkondiĉo uzante la COMSOL-softvaron.
La laborprincipo de la TATSA povas esti klarigita en du aspektoj: ekstera fortostimulado kaj ĝia induktita ŝargo.Por intuicie kompreni la streĉan distribuon en respondo al ekstera forto stimulo, ni uzis finia elemento analizo uzante COMSOL programaro ĉe malsamaj eksteraj fortoj de 2 kaj 0.2 kPa, kiel respektive montrita en Fig. 2B kaj fig.S9.La streso aperas sur la kontaktsurfacoj de du fadenoj.Kiel montrite en fig.S10, ni konsideris du buklo-unuojn por klarigi la streĉan distribuon.Komparante la streĉan distribuon sub du malsamaj eksteraj fortoj, la streĉo sur la surfacoj de la konduktaj kaj nilonaj fadenoj pliiĝas kun la pliigita ekstera forto, rezultigante la kontakton kaj eltruadon inter la du fadenoj.Post kiam la ekstera forto estas liberigita, la du fadenoj apartiĝas kaj malproksimiĝas unu de la alia.
La kontakto-disigaj movadoj inter la kondukta fadeno kaj nilona fadeno induktas ŝargan translokigon, kiu estas atribuita al la konjunkcio de triboelektrigo kaj elektrostatika indukto.Por klarigi la elektran generan procezon, ni analizas la sekcon de la areo kie la du fadenoj kontaktas unu kun la alia (Fig. 2C1).Kiel pruvite en Fig. 2 (C2 kaj C3, respektive), kiam la TATSA estas stimulita de la ekstera forto kaj la du fadenoj kontaktas unu kun la alia, elektrizo okazas sur la surfaco de la konduktaj kaj nilonaj fadenoj, kaj la ekvivalentaj ŝargoj kun kontraŭa. polarecoj estas generitaj sur la surfaco de la du fadenoj.Post kiam la du fadenoj disiĝas, pozitivaj ŝargoj estas induktitaj en la interna neoksidebla ŝtalo pro la elektrostatika indukta efiko.La kompleta skemo estas montrita en fig.S11.Por akiri pli kvantan komprenon pri la elektro-genera procezo, ni simulis la eblan distribuadon de la TATSA uzante COMSOL-programaron (Fig. 2D).Kiam la du materialoj estas en kontakto, la ŝargo ĉefe kolektas sur la frota materialo, kaj nur malgranda kvanto de induktita ŝargo ĉeestas sur la elektrodo, rezultigante la malgrandan potencialon (Fig. 2D, fundo).Kiam la du materialoj estas apartigitaj (Fig. 2D, supro), la induktita ŝargo sur la elektrodo pliiĝas pro la potenciala diferenco, kaj la responda potencialo pliiĝas, kio malkaŝas bonan kongruon inter la rezultoj akiritaj de la eksperimentoj kaj tiuj de la simulaĵoj. .Krome, ĉar la konduka elektrodo de la TATSA estas envolvita en Terylene-fadenoj kaj la haŭto estas en kontakto kun ambaŭ la du frikciomaterialoj, tial, kiam la TATSA estas portita rekte al la haŭto, la ŝargo dependas de la ekstera forto kaj ne volos. esti malfortigita de la haŭto.
Por karakterizi la agadon de nia TATSA en diversaj aspektoj, ni disponigis mezursistemon enhavantan funkciogeneratoron, potencan amplifilon, elektrodinamikan skuilon, fortomezurilon, elektrometron kaj komputilon (fig. S12).Ĉi tiu sistemo generas eksteran dinamikan premon de ĝis 7 kPa.En eksperimento, la TATSA estis metita sur plata plasta tuko en libera stato, kaj la eliraj elektraj signaloj estas registritaj per la elektrometro.
La specifoj de la konduktaj kaj nilonaj fadenoj influas la produktaĵefikecon de la TATSA ĉar ili determinas la kontaktsurfacon kaj kapaciton por percepti la eksteran premon.Por esplori tion, ni fabrikis tri grandecojn de la du fadenoj, respektive: kondukta fadeno kun grandeco de 150D/3, 210D/3, kaj 250D/3 kaj nilona fadeno kun grandeco de 150D/6, 210D/6 kaj 250D. /6 (D, neanto; mezurunuo uzita por determini la fibrodikecon de individuaj fadenoj; ŝtofoj kun alta denierkalkulo tendencas esti dikaj).Tiam, ni elektis ĉi tiujn du fadenojn kun malsamaj grandecoj por triki ilin en sensilon, kaj la dimensio de la TATSA estis konservita je 3 cm per 3 cm kun la buklo-numero de 16 en la direkto de Wale kaj 10 en la direkto de la kurso.Tiel, la sensiloj kun naŭ trikantaj ŝablonoj estis akiritaj.La sensilo per la kondukta fadeno kun la grandeco de 150D/3 kaj nilona fadeno kun la grandeco de 150D/6 estis la plej maldika, kaj la sensilo per la kondukta fadeno kun la grandeco de 250D/3 kaj nilona fadeno kun la grandeco de 250D/ 6 estis la plej dika.Sub mekanika ekscito de 0,1 ĝis 7 kPa, la elektraj eliroj por ĉi tiuj ŝablonoj estis sisteme esploritaj kaj provitaj, kiel montrite en Fig. 3A.La produktaĵtensioj de la naŭ TATSAoj pliiĝis kun la pliigita aplikata premo, de 0,1 ĝis 4 kPa.Specife, el ĉiuj trikaj ŝablonoj, la specifo de la kondukta fadeno 210D/3 kaj nilona fadeno 210D/6 liveris la plej altan elektran produktadon kaj elmontris la plej altan sentemon.La produktaĵtensio montris kreskantan tendencon kun la pliiĝo en la dikeco de la TATSA (pro la sufiĉa kontaktsurfaco) ĝis la TATSA estis trikita uzante la 210D/3 konduktan fadenon kaj 210D/6 nilonfadenon.Ĉar pliaj pliiĝoj en dikeco kondukus al la sorbado de ekstera premo de la fadenoj, la produktadtensio malpliiĝis sekve.Krome, notiĝas ke en la malaltpremregiono (<4 kPa), bonkondutita linia vario en la produkta tensio kun premo donis superan premsentemon de 7.84 mV Pa−1.En la altprema regiono (>4 kPa), pli malalta premsentemo de 0.31 mV Pa−1 estis eksperimente observita pro la saturiĝo de la efika frikciareo.Simila premsentemo estis pruvita dum la kontraŭa procezo de aplikado de forto.La konkretaj tempoprofiloj de la eliga tensio kaj fluo sub malsamaj premoj estas prezentitaj en fig.S13 (A kaj B, respektive).
(A) Eliga tensio sub naŭ trikantaj ŝablonoj de la kondukta teksaĵo (150D/3, 210D/3 kaj 250D/3) kombinita kun la nilona fadeno (150D/6, 210D/6 kaj 250D/6).(B) Tensiorespondo al diversaj nombroj da buklounuoj en la sama ŝtofa areo dum tenado de la buklonombro en la wale direkto senŝanĝa.(C) Intrigoj montrantaj la frekvencrespondojn sub dinamika premo de 1 kPa kaj prema eniga frekvenco de 1 Hz.(D) Malsamaj eligo kaj nunaj tensioj sub la frekvencoj de 1, 5, 10, kaj 20 Hz.(E) Fortikectesto de TATSA sub premo de 1 kPa.(F) Eligo-karakterizaĵoj de la TATSA post lavado 20 kaj 40 fojojn.
La sentemo kaj produkta tensio ankaŭ estis influitaj per la kudra denseco de la TATSA, kiu estis determinita per la tutsumo de bukloj en mezurita areo de ŝtofo.Pliiĝo en la kudra denseco kondukus al la pli granda kompakteco de la ŝtofa strukturo.Figuro 3B montras la eligajn prezentojn sub malsamaj buklonombroj en la teksa areo de 3 cm je 3 cm, kaj la enmetita ilustras la strukturon de buklo-unuo (ni konservis la buklo-numeron en la kursdirekto je 10, kaj la buklonumero en la buklo-numero en la 10). Wale direkto estis 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, kaj 26).Pliigante la buklonombron, la eligotensio unue elmontris kreskantan tendencon pro la kreskanta kontaktsurfaco, ĝis la maksimuma eligotensiopinto de 7.5 V kun buklonombro de 180. Post ĉi tiu punkto, la eligotensio sekvis malkreskantan tendencon ĉar la TATSA iĝis malloza, kaj la du fadenoj havis reduktitan kontakto-disigan spacon.Por esplori, en kiu direkto la denseco havas grandan efikon sur la eligo, ni konservis la buklonumero de la TATSA en la wale-direkto ĉe 18, kaj la buklonombro en la kursdirekto estis fiksita por esti 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, kaj 14. La respondaj eliraj tensioj estas montritaj en fig.S14.Kompare, ni povas vidi ke la denseco en la kursodirekto havas pli grandan influon sur la elira tensio.Kiel rezulto, la trika ŝablono de la kondukta fadeno 210D/3 kaj nilona fadeno 210D/6 kaj 180 buklo-unuoj estis elektitaj por triki la TATSA post ampleksaj taksadoj de la produktaĵaj trajtoj.Krome, ni komparis la eligajn signalojn de du tekstilaj sensiloj uzante la plenan cardigan-kudreron kaj simplan punkton.Kiel montrite en fig.S15, la elektra eligo kaj sentemo uzanta plenan cardigan-kudreron estas multe pli altaj ol tiu uzante simplan punkton.
La respondtempo por monitorado de realtempaj signaloj estis mezurita.Por ekzameni la respondtempon de nia sensilo al eksteraj fortoj, ni komparis la elirajn tensiajn signalojn kun la dinamikaj premaj enigoj je ofteco de 1 ĝis 20 Hz (Fig. 3C kaj fig. S16, respektive).La produktaĵtensiaj ondformoj estis preskaŭ identaj al la eniga sinusoidaj premondoj sub premo de 1 kPa, kaj la produktaĵondformoj havis rapidan respondtempon (proksimume 20 ms).Tiu histerezo povas esti atribuita al la elasta strukturo ne revenis al la origina stato kiel eble plej baldaŭ post ricevado de la ekstera forto.Tamen, ĉi tiu eta histerezo estas akceptebla por realtempa monitorado.Por akiri la dinamikan premon kun certa frekvenca gamo, taŭga frekvencrespondo de TATSA estas atendita.Tiel, la frekvenca karakterizaĵo de TATSA ankaŭ estis testita.Pliigante la eksteran ekscitantan frekvencon, la amplitudo de la eliga tensio restis preskaŭ senŝanĝa, dum la amplitudo de la kurento pliiĝis kiam la frapetfrekvencoj variis de 1 ĝis 20 Hz (Fig. 3D).
Por taksi la ripeteblon, stabilecon kaj fortikecon de la TATSA, ni testis la eligan tension kaj nunajn respondojn al premaj ŝarĝaj-malŝarĝaj cikloj.Premo de 1 kPa kun frekvenco de 5 Hz estis aplikita al la sensilo.La pinto-al-pinta tensio kaj fluo estis registritaj post 100,000 ŝarĝ-malŝarĝaj cikloj (Fig. 3E kaj fig. S17, respektive).La pligrandigitaj vidoj de la tensio kaj la nuna ondformo estas montritaj en la enigaĵo de Fig. 3E kaj Fig.S17, respektive.La rezultoj rivelas la rimarkindan ripeteblon, stabilecon kaj fortikecon de la TATSA.Laveblo ankaŭ estas esenca taksa kriterio de la TATSA kiel tute tekstila aparato.Por taksi la lavkapablon, ni testis la eligan tension de la sensilo post kiam ni maŝinlavis la TATSA laŭ la Testa Metodo 135-2017 de la Usona Asocio de Tekstilaj Kemiistoj kaj Koloristoj (AATCC).La detala lava proceduro estas priskribita en Materialoj kaj Metodoj.Kiel montrite en Fig. 3F, la elektraj eliroj estis registritaj post lavado 20 fojojn kaj 40 fojojn, kio pruvis, ke ne estis klaraj ŝanĝoj de la eliga tensio dum la lavado-testoj.Ĉi tiuj rezultoj kontrolas la rimarkindan laveblon de la TATSA.Kiel portebla tekstila sensilo, ni ankaŭ esploris la eligan rendimenton kiam la TATSA estis en streĉaj (fig. S18), tordita (fig. S19), kaj malsamaj humidecaj (fig. S20) kondiĉoj.
Surbaze de la multnombraj avantaĝoj de la TATSA montritaj supre, ni evoluigis sendratan moveblan sanmonitoran sistemon (WMHMS), kiu havas la kapablon kontinue akiri fiziologiajn signalojn kaj poste doni profesiajn konsilojn por paciento.Figuro 4A montras la skemdiagramon de la WMHMS bazita sur la TATSA.La sistemo havas kvar komponentojn: la TATSA por akiri la analogajn fiziologiajn signalojn, analogan kondiĉan cirkviton kun malalt-pasa filtrilo (MAX7427) kaj amplifilo (MAX4465) por certigi sufiĉajn detalojn kaj bonegan sinkronecon de signaloj, analoga-al-cifereca. konvertilo bazita sur mikroregila unuo por kolekti kaj konverti la analogajn signalojn al ciferecaj signaloj, kaj Bluetooth-modulo (CC2640-malaltpotenca Bluetooth-peceto) por transdoni la ciferecan signalon al la poŝtelefona terminala aplikaĵo (APP; Huawei Honor 9).En ĉi tiu studo, ni kudris la TATSA perfekte en punton, pojnon, fingrostandon kaj ŝtrumpeton, kiel montrite en Fig. 4B.
(A) Ilustraĵo de la WMHMS.(B) Fotoj de la TATSAoj kudritaj en brajnon, fingrostandon, ŝtrumpeton kaj torak rimenon, respektive.Mezurado de la pulso ĉe la (C1) kolo, (D1) pojno, (E1) fingropinto, kaj (F1) maleolo.Pulsondoformo ĉe la (C2) kolo, (D2) pojno, (E2) fingropinto, kaj (F2) maleolo.(G) Pulsaj ondoformoj de malsamaj aĝoj.(H) Analizo de ununura pulsondo.Radiala pliiga indekso (AIx) difinita kiel AIx (%) = P2/P1.P1 estas la pinto de la progresanta ondo, kaj P2 estas la pinto de la reflektita ondo.(I) Pulsciklo de la brakia kaj la maleolo.Puls-ondrapideco (PWV) estas difinita kiel PWV = D/∆T.D estas la distanco inter la maleolo kaj la brakia.∆T estas la tempoprokrasto inter la pintoj de la maleolo kaj brakiaj pulsondoj.PTT, pulsa transittempo.(J) Komparo de AIx kaj brakial-maleolo PWV (BAPWV) inter sanaj kaj CADoj.*P < 0,01, **P < 0,001, kaj ***P < 0,05.HTN, hipertensio;CHD, koronaria kormalsano;DM, diabeto.Fotokredito: Jin Yang, Universitato de Chongqing.
Por monitori la pulsajn signalojn de la malsamaj homaj korpopartoj, ni alfiksis supre menciitajn ornamadojn kun TATSAoj al la respondaj pozicioj: kolo (Fig. 4C1), pojno (Fig. 4D1), fingropinto (Fig. 4E1), kaj maleolo (Fig. 4F1). ), kiel ellaborite en filmoj S3 ĝis S6.En medicino, ekzistas tri grandaj trajtopunktoj en la pulsondo: la pinto de la progresa ondo P1, la pinto de la reflektita ondo P2, kaj la pinto de la dikrota ondo P3.La karakterizaĵoj de ĉi tiuj karakterizaj punktoj reflektas la sanan staton de arteria elasteco, periferia rezisto kaj maldekstra ventrikla kuntiriĝo rilata al la kardiovaskula sistemo.La pulsaj ondoformoj de 25-jaraĝa virino ĉe la supraj kvar pozicioj estis akiritaj kaj registritaj en nia testo.Notu, ke la tri distingeblaj trajtopunktoj (P1 al P3) estis observitaj sur la pulsondoformo ĉe la kolo, pojno, kaj fingropinta pozicioj, kiel montrite en Fig. 4 (C2 al E2).Kontraste, nur P1 kaj P3 aperis sur la pulsa ondoformo ĉe la maleolo pozicio, kaj P2 ne ĉeestis (Fig. 4F2).Ĉi tiu rezulto estis kaŭzita de la supermetado de la envenanta sango-ondo elĵetita de la maldekstra ventriklo kaj la reflektita ondo de la malsupraj membroj (44).Antaŭaj studoj montris, ke P2 prezentas en ondoformoj mezuritaj en la supraj ekstremaĵoj sed ne en la maleolo (45, 46).Ni observis similajn rezultojn en la ondoformoj mezuritaj per la TATSA, kiel montrite en fig.S21, kiu montras tipajn datumojn de la populacio de 80 pacientoj studitaj ĉi tie.Ni povas vidi, ke P2 ne aperis en ĉi tiuj pulsaj ondoformoj mezuritaj en la maleolo, montrante la kapablon de la TATSA detekti subtilajn trajtojn ene de la ondoformo.Ĉi tiuj pulsmezurrezultoj indikas, ke nia WMHMS povas precize malkaŝi la pulsondkarakterizaĵojn de la supra kaj malsupra korpo kaj ke ĝi estas pli alta ol aliaj verkoj (41, 47).Por plue indiki, ke nia TATSA povas esti vaste aplikata al malsamaj aĝoj, ni mezuris pulsajn ondformojn de 80 subjektoj en malsamaj aĝoj, kaj ni montris iujn tipajn datumojn, kiel montrite en fig.S22.Kiel montrite en Fig. 4G, ni elektis tri partoprenantojn aĝajn 25, 45 kaj 65 jarojn, kaj la tri karakterizaj punktoj estis evidentaj por la junaj kaj mezaĝaj partoprenantoj.Laŭ la medicina literaturo (48), la karakterizaĵoj de la pulsondoformoj de la plej multaj homoj ŝanĝiĝas dum ili maljuniĝas, kiel la malapero de la punkto P2, kiu estas kaŭzita de la reflektita ondo movita antaŭen por supermeti sin al la progresanta ondo tra la malkresko de angia elasteco.Ĉi tiu fenomeno ankaŭ estas reflektita en la ondoformoj kiujn ni kolektis, plue kontrolante ke la TATSA povas esti aplikita al malsamaj populacioj.
Pulsondoformo estas trafita ne nur de la fiziologia stato de la individuo sed ankaŭ de la testkondiĉoj.Tial, ni mezuris la pulsajn signalojn sub malsama kontaktostreco inter la TATSA kaj la haŭto (fig. S23) kaj diversaj detektaj pozicioj ĉe la mezurado (fig. S24).Povas esti trovi ke la TATSA povas akiri konsekvencajn pulsondformojn kun detalaj informoj ĉirkaŭ la ŝipo en granda efika detekta areo ĉe la mezurloko.Krome, ekzistas apartaj produktaĵsignaloj sub malsama kontaktostreco inter la TATSA kaj la haŭto.Krome, la moviĝo de individuoj portantaj la sensilojn influus la pulssignalojn.Kiam la pojno de la subjekto estas en senmova kondiĉo, la amplitudo de la akirita pulsondoformo estas stabila (fig. S25A);inverse, kiam la pojno malrapide moviĝas laŭ angulo de −70° ĝis 70° dum 30 s, la amplitudo de la pulsa ondoformo variados (fig. S25B).Tamen, la konturo de ĉiu pulsondoformo estas videbla, kaj la pulsfrekvenco daŭre povas esti precize akirita.Evidente, por atingi stabilan pulsan akiron en homa moviĝo, plia laboro inkluzive de sensildezajno kaj malantaŭa signala prilaborado bezonas esti esplorita.
Krome, por analizi kaj kvante taksi la kondiĉon de la kardiovaskula sistemo per la akiritaj pulsaj ondoformoj uzante nian TATSA, ni enkondukis du hemodinamikajn parametrojn laŭ la taksa specifo de la kardiovaskula sistemo, nome la pliiga indekso (AIx) kaj la pulsa ondo-rapideco. (PWV), kiuj reprezentas la elastecon de arterioj.Kiel montrite en Fig. 4H, la pulsa ondoformo ĉe la pojnopozicio de la 25-jaraĝa sana viro estis uzita por la analizo de AIx.Laŭ la formulo (sekcio S1) oni akiris AIx = 60%, kio estas normala valoro.Tiam, ni samtempe kolektis du pulsajn ondformojn ĉe la brakaj kaj maleolpozicioj de ĉi tiu partoprenanto (la detala metodo de mezurado de la pulsondoformo estas priskribita en Materialoj kaj Metodoj).Kiel montrite en Fig. 4I, la karakterizaj punktoj de la du pulsaj ondoformoj estis apartaj.Ni tiam kalkulis la PWV laŭ la formulo (sekcio S1).PWV = 1363 cm/s, kiu estas karakteriza valoro atendita de sana plenkreska masklo, estis akirita.Aliflanke, ni povas vidi, ke la metriko de AIx aŭ PWV ne estas tuŝita de la amplituddiferenco de la pulsa ondoformo, kaj la valoroj de AIx en malsamaj korpopartoj estas diversaj.En nia studo, la radiala AIx estis uzita.Por kontroli la aplikeblecon de WMHMS en malsamaj homoj, ni elektis 20 partoprenantojn en la sana grupo, 20 en la grupo de hipertensio (HTN), 20 en la grupo de koronaria kormalsano (CHD) aĝaj de 50 ĝis 59 jaroj, kaj 20 en la grupo. grupo de diabeto mellitus (DM).Ni mezuris iliajn pulsajn ondojn kaj komparis iliajn du parametrojn, AIx kaj PWV, kiel prezentitaj en Fig. 4J.Oni povas trovi, ke la PWV-valoroj de la HTN, CHD kaj DM-grupoj estis pli malaltaj kompare kun tiu de sana grupo kaj havas statistikan diferencon (PHTN ≪ 0.001, PCHD ≪ 0.001, kaj PDM ≪ 0.001; la P-valoroj estis kalkulitaj per t. testo).Dume, la AIx-valoroj de la HTN kaj CHD-grupoj estis pli malaltaj kompare kun la sana grupo kaj havas statistikan diferencon (PHTN <0.01, PCHD <0.001, kaj PDM <0.05).La PWV kaj AIx de la partoprenantoj kun CHD, HTN aŭ DM estis pli altaj ol tiuj en la sana grupo.La rezultoj montras, ke la TATSA kapablas precize akiri la pulsan ondformon por kalkuli la kardiovaskulan parametron por taksi kardiovaskulan sanstatuson.Konklude, pro ĝiaj sendrataj, alt-rezoluciaj, alt-sentemaj trajtoj kaj komforto, la WMHMS bazita sur la TATSA disponigas pli efikan alternativon por realtempa monitorado ol la nuna multekosta medicina ekipaĵo uzita en hospitaloj.
Krom la pulsondo, spiraj informoj ankaŭ estas ĉefa esenca signo por helpi taksi la fizikan kondiĉon de individuo.La monitorado de spirado bazita sur nia TATSA estas pli alloga ol la konvencia polisomnografio ĉar ĝi povas esti perfekte integrita en vestaĵojn por pli bona komforto.Kudrita en blankan elastan brustrimenon, la TATSA estis rekte ligita al la homa korpo kaj sekurigita ĉirkaŭ la brusto por monitorado de spirado (Fig. 5A kaj filmo S7).La TATSA misformiĝis kun la vastiĝo kaj kuntiriĝo de la torako, rezultigante elektran produktadon.La akirita ondformo estas kontrolita en Fig. 5B.La signalo kun grandaj fluktuoj (amplitudo de 1,8 V) kaj periodaj ŝanĝoj (frekvenco de 0,5 Hz) korespondis al la spira moviĝo.La relative malgranda fluktuosignalo estis supermetita al tiu granda fluktuosignalo, kio estis la korbatsignalo.Laŭ la frekvencaj trajtoj de la spirado kaj korbatsignaloj, ni uzis 0,8-Hz-malalta-pasan filtrilon kaj 0,8- ĝis 20-Hz-band-pasan filtrilon por apartigi la spirajn kaj korbatsignalojn, respektive, kiel montrite en Fig. 5C. .En ĉi tiu kazo, stabilaj spiraj kaj pulssignaloj kun abundaj fiziologiaj informoj (kiel ekzemple spirfrekvenco, korbatfrekvenco, kaj karakterizaj punktoj de la pulsondo) estis akiritaj samtempe kaj precize per simple metado de la ununura TATSA sur la bruston.
(A) Foto montranta la ekranon de la TATSA metita sur la bruston por mezuri la signalon en la premo asociita kun spirado.(B) Tensio-tempa intrigo por la TATSA muntita sur la brusto.(C) Malkomponiĝo de la signalo (B) en la korbaton kaj la spiran ondoformon.(D) Foto montranta du TATSAojn metitajn sur la abdomenon kaj pojnon por mezuri spiradon kaj pulson, respektive, dum dormo.(E) Spiraj kaj pulsaj signaloj de sana partoprenanto.HR, korfrekvenco;BPM, taktoj por minuto.(F) Spiraj kaj pulsaj signaloj de SAS-partoprenanto.(G) Spira signalo kaj PTT de sana partoprenanto.(H) Spira signalo kaj PTT de partoprenanto de SAS.(I) Rilato inter PTT-indekso de ekscitiĝo kaj apnea-hipopnea indekso (AHI).Fotokredito: Wenjing Fan, Universitato de Chongqing.
Por pruvi, ke nia sensilo povas precize kaj fidinde monitori pulsajn kaj spirajn signalojn, ni faris eksperimenton por kompari la mezurrezultojn de la pulsaj kaj spiradaj signaloj inter niaj TATSA-oj kaj norma medicina instrumento (MHM-6000B), kiel ellaborita en filmoj S8. kaj S9.En mezurado de pulsondo, la fotoelektra sensilo de la medicina instrumento estis portita sur la maldekstra montrofingro de juna knabino, kaj dume, nia TATSA estis portita sur ŝia dekstra montrofingro.De la du akiritaj pulsaj ondoformoj, ni povas vidi ke iliaj konturoj kaj detaloj estis identaj, indikante ke la pulso mezurita de la TATSA estas same preciza kiel tiu de la medicina instrumento.En mezurado de spira ondo, kvin elektrokardiografiaj elektrodoj estis fiksitaj al kvin areoj sur la korpo de juna viro laŭ la medicina instrukcio.En kontrasto, nur unu TATSA estis rekte ligita al la korpo kaj sekurigita ĉirkaŭ la brusto.El la kolektitaj spiraj signaloj, oni povas vidi, ke la varia tendenco kaj indico de la detektita spira signalo de nia TATSA estis kongruaj kun tiu de la medicina instrumento.Ĉi tiuj du kompareksperimentoj validigis la precizecon, fidindecon kaj simplecon de nia sensilsistemo por monitorado de pulsaj kaj spiraj signaloj.
Krome, ni fabrikis pecon da inteligenta vestaĵo kaj kudris du TATSA-ojn ĉe la abdomenaj kaj pojnaj pozicioj por monitori la spirajn kaj pulsajn signalojn, respektive.Specife, evoluinta duobla-kanala WMHMS estis uzita por kapti la pulson kaj spirajn signalojn samtempe.Per ĉi tiu sistemo, ni akiris la spirajn kaj pulsajn signalojn de 25-jaraĝa viro vestita per nia saĝa vestaĵo dum dormo (Fig. 5D kaj filmo S10) kaj sidante (fig. S26 kaj filmo S11).La akiritaj spiraj kaj pulsaj signaloj povus esti sendrate elsenditaj al la APP de la poŝtelefono.Kiel menciite supre, la TATSA havas la kapablon kapti spirajn kaj pulsajn signalojn.Ĉi tiuj du fiziologiaj signaloj ankaŭ estas la kriterioj por taksi SAS medicine.Tial nia TATSA ankaŭ povas esti uzata por monitori kaj taksi dormkvaliton kaj rilatajn dormajn malordojn.Kiel montrite en Fig. 5 (E kaj F, respektive), ni kontinue mezuris la pulson kaj spirajn ondoformojn de du partoprenantoj, sana kaj paciento kun SAS.Por la persono sen apneo, la mezuritaj spiraj kaj pulsaj indicoj restis stabilaj ĉe 15 kaj 70, respektive.Por la paciento kun SAS, klara apneo dum 24 s, kiu estas indiko de malhelpa spira evento, estis observita, kaj la korfrekvenco iomete pliiĝis post periodo de apneo pro la reguligo de la nerva sistemo (49).Resume, spira stato povas esti taksata de nia TATSA.
Por plue taksi la tipon de SAS per pulsaj kaj spiraj signaloj, ni analizis la pulstransira tempo (PTT), neinvasiva indikilo reflektanta la ŝanĝojn en ekstercentra angia rezisto kaj intratoraka premo (difinita en sekcio S1) de sana viro kaj paciento kun SAS.Por la sana partoprenanto, la spira indico restis senŝanĝa, kaj la PTT estis relative stabila de 180 ĝis 310 ms (Fig. 5G).Tamen, por la partoprenanto de SAS, la PTT pliiĝis senĉese de 120 ĝis 310 ms dum apneo (Fig. 5H).Tiel, la partoprenanto estis diagnozita kun obstrukca SAS (OSAS).Se la ŝanĝo en PTT malpliiĝis dum la apneo, tiam la kondiĉo estus determinita kiel centra dormapnea sindromo (CSAS), kaj se ambaŭ ĉi tiuj du simptomoj ekzistus samtempe, tiam ĝi estus diagnozita kiel miksita SAS (MSAS).Por taksi la severecon de SAS, ni plue analizis la kolektitajn signalojn.PTT ekscitiĝo-indico, kiu estas la nombro da PTT ekscitiĝo je horo (PTT ekscitiĝo estas difinita kiel falo en PTT de ≥15 ms daŭranta dum ≥3 s), ludas esencan rolon en taksado de la grado de SAS.La apneo-hipopnea indekso (AHI) estas normo por determini la gradon de SAS (apneo estas la ĉeso de spirado, kaj hipopneo estas tro malprofunda spirado aŭ nenormale malalta spira indico), kiu estas difinita kiel la nombro da apneoj kaj hipopneo per po. horo dum dormado (la rilato inter la AHI kaj la taksaj kriterioj por OSAS estas montrita en tabelo S2).Por esplori la rilaton inter la AHI kaj la PTT-indekso de ekscitiĝo, la spiraj signaloj de 20 pacientoj kun SAS estis elektitaj kaj analizitaj kun TATSAoj.Kiel montrite en Fig. 5I, la PTT-indekso de ekscitiĝo pozitive korelaciis kun la AHI, ĉar apneo kaj hipopneo dum dormo kaŭzas la evidentan kaj paseman altecon de sangopremo, kondukante al la malkresko de la PTT.Tial nia TATSA povas akiri stabilajn kaj precizajn pulsajn kaj spirajn signalojn samtempe, tiel provizante gravajn fiziologiajn informojn pri la kardiovaskula sistemo kaj SAS por la monitorado kaj taksado de rilataj malsanoj.
En resumo, ni evoluigis TATSA uzante la plenan cardigan-kudredon por detekti malsamajn fiziologiajn signalojn samtempe.Tiu sensilo havis altan sentemon de 7.84 mV Pa−1, rapidan respondtempon de 20 ms, altan stabilecon de pli ol 100,000 cikloj, kaj larĝan laborfrekvencan bendolarĝon.Surbaze de la TATSA, WMHMS ankaŭ estis evoluigita por elsendi la mezuritajn fiziologiajn parametrojn al poŝtelefono.TATSA povas esti korpigita en malsamaj lokoj de vestaĵoj por estetika dezajno kaj uzata por samtempe monitori la pulson kaj spirajn signalojn en reala tempo.La sistemo povas esti aplikita por helpi distingi inter sanaj individuoj kaj tiuj kun CAD aŭ SAS pro sia kapablo kapti detalajn informojn.Ĉi tiu studo disponigis komfortan, efikan kaj uzant-amikan aliron por mezuri homan pulson kaj spiradon, reprezentante progreson en la evoluo de portebla teksa elektroniko.
La neoksidebla ŝtalo estis plurfoje trapasita tra la ŝimo kaj etendita por formi fibron kun diametro de 10 μm.Rustorezistaŝtala fibro kiel la elektrodo estis enigita en plurajn pecojn de komercaj unu-teksaj Terileno-fadenoj.
Funkcigeneratoro (Stanford DS345) kaj amplifilo (LabworkPa-13) kutimis disponigi sinusoidan premsignalon.Du-intervala fortsensilo (Vernier Software & Technology LLC) estis uzita por mezuri la eksteran premon aplikitan al la TATSA.Keithley-sistemelektrometro (Keithley 6514) kutimis monitori kaj registri la produktaĵtension kaj fluon de la TATSA.
Laŭ AATCC-Prova Metodo 135-2017, ni uzis la TATSA kaj sufiĉe da balasto kiel ŝarĝon de 1,8 kg kaj poste metis ilin en komercan lavmaŝinon (Labtex LBT-M6T) por plenumi delikatajn maŝinajn lavajn ciklojn.Poste, ni plenigis la lavmaŝinon per 18 galonoj da akvo je 25 °C kaj fiksis la lavilon por la elektita lavciklo kaj tempo (agitadrapideco, 119 batoj por minuto; lavadotempo, 6 min; fina ŝpina rapideco, 430 rpm; fina). ŝpintempo, 3 min).Laste, la TATSA estis pendigita seka en kvieta aero ĉe ĉambra temperaturo ne pli alta ol 26 °C.
La subjektoj estis instrukciitaj kuŝi en supina pozicio sur la lito.La TATSA estis metita sur la mezurejojn.Post kiam la subjektoj estis en norma supina pozicio, ili konservis tute malstreĉitan staton dum 5 ĝis 10 minutoj.La pulssignalo tiam komencis mezuri.
Suplementa materialo por ĉi tiu artikolo estas havebla ĉe https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Figo S9.Simuladrezulto de la fortdistribuo de TATSA sub aplikataj premoj je 0.2 kPa uzante la COMSOL-softvaron.
Figo S10.Simuladrezultoj de la fortodistribuo de kontaktunuo sub la aplikataj premoj je 0.2 kaj 2 kPa, respektive.
Figo S11.Kompletaj skemaj ilustraĵoj de la ŝargotransigo de kontaktunuo sub fuŝkontaktokondiĉoj.
Figo S13.Kontinua produktaĵtensio kaj fluo de TATSA en respondo al la kontinue aplikata ekstera premo en mezurciklo.
Figo S14.Tensiorespondo al diversaj nombroj da buklounuoj en la sama ŝtofareo dum konservado de la buklonombro en la wale-direkto senŝanĝa.
Figo S15.Komparo inter la eligo-prezentoj de la du tekstilaj sensiloj uzante la plenan cardigan-kudreron kaj simplan kudreron.
Figo S16.Intrigoj montrantaj frekvencrespondojn ĉe la dinamika premo de 1 kPa kaj prema eniga frekvenco de 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18, kaj 20 Hz.
Figo S25.La eliraj tensioj de la sensilo kiam la subjekto estis en la senmovaj kaj moviĝkondiĉoj.
Figo S26.Foto montranta la TATSAojn metitajn sur la abdomenon kaj pojnon samtempe por mezuri spiradon kaj pulson, respektive.
Ĉi tio estas alirebla artikolo distribuita laŭ la kondiĉoj de la permesilo Krea Komunaĵo Atribuite-Nekomerca, kiu permesas uzon, distribuon kaj reproduktadon en ajna medio, kondiĉe ke la rezulta uzo ne estas por komerca avantaĝo kaj kondiĉe ke la originala verko estas ĝuste. citita.
NOTO: Ni nur petas vian retadreson por ke la persono al kiu vi rekomendas la paĝon sciu, ke vi volis, ke ili vidu ĝin, kaj ke ĝi ne estas rubpoŝto.Ni ne kaptas ajnan retadreson.
De Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Triboelektra tute teksa sensilo kun alta prema sentemo kaj komforto estis evoluigita por sanmonitorado.
De Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Triboelektra tute teksa sensilo kun alta prema sentemo kaj komforto estis evoluigita por sanmonitorado.
© 2020 Amerika Asocio por la Akcelo de Scienco.Ĉiuj rajtoj rezervitaj.AAAS estas partnero de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef kaj COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Afiŝtempo: Mar-27-2020