A hordható textilelektronika nagyon kívánatos a személyre szabott egészségügyi menedzsment megvalósításához.A legtöbb jelentett textilelektronika azonban vagy időszakosan megcéloz egy-egy fiziológiai jelet, vagy elmulasztja a jelek kifejezett részleteit, ami részleges állapotfelméréshez vezet.Ezenkívül a kiváló tulajdonságokkal és kényelemmel rendelkező textíliák továbbra is kihívást jelentenek.Itt egy triboelektromos, teljesen textil érzékelőtömbről számolunk be, amely nagy nyomásérzékenységgel és kényelemmel rendelkezik.Nyomásérzékenységgel (7,84 mV Pa−1), gyors válaszidővel (20 ms), stabilitással (>100 000 ciklus), széles működési frekvencia sávszélességgel (20 Hz-ig) és gépi moshatósággal (>40 mosás) rendelkezik.A legyártott TATSA-kat a ruha különböző részeibe varrták, hogy egyidejűleg figyeljék az artériás pulzushullámokat és a légzési jeleket.Továbbfejlesztettük a szív- és érrendszeri betegségek és az alvási apnoe szindróma hosszú távú és noninvazív felmérésére alkalmas egészségügyi monitorozó rendszert, amely nagy előrelépést mutat egyes krónikus betegségek kvantitatív elemzésében.
A hordható elektronika lenyűgöző lehetőséget jelent a személyre szabott orvoslásban való ígéretes alkalmazásai miatt.Folyamatos, valós idejű és noninvazív módon tudják nyomon követni az egyén egészségi állapotát (1–11).A pulzus és a légzés, mint az életjelek két nélkülözhetetlen összetevője, mind a fiziológiai állapot pontos felmérését, mind pedig a kapcsolódó betegségek diagnosztizálásába és prognózisába való figyelemreméltó betekintést nyújthat (12–21).A mai napig a finom fiziológiai jelek észlelésére szolgáló hordható elektronikai eszközök többsége ultravékony hordozókon, például polietilén-tereftaláton, polidimetil-sziloxánon, poliimiden, üvegen és szilikonon alapul (22–26).Ezeknek a bőrön használható szubsztrátumoknak a hátránya a sík és merev formátumuk.Ennek eredményeként szalagokra, sebtapaszra vagy más mechanikai rögzítésre van szükség a hordható elektronika és az emberi bőr közötti kompakt érintkezés kialakításához, ami irritációt és kényelmetlenséget okozhat hosszabb használat során (27, 28).Ezen túlmenően ezeknek a szubsztrátumoknak rossz a légáteresztő képessége, ami kényelmetlenséget okoz, ha hosszú távú, folyamatos egészségmegfigyelésre használják őket.Az egészségügyben, különösen a mindennapi használatban a fent említett problémák enyhítésére az okostextilek megbízható megoldást kínálnak.Ezek a textíliák a puhaság, a könnyű súly és a légáteresztő tulajdonságokkal rendelkeznek, és így a viselhető elektronika kényelmét biztosítják.Az elmúlt években intenzív erőfeszítéseket tettek a textilalapú rendszerek fejlesztésére érzékeny érzékelők, energiagyűjtés és tárolás terén (29–39).Különösen az optikai szálakról, a piezoelektromosságról és az ellenálláson alapuló intelligens textíliákról számoltak be sikeres kutatásokról, amelyeket a pulzus- és légzési jelek monitorozására alkalmaznak (40–43).Ezek az intelligens textíliák azonban jellemzően alacsony érzékenységgel és egyetlen megfigyelési paraméterrel rendelkeznek, és nem gyárthatók nagy mennyiségben (S1 táblázat).Impulzusmérés esetén az impulzus gyenge és gyors fluktuációja (pl. jellemzői) miatt a részletes információk nehezen rögzíthetők, így nagy érzékenység és megfelelő frekvencia-válasz teljesítmény szükséges.
Ebben a tanulmányban bemutatunk egy triboelektromos, teljes textil érzékelőt (TATSA), amely nagy érzékenységgel rendelkezik az epidermális finom nyomás rögzítésére, vezetőképes és nejlonfonalakkal kötött, teljes kardigán öltésben.A TATSA nagy nyomásérzékenységet (7,84 mV Pa−1), gyors válaszidőt (20 ms), stabilitást (>100 000 ciklus), széles működési frekvencia sávszélességet (20 Hz-ig) és gépi moshatóságot (>40 mosás) biztosít.Kényelmesen beépülhet a ruhákba, diszkrécióval, kényelemmel és esztétikus megjelenéssel.Figyelemre méltó, hogy a TATSA-nk közvetlenül beépíthető a szövet különböző helyeibe, amelyek megfelelnek a pulzushullámoknak a nyak, a csukló, az ujjbegyek és a boka helyzetében, valamint a légzőhullámoknak a hasban és a mellkasban.A TATSA valós idejű és távoli egészségmonitorozásban nyújtott kiváló teljesítményének értékelésére személyre szabott intelligens egészségfigyelő rendszert fejlesztünk ki, amely folyamatosan gyűjti és menti a fiziológiai jeleket a szív- és érrendszeri betegségek (CAD) elemzéséhez és az alvási apnoe szindróma (SAS) felméréséhez. ).
Amint az 1A. ábrán látható, két TATSA-t varrtak egy ing mandzsettájába és mellkasába, hogy lehetővé tegyék a pulzus- és légzési jelek dinamikus és egyidejű monitorozását.Ezeket a fiziológiás jeleket vezeték nélkül továbbítottuk az intelligens mobil terminál alkalmazáshoz (APP) az egészségi állapot további elemzéséhez.Az 1B. ábra a TATSA-t egy ruhadarabba varrva mutatja, a betét pedig a TATSA kinagyított nézetét mutatja, amelyet a jellegzetes vezetőfonal és a kereskedelmi nejlonfonal felhasználásával kötöttek együtt egy teljes kardigánöltéssel.Az alapvető sima öltéssel, a legelterjedtebb és legalapvetőbb kötési móddal összehasonlítva a teljes kardigán öltést azért választottuk, mert a vezetőfonal hurokfeje és a szomszédos nejlonfonal ráhúzó öltésfeje (S1 ábra) felületet képez. pontszerű érintkezés helyett, ami nagyobb hatásterülethez vezet a nagy triboelektromos hatás érdekében.A vezetőképes fonal elkészítéséhez rögzített magszálként rozsdamentes acélt választottunk, és több darab egyrétegű terilén fonalat csavartunk a magszál köré egyetlen, 0,2 mm átmérőjű vezető fonallá (S2 ábra), amely szolgált mind a villamosító felület, mind a vezető elektróda.A 0,15 mm átmérőjű, újabb villamosító felületként szolgáló nylon fonalnak erős húzóereje volt, mivel kiszámíthatatlan fonalak csavarták (S3 ábra).Az 1. ábra (C és D) az elkészített vezetőfonalról és nejlonfonalról készült fényképeket mutatja be.A betétek a megfelelő pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) képeiket mutatják, amelyek a vezető fonal és a nejlonfonal felületének tipikus keresztmetszetét mutatják be.A vezetőképes és nejlonfonalak nagy szakítószilárdsága biztosította a szövési képességüket egy ipari gépen, hogy az összes érzékelő egyenletes teljesítményét fenntartsák.Amint az 1E. ábrán látható, a vezetőfonalakat, nylonfonalakat és közönséges szálakat a megfelelő kúpokra tekerték fel, amelyeket azután az ipari számítógépes lapos kötőgépbe töltöttek az automatikus szövéshez (S1 film).ábrán látható módon.S4, több TATSA-t kötöttek össze közönséges kendővel ipari géppel.Egyetlen 0,85 mm vastag és 0,28 g tömegű TATSA a teljes szerkezetből egyedi használatra szabható, kiváló kompatibilitást mutatva más kendőkkel.Ezen túlmenően a TATSA-k különféle színekben tervezhetők, hogy megfeleljenek az esztétikai és divatos követelményeknek a kereskedelmi nylon fonalak sokfélesége miatt (1F ábra és S5 ábra).A gyártott TATSA-k kiváló puhasággal rendelkeznek, és ellenállnak az erős hajlításnak vagy deformációnak (S6. ábra).Az 1G. ábra a TATSA-t mutatja közvetlenül egy pulóver hasába és mandzsettájába varrva.A pulóver kötésének folyamata az ábrán látható.S7 és S2 film.A feszített TATSA elülső és hátulsó oldalának részleteit a has helyzetében az 1. ábra mutatja.ábrán látható az S8 (A és B), valamint a vezetőfonal és a nejlonfonal helyzete.S8C.Itt látható, hogy a TATSA zökkenőmentesen beágyazható hétköznapi szövetekbe a diszkrét és elegáns megjelenés érdekében.
(A) Két TATSA egy ingbe integrálva a pulzus- és légzési jelek valós időben történő figyelésére.(B) A TATSA és a ruhák kombinációjának sematikus illusztrációja.A betét az érzékelő nagyított nézetét mutatja.(C) Fénykép a vezető fonalról (méretarány, 4 cm).A betét a vezetőképes fonal keresztmetszetének SEM képe (skála, 100 μm), amely rozsdamentes acélból és terilén fonalból áll.(D) Fénykép a nylon fonalról (méretarány, 4 cm).A betét a nylon fonal felületének SEM képe (skála, 100 μm).(E) A számítógépes lapos kötőgép képe, amely a TATSA-k automatikus szövését végzi.(F) Fénykép a TATSA-król különböző színekben (méretarány, 2 cm).A betét a csavart TATSA, amely kiváló puhaságát mutatja.(G) Két TATSA fényképe teljesen és zökkenőmentesen egy pulóverbe varrva.Fotó: Wenjing Fan, Chongqing Egyetem.
A TATSA működési mechanizmusának elemzéséhez, beleértve mechanikai és elektromos tulajdonságait, megszerkesztettük a TATSA geometriai kötési modelljét, amint az a 2A. ábrán látható.A teljes kardigán öltéssel a vezető és a nylon fonalak hurokegységek formájában egymásba vannak kapcsolva a pálya és a fal irányában.Az egyhurkos szerkezet (S1 ábra) hurokfejből, hurokkarból, borda-keresztező részből, ráncöltés-karból és ráncöltés-fejből áll.A két különböző fonal érintkezési felületének két formája található: (i) a vezetőfonal hurokfeje és a nejlonfonal rávarrásfeje közötti érintkezési felület és (ii) az érintkezési felület a hurokfej között. a nejlonfonal és a vezetőfonal rávarrós feje.
(A) A TATSA a kötött hurkok elülső, jobb oldali és felső oldalával.(B) A TATSA erőeloszlásának szimulációs eredménye 2 kPa alkalmazott nyomás mellett a COMSOL szoftverrel.(C) Egy érintkező egység töltésátvitelének sematikus illusztrációi rövidzárlati körülmények között.(D) Egy érintkező egység töltéseloszlásának szimulációs eredményei nyitott áramköri állapotban a COMSOL szoftverrel.
A TATSA működési elve két szempontból magyarázható: a külső erővel való stimuláció és annak indukált töltése.A külső erőingerre adott feszültségeloszlás intuitív megértéséhez COMSOL szoftverrel végeselem-analízist alkalmaztunk különböző 2 és 0,2 kPa külső erők mellett, amint az a 2B. és a 2. ábrán látható.S9.A feszültség két fonal érintkezési felületén jelenik meg.ábrán látható módon.S10, két hurok egységet vettünk figyelembe a feszültségeloszlás tisztázására.Ha összehasonlítjuk a feszültségeloszlást két különböző külső erő hatására, a vezető- és nejlonfonalak felületére ható feszültség a külső erő növekedésével nő, ami a két fonal érintkezését és extrudálását eredményezi.A külső erő feloldása után a két fonal elválik és eltávolodik egymástól.
A vezető fonal és a nylon fonal közötti érintkezési-leválasztó mozgások töltésátvitelt indukálnak, ami a triboelektrizáció és az elektrosztatikus indukció összefüggésének tulajdonítható.A villamosenergia-termelési folyamat tisztázása érdekében elemezzük annak a területnek a keresztmetszetét, ahol a két fonal érintkezik egymással (2C1. ábra).Amint a 2. ábrán látható (C2 és C3), amikor a TATSA-t külső erő stimulálja, és a két fonal érintkezik egymással, a vezetőképes és nejlonszálak felületén felvillanyozódik, és az ezzel egyenértékű töltések ellentétes töltésekkel. polaritások keletkeznek a két fonal felületén.Amint a két fonal elválik, pozitív töltések indukálódnak a belső rozsdamentes acélban az elektrosztatikus indukciós hatás miatt.A teljes kapcsolási rajz az ábrán látható.S11.A villamosenergia-termelési folyamat kvantitatívabb megértéséhez COMSOL szoftverrel szimuláltuk a TATSA potenciális eloszlását (2D. ábra).Amikor a két anyag érintkezik, a töltés főként a súrlódó anyagon gyűlik össze, és az elektródán csak kis mennyiségű indukált töltés van jelen, ami kis potenciált eredményez (2D ábra, alul).A két anyag szétválasztásakor (2D. ábra, fent) a potenciálkülönbség miatt az elektródán indukált töltés nő, és a megfelelő potenciál növekszik, ami jó összhangot mutat a kísérletek és a szimulációk eredményei között. .Továbbá, mivel a TATSA vezető elektródája terilén fonalakba van burkolva, és a bőr érintkezik mindkét súrlódó anyaggal, ezért amikor a TATSA-t közvetlenül a bőrön viselik, a töltés a külső erőtől függ, és nem legyengül a bőrtől.
A TATSA teljesítményének különféle szempontok szerinti jellemzésére egy funkciógenerátort, teljesítményerősítőt, elektrodinamikus rázót, erőmérőt, elektrométert és számítógépet tartalmazó mérőrendszert biztosítottunk (S12. ábra).Ez a rendszer akár 7 kPa külső dinamikus nyomást is generál.A kísérlet során a TATSA-t egy lapos műanyag lapra helyezték szabad állapotban, és a kimenő elektromos jeleket az elektrométer rögzíti.
A vezetőképes és nejlonszálak specifikációi befolyásolják a TATSA kimeneti teljesítményét, mivel meghatározzák az érintkezési felületet és a külső nyomás érzékelésének képességét.Ennek vizsgálatára a két fonalból háromféle méretet állítottunk elő: 150D/3, 210D/3 és 250D/3 méretű vezető fonalat, valamint 150D/6, 210D/6 és 250D méretű nylon fonalat. /6 (D, denier; az egyes szálak szálvastagságának meghatározására használt mértékegység; a nagy denierszámú szövetek általában vastagok).Ezután kiválasztottuk ezt a két különböző méretű fonalat, hogy érzékelővé fűzzük őket, és a TATSA méretét 3 cm-nél 3 cm-ben tartottuk a 16-os hurokszámmal a fal irányában és a 10-es hurokszámmal.Így a kilenc kötésmintával rendelkező érzékelőket kaptuk.A legvékonyabb a 150D/3 méretű vezetőfonal és a 150D/6 méretű nejlonfonal, a 250D/3 méretű vezetőfonal és a 250D/ méretű nejlonfonal melletti szenzor volt a legvékonyabb. 6 volt a legvastagabb.0,1-7 kPa mechanikai gerjesztés mellett ezeknek a mintáknak az elektromos kimeneteit szisztematikusan vizsgáltuk és teszteltük, amint az a 3A. ábrán látható.A kilenc TATSA kimeneti feszültsége az alkalmazott nyomás növekedésével 0,1-ről 4 kPa-ra nőtt.Pontosabban, az összes kötési minta közül a 210D/3 vezetőképes fonal és a 210D/6 nylon fonal specifikációja biztosította a legnagyobb elektromos teljesítményt és a legnagyobb érzékenységet.A kimeneti feszültség növekvő tendenciát mutatott a TATSA vastagságának növekedésével (a megfelelő érintkezési felület miatt), amíg a TATSA-t 210D/3 vezetőfonal és 210D/6 nylon fonallal kötötték.Mivel a vastagság további növelése a külső nyomás elnyeléséhez vezetne a fonalak által, a kimeneti feszültség ennek megfelelően csökkent.Továbbá meg kell jegyezni, hogy az alacsony nyomású tartományban (<4 kPa) a kimeneti feszültség jól viselkedő lineáris változása nyomással 7,84 mV Pa−1 nyomásérzékenységet eredményezett.A nagynyomású tartományban (>4 kPa) kisebb, 0,31 mV Pa−1 nyomásérzékenységet figyeltek meg a hatásos súrlódási terület telítettsége miatt.Hasonló nyomásérzékenységet mutattak ki az ellentétes erőkifejtési folyamat során.ábra mutatja be a kimeneti feszültség és áram konkrét időprofiljait különböző nyomásokon.S13 (A és B).
(A) Kimeneti feszültség a vezető fonal kilenc kötési mintája alatt (150D/3, 210D/3 és 250D/3) a nylon fonallal (150D/6, 210D/6 és 250D/6) kombinálva.(B) Feszültségreakció különböző számú hurokegységre ugyanazon a szövetterületen, ha a hurok számát változatlanul hagyja a fal irányában.(C) 1 kPa dinamikus nyomás és 1 Hz nyomásbemeneti frekvencia melletti frekvenciaválaszokat ábrázoló diagramok.(D) Különböző kimeneti és áramfeszültségek 1, 5, 10 és 20 Hz-es frekvenciák alatt.(E) TATSA tartóssági vizsgálata 1 kPa nyomáson.(F) A TATSA kimeneti jellemzői 20 és 40 alkalommal történő mosás után.
Az érzékenységet és a kimeneti feszültséget a TATSA öltéssűrűsége is befolyásolta, amelyet a szövet mért területén lévő hurkok teljes száma határoz meg.Az öltéssűrűség növelése a szövetszerkezet nagyobb tömörödéséhez vezet.A 3B. ábra a 3 cm x 3 cm-es textilterületen különböző hurokszámok alatti kimeneti teljesítményeket mutatja, a betét pedig egy hurokegység felépítését szemlélteti (a hurokszámot a pályairányban 10-ben tartottuk, a hurok számát pedig a Wale iránya 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 és 26 volt).A hurokszám növelésével a kimeneti feszültség először a növekvő érintkezési felület miatt növekvő tendenciát mutatott, egészen a 7,5 V-os maximális kimeneti feszültségcsúcsig 180 hurokszám mellett. Ezt követően a kimeneti feszültség csökkenő tendenciát mutatott, mert a A TATSA szoros lett, és a két fonal érintkezési távolsága csökkent.Annak feltárására, hogy a sűrűség milyen irányban van nagy hatással a kimenetre, a TATSA wale irányú hurokszámát 18-ban tartottuk, a pálya irányú hurok számát pedig 7, 8, 9, 10-re, A megfelelő kimeneti feszültségek a 11., 12., 13. és 14. ábrán láthatók.S14.Összehasonlításképpen láthatjuk, hogy a pályairányú sűrűség nagyobb hatással van a kimeneti feszültségre.Ennek eredményeként a 210D/3 vezetőfonal és 210D/6 nejlonfonal és 180 hurkos egységek kötési mintáját választották a TATSA kötésére a kimeneti jellemzők átfogó értékelése után.Továbbá összehasonlítottuk két textil szenzor kimeneti jeleit a teljes kardigán öltéssel és a sima öltéssel.ábrán látható módon.S15, a teljes kardigán öltésnél az elektromos kimenet és az érzékenység sokkal magasabb, mint a sima öltésnél.
Megmérték a valós idejű jelek monitorozásának válaszidejét.Szenzorunk külső erőkre adott válaszidejének vizsgálatához összehasonlítottuk a kimeneti feszültség jeleit a dinamikus nyomásbemenetekkel 1-20 Hz frekvencián (3C. ábra, illetve S16. ábra).A kimeneti feszültség hullámalakjai közel azonosak voltak a bemeneti szinuszos nyomáshullámokkal 1 kPa nyomáson, a kimeneti hullámformák válaszideje pedig gyors (kb. 20 ms).Ez a hiszterézis annak tudható be, hogy a rugalmas szerkezet a külső erő vétele után nem tért vissza a lehető leghamarabb az eredeti állapotába.Ennek ellenére ez az apró hiszterézis elfogadható valós idejű megfigyeléshez.Egy bizonyos frekvenciatartományban a dinamikus nyomás eléréséhez a TATSA megfelelő frekvenciaválasza várható.Így a TATSA frekvenciakarakterisztikáját is teszteltük.A külső gerjesztési frekvencia növelésével a kimeneti feszültség amplitúdója szinte változatlan maradt, míg az áram amplitúdója nőtt, ha a megcsapolási frekvenciák 1 és 20 Hz között változtak (3D. ábra).
A TATSA megismételhetőségének, stabilitásának és tartósságának értékeléséhez teszteltük a kimeneti feszültséget és az áramerősséget a nyomásterhelési terhelési-ürítési ciklusokra.Az érzékelőre 1 kPa nyomást helyeztünk 5 Hz frekvenciával.A csúcstól csúcsig terjedő feszültséget és áramerősséget 100 000 terhelési-ürítési ciklus után rögzítettük (3E. ábra, illetve S17. ábra).A feszültség és az áram hullámformájának kinagyított nézetei a 3E.S17, ill.Az eredmények a TATSA figyelemre méltó ismételhetőségét, stabilitását és tartósságát mutatják.A moshatóság a TATSA, mint teljesen textil eszköz esetében is lényeges értékelési kritérium.A mosási képesség értékeléséhez teszteltük az érzékelő kimeneti feszültségét a TATSA gépi mosása után az American Association of Textil Chemists and Colorists (AATCC) 135-2017 tesztmódszere szerint.A részletes mosási eljárást az Anyagok és módszerek című részben ismertetjük.Amint a 3F. ábrán látható, az elektromos kimeneteket 20-szoros és 40-szeri mosás után rögzítettük, ami azt mutatta, hogy a mosási tesztek során nem volt jelentős változás a kimeneti feszültségben.Ezek az eredmények igazolják a TATSA figyelemre méltó moshatóságát.Viselhető textil érzékelőként a kimeneti teljesítményt is megvizsgáltuk, amikor a TATSA húzó (S18. ábra), csavart (S19. ábra) és eltérő páratartalom (S20. ábra) körülmények között volt.
A TATSA fentebb bemutatott számos előnye alapján kifejlesztettünk egy vezeték nélküli mobil egészségfigyelő rendszert (WMHMS), amely képes folyamatosan fiziológiai jelek vételére, majd szakszerű tanácsadásra a páciens számára.A 4A. ábra a TATSA-n alapuló WMHMS séma diagramját mutatja.A rendszer négy komponensből áll: a TATSA az analóg fiziológiai jelek fogadására, egy aluláteresztő szűrővel ellátott analóg kondicionáló áramkör (MAX7427) és egy erősítő (MAX4465), amely biztosítja a megfelelő részletezést és a jelek kiváló szinkronizálását, egy analóg-digitális. egy mikrokontroller egységen alapuló konverter az analóg jelek összegyűjtésére és digitális jelekké alakítására, valamint egy Bluetooth modulra (CC2640 alacsony fogyasztású Bluetooth chip) a digitális jel továbbítására a mobiltelefon-terminál alkalmazásra (APP; Huawei Honor 9).Ebben a vizsgálatban a TATSA-t zökkenőmentesen varrtuk egy csipkébe, csuklópántba, ujjtartóba és zokniba, amint az a 4B. ábrán látható.
(A) A WMHMS illusztrációja.(B) Fényképek a TATSA-król csuklópántba, ujjtartóba, zokniba és mellkaspántba varrva.Pulzusmérés a (C1) nyaknál, (D1) csuklónál, (E1) ujjbegynél és (F1) bokánál.Pulzus hullámforma a (C2) nyaknál, (D2) csuklónál, (E2) ujjbegynél és (F2) bokánál.(G) Különböző korú impulzushullámformák.(H) Egyetlen impulzushullám elemzése.Radiális augmentációs index (AIx) a következőképpen definiálva: AIx (%) = P2/P1.P1 a haladó hullám csúcsa, P2 pedig a visszavert hullám csúcsa.(I) A brachialis és a boka pulzusciklusa.Az impulzushullám sebességét (PWV) a következőképpen definiálják: PWV = D/∆T.D a boka és a brachialis távolsága.∆T a boka és a brachialis pulzushullámok csúcsai közötti időkésés.PTT, impulzus átfutási ideje.(J) Az AIx és a brachialis-boka PWV (BAPWV) összehasonlítása egészséges és CAD-ek között.*P < 0,01, **P < 0,001 és ***P < 0,05.HTN, magas vérnyomás;CHD, szívkoszorúér-betegség;DM, diabetes mellitus.Fotó: Jin Yang, Chongqing Egyetem.
A különböző emberi testrészek pulzusjeleinek megfigyelésére a fent említett dekorációkat TATSA-val rögzítettük a megfelelő pozíciókhoz: nyak (4C1. ábra), csukló (4D1. ábra), ujjbegy (4E1. ábra) és boka (4F1. ábra). ), ahogy az S3–S6 filmekben kifejtésre került.Az orvostudományban a pulzushullámnak három lényeges jellemzőpontja van: a P1 előrehaladó hullám csúcsa, a P2 visszavert hullám csúcsa és a P3 dikrotikus hullám csúcsa.Ezen jellemzőpontok jellemzői tükrözik az artériás rugalmasság, a perifériás ellenállás és a szív-érrendszerhez kapcsolódó bal kamrai kontraktilitásának egészségi állapotát.Tesztünkben egy 25 éves nő pulzus hullámformáit vettük fel és rögzítettük a fenti négy pozícióban.Ne feledje, hogy a három megkülönböztethető jellemzőpont (P1-től P3-ig) a nyak, a csukló és az ujjbegyek pozíciójában volt megfigyelhető a pulzushullámban, amint az a 4. ábrán látható (C2-E2).Ezzel szemben csak a P1 és a P3 jelent meg a pulzushullámban a boka pozíciójában, és a P2 nem volt jelen (4F2. ábra).Ezt az eredményt a bal kamra által kilökött bejövő vérhullám és az alsó végtagokról visszavert hullám szuperpozíciója okozta (44).Korábbi tanulmányok kimutatták, hogy a P2 a felső végtagokban mért hullámformákban jelenik meg, de a bokában nem (45, 46).Hasonló eredményeket figyeltünk meg a TATSA-val mért hullámformákban, amint az az 1. ábrán látható.S21, amely az itt vizsgált 80 betegből álló populáció tipikus adatait mutatja.Láthatjuk, hogy a P2 nem jelent meg ezekben a bokában mért impulzushullámformákban, ami azt mutatja, hogy a TATSA képes érzékelni a hullámformán belüli finom jellemzőket.Ezek az impulzusmérési eredmények azt mutatják, hogy WMHMS-ünk pontosan képes feltárni a felső és alsó test pulzushullám-jellemzőit, és felülmúlja más munkákat (41, 47).Annak további jelzésére, hogy TATSA-nk széles körben alkalmazható különböző életkorokban, 80 alany pulzushullámát mértük meg különböző életkorban, és mutattunk néhány tipikus adatot, amint az az 1. ábrán látható.S22.A 4G. ábrán látható módon három 25, 45 és 65 éves résztvevőt választottunk, és a három jellemző pont nyilvánvaló volt a fiatal és középkorú résztvevők számára.Az orvosi szakirodalom szerint (48) a legtöbb ember pulzushullámának jellemzői az életkor előrehaladtával változnak, például a P2 pont eltűnése, amelyet az okoz, hogy a visszavert hullám előremozdul, hogy a pulzushullám csökkenése révén rátelepedjen az előrehaladó hullámra. vaszkuláris rugalmasság.Ez a jelenség az általunk összegyűjtött hullámformákban is tükröződik, tovább igazolva, hogy a TATSA alkalmazható különböző populációkra.
A pulzushullámformát nemcsak az egyén fiziológiai állapota befolyásolja, hanem a vizsgálati körülmények is.Ezért az impulzusjeleket különböző érintkezési szorosság mellett mértük a TATSA és a bőr között (S23. ábra), valamint a mérési helyen különböző érzékelési pozíciókban (S24. ábra).Megállapítható, hogy a TATSA konzisztens impulzushullámformákat kaphat részletes információkkal az ér körül a mérési hely nagy, hatékony érzékelési területén.Ezenkívül a TATSA és a bőr között különböző kimenő jelek vannak eltérő érintkezési szorosság mellett.Ezenkívül az érzékelőket viselő személyek mozgása befolyásolhatja az impulzusjeleket.Amikor az alany csuklója statikus állapotban van, a kapott impulzushullámforma amplitúdója stabil (S25A ábra);fordítva, ha a csukló lassan –70° és 70° közötti szögben mozog 30 másodperc alatt, az impulzushullámforma amplitúdója ingadozni fog (S25B ábra).Az egyes impulzushullámformák körvonala azonban látható, és az impulzusfrekvencia továbbra is pontosan meghatározható.Nyilvánvaló, hogy az emberi mozgás során a stabil impulzushullám-felvétel eléréséhez további kutatásokra van szükség, beleértve az érzékelő tervezését és a háttérjelfeldolgozást.
Továbbá a szív- és érrendszer állapotának elemzéséhez és kvantitatív értékeléséhez a TATSA segítségével szerzett pulzushullámformákon keresztül két hemodinamikai paramétert vezettünk be a kardiovaszkuláris rendszer értékelési specifikációinak megfelelően, nevezetesen az augmentációs indexet (AIx) és a pulzushullám sebességét. (PWV), amelyek az artériák rugalmasságát jelentik.Amint a 4H. ábrán látható, a 25 éves egészséges férfi csuklóhelyzetében lévő pulzushullámformát használtuk az AIx elemzéséhez.A képlet szerint (S1 szakasz) AIx = 60% -ot kaptunk, ami normális érték.Ezután egyidejűleg két impulzushullámformát gyűjtöttünk a résztvevő kar- és bokapozíciójában (a pulzushullámforma mérésének részletes módszerét az Anyagok és módszerek című részben ismertetjük).Amint az a 4I. ábrán látható, a két impulzushullámforma jellemzői elkülönültek.Ezután kiszámítottuk a PWV-t a képlet szerint (S1 szakasz).PWV = 1363 cm/s, ami egy egészséges felnőtt férfitól elvárható jellemző érték.Másrészt láthatjuk, hogy az AIx vagy PWV metrikáit nem befolyásolja az impulzushullámforma amplitúdó-különbsége, és az AIx értékei különböző testrészekben eltérőek.Vizsgálatunkban a radiális AIx-et használtuk.A WMHMS különböző emberekben való alkalmazhatóságának igazolására 20 résztvevőt választottunk ki az egészséges csoportból, 20-at a magas vérnyomásos (HTN) csoportból, 20-at a szívkoszorúér-betegségben (CHD) szenvedő csoportból 50-59 éves korig, és 20-at a betegek csoportjából. diabetes mellitus (DM) csoport.Megmértük pulzushullámaikat, és összehasonlítottuk két paraméterüket, az AIx-et és a PWV-t, a 4J. ábra szerint.Megállapítható, hogy a HTN, CHD és DM csoportok PWV értékei alacsonyabbak voltak az egészségesekéhez képest, és statisztikailag különböznek (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 és PDM ≪ 0,001; a P értékeket t-vel számoltuk teszt).Mindeközben a HTN és CHD csoportok AIx értékei alacsonyabbak voltak az egészséges csoporthoz képest, és statisztikai különbséget mutattak (PHTN < 0,01, PCHD < 0,001 és PDM < 0,05).A CHD-ben, HTN-ben vagy DM-ben szenvedők PWV-je és AIx-értéke magasabb volt, mint az egészséges csoportban.Az eredmények azt mutatják, hogy a TATSA képes pontosan meghatározni a pulzushullámformát a kardiovaszkuláris paraméterek kiszámításához a kardiovaszkuláris egészségi állapot felméréséhez.Összefoglalva, vezeték nélküli, nagy felbontású, nagy érzékenységű jellemzői és kényelme miatt a TATSA-n alapuló WMHMS hatékonyabb alternatívát kínál a valós idejű monitorozáshoz, mint a jelenlegi drága kórházi orvosi berendezések.
A pulzushullámon kívül a légzéssel kapcsolatos információk is elsődleges létfontosságú jelek az egyén fizikai állapotának felméréséhez.A TATSA-n alapuló légzésfigyelés vonzóbb, mint a hagyományos poliszomnográfia, mivel a nagyobb kényelem érdekében zökkenőmentesen integrálható a ruhákba.A fehér, elasztikus mellkaspántba varrva a TATSA közvetlenül az emberi testhez volt kötve, és a mellkas körül rögzítette a légzés figyeléséhez (5A. ábra és S7 film).A TATSA deformálódott a bordaív tágulásával és összehúzódásával, ami elektromos kimenetet eredményezett.A kapott hullámformát az 5B. ábra igazolja.A nagy ingadozású jel (1,8 V amplitúdó) és periodikus változás (0,5 Hz frekvencia) megfelelt a légzési mozgásnak.A viszonylag kis ingadozási jelet erre a nagy fluktuációs jelre, amely a szívverés jelre helyeztük.A légzési és szívverési jelek frekvenciakarakterisztikája szerint egy 0,8 Hz-es aluláteresztő szűrőt és egy 0,8-20 Hz-es sávszűrőt használtunk a légzési és a szívverésjelek elkülönítésére, amint az az 5C. ábrán látható. .Ebben az esetben stabil légzési és pulzusjeleket kaptunk bőséges fiziológiai információval (például légzésszámmal, szívveréssel és a pulzushullám jellemző pontjaival) egyszerre és pontosan úgy, hogy az egyetlen TATSA-t a mellkasra helyeztük.
(A) Fénykép, amely a mellkason elhelyezett TATSA kijelzőjét mutatja a légzéshez kapcsolódó nyomás jelének mérésére.(B) A mellkasra szerelt TATSA feszültség-idő diagramja.(C) A jel (B) lebontása szívverésre és légzési hullámformára.(D) Fénykép, amelyen két TATSA látható a hason és a csuklón a légzés és pulzus mérésére alvás közben.(E) Egészséges résztvevő légzési és pulzusjelei.HR, pulzusszám;BPM, ütés percenként.(F) SAS-résztvevő légzés- és pulzusjelei.(G) Egészséges résztvevő légzési jele és PTT-je.(H) Egy SAS-résztvevő légzési jele és PTT-je.(I) A PTT arousal index és az apnoe-hypopnea index (AHI) kapcsolata.Fotó: Wenjing Fan, Chongqing Egyetem.
Annak bizonyítására, hogy érzékelőnk pontosan és megbízhatóan képes figyelni a pulzus- és légzési jeleket, kísérletet hajtottunk végre a pulzus- és légzési jelek mérési eredményeinek összehasonlítására TATSA-ink és egy szabványos orvosi műszer (MHM-6000B) között, az S8 filmekben kidolgozott módon. és S9.A pulzushullám mérésnél egy fiatal lány bal mutatóujján viselték az orvosi műszer fotoelektromos érzékelőjét, eközben pedig a jobb mutatóujján a mi TATSA-nkat.A két megszerzett impulzus hullámformából láthatjuk, hogy a körvonalaik és a részletek azonosak voltak, ami azt jelzi, hogy a TATSA által mért pulzus ugyanolyan precíz, mint az orvosi műszerrel.A légzési hullámmérés során öt elektrokardiográfiás elektródát rögzítettek egy fiatal férfi testének öt területére az orvosi utasítás szerint.Ezzel szemben csak egy TATSA volt közvetlenül a testhez kötve és a mellkas körül rögzítve.Az összegyűjtött légzési jelekből látható, hogy a TATSA által detektált légzési jel variációs tendenciája és sebessége összhangban van az orvosi műszerrel.Ez a két összehasonlító kísérlet igazolta a pulzus- és légzési jelek figyelésére szolgáló szenzorrendszerünk pontosságát, megbízhatóságát és egyszerűségét.
Ezenkívül készítettünk egy darab okosruhát, és két TATSA-t varrtunk a has és a csukló helyzetébe a légzési és pulzusjelek figyelésére.Pontosabban, egy kifejlesztett kétcsatornás WMHMS-t használtak a pulzus- és légzési jelek egyidejű rögzítésére.Ezen a rendszeren keresztül egy 25 éves, okosruhánkba öltözött férfi légzési és pulzusjeleit kaptuk meg alvás közben (5D ábra és S10 film) és ülés közben (S26 ábra és S11 film).A kapott légzési és pulzusjelek vezeték nélkül továbbíthatók a mobiltelefon APP-jába.Mint fentebb említettük, a TATSA képes a légzési és pulzusjelek rögzítésére.Ez a két fiziológiai jel a SAS orvosi becslésének kritériuma is.Ezért TATSA-nk az alvásminőség és a kapcsolódó alvászavarok nyomon követésére és értékelésére is használható.Amint az 5. ábrán látható (E és F), folyamatosan mértük két résztvevő, egy egészséges és egy SAS-s beteg pulzus- és légzési hullámformáit.Az apnoéban nem szenvedőknél a mért légzés- és pulzusszám stabil maradt, 15, illetve 70.A SAS-ben szenvedő betegnél 24 másodpercig tartó, határozott apnoét figyeltek meg, ami obstruktív légzési eseményre utal, és a szívfrekvencia enyhén megemelkedett egy apnoe periódus után az idegrendszer szabályozása miatt (49).Összefoglalva, a légzési állapotot a TATSA értékelheti.
A SAS típusának pulzus- és légzési jeleken keresztül történő további felmérése érdekében elemeztük a pulzus áthaladási idejét (PTT), egy nem invazív mutatót, amely tükrözi a perifériás vaszkuláris rezisztenciában és az intrathoracalis nyomásban bekövetkező változásokat (az S1 szakaszban definiálva) egy egészséges férfi és egy betegnél. SAS.Az egészséges résztvevő esetében a légzési frekvencia változatlan maradt, és a PTT viszonylag stabil volt 180 és 310 ms között (5G. ábra).A SAS-résztvevő esetében azonban a PTT folyamatosan 120 ms-ról 310 ms-ra nőtt apnoe alatt (5H. ábra).Így a résztvevőnél obstruktív SAS-t (OSAS) diagnosztizáltak.Ha a PTT változása az apnoe alatt csökkenne, akkor az állapotot központi alvási apnoe szindrómának (CSAS), ha pedig e két tünet egyidejűleg fennállna, akkor vegyes SAS-ként (MSAS) diagnosztizálnák.A SAS súlyosságának felméréséhez tovább elemeztük az összegyűjtött jeleket.A PTT arousal index, amely az óránkénti PTT arousalok száma (a PTT arousal a PTT ≥15 ms-os esése, amely ≥3 másodpercig tart), létfontosságú szerepet játszik a SAS mértékének értékelésében.Az apnoe-hipopnea index (AHI) a SAS mértékének meghatározására szolgáló standard (az apnoe a légzés leállása, a hypopnoe pedig a túlságosan sekély légzés vagy abnormálisan alacsony légzésszám), amely az apnoe és a hypopnoe perenkénti száma. óra alvás közben (az AHI és az OSAS értékelési kritériumai közötti kapcsolat az S2 táblázatban látható).Az AHI és a PTT arousal index közötti kapcsolat vizsgálatához 20 SAS-ban szenvedő beteg légzési jeleit választottuk ki és elemeztük TATSA-kkal.Amint az 51. ábrán látható, a PTT arousal index pozitívan korrelált az AHI-vel, mivel az alvás közbeni apnoe és hypopnoe a vérnyomás nyilvánvaló és átmeneti emelkedését okozza, ami a PTT csökkenéséhez vezet.Ezért TATSA-nk egyidejűleg képes stabil és pontos pulzus- és légzési jeleket kapni, így fontos fiziológiai információkat szolgáltat a szív- és érrendszerről és a SAS-ról a kapcsolódó betegségek monitorozására és értékelésére.
Összefoglalva, kifejlesztettünk egy TATSA-t, amely a teljes kardigán öltést alkalmazza különböző fiziológiai jelek egyidejű detektálására.Ez az érzékelő nagy, 7,84 mV Pa−1 érzékenységgel, 20 ms-os gyors válaszidővel, több mint 100 000 cikluson át tartó nagy stabilitással és széles működési frekvencia sávszélességgel rendelkezik.A TATSA alapján kifejlesztettek egy WMHMS-t is, amely a mért élettani paramétereket mobiltelefonra továbbítja.A TATSA beépíthető a ruhák különböző helyeibe az esztétikus kialakítás érdekében, és a pulzus- és légzési jelek egyidejű, valós időben történő figyelésére használható.A rendszer alkalmas arra, hogy segítsen megkülönböztetni az egészséges egyéneket a CAD-vel vagy SAS-sel rendelkezők között, mivel képes részletes információk rögzítésére.Ez a tanulmány kényelmes, hatékony és felhasználóbarát megközelítést kínált az emberi pulzus és légzés mérésére, ami előrelépést jelent a viselhető textilelektronika fejlesztésében.
A rozsdamentes acélt többször átengedtük a formán, és 10 μm átmérőjű rosttá nyújtottuk.Elektródaként rozsdamentes acélszálat helyeztek be több kereskedelmi egyrétegű terilén fonalba.
Egy függvénygenerátort (Stanford DS345) és egy erősítőt (LabworkPa-13) használtunk a szinuszos nyomásjel biztosítására.A TATSA-ra kifejtett külső nyomás mérésére kéttartományú erőérzékelőt (Vernier Software & Technology LLC) használtak.Egy Keithley rendszerű elektrométert (Keithley 6514) használtak a TATSA kimeneti feszültségének és áramának figyelésére és rögzítésére.
Az AATCC 135-2017 tesztmódszere szerint a TATSA-t és elegendő ballasztot használtunk 1,8 kg-os töltetként, majd behelyeztük egy kereskedelmi mosógépbe (Labtex LBT-M6T), hogy kényes gépi mosási ciklusokat hajtsunk végre.Ezután megtöltöttük a mosógépet 18 gallon 25°C-os vízzel, és beállítottuk a mosógépet a kiválasztott mosási ciklusra és időre (keverési sebesség, 119 löket percenként; mosási idő 6 perc; végső centrifugálási sebesség 430 ford./perc; végső centrifugálási idő, 3 perc).Végül a TATSA-t 26 °C-nál nem magasabb szobahőmérsékleten álló levegőn, szárazon függesztettük fel.
Az alanyokat arra utasították, hogy hanyatt feküdjenek az ágyon.A TATSA a mérőhelyekre került.Miután az alanyok normál fekvő helyzetben voltak, 5-10 percig teljesen ellazultak.Ezután elkezdte mérni az impulzusjelet.
A cikkhez tartozó kiegészítő anyagok a következő címen érhetők el: https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
S9 ábra.A TATSA erőeloszlásának szimulációs eredménye 0,2 kPa nyomáson a COMSOL szoftverrel.
S10. ábra.Egy érintkező egység erőeloszlásának szimulációs eredményei az alkalmazott nyomások mellett 0,2, illetve 2 kPa-nál.
S11. ábra.Teljes vázlatos illusztrációk egy érintkező egység töltésátviteléről rövidzárlati körülmények között.
S13 ábra.A TATSA folyamatos kimeneti feszültsége és árama a mérési ciklusban folyamatosan alkalmazott külső nyomás hatására.
S14. ábra.Feszültségreakció különböző számú hurokegységre ugyanazon a szövetterületen, ha a hurok számát változatlanul hagyja a fal irányában.
S15. ábra.A két textil érzékelő kimeneti teljesítményének összehasonlítása a teljes kardigán öltéssel és az egyszerű öltéssel.
S16. ábra.Grafikonok, amelyek frekvenciaválaszokat mutatnak 1 kPa dinamikus nyomás és 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 és 20 Hz bemeneti nyomás mellett.
S25 ábra.Az érzékelő kimeneti feszültsége, amikor a téma statikus és mozgási körülmények között volt.
S26. ábra.Fénykép, amely a hasra és a csuklóra egyidejűleg elhelyezett TATSA-kat mutatja a légzés és a pulzus mérésére.
Ez egy nyílt hozzáférésű cikk, amelyet a Creative Commons Nevezd meg! Nem kereskedelmi licenc feltételei szerint terjesztenek, és amely lehetővé teszi a felhasználást, terjesztést és reprodukálást bármilyen médiában, mindaddig, amíg az ebből eredő felhasználás nem szolgál kereskedelmi előnyökkel, és feltéve, hogy az eredeti mű megfelelő. idézett.
MEGJEGYZÉS: Csak azért kérjük az e-mail címedet, hogy az oldalt ajánló személy tudja, hogy szeretnéd, hogy lássák, és hogy nem kéretlen levélről van szó.Nem rögzítünk semmilyen e-mail címet.
Szerző: Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Egy nagy nyomásérzékenységű és kényelmes triboelektromos, teljes textil érzékelőt fejlesztettek ki az egészségi állapot megfigyelésére.
Szerző: Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Egy nagy nyomásérzékenységű és kényelmes triboelektromos, teljes textil érzékelőt fejlesztettek ki az egészségi állapot megfigyelésére.
© 2020 American Association for the Advancement of Science.Minden jog fenntartva.Az AAAS a HINARI, az AGORA, az OARE, a CHORUS, a CLOCKSS, a CrossRef és a COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 partnere.
Feladás időpontja: 2020. március 27