Textíl rafeindabúnaður er mjög eftirsóknarverður til að gera sérsniðna heilsustjórnun.Hins vegar geta flestir textíl rafeindatækni annaðhvort reglulega miðað á eitt lífeðlisfræðilegt merki eða misst af skýrum upplýsingum um merkin, sem leiðir til heilsumats að hluta.Ennfremur eru vefnaðarvörur með framúrskarandi eiginleika og þægindi enn áskorun.Hér segjum við frá triboelectric alls textíl skynjara fylki með mikilli þrýstingsnæmi og þægindi.Það sýnir þrýstingsnæmni (7,84 mV Pa−1), hraðan viðbragðstíma (20 ms), stöðugleika (>100.000 lotur), breið vinnslutíðnibandbreidd (allt að 20 Hz) og þvottahæfni í vél (>40 þvott).Tilbúnu TATSA var saumað í mismunandi hluta föt til að fylgjast með slagæðapúlsbylgjum og öndunarboðum samtímis.Við þróuðum enn frekar heilsuvöktunarkerfi fyrir langtíma- og óífarandi mat á hjarta- og æðasjúkdómum og kæfisvefnheilkenni, sem sýnir mikla framfarir fyrir megindlega greiningu á sumum langvinnum sjúkdómum.
Wearable rafeindatækni táknar heillandi tækifæri vegna efnilegra nota þeirra í persónulegum læknisfræði.Þeir geta fylgst með heilsufari einstaklings á samfelldan, rauntíma og ekki ífarandi hátt (1–11).Púls og öndun, sem tveir ómissandi þættir lífsmarka, geta veitt bæði nákvæmt mat á lífeðlisfræðilegu ástandi og ótrúlega innsýn í greiningu og horfur tengdra sjúkdóma (12–21).Hingað til eru flestar nothæfar rafeindatækni til að greina fíngerð lífeðlisfræðileg merki byggð á ofurþunnu hvarfefni eins og pólýetýlen tereftalati, pólýdímetýlsíloxani, pólýímíði, gleri og kísill (22–26).Galli þessara hvarfefna til notkunar á húðina liggur í sléttu og stífu sniði þeirra.Þar af leiðandi þarf bönd, plástur eða annan vélrænan búnað til að koma á þéttri snertingu milli rafeindabúnaðar sem hægt er að nota og húð manna, sem getur valdið ertingu og óþægindum meðan á notkun stendur í langan tíma (27, 28).Þar að auki hafa þessi hvarfefni lélegt loftgegndræpi, sem leiðir til óþæginda þegar þau eru notuð til langtíma, samfellts heilsueftirlits.Til að bæta úr fyrrnefndum vandamálum í heilbrigðisþjónustu, sérstaklega í daglegri notkun, býður snjall vefnaður upp á áreiðanlega lausn.Þessir vefnaðarvörur hafa einkenni mýktar, léttra þyngdar og öndunar og þar með möguleika á þægindum í raftækjum sem hægt er að nota.Á undanförnum árum hefur ákaft viðleitni verið lögð í að þróa textíl-undirstaða kerfi í viðkvæmum skynjurum, orkuuppskeru og geymslu (29–39).Sérstaklega hefur verið greint frá árangursríkum rannsóknum á ljósleiðara, piezoelectricity og viðnámsbundnum snjalltextílum sem notaðir eru við eftirlit með púls- og öndunarboðum (40–43).Hins vegar hefur þessi snjall vefnaður venjulega lítið næmni og eina eftirlitsbreytu og er ekki hægt að framleiða í stórum stíl (tafla S1).Þegar um púlsmælingar er að ræða er erfitt að fanga nákvæmar upplýsingar vegna daufrar og hröðrar sveiflur í púlsinum (td eiginleikapunkta hans), og þess vegna er þörf á mikilli næmni og viðeigandi tíðniviðbrögðum.
Í þessari rannsókn kynnum við triboelectric all-textile sensor array (TATSA) með mikilli næmni fyrir fíngerða þrýstingsfanga húðþekju, prjónað með leiðandi og nylon garni í fullri peysusaumi.TATSA getur veitt mikla þrýstingsnæmni (7,84 mV Pa−1), hraðan viðbragðstíma (20 ms), stöðugleika (>100.000 lotur), breið vinnslutíðnibandbreidd (allt að 20 Hz) og þvottahæfni í vél (>40 þvott).Það er fær um að samþætta sig á þægilegan hátt í föt með nærgætni, þægindi og fagurfræðilegu aðdráttarafl.Athyglisvert er að TATSA okkar er hægt að fella beint inn í mismunandi staði efnisins sem samsvara púlsbylgjum við háls, úlnlið, fingurgóma og ökkla og öndunarbylgjur í kvið og brjósti.Til að meta framúrskarandi frammistöðu TATSA í rauntíma og fjarlægri heilsuvöktun, þróum við sérsniðið greint heilsueftirlitskerfi til að afla stöðugt og vista lífeðlisfræðileg merki fyrir greiningu á hjarta- og æðasjúkdómum (CAD) og mat á kæfisvefnheilkenni (SAS). ).
Eins og sýnt er á mynd 1A voru tvær TATSA saumaðar inn í belg og brjóst á skyrtu til að virkja kraftmikla og samtímis eftirlit með púls- og öndunarboðum, í sömu röð.Þessi lífeðlisfræðilegu merki voru send þráðlaust til snjallsímaútstöðvarforritsins (APP) til frekari greiningar á heilsufari.Mynd 1B sýnir TATSA saumað í viskustykki og innfellingin sýnir stækkaða mynd af TATSA, sem var prjónað með því að nota einkennandi leiðandi garn og verslunarnylongarn saman í heilri peysusaum.Í samanburði við grunnsauminn, algengustu og undirstöðu prjónaaðferðina, var fullur peysusaumur valinn vegna þess að snertingin á milli lykkjuhauss leiðandi garns og aðliggjandi innstunguhauss nælongarnsins (mynd S1) er yfirborð. frekar en punktsnerting, sem leiðir til stærra verkunarsvæðis fyrir mikil triboelectric áhrif.Til að undirbúa leiðandi garnið völdum við ryðfríu stáli sem fasta kjarnatrefjarnar og nokkrir stykki af einslags Terylene garni voru snúnir utan um kjarnatrefjanna í eitt leiðandi garn með þvermál 0,2 mm (mynd S2), sem þjónaði sem bæði rafvæðingaryfirborðið og leiðandi rafskautið.Nælongarnið, sem var 0,15 mm í þvermál og þjónaði sem annað rafvæðingarflötur, hafði mikinn togkraft vegna þess að það var snúið af óútreiknanlegu garni (mynd S3).Mynd 1 (C og D, í sömu röð) sýnir ljósmyndir af framleiddu leiðandi garni og nylongarni.Innfellingarnar sýna hver um sig skanna rafeindasmásjármyndir (SEM) sem sýna dæmigerðan þverskurð af leiðandi garninu og yfirborði nylongarnsins.Hár togstyrkur leiðandi og nylon garnanna tryggði vefnaðargetu þeirra á iðnaðarvél til að viðhalda samræmdri frammistöðu allra skynjara.Eins og sýnt er á mynd 1E, voru leiðandi garn, nylongarn og venjulegir þræðir vefaðir á keilur sínar, sem síðan voru settar á iðnaðartölvutæku flatprjónavélina fyrir sjálfvirkan vefnað (mynd S1).Eins og sýnt er á mynd.S4 voru nokkrir TATSA prjónaðir saman með venjulegum klút með því að nota iðnaðarvélina.Einn TATSA með þykkt 0,85 mm og þyngd 0,28 g væri hægt að sníða úr öllu uppbyggingunni fyrir einstaklingsnotkun, sem sýnir framúrskarandi samhæfni við aðra klút.Að auki væri hægt að hanna TATSA í ýmsum litum til að uppfylla fagurfræðilegar og tískukröfur vegna fjölbreytileika nælongarnsins til sölu (mynd 1F og mynd S5).Framleiddu TATSA hafa framúrskarandi mýkt og getu til að standast harkalega beygju eða aflögun (mynd S6).Mynd 1G sýnir TATSA saumað beint í kvið og belg á peysu.Ferlið við að prjóna peysuna er sýnt á mynd.S7 og kvikmynd S2.Upplýsingar um fram- og bakhliðar teygðu TATSA við kviðstöðu eru sýndar á mynd.S8 (A og B, í sömu röð), og staða leiðandi garns og nylongarns er sýnd á mynd.S8C.Hér má sjá að TATSA er hægt að fella inn í venjulegt efni óaðfinnanlega fyrir næði og snjallt útlit.
(A) Tveir TATSA samþættir í skyrtu til að fylgjast með púls- og öndunarboðum í rauntíma.(B) Skýringarmynd af samsetningu TATSA og fötum.Innfellingin sýnir stækkaða mynd skynjarans.(C) Ljósmynd af leiðandi garni (kvarðastöng, 4 cm).Innfellingin er SEM mynd af þversniði leiðandi garns (kvarðastöng, 100 μm), sem samanstendur af ryðfríu stáli og Terylene garni.(D) Ljósmynd af nylongarninu (kvarðastöng, 4 cm).Innfellingin er SEM mynd af nælongarnyfirborðinu (kvarðastöng, 100 μm).(E) Mynd af tölvustýrðu flatprjónavélinni sem framkvæmir sjálfvirkan vefnað TATSA.(F) Ljósmynd af TATSA í mismunandi litum (kvarðastöng, 2 cm).Innskotið er snúið TATSA, sem sýnir framúrskarandi mýkt sína.(G) Ljósmynd af tveimur TATSA sem saumaðar eru alveg og óaðfinnanlega í peysu.Myndinneign: Wenjing Fan, Chongqing University.
Til að greina vinnslukerfi TATSA, þar á meðal vélrænni og rafeiginleika þess, smíðuðum við rúmfræðilegt prjónalíkan af TATSA, eins og sýnt er á mynd 2A.Með því að nota heilan peysusaum er leiðandi garnið og nælongarnið samtengd í formi lykkjueininga í stefnu og gangstefnu.Ein lykkja (mynd S1) samanstendur af lykkjuhaus, lykkjuarmi, rifbeygjuhluta, innstungusaumsarm og innstungusaumshaus.Hægt er að finna tvenns konar snertiflötur milli tveggja mismunandi garnanna: (i) snertiflöturinn á milli lykkjuhauss leiðandi garns og tucksaumhaus nælongarnsins og (ii) snertiflötur milli lykkjuhaussins á nælongarnið og tucksaumhaus leiðandi garnsins.
(A) TATSA með fram-, hægri- og efri hliðum á prjónuðu lykkjunum.(B) Niðurstaða eftirlíkingar af kraftdreifingu TATSA undir beittum þrýstingi upp á 2 kPa með því að nota COMSOL hugbúnaðinn.(C) Skýringarmyndir af hleðsluflutningi tengieininga við skammhlaupsskilyrði.(D) Eftirlíkingarniðurstöður hleðsludreifingar snertieiningar við opið hringrásarskilyrði með því að nota COMSOL hugbúnaðinn.
Vinnureglu TATSA má útskýra í tveimur þáttum: ytri kraftörvun og framkallaða hleðslu þess.Til að skilja streitudreifingu á innsæi til að bregðast við utanaðkomandi kraftörvun, notuðum við endanlega frumefnisgreiningu með því að nota COMSOL hugbúnað við mismunandi ytri krafta 2 og 0,2 kPa, eins og sýnt er á mynd 2B og mynd.S9.Álagið kemur fram á snertiflötum tveggja garna.Eins og sýnt er á mynd.S10, við skoðuðum tvær lykkjueiningar til að skýra streitudreifingu.Þegar streitudreifingin er borin saman við tvo mismunandi ytri krafta eykst álagið á yfirborði leiðandi garnsins og nylongarnsins með auknum ytri krafti, sem leiðir til snertingar og útpressunar á milli tveggja garnanna.Þegar ytri krafturinn er sleppt skiljast garnin tvö og hverfa frá hvort öðru.
Snerti-aðskilnaðarhreyfingar milli leiðandi garns og nylongarns valda hleðsluflutningi, sem er rakið til samtengingar þrírafmagns og rafstöðueiginleika.Til að skýra raforkuframleiðsluferlið greinum við þversnið svæðisins þar sem garnin tvö snerta hvert annað (Mynd 2C1).Eins og sýnt er á mynd 2 (C2 og C3, í sömu röð), þegar TATSA er örvað af ytri krafti og garnin tvö eru í snertingu við hvert annað, á sér stað rafvæðing á yfirborði leiðandi garnsins og nylongarnsins og jafngildar hleðslur með gagnstæða skautun myndast á yfirborði tveggja garnanna.Þegar garnin tvö eru aðskilin verða jákvæðar hleðslur framkallaðar í innra ryðfríu stálinu vegna rafstöðueiginleika.Heildar skýringarmyndin er sýnd á mynd.S11.Til að öðlast meiri megindlegan skilning á raforkuframleiðsluferlinu líktum við eftir hugsanlegri dreifingu TATSA með COMSOL hugbúnaði (Mynd 2D).Þegar efnin tvö eru í snertingu safnast hleðslan aðallega saman á núningsefnið og aðeins lítið magn af völdum hleðslu er til staðar á rafskautinu, sem leiðir til lítillar möguleika (Mynd 2D, neðst).Þegar efnin tvö eru aðskilin (Mynd 2D, efst) eykst framkallað hleðsla á rafskautinu vegna straummunarins og samsvarandi spenna eykst, sem sýnir gott samræmi á milli niðurstaðna sem fengust úr tilraununum og þeirra úr hermunum. .Ennfremur, þar sem leiðandi rafskaut TATSA er vafin inn í Terylene garn og húðin er í snertingu við bæði núningsefnin tvö, því þegar TATSA er borið beint á húðina er hleðslan háð ytri krafti og mun ekki veikjast af húðinni.
Til að einkenna frammistöðu TATSA okkar á ýmsum sviðum, útvegum við mælikerfi sem innihélt virknirafall, aflmagnara, rafaflfræðilegan hristara, kraftmæli, rafmæli og tölvu (mynd S12).Þetta kerfi framkallar ytri kraftmikinn þrýsting allt að 7 kPa.Í tilrauninni var TATSA sett á flata plastplötu í frjálsu ástandi og rafboðin eru skráð með rafmælinum.
Forskriftir leiðandi og nælongarnanna hafa áhrif á framleiðslugetu TATSA vegna þess að þær ákvarða snertiflöturinn og getu til að skynja ytri þrýstinginn.Til að kanna þetta, framleiddum við þrjár stærðir af garnunum tveimur, í sömu röð: leiðandi garn með stærðinni 150D/3, 210D/3 og 250D/3 og nylongarn með stærðinni 150D/6, 210D/6 og 250D /6 (D, denier; mælieining notuð til að ákvarða trefjaþykkt einstakra þráða; dúkur með háan denier-fjölda hafa tilhneigingu til að vera þykkur).Síðan völdum við þessi tvö garn með mismunandi stærðum til að prjóna þau í skynjara og vídd TATSA var haldið í 3 cm sinnum 3 cm með lykkjunúmerinu 16 í valsátt og 10 í stefnu.Þannig fengust skynjararnir með níu prjónauppskriftum.Skynjarinn við leiðandi garn með stærðina 150D/3 og nylongarn með stærðinni 150D/6 var þynnstur og skynjarinn við leiðandi garn með stærðinni 250D/3 og nylongarn með stærðinni 250D/ 6 var þykkast.Undir vélrænni örvun upp á 0,1 til 7 kPa voru rafmagnsúttak fyrir þessi mynstur kerfisbundið rannsökuð og prófuð, eins og sýnt er á mynd 3A.Úttaksspenna TATSA-vélanna níu jókst með auknum þrýstingi, úr 0,1 í 4 kPa.Nánar tiltekið, af öllum prjónamynstrum, skilaði forskrift 210D/3 leiðandi garnsins og 210D/6 nylongarninu hæsta raforkuframleiðslu og sýndi mesta næmni.Úttaksspennan sýndi vaxandi tilhneigingu með aukningu á þykkt TATSA (vegna nægilegs snertiflöts) þar til TATSA var prjónað með 210D/3 leiðandi garni og 210D/6 nylon garni.Þar sem frekari aukning á þykkt myndi leiða til frásogs ytri þrýstings af garnunum, lækkaði útgangsspennan í samræmi við það.Ennfremur er tekið fram að á lágþrýstingssvæðinu (<4 kPa) gaf vel hagað línuleg breytileiki í útgangsspennu með þrýstingi yfirburða þrýstingsnæmni upp á 7,84 mV Pa−1.Á háþrýstingssvæðinu (>4 kPa) sást lægra þrýstingsnæmi 0,31 mV Pa−1 í tilraunaskyni vegna mettunar á virka núningssvæðinu.Svipuð þrýstingsnæmni var sýnd á gagnstæðu ferli við að beita krafti.Steyputímasnið úttaksspennu og straums við mismunandi þrýsting eru sýnd á mynd.S13 (A og B, í sömu röð).
(A) Úttaksspenna undir níu prjónamynstrum af leiðandi garninu (150D/3, 210D/3 og 250D/3) ásamt nylongarninu (150D/6, 210D/6 og 250D/6).(B) Spennusvörun við ýmsum fjölda lykkjueininga á sama efnissvæði þegar lykkjunúmerinu er haldið óbreyttu í stefnu.(C) Teikningar sem sýna tíðniviðbrögð við kraftmikinn þrýsting sem er 1 kPa og þrýstingsinntakstíðni 1 Hz.(D) Mismunandi úttaks- og straumspenna undir tíðnunum 1, 5, 10 og 20 Hz.(E) Endingarprófun á TATSA undir 1 kPa þrýstingi.(F) Úttakseiginleikar TATSA eftir þvott 20 og 40 sinnum.
Næmni og útgangsspenna voru einnig undir áhrifum af saumaþéttleika TATSA, sem var ákvarðaður af heildarfjölda lykkju á mældu svæði efnisins.Aukning á saumaþéttleika myndi leiða til meiri þéttleika efnisbyggingarinnar.Mynd 3B sýnir frammistöðu úttaksins undir mismunandi lykkjunúmerum á textílsvæðinu sem er 3 cm x 3 cm, og innfellingin sýnir uppbyggingu lykkjueiningarinnar (við héldum lykkjunúmerinu í stefnunni á 10 og lykkjunúmerinu í stefnan var 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 og 26).Með því að hækka lykkjunúmerið sýndi útgangsspennan fyrst vaxandi tilhneigingu vegna vaxandi snertiflöts, þar til hámarks útgangsspennutoppurinn var 7,5 V með lykkjutölunni 180. Eftir þennan tíma fylgdi útgangsspennan minnkandi þróun vegna þess að TATSA varð þétt og garnin tvö höfðu minnkað snertiskil.Til að kanna í hvaða átt þéttleikinn hefur mikil áhrif á úttakið, héldum við lykkjunúmeri TATSA í hvalastefnu á 18 og lykkjunúmerið í stefnustefnu var stillt á 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 og 14. Samsvarandi útgangsspennur eru sýndar á mynd.S14.Til samanburðar getum við séð að þéttleikinn í stefnunni hefur meiri áhrif á útgangsspennuna.Þess vegna var prjónamynstur 210D/3 leiðandi garnsins og 210D/6 nylongarnsins og 180 lykkjueininga valin til að prjóna TATSA eftir yfirgripsmikið mat á framleiðslueiginleikum.Ennfremur bárum við saman úttaksmerki tveggja textílskynjara með því að nota fullan peysusaum og venjulegan sauma.Eins og sýnt er á mynd.S15, rafmagnsframleiðslan og næmnin með fullum peysusaumi eru mun meiri en þegar notuð eru venjuleg sauma.
Mældur var viðbragðstími til að fylgjast með rauntímamerkjum.Til að kanna viðbragðstíma skynjarans okkar við ytri krafta, bárum við útgangsspennumerkin saman við kraftmikla þrýstingsinntak á tíðninni 1 til 20 Hz (mynd 3C og mynd S16, í sömu röð).Úttaksspennubylgjulögin voru næstum eins og inntaks sinusoidal þrýstingsbylgjur undir þrýstingi upp á 1 kPa, og úttaksbylgjuformin höfðu hraðan viðbragðstíma (um 20 ms).Þessa hysteresis má rekja til þess að teygjanleg uppbygging hefur ekki farið aftur í upprunalegt ástand eins fljótt og auðið er eftir að hafa fengið ytra kraftinn.Engu að síður er þessi örsmáa hysteresis ásættanleg fyrir rauntíma eftirlit.Til að fá kraftmikinn þrýsting með ákveðnu tíðnisviði er gert ráð fyrir viðeigandi tíðniviðbrögðum TATSA.Þannig var tíðnieinkenni TATSA einnig prófuð.Með því að auka ytri spennutíðnina hélst amplitude útgangsspennunnar nánast óbreytt, en amplitude straumsins jókst þegar töppunartíðnin var breytileg frá 1 til 20 Hz (Mynd 3D).
Til að meta endurtekningarhæfni, stöðugleika og endingu TATSA prófuðum við úttaksspennu og straumsvörun við þrýstingshleðslu-affermingarlotum.Þrýstingur upp á 1 kPa með tíðni 5 Hz var settur á skynjarann.Hámarksspenna og straumur voru skráðir eftir 100.000 hleðslu-afhleðslulotur (mynd 3E og mynd S17, í sömu röð).Stækkaðar myndir af spennunni og straumbylgjuforminu eru sýndar í innfellingu á mynd 3E og mynd.S17, í sömu röð.Niðurstöðurnar sýna ótrúlegan endurtekningarhæfni, stöðugleika og endingu TATSA.Þvottahæfni er einnig nauðsynleg matsviðmiðun TATSA sem textílbúnaðar.Til að meta þvottahæfileikann prófuðum við útgangsspennu skynjarans eftir að við þvoðum TATSA í vél í samræmi við prófunaraðferð American Association of Textile Chemists and Colorists (AATCC) 135-2017.Ítarlegri þvottaaðferð er lýst í Efni og aðferðir.Eins og sýnt er á mynd 3F var rafmagnsúttakið skráð eftir þvott 20 sinnum og 40 sinnum, sem sýndi fram á að það voru engar sérstakar breytingar á útgangsspennunni í þvottaprófunum.Þessar niðurstöður staðfesta ótrúlegan þvott TATSA.Sem nothæfur textílskynjari könnuðum við einnig framleiðslugetu þegar TATSA var í togskilyrðum (mynd S18), snúið (mynd S19) og mismunandi rakastig (mynd S20).
Á grundvelli hinna fjölmörgu kosta TATSA sem sýndir eru hér að ofan, þróuðum við þráðlaust farsímaheilbrigðiseftirlitskerfi (WMHMS), sem hefur getu til að afla stöðugt lífeðlisfræðilegra merkja og gefa síðan faglega ráðgjöf fyrir sjúkling.Mynd 4A sýnir kerfismynd af WMHMS byggt á TATSA.Kerfið hefur fjóra íhluti: TATSA til að ná í hliðrænu lífeðlisfræðilegu merkin, hliðræn kælingarrás með lágrásarsíu (MAX7427) og magnari (MAX4465) til að tryggja nægjanlegar upplýsingar og framúrskarandi samstillingu merkja, hliðrænn-í-stafrænn breytir byggður á örstýringareiningu til að safna og umbreyta hliðstæðum merkjum í stafræn merki, og Bluetooth-einingu (CC2640 lágmarksafls Bluetooth flís) til að senda stafræna merkið til farsímaútstöðvarforritsins (APP; Huawei Honor 9).Í þessari rannsókn saumuðum við TATSA óaðfinnanlega í blúndur, úlnliðsband, fingrabás og sokk, eins og sýnt er á mynd 4B.
(A) Myndskreyting af WMHMS.(B) Ljósmyndir af TATSA sem eru saumaðar í úlnliðsband, fingurstall, sokk og brjóstól.Mæling á púls við (C1) háls, (D1) úlnlið, (E1) fingurgóm og (F1) ökkla.Púlsbylgjuform við (C2) háls, (D2) úlnlið, (E2) fingurgóm og (F2) ökkla.(G) Púlsbylgjuform á mismunandi aldri.(H) Greining á einni púlsbylgju.Radial augmentation index (AIx) skilgreindur sem AIx (%) = P2/P1.P1 er hámark bylgjunnar sem fer áfram og P2 er hámark endurkastaðrar bylgju.(I) Púlshringur á hálsi og ökkla.Púlsbylgjuhraði (PWV) er skilgreindur sem PWV = D/∆T.D er fjarlægðin milli ökkla og armbeins.∆T er töfin á milli toppa ökkla- og armpúlsbylgna.PTT, púlsflutningstími.(J) Samanburður á AIx og brachial-ökkla PWV (BAPWV) milli heilbrigðra og CADs.*P < 0,01, **P < 0,001 og ***P < 0,05.HTN, háþrýstingur;CHD, kransæðasjúkdómur;DM, sykursýki.Myndinneign: Jin Yang, Chongqing University.
Til að fylgjast með púlsmerkjum mismunandi líkamshluta mannsins festum við áðurnefndar skreytingar með TATSA á samsvarandi stöður: háls (Mynd 4C1), úlnlið (Mynd 4D1), fingurgóm (Mynd 4E1) og ökkla (Mynd 4F1) ), eins og útfært er í kvikmyndum S3 til S6.Í læknisfræði eru þrír mikilvægir eiginleikar í púlsbylgjunni: hámarki bylgjunnar P1, hámarki endurkastaðrar bylgju P2, og hámarki tvíkrótísku bylgjunnar P3.Eiginleikar þessara eiginleika punkta endurspegla heilsufarsástand slagæðateygni, útlæga mótstöðu og samdrátt vinstri slegils sem tengist hjarta- og æðakerfinu.Púlsbylgjuform 25 ára konu á ofangreindum fjórum stöðum voru fengnar og skráðar í prófinu okkar.Athugið að þeir þrír aðgreinanlegu einkennispunktar (P1 til P3) sáust á púlsbylgjuforminu við háls, úlnlið og fingurgóma, eins og sýnt er á mynd 4 (C2 til E2).Aftur á móti birtust aðeins P1 og P3 á púlsbylgjuforminu í ökklastöðu og P2 var ekki til staðar (mynd 4F2).Þessi niðurstaða var af völdum yfirbyggingar á innkomandi blóðbylgju sem kastað er út af vinstri slegli og endurkasta bylgju frá neðri útlimum (44).Fyrri rannsóknir hafa sýnt að P2 kemur fram í bylgjuformum sem mælt er í efri útlimum en ekki í ökkla (45, 46).Við sáum svipaðar niðurstöður í bylgjuformunum sem mældar voru með TATSA, eins og sýnt er á mynd.S21, sem sýnir dæmigerð gögn frá þýði 80 sjúklinga sem rannsakaðir eru hér.Við getum séð að P2 kom ekki fram í þessum púlsbylgjuformum mældum í ökkla, sem sýnir getu TATSA til að greina fíngerða eiginleika innan bylgjuformsins.Þessar niðurstöður púlsmælinga benda til þess að WMHMS okkar geti sýnt nákvæmlega púlsbylgjueiginleika efri og neðri hluta líkamans og að hún sé betri en önnur verk (41, 47).Til að benda enn frekar á að hægt sé að beita TATSA okkar víða á mismunandi aldri, mældum við púlsbylgjuform 80 einstaklinga á mismunandi aldri og sýndum nokkur dæmigerð gögn, eins og sýnt er á mynd.S22.Eins og sést á mynd 4G völdum við þrjá þátttakendur á aldrinum 25, 45 og 65 ára og þessir þrír eiginleikar voru augljósir fyrir unga og miðaldra þátttakendur.Samkvæmt læknisfræðilegum bókmenntum (48) breytast einkenni púlsbylgjuforma flestra eftir því sem þeir eldast, svo sem hvarf punktsins P2, sem stafar af því að endurspeglast bylgja færist fram á við til að leggja sig ofan á bylgjuna sem fer fram í gegnum lækkunina á mýkt í æðum.Þetta fyrirbæri endurspeglast einnig í bylgjuformunum sem við söfnuðum, sem staðfestir enn frekar að hægt sé að beita TATSA á mismunandi íbúa.
Púlsbylgjuformið hefur ekki aðeins áhrif á lífeðlisfræðilegt ástand einstaklingsins heldur einnig af prófunaraðstæðum.Þess vegna mældum við púlsmerkin við mismunandi snertiþéttleika milli TATSA og húðarinnar (mynd S23) og ýmsar greiningarstöður á mælistaðnum (mynd S24).Það má komast að því að TATSA getur fengið samræmdar púlsbylgjuform með nákvæmum upplýsingum um skipið á stóru skilvirku greiningarsvæði á mælistaðnum.Að auki eru sérstök úttaksmerki við mismunandi snertiþéttleika milli TATSA og húðarinnar.Að auki myndi hreyfing einstaklinga sem eru með skynjarana hafa áhrif á púlsmerkin.Þegar úlnliður viðfangsefnisins er í kyrrstöðu er amplitude púlsbylgjuformsins sem fæst stöðugt (mynd S25A);öfugt, þegar úlnliðurinn hreyfist hægt og rólega undir horninu frá -70° til 70° á 30 sekúndum, mun amplitude púlsbylgjuformsins sveiflast (mynd S25B).Hins vegar er útlínur hvers púlsbylgjuforms sýnilegur og enn er hægt að fá nákvæma púlshraða.Augljóslega, til að ná stöðugri púlsbylgjuöflun í hreyfingu manna, þarf að rannsaka frekari vinnu þar á meðal skynjarahönnun og bakendamerkjavinnslu.
Ennfremur, til að greina og magnmeta ástand hjarta- og æðakerfisins í gegnum áunnin púlsbylgjuform með TATSA okkar, kynntum við tvær blóðaflfræðilegar breytur í samræmi við matsforskrift hjarta- og æðakerfisins, þ.e. augmentation index (AIx) og púlsbylgjuhraði (PWV), sem tákna teygjanleika slagæða.Eins og sést á mynd 4H var púlsbylgjuformið í úlnliðsstöðu 25 ára heilbrigða mannsins notað til að greina AIx.Samkvæmt formúlunni (kafli S1) fékkst AIx = 60%, sem er eðlilegt gildi.Síðan söfnuðum við samtímis tveimur púlsbylgjuformum við handlegg og ökklastöðu þessa þátttakanda (nákvæmri aðferð til að mæla púlsbylgjuformið er lýst í Efni og aðferðum).Eins og sýnt er á mynd 4I voru eiginleikapunktar tveggja púlsbylgjuformanna aðgreindir.Við reiknuðum síðan PWV samkvæmt formúlunni (kafli S1).PWV = 1363 cm/s, sem er einkennandi gildi sem búist er við fyrir heilbrigðan fullorðinn karl, fékkst.Á hinn bóginn getum við séð að mæligildi AIx eða PWV eru ekki fyrir áhrifum af amplitude mismunur púlsbylgjuformsins og gildi AIx í mismunandi líkamshlutum eru mismunandi.Í rannsókn okkar var geislamyndaður AIx notaður.Til að sannreyna nothæfi WMHMS hjá mismunandi fólki völdum við 20 þátttakendur í heilbrigða hópnum, 20 í háþrýstingshópnum (HTN), 20 í kransæðasjúkdóma (CHD) hópnum á aldrinum 50 til 59 ára og 20 í hópnum. sykursýki (DM) hópur.Við mældum púlsbylgjur þeirra og bárum saman tvær breytur þeirra, AIx og PWV, eins og sýnt er á mynd 4J.Það má komast að því að PWV gildi HTN, CHD og DM hópanna voru lægri samanborið við heilbrigða hópa og hafa tölfræðilegan mun (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 og PDM ≪ 0,001; P gildin voru reiknuð með t próf).Á sama tíma voru AIx gildi HTN og CHD hópanna lægri samanborið við heilbrigða hópinn og hafa tölfræðilegan mun (PHTN < 0,01, PCHD < 0,001 og PDM < 0,05).PWV og AIx þátttakenda með CHD, HTN eða DM voru hærri en hjá heilbrigða hópnum.Niðurstöðurnar sýna að TATSA er fær um að fá nákvæmlega púlsbylgjuformið til að reikna út hjarta- og æðabreytu til að meta heilsufar hjarta og æða.Að lokum, vegna þráðlausra, hárupplausnar, hárnæmni eiginleika og þæginda, veitir WMHMS byggt á TATSA skilvirkari valkost fyrir rauntíma eftirlit en núverandi dýr lækningatæki sem notuð eru á sjúkrahúsum.
Burtséð frá púlsbylgjunni eru upplýsingar um öndunarfæri einnig mikilvægasta merki til að hjálpa til við að meta líkamlegt ástand einstaklings.Vöktun á öndun byggt á TATSA okkar er meira aðlaðandi en hefðbundin polysomnography vegna þess að hægt er að samþætta hana óaðfinnanlega í föt fyrir betri þægindi.Saumað í hvíta teygjanlega brjóstól, TATSA var bundið beint við mannslíkamann og fest í kringum brjóstkassann til að fylgjast með öndun (mynd 5A og kvikmynd S7).TATSA aflögaðist við stækkun og samdrátt í rifbeininu, sem leiddi til rafmagnsframleiðslu.Upptekna bylgjuformið er staðfest á mynd 5B.Merkið með miklum sveiflum (1,8 V amplitude) og reglubundnum breytingum (tíðni 0,5 Hz) samsvaraði öndunarhreyfingunni.Tiltölulega litla sveiflumerkið var lagt ofan á þetta stóra sveiflumerki, sem var hjartsláttarmerkið.Samkvæmt tíðnieiginleikum öndunar- og hjartsláttarmerkjanna notuðum við 0,8-Hz lágpassasíu og 0,8- til 20-Hz bandrásasíu til að aðskilja öndunar- og hjartsláttarmerkin, í sömu röð, eins og sýnt er á mynd 5C .Í þessu tilviki fengust stöðug öndunar- og púlsmerki með miklum lífeðlisfræðilegum upplýsingum (svo sem öndunartíðni, hjartsláttartíðni og einkennispunkta púlsbylgjunnar) samtímis og nákvæmlega með því einfaldlega að setja eina TATSA á brjósti.
(A) Ljósmynd sem sýnir skjá TATSA sem er sett á brjóstkassann til að mæla merkið í þrýstingnum sem tengist öndun.(B) Spennu-tíma plott fyrir TATSA fest á bringu.(C) Niðurbrot merkis (B) í hjartslátt og öndunarbylgjuform.(D) Ljósmynd sem sýnir tvo TATSA sem eru settir á kvið og úlnlið til að mæla öndun og púls, í sömu röð, í svefni.(E) Öndunar- og púlsmerki heilbrigðs þátttakanda.HR, hjartsláttur;BPM, slög á mínútu.(F) Öndunar- og púlsmerki SAS þátttakanda.(G) Öndunarmerki og PTT heilbrigðs þátttakanda.(H) Öndunarmerki og PTT SAS þátttakanda.(I) Tengsl milli PTT arousal index og apnea-hypopnea index (AHI).Myndinneign: Wenjing Fan, Chongqing University.
Til að sanna að skynjarinn okkar geti fylgst nákvæmlega og áreiðanlega með púls- og öndunarboðum, gerðum við tilraun til að bera saman mæliniðurstöður púls- og öndunarmerkja milli TATSA-tækjanna okkar og venjulegs lækningatækis (MHM-6000B), eins og útfært er í kvikmyndum S8 og S9.Í púlsbylgjumælingum var ljósnemi lækningatækisins borinn á vinstri vísifingri ungrar stúlku og á meðan var TATSA okkar borið á hægri vísifingri hennar.Af tveimur áunnum púlsbylgjuformunum getum við séð að útlínur þeirra og smáatriði voru eins, sem gefur til kynna að púlsinn sem mældur er af TATSA er jafn nákvæmur og lækningatækið.Í öndunarbylgjumælingum voru fimm hjartarafskaut fest á fimm svæði á líkama ungs manns samkvæmt læknisleiðbeiningum.Aftur á móti var aðeins eitt TATSA beint bundið við líkamann og fest í kringum brjóstið.Af söfnuðum öndunarmerkjum má sjá að breytileikatilhneiging og hraði greindu öndunarmerkja með TATSA okkar voru í samræmi við lækningatækið.Þessar tvær samanburðartilraunir staðfestu nákvæmni, áreiðanleika og einfaldleika skynjarakerfisins okkar til að fylgjast með púls- og öndunarboðum.
Ennfremur smíðuðum við snjallfatnað og saumuðum tvo TATSA við kvið og úlnlið til að fylgjast með öndunar- og púlsmerkjum, í sömu röð.Sérstaklega var þróað tvírása WMHMS notað til að fanga púls og öndunarmerki samtímis.Í gegnum þetta kerfi fengum við öndunar- og púlsmerki 25 ára karls klæddur í snjallfatnaðinn okkar meðan hann svaf (mynd 5D og kvikmynd S10) og sat (mynd S26 og mynd S11).Öndunar- og púlsmerkin gætu verið send þráðlaust í APP farsímans.Eins og getið er hér að ofan hefur TATSA getu til að fanga öndunar- og púlsmerki.Þessi tvö lífeðlisfræðilegu merki eru einnig viðmiðin til að meta SAS læknisfræðilega.Þess vegna er einnig hægt að nota TATSA okkar til að fylgjast með og meta svefngæði og tengdar svefntruflanir.Eins og sýnt er á mynd 5 (E og F, í sömu röð), mældum við stöðugt púls og öndunarbylgjuform tveggja þátttakenda, heilbrigðs og sjúklings með SAS.Hjá einstaklingi án öndunarstöðva hélst mældur öndunar- og púlstíðni stöðugur við 15 og 70, í sömu röð.Hjá sjúklingnum með SAS sást greinilegur öndunarstöðvun í 24 sekúndur, sem er vísbending um öndunarteppu, og hjartsláttur jókst lítillega eftir tímabil með öndunarstöðvun vegna taugakerfisins (49).Í stuttu máli er hægt að meta stöðu öndunarfæra af TATSA okkar.
Til að meta frekar tegund SAS með púls- og öndunarboðum, greindum við púlsflutningstímann (PTT), sem er ekki ífarandi vísbending sem endurspeglar breytingar á útlægum æðum og þrýstingi í brjósthol (skilgreint í kafla S1) hjá heilbrigðum karlmanni og sjúklingi með SAS.Hjá heilbrigða þátttakandanum hélst öndunartíðni óbreytt og PTT var tiltölulega stöðugt frá 180 til 310 ms (mynd 5G).Hins vegar, fyrir SAS þátttakandann, jókst PTT stöðugt úr 120 í 310 ms meðan á öndunarstöðvun stendur (mynd 5H).Þannig var þátttakandi greindur með obstructive SAS (OSAS).Ef breytingin á PTT minnkaði meðan á öndunarstöðvun stendur, þá væri ástandið ákvarðað sem miðlægt kæfisvefnheilkenni (CSAS), og ef bæði þessi tvö einkenni væru til staðar samtímis, þá væri það greint sem blandað SAS (MSAS).Til að meta alvarleika SAS greindum við söfnuðu merkin frekar.PTT arousal index, sem er fjöldi PTT arousals á klukkustund (PTT arousal er skilgreint sem lækkun á PTT um ≥15 ms sem varir í ≥3 s), gegnir mikilvægu hlutverki við að meta hversu mikið SAS er.Kæfisæðastuðullinn (AHI) er staðall til að ákvarða gráðu SAS (öndunarstöðvun er öndunarstöðvun og blóðþrýstingur er of grunn öndun eða óeðlilega lág öndunartíðni), sem er skilgreindur sem fjöldi öndunarstöðva og blóðþrýstings á klukkustund á meðan þú sefur (sambandið milli AHI og einkunnaviðmiðanna fyrir OSAS er sýnt í töflu S2).Til að kanna tengsl AHI og PTT örvunarvísitölu voru öndunarmerki 20 sjúklinga með SAS valin og greind með TATSA.Eins og sýnt er á mynd 5I, hafði PTT örvunarvísitalan jákvæða fylgni við AHI, þar sem öndunarstöðvun og blóðþrýstingsfall í svefni valda augljósri og tímabundinni hækkun á blóðþrýstingi, sem leiðir til lækkunar á PTT.Þess vegna getur TATSA okkar fengið stöðug og nákvæm púls- og öndunarmerki samtímis og þannig veitt mikilvægar lífeðlisfræðilegar upplýsingar um hjarta- og æðakerfið og SAS til að fylgjast með og meta skylda sjúkdóma.
Í stuttu máli þróuðum við TATSA með því að nota fullan peysusaum til að greina mismunandi lífeðlisfræðileg merki samtímis.Þessi skynjari var með mikla næmni upp á 7,84 mV Pa−1, hraðan viðbragðstíma upp á 20 ms, háan stöðugleika yfir 100.000 lotur og breitt bandbreidd vinnutíðni.Á grundvelli TATSA var WMHMS einnig þróað til að senda mældar lífeðlisfræðilegar breytur í farsíma.TATSA er hægt að fella inn í mismunandi föt fyrir fagurfræðilega hönnun og nota til að fylgjast samtímis með púls og öndunarboðum í rauntíma.Kerfið er hægt að nota til að hjálpa til við að greina á milli heilbrigðra einstaklinga og þeirra sem eru með CAD eða SAS vegna getu þess til að fanga nákvæmar upplýsingar.Þessi rannsókn veitti þægilega, skilvirka og notendavæna nálgun til að mæla púls og öndun manna, sem táknar framfarir í þróun textílraftækja sem hægt er að nota.
Ryðfría stálið var endurtekið látið í gegnum mótið og strekkt til að mynda trefjar með þvermál 10 μm.Ryðfrítt stáltrefjar sem rafskautið var sett í nokkur stykki af einlags Terylene garni.
Aðgerðarrafall (Stanford DS345) og magnari (LabworkPa-13) voru notaðir til að gefa sinusoidal þrýstingsmerki.Kraftskynjari með tveimur sviðum (Vernier Software & Technology LLC) var notaður til að mæla ytri þrýstinginn sem beitt var á TATSA.Keithley kerfis rafmælir (Keithley 6514) var notaður til að fylgjast með og skrá úttaksspennu og straum TATSA.
Samkvæmt AATCC prófunaraðferð 135-2017 notuðum við TATSA og nóg af kjölfestu sem 1,8 kg hleðslu og settum þau síðan í þvottavél í atvinnuskyni (Labtex LBT-M6T) til að framkvæma viðkvæmar þvottalotur.Síðan fylltum við þvottavélina af 18 lítrum af vatni við 25°C og stilltum þvottavélina fyrir valið þvottaferli og tíma (hræringarhraði, 119 högg á mínútu; þvottatími, 6 mín; lokasnúningur, 430 snúninga á mínútu; lokahraði snúningstími, 3 mín).Síðast var TATSA hengt þurrt í kyrru lofti við stofuhita ekki hærra en 26°C.
Þátttakendum var bent á að liggja í liggjandi stöðu á rúminu.TATSA var komið fyrir á mælistöðum.Þegar einstaklingar voru í hefðbundinni liggjandi stöðu héldu þeir algjörlega afslappaðri stöðu í 5 til 10 mínútur.Púlsmerkið byrjaði þá að mæla.
Viðbótarefni fyrir þessa grein er fáanlegt á https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Mynd S9.Eftirlíkingarniðurstaða kraftdreifingar TATSA undir beittum þrýstingi við 0,2 kPa með því að nota COMSOL hugbúnaðinn.
Mynd S10.Niðurstöður eftirlíkinga af kraftdreifingu snertieininga undir beittum þrýstingi við 0,2 og 2 kPa, í sömu röð.
Mynd S11.Heildar skýringarmyndir af hleðsluflutningi tengieininga við skammhlaupsskilyrði.
Mynd S13.Stöðug útgangsspenna og straumur TATSA sem svar við stöðugt beittum ytri þrýstingi í mælingarlotu.
Mynd S14.Spennusvörun við mismunandi fjölda lykkjueininga á sama dúksvæði þegar lykkjunúmerinu er haldið óbreyttu í stefnu.
Mynd S15.Samanburður á frammistöðu textílnemanna tveggja með því að nota fullan peysusaum og venjulegan sauma.
Mynd S16.Sögur sem sýna tíðniviðbrögð við kraftmikinn þrýsting 1 kPa og þrýstingsinntakstíðni 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 og 20 Hz.
Mynd S25.Úttaksspenna skynjarans þegar myndefnið var í kyrrstöðu- og hreyfiskilyrðum.
Mynd S26.Ljósmynd sem sýnir TATSAs sett á kvið og úlnlið samtímis til að mæla öndun og púls, í sömu röð.
Þetta er grein með opnum aðgangi sem dreift er samkvæmt skilmálum Creative Commons Attribution-NonCommercial leyfisins, sem leyfir notkun, dreifingu og fjölföldun á hvaða miðli sem er, svo framarlega sem notkunin er ekki í viðskiptalegum ávinningi og að því gefnu að upprunalega verkið sé rétt. vitnað til.
ATH: Við biðjum aðeins um netfangið þitt svo að sá sem þú mælir með síðunni viti að þú vildir að hann sæi hana og að þetta sé ekki ruslpóstur.Við tökum ekki upp neitt netfang.
Eftir Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Triboelectric all-textíl skynjari með mikilli þrýstingsnæmi og þægindi var þróaður fyrir heilsufarseftirlit.
Eftir Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Triboelectric all-textíl skynjari með mikilli þrýstingsnæmi og þægindi var þróaður fyrir heilsufarseftirlit.
© 2020 American Association for the Advancement of Science.Allur réttur áskilinn.AAAS er samstarfsaðili HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef og COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Birtingartími: 27. mars 2020