L'elettronica tessile indossabile è altamente desiderabile per realizzare una gestione sanitaria personalizzata.Tuttavia, la maggior parte dell'elettronica tessile segnalata può periodicamente prendere di mira un singolo segnale fisiologico o perdere i dettagli espliciti dei segnali, portando a una valutazione parziale della salute.Inoltre, i tessuti con proprietà e comfort eccellenti rimangono ancora una sfida.Qui riportiamo un array di sensori triboelettrici interamente in tessuto con sensibilità e comfort ad alta pressione.Mostra la sensibilità alla pressione (7,84 mV Pa−1), il tempo di risposta rapido (20 ms), la stabilità (> 100.000 cicli), l'ampia larghezza di banda della frequenza di lavoro (fino a 20 Hz) e la lavabilità in lavatrice (> 40 lavaggi).I TATSA fabbricati sono stati cuciti in diverse parti dei vestiti per monitorare simultaneamente le onde del polso arterioso e i segnali respiratori.Abbiamo ulteriormente sviluppato un sistema di monitoraggio della salute per la valutazione a lungo termine e non invasiva delle malattie cardiovascolari e della sindrome delle apnee notturne, che mostra grandi progressi per l'analisi quantitativa di alcune malattie croniche.
L'elettronica indossabile rappresenta un'opportunità affascinante per le loro promettenti applicazioni nella medicina personalizzata.Possono monitorare lo stato di salute di un individuo in modo continuo, in tempo reale e non invasivo (1–11).Il polso e la respirazione, come due componenti indispensabili dei segni vitali, possono fornire sia un'accurata valutazione dello stato fisiologico che notevoli informazioni sulla diagnosi e la prognosi delle malattie correlate (12-21).Ad oggi, la maggior parte dei dispositivi elettronici indossabili per rilevare sottili segnali fisiologici si basano su substrati ultrasottili come polietilene tereftalato, polidimetilsilossano, poliimmide, vetro e silicone (22–26).Uno svantaggio di questi substrati per l'uso sulla pelle risiede nei loro formati planari e rigidi.Di conseguenza, sono necessari nastri, cerotti o altri dispositivi meccanici per stabilire un contatto compatto tra l'elettronica indossabile e la pelle umana, che può causare irritazioni e disagi durante lunghi periodi di utilizzo (27, 28).Inoltre, questi substrati hanno una scarsa permeabilità all'aria, con conseguente disagio se utilizzati per un monitoraggio sanitario continuo a lungo termine.Per alleviare i suddetti problemi nell'assistenza sanitaria, in particolare nell'uso quotidiano, i tessuti intelligenti offrono una soluzione affidabile.Questi tessuti hanno le caratteristiche di morbidezza, leggerezza e traspirabilità e, quindi, il potenziale per realizzare comfort nell'elettronica indossabile.Negli ultimi anni, sono stati dedicati intensi sforzi allo sviluppo di sistemi basati su tessuti in sensori sensibili, raccolta di energia e stoccaggio (29-39).In particolare, sono state riportate ricerche di successo su fibre ottiche, piezoelettricità e tessuti intelligenti basati sulla resistività applicati nel monitoraggio del polso e dei segnali respiratori (40-43).Tuttavia, questi tessuti intelligenti hanno in genere una bassa sensibilità e un unico parametro di monitoraggio e non possono essere prodotti su larga scala (tabella S1).Nel caso della misurazione del polso, è difficile acquisire informazioni dettagliate a causa della debole e rapida fluttuazione del polso (ad esempio, i suoi punti caratteristici), e quindi sono richieste un'elevata sensibilità e prestazioni di risposta in frequenza appropriate.
In questo studio, introduciamo un array di sensori triboelettrici per tutti i tessuti (TATSA) ad alta sensibilità per la cattura della pressione sottile dell'epidermide, lavorato a maglia con fili conduttivi e di nylon in un punto cardigan completo.Il TATSA può fornire un'elevata sensibilità alla pressione (7,84 mV Pa−1), tempi di risposta rapidi (20 ms), stabilità (> 100.000 cicli), ampia larghezza di banda della frequenza di lavoro (fino a 20 Hz) e lavabilità in lavatrice (> 40 lavaggi).È in grado di integrarsi comodamente negli abiti con discrezione, comfort ed estetica.In particolare, il nostro TATSA può essere incorporato direttamente in diversi siti del tessuto che corrispondono alle onde del polso nelle posizioni del collo, del polso, della punta delle dita e della caviglia e alle onde respiratorie nell'addome e nel torace.Per valutare le eccellenti prestazioni del TATSA nel monitoraggio sanitario in tempo reale e remoto, sviluppiamo un sistema di monitoraggio sanitario intelligente personalizzato per acquisire e salvare continuamente segnali fisiologici per l'analisi delle malattie cardiovascolari (CAD) e la valutazione della sindrome delle apnee notturne (SAS ).
Come illustrato in Fig. 1A, due TATSA sono stati cuciti nel polsino e nel torace di una maglietta per consentire il monitoraggio dinamico e simultaneo rispettivamente del polso e dei segnali respiratori.Questi segnali fisiologici sono stati trasmessi in modalità wireless all'applicazione terminale mobile intelligente (APP) per un'ulteriore analisi dello stato di salute.La figura 1B mostra il TATSA cucito in un pezzo di stoffa e il riquadro mostra la vista ingrandita del TATSA, che è stato lavorato a maglia utilizzando il caratteristico filato conduttivo e il filo di nylon commerciale insieme in un punto cardigan completo.Rispetto al punto rasato fondamentale, il metodo di lavorazione più comune e basilare, è stato scelto il punto cardigan intero perché il contatto tra la testa ad anello del filo conduttivo e la testa a punto ritorto adiacente del filo di nylon (fig. S1) è una superficie piuttosto che un punto di contatto, che porta a un'area di azione più ampia per un elevato effetto triboelettrico.Per preparare il filo conduttivo, abbiamo selezionato l'acciaio inossidabile come fibra con anima fissa e diversi pezzi di fili di Terylene a un capo sono stati attorcigliati attorno alla fibra centrale in un filo conduttivo con un diametro di 0,2 mm (fig. S2), che fungeva da sia la superficie di elettrificazione che l'elettrodo conduttore.Il filo di nylon, che aveva un diametro di 0,15 mm e fungeva da ulteriore superficie di elettrificazione, aveva una forte forza di trazione perché era attorcigliato da fili incalcolabili (fig. S3).La figura 1 (C e D, rispettivamente) mostra fotografie del filo conduttivo fabbricato e del filo di nylon.Gli inserti mostrano le rispettive immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM), che presentano una tipica sezione trasversale del filo conduttivo e la superficie del filo di nylon.L'elevata resistenza alla trazione dei fili conduttivi e di nylon ha garantito la loro capacità di tessitura su una macchina industriale per mantenere una prestazione uniforme di tutti i sensori.Come mostrato in Fig. 1E, i fili conduttivi, i fili di nylon e i fili ordinari sono stati avvolti sui rispettivi coni, che sono stati quindi caricati sulla macchina per maglieria piana computerizzata industriale per la tessitura automatica (film S1).Come mostrato in fig.S4, diversi TATSA sono stati lavorati a maglia insieme a un normale tessuto utilizzando la macchina industriale.Un singolo TATSA con uno spessore di 0,85 mm e un peso di 0,28 g potrebbe essere adattato dall'intera struttura per uso individuale, esibendo la sua eccellente compatibilità con altri tessuti.Inoltre, i TATSA potrebbero essere progettati in vari colori per soddisfare i requisiti estetici e alla moda a causa della diversità dei filati di nylon commerciali (Fig. 1F e Fig. S5).I TATSA fabbricati hanno un'eccellente morbidezza e la capacità di resistere a forti piegamenti o deformazioni (fig. S6).La figura 1G mostra il TATSA cucito direttamente nell'addome e nel polsino di un maglione.Il processo di lavorazione del maglione è mostrato in fig.S7 e film S2.I dettagli del lato anteriore e posteriore del TATSA allungato nella posizione dell'addome sono mostrati in fig.S8 (A e B, rispettivamente), e la posizione del filo conduttivo e del filo di nylon è illustrata in fig.S8C.Si può vedere qui che il TATSA può essere incorporato in tessuti ordinari senza soluzione di continuità per un aspetto discreto e intelligente.
(A) Due TATSA integrati in una maglietta per il monitoraggio del polso e dei segnali respiratori in tempo reale.(B) Illustrazione schematica della combinazione di TATSA e vestiti.Il riquadro mostra la vista ingrandita del sensore.(C) Fotografia del filo conduttivo (barra della scala, 4 cm).L'inserto è l'immagine SEM della sezione trasversale del filo conduttivo (barra della scala, 100 μm), che è costituito da fili di acciaio inossidabile e terilene.(D) Fotografia del filo di nylon (barra della scala, 4 cm).L'inserto è l'immagine SEM della superficie del filo di nylon (barra della scala, 100 μm).(E) Immagine della macchina per maglieria piana computerizzata che esegue la tessitura automatica dei TATSA.(F) Fotografia di TATSA in diversi colori (barra della scala, 2 cm).L'inserto è il TATSA ritorto, che dimostra la sua eccellente morbidezza.(G) Fotografia di due TATSA cuciti completamente e senza cuciture in un maglione.Credito fotografico: Wenjing Fan, Università di Chongqing.
Per analizzare il meccanismo di lavoro del TATSA, comprese le sue proprietà meccaniche ed elettriche, abbiamo costruito un modello geometrico del TATSA, come mostrato in Fig. 2A.Utilizzando il punto cardigan intero, i fili conduttivi e di nylon sono intrecciati in forme di unità ad anello nella direzione del corso e del filo.Una struttura ad anello singolo (fig. S1) è costituita da una testa ad anello, un braccio ad anello, una parte di incrocio delle costole, un braccio per punti di rinforzo e una testa di punto di rinforzo.Si possono trovare due forme della superficie di contatto tra i due filati differenti: (i) la superficie di contatto tra la testa ad anello del filo conduttivo e la testa ad asola del filo di nylon e (ii) la superficie di contatto tra la testa ad anello di il filo di nylon e il capocorda del filo conduttivo.
(A) Il TATSA con i lati anteriore, destro e superiore degli anelli di maglia.(B) Risultato della simulazione della distribuzione della forza di un TATSA sotto una pressione applicata di 2 kPa utilizzando il software COMSOL.(C) Illustrazioni schematiche del trasferimento di carica di un'unità di contatto in condizioni di cortocircuito.(D) Risultati della simulazione della distribuzione di carica di un'unità di contatto in una condizione di circuito aperto utilizzando il software COMSOL.
Il principio di funzionamento del TATSA può essere spiegato in due aspetti: la stimolazione della forza esterna e la sua carica indotta.Per comprendere intuitivamente la distribuzione dello stress in risposta allo stimolo della forza esterna, abbiamo utilizzato l'analisi degli elementi finiti utilizzando il software COMSOL a diverse forze esterne di 2 e 0, 2 kPa, come mostrato rispettivamente in Fig. 2B e fig.S9.Lo stress appare sulle superfici di contatto di due fili.Come mostrato in fig.S10, abbiamo considerato due unità di loop per chiarire la distribuzione delle sollecitazioni.Confrontando la distribuzione delle sollecitazioni sotto due diverse forze esterne, la sollecitazione sulle superfici dei fili conduttivi e di nylon aumenta con l'aumento della forza esterna, determinando il contatto e l'estrusione tra i due fili.Una volta rilasciata la forza esterna, i due fili si separano e si allontanano l'uno dall'altro.
I movimenti di separazione dei contatti tra il filo conduttivo e il filo di nylon inducono il trasferimento di carica, che è attribuito alla congiunzione di triboelettrificazione e induzione elettrostatica.Per chiarire il processo di generazione dell'elettricità, analizziamo la sezione trasversale dell'area in cui i due fili entrano in contatto tra loro (Fig. 2C1).Come mostrato in Fig. 2 (rispettivamente C2 e C3), quando il TATSA è stimolato dalla forza esterna e i due fili entrano in contatto tra loro, si verifica elettrificazione sulla superficie dei fili conduttivi e di nylon, e le cariche equivalenti con opposte le polarità sono generate sulla superficie dei due fili.Una volta che i due fili si separano, le cariche positive vengono indotte nell'acciaio inossidabile interno a causa dell'effetto di induzione elettrostatica.Lo schema completo è mostrato in fig.S11.Per acquisire una comprensione più quantitativa del processo di generazione di elettricità, abbiamo simulato la distribuzione potenziale del TATSA utilizzando il software COMSOL (Fig. 2D).Quando i due materiali sono a contatto, la carica si raccoglie principalmente sul materiale di attrito e sull'elettrodo è presente solo una piccola quantità di carica indotta, risultando nel piccolo potenziale (Fig. 2D, in basso).Quando i due materiali sono separati (Fig. 2D, in alto), la carica indotta sull'elettrodo aumenta a causa della differenza di potenziale e il potenziale corrispondente aumenta, il che rivela una buona concordanza tra i risultati ottenuti dagli esperimenti e quelli delle simulazioni .Inoltre, poiché l'elettrodo conduttore del TATSA è avvolto da fili di Terylene e la pelle è a contatto con entrambi i due materiali di attrito, quindi, quando il TATSA viene indossato direttamente sulla pelle, la carica dipende dalla forza esterna e non essere indebolito dalla pelle.
Per caratterizzare le prestazioni del nostro TATSA in vari aspetti, abbiamo fornito un sistema di misura contenente un generatore di funzioni, un amplificatore di potenza, uno shaker elettrodinamico, un dinamometro, un elettrometro e un computer (fig. S12).Questo sistema genera una pressione dinamica esterna fino a 7 kPa.In esperimento, il TATSA è stato posizionato su un foglio di plastica piatto in uno stato libero e i segnali elettrici in uscita sono registrati dall'elettrometro.
Le specifiche dei fili conduttivi e di nylon influiscono sulle prestazioni di uscita del TATSA perché determinano la superficie di contatto e la capacità di percepire la pressione esterna.Per indagare su questo, abbiamo fabbricato tre taglie dei due filati, rispettivamente: filato conduttivo con una dimensione di 150D/3, 210D/3 e 250D/3 e filo di nylon con una dimensione di 150D/6, 210D/6 e 250D /6 (D, denari; un'unità di misura utilizzata per determinare lo spessore delle fibre dei singoli fili; i tessuti con un titolo elevato di denari tendono ad essere spessi).Quindi, abbiamo selezionato questi due filati con dimensioni diverse per lavorarli a maglia in un sensore e la dimensione del TATSA è stata mantenuta a 3 cm per 3 cm con il numero di anello di 16 nella direzione del filo e 10 nella direzione del corso.Pertanto, sono stati ottenuti i sensori con nove schemi di lavoro a maglia.Il sensore del filo conduttivo con la dimensione di 150D/3 e il filo di nylon con la dimensione di 150D/6 era il più sottile e il sensore del filo conduttivo con la dimensione di 250D/3 e il filo di nylon con la dimensione di 250D/ 6 era il più spesso.Sotto un'eccitazione meccanica da 0,1 a 7 kPa, le uscite elettriche per questi modelli sono state sistematicamente studiate e testate, come mostrato in Fig. 3A.Le tensioni di uscita dei nove TATSA aumentavano con l'aumento della pressione applicata, da 0,1 a 4 kPa.In particolare, di tutti i modelli di maglieria, le specifiche del filato conduttivo 210D/3 e del filato di nylon 210D/6 hanno fornito la massima potenza elettrica e hanno mostrato la massima sensibilità.La tensione di uscita ha mostrato un andamento crescente con l'aumento dello spessore del TATSA (a causa della sufficiente superficie di contatto) fino a quando il TATSA è stato lavorato a maglia utilizzando il filo conduttivo 210D/3 e il filo di nylon 210D/6.Poiché ulteriori aumenti di spessore porterebbero all'assorbimento di pressione esterna da parte dei fili, la tensione di uscita è diminuita di conseguenza.Inoltre, si osserva che nella regione di bassa pressione (< 4 kPa), una variazione lineare ben comportata della tensione di uscita con la pressione ha dato una sensibilità alla pressione superiore di 7,84 mV Pa−1.Nella regione di alta pressione (>4 kPa), è stata osservata sperimentalmente una sensibilità alla pressione inferiore di 0,31 mV Pa−1 a causa della saturazione dell'area di attrito effettiva.Una simile sensibilità alla pressione è stata dimostrata durante il processo opposto di applicazione della forza.I profili temporali concreti della tensione e della corrente di uscita a pressioni diverse sono presentati in fig.S13 (A e B, rispettivamente).
(A) Tensione di uscita sotto nove modelli di maglia del filo conduttivo (150D/3, 210D/3 e 250D/3) combinato con il filo di nylon (150D/6, 210D/6 e 250D/6).(B) Risposta di tensione a vari numeri di unità di loop nella stessa area del tessuto quando si mantiene invariato il numero di loop nella direzione del canale.(C) Grafici che mostrano le risposte in frequenza con una pressione dinamica di 1 kPa e una frequenza di ingresso della pressione di 1 Hz.(D) Diverse tensioni di uscita e di corrente sotto le frequenze di 1, 5, 10 e 20 Hz.(E) Prova di durabilità di un TATSA sotto una pressione di 1 kPa.(F) Caratteristiche di uscita del TATSA dopo il lavaggio 20 e 40 volte.
La sensibilità e la tensione di uscita sono state anche influenzate dalla densità del punto del TATSA, che è stata determinata dal numero totale di anelli in un'area misurata del tessuto.Un aumento della densità del punto comporterebbe una maggiore compattezza della struttura del tessuto.La Figura 3B mostra le prestazioni in uscita con diversi numeri di loop nell'area tessile di 3 cm per 3 cm, e il riquadro illustra la struttura di un'unità di loop (abbiamo mantenuto il numero di loop nella direzione del percorso a 10 e il numero di loop nel la direzione del Galles era 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 e 26).Aumentando il numero di loop, la tensione di uscita ha mostrato dapprima un andamento crescente a causa dell'aumento della superficie di contatto, fino al picco massimo della tensione di uscita di 7,5 V con un numero di loop di 180. Dopo questo punto, la tensione di uscita ha seguito un andamento decrescente perché il TATSA è diventato stretto e i due fili avevano uno spazio di separazione dei contatti ridotto.Per esplorare in quale direzione la densità ha un grande impatto sull'output, abbiamo mantenuto il numero di loop del TATSA nella direzione del wal a 18 e il numero di loop nella direzione del percorso è stato impostato su 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 e 14. Le corrispondenti tensioni di uscita sono mostrate in fig.S14.In confronto, possiamo vedere che la densità nella direzione del corso ha una maggiore influenza sulla tensione di uscita.Di conseguenza, il modello di maglia del filato conduttivo 210D/3 e del filato di nylon 210D/6 e 180 unità ad anello sono stati scelti per lavorare a maglia il TATSA dopo valutazioni complete delle caratteristiche di uscita.Inoltre, abbiamo confrontato i segnali di uscita di due sensori tessili utilizzando il punto cardigan intero e il punto normale.Come mostrato in fig.S15, l'uscita elettrica e la sensibilità usando il punto cardigan intero sono molto più alte di quelle usando il punto normale.
È stato misurato il tempo di risposta per il monitoraggio dei segnali in tempo reale.Per esaminare il tempo di risposta del nostro sensore alle forze esterne, abbiamo confrontato i segnali di tensione di uscita con gli ingressi di pressione dinamica a una frequenza da 1 a 20 Hz (rispettivamente Fig. 3C e Fig. S16).Le forme d'onda della tensione di uscita erano quasi identiche alle onde di pressione sinusoidali di ingresso sotto una pressione di 1 kPa e le forme d'onda di uscita avevano un tempo di risposta rapido (circa 20 ms).Questa isteresi può essere attribuita al fatto che la struttura elastica non è tornata allo stato originale il prima possibile dopo aver ricevuto la forza esterna.Tuttavia, questa piccola isteresi è accettabile per il monitoraggio in tempo reale.Per ottenere la pressione dinamica con un certo intervallo di frequenza, è prevista un'adeguata risposta in frequenza di TATSA.Pertanto, è stata testata anche la caratteristica di frequenza di TATSA.Aumentando la frequenza di eccitazione esterna, l'ampiezza della tensione di uscita è rimasta pressoché invariata, mentre l'ampiezza della corrente è aumentata quando le frequenze di prelievo variavano da 1 a 20 Hz (Fig. 3D).
Per valutare la ripetibilità, la stabilità e la durata del TATSA, abbiamo testato la tensione di uscita e le risposte della corrente ai cicli di carico-scarico della pressione.Al sensore è stata applicata una pressione di 1 kPa con una frequenza di 5 Hz.La tensione e la corrente picco-picco sono state registrate dopo 100.000 cicli di carico-scarico (rispettivamente Fig. 3E e Fig. S17).Le viste ingrandite della tensione e della forma d'onda della corrente sono mostrate nel riquadro di Fig. 3E e fig.S17, rispettivamente.I risultati rivelano la notevole ripetibilità, stabilità e durata del TATSA.La lavabilità è anche un criterio di valutazione essenziale del TATSA come dispositivo interamente tessile.Per valutare la capacità di lavaggio, abbiamo testato la tensione di uscita del sensore dopo aver lavato in lavatrice il TATSA secondo il metodo di prova 135-2017 dell'American Association of Textile Chemists and Colorists (AATCC).La procedura di lavaggio dettagliata è descritta in Materiali e metodi.Come mostrato in Fig. 3F, le uscite elettriche sono state registrate dopo il lavaggio 20 volte e 40 volte, il che ha dimostrato che non ci sono state variazioni distinte della tensione di uscita durante le prove di lavaggio.Questi risultati verificano la notevole lavabilità del TATSA.Come sensore tessile indossabile, abbiamo anche esplorato le prestazioni in uscita quando il TATSA era in condizioni di trazione (fig. S18), attorcigliate (fig. S19) e di umidità (fig. S20).
Sulla base dei numerosi vantaggi del TATSA sopra dimostrati, abbiamo sviluppato un sistema di monitoraggio sanitario mobile wireless (WMHMS), che ha la capacità di acquisire continuamente segnali fisiologici e quindi di fornire una consulenza professionale per un paziente.La Figura 4A mostra il diagramma schematico del WMHMS basato sul TATSA.Il sistema ha quattro componenti: il TATSA per acquisire i segnali fisiologici analogici, un circuito di condizionamento analogico con un filtro passa-basso (MAX7427) e un amplificatore (MAX4465) per garantire dettagli sufficienti e un eccellente sincronismo dei segnali, un analogico-digitale convertitore basato su un'unità microcontrollore per raccogliere e convertire i segnali analogici in segnali digitali e un modulo Bluetooth (chip Bluetooth CC2640 a bassa potenza) per trasmettere il segnale digitale all'applicazione terminale del telefono cellulare (APP; Huawei Honor 9).In questo studio, abbiamo cucito il TATSA senza soluzione di continuità in un pizzo, un braccialetto, un dito e un calzino, come mostrato in Fig. 4B.
(A) Illustrazione del WMHMS.(B) Fotografie dei TATSA cucite rispettivamente in un braccialetto, un fingerstall, un calzino e una fascia toracica.Misurazione del polso al collo (C1), polso (D1), polpastrello (E1) e caviglia (F1).Forma d'onda del polso al collo (C2), al polso (D2), al polpastrello (E2) e alla caviglia (F2).(G) Forme d'onda di impulsi di età diverse.(H) Analisi di una singola onda di impulso.Indice di aumento radiale (AIx) definito come AIx (%) = P2/P1.P1 è il picco dell'onda in avanzamento e P2 è il picco dell'onda riflessa.(I) Un ciclo del polso del brachiale e della caviglia.La velocità dell'onda di impulso (PWV) è definita come PWV = D/∆T.D è la distanza tra la caviglia e il brachiale.∆T è il ritardo temporale tra i picchi della caviglia e le onde del polso brachiale.PTT, tempo di transito dell'impulso.(J) Confronto di AIx e PWV brachiale-caviglia (BAPWV) tra sani e CAD.*P < 0,01, **P < 0,001 e ***P < 0,05.HTN, ipertensione;CHD, malattia coronarica;DM, diabete mellito.Credito fotografico: Jin Yang, Università di Chongqing.
Per monitorare i segnali del polso delle diverse parti del corpo umano, abbiamo applicato le suddette decorazioni con TATSA alle posizioni corrispondenti: collo (Fig. 4C1), polso (Fig. 4D1), polpastrello (Fig. 4E1) e caviglia (Fig. 4F1). ), come elaborato nei film da S3 a S6.In medicina, ci sono tre punti caratteristici sostanziali nell'onda del polso: il picco dell'onda in avanzamento P1, il picco dell'onda riflessa P2 e il picco dell'onda dicrotica P3.Le caratteristiche di questi punti caratteristici riflettono lo stato di salute dell'elasticità arteriosa, della resistenza periferica e della contrattilità ventricolare sinistra correlata al sistema cardiovascolare.Le forme d'onda del polso di una donna di 25 anni nelle quattro posizioni di cui sopra sono state acquisite e registrate nel nostro test.Si noti che i tre punti caratteristici distinguibili (da P1 a P3) sono stati osservati sulla forma d'onda del polso nelle posizioni del collo, del polso e della punta delle dita, come mostrato in Fig. 4 (da C2 a E2).Al contrario, solo P1 e P3 apparivano sulla forma d'onda del polso nella posizione della caviglia e P2 non era presente (Fig. 4F2).Questo risultato è stato causato dalla sovrapposizione dell'onda sanguigna in entrata espulsa dal ventricolo sinistro e dell'onda riflessa dagli arti inferiori (44).Studi precedenti hanno dimostrato che P2 si presenta nelle forme d'onda misurate negli arti superiori ma non nella caviglia (45, 46).Abbiamo osservato risultati simili nelle forme d'onda misurate con il TATSA, come mostrato in fig.S21, che mostra i dati tipici della popolazione di 80 pazienti qui studiati.Possiamo vedere che P2 non è apparso in queste forme d'onda di impulso misurate nella caviglia, dimostrando la capacità del TATSA di rilevare le caratteristiche sottili all'interno della forma d'onda.Questi risultati di misurazione del polso indicano che il nostro WMHMS può rivelare accuratamente le caratteristiche dell'onda del polso della parte superiore e inferiore del corpo e che è superiore ad altri lavori (41, 47).Per indicare ulteriormente che il nostro TATSA può essere ampiamente applicato a diverse età, abbiamo misurato le forme d'onda del polso di 80 soggetti di età diverse e abbiamo mostrato alcuni dati tipici, come mostrato in fig.S22.Come mostrato in Fig. 4G, abbiamo scelto tre partecipanti di età compresa tra 25, 45 e 65 anni e i tre punti caratteristici erano ovvi per i partecipanti giovani e di mezza età.Secondo la letteratura medica (48), le caratteristiche delle forme d'onda del polso della maggior parte delle persone cambiano con l'età, come la scomparsa del punto P2, che è causata dall'onda riflessa spostata in avanti per sovrapporsi all'onda che avanza per la diminuzione di elasticità vascolare.Questo fenomeno si riflette anche nelle forme d'onda che abbiamo raccolto, verificando ulteriormente che il TATSA può essere applicato a diverse popolazioni.
La forma d'onda del polso è influenzata non solo dallo stato fisiologico dell'individuo ma anche dalle condizioni del test.Pertanto, abbiamo misurato i segnali di impulso sotto diversa tenuta di contatto tra il TATSA e la pelle (fig. S23) e varie posizioni di rilevamento nel sito di misurazione (fig. S24).Si può scoprire che il TATSA può ottenere forme d'onda di impulso coerenti con informazioni dettagliate intorno all'imbarcazione in un'ampia area di rilevamento efficace nel sito di misurazione.Inoltre, ci sono segnali di uscita distinti con una diversa tenuta del contatto tra il TATSA e la pelle.Inoltre, il movimento delle persone che indossano i sensori influenzerebbe i segnali del polso.Quando il polso del soggetto è in condizione statica, l'ampiezza della forma d'onda dell'impulso ottenuta è stabile (fig. S25A);al contrario, quando il polso si muove lentamente con un angolo compreso tra -70° e 70° per 30 s, l'ampiezza della forma d'onda dell'impulso oscillerà (fig. S25B).Tuttavia, il contorno di ciascuna forma d'onda del polso è visibile e la frequenza del polso può ancora essere ottenuta con precisione.Ovviamente, per ottenere un'acquisizione stabile dell'onda di impulso nel movimento umano, è necessario svolgere ulteriori ricerche, tra cui la progettazione del sensore e l'elaborazione del segnale back-end.
Inoltre, per analizzare e valutare quantitativamente le condizioni del sistema cardiovascolare attraverso le forme d'onda del polso acquisite utilizzando il nostro TATSA, abbiamo introdotto due parametri emodinamici secondo la specifica di valutazione del sistema cardiovascolare, ovvero l'indice di aumento (AIx) e la velocità dell'onda del polso (PWV), che rappresentano l'elasticità delle arterie.Come mostrato in Fig. 4H, per l'analisi di AIx è stata utilizzata la forma d'onda del polso nella posizione del polso dell'uomo sano di 25 anni.Secondo la formula (sezione S1), è stato ottenuto AIx = 60%, che è un valore normale.Quindi, abbiamo raccolto contemporaneamente due forme d'onda del polso nelle posizioni del braccio e della caviglia di questo partecipante (il metodo dettagliato di misurazione della forma d'onda del polso è descritto in Materiali e metodi).Come mostrato in Fig. 4I, i punti caratteristici delle due forme d'onda dell'impulso erano distinti.Abbiamo quindi calcolato il PWV secondo la formula (sezione S1).È stato ottenuto PWV = 1363 cm/s, che è un valore caratteristico atteso da un maschio adulto sano.D'altra parte, possiamo vedere che la metrica di AIx o PWV non è influenzata dalla differenza di ampiezza della forma d'onda dell'impulso e i valori di AIx in diverse parti del corpo sono vari.Nel nostro studio è stato utilizzato il radiale AIx.Per verificare l'applicabilità della WMHMS in diverse persone, abbiamo selezionato 20 partecipanti nel gruppo sano, 20 nel gruppo ipertensione (HTN), 20 nel gruppo malattia coronarica (CHD) di età compresa tra 50 e 59 anni e 20 nel gruppo gruppo diabete mellito (DM).Abbiamo misurato le loro onde di impulso e confrontato i loro due parametri, AIx e PWV, come presentato in Fig. 4J.Si può trovare che i valori PWV dei gruppi HTN, CHD e DM erano inferiori rispetto a quelli del gruppo sano e hanno differenze statistiche (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 e PDM ≪ 0,001; i valori P sono stati calcolati da t test).Nel frattempo, i valori AIx dei gruppi HTN e CHD erano inferiori rispetto al gruppo sano e presentano differenze statistiche (PHTN <0,01, PCHD <0,001 e PDM <0,05).Il PWV e AIx dei partecipanti con CHD, HTN o DM erano superiori a quelli del gruppo sano.I risultati mostrano che il TATSA è in grado di ottenere con precisione la forma d'onda del polso per calcolare il parametro cardiovascolare per valutare lo stato di salute cardiovascolare.In conclusione, grazie alle sue caratteristiche e al comfort wireless, ad alta risoluzione e ad alta sensibilità, il WMHMS basato sul TATSA fornisce un'alternativa più efficiente per il monitoraggio in tempo reale rispetto alle attuali costose apparecchiature mediche utilizzate negli ospedali.
A parte l'onda del polso, le informazioni respiratorie sono anche un segno vitale primario per aiutare a valutare le condizioni fisiche di un individuo.Il monitoraggio della respirazione basato sul nostro TATSA è più interessante della polisonnografia convenzionale perché può essere perfettamente integrato nei vestiti per un migliore comfort.Cucito in una fascia toracica elastica bianca, il TATSA è stato direttamente legato al corpo umano e fissato intorno al torace per monitorare la respirazione (Fig. 5A e film S7).Il TATSA si è deformato con l'espansione e la contrazione della cassa toracica, provocando un'uscita elettrica.La forma d'onda acquisita è verificata in Fig. 5B.Il segnale con grandi fluttuazioni (un'ampiezza di 1,8 V) e variazioni periodiche (una frequenza di 0,5 Hz) corrispondeva al movimento respiratorio.Il segnale di fluttuazione relativamente piccolo è stato sovrapposto a questo grande segnale di fluttuazione, che era il segnale del battito cardiaco.In base alle caratteristiche di frequenza dei segnali di respirazione e battito cardiaco, abbiamo utilizzato un filtro passa-basso da 0,8 Hz e un filtro passa-banda da 0,8 a 20 Hz per separare rispettivamente i segnali respiratori e del battito cardiaco, come mostrato in Fig. 5C .In questo caso, sono stati ottenuti simultaneamente e accuratamente segnali respiratori e pulsazioni stabili con abbondanti informazioni fisiologiche (come frequenza respiratoria, frequenza cardiaca e punti caratteristici dell'onda del polso) semplicemente posizionando il singolo TATSA sul torace.
(A) Fotografia che mostra il display del TATSA posizionato sul torace per misurare il segnale nella pressione associata alla respirazione.(B) Grafico tensione-tempo per il TATSA montato sul petto.(C) Decomposizione del segnale (B) nel battito cardiaco e nella forma d'onda respiratoria.(D) Fotografia che mostra due TATSA posizionati sull'addome e sul polso per misurare rispettivamente la respirazione e il polso durante il sonno.(E) Segnali respiratori e del polso di un partecipante sano.FC, frequenza cardiaca;BPM, battiti al minuto.(F) Segnali respiratori e pulsazioni di un partecipante SAS.(G) Segnale respiratorio e PTT di un partecipante sano.(H) Segnale respiratorio e PTT di un partecipante SAS.(I) Relazione tra indice di eccitazione PTT e indice di apnea-ipopnea (AHI).Credito fotografico: Wenjing Fan, Università di Chongqing.
Per dimostrare che il nostro sensore può monitorare in modo accurato e affidabile il polso e i segnali respiratori, abbiamo condotto un esperimento per confrontare i risultati della misurazione dei segnali del polso e della respirazione tra i nostri TATSA e uno strumento medico standard (MHM-6000B), come elaborato nei filmati S8 e S9.Nella misurazione delle onde del polso, il sensore fotoelettrico dello strumento medico è stato indossato sull'indice sinistro di una giovane ragazza e, nel frattempo, il nostro TATSA è stato indossato sul suo dito indice destro.Dalle due forme d'onda del polso acquisite, possiamo vedere che i loro contorni e dettagli erano identici, indicando che il polso misurato dal TATSA è preciso come quello dallo strumento medico.Nella misurazione dell'onda respiratoria, cinque elettrodi elettrocardiografici sono stati attaccati a cinque aree del corpo di un giovane secondo le istruzioni mediche.Al contrario, solo un TATSA era direttamente legato al corpo e fissato intorno al torace.Dai segnali respiratori raccolti, si può vedere che la tendenza alla variazione e la frequenza del segnale respiratorio rilevato dal nostro TATSA erano coerenti con quella dello strumento medico.Questi due esperimenti di confronto hanno convalidato l'accuratezza, l'affidabilità e la semplicità del nostro sistema di sensori per il monitoraggio del polso e dei segnali respiratori.
Inoltre, abbiamo fabbricato un capo di abbigliamento intelligente e cucito due TATSA nelle posizioni dell'addome e del polso per monitorare rispettivamente i segnali respiratori e del polso.In particolare, è stato utilizzato un WMHMS a doppio canale sviluppato per acquisire simultaneamente il polso e i segnali respiratori.Attraverso questo sistema, abbiamo ottenuto i segnali respiratori e del polso di un uomo di 25 anni vestito con i nostri abiti eleganti mentre dormiva (Fig. 5D e film S10) e seduto (Fig. S26 e film S11).I segnali respiratori e pulsazioni acquisiti potrebbero essere trasmessi in modalità wireless all'APP del telefono cellulare.Come accennato in precedenza, il TATSA ha la capacità di catturare segnali respiratori e pulsazioni.Questi due segnali fisiologici sono anche i criteri per stimare la SAS dal punto di vista medico.Pertanto, il nostro TATSA può essere utilizzato anche per monitorare e valutare la qualità del sonno e i relativi disturbi del sonno.Come mostrato in Fig. 5 (rispettivamente E e F), abbiamo misurato continuamente le forme d'onda del polso e della respirazione di due partecipanti, uno sano e un paziente con SAS.Per la persona senza apnea, le frequenze respiratorie e del polso misurate sono rimaste stabili rispettivamente a 15 e 70.Per il paziente con SAS è stata osservata una distinta apnea per 24 s, che è indice di un evento respiratorio ostruttivo, e la frequenza cardiaca è leggermente aumentata dopo un periodo di apnea a causa della regolazione del sistema nervoso (49).In sintesi, lo stato respiratorio può essere valutato dal nostro TATSA.
Per valutare ulteriormente il tipo di SAS attraverso il polso e i segnali respiratori, abbiamo analizzato il tempo di transito del polso (PTT), un indicatore non invasivo che riflette i cambiamenti nella resistenza vascolare periferica e nella pressione intratoracica (definita nella sezione S1) di un uomo sano e di un paziente con SAS.Per il partecipante sano, la frequenza respiratoria è rimasta invariata e il PTT era relativamente stabile da 180 a 310 ms (Fig. 5G).Tuttavia, per il partecipante SAS, il PTT è aumentato continuamente da 120 a 310 ms durante l'apnea (Fig. 5H).Pertanto, al partecipante è stata diagnosticata una SAS ostruttiva (OSAS).Se la variazione del PTT diminuiva durante l'apnea, la condizione sarebbe determinata come sindrome dell'apnea notturna centrale (CSAS) e se entrambi questi due sintomi esistessero contemporaneamente, sarebbe diagnosticata come SAS mista (MSAS).Per valutare la gravità della SAS, abbiamo ulteriormente analizzato i segnali raccolti.L'indice di eccitazione PTT, che è il numero di risvegli PTT all'ora (l'eccitazione PTT è definita come una diminuzione del PTT di ≥15 ms della durata di ≥3 s), gioca un ruolo fondamentale nella valutazione del grado di SAS.L'indice di apnea-ipopnea (AHI) è uno standard per determinare il grado di SAS (l'apnea è la cessazione della respirazione e l'ipopnea è una respirazione troppo superficiale o una frequenza respiratoria anormalmente bassa), che è definito come il numero di apnee e ipopnea per un'ora durante il sonno (la relazione tra l'AHI ei criteri di valutazione per OSAS è mostrata nella tabella S2).Per studiare la relazione tra l'AHI e l'indice di eccitazione PTT, i segnali respiratori di 20 pazienti con SAS sono stati selezionati e analizzati con TATSA.Come mostrato in Fig. 5I, l'indice di eccitazione PTT è correlato positivamente con l'AHI, poiché l'apnea e l'ipopnea durante il sonno causano l'evidente e transitorio aumento della pressione sanguigna, portando alla diminuzione del PTT.Pertanto, il nostro TATSA può ottenere contemporaneamente segnali di polso e respiratorio stabili e precisi, fornendo così importanti informazioni fisiologiche sul sistema cardiovascolare e SAS per il monitoraggio e la valutazione delle malattie correlate.
In sintesi, abbiamo sviluppato un TATSA utilizzando il punto cardigan completo per rilevare diversi segnali fisiologici contemporaneamente.Questo sensore presentava un'elevata sensibilità di 7,84 mV Pa−1, un tempo di risposta rapido di 20 ms, un'elevata stabilità di oltre 100.000 cicli e un'ampia larghezza di banda della frequenza di lavoro.Sulla base del TATSA, è stato sviluppato anche un WMHMS per trasmettere i parametri fisiologici misurati a un telefono cellulare.TATSA può essere incorporato in diversi siti di abbigliamento per il design estetico e utilizzato per monitorare simultaneamente il polso e i segnali respiratori in tempo reale.Il sistema può essere applicato per aiutare a distinguere tra individui sani e quelli con CAD o SAS grazie alla sua capacità di acquisire informazioni dettagliate.Questo studio ha fornito un approccio comodo, efficiente e di facile utilizzo per misurare il polso e la respirazione umana, rappresentando un progresso nello sviluppo dell'elettronica tessile indossabile.
L'acciaio inossidabile è stato ripetutamente passato attraverso lo stampo e allungato per formare una fibra con un diametro di 10 μm.Una fibra di acciaio inossidabile come elettrodo è stata inserita in diversi pezzi di filati commerciali di Terylene a un capo.
Un generatore di funzioni (Stanford DS345) e un amplificatore (LabworkPa-13) sono stati utilizzati per fornire un segnale di pressione sinusoidale.Un sensore di forza a doppia portata (Vernier Software & Technology LLC) è stato utilizzato per misurare la pressione esterna applicata al TATSA.Un elettrometro di sistema Keithley (Keithley 6514) è stato utilizzato per monitorare e registrare la tensione e la corrente di uscita del TATSA.
Secondo il metodo di prova AATCC 135-2017, abbiamo utilizzato il TATSA e una zavorra sufficiente come carico di 1,8 kg e quindi li abbiamo inseriti in una macchina per il bucato commerciale (Labtex LBT-M6T) per eseguire delicati cicli di lavaggio in lavatrice.Quindi, abbiamo riempito la lavatrice con 18 litri d'acqua a 25°C e impostato la lavatrice per il ciclo e il tempo di lavaggio selezionati (velocità di agitazione, 119 colpi al minuto; tempo di lavaggio, 6 min; velocità di centrifuga finale, 430 giri/min; tempo di centrifuga, 3 min).Infine, il TATSA è stato appeso a secco in aria ferma a temperatura ambiente non superiore a 26°C.
I soggetti sono stati istruiti a sdraiarsi in posizione supina sul letto.Il TATSA è stato posizionato sui siti di misurazione.Una volta che i soggetti erano in posizione supina standard, hanno mantenuto uno stato completamente rilassato per 5-10 minuti.Il segnale a impulsi ha quindi iniziato a misurare.
Materiale supplementare per questo articolo è disponibile su https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Fig. S9.Risultato della simulazione della distribuzione della forza di un TATSA sotto pressioni applicate a 0,2 kPa utilizzando il software COMSOL.
Fig. S10.Risultati della simulazione della distribuzione della forza di un'unità di contatto alle pressioni applicate rispettivamente a 0,2 e 2 kPa.
Fig. S11.Illustrazioni schematiche complete del trasferimento di carica di un'unità di contatto in condizioni di cortocircuito.
Fig. S13.Tensione e corrente di uscita continue di TATSA in risposta alla pressione esterna applicata continuamente in un ciclo di misurazione.
Fig. S14.Risposta di tensione a vari numeri di unità di loop nella stessa area del tessuto mantenendo invariato il numero di loop nella direzione della parete.
Fig. S15.Un confronto tra le prestazioni di uscita dei due sensori tessili utilizzando il punto cardigan intero e il punto normale.
Fig. S16.Grafici che mostrano le risposte in frequenza alla pressione dinamica di 1 kPa e alla frequenza di ingresso della pressione di 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 e 20 Hz.
Fig. S25.Le tensioni di uscita del sensore quando il soggetto era in condizioni statiche e di movimento.
Fig. S26.Fotografia che mostra i TATSA posizionati simultaneamente sull'addome e sul polso per misurare rispettivamente la respirazione e il polso.
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Di Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Per il monitoraggio della salute è stato sviluppato un sensore triboelettrico interamente tessile con elevata sensibilità alla pressione e comfort.
Di Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Per il monitoraggio della salute è stato sviluppato un sensore triboelettrico interamente tessile con elevata sensibilità alla pressione e comfort.
© 2020 Associazione americana per l'avanzamento della scienza.Tutti i diritti riservati.AAAS è partner di HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef e COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Orario di pubblicazione: 27 marzo 2020