웨어러블 텍스타일 전자 제품은 개인 맞춤형 건강 관리를 구현하기 위해 매우 바람직합니다.그러나 대부분의 보고된 섬유 전자 제품은 주기적으로 단일 생리적 신호를 대상으로 하거나 신호의 명시적인 세부 사항을 놓쳐서 부분적인 건강 평가를 초래할 수 있습니다.게다가, 우수한 물성과 편안함을 지닌 직물은 여전히 도전 과제로 남아 있습니다.여기에서 우리는 높은 압력 감도와 편안함을 갖춘 마찰 전기 전체 섬유 센서 어레이를 보고합니다.압력 감도(7.84mV Pa−1), 빠른 응답 시간(20ms), 안정성(>100,000주기), 넓은 작동 주파수 대역폭(최대 20Hz) 및 기계 세척성(>40 세척)을 나타냅니다.제작된 TATSA를 옷의 다른 부분에 꿰매어 동맥 맥파와 호흡 신호를 동시에 모니터링했습니다.우리는 심혈관 질환 및 수면 무호흡 증후군의 장기 및 비침습적 평가를 위한 건강 모니터링 시스템을 추가로 개발하여 일부 만성 질환의 정량 분석에 큰 발전을 보였습니다.
웨어러블 전자 장치는 개인화 의료 분야에서 유망한 응용 분야로 인해 매력적인 기회를 나타냅니다.그들은 지속적이고 실시간이며 비침습적인 방식으로 개인의 건강 상태를 모니터링할 수 있습니다(1-11).활력 징후의 두 가지 필수 구성 요소인 맥박과 호흡은 생리적 상태에 대한 정확한 평가와 관련 질병의 진단 및 예후에 대한 놀라운 통찰력을 제공할 수 있습니다(12-21).현재까지 미묘한 생리적 신호를 감지하기 위한 대부분의 웨어러블 전자 장치는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리디메틸실록산, 폴리이미드, 유리 및 실리콘과 같은 초박형 기판을 기반으로 합니다(22-26).피부에 사용하기 위한 이러한 기재의 단점은 평면적이고 단단한 형식에 있습니다.결과적으로 웨어러블 전자 장치와 인간의 피부 사이에 조밀한 접촉을 설정하려면 테이프, 반창고 또는 기타 기계적 고정 장치가 필요하며, 이는 장기간 사용 시 자극과 불편을 유발할 수 있습니다(27, 28).또한, 이러한 기질은 통기성이 좋지 않아 장기간의 지속적인 건강 모니터링에 사용할 때 불편함을 초래합니다.건강 관리, 특히 일상적인 사용에서 앞서 언급한 문제를 완화하기 위해 스마트 텍스타일은 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공합니다.이러한 섬유는 부드러움과 가벼움, 통기성이 있어 웨어러블 전자기기에서 편안함을 실현할 가능성이 있다.최근 몇 년 동안 민감한 센서, 에너지 수확 및 저장에서 섬유 기반 시스템을 개발하기 위해 집중적인 노력을 기울였습니다(29-39).특히, 펄스 및 호흡 신호 모니터링에 적용된 광섬유, 압전 및 저항 기반 스마트 섬유에 대한 성공적인 연구가 보고되었습니다(40-43).그러나 이러한 스마트 섬유는 일반적으로 감도가 낮고 단일 모니터링 매개변수를 가지고 있어 대규모로 제조할 수 없습니다(표 S1).펄스 측정의 경우 펄스의 미세한 변동(예: 특징점)으로 인해 자세한 정보를 포착하기 어렵기 때문에 높은 감도와 적절한 주파수 응답 성능이 요구된다.
이 연구에서 우리는 전체 카디건 스티치에서 전도성 및 나일론 실로 편직된 표피 미묘한 압력 캡처를 위한 고감도의 마찰 전기 전체 섬유 센서 어레이(TATSA)를 소개합니다.TATSA는 높은 압력 감도(7.84mV Pa−1), 빠른 응답 시간(20ms), 안정성(>100,000주기), 넓은 작동 주파수 대역폭(최대 20Hz) 및 기계 세척(>40회 세척)을 제공할 수 있습니다.재량, 편안함, 심미적 매력으로 옷에 편리하게 통합될 수 있습니다.특히 TATSA는 목, 손목, 손가락 끝, 발목 위치의 맥파와 복부와 가슴의 호흡파에 해당하는 직물의 다른 부위에 직접 통합될 수 있습니다.실시간 및 원격 건강 모니터링에서 TATSA의 우수한 성능을 평가하기 위해 심혈관 질환(CAD) 분석 및 수면 무호흡 증후군(SAS) 평가를 위한 생리적 신호를 지속적으로 수집 및 저장하는 개인 맞춤형 지능형 건강 모니터링 시스템을 개발합니다. ).
그림 1A와 같이 두 개의 TATSA를 셔츠 소매와 가슴에 꿰매어 각각 맥박과 호흡 신호를 동적으로 동시에 모니터링할 수 있습니다.이러한 생리적 신호는 건강 상태에 대한 추가 분석을 위해 지능형 모바일 단말 애플리케이션(APP)에 무선으로 전송되었습니다.그림 1B는 천 조각으로 스티칭된 TATSA를 보여주고 삽입된 그림은 특징적인 전도성 원사와 상업용 나일론 원사를 함께 사용하여 전체 카디건 스티치로 편직된 TATSA의 확대도를 보여줍니다.가장 보편적이고 기본적인 편직법인 기본 평스티치와 비교하여 전도성사의 루프 헤드와 인접한 나일론사의 턱 스티치 헤드(그림 S1)의 접촉면이 표면이기 때문에 풀카디건 스티치를 선택하였다. 점 접촉보다는 높은 마찰 전기 효과를 위한 더 큰 작용 영역으로 이어집니다.전도성 원사를 준비하기 위해 고정 코어 섬유로 스테인리스 스틸을 선택하고 코어 섬유 주위에 여러 개의 1겹 테릴렌 원사를 꼬아 직경 0.2mm의 하나의 전도성 원사로 사용했습니다(그림 S2). 대전 표면과 전도성 전극 모두.또 다른 대전면 역할을 하는 직경 0.15mm의 나일론사는 계산 불가능한 실에 의해 꼬여져 인장력이 강하였다(Fig. S3).그림 1(각각 C, D)은 제조된 전도성 원사와 나일론 원사의 사진을 보여주고 있다.삽입된 그림은 전도성 얀의 일반적인 단면과 나일론 얀의 표면을 나타내는 각각의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 보여줍니다.전도성 및 나일론 원사의 높은 인장 강도는 모든 센서의 균일한 성능을 유지하기 위해 산업 기계에서 직조 능력을 보장합니다.도 1e에 도시된 바와 같이, 전도성 원사, 나일론 원사 및 일반사를 각각의 콘에 감고, 이를 산업용 컴퓨터 횡편기에 장착하여 자동 제직하였다(동영상 S1).그림과 같이.S4, 여러 개의 TATSA를 산업용 기계를 사용하여 일반 천과 함께 편직했습니다.두께 0.85mm, 무게 0.28g의 단일 TATSA는 전체 구조에서 개별적으로 맞춤화할 수 있어 다른 천과의 뛰어난 궁합을 보여줍니다.또한 TATSA는 상업용 나일론 원사의 다양성으로 인해 미적 및 유행 요구 사항을 충족시키기 위해 다양한 색상으로 설계될 수 있습니다(그림 1F 및 그림 S5).제작된 TATSA는 뛰어난 부드러움과 가혹한 굽힘 또는 변형을 견딜 수 있는 능력을 가지고 있습니다(그림 S6).그림 1G는 스웨터의 복부와 팔목에 직접 꿰매어진 TATSA를 보여줍니다.스웨터를 뜨개질하는 과정이 그림에 나와 있습니다.S7과 영화 S2.복부 위치에서 늘린 TATSA의 앞면과 뒷면의 세부 사항은 그림 1에 나와 있습니다.S8(각각 A, B), 전도성사와 나일론사의 위치를 그림 1에 나타내었다.S8C.여기에서 TATSA는 신중하고 스마트한 외관을 위해 일반 직물에 매끄럽게 삽입될 수 있음을 알 수 있습니다.
(A) 실시간으로 맥박 및 호흡 신호를 모니터링하기 위해 셔츠에 통합된 2개의 TATSA.(B) TATSA와 옷의 조합에 대한 개략도.삽입된 그림은 센서의 확대도를 보여줍니다.(C) 전도성 원사의 사진(스케일 바, 4cm).삽입된 그림은 스테인리스 스틸과 테릴렌 실로 구성된 전도성 원사(스케일 바, 100μm) 단면의 SEM 이미지입니다.(D) 나일론 원사의 사진(스케일 바, 4cm).삽입된 것은 나일론 원사 표면의 SEM 이미지입니다(스케일 바, 100μm).(E) TATSA의 자동 직조를 수행하는 컴퓨터 횡편기의 이미지.(F) 다양한 색상의 TATSA 사진(스케일 막대, 2cm).인세트는 TATSA 꼬임으로 탁월한 부드러움을 보여줍니다.(G) 스웨터에 완벽하고 매끄럽게 꿰매어진 두 개의 TATSA 사진.사진 제공: Wenjing Fan, Chongqing University.
기계적 및 전기적 특성을 포함하여 TATSA의 작동 메커니즘을 분석하기 위해 그림 2A와 같이 TATSA의 기하학적 편직 모델을 구성했습니다.전체 카디건 스티치를 사용하여 전도성 원사와 나일론 원사가 코스와 웨일 방향으로 루프 단위 형태로 맞물려 있습니다.단일 루프 구조(그림 S1)는 루프 헤드, 루프 암, 리브 교차 부분, 턱 스티치 암 및 턱 스티치 헤드로 구성됩니다.두 개의 다른 원사 사이의 접촉면의 두 가지 형태를 찾을 수 있습니다. (i) 전도성 원사의 루프 헤드와 나일론 원사의 턱 스티치 헤드 사이의 접촉면 및 (ii) 루프 헤드 사이의 접촉면 나일론 원사와 전도성 원사의 턱 스티치 헤드.
(A) 니트 루프의 앞면, 오른쪽 및 윗면이 있는 TATSA.(B) COMSOL 소프트웨어를 사용하여 2kPa의 적용된 압력에서 TATSA의 힘 분포의 시뮬레이션 결과.(C) 단락 조건에서 접촉 장치의 전하 이동에 대한 개략도.(D) COMSOL 소프트웨어를 사용한 개방 회로 조건에서 접점 장치의 전하 분포 시뮬레이션 결과.
TATSA의 작동 원리는 외력 자극과 유도 전하의 두 가지 측면에서 설명할 수 있습니다.외력 자극에 대한 응력 분포를 직관적으로 이해하기 위해 그림 2B 및 그림 2B와 같이 각각 2kPa 및 0.2kPa의 서로 다른 외력에서 COMSOL 소프트웨어를 사용하여 유한 요소 해석을 사용했습니다.S9.응력은 두 원사의 접촉면에 나타납니다.그림과 같이.S10에서는 응력 분포를 명확히 하기 위해 두 개의 루프 단위를 고려했습니다.두 개의 서로 다른 외력에 따른 응력 분포를 비교할 때, 전도성 원사와 나일론 원사의 표면에 가해지는 응력은 외력이 증가함에 따라 증가하여 두 원사 사이에 접촉 및 압출이 발생합니다.외력이 해제되면 두 실이 분리되어 서로 멀어집니다.
전도성 원사와 나일론 원사 사이의 접촉 분리 운동은 마찰 대전과 정전기 유도의 결합에 기인한 전하 이동을 유도합니다.발전 과정을 명확히 하기 위해 우리는 두 실이 서로 접촉하는 부분의 단면을 분석한다(그림 2C1).그림 2(각각 C2, C3)에서 알 수 있듯이 TATSA가 외력에 의해 자극을 받아 두 실이 서로 접촉하면 전도성 원사와 나일론 원사의 표면에 대전이 발생하고 반대 전하와 등가 전하를 띤다. 두 실의 표면에 극성이 생성됩니다.두 실이 분리되면 정전기 유도 효과로 인해 내부 스테인리스 스틸에 양전하가 유도됩니다.완전한 개략도는 그림 1에 나와 있습니다.S11.발전 과정에 대한 보다 정량적인 이해를 얻기 위해 COMSOL 소프트웨어를 사용하여 TATSA의 전위 분포를 시뮬레이션했습니다(그림 2D).두 재료가 접촉할 때 전하가 주로 마찰재에 모이고 전극에 소량의 유도 전하만 존재하므로 작은 전위가 발생합니다(그림 2D, 하단).두 물질이 분리되면(그림 2D, 상단) 전위차로 인해 전극에 유도된 전하가 증가하고 해당 전위가 증가하여 실험 결과와 시뮬레이션 결과가 잘 일치함을 알 수 있습니다. .또한 TATSA의 전도성 전극은 Terylene 원사로 싸여 있고 피부는 두 마찰재와 모두 접촉하고 있으므로 TATSA를 피부에 직접 착용하면 전하가 외력에 의존하고 피부에 약해집니다.
다양한 측면에서 TATSA의 성능을 특성화하기 위해 함수 발생기, 전력 증폭기, 전기역학적 셰이커, 힘 게이지, 전위계 및 컴퓨터를 포함하는 측정 시스템을 제공했습니다(그림 S12).이 시스템은 최대 7kPa의 외부 동적 압력을 생성합니다.실험에서 TATSA를 평평한 플라스틱 시트에 자유 상태로 놓고 출력 전기 신호를 전위계로 기록했습니다.
전도성 및 나일론 원사의 사양은 접촉면과 외부 압력을 감지하는 능력을 결정하기 때문에 TATSA의 출력 성능에 영향을 미칩니다.이를 조사하기 위해 150D/3, 210D/3, 250D/3 크기의 전도성 원사와 150D/6, 210D/6, 250D 크기의 나일론 원사 두 원사의 세 가지 크기를 각각 제작했습니다. /6(D, 데니어, 개별 실의 섬유 두께를 결정하는 데 사용되는 측정 단위, 데니어 수가 많은 직물은 두꺼운 경향이 있음).그런 다음 크기가 다른 두 개의 실을 선택하여 센서로 편직하고 TATSA의 치수는 웨일 방향으로 16개, 코스 방향으로 10개의 루프 번호로 3cm x 3cm로 유지되었습니다.따라서 9개의 편직 패턴을 갖는 센서를 얻었다.150D/3 크기의 전도성 원사와 150D/6 크기의 나일론 원사에 의한 센서가 가장 가늘고, 250D/3 크기의 전도성 원사와 250D/크기의 나일론 원사에 의한 센서 6이 가장 두껍습니다.0.1~7kPa의 기계적 여기에서 이러한 패턴에 대한 전기 출력은 그림 3A와 같이 체계적으로 조사되고 테스트되었습니다.9개의 TATSA의 출력 전압은 가해진 압력이 0.1에서 4kPa로 증가함에 따라 증가했습니다.구체적으로, 모든 편직 패턴 중 210D/3 전도성 원사와 210D/6 나일론 원사의 사양이 가장 높은 전기 출력과 가장 높은 감도를 나타내었다.출력 전압은 210D/3 전도성 원사와 210D/6 나일론 원사를 사용하여 TATSA를 편직할 때까지 TATSA의 두께가 증가함에 따라(충분한 접촉면으로 인해) 증가하는 경향을 보였다.두께가 더 증가하면 실에 의해 외부 압력이 흡수되어 그에 따라 출력 전압이 감소합니다.또한, 저압 영역(<4kPa)에서 압력에 따른 출력 전압의 잘 작동하는 선형 변화는 7.84mV Pa-1의 우수한 압력 감도를 제공했습니다.고압 영역(>4 kPa)에서 유효 마찰 영역의 포화로 인해 0.31 mV Pa-1의 더 낮은 압력 감도가 실험적으로 관찰되었습니다.힘을 가하는 반대 과정에서도 유사한 압력 민감도가 입증되었습니다.다양한 압력에서 출력 전압과 전류의 구체적인 시간 프로파일이 그림 1에 나와 있습니다.S13(각각 A 및 B).
(A) 나일론 원사(150D/6, 210D/6, 250D/6)와 결합된 전도성 원사(150D/3, 210D/3, 250D/3)의 9가지 편직 패턴에서 출력 전압.(B) 웨일 방향의 루프 번호를 변경하지 않고 유지할 때 동일한 패브릭 영역에서 다양한 수의 루프 유닛에 대한 전압 응답.(C) 1kPa의 동적 압력 및 1Hz의 압력 입력 주파수에서 주파수 응답을 보여주는 플롯.(D) 1, 5, 10 및 20Hz의 주파수에서 다른 출력 및 전류 전압.(E) 1kPa의 압력에서 TATSA의 내구성 테스트.(F) 20회 및 40회 세척 후 TATSA의 출력 특성.
감도와 출력 전압도 TATSA의 스티치 밀도에 의해 영향을 받았는데, 이는 측정된 직물 영역의 총 루프 수에 의해 결정되었습니다.스티치 밀도의 증가는 직물 구조의 더 큰 조밀함을 초래할 것입니다.그림 3B는 3cm x 3cm의 직물 영역에서 다양한 루프 번호에 따른 출력 성능을 보여주고 삽입된 부분은 루프 유닛의 구조를 보여줍니다(코스 방향의 루프 번호는 10, 루프 번호는 10으로 유지했습니다. 웨일 방향은 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26)이었습니다.루프 번호를 증가시키면서 출력 전압은 루프 번호가 180인 7.5V의 최대 출력 전압 피크까지 접촉 표면이 증가하기 때문에 먼저 증가하는 경향을 나타냈습니다. 이 시점 이후 출력 전압은 감소하는 경향을 따랐습니다. TATSA는 팽팽해지고 두 실은 접촉 분리 공간이 줄어들었습니다.밀도가 출력에 큰 영향을 미치는 방향을 탐색하기 위해 웨일 방향의 TATSA 루프 번호를 18로 유지하고 코스 방향의 루프 번호를 7, 8, 9, 10으로 설정했습니다. 11, 12, 13 및 14. 해당 출력 전압은 그림 1에 나와 있습니다.S14.비교하면 코스 방향의 밀도가 출력 전압에 더 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다.그 결과 210D/3 전도성 원사와 210D/6 나일론 원사 및 180 루프 단위의 편직 패턴을 선택하여 출력 특성을 종합적으로 평가한 후 TATSA를 편직하였다.또한 풀 가디건 스티치와 일반 스티치를 사용하여 두 섬유 센서의 출력 신호를 비교했습니다.그림과 같이.S15, 풀 카디건 스티치를 사용하는 전기 출력 및 감도는 일반 스티치를 사용하는 것보다 훨씬 높습니다.
실시간 신호 모니터링을 위한 응답 시간을 측정했습니다.외부 힘에 대한 센서의 응답 시간을 조사하기 위해 출력 전압 신호를 1~20Hz의 주파수에서 동적 압력 입력과 비교했습니다(각각 그림 3C 및 그림 S16).출력 전압 파형은 1kPa의 압력에서 입력 정현파 압력파와 거의 동일하였고, 출력 파형은 빠른 응답 시간(약 20ms)을 가졌다.이러한 히스테리시스는 탄성 구조가 외력을 받은 후 가능한 빨리 원래 상태로 돌아가지 않기 때문일 수 있다.그럼에도 불구하고 이 작은 히스테리시스는 실시간 모니터링에 허용됩니다.특정 주파수 범위에서 동압을 얻기 위해서는 TATSA의 적절한 주파수 응답이 예상됩니다.따라서 TATSA의 주파수 특성도 테스트했습니다.외부 여자 주파수를 증가시키면 출력 전압의 진폭은 거의 변하지 않은 반면, 탭핑 주파수가 1Hz에서 20Hz까지 변할 때 전류의 진폭은 증가했습니다(그림 3D).
TATSA의 반복성, 안정성 및 내구성을 평가하기 위해 압력 로딩-언로딩 사이클에 대한 출력 전압 및 전류 응답을 테스트했습니다.5Hz의 주파수와 1kPa의 압력이 센서에 적용되었습니다.피크 대 피크 전압 및 전류는 100,000번의 로딩-언로딩 사이클 후에 기록되었습니다(각각 그림 3E 및 그림 S17).전압 및 전류 파형의 확대도가 도 3E 및 도 3의 삽입에 도시되어 있다.S17, 각각.결과는 TATSA의 놀라운 반복성, 안정성 및 내구성을 보여줍니다.세탁성은 또한 모든 섬유 기기로서 TATSA의 필수 평가 기준입니다.세척 능력을 평가하기 위해 AATCC(American Association of Textile Chemists and Colorists) Test Method 135-2017에 따라 TATSA를 기계 세척한 후 센서의 출력 전압을 테스트했습니다.자세한 세척 절차는 재료 및 방법에 설명되어 있습니다.도 3f에 도시된 바와 같이, 20회 및 40회 세척 후 전기적 출력을 기록하였으며, 이는 세척 시험 전반에 걸쳐 출력 전압의 뚜렷한 변화가 없음을 입증하였다.이러한 결과는 TATSA의 놀라운 세척성을 입증합니다.웨어러블 텍스타일 센서로서 우리는 TATSA가 인장(그림 S18), 꼬임(그림 S19) 및 다양한 습도(그림 S20) 조건에 있을 때의 출력 성능도 조사했습니다.
위에서 설명한 TATSA의 수많은 장점을 바탕으로 우리는 지속적으로 생리적 신호를 수집한 다음 환자에게 전문적인 조언을 제공할 수 있는 무선 모바일 건강 모니터링 시스템(WMHMS)을 개발했습니다.그림 4A는 TATSA를 기반으로 하는 WMHMS의 구성도를 보여줍니다.이 시스템은 아날로그 생리 신호를 수집하기 위한 TATSA, 저역 통과 필터가 있는 아날로그 컨디셔닝 회로(MAX7427) 및 신호의 충분한 세부 사항과 우수한 동기화를 보장하는 증폭기(MAX4465), 아날로그-디지털 아날로그 신호를 수집하여 디지털 신호로 변환하는 마이크로컨트롤러 유닛 기반 변환기와 디지털 신호를 휴대폰 단말기 애플리케이션(APP; Huawei Honor 9)으로 전송하는 블루투스 모듈(CC2640 저전력 블루투스 칩).이 연구에서 우리는 그림 4B와 같이 TATSA를 레이스, 손목 밴드, 핑거스톨 및 양말에 매끄럽게 꿰매었습니다.
(A) WMHMS의 그림.(B) TATSA의 사진은 각각 손목 밴드, 핑거스톨, 양말 및 가슴 끈에 꿰매어졌습니다.(C1) 목, (D1) 손목, (E1) 손가락 끝, (F1) 발목에서의 맥박 측정.(C2) 목, (D2) 손목, (E2) 손가락 끝, (F2) 발목에서의 펄스 파형.(G) 다양한 연령대의 펄스 파형.(H) 단일 맥파 분석.AIx(%) = P2/P1로 정의된 요골 확대 지수(AIx).P1은 진행파의 피크이고 P2는 반사파의 피크입니다.(I) 상완과 발목의 펄스 주기.맥파 속도(PWV)는 PWV = D/∆T로 정의됩니다.D는 발목과 상완 사이의 거리입니다.∆T는 발목의 피크와 상완 맥파 사이의 시간 지연입니다.PTT, 펄스 전송 시간.(J) 건강한 사람과 CAD 사이의 AIx와 상완-발목 PWV(BAPWV)의 비교.*P < 0.01, **P < 0.001, ***P < 0.05.고혈압, 고혈압;CHD, 관상 동맥 심장 질환;DM, 당뇨병.사진 제공: 충칭대학교 진양.
다양한 인체 부위의 펄스 신호를 모니터링하기 위해 목(그림 4C1), 손목(그림 4D1), 손가락 끝(그림 4E1) 및 발목(그림 4F1)과 같은 해당 위치에 TATSA로 앞에서 언급한 장식을 부착했습니다. ), 영화 S3에서 S6에 자세히 설명되어 있습니다.의학에서 맥파에는 3개의 실질적인 특징점이 있습니다: 진행파 P1의 피크, 반사파 P2의 피크, 그리고 2중파 P3의 피크.이러한 특징점의 특징은 심혈관계와 관련된 동맥 탄력성, 말초 저항 및 좌심실 수축성의 건강 상태를 반영합니다.위의 네 위치에서 25세 여성의 맥박 파형을 획득하여 테스트에서 기록했습니다.그림 4(C2~E2)와 같이 목, 손목, 손가락 끝 위치의 펄스 파형에서 3개의 구별 가능한 특징점(P1~P3)이 관찰되었습니다.대조적으로, 발목 위치에서 펄스 파형에는 P1과 P3만이 나타났고, P2는 존재하지 않았다(Fig. 4F2).이 결과는 좌심실에서 방출되는 들어오는 혈류와 하지에서 반사되는 파동이 중첩되어 발생했습니다(44).이전 연구에서는 P2가 상지에서 측정된 파형에 나타나지만 발목에서는 나타나지 않는 것으로 나타났습니다(45, 46).그림 1과 같이 TATSA로 측정한 파형에서도 유사한 결과를 관찰했습니다.S21은 여기에서 연구한 80명의 환자 모집단의 일반적인 데이터를 보여줍니다.발목에서 측정된 이러한 펄스 파형에는 P2가 나타나지 않았으며, 이는 파형 내의 미묘한 특징을 감지하는 TATSA의 능력을 보여줍니다.이러한 맥박 측정 결과는 우리 WMHMS가 상체와 하체의 맥파 특성을 정확하게 나타낼 수 있고 다른 연구보다 우수함을 나타냅니다(41, 47).우리의 TATSA가 다양한 연령대에 광범위하게 적용될 수 있음을 추가로 나타내기 위해 다양한 연령대의 80명의 피험자의 맥박 파형을 측정했으며 그림 1과 같이 몇 가지 일반적인 데이터를 보여주었습니다.S22.그림 4G와 같이 25세, 45세, 65세의 3명의 참가자를 선택했으며, 3명의 특징점은 젊은 참가자와 중년 참가자에게 분명했습니다.의학문헌(48)에 따르면 대부분의 사람들의 맥박파형은 나이가 들수록 변화하는 특성이 있는데, 이는 반사파가 전방으로 이동하여 전진파에 중첩되어 발생하는 점 P2가 소실되는 등의 특징이 있다. 혈관 탄력.이 현상은 우리가 수집한 파형에도 반영되어 TATSA가 다른 모집단에 적용될 수 있음을 추가로 확인합니다.
맥박 파형은 개인의 생리적 상태뿐만 아니라 검사 조건의 영향을 받습니다.따라서 우리는 TATSA와 피부(fig. S23) 및 측정 부위의 다양한 감지 위치(fig. S24) 사이의 서로 다른 접촉 기밀 상태에서 펄스 신호를 측정했습니다.TATSA는 측정 사이트의 넓은 유효 감지 영역에서 선박 주변의 자세한 정보와 함께 일관된 펄스 파형을 얻을 수 있음을 알 수 있습니다.또한 TATSA와 피부 사이에 서로 다른 밀착력에 따라 뚜렷한 출력 신호가 있습니다.또한 센서를 착용한 개인의 움직임이 펄스 신호에 영향을 미칩니다.피사체의 손목이 정적 상태에 있을 때 획득한 펄스 파형의 진폭은 안정적입니다(그림 S25A).반대로 손목이 30초 동안 -70°에서 70°의 각도로 천천히 움직이면 펄스 파형의 진폭이 변동합니다(그림 S25B).그러나 각 펄스 파형의 윤곽이 보이고 맥박수는 여전히 정확하게 얻을 수 있습니다.분명히 인간의 움직임에서 안정적인 맥파 획득을 달성하기 위해서는 센서 설계 및 백엔드 신호 처리를 포함한 추가 연구가 필요합니다.
또한, 당사의 TATSA를 이용하여 획득한 맥박 파형을 통해 심혈관계의 상태를 분석하고 정량적으로 평가하기 위해 심혈관계의 평가 사양에 따른 두 가지 혈역학적 매개변수, 즉 증강 지수(Augmentation Index, AIx)와 맥파 속도를 도입했습니다. (PWV)는 동맥의 탄력성을 나타냅니다.도 4h에 도시된 바와 같이, 25세의 건강한 남성의 손목 위치에서의 맥박 파형은 AIx의 분석을 위해 사용되었다.식(S1구간)에 따르면 Ax=60%가 얻어지며 이는 정상값이다.그런 다음 이 참가자의 팔과 발목 위치에서 두 개의 펄스 파형을 동시에 수집했습니다(펄스 파형의 자세한 측정 방법은 재료 및 방법에 설명되어 있음).도 4i에 도시된 바와 같이, 두 펄스 파형의 특징점은 구별된다.그런 다음 공식(섹션 S1)에 따라 PWV를 계산했습니다.건강한 성인 남성에게 기대되는 특성값인 PWV = 1363 cm/s를 구하였다.반면에 AIx나 PWV의 메트릭은 펄스 파형의 진폭 차이에 영향을 받지 않으며 신체 부위에 따라 AIx의 값이 다양함을 알 수 있습니다.우리 연구에서는 방사형 AIx가 사용되었습니다.다양한 사람들에게 WMHMS의 적용 가능성을 검증하기 위해 우리는 50세에서 59세 사이의 건강한 그룹에서 20명의 참가자, 고혈압(HTN) 그룹에서 20명, 관상 동맥 심장 질환(CHD) 그룹에서 20명 및 20명의 참가자를 선택했습니다. 당뇨병(DM) 그룹.우리는 맥파를 측정하고 그림 4J에 제시된 것처럼 AIx와 PWV의 두 매개변수를 비교했습니다.HTN, CHD, DM군의 PWV 값은 정상군에 비해 낮았고 통계적 차이가 있음을 알 수 있다(PHTN ≪ 0.001, PCHD ≪ 0.001, PDM ≪ 0.001, P값은 t로 계산) 테스트).한편, HTN군과 CHD군의 AIx 값은 정상군에 비해 낮았고 통계적 차이를 보였다(PHTN < 0.01, PCHD < 0.001, PDM < 0.05).CHD, HTN 또는 DM이 있는 참가자의 PWV 및 AIx는 건강한 그룹의 참가자보다 높았습니다.결과는 TATSA가 심장 혈관 건강 상태를 평가하기 위해 심장 혈관 매개 변수를 계산하기 위해 맥박 파형을 정확하게 얻을 수 있음을 보여줍니다.결론적으로, TATSA 기반의 WMHMS는 무선, 고해상도, 고감도 특성과 편안함으로 인해 현재 병원에서 사용되는 고가의 의료 장비보다 효율적인 실시간 모니터링 대안을 제공합니다.
맥파 외에도 호흡기 정보는 개인의 신체 상태를 평가하는 데 도움이 되는 주요 생체 신호이기도 합니다.TATSA를 기반으로 하는 호흡 모니터링은 더 나은 편안함을 위해 옷에 매끄럽게 통합될 수 있기 때문에 기존의 수면다원검사보다 더 매력적입니다.흰색 탄성 가슴 끈으로 꿰매어진 TATSA는 인체에 직접 묶여 호흡을 모니터링하기 위해 가슴 주위에 고정되었습니다(그림 5A 및 영화 S7).TATSA는 흉곽의 팽창과 수축에 따라 변형되어 전기 출력이 발생합니다.획득한 파형은 그림 5B에서 확인됩니다.변동이 큰 신호(진폭 1.8V)와 주기적인 변화(주파수 0.5Hz)가 호흡 운동에 해당합니다.상대적으로 작은 변동 신호는 심장 박동 신호인 이 큰 변동 신호에 중첩되었습니다.호흡 신호와 심장 박동 신호의 주파수 특성에 따라 그림 5C와 같이 0.8Hz 저역 통과 필터와 0.8~20Hz 대역 통과 필터를 사용하여 호흡 신호와 심장 박동 신호를 각각 분리하였다. .이 경우 단일 TATSA를 가슴에 위치시키는 것만으로도 풍부한 생리적 정보(호흡수, 심박수, 맥파의 특징점 등)를 포함하는 안정적인 호흡 및 맥박 신호를 동시에 정확하게 얻을 수 있습니다.
(A) 호흡과 관련된 압력의 신호를 측정하기 위해 가슴에 배치된 TATSA의 디스플레이를 보여주는 사진.(B) 가슴에 장착된 TATSA에 대한 전압-시간 플롯.(C) 신호(B)를 심장 박동과 호흡 파형으로 분해합니다.(D) 수면 중 호흡과 맥박을 각각 측정하기 위해 복부와 손목에 두 개의 TATSA를 배치한 사진.(E) 건강한 참가자의 호흡 및 맥박 신호.HR, 심박수;BPM, 분당 비트 수.(F) SAS 참가자의 호흡 및 맥박 신호.(G) 건강한 참가자의 호흡 신호 및 PTT.(H) SAS 참가자의 호흡 신호 및 PTT.(I) PTT 각성 지수와 무호흡-저호흡 지수(AHI)의 관계.사진 제공: Wenjing Fan, Chongqing University.
우리 센서가 맥박 및 호흡 신호를 정확하고 안정적으로 모니터링할 수 있음을 증명하기 위해 우리는 영화 S8에 자세히 설명된 대로 TATSA와 표준 의료 기기(MHM-6000B) 간의 맥박 및 호흡 신호 측정 결과를 비교하는 실험을 수행했습니다. 그리고 S9.맥파 측정에서 의료 기기의 광전 센서는 어린 소녀의 왼쪽 집게 손가락에 착용하고, 우리 TATSA는 오른쪽 집게 손가락에 착용했습니다.획득한 두 개의 펄스 파형에서 윤곽과 세부 사항이 동일함을 확인할 수 있으며, 이는 TATSA에서 측정한 펄스가 의료 기기로 측정한 것만큼 정확함을 나타냅니다.호흡파 측정에서는 의료 지시에 따라 청년의 신체 5개 부위에 5개의 심전도 전극을 부착하였다.그에 비해 TATSA는 하나만 몸에 직접 묶고 가슴에 고정했습니다.수집된 호흡 신호로부터 우리 TATSA에 의해 검출된 호흡 신호의 변화 경향 및 비율은 의료 기기와 일치함을 알 수 있다.이 두 가지 비교 실험은 맥박 및 호흡 신호 모니터링을 위한 센서 시스템의 정확성, 신뢰성 및 단순성을 검증했습니다.
또한 호흡 및 맥박 신호를 모니터링하기 위해 스마트 의류를 제작하고 복부와 손목 위치에 두 개의 TATSA를 꿰매었습니다.특히, 개발된 이중 채널 WMHMS를 사용하여 맥박 및 호흡 신호를 동시에 캡처했습니다.이 시스템을 통해 스마트 옷을 입은 25세 남성의 수면(그림 5D 및 영화 S10) 및 앉아 있는(그림 S26 및 영화 S11)의 호흡 및 맥박 신호를 획득했습니다.획득한 호흡 및 맥박 신호는 휴대폰의 APP에 무선으로 전송할 수 있습니다.위에서 언급했듯이 TATSA는 호흡 및 맥박 신호를 캡처하는 기능이 있습니다.이 두 가지 생리적 신호는 SAS를 의학적으로 추정하는 기준이기도 합니다.따라서 TATSA는 수면의 질 및 관련 수면 장애를 모니터링하고 평가하는 데에도 사용할 수 있습니다.그림 5(각각 E 및 F)에서 볼 수 있듯이 건강한 사람과 SAS 환자의 두 참가자의 맥박 및 호흡 파형을 지속적으로 측정했습니다.무호흡증이 없는 사람의 경우 측정된 호흡수와 맥박수는 각각 15와 70에서 안정적으로 유지되었습니다.SAS 환자의 경우 폐쇄성 호흡 사건의 징후인 24초 동안 뚜렷한 무호흡이 관찰되었으며 무호흡 기간 이후에는 신경계의 조절로 인해 심박수가 약간 증가했습니다(49).요약하면, 호흡 상태는 TATSA에 의해 평가될 수 있습니다.
맥박과 호흡 신호를 통해 SAS의 유형을 추가로 평가하기 위해 건강한 남성과 SAS.건강한 참가자의 경우 호흡수는 변경되지 않았으며 PTT는 180~310ms에서 비교적 안정적이었습니다(그림 5G).그러나 SAS 참가자의 경우 PTT는 무호흡 동안 120ms에서 310ms로 지속적으로 증가했습니다(그림 5H).따라서 참가자는 폐쇄성 SAS(OSAS) 진단을 받았습니다.무호흡 중 PTT의 변화가 감소하면 중추성 수면 무호흡 증후군(CSAS)으로 판단하고 이 두 가지 증상이 동시에 나타나면 혼합 SAS(MSAS)로 진단합니다.SAS의 심각성을 평가하기 위해 수집된 신호를 추가로 분석했습니다.시간당 PTT 각성 횟수인 PTT 각성 지수(PTT 각성은 ≥3초 동안 지속되는 ≥15ms의 PTT 감소로 정의됨)는 SAS의 정도를 평가하는 데 중요한 역할을 합니다.무호흡-저호흡 지수(AHI)는 SAS(무호흡은 호흡의 정지, 저호흡은 지나치게 얕은 호흡 또는 비정상적으로 낮은 호흡수)의 정도를 결정하는 기준으로, 수면 중 시간(AHI와 OSAS 등급 기준 사이의 관계는 표 S2에 나와 있음).AHI와 PTT 각성지수의 관계를 알아보기 위해 SAS 환자 20명의 호흡 신호를 선택하여 TATSA로 분석하였다.그림 5I에서 볼 수 있듯이, PTT 각성 지수는 AHI와 양의 상관 관계가 있는데, 수면 중 무호흡과 저호흡이 명백하고 일시적인 혈압 상승을 유발하여 PTT를 감소시키기 때문입니다.따라서 당사의 TATSA는 안정적이고 정확한 맥박 및 호흡 신호를 동시에 얻을 수 있으므로 심혈관계 및 SAS에 대한 중요한 생리학적 정보를 제공하여 관련 질병의 모니터링 및 평가를 수행할 수 있습니다.
요약하면, 우리는 다른 생리적 신호를 동시에 감지하기 위해 전체 카디건 스티치를 사용하여 TATSA를 개발했습니다.이 센서는 7.84mV Pa−1의 고감도, 20ms의 빠른 응답 시간, 100,000회 이상의 높은 안정성, 넓은 작동 주파수 대역폭을 특징으로 합니다.TATSA를 기반으로 WMHMS도 개발되어 측정된 생리학적 매개변수를 휴대폰으로 전송합니다.TATSA는 미적 디자인을 위해 옷의 다른 위치에 통합될 수 있으며 실시간으로 맥박 및 호흡 신호를 동시에 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다.이 시스템은 세부 정보를 캡처할 수 있는 기능으로 인해 건강한 사람과 CAD 또는 SAS를 가진 사람을 구별하는 데 도움이 될 수 있습니다.이 연구는 인간의 맥박과 호흡을 측정하기 위한 편안하고 효율적이며 사용자 친화적인 접근 방식을 제공했으며 이는 웨어러블 텍스타일 전자 제품 개발의 발전을 나타냅니다.
스테인레스 스틸을 금형에 반복적으로 통과시키고 연신하여 직경 10μm의 섬유를 형성했습니다.전극으로 사용되는 스테인리스 스틸 섬유는 여러 조각의 상용 1겹 테릴렌 원사에 삽입되었습니다.
함수 발생기(Stanford DS345)와 증폭기(LabworkPa-13)를 사용하여 사인파 압력 신호를 제공했습니다.이중 범위 힘 센서(Vernier Software & Technology LLC)를 사용하여 TATSA에 가해진 외부 압력을 측정했습니다.Keithley 시스템 전위계(Keithley 6514)를 사용하여 TATSA의 출력 전압 및 전류를 모니터링하고 기록했습니다.
AATCC Test Method 135-2017에 따라 TATSA와 충분한 밸러스트를 1.8kg 하중으로 사용한 다음 상업용 세탁 기계(Labtex LBT-M6T)에 넣어 섬세한 기계 세척 주기를 수행합니다.그런 다음, 세탁기에 25°C의 물 18갤런을 채우고 선택한 세탁 주기 및 시간(교반 속도, 분당 119스트로크, 세탁 시간, 6분, 최종 탈수 속도, 430rpm, 최종 회전 속도)으로 세탁기를 설정했습니다. 회전 시간, 3분).마지막으로, TATSA는 26°C 이하의 실온에서 정지된 공기에서 건조된 상태로 매달렸습니다.
피험자들은 침대에 앙와위 자세로 눕도록 지시받았다.TATSA는 측정 사이트에 배치되었습니다.피험자들은 표준 앙와위 자세를 취한 후 5~10분 동안 완전히 이완된 상태를 유지했습니다.펄스 신호가 측정을 시작했습니다.
이 기사의 보충 자료는 https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1에서 확인할 수 있습니다.
그림 S9.COMSOL 소프트웨어를 사용하여 0.2kPa의 압력이 가해진 상태에서 TATSA의 힘 분포 시뮬레이션 결과.
그림 S10.각각 0.2kPa 및 2kPa에서 적용된 압력 하에서 접촉 장치의 힘 분포의 시뮬레이션 결과.
그림 S11.단락 조건에서 접촉 장치의 전하 이동에 대한 완전한 개략도.
그림 S13.측정 주기에서 지속적으로 가해지는 외부 압력에 대한 TATSA의 연속 출력 전압 및 전류.
그림 S14.웨일 방향의 루프 번호를 변경하지 않고 유지할 때 동일한 패브릭 영역의 다양한 루프 유닛 수에 대한 전압 응답.
그림 S15.풀 가디건 스티치와 일반 스티치를 사용한 두 직물 센서의 출력 성능 비교.
그림 S16.1kPa의 동적 압력과 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 및 20Hz의 압력 입력 주파수에서 주파수 응답을 보여주는 플롯.
그림 S25.피사체가 정적 및 모션 조건에 있을 때 센서의 출력 전압.
그림 S26.호흡과 맥박을 측정하기 위해 복부와 손목에 동시에 TATSA를 장착한 사진입니다.
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By By Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
건강 모니터링을 위해 높은 압력 감도와 편안함을 갖춘 마찰 전기 전직 섬유 센서가 개발되었습니다.
By By Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
건강 모니터링을 위해 높은 압력 감도와 편안함을 갖춘 마찰 전기 전직 섬유 센서가 개발되었습니다.
© 2020 미국 과학 진흥 협회.판권 소유.AAAS는 HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef 및 COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548의 파트너입니다.
게시 시간: 2020년 3월 27일