Valkājama tekstila elektronika ir ļoti vēlama, lai īstenotu personalizētu veselības pārvaldību.Tomēr lielākā daļa ziņoto tekstilizstrādājumu elektronikas var periodiski mērķēt uz vienu fizioloģisku signālu vai palaist garām signālu skaidras detaļas, kā rezultātā tiek veikts daļējs veselības novērtējums.Turklāt tekstilizstrādājumi ar izcilām īpašībām un komfortu joprojām ir izaicinājums.Šeit mēs ziņojam par triboelektrisko visu tekstilmateriālu sensoru bloku ar augstu spiediena jutību un komfortu.Tam ir spiediena jutība (7,84 mV Pa−1), ātrs reakcijas laiks (20 ms), stabilitāte (> 100 000 cikli), plašs darba frekvences joslas platums (līdz 20 Hz) un veļas mazgājamā mašīna (>40 mazgāšanas reizes).Izgatavotie TATSA tika sašūti dažādās drēbju daļās, lai vienlaikus uzraudzītu arteriālo pulsa viļņus un elpošanas signālus.Mēs tālāk izstrādājām veselības uzraudzības sistēmu ilgtermiņa un neinvazīvai sirds un asinsvadu slimību un miega apnojas sindroma novērtēšanai, kas uzrāda lielu progresu dažu hronisku slimību kvantitatīvā analīzē.
Valkājama elektronika ir aizraujoša iespēja, jo tā ir daudzsološa personalizētajā medicīnā.Viņi var nepārtraukti, reāllaikā un neinvazīvā veidā uzraudzīt indivīda veselības stāvokli (1–11).Pulss un elpošana, kā divas neaizstājamas dzīvības pazīmju sastāvdaļas, var sniegt gan precīzu fizioloģiskā stāvokļa novērtējumu, gan ievērojamu ieskatu saistīto slimību diagnostikā un prognozēšanā (12–21).Līdz šim lielākā daļa valkājamo elektronikas smalku fizioloģisko signālu noteikšanai ir balstītas uz īpaši plāniem substrātiem, piemēram, polietilēntereftalātu, polidimetilsiloksānu, poliimīdu, stiklu un silikonu (22–26).Šo substrātu trūkums lietošanai uz ādas ir to plakanā un stingrajā formātā.Tā rezultātā, lai izveidotu kompaktu kontaktu starp valkājamo elektroniku un cilvēka ādu, ir nepieciešamas lentes, lentes vai citi mehāniski ķermeņi, kas var izraisīt kairinājumu un neērtības ilgstošas lietošanas laikā (27, 28).Turklāt šiem substrātiem ir slikta gaisa caurlaidība, kas rada diskomfortu, ja tos izmanto ilgstošai, nepārtrauktai veselības uzraudzībai.Lai atvieglotu iepriekšminētās problēmas veselības aprūpē, īpaši ikdienas lietošanā, viedie tekstilizstrādājumi piedāvā uzticamu risinājumu.Šiem tekstilizstrādājumiem piemīt maiguma, vieglā svara un elpojamības īpašības, un tādējādi tie var radīt komfortu valkājamās elektronikas izstrādājumos.Pēdējos gados ir veltīti intensīvi centieni izstrādāt uz tekstilizstrādājumiem balstītas sistēmas jutīgos sensoros, enerģijas savākšanā un uzglabāšanā (29–39).Jo īpaši ir ziņots par veiksmīgiem pētījumiem par optisko šķiedru, pjezoelektrību un viedajiem tekstilizstrādājumiem, kuru pamatā ir pretestība, ko izmanto pulsa un elpošanas signālu uzraudzībā (40–43).Tomēr šiem viedajiem tekstilizstrādājumiem parasti ir zema jutība un viens uzraudzības parametrs, un tos nevar ražot lielā mērogā (S1 tabula).Impulsu mērīšanas gadījumā ir grūti iegūt detalizētu informāciju vāju un strauju impulsa svārstību dēļ (piemēram, tā īpašību punkti), tāpēc ir nepieciešama augsta jutība un atbilstoša frekvences reakcijas veiktspēja.
Šajā pētījumā mēs ieviešam triboelektrisko visa tekstilmateriālu sensoru masīvu (TATSA) ar augstu jutību epidermas smalkā spiediena uztveršanai, kas ir adīts ar vadošām un neilona pavedieniem pilnā jaka dūrienā.TATSA var nodrošināt augstu spiediena jutību (7,84 mV Pa−1), ātru reakcijas laiku (20 ms), stabilitāti (> 100 000 ciklu), plašu darba frekvences joslas platumu (līdz 20 Hz) un veļas mazgājamo mašīnu (>40 mazgāšanas reizes).Tas spēj ērti iekļauties apģērbā ar diskrētumu, komfortu un estētisku pievilcību.Jāatzīmē, ka mūsu TATSA var tieši iekļaut dažādās auduma vietās, kas atbilst pulsa viļņiem kakla, plaukstas, pirkstu galu un potīšu pozīcijās un elpošanas viļņiem vēderā un krūtīs.Lai novērtētu TATSA lielisko veiktspēju reāllaika un attālinātā veselības uzraudzībā, mēs izstrādājam personalizētu viedo veselības uzraudzības sistēmu, lai nepārtraukti iegūtu un saglabātu fizioloģiskos signālus sirds un asinsvadu slimību (CAD) analīzei un miega apnojas sindroma (SAS) novērtēšanai. ).
Kā parādīts 1.A attēlā, divas TATSA tika iešūtas krekla aprocē un krūtīs, lai nodrošinātu attiecīgi dinamisku un vienlaicīgu pulsa un elpošanas signālu uzraudzību.Šie fizioloģiskie signāli tika pārraidīti bezvadu režīmā uz viedo mobilā termināļa lietojumprogrammu (APP), lai veiktu turpmāku veselības stāvokļa analīzi.1.B attēlā parādīts TATSA, kas iešūts auduma gabalā, un ielaidumā ir parādīts palielināts TATSA skats, kas tika adīts, izmantojot raksturīgo vadošo dziju un komerciālo neilona dziju kopā pilnā jaka dūrienā.Salīdzinājumā ar pamatdūrienu, kas ir visizplatītākā un pamata adīšanas metode, pilnais jakas dūriens tika izvēlēts, jo kontakts starp vadošās dzijas cilpas galviņu un blakus esošo neilona dzijas ievilktā dūriena galvu (S1. att.) ir virsma. nevis punktveida kontakts, kas noved pie lielāka darbības laukuma augstam triboelektriskajam efektam.Lai sagatavotu vadošo dziju, kā fiksēto serdes šķiedru izvēlējāmies nerūsējošo tēraudu, un vairāki vienkārtas terilēna pavedieni tika savīti ap serdes šķiedru vienā vadošā dzijā ar diametru 0,2 mm (S2. att.), kas kalpoja kā gan elektrifikācijas virsma, gan vadošais elektrods.Neilona dzijai, kuras diametrs bija 0,15 mm un kas kalpoja kā vēl viena elektrifikācijas virsma, bija spēcīgs stiepes spēks, jo tā bija savīta ar neaprēķināmiem pavedieniem (S3. att.).1. attēlā (attiecīgi C un D) parādītas izgatavotās vadošās dzijas un neilona dzijas fotogrāfijas.Ielaidumos ir parādīti attiecīgie skenējošās elektronu mikroskopijas (SEM) attēli, kas parāda tipisku vadošās dzijas šķērsgriezumu un neilona dzijas virsmu.Vadošo un neilona dziju augstā stiepes izturība nodrošināja to aušanas spēju rūpnieciskajā iekārtā, lai saglabātu visu sensoru vienmērīgu darbību.Kā parādīts 1. E attēlā, vadošās dzijas, neilona pavedieni un parastie pavedieni tika uztīti uz attiecīgajiem konusiem, kas pēc tam tika ievietoti rūpnieciskajā datorizētajā plakanās adīšanas mašīnā automātiskai aušanai (filma S1).Kā parādīts attēlā.S4, vairākas TATSA tika adītas kopā ar parasto audumu, izmantojot rūpniecisko mašīnu.Vienu TATSA ar 0,85 mm biezumu un 0,28 g svaru no visas konstrukcijas var pielāgot individuālai lietošanai, parādot izcilu saderību ar citām drānām.Turklāt TATSA var būt izstrādātas dažādās krāsās, lai tās atbilstu estētiskām un modernām prasībām komerciālo neilona dziju daudzveidības dēļ (1. F un S5. att.).Izgatavotajām TATSA ir izcils mīkstums un spēja izturēt spēcīgu lieci vai deformāciju (S6. att.).1.G attēlā parādīts TATSA, kas iešūts tieši džempera vēderā un aprocē.Džempera adīšanas process ir parādīts attēlā.S7 un filma S2.Sīkāka informācija par izstieptā TATSA priekšpusi un aizmuguri vēdera stāvoklī ir parādīta attēlā.S8 (attiecīgi A un B), un vadošās dzijas un neilona dzijas novietojums ir parādīts attēlā.S8C.Šeit var redzēt, ka TATSA var nemanāmi iestrādāt parastos audumos, lai iegūtu diskrētu un gudru izskatu.
(A) Divas TATSA, kas integrētas kreklā, lai reāllaikā uzraudzītu pulsa un elpošanas signālus.(B) TATSA un apģērba kombinācijas shematisks attēls.Ielaidums parāda palielinātu sensora skatu.(C) vadošās dzijas fotogrāfija (mēroga josla, 4 cm).Ielaidums ir vadošās dzijas šķērsgriezuma SEM attēls (mēroga josla, 100 μm), kas sastāv no nerūsējošā tērauda un terilēna pavedieniem.(D) Neilona dzijas fotogrāfija (mēroga josla, 4 cm).Ieliktnis ir neilona dzijas virsmas SEM attēls (mēroga josla, 100 μm).(E) Datorizētas plakanas adīšanas mašīnas attēls, kas veic automātisku TATSA aušanu.(F) TATSA fotogrāfija dažādās krāsās (mēroga josla, 2 cm).Ieliktnis ir savīti TATSA, kas demonstrē savu lielisko maigumu.(G) Fotogrāfija ar divām TATSA pilnībā un nemanāmi iešūtas džemperī.Fotoattēlu kredīts: Wenjing Fan, Čuncjinas Universitāte.
Lai analizētu TATSA darba mehānismu, tostarp tā mehāniskās un elektriskās īpašības, mēs izveidojām TATSA ģeometrisko adīšanas modeli, kā parādīts 2.A attēlā.Izmantojot pilno jakas dūrienu, vadošie un neilona pavedieni tiek savstarpēji savienoti cilpas vienību veidā kursa un sliedes virzienā.Viena cilpas struktūra (S1. att.) sastāv no cilpas galviņas, cilpas sviras, ribu krustojošās daļas, iešūšanas dūriena sviras un iešūšanas dūriena galviņas.Var atrast divas saskares virsmas formas starp diviem dažādajiem pavedieniem: (i) kontaktvirsma starp vadošās dzijas cilpas galvu un neilona dzijas sašūšanas galvu un (ii) kontaktvirsma starp cilpas galvu. neilona dzija un vadošās dzijas savilkšanas dūriena galva.
(A) TATSA ar adīto cilpu priekšējo, labo un augšējo malu.(B) TATSA spēka sadalījuma simulācijas rezultāts 2 kPa spiedienā, izmantojot programmatūru COMSOL.(C) shematiski ilustrācijas kontakta bloka lādiņa pārnešanai īssavienojuma apstākļos.(D) Simulācijas rezultāti kontakta bloka uzlādes sadalījumam atvērtas ķēdes apstākļos, izmantojot programmatūru COMSOL.
TATSA darbības principu var izskaidrot divos aspektos: ārējā spēka stimulācija un tās izraisītais lādiņš.Lai intuitīvi izprastu spriedzes sadalījumu, reaģējot uz ārējā spēka stimulu, mēs izmantojām galīgo elementu analīzi, izmantojot programmatūru COMSOL pie dažādiem ārējiem spēkiem 2 un 0,2 kPa, kā attiecīgi parādīts 2.B un 2. attēlā.S9.Spriedze parādās uz divu dziju saskares virsmām.Kā parādīts attēlā.S10, mēs apsvērām divas cilpas vienības, lai noskaidrotu sprieguma sadalījumu.Salīdzinot sprieguma sadalījumu divu dažādu ārējo spēku ietekmē, spriegums uz vadošās un neilona dzijas virsmām palielinās, palielinoties ārējam spēkam, kā rezultātā rodas kontakts un ekstrūzija starp abiem pavedieniem.Kad ārējais spēks ir atbrīvots, abi pavedieni atdalās un attālinās viens no otra.
Kontakta atdalīšanas kustības starp vadošo dziju un neilona dziju izraisa lādiņa pārnesi, kas tiek attiecināta uz triboelektrifikācijas un elektrostatiskās indukcijas savienojumu.Lai precizētu elektroenerģijas ražošanas procesu, mēs analizējam laukuma šķērsgriezumu, kurā abi pavedieni saskaras viens ar otru (2.C1. attēls).Kā parādīts 2. attēlā (attiecīgi C2 un C3), kad TATSA stimulē ārējais spēks un abi pavedieni saskaras viens ar otru, notiek elektrifikācija uz vadošās un neilona dzijas virsmas un līdzvērtīgi lādiņi ar pretējiem. polaritātes tiek ģenerētas uz divu dziju virsmas.Kad abas dzijas ir atdalītas, iekšējā nerūsējošā tērauda iekšpusē tiek izraisīti pozitīvi lādiņi elektrostatiskās indukcijas efekta dēļ.Pilna shēma ir parādīta attēlā.S11.Lai iegūtu kvantitatīvāku izpratni par elektroenerģijas ražošanas procesu, mēs simulējām TATSA potenciālo sadalījumu, izmantojot programmatūru COMSOL (2. D attēls).Kad abi materiāli saskaras, lādiņš galvenokārt sakrājas uz berzes materiāla, un uz elektroda ir tikai neliels inducētā lādiņa daudzums, kā rezultātā rodas mazs potenciāls (2. D attēls, apakšā).Atdalot abus materiālus (2. D attēls, augšpusē), potenciālu starpības dēļ palielinās elektroda inducētais lādiņš un palielinās atbilstošais potenciāls, kas atklāj labu atbilstību starp eksperimentos un simulācijās iegūtajiem rezultātiem. .Turklāt, tā kā TATSA vadošais elektrods ir ietīts terilēna pavedienos un āda saskaras ar abiem abiem berzes materiāliem, tādēļ, kad TATSA tiek nēsāts tieši pie ādas, lādiņš ir atkarīgs no ārējā spēka un netiks. novājināta āda.
Lai raksturotu mūsu TATSA veiktspēju dažādos aspektos, mēs nodrošinājām mērīšanas sistēmu, kas satur funkciju ģeneratoru, jaudas pastiprinātāju, elektrodinamisko kratītāju, spēka mērītāju, elektrometru un datoru (S12. att.).Šī sistēma rada ārējo dinamisko spiedienu līdz 7 kPa.Eksperimentā TATSA tika novietots uz plakanas plastmasas loksnes brīvā stāvoklī, un izejas elektriskos signālus reģistrē ar elektrometru.
Vadošo un neilona dziju specifikācijas ietekmē TATSA izvades veiktspēju, jo tās nosaka saskares virsmu un spēju uztvert ārējo spiedienu.Lai to izpētītu, mēs izgatavojām attiecīgi trīs divu izmēru dzijas: vadošo dziju ar izmēru 150D/3, 210D/3 un 250D/3 un neilona dziju ar izmēru 150D/6, 210D/6 un 250D. /6 (D, denjē; mērvienība, ko izmanto, lai noteiktu atsevišķu pavedienu šķiedru biezumu; audumi ar lielu denjē skaitu mēdz būt biezi).Pēc tam mēs izvēlējāmies šīs divas dažāda izmēra dzijas, lai tās adītu sensorā, un TATSA izmērs tika saglabāts 3 cm x 3 cm ar cilpas numuru 16 virziena virzienā un 10 kursa virzienā.Tādējādi tika iegūti sensori ar deviņiem adīšanas modeļiem.Sensors pie vadošās dzijas ar izmēru 150D/3 un neilona dzijas ar izmēru 150D/6 bija visplānākais, un sensors pie vadošās dzijas ar izmēru 250D/3 un neilona dzijas ar izmēru 250D/ 6 bija biezākais.Mehāniskā ierosmē no 0,1 līdz 7 kPa šo modeļu elektriskās izejas tika sistemātiski pētītas un pārbaudītas, kā parādīts 3.A attēlā.Deviņu TATSA izejas spriegumi palielinājās līdz ar paaugstinātu pielietoto spiedienu no 0, 1 līdz 4 kPa.Konkrēti, no visiem adīšanas modeļiem 210D/3 vadošās dzijas un 210D/6 neilona dzijas specifikācijas nodrošināja visaugstāko elektrisko jaudu un uzrādīja visaugstāko jutību.Izejas spriegums uzrādīja pieaugošu tendenci, palielinoties TATSA biezumam (pietiekamas saskares virsmas dēļ), līdz TATSA tika adīts, izmantojot 210D/3 vadošo dziju un 210D/6 neilona dziju.Tā kā turpmāka biezuma palielināšanās izraisītu dzijas ārējā spiediena absorbciju, izejas spriegums attiecīgi samazinājās.Turklāt tiek atzīmēts, ka zema spiediena reģionā (<4 kPa) labi izturētas lineāras izejas sprieguma izmaiņas ar spiedienu nodrošināja augstāku spiediena jutību 7, 84 mV Pa−1.Augstspiediena reģionā (> 4 kPa) eksperimentāli tika novērota zemāka spiediena jutība 0, 31 mV Pa−1 efektīvās berzes laukuma piesātinājuma dēļ.Līdzīga spiediena jutība tika demonstrēta pretējā spēka pielikšanas procesā.Konkrētie izejas sprieguma un strāvas laika profili dažādos spiedienos ir parādīti attēlā.S13 (attiecīgi A un B).
(A) Izejas spriegums zem deviņiem vadošās dzijas (150D/3, 210D/3 un 250D/3) adīšanas modeļiem, kas apvienoti ar neilona dziju (150D/6, 210D/6 un 250D/6).(B) Sprieguma reakcija uz dažādu skaitu cilpas vienību vienā un tajā pašā auduma zonā, saglabājot cilpas numuru nemainītā virzienā.(C) Diagrammas, kas parāda frekvences reakcijas dinamiskā spiedienā 1 kPa un spiediena ievades frekvenci 1 Hz.(D) Dažādi izejas un strāvas spriegumi zem 1, 5, 10 un 20 Hz frekvencēm.(E) TATSA izturības pārbaude 1 kPa spiedienā.(F) TATSA izejas raksturlielumi pēc 20 un 40 reižu mazgāšanas.
Jutību un izejas spriegumu ietekmēja arī TATSA dūriena blīvums, ko noteica kopējais cilpu skaits izmērītajā auduma laukumā.Dūriena blīvuma palielināšana radītu lielāku auduma struktūras kompaktumu.3.B attēlā ir parādīta izvades veiktspēja ar dažādiem cilpas numuriem tekstilizstrādājumu apgabalā 3 x 3 cm, un ielaidums ilustrē cilpas vienības struktūru (mēs paturējām cilpas numuru kursa virzienā 10, bet cilpas numuru Wale virziens bija 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 un 26).Palielinot cilpas numuru, izejas spriegumam vispirms bija pieaugoša tendence pieaugošās kontaktvirsmas dēļ līdz maksimālajam izejas sprieguma maksimumam 7,5 V ar cilpas numuru 180. Pēc šī punkta izejas spriegumam bija tendence samazināties, jo TATSA kļuva saspringta, un abiem pavedieniem bija samazināta kontaktu atdalīšanas vieta.Lai izpētītu, kurā virzienā blīvumam ir liela ietekme uz izvadi, mēs saglabājām TATSA cilpas numuru velēšanas virzienā uz 18, un cilpas numurs kursa virzienā tika iestatīts uz 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 un 14. Atbilstošie izejas spriegumi ir parādīti att.S14.Salīdzinājumam mēs redzam, ka blīvumam kursa virzienā ir lielāka ietekme uz izejas spriegumu.Rezultātā TATSA adīšanai tika izvēlēts 210D/3 vadošās dzijas un 210D/6 neilona dzijas un 180 cilpu vienību adīšanas modelis pēc visaptverošas izejas raksturlielumu novērtēšanas.Turklāt mēs salīdzinājām divu tekstila sensoru izejas signālus, izmantojot pilno jakas dūrienu un parasto dūrienu.Kā parādīts attēlā.S15, elektriskā jauda un jutība, izmantojot pilnu jakas dūrienu, ir daudz augstāka nekā vienkārša dūriena gadījumā.
Tika izmērīts reakcijas laiks reāllaika signālu uzraudzībai.Lai pārbaudītu mūsu sensora reakcijas laiku uz ārējiem spēkiem, mēs salīdzinājām izejas sprieguma signālus ar dinamiskā spiediena ieejām frekvencē no 1 līdz 20 Hz (attiecīgi 3. C un S16. att.).Izejas sprieguma viļņu formas bija gandrīz identiskas ieejas sinusoidālā spiediena viļņiem zem spiediena 1 kPa, un izejas viļņu formām bija ātrs reakcijas laiks (apmēram 20 ms).Šo histerēzi var saistīt ar to, ka elastīgā struktūra nav atgriezusies sākotnējā stāvoklī pēc iespējas ātrāk pēc ārējā spēka saņemšanas.Tomēr šī mazā histerēze ir pieņemama reāllaika uzraudzībai.Lai iegūtu dinamisko spiedienu ar noteiktu frekvenču diapazonu, ir sagaidāma atbilstoša TATSA frekvences reakcija.Tādējādi tika pārbaudīts arī TATSA frekvences raksturlielums.Palielinot ārējo ierosināšanas frekvenci, izejas sprieguma amplitūda palika gandrīz nemainīga, savukārt strāvas amplitūda palielinājās, kad pieskāriena frekvences mainījās no 1 līdz 20 Hz (3D att.).
Lai novērtētu TATSA atkārtojamību, stabilitāti un izturību, mēs pārbaudījām izejas spriegumu un strāvas reakciju uz spiediena iekraušanas-izkraušanas cikliem.Sensoram tika piemērots spiediens 1 kPa ar frekvenci 5 Hz.Spriegums un strāva no maksimuma līdz maksimumam tika reģistrēti pēc 100 000 iekraušanas-izkraušanas cikliem (attiecīgi 3. E un S17. att.).Sprieguma un strāvas viļņu formas palielinātie skati ir parādīti 3. E un 3. att.S17, attiecīgi.Rezultāti atklāj TATSA ievērojamo atkārtojamību, stabilitāti un izturību.Mazgājamība ir arī būtisks TATSA kā tikai tekstilmateriālu ierīces novērtējuma kritērijs.Lai novērtētu mazgāšanas spēju, mēs pārbaudījām sensora izejas spriegumu pēc tam, kad TATSA mazgājām mašīnā saskaņā ar Amerikas tekstilķīmiķu un koloristu asociācijas (AATCC) testa metodi 135-2017.Detalizēta mazgāšanas procedūra ir aprakstīta sadaļā Materiāli un metodes.Kā parādīts 3.F attēlā, elektriskās jaudas tika reģistrētas pēc 20 un 40 reižu mazgāšanas, kas parādīja, ka mazgāšanas testu laikā nebija izteiktu izejas sprieguma izmaiņu.Šie rezultāti apstiprina TATSA ievērojamo mazgājamību.Kā valkājams tekstilmateriāla sensors mēs izpētījām arī izejas veiktspēju, kad TATSA bija stiepes (S18. att.), savītā (S19. att.) un atšķirīgā mitruma (S20. att.) apstākļos.
Pamatojoties uz daudzajām iepriekš demonstrētajām TATSA priekšrocībām, mēs izstrādājām bezvadu mobilo veselības uzraudzības sistēmu (WMHMS), kas spēj nepārtraukti iegūt fizioloģiskos signālus un pēc tam sniegt profesionālus padomus pacientam.4.A attēlā parādīta WMHMS shēmas diagramma, kuras pamatā ir TATSA.Sistēmai ir četras sastāvdaļas: TATSA analogo fizioloģisko signālu iegūšanai, analogā kondicionēšanas ķēde ar zemas caurlaidības filtru (MAX7427) un pastiprinātājs (MAX4465), lai nodrošinātu pietiekamas detaļas un izcilu signālu sinhronizāciju, analogais-digitāls. pārveidotājs, kura pamatā ir mikrokontrollera bloks, lai savāktu un pārveidotu analogos signālus ciparu signālos, un Bluetooth modulis (CC2640 mazjaudas Bluetooth mikroshēma), lai pārraidītu digitālo signālu uz mobilā tālruņa termināļa lietojumprogrammu (APP; Huawei Honor 9).Šajā pētījumā mēs TATSA nevainojami sašūtām mežģīnēs, aprocē, pirkstgaldiņā un zeķēs, kā parādīts 4.B attēlā.
(A) WMHMS ilustrācija.(B) Fotogrāfijas ar TATSA, kas sašūtas attiecīgi aprocē, pirkstu kabīnē, zeķēs un krūšu siksniņā.Pulsa mērīšana pie (C1) kakla, (D1) plaukstas locītavas, (E1) pirksta gala un (F1) potītes.Pulsa viļņu forma (C2) kaklā, (D2) plaukstas locītavā, (E2) pirksta galā un (F2) potītē.(G) dažāda vecuma impulsa viļņu formas.(H) Viena impulsa viļņa analīze.Radiālā palielinājuma indekss (AIx), kas definēts kā AIx (%) = P2/P1.P1 ir virzošā viļņa maksimums, un P2 ir atstarotā viļņa maksimums.(I) pleca kaula un potītes pulsa cikls.Impulsa viļņa ātrums (PWV) ir definēts kā PWV = D/∆T.D ir attālums starp potīti un pleca kaulu.∆T ir laika aizkave starp potītes virsotnēm un pleca pulsa viļņiem.PTT, impulsa pārejas laiks.(J) AIx un pleca-potītes PWV (BAPWV) salīdzinājums starp veseliem un CAD.*P < 0,01, **P < 0,001 un ***P < 0,05.HTN, hipertensija;CHD, koronārā sirds slimība;DM, cukura diabēts.Fotoattēlu kredīts: Jin Yang, Čuncjinas Universitāte.
Lai uzraudzītu dažādu cilvēka ķermeņa daļu pulsa signālus, mēs piestiprinājām iepriekšminētos rotājumus ar TATSA attiecīgajās pozīcijās: kakla (4. att. C1), plaukstas locītava (4. D1. att.), pirksta galā (4. att. 1. att.) un potītē (4. F1. att.). ), kā tas aprakstīts filmās S3 līdz S6.Medicīnā pulsa viļņā ir trīs būtiski pazīmju punkti: progresējošā viļņa P1 maksimums, atstarotā viļņa P2 maksimums un dikrotiskā viļņa P3 maksimums.Šo pazīmju punktu īpašības atspoguļo artēriju elastības, perifērās pretestības un kreisā kambara kontraktilitātes veselības stāvokli saistībā ar sirds un asinsvadu sistēmu.Mūsu testā tika iegūtas un reģistrētas 25 gadus vecas sievietes pulsa viļņu formas iepriekš minētajās četrās pozīcijās.Ņemiet vērā, ka trīs atšķiramie iezīmju punkti (P1 līdz P3) tika novēroti pulsa viļņu formā kakla, plaukstas locītavas un pirkstu galu pozīcijās, kā parādīts 4. attēlā (C2 līdz E2).Turpretim impulsa viļņa formā potītes stāvoklī parādījās tikai P1 un P3, un P2 nebija (4. F2. att.).Šo rezultātu izraisīja kreisā kambara izmestā ienākošā asins viļņa un no apakšējām ekstremitātēm atstarotā viļņa superpozīcija (44).Iepriekšējie pētījumi ir parādījuši, ka P2 parādās viļņu formās, ko mēra augšējās ekstremitātēs, bet ne potītē (45, 46).Mēs novērojām līdzīgus rezultātus viļņu formās, kas izmērītas ar TATSA, kā parādīts attēlā.S21, kas parāda tipiskus datus no 80 šeit pētīto pacientu populācijas.Mēs redzam, ka P2 neparādījās šajās potītē izmērītajās impulsa viļņu formās, parādot TATSA spēju noteikt smalkas iezīmes viļņu formā.Šie pulsa mērījumu rezultāti liecina, ka mūsu WMHMS var precīzi atklāt ķermeņa augšdaļas un apakšdaļas pulsa viļņu raksturlielumus un ka tas ir pārāks par citiem darbiem (41, 47).Lai vēl vairāk norādītu, ka mūsu TATSA var plaši pielietot dažādiem vecumiem, mēs izmērījām 80 subjektu pulsa viļņu formas dažādos vecumos un parādījām dažus tipiskus datus, kā parādīts attēlā.S22.Kā parādīts 4. G attēlā, mēs izvēlējāmies trīs dalībniekus vecumā no 25, 45 un 65 gadiem, un trīs iezīmes bija acīmredzamas jauniešiem un vidēja vecuma dalībniekiem.Saskaņā ar medicīnisko literatūru (48) lielākajai daļai cilvēku pulsa viļņu formas mainās līdz ar vecumu, piemēram, punkta P2 izzušana, ko izraisa atstarotais vilnis, kas virzīts uz priekšu, lai uzklātos uz virzošo vilni, samazinoties asinsvadu elastība.Šī parādība ir atspoguļota arī mūsu savāktajās viļņu formās, vēl vairāk pārbaudot, vai TATSA var piemērot dažādām populācijām.
Impulsa viļņu formu ietekmē ne tikai indivīda fizioloģiskais stāvoklis, bet arī testa apstākļi.Tāpēc mēs mērījām impulsa signālus dažādos kontakta blīvumos starp TATSA un ādu (S23. att.) un dažādās noteikšanas pozīcijās mērīšanas vietā (S24. att.).Var konstatēt, ka TATSA var iegūt konsekventas impulsa viļņu formas ar detalizētu informāciju ap trauku lielā efektīvā noteikšanas zonā mērīšanas vietā.Turklāt starp TATSA un ādu ir atšķirīgi izejas signāli ar atšķirīgu kontakta blīvumu.Turklāt to cilvēku kustība, kuri valkā sensorus, ietekmētu pulsa signālus.Kad subjekta plaukstas locītava atrodas statiskā stāvoklī, iegūtās impulsa viļņu formas amplitūda ir stabila (S25A att.);otrādi, kad plaukstas locītava 30 sekunžu laikā lēnām pārvietojas leņķī no –70° līdz 70°, impulsa viļņu formas amplitūda svārstīsies (S25B att.).Tomēr katras impulsa viļņu formas kontūra ir redzama, un pulsa ātrumu joprojām var precīzi iegūt.Acīmredzot, lai panāktu stabilu impulsa viļņu iegūšanu cilvēka kustībā, ir jāpēta turpmāks darbs, tostarp sensoru projektēšana un aizmugures signālu apstrāde.
Turklāt, lai analizētu un kvantitatīvi novērtētu sirds un asinsvadu sistēmas stāvokli, izmantojot iegūtās pulsa viļņu formas, izmantojot mūsu TATSA, mēs ieviesām divus hemodinamiskos parametrus saskaņā ar sirds un asinsvadu sistēmas novērtējuma specifikāciju, proti, augmentācijas indeksu (AIx) un pulsa viļņa ātrumu. (PWV), kas atspoguļo artēriju elastību.Kā parādīts 4H attēlā, AIx analīzei tika izmantota pulsa viļņu forma 25 gadus veca vesela vīrieša plaukstas locītavas stāvoklī.Pēc formulas (S1 sadaļa) tika iegūts AIx = 60%, kas ir normālā vērtība.Pēc tam mēs vienlaikus savācām divas impulsa viļņu formas šī dalībnieka roku un potīšu pozīcijās (detalizēta pulsa viļņu formas mērīšanas metode ir aprakstīta sadaļā Materiāli un metodes).Kā parādīts 4. I attēlā, abu impulsa viļņu formu raksturlielumi bija atšķirīgi.Pēc tam mēs aprēķinājām PWV saskaņā ar formulu (S1 sadaļa).Tika iegūts PWV = 1363 cm/s, kas ir raksturīga vērtība, kas sagaidāma veselam pieaugušam vīrietim.No otras puses, mēs varam redzēt, ka AIx vai PWV metriku neietekmē impulsa viļņu formas amplitūdas atšķirība, un AIx vērtības dažādās ķermeņa daļās ir dažādas.Mūsu pētījumā tika izmantots radiālais AIx.Lai pārbaudītu WMHMS pielietojamību dažādiem cilvēkiem, mēs atlasījām 20 dalībniekus veselo grupā, 20 dalībniekus hipertensijas (HTN) grupā, 20 koronāro sirds slimību (KSS) grupā vecumā no 50 līdz 59 gadiem un 20 dalībniekus cukura diabēta (DM) grupa.Mēs izmērījām to pulsa viļņus un salīdzinājām to divus parametrus, AIx un PWV, kā parādīts 4.J attēlā.Var konstatēt, ka HTN, CHD un DM grupu PWV vērtības bija zemākas, salīdzinot ar veselām grupām, un tām ir statistiskā atšķirība (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 un PDM ≪ 0,001; P vērtības tika aprēķinātas pēc t pārbaude).Tikmēr HTN un CHD grupu AIx vērtības bija zemākas, salīdzinot ar veselo grupu, un tām ir statistiskā atšķirība (PHTN < 0, 01, PCHD < 0, 001 un PDM < 0, 05).PWV un AIx dalībniekiem ar CHD, HTN vai DM bija augstāki nekā veselajā grupā.Rezultāti liecina, ka TATSA spēj precīzi iegūt pulsa viļņu formu, lai aprēķinātu kardiovaskulāro parametru, lai novērtētu sirds un asinsvadu veselības stāvokli.Noslēgumā jāsaka, ka tā bezvadu, augstas izšķirtspējas, augstas jutības īpašību un komforta dēļ WMHMS, kuras pamatā ir TATSA, nodrošina efektīvāku alternatīvu reāllaika uzraudzībai nekā pašreizējais dārgais medicīnas aprīkojums, ko izmanto slimnīcās.
Papildus pulsa vilnim informācija par elpošanu ir arī primārā svarīga pazīme, kas palīdz novērtēt indivīda fizisko stāvokli.Elpošanas uzraudzība, kuras pamatā ir mūsu TATSA, ir pievilcīgāka nekā parastā polisomnogrāfija, jo to var nemanāmi integrēt apģērbā, lai nodrošinātu labāku komfortu.Iešūta baltā elastīgā krūšu siksniņā, TATSA tika tieši piesieta pie cilvēka ķermeņa un nostiprināta ap krūtīm, lai uzraudzītu elpošanu (5.A attēls un filma S7).TATSA deformējās līdz ar krūšu kaula paplašināšanos un saraušanos, kā rezultātā radās elektriskā izeja.Iegūtā viļņu forma ir pārbaudīta 5.B attēlā.Signāls ar lielām svārstībām (amplitūda 1,8 V) un periodiskām izmaiņām (frekvence 0,5 Hz) atbilda elpošanas kustībai.Salīdzinoši mazais svārstību signāls tika uzlikts šim lielajam svārstību signālam, kas bija sirdsdarbības signāls.Saskaņā ar elpošanas un sirdsdarbības signālu frekvences raksturlielumiem mēs izmantojām 0,8 Hz zemfrekvences filtru un 0,8 līdz 20 Hz frekvenču joslas caurlaides filtru, lai attiecīgi atdalītu elpošanas un sirdsdarbības signālus, kā parādīts 5. C attēlā. .Šajā gadījumā vienlaikus un precīzi tika iegūti stabili elpošanas un pulsa signāli ar bagātīgu fizioloģisko informāciju (piemēram, elpošanas ātrumu, sirdsdarbības ātrumu un pulsa viļņa iezīmēm), vienkārši novietojot vienu TATSA uz krūtīm.
(A) Fotogrāfija, kurā parādīts TATSA displejs, kas novietots uz krūtīm, lai mērītu signālu spiedienā, kas saistīts ar elpošanu.(B) Sprieguma un laika grafiks TATSA, kas uzstādīts uz krūtīm.(C) Signāla (B) sadalīšanās sirdsdarbības un elpošanas viļņu formā.(D) Fotogrāfija, kurā redzami divi TATSA, kas novietoti uz vēdera un plaukstas locītavas, lai izmērītu attiecīgi elpošanu un pulsu miega laikā.(E) Vesela dalībnieka elpošanas un pulsa signāli.HR, sirdsdarbība;BPM, sitieni minūtē.(F) SAS dalībnieka elpošanas un pulsa signāli.(G) Vesela dalībnieka elpošanas signāls un PTT.(H) SAS dalībnieka elpošanas signāls un PTT.(I) Saikne starp PTT uzbudinājuma indeksu un apnojas-hipopnojas indeksu (AHI).Fotoattēlu kredīts: Wenjing Fan, Čuncjinas Universitāte.
Lai pierādītu, ka mūsu sensors var precīzi un droši uzraudzīt pulsa un elpošanas signālus, mēs veicām eksperimentu, lai salīdzinātu pulsa un elpošanas signālu mērījumu rezultātus starp mūsu TATSA un standarta medicīnisko instrumentu (MHM-6000B), kā aprakstīts filmās S8. un S9.Pulsa viļņu mērīšanā medicīnas instrumenta fotoelektriskais sensors tika nēsāts uz jaunas meitenes kreisā rādītājpirksta, savukārt mūsu TATSA tika nēsāts uz labā rādītājpirksta.No abām iegūtajām impulsa viļņu formām mēs varam redzēt, ka to kontūras un detaļas bija identiskas, norādot, ka TATSA mērītais pulss ir tikpat precīzs kā ar medicīnas instrumentu.Elpošanas viļņu mērīšanā jauna vīrieša ķermeņa piecās vietās saskaņā ar medicīnisko norādījumu tika piestiprināti pieci elektrokardiogrāfiskie elektrodi.Turpretim tikai viena TATSA bija tieši piesieta pie ķermeņa un nostiprināta ap krūtīm.No savāktajiem elpošanas signāliem var redzēt, ka mūsu TATSA noteiktā elpošanas signāla variācijas tendence un ātrums atbilst medicīnas instrumenta noteiktajiem elpošanas signāliem.Šie divi salīdzināšanas eksperimenti apstiprināja mūsu sensoru sistēmas precizitāti, uzticamību un vienkāršību pulsa un elpošanas signālu uzraudzībai.
Turklāt mēs izgatavojām vieda apģērba gabalu un sašuvām divus TATSA vēdera un plaukstas pozīcijās, lai uzraudzītu attiecīgi elpošanas un pulsa signālus.Konkrēti, tika izmantots izstrādāts divkanālu WMHMS, lai vienlaikus uztvertu pulsa un elpošanas signālus.Izmantojot šo sistēmu, mēs ieguvām elpošanas un pulsa signālus 25 gadus vecam vīrietim, kurš bija ģērbies mūsu viedajā apģērbā, guļot (5. D attēls un filma S10) un sēžot (S26. att. un filma S11).Iegūtos elpošanas un pulsa signālus varēja bezvadu režīmā pārraidīt uz mobilā tālruņa APP.Kā minēts iepriekš, TATSA spēj uztvert elpošanas un pulsa signālus.Šie divi fizioloģiskie signāli ir arī kritēriji SAS medicīniskai novērtēšanai.Tāpēc mūsu TATSA var izmantot arī miega kvalitātes un saistīto miega traucējumu uzraudzībai un novērtēšanai.Kā parādīts 5. attēlā (attiecīgi E un F), mēs nepārtraukti mērījām pulsa un elpošanas viļņu formas diviem dalībniekiem, veselam un pacientam ar SAS.Personai bez apnojas izmērītie elpošanas un pulsa ātrumi palika stabili attiecīgi 15 un 70.Pacientam ar SAS tika novērota izteikta apnoja 24 s, kas liecina par obstruktīvu elpošanas notikumu, un pēc apnojas perioda sirdsdarbība nedaudz palielinājās nervu sistēmas regulēšanas dēļ (49).Rezumējot, mūsu TATSA var novērtēt elpošanas stāvokli.
Lai tālāk novērtētu SAS veidu, izmantojot pulsa un elpošanas signālus, mēs analizējām impulsa tranzīta laiku (PTT), kas ir neinvazīvs indikators, kas atspoguļo perifēro asinsvadu pretestības un intratorakālā spiediena izmaiņas (definēts S1 sadaļā) veselam vīrietim un pacientam ar SAS.Veselam dalībniekam elpošanas ātrums palika nemainīgs, un PTT bija relatīvi stabils no 180 līdz 310 ms (5. G attēls).Tomēr SAS dalībniekam apnojas laikā PTT nepārtraukti palielinājās no 120 līdz 310 ms (5H attēls).Tādējādi dalībniekam tika diagnosticēta obstruktīva SAS (OSAS).Ja PTT izmaiņas apnojas laikā samazinātos, stāvoklis tiktu noteikts kā centrālā miega apnojas sindroms (CSAS), un, ja abi šie divi simptomi pastāvētu vienlaikus, tad tas tiktu diagnosticēts kā jaukts SAS (MSAS).Lai novērtētu SAS smagumu, mēs tālāk analizējām savāktos signālus.PTT uzbudinājuma indeksam, kas ir PTT uzbudinājumu skaits stundā (PTT uzbudinājums ir definēts kā PTT kritums par ≥15 ms, kas ilgst ≥3 s), ir būtiska loma SAS pakāpes novērtēšanā.Apnojas-hipopnojas indekss (AHI) ir standarts SAS pakāpes noteikšanai (apnoja ir elpošanas apstāšanās, un hipopnoja ir pārāk sekla elpošana vai neparasti zems elpošanas ātrums), kas tiek definēts kā apnojas un hipopnojas skaits vienā stundu guļot (attiecība starp AHI un OSAS vērtēšanas kritērijiem ir parādīta tabulā S2).Lai izpētītu saistību starp AHI un PTT uzbudinājuma indeksu, tika atlasīti 20 pacientu ar SAS elpošanas signāli un analizēti ar TATSA.Kā parādīts 5.I attēlā, PTT uzbudinājuma indekss pozitīvi korelēja ar AHI, jo apnoja un hipopnoja miega laikā izraisa acīmredzamu un pārejošu asinsspiediena paaugstināšanos, izraisot PTT samazināšanos.Tāpēc mūsu TATSA var iegūt stabilus un precīzus pulsa un elpošanas signālus vienlaikus, tādējādi nodrošinot svarīgu fizioloģisko informāciju par sirds un asinsvadu sistēmu un SAS saistīto slimību uzraudzībai un novērtēšanai.
Rezumējot, mēs izstrādājām TATSA, izmantojot pilnu jaka dūrienu, lai vienlaikus noteiktu dažādus fizioloģiskos signālus.Šim sensoram bija augsta jutība 7,84 mV Pa−1, ātrs reakcijas laiks 20 ms, augsta stabilitāte, kas pārsniedz 100 000 ciklus, un plašs darba frekvences joslas platums.Pamatojoties uz TATSA, tika izstrādāta arī WMHMS, lai pārraidītu izmērītos fizioloģiskos parametrus uz mobilo tālruni.TATSA var iekļaut dažādās drēbju vietās estētiskajam dizainam un izmantot, lai vienlaikus uzraudzītu pulsa un elpošanas signālus reāllaikā.Sistēmu var izmantot, lai palīdzētu atšķirt veselus indivīdus no tiem, kuriem ir CAD vai SAS, jo tā spēj uztvert detalizētu informāciju.Šis pētījums nodrošināja ērtu, efektīvu un lietotājam draudzīgu pieeju cilvēka pulsa un elpošanas mērīšanai, kas ir sasniegums valkājamas tekstila elektronikas attīstībā.
Nerūsējošais tērauds tika atkārtoti izlaists caur veidni un izstiepts, veidojot šķiedru ar diametru 10 μm.Nerūsējošā tērauda šķiedra kā elektrods tika ievietota vairākos komerciālos vienkārtas terilēna pavedienos.
Lai nodrošinātu sinusoidāla spiediena signālu, tika izmantots funkciju ģenerators (Stanford DS345) un pastiprinātājs (LabworkPa-13).Lai izmērītu TATSA pielikto ārējo spiedienu, tika izmantots divu diapazonu spēka sensors (Vernier Software & Technology LLC).Lai uzraudzītu un reģistrētu TATSA izejas spriegumu un strāvu, tika izmantots Keithley sistēmas elektrometrs (Keithley 6514).
Saskaņā ar AATCC testa metodi 135-2017 mēs izmantojām TATSA un pietiekami daudz balasta kā 1,8 kg smagu kravu un pēc tam ievietojām tos komerciālā veļas mazgāšanas mašīnā (Labtex LBT-M6T), lai veiktu smalkus veļas mazgāšanas ciklus.Pēc tam veļas mazgājamā mašīnā piepildījām 18 galonus ūdens 25°C temperatūrā un iestatījām mazgātāju izvēlētajam mazgāšanas ciklam un laikam (maisīšanas ātrums, 119 gājieni minūtē; mazgāšanas laiks 6 minūtes; galīgais centrifūgas ātrums 430 apgr./min. centrifūgas laiks, 3 minūtes).Visbeidzot, TATSA tika pakārts sauss mierīgā gaisā istabas temperatūrā, kas nav augstāka par 26 ° C.
Subjektiem tika dots norādījums gulēt guļus stāvoklī uz gultas.TATSA tika novietota mērījumu vietās.Kad subjekti atradās standarta guļus stāvoklī, viņi 5 līdz 10 minūtes saglabāja pilnīgi atslābinātu stāvokli.Pēc tam sāka mērīt impulsa signālu.
Papildu materiāls šim rakstam ir pieejams vietnē https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
S9. att.TATSA spēka sadalījuma simulācijas rezultāts pie pielietota spiediena pie 0,2 kPa, izmantojot programmatūru COMSOL.
S10. att.Kontakta vienības spēka sadalījuma simulācijas rezultāti pie pielietotajiem spiedieniem attiecīgi pie 0,2 un 2 kPa.
S11 att.Pilnīgi shematiski ilustrācijas kontakta bloka uzlādes pārnešanai īssavienojuma apstākļos.
S13 att.TATSA nepārtraukts izejas spriegums un strāva, reaģējot uz nepārtraukti pielietoto ārējo spiedienu mērīšanas ciklā.
S14. att.Sprieguma reakcija uz dažādu skaitu cilpas vienību vienā un tajā pašā auduma zonā, saglabājot cilpas numuru nemainītu virzienā.
S15. att.Salīdzinājums starp divu tekstila sensoru izvades veiktspēju, izmantojot pilno jakas dūrienu un parasto dūrienu.
S16 att.Grafiki, kas parāda frekvences reakcijas pie dinamiskā spiediena 1 kPa un spiediena ievades frekvences 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 un 20 Hz.
S25 att.Sensora izejas spriegumi, kad objekts atradās statiskā un kustības apstākļos.
S26 att.Fotogrāfija, kurā parādīti TATSA, kas vienlaikus novietoti uz vēdera un plaukstas locītavas, lai izmērītu attiecīgi elpošanu un pulsu.
Šis ir brīvpiekļuves raksts, kas tiek izplatīts saskaņā ar Creative Commons Attribution-Noncommercial licences noteikumiem, kas atļauj izmantošanu, izplatīšanu un reproducēšanu jebkurā datu nesējā, ja vien iegūtā izmantošana nav komerciāla priekšrocība un ja oriģinālais darbs ir pareizi. citēts.
PIEZĪME. Mēs pieprasām jūsu e-pasta adresi tikai tāpēc, lai persona, kurai iesakāt lapu, zinātu, ka vēlaties, lai tā to redzētu, un ka tas nav nevēlamais pasts.Mēs neuztveram nevienu e-pasta adresi.
Autori: Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Veselības uzraudzībai tika izstrādāts triboelektriskais visa tekstila sensors ar augstu spiediena jutību un komfortu.
Autori: Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Veselības uzraudzībai tika izstrādāts triboelektriskais visa tekstila sensors ar augstu spiediena jutību un komfortu.
© 2020 American Association for the Advancement of Science.Visas tiesības aizsargātas.AAAS ir HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef un COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 partneris.
Izsūtīšanas laiks: 27.03.2020