Elektronika tekstylna do noszenia jest bardzo pożądana do realizacji spersonalizowanego zarządzania zdrowiem.Jednak większość zgłoszonych elektroniki tekstylnej może albo okresowo kierować pojedynczy sygnał fizjologiczny, albo pomijać wyraźne szczegóły sygnałów, co prowadzi do częściowej oceny stanu zdrowia.Co więcej, tekstylia o doskonałych właściwościach i wygodzie nadal pozostają wyzwaniem.Tutaj przedstawiamy tryboelektryczny układ czujników całkowicie tekstylnych o wysokiej czułości nacisku i komforcie.Wykazuje czułość ciśnieniową (7,84 mV Pa−1), szybki czas odpowiedzi (20 ms), stabilność (>100 000 cykli), szerokie pasmo częstotliwości pracy (do 20 Hz) i zmywalność w pralce (>40 prań).Wytworzone TATSA zostały przyszyte do różnych części odzieży, aby jednocześnie monitorować fale tętna tętniczego i sygnały oddechowe.Ponadto rozwinęliśmy system monitorowania stanu zdrowia do długoterminowej i nieinwazyjnej oceny chorób układu krążenia i zespołu bezdechu sennego, który stanowi duże postępy w ilościowej analizie niektórych chorób przewlekłych.
Elektronika ubieralna stanowi fascynującą możliwość ze względu na jej obiecujące zastosowania w medycynie spersonalizowanej.Mogą monitorować stan zdrowia danej osoby w sposób ciągły, w czasie rzeczywistym i nieinwazyjny (1–11).Puls i oddychanie, jako dwa nieodzowne elementy parametrów życiowych, mogą zapewnić zarówno dokładną ocenę stanu fizjologicznego, jak i niezwykły wgląd w diagnozowanie i prognozowanie powiązanych chorób (12–21).Do chwili obecnej większość urządzeń elektronicznych do noszenia do wykrywania subtelnych sygnałów fizjologicznych opiera się na ultracienkich podłożach, takich jak politereftalan etylenu, polidimetylosiloksan, poliimid, szkło i silikon (22–26).Wadą tych podłoży do stosowania na skórze jest ich płaski i sztywny format.W rezultacie wymagane są taśmy, plastry lub inne elementy mechaniczne, aby zapewnić zwarty kontakt między urządzeniami elektronicznymi do noszenia a ludzką skórą, co może powodować podrażnienia i niedogodności podczas długich okresów użytkowania (27, 28).Ponadto podłoża te mają słabą przepuszczalność powietrza, co powoduje dyskomfort podczas długotrwałego, ciągłego monitorowania stanu zdrowia.Aby złagodzić powyższe problemy w opiece zdrowotnej, zwłaszcza w codziennym użytkowaniu, inteligentne tekstylia oferują niezawodne rozwiązanie.Te tkaniny charakteryzują się miękkością, lekkością i oddychalnością, a tym samym zapewniają komfort w elektronice do noszenia.W ostatnich latach poświęcono intensywne wysiłki na rzecz opracowania systemów opartych na tekstyliach we wrażliwych czujnikach, zbieraniu i magazynowaniu energii (29–39).W szczególności odnotowano udane badania dotyczące włókien optycznych, piezoelektryczności i inteligentnych tekstyliów opartych na oporności, stosowanych w monitorowaniu sygnałów impulsowych i oddechowych (40–43).Jednak te inteligentne tekstylia mają zazwyczaj niską czułość i pojedynczy parametr monitorowania i nie mogą być produkowane na dużą skalę (tabela S1).W przypadku pomiaru pulsu szczegółowe informacje są trudne do uchwycenia ze względu na słabe i szybkie wahania pulsu (np. jego punkty charakterystyczne), a co za tym idzie, wymagana jest wysoka czułość i odpowiednia charakterystyka częstotliwościowa.
W tym badaniu wprowadziliśmy tryboelektryczną matrycę czujników całkowicie tekstylnych (TATSA) o wysokiej czułości do wychwytywania subtelnego nacisku naskórka, dzianą z przewodzących i nylonowych włókien w pełnym ściegu kardiganowym.TATSA może zapewnić wysoką czułość ciśnieniową (7,84 mV Pa-1), szybki czas reakcji (20 ms), stabilność (>100 000 cykli), szerokie pasmo częstotliwości roboczej (do 20 Hz) i możliwość prania w pralce (>40 prań).Jest w stanie wygodnie zintegrować się z ubraniami z dyskrecją, wygodą i estetycznym wyglądem.Warto zauważyć, że nasz TATSA może być bezpośrednio włączony w różne miejsca tkaniny, które odpowiadają falom tętna na szyi, nadgarstku, opuszkach palców i kostkach oraz falom oddechowym w jamie brzusznej i klatce piersiowej.Aby ocenić doskonałą wydajność TATSA w monitorowaniu stanu zdrowia w czasie rzeczywistym i zdalnym, opracowujemy spersonalizowany inteligentny system monitorowania stanu zdrowia, aby stale pozyskiwać i zapisywać sygnały fizjologiczne do analizy chorób sercowo-naczyniowych (CAD) i oceny zespołu bezdechu sennego (SAS). ).
Jak pokazano na ryc. 1A, dwa TATSA zostały przyszyte do mankietu i klatki piersiowej koszulki, aby umożliwić dynamiczne i jednoczesne monitorowanie, odpowiednio, sygnałów tętna i oddechowego.Te sygnały fizjologiczne były przesyłane bezprzewodowo do inteligentnej aplikacji terminala mobilnego (APP) w celu dalszej analizy stanu zdrowia.Figura 1B pokazuje TATSA zszyty z kawałkiem materiału, a wstawka pokazuje powiększony widok TATSA, który został utkany przy użyciu charakterystycznej przędzy przewodzącej i handlowej przędzy nylonowej razem w pełnym ściegu sweterkowym.W porównaniu z podstawowym ściegiem płóciennym, najpowszechniejszą i podstawową metodą dziania, wybrano pełny ścieg kardiganowy, ponieważ kontakt między główką pętelkową przędzy przewodzącej a sąsiednią główką ściegu naciąganego przędzy nylonowej (rys. S1) jest powierzchnią zamiast kontaktu punktowego, co prowadzi do większego obszaru działania dla wysokiego efektu tryboelektrycznego.Do przygotowania przędzy przewodzącej wybraliśmy stal nierdzewną jako stałe włókno rdzenia, a kilka kawałków jednowarstwowych przędz terylenowych owinięto wokół włókna rdzenia w jedną przędzę przewodzącą o średnicy 0,2 mm (rys. S2), która służyła jako zarówno powierzchnia elektryzująca, jak i elektroda przewodząca.Przędza nylonowa, która miała średnicę 0,15 mm i służyła jako kolejna powierzchnia elektryzująca, wykazywała dużą siłę rozciągającą, ponieważ była skręcana przez niepoliczalne przędze (rys. S3).Rysunek 1 (odpowiednio C i D) przedstawia fotografie wytworzonej przędzy przewodzącej i przędzy nylonowej.Wstawki pokazują ich odpowiednie obrazy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), które przedstawiają typowy przekrój przędzy przewodzącej i powierzchnię przędzy nylonowej.Wysoka wytrzymałość na rozciąganie przędz przewodzących i nylonowych zapewniła ich zdolność tkania na maszynie przemysłowej w celu utrzymania jednolitej wydajności wszystkich czujników.Jak pokazano na rys. 1E, przędze przewodzące, przędze nylonowe i zwykłe nici zostały nawinięte na odpowiednie stożki, które zostały następnie załadowane na przemysłową komputerową maszynę dziewiarską płaską w celu automatycznego tkania (film S1).Jak pokazano na ryc.S4, kilka TATSA spleciono razem ze zwykłą tkaniną za pomocą maszyny przemysłowej.Pojedyncza tkanina TATSA o grubości 0,85 mm i wadze 0,28 g mogła być skrojona z całej konstrukcji do indywidualnego użytku, wykazując doskonałą kompatybilność z innymi tkaninami.Ponadto, TATSA mogą być projektowane w różnych kolorach, aby spełnić estetyczne i modne wymagania ze względu na różnorodność handlowych przędz nylonowych (rys. 1F i rys. S5).Wytworzone TATSA charakteryzują się doskonałą miękkością i odpornością na ostre zginanie lub odkształcenia (rys. S6).Rycina 1G pokazuje TATSA przyszyty bezpośrednio do brzucha i mankietu swetra.Proces dziania swetra pokazano na ryc.S7 i film S2.Szczegóły przedniej i tylnej strony rozciągniętego TATSA w pozycji brzucha pokazano na ryc.S8 (odpowiednio A i B), a położenie przędzy przewodzącej i przędzy nylonowej pokazano na ryc.S8C.Widać tutaj, że TATSA można bezproblemowo osadzić w zwykłych tkaninach, aby uzyskać dyskretny i elegancki wygląd.
(A) Dwa TATSA zintegrowane z koszulą do monitorowania pulsu i sygnałów oddechowych w czasie rzeczywistym.(B) Schematyczna ilustracja połączenia TATSA i ubrań.Wstawka pokazuje powiększony widok czujnika.(C) Zdjęcie przewodzącej przędzy (podziałka, 4 cm).Wstawka jest obrazem SEM przekroju poprzecznego przędzy przewodzącej (podziałka, 100 μm), która składa się z przędz ze stali nierdzewnej i terylenu.(D) Zdjęcie przędzy nylonowej (podziałka, 4 cm).Wstawka to obraz SEM powierzchni przędzy nylonowej (podziałka, 100 μm).(E) Obraz skomputeryzowanej płaskiej maszyny dziewiarskiej wykonującej automatyczne tkanie TATSA.(F) Zdjęcie TATSA w różnych kolorach (podziałka, 2 cm).Wstawka to skręcana TATSA, która wykazuje doskonałą miękkość.(G) Zdjęcie dwóch TATSA całkowicie i bezszwowo wszytych w sweter.Zdjęcie: Fan Wenjing, Uniwersytet Chongqing.
Aby przeanalizować mechanizm działania TATSA, w tym jego właściwości mechaniczne i elektryczne, skonstruowaliśmy geometryczny model dziania TATSA, jak pokazano na rys. 2A.Używając pełnego ściegu kardiganowego, przędze przewodzące i nylonowe są splecione w postaci jednostek pętelkowych w kierunku przebiegu i włókniny.Pojedyncza struktura pętelkowa (rys. S1) składa się z głowicy pętelkowej, ramienia pętelki, części przecinającej żebra, ramienia ściegu nakładkowego i głowicy ściegu nakładkowego.Można znaleźć dwie formy powierzchni styku między dwiema różnymi przędzami: (i) powierzchnię styku między główką pętelki przędzy przewodzącej i główką ściegu zakładkowego przędzy nylonowej oraz (ii) powierzchnię styku pomiędzy główką pętelki przędza nylonowa i głowica ściegu naciąganego przędzy przewodzącej.
(A) TATSA z przednią, prawą i górną stroną dzianinowych pętelek.(B) Wynik symulacji rozkładu sił TATSA pod przyłożonym ciśnieniem 2 kPa przy użyciu oprogramowania COMSOL.(C) Schematyczne ilustracje przekazywania ładunku jednostki stykowej w warunkach zwarcia.(D) Wyniki symulacji rozkładu ładunku jednostki stykowej w stanie obwodu otwartego przy użyciu oprogramowania COMSOL.
Zasadę działania TATSA można wyjaśnić w dwóch aspektach: stymulacja siłą zewnętrzną i jej indukowany ładunek.Aby intuicyjnie zrozumieć rozkład naprężeń w odpowiedzi na bodziec sił zewnętrznych, zastosowaliśmy analizę elementów skończonych za pomocą oprogramowania COMSOL przy różnych siłach zewnętrznych 2 i 0,2 kPa, jak pokazano odpowiednio na Rys. 2B i Rys.S9.Naprężenie pojawia się na powierzchniach styku dwóch przędz.Jak pokazano na ryc.S10, rozważyliśmy dwie jednostki pętli, aby wyjaśnić rozkład naprężeń.Porównując rozkład naprężeń pod działaniem dwóch różnych sił zewnętrznych, naprężenie na powierzchniach przewodzącej i nylonowej przędzy wzrasta wraz ze wzrostem siły zewnętrznej, powodując kontakt i wytłaczanie między dwiema przędzami.Po uwolnieniu siły zewnętrznej dwie przędze rozdzielają się i oddalają od siebie.
Ruchy stykowo-separacyjne między przędzą przewodzącą a przędzą nylonową wywołują przeniesienie ładunku, co przypisuje się połączeniu tryboelektryfikacji i indukcji elektrostatycznej.Aby wyjaśnić proces wytwarzania energii elektrycznej, analizujemy przekrój obszaru, w którym dwie przędze stykają się ze sobą (rys. 2C1).Jak pokazano na rys. 2 (odpowiednio C2 i C3), gdy TATSA jest stymulowany siłą zewnętrzną i stykają się ze sobą, elektryzuje się na powierzchni przędz przewodzących i nylonowych, a równoważne ładunki mają przeciwne polaryzacje są generowane na powierzchni dwóch przędz.Po rozdzieleniu się dwóch przędz, w wewnętrznej stali nierdzewnej indukowane są ładunki dodatnie ze względu na efekt indukcji elektrostatycznej.Pełny schemat pokazano na ryc.S11.Aby uzyskać bardziej ilościowe zrozumienie procesu wytwarzania energii elektrycznej, zasymulowaliśmy rozkład potencjału TATSA za pomocą oprogramowania COMSOL (ryc. 2D).Gdy dwa materiały stykają się, ładunek gromadzi się głównie na materiale ciernym, a tylko niewielka ilość indukowanego ładunku jest obecna na elektrodzie, co skutkuje małym potencjałem (rys. 2D, na dole).Gdy oba materiały są rozdzielone (rys. 2D, góra), indukowany ładunek na elektrodzie wzrasta z powodu różnicy potencjałów, a odpowiadający jej potencjał rośnie, co wskazuje na dobrą zgodność wyników uzyskanych w eksperymentach z wynikami symulacji. .Ponadto, ponieważ elektroda przewodząca urządzenia TATSA jest owinięta przędzą terylenową, a skóra styka się z obydwoma materiałami ciernymi, dlatego też, gdy urządzenie TATSA jest noszone bezpośrednio na skórze, ładunek zależy od siły zewnętrznej i nie będzie być osłabionym przez skórę.
Aby scharakteryzować działanie naszego TATSA w różnych aspektach, dostarczyliśmy układ pomiarowy zawierający generator funkcyjny, wzmacniacz mocy, wstrząsarkę elektrodynamiczną, siłomierz, elektrometr i komputer (rys. S12).System ten generuje zewnętrzne ciśnienie dynamiczne do 7 kPa.W eksperymencie TATSA został umieszczony na płaskiej plastikowej płytce w stanie swobodnym, a wyjściowe sygnały elektryczne są rejestrowane przez elektrometr.
Specyfikacje przędz przewodzących i nylonowych wpływają na wydajność wyjściową TATSA, ponieważ określają powierzchnię styku i zdolność do odbierania nacisku zewnętrznego.Aby to zbadać, wyprodukowaliśmy trzy rozmiary dwóch przędz, odpowiednio: przędzę przewodzącą o rozmiarze 150D/3, 210D/3 i 250D/3 oraz przędzę nylonową o rozmiarze 150D/6, 210D/6 i 250D /6 (D, denier; jednostka miary używana do określenia grubości włókien poszczególnych nici; tkaniny o dużej liczbie denierów są zwykle grube).Następnie wybraliśmy te dwie przędze o różnych rozmiarach, aby połączyć je w czujnik, a wymiar TATSA został utrzymany na poziomie 3 cm na 3 cm z liczbą pętli 16 w kierunku pręcika i 10 w kierunku przebiegu.W ten sposób otrzymano czujniki z dziewięcioma wzorami dziania.Czujnik przy przędzy przewodzącej o rozmiarze 150D/3 i przędzy nylonowej o rozmiarze 150D/6 był najcieńszy, a czujnik przy przędzy przewodzącej o rozmiarze 250D/3 i przędzy nylonowej o rozmiarze 250D/ 6 był najgrubszy.Przy wzbudzeniu mechanicznym od 0,1 do 7 kPa, wyjścia elektryczne dla tych wzorów były systematycznie badane i testowane, jak pokazano na ryc. 3A.Napięcia wyjściowe dziewięciu TATSA rosły wraz ze wzrostem przyłożonego ciśnienia, od 0,1 do 4 kPa.W szczególności ze wszystkich wzorów dziania specyfikacja przędzy przewodzącej 210D/3 i przędzy nylonowej 210D/6 zapewniała najwyższą wydajność elektryczną i najwyższą czułość.Napięcie wyjściowe wykazywało tendencję wzrostową wraz ze wzrostem grubości TATSA (ze względu na wystarczającą powierzchnię styku) aż do dziania TATSA z użyciem przędzy przewodzącej 210D/3 i przędzy nylonowej 210D/6.Ponieważ dalsze zwiększanie grubości prowadziłoby do absorpcji ciśnienia zewnętrznego przez przędze, napięcie wyjściowe odpowiednio się zmniejszyło.Ponadto zauważono, że w obszarze niskiego ciśnienia (<4 kPa), dobrze zachowująca się liniowa zmiana napięcia wyjściowego z ciśnieniem dała wyższą czułość na ciśnienie 7,84 mV Pa-1.W obszarze wysokiego ciśnienia (>4 kPa) zaobserwowano doświadczalnie niższą wrażliwość na ciśnienie 0,31 mV Pa−1 ze względu na nasycenie efektywnego obszaru tarcia.Podobną wrażliwość na nacisk wykazano podczas odwrotnego procesu przykładania siły.Konkretne przebiegi czasowe napięcia i prądu wyjściowego pod różnymi ciśnieniami przedstawiono na rys.S13 (odpowiednio A i B).
(A) Napięcie wyjściowe dla dziewięciu wzorów dziania przędzy przewodzącej (150D/3, 210D/3 i 250D/3) połączonej z przędzą nylonową (150D/6, 210D/6 i 250D/6).(B) Odpowiedź napięciowa na różne liczby jednostek pętli w tym samym obszarze tkaniny przy niezmienionej liczbie pętli w kierunku walca.(C) Wykresy przedstawiające odpowiedzi częstotliwościowe pod ciśnieniem dynamicznym 1 kPa i częstotliwością wejściową ciśnienia 1 Hz.(D) Różne napięcia wyjściowe i prądowe o częstotliwościach 1, 5, 10 i 20 Hz.(E) Test trwałości TATSA pod ciśnieniem 1 kPa.(F) Charakterystyki wyjściowe TATSA po myciu 20 i 40 razy.
Na czułość i napięcie wyjściowe wpływała również gęstość ściegu TATSA, która została określona przez całkowitą liczbę pętli w mierzonym obszarze tkaniny.Zwiększenie gęstości ściegu prowadziłoby do większej zwartości struktury tkaniny.Rysunek 3B pokazuje osiągi wyjściowe przy różnych numerach pętli w obszarze tekstylnym 3 cm na 3 cm, a wstawka ilustruje strukturę jednostki pętli (utrzymaliśmy numer pętli w kierunku kursu na 10, a numer pętli w kierunek Walii to 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 i 26).Zwiększając liczbę pętli, napięcie wyjściowe najpierw wykazywało tendencję wzrostową ze względu na rosnącą powierzchnię styku, aż do maksymalnego szczytowego napięcia wyjściowego 7,5 V z liczbą pętli 180. Po tym punkcie napięcie wyjściowe wykazywało tendencję spadkową, ponieważ TATSA stał się ciasny, a dwie przędze miały zmniejszoną przestrzeń rozdzielania styków.Aby zbadać, w którym kierunku gęstość ma duży wpływ na wynik, utrzymywaliśmy numer pętli TATSA w kierunku walca na 18, a numer pętli w kierunku kursu został ustawiony na 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 i 14. Odpowiednie napięcia wyjściowe pokazano na ryc.S14.Dla porównania widzimy, że gęstość w kierunku kursu ma większy wpływ na napięcie wyjściowe.W rezultacie do dziania TATSA wybrano wzór dziania przędzy przewodzącej 210D/3 i przędzy nylonowej 210D/6 oraz 180 jednostek pętelkowych po wyczerpujących ocenach właściwości wyjściowych.Ponadto porównaliśmy sygnały wyjściowe dwóch czujników tekstylnych przy użyciu pełnego ściegu kardiganowego i ściegu gładkiego.Jak pokazano na ryc.S15, moc elektryczna i czułość przy użyciu pełnego ściegu kardiganowego są znacznie wyższe niż przy użyciu zwykłego ściegu.
Zmierzono czas odpowiedzi dla monitorowania sygnałów w czasie rzeczywistym.Aby zbadać czas odpowiedzi naszego czujnika na siły zewnętrzne, porównaliśmy wyjściowe sygnały napięciowe z wejściami ciśnienia dynamicznego o częstotliwości od 1 do 20 Hz (odpowiednio rys. 3C i rys. S16).Przebiegi napięcia wyjściowego były prawie identyczne z wejściowymi sinusoidalnymi falami ciśnienia pod ciśnieniem 1 kPa, a przebiegi wyjściowe miały szybki czas odpowiedzi (około 20 ms).Histerezę tę można przypisać temu, że elastyczna struktura nie powróciła do pierwotnego stanu tak szybko, jak to możliwe po otrzymaniu siły zewnętrznej.Niemniej jednak ta niewielka histereza jest akceptowalna w przypadku monitorowania w czasie rzeczywistym.Aby uzyskać ciśnienie dynamiczne w określonym zakresie częstotliwości, oczekiwana jest odpowiednia odpowiedź częstotliwościowa TATSA.W ten sposób przetestowano również charakterystykę częstotliwościową TATSA.Zwiększając zewnętrzną częstotliwość wzbudzania, amplituda napięcia wyjściowego pozostawała prawie niezmieniona, natomiast amplituda prądu wzrastała przy zmianach częstotliwości odczepów od 1 do 20 Hz (rys. 3D).
Aby ocenić powtarzalność, stabilność i trwałość TATSA, przetestowaliśmy odpowiedzi napięcia i prądu wyjściowego na cykle ładowania i rozładowywania ciśnienia.Na czujnik przyłożono ciśnienie 1 kPa z częstotliwością 5 Hz.Napięcie i prąd międzyszczytowy zostały zarejestrowane po 100 000 cykli ładowania i rozładowywania (odpowiednio rys. 3E i rys. S17).Powiększone widoki przebiegu napięcia i prądu przedstawiono na wstawce do ryc. 3E i ryc.S17, odpowiednio.Wyniki pokazują niezwykłą powtarzalność, stabilność i trwałość TATSA.Zdatność do prania jest również podstawowym kryterium oceny TATSA jako urządzenia całkowicie tekstylnego.Aby ocenić zdolność prania, przetestowaliśmy napięcie wyjściowe czujnika po praniu w pralce TATSA zgodnie z metodą testową 135-2017 Amerykańskiego Stowarzyszenia Chemistów i Kolorystów Tekstyliów (AATCC).Szczegółowa procedura mycia jest opisana w Materiałach i metodach.Jak pokazano na Fig. 3F, wyjścia elektryczne były rejestrowane po praniu 20 razy i 40 razy, co pokazało, że nie było wyraźnych zmian napięcia wyjściowego podczas testów prania.Wyniki te potwierdzają niezwykłą zmywalność TATSA.Jako czujnik tekstylny do noszenia, zbadaliśmy również wydajność wyjściową, gdy TATSA był w warunkach rozciągania (rys. S18), skręcania (rys. S19) i różnej wilgotności (rys. S20).
Bazując na licznych zaletach TATSA wykazanych powyżej, opracowaliśmy bezprzewodowy mobilny system monitorowania zdrowia (WMHMS), który ma zdolność ciągłego odbierania sygnałów fizjologicznych, a następnie udzielania pacjentowi profesjonalnych porad.Rysunek 4A przedstawia schemat ideowy WMHMS oparty na TATSA.System składa się z czterech komponentów: TATSA do akwizycji analogowych sygnałów fizjologicznych, analogowego obwodu kondycjonującego z filtrem dolnoprzepustowym (MAX7427) i wzmacniacza (MAX4465) zapewniającego wystarczającą ilość szczegółów i doskonałej synchronizacji sygnałów, analogowo-cyfrowego konwerter oparty na jednostce mikrokontrolera do zbierania i przekształcania sygnałów analogowych na sygnały cyfrowe oraz moduł Bluetooth (chip CC2640 małej mocy Bluetooth) do przesyłania sygnału cyfrowego do aplikacji terminala telefonu komórkowego (APP; Huawei Honor 9).W tym badaniu zszyliśmy TATSA bezproblemowo z koronką, opaską na nadgarstek, ochraniaczem na palce i skarpetą, jak pokazano na ryc. 4B.
(A) Ilustracja WMHMS.(B) Fotografie TATSA wszytych odpowiednio w opaskę na nadgarstek, opaskę na palce, skarpetę i pasek na klatkę piersiową.Pomiar tętna na (C1) szyi, (D1) nadgarstku, (E1) koniuszku palca i (F1) kostce.Fala tętna na szyi (C2), nadgarstku (D2), koniuszku palca (E2) i kostce (F2).(G) Przebiegi pulsu w różnym wieku.(H) Analiza pojedynczej fali tętna.Wskaźnik wzmocnienia promieniowego (AIx) zdefiniowany jako AIx (%) = P2/P1.P1 to szczyt fali napływającej, a P2 to szczyt fali odbitej.(I) Cykl tętna kości ramiennej i stawu skokowego.Prędkość fali tętna (PWV) definiuje się jako PWV = D/∆T.D to odległość między kostką a ramieniem.∆T to opóźnienie czasowe między szczytami fal tętna w kostce i ramieniu.PTT, czas przejścia impulsu.(J) Porównanie AIx i ramienno-kostnej PWV (BAPWV) u zdrowych i CAD.*P<0,01, **P<0,001 i ***P<0,05.nadciśnienie tętnicze, nadciśnienie;CHD, choroba wieńcowa serca;DM, cukrzyca.Zdjęcie: Jin Yang, Uniwersytet Chongqing.
Aby monitorować sygnały tętna różnych części ludzkiego ciała, przymocowaliśmy wyżej wspomniane ozdoby z TATSA do odpowiednich pozycji: szyi (ryc. 4C1), nadgarstka (ryc. 4D1), czubka palca (ryc. 4E1) i kostki (ryc. 4F1 ), jak opisano w filmach od S3 do S6.W medycynie istnieją trzy istotne punkty charakterystyczne fali tętna: szczyt fali napływającej P1, szczyt fali odbitej P2 i szczyt fali dykrotycznej P3.Charakterystyki tych punktów charakterystycznych odzwierciedlają stan zdrowia w zakresie elastyczności tętnic, oporu obwodowego i kurczliwości lewej komory związanej z układem sercowo-naczyniowym.W naszym teście zebrano i zarejestrowano przebiegi tętna 25-letniej kobiety w powyższych czterech pozycjach.Zauważ, że trzy rozróżnialne punkty charakterystyczne (P1 do P3) były obserwowane na fali tętna w pozycjach szyi, nadgarstka i czubka palca, jak pokazano na ryc. 4 (C2 do E2).Natomiast w przebiegu tętna w pozycji kostki pojawiły się tylko P1 i P3, a P2 nie było (ryc. 4F2).Wynik ten był spowodowany superpozycją napływającej fali krwi wyrzucanej przez lewą komorę i fali odbitej od kończyn dolnych (44).Wcześniejsze badania wykazały, że P2 występuje w postaci fal mierzonych w kończynach górnych, ale nie w kostce (45, 46).Podobne wyniki zaobserwowaliśmy w przebiegach mierzonych za pomocą TATSA, jak pokazano na ryc.S21, który pokazuje typowe dane z populacji 80 badanych tutaj pacjentów.Widzimy, że P2 nie pojawił się w tych kształtach fali tętna mierzonych w kostce, co pokazuje zdolność TATSA do wykrywania subtelnych cech w przebiegu fali.Te wyniki pomiaru tętna wskazują, że nasz WMHMS może dokładnie pokazać charakterystykę fali tętna górnej i dolnej części ciała i że jest lepszy od innych prac (41, 47).Aby dodatkowo wskazać, że nasza TATSA może być szeroko stosowana w różnym wieku, zmierzyliśmy przebiegi tętna u 80 osób w różnym wieku i pokazaliśmy kilka typowych danych, jak pokazano na ryc.S22.Jak pokazano na ryc. 4G, wybraliśmy trzech uczestników w wieku 25, 45 i 65 lat, a trzy cechy charakterystyczne były oczywiste dla uczestników w młodym i średnim wieku.Zgodnie z literaturą medyczną (48), charakterystyka przebiegów tętna u większości ludzi zmienia się wraz z wiekiem, na przykład zanik punktu P2, co jest spowodowane przez falę odbitą przesuniętą do przodu, aby nałożyć się na falę postępującą poprzez zmniejszenie elastyczność naczyń.Zjawisko to znajduje również odzwierciedlenie w zebranych przez nas kształtach fal, dodatkowo weryfikując, czy TATSA można zastosować do różnych populacji.
Na kształt fali tętna wpływa nie tylko stan fizjologiczny osobnika, ale także warunki testowe.Dlatego mierzyliśmy sygnały impulsowe przy różnej szczelności styku między TATSA a skórą (rys. S23) i różnych pozycjach wykrywania w miejscu pomiaru (rys. S24).Można stwierdzić, że TATSA może uzyskiwać spójne przebiegi impulsów ze szczegółowymi informacjami wokół statku na dużym obszarze skutecznego wykrywania w miejscu pomiaru.Ponadto istnieją wyraźne sygnały wyjściowe przy różnej szczelności styku między TATSA a skórą.Ponadto ruch osób noszących czujniki wpływałby na sygnały impulsowe.Gdy nadgarstek badanego jest w stanie statycznym, amplituda uzyskanego kształtu fali tętna jest stabilna (rys. S25A);odwrotnie, gdy nadgarstek powoli porusza się pod kątem od -70° do 70° w ciągu 30 s, amplituda fali tętna będzie się zmieniać (rys. S25B).Jednak kontur każdej fali tętna jest widoczny, a częstość tętna nadal można dokładnie uzyskać.Oczywiście, aby osiągnąć stabilną akwizycję fali tętna w ruchu człowieka, konieczne są dalsze prace, w tym projektowanie czujników i przetwarzanie sygnału zaplecza.
Ponadto w celu analizy i ilościowej oceny stanu układu sercowo-naczyniowego za pomocą uzyskanych krzywych tętna za pomocą naszego testu TATSA wprowadziliśmy dwa parametry hemodynamiczne zgodnie ze specyfikacją oceny układu sercowo-naczyniowego, a mianowicie wskaźnik wzmocnienia (AIx) i prędkość fali tętna (PWV), które reprezentują elastyczność tętnic.Jak pokazano na ryc. 4H, do analizy AIx wykorzystano przebieg tętna w pozycji nadgarstka 25-letniego zdrowego mężczyzny.Zgodnie ze wzorem (sekcja S1) uzyskano AIx = 60%, co jest wartością normalną.Następnie jednocześnie zebraliśmy dwie fale tętna w pozycji ramienia i kostki tego uczestnika (szczegółowy sposób pomiaru fali tętna opisano w Materiałach i metodach).Jak pokazano na rys. 4I, punkty charakterystyczne obu przebiegów impulsów były różne.Następnie obliczyliśmy PWV zgodnie ze wzorem (sekcja S1).Uzyskano PWV = 1363 cm/s, co jest wartością charakterystyczną oczekiwaną od zdrowego dorosłego mężczyzny.Z drugiej strony widzimy, że na metryki AIx lub PWV nie ma wpływu różnica amplitud przebiegu impulsu, a wartości AIx w różnych częściach ciała są różne.W naszym badaniu zastosowano promieniową AIx.Aby zweryfikować przydatność WMHMS u różnych osób, wybraliśmy 20 uczestników w grupie zdrowej, 20 w grupie z nadciśnieniem tętniczym (HTN), 20 w grupie z chorobą wieńcową (CHD) w wieku od 50 do 59 lat i 20 w grupie grupa z cukrzycą (DM).Zmierzyliśmy ich fale tętna i porównaliśmy ich dwa parametry, AIx i PWV, jak pokazano na rys. 4J.Można stwierdzić, że wartości PWV w grupach nadciśnieniowych, CHD i DM były niższe w porównaniu z grupą zdrową i miały statystyczną różnicę (PHTN 0,001, PCHD 0,001 i PDM 0,001; wartości P obliczono za pomocą t test).Tymczasem wartości AIx w grupach nadciśnienia tętniczego i CHD były niższe w porównaniu z grupą zdrową i wykazują różnicę statystyczną (PHTN < 0,01, PCHD < 0,001 i PDM < 0,05).PWV i AIx uczestników z CHD, nadciśnieniem tętniczym lub DM były wyższe niż w grupie zdrowej.Wyniki pokazują, że TATSA jest w stanie dokładnie uzyskać kształt fali tętna w celu obliczenia parametru sercowo-naczyniowego w celu oceny stanu zdrowia układu sercowo-naczyniowego.Podsumowując, ze względu na swoją bezprzewodową, wysoką rozdzielczość, wysoką czułość i komfort, WMHMS oparty na TATSA zapewnia bardziej wydajną alternatywę dla monitorowania w czasie rzeczywistym niż obecnie drogi sprzęt medyczny używany w szpitalach.
Oprócz fali tętna, informacje dotyczące układu oddechowego są również podstawową oznaką życiową, która pomaga ocenić stan fizyczny osoby.Monitorowanie oddychania w oparciu o naszą TATSA jest bardziej atrakcyjne niż konwencjonalna polisomnografia, ponieważ można ją bezproblemowo zintegrować z ubraniami dla większego komfortu.Przyszyty do białego elastycznego paska na klatkę piersiową, TATSA był bezpośrednio przywiązywany do ludzkiego ciała i mocowany wokół klatki piersiowej w celu monitorowania oddychania (ryc. 5A i film S7).TATSA odkształcił się wraz z rozszerzaniem i kurczeniem się klatki piersiowej, co prowadziło do wyładowania elektrycznego.Uzyskany przebieg jest weryfikowany na Rys. 5B.Sygnał o dużych wahaniach (amplituda 1,8 V) i okresowych zmianach (częstotliwość 0,5 Hz) odpowiadał ruchowi oddechowemu.Względnie mały sygnał fluktuacji został nałożony na ten duży sygnał fluktuacji, który był sygnałem bicia serca.Zgodnie z charakterystyką częstotliwościową sygnałów oddychania i bicia serca, zastosowaliśmy filtr dolnoprzepustowy 0,8 Hz i filtr pasmowoprzepustowy 0,8 do 20 Hz, aby oddzielić odpowiednio sygnały oddechowe i bicia serca, jak pokazano na ryc. 5C .W tym przypadku stabilne sygnały oddechowe i tętna z dużą ilością informacji fizjologicznych (takich jak częstość oddechów, częstość bicia serca i punkty charakterystyczne fali tętna) zostały uzyskane jednocześnie i dokładnie przez proste umieszczenie pojedynczego TATSA na klatce piersiowej.
(A) Zdjęcie przedstawiające wyświetlacz TATSA umieszczony na klatce piersiowej do pomiaru sygnału ciśnienia związanego z oddychaniem.(B) Wykres napięcie-czas dla TATSA zamontowanego na klatce piersiowej.(C) Rozkład sygnału (B) na bicie serca i krzywą oddechową.(D) Zdjęcie przedstawiające dwa TATSA umieszczone na brzuchu i nadgarstku do pomiaru odpowiednio oddychania i pulsu podczas snu.(E) Sygnały oddechowe i pulsowe zdrowego uczestnika.HR, tętno;BPM, uderzenia na minutę.(F) Sygnały oddechowe i pulsowe uczestnika SAS.(G) Sygnał oddechowy i PTT zdrowego uczestnika.(H) Sygnał oddechowy i PTT uczestnika SAS.(I) Związek między wskaźnikiem pobudzenia PTT a wskaźnikiem bezdechu i spłycenia oddechu (AHI).Zdjęcie: Fan Wenjing, Uniwersytet Chongqing.
Aby udowodnić, że nasz czujnik może dokładnie i niezawodnie monitorować sygnały tętna i oddechu, przeprowadziliśmy eksperyment, aby porównać wyniki pomiarów sygnałów tętna i oddechu między naszymi TATSA a standardowym instrumentem medycznym (MHM-6000B), jak opisano w filmach S8 i S9.W pomiarze fali tętna czujnik fotoelektryczny przyrządu medycznego był noszony na lewym palcu wskazującym młodej dziewczyny, a w międzyczasie nasza TATSA nosiła na jej prawym palcu wskazującym.Z dwóch uzyskanych przebiegów pulsu widzimy, że ich kontury i szczegóły były identyczne, co wskazuje, że puls mierzony przez TATSA jest tak samo dokładny jak przez instrument medyczny.Podczas pomiaru fali oddechowej, zgodnie z instrukcją lekarską, do pięciu obszarów na ciele młodego mężczyzny przymocowano pięć elektrod elektrokardiograficznych.W przeciwieństwie do tego, tylko jeden TATSA był bezpośrednio przywiązany do ciała i zabezpieczony wokół klatki piersiowej.Na podstawie zebranych sygnałów oddechowych można zauważyć, że tendencja zmienności i szybkość wykrytego sygnału oddechowego przez nasz TATSA były zgodne z tymi przez instrument medyczny.Te dwa eksperymenty porównawcze potwierdziły dokładność, niezawodność i prostotę naszego systemu czujników do monitorowania sygnałów pulsu i oddechu.
Co więcej, wyprodukowaliśmy kawałek eleganckiej odzieży i zszyliśmy dwa TATSA w pozycjach brzucha i nadgarstków, aby monitorować odpowiednio sygnały oddechowe i pulsacyjne.W szczególności wykorzystano opracowany dwukanałowy system WMHMS do jednoczesnego rejestrowania sygnałów tętna i oddechowego.Dzięki temu systemowi uzyskaliśmy sygnały oddechowe i pulsowe 25-letniego mężczyzny ubranego w nasze eleganckie ubranie podczas snu (ryc. 5D i film S10) i siedzącego (ryc. S26 i film S11).Uzyskane sygnały oddechowe i pulsacyjne mogą być przesyłane bezprzewodowo do aplikacji telefonu komórkowego.Jak wspomniano powyżej, TATSA ma zdolność wychwytywania sygnałów oddechowych i tętna.Te dwa sygnały fizjologiczne są również kryteriami oceny SAS w medycynie.Dlatego nasza TATSA może być również wykorzystywana do monitorowania i oceny jakości snu i powiązanych zaburzeń snu.Jak pokazano na ryc. 5 (odpowiednio E i F), stale mierzyliśmy krzywe tętna i oddechowe dwóch uczestników, zdrowego i pacjenta z SAS.W przypadku osoby bez bezdechu, zmierzone częstości oddechów i tętna pozostawały stabilne odpowiednio na poziomie 15 i 70.U pacjenta z SAS zaobserwowano wyraźny bezdech trwający 24 s, który jest oznaką obturacyjnego epizodu oddechowego, a częstość akcji serca nieznacznie wzrosła po okresie bezdechu z powodu regulacji układu nerwowego (49).Podsumowując, stan układu oddechowego można ocenić za pomocą naszego TATSA.
W celu dalszej oceny typu SAS poprzez sygnały tętna i oddechowe, przeanalizowaliśmy czas przejścia tętna (PTT), nieinwazyjny wskaźnik odzwierciedlający zmiany w obwodowym oporze naczyniowym i ciśnieniu w klatce piersiowej (określone w sekcji S1) zdrowego mężczyzny i pacjenta z SAS.U zdrowego uczestnika częstość oddechów pozostała niezmieniona, a PTT był względnie stabilny od 180 do 310 ms (ryc. 5G).Jednak u uczestnika SAS PTT stale wzrastało od 120 do 310 ms podczas bezdechu (ryc. 5H).W ten sposób u uczestnika zdiagnozowano obturacyjną SAS (OSAS).Jeśli zmiana PTT zmniejszyła się podczas bezdechu, wówczas stan zostałby określony jako zespół centralnego bezdechu sennego (CSAS), a jeśli oba te dwa objawy występowały jednocześnie, zostałby zdiagnozowany jako mieszany SAS (MSAS).Aby ocenić nasilenie SAS, przeanalizowaliśmy zebrane sygnały.Istotną rolę w ocenie stopnia SAS odgrywa indeks pobudzenia PTT, czyli liczba pobudzeń PTT na godzinę (pobudzenie PTT definiuje się jako spadek PTT o ≥15 ms trwający ≥3 s).Wskaźnik bezdechu-spłyconego oddechu (AHI) jest standardem określania stopnia SAS (bezdech to ustanie oddychania, a spłycony oddech to zbyt płytki oddech lub nienormalnie niska częstość oddechów), który jest definiowany jako liczba bezdechów i spłyconego oddechu na godzinę podczas snu (zależność między AHI a kryteriami oceny OSAS przedstawiono w tabeli S2).Aby zbadać związek między AHI a wskaźnikiem pobudzenia PTT, wyselekcjonowano sygnały oddechowe 20 pacjentów z SAS i przeanalizowano je za pomocą TATSA.Jak pokazano na ryc. 5I, wskaźnik pobudzenia PTT dodatnio koreluje z AHI, ponieważ bezdech i spłycenie oddechu podczas snu powodują oczywiste i przemijające podwyższenie ciśnienia krwi, prowadząc do obniżenia PTT.Dlatego nasz TATSA może jednocześnie uzyskiwać stabilne i dokładne sygnały pulsu i oddechu, dostarczając w ten sposób ważnych fizjologicznych informacji na temat układu sercowo-naczyniowego i SAS do monitorowania i oceny powiązanych chorób.
Podsumowując, opracowaliśmy TATSA przy użyciu pełnego ściegu kardiganowego do jednoczesnego wykrywania różnych sygnałów fizjologicznych.Czujnik ten charakteryzował się wysoką czułością 7,84 mV Pa−1, krótkim czasem odpowiedzi 20 ms, wysoką stabilnością ponad 100 000 cykli oraz szerokim pasmem częstotliwości pracy.Na podstawie TATSA opracowano również system WMHMS do przesyłania zmierzonych parametrów fizjologicznych do telefonu komórkowego.TATSA można umieścić w różnych miejscach odzieży w celu uzyskania estetycznego wyglądu i wykorzystać do jednoczesnego monitorowania pulsu i sygnałów oddechowych w czasie rzeczywistym.System można zastosować, aby pomóc odróżnić osoby zdrowe od osób z CAD lub SAS ze względu na jego zdolność do przechwytywania szczegółowych informacji.Badanie to zapewniło wygodne, wydajne i przyjazne dla użytkownika podejście do pomiaru tętna i oddechu człowieka, co stanowi postęp w rozwoju elektroniki tekstylnej do noszenia.
Stal nierdzewna była wielokrotnie przepuszczana przez formę i rozciągana w celu utworzenia włókna o średnicy 10 μm.Włókno ze stali nierdzewnej jako elektrodę wprowadzono do kilku kawałków handlowych jednowarstwowych przędz terylenowych.
Do uzyskania sinusoidalnego sygnału ciśnienia zastosowano generator funkcyjny (Stanford DS345) i wzmacniacz (LabworkPa-13).Do pomiaru ciśnienia zewnętrznego przyłożonego do TATSA zastosowano dwuzakresowy czujnik siły (Vernier Software & Technology LLC).Elektrometr systemu Keithley (Keithley 6514) został użyty do monitorowania i rejestrowania napięcia wyjściowego i prądu TATSA.
Zgodnie z metodą testową AATCC 135-2017, użyliśmy TATSA i wystarczającego balastu jako wsad 1,8 kg, a następnie włożyliśmy je do komercyjnej maszyny do prania (Labtex LBT-M6T) w celu wykonania delikatnych cykli prania w pralce.Następnie napełniliśmy pralkę 18 galonami wody o temperaturze 25°C i ustawiliśmy pralkę na wybrany cykl prania i czas (prędkość mieszania 119 uderzeń na minutę; czas prania 6 min; końcowa prędkość wirowania 430 obr./min; końcowa czas wirowania, 3 min).Na koniec, TATSA zawieszono na sucho w nieruchomym powietrzu w temperaturze pokojowej nie wyższej niż 26°C.
Badani zostali poinstruowani, aby leżeli w pozycji leżącej na łóżku.TATSA został umieszczony na stanowiskach pomiarowych.Gdy badani znajdowali się w standardowej pozycji na wznak, utrzymywali całkowicie zrelaksowany stan przez 5 do 10 minut.Następnie sygnał impulsowy rozpoczął pomiar.
Materiały uzupełniające do tego artykułu są dostępne na stronie https://advance.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Rys. S9.Wynik symulacji rozkładu sił TATSA pod przyłożonymi ciśnieniami 0,2 kPa przy użyciu oprogramowania COMSOL.
Rys. S10.Wyniki symulacji rozkładu sił w zespole stykowym pod przyłożonymi ciśnieniami odpowiednio przy 0,2 i 2 kPa.
Rys. S11.Kompletne schematyczne ilustracje przenoszenia ładunku jednostki stykowej w warunkach zwarcia.
Rys. S13.Ciągłe napięcie wyjściowe i prąd TATSA w odpowiedzi na stale przyłożone ciśnienie zewnętrzne w cyklu pomiarowym.
Rys. S14.Odpowiedź napięciowa na różne liczby jednostek pętli w tym samym obszarze tkaniny przy niezmienionej liczbie pętli w kierunku walca.
Rys. S15.Porównanie wydajności wyjściowej dwóch czujników tekstylnych przy użyciu pełnego ściegu kardiganowego i zwykłego ściegu.
Rys. S16.Wykresy przedstawiające odpowiedzi częstotliwościowe przy ciśnieniu dynamicznym 1 kPa i częstotliwości wejściowej ciśnienia 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 i 20 Hz.
Rys. S25.Napięcia wyjściowe czujnika, gdy obiekt znajdował się w warunkach statycznych i ruchu.
Rys. S26.Zdjęcie przedstawiające TATSA umieszczone jednocześnie na brzuchu i nadgarstku w celu pomiaru odpowiednio oddychania i pulsu.
Jest to artykuł z otwartym dostępem, rozpowszechniany na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa — Użycie niekomercyjne, która zezwala na używanie, rozpowszechnianie i powielanie na dowolnym nośniku, o ile wynikowe użycie nie ma na celu korzyści komercyjnych i pod warunkiem, że oryginalne dzieło jest prawidłowo cytowane.
UWAGA: Prosimy o podanie adresu e-mail tylko po to, aby osoba, której polecasz stronę, wiedziała, że chcesz, aby ją zobaczyła i że nie jest to poczta-śmieć.Nie przechwytujemy żadnego adresu e-mail.
Autor: Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Tryboelektryczny czujnik całkowicie tekstylny o wysokiej czułości na nacisk i wygodzie został opracowany do monitorowania stanu zdrowia.
Autor: Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Tryboelektryczny czujnik całkowicie tekstylny o wysokiej czułości na nacisk i wygodzie został opracowany do monitorowania stanu zdrowia.
© 2020 Amerykańskie Stowarzyszenie Postępu Nauki.Wszelkie prawa zastrzeżone.AAAS jest partnerem HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef i COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Czas postu: 27.03.2020