Текстилна електроника која се може носити је веома пожељна за реализацију персонализованог управљања здрављем.Међутим, већина пријављених текстилних електроника може или периодично циљати један физиолошки сигнал или пропустити експлицитне детаље сигнала, што доводи до делимичне здравствене процене.Штавише, текстил са одличним својствима и удобношћу и даље остаје изазов.Овде извештавамо о трибоелектричном комплету текстилних сензора са високом осетљивошћу на притисак и удобношћу.Показује осетљивост на притисак (7,84 мВ Па−1), брзо време одзива (20 мс), стабилност (>100.000 циклуса), широк опсег радне фреквенције (до 20 Хз) и могућност прања у машини (>40 прања).Произведене ТАТСА су ушивене у различите делове одеће да би се истовремено пратили артеријски пулсни таласи и респираторни сигнали.Даље смо развили систем праћења здравља за дугорочну и неинвазивну процену кардиоваскуларних болести и синдрома апнеје у сну, који показује велики напредак у квантитативној анализи неких хроничних болести.
Носива електроника представља фасцинантну прилику због обећавајуће примене у персонализованој медицини.Они могу пратити здравствено стање појединца на континуиран, у реалном времену и неинвазиван начин (1–11).Пулс и дисање, као две незаменљиве компоненте виталних знакова, могу пружити како тачну процену физиолошког стања, тако и изузетан увид у дијагнозу и прогнозу сродних болести (12–21).До данас, већина носиве електронике за детекцију суптилних физиолошких сигнала заснива се на ултратанким супстратима као што су полиетилен терефталат, полидиметилсилоксан, полиимид, стакло и силикон (22–26).Недостатак ових подлога за употребу на кожи лежи у њиховим равним и крутим форматима.Као резултат, потребне су траке, фластери или друга механичка средства за успостављање компактног контакта између електронике која се може носити и људске коже, што може изазвати иритацију и непријатности током дужег периода употребе (27, 28).Штавише, ове подлоге имају слабу пропусност ваздуха, што доводи до непријатности када се користе за дуготрајно, континуирано праћење здравља.За ублажавање наведених проблема у здравству, посебно у свакодневној употреби, паметни текстил нуди поуздано решење.Ови текстили имају карактеристике мекоће, мале тежине и прозрачности, а самим тим и потенцијал за остваривање удобности у носивој електроници.Последњих година, интензивни напори су посвећени развоју система заснованих на текстилу у осетљивим сензорима, прикупљању енергије и складиштењу (29–39).Конкретно, пријављена су успешна истраживања о оптичким влакнима, пиезоелектричности и паметном текстилу заснованом на отпорности који се примењује у праћењу пулсних и респираторних сигнала (40–43).Међутим, ови паметни текстили обично имају ниску осетљивост и један параметар за праћење и не могу се производити у великом обиму (табела С1).У случају мерења пулса, детаљне информације је тешко ухватити због слабе и брзе флуктуације пулса (нпр. његове карактеристике), па су стога потребна висока осетљивост и одговарајући фреквентни одзив.
У овој студији представљамо трибоелектрични комплет сензора од текстила (ТАТСА) са високом осетљивошћу за епидермално суптилно хватање притиска, плетену проводљивим и најлонским нитима у пуном шаву за кардиган.ТАТСА може да обезбеди осетљивост на висок притисак (7,84 мВ Па−1), брзо време одзива (20 мс), стабилност (>100 000 циклуса), широк опсег радне фреквенције (до 20 Хз) и могућност прања у машини (>40 прања).У стању је да се удобно интегрише у одећу са дискрецијом, удобношћу и естетском привлачношћу.Посебно, наша ТАТСА се може директно уградити у различите делове тканине које одговарају пулсним таласима на врату, зглобу, врховима прстију и глежња и респираторним таласима у абдомену и грудима.Да бисмо проценили одличне перформансе ТАТСА у реалном времену и даљинском праћењу здравља, развијамо персонализовани интелигентни систем за праћење здравља како бисмо континуирано прикупљали и чували физиолошке сигнале за анализу кардиоваскуларних болести (ЦАД) и процену синдрома апнеје у сну (САС). ).
Као што је илустровано на слици 1А, две ТАТСА су ушивене у манжетну и груди кошуље да би се омогућило динамичко и истовремено праћење пулсних и респираторних сигнала, респективно.Ови физиолошки сигнали су бежично пренети на апликацију интелигентног мобилног терминала (АПП) ради даље анализе здравственог стања.Слика 1Б приказује ТАТСА ушивену у комад тканине, а уметак приказује увећани приказ ТАТСА-е, која је плетена коришћењем карактеристичног проводљивог предива и комерцијалног најлонског предива заједно у пуну шаву за кардиган.У поређењу са основним обичним убодом, најчешћим и основним методом плетења, изабран је пун кардиган убод јер је контакт између главе петље проводног предива и суседне главе убода најлонског предива (слика С1) површина а не тачкасти контакт, што доводи до већег подручја деловања за високи трибоелектрични ефекат.За припрему проводног предива изабрали смо нерђајући челик као фиксно језгро влакна, а неколико комада једнослојних териленских предива је уплетено око језгром влакна у једно проводно предиво пречника 0,2 мм (сл. С2), које је служило као како површину за наелектрисање тако и проводну електроду.Најлонско предиво, које је имало пречник од 0,15 мм и служило је као још једна површина за електрификацију, имало је јаку затезну силу јер је било упредено од неурачунљивих нити (сл. С3).Слика 1 (Ц и Д, респективно) приказује фотографије произведеног проводног и најлонског предива.Уметци показују њихове одговарајуће слике скенирајуће електронске микроскопије (СЕМ), које представљају типичан попречни пресек проводног предива и површине најлонског предива.Висока затезна чврстоћа проводљивих и најлонских предива осигурала је њихову способност ткања на индустријској машини да одржи уједначене перформансе свих сензора.Као што је приказано на слици 1Е, проводљива предива, најлонска предива и обични конци су намотани на своје конусе, који су затим стављени на индустријску компјутеризовану машину за равно плетење за аутоматско ткање (филм С1).Као што је приказано на сл.С4, неколико ТАТСА је плетено заједно са обичном тканином помоћу индустријске машине.Појединачна ТАТСА дебљине 0,85 мм и тежине 0,28 г могла би се скројити од целе структуре за индивидуалну употребу, показујући своју одличну компатибилност са другим крпама.Поред тога, ТАТСА се могу дизајнирати у различитим бојама како би задовољиле естетске и модерне захтеве због разноврсности комерцијалних најлонских предива (сл. 1Ф и сл. С5).Произведене ТАТСА имају одличну мекоћу и способност да издрже оштро савијање или деформацију (слика С6).Слика 1Г приказује ТАТСА ушивену директно у стомак и манжетну џемпера.Процес плетења џемпера приказан је на сл.С7 и филм С2.Детаљи предње и задње стране истегнуте ТАТСА у положају стомака приказани су на сл.С8 (А и Б, респективно), а положај проводног и најлонског предива је илустрован на сл.С8Ц.Овде се може видети да се ТАТСА може неприметно уградити у обичне тканине за дискретан и паметан изглед.
(А) Два ТАТСА интегрисана у мајицу за праћење пулсних и респираторних сигнала у реалном времену.(Б) Шематски приказ комбинације ТАТСА и одеће.Уметак приказује увећани приказ сензора.(Ц) Фотографија проводљивог предива (скала бар, 4 цм).Уметак је СЕМ слика попречног пресека проводљивог предива (скала бар, 100 μм), који се састоји од предива од нерђајућег челика и терилена.(Д) Фотографија најлонског предива (мастер бар, 4 цм).Уметак је СЕМ слика површине најлонског предива (бар скале, 100 μм).(Е) Слика компјутеризоване машине за равно плетење која изводи аутоматско ткање ТАТСА.(Ф) Фотографија ТАТСА-а у различитим бојама (скала бар, 2 цм).Уметак је тордирана ТАТСА, која показује своју одличну мекоћу.(Г) Фотографија два ТАТСА-а потпуно и беспрекорно ушивена у џемпер.Фотографија: Вењинг Фан, Универзитет Цхонгкинг.
Да бисмо анализирали радни механизам ТАТСА, укључујући његова механичка и електрична својства, конструисали смо геометријски модел плетења ТАТСА, као што је приказано на слици 2А.Користећи цео кардиган убод, проводна и најлонска предива се спајају у облику јединица петље у правцу и у правцу.Структура једне петље (сл. С1) се састоји од главе петље, крака петље, дела за укрштање ребра, крака убода и главе убода.Могу се наћи два облика контактне површине између два различита предива: (и) контактна површина између главе омче проводног предива и главе убода најлонског предива и (ии) контактна површина између главе омче најлонско предиво и убодна глава проводног предива.
(А) ТАТСА са предњом, десном и горњом страном плетених петљи.(Б) Резултат симулације расподеле силе ТАТСА под примењеним притиском од 2 кПа коришћењем софтвера ЦОМСОЛ.(Ц) Шематски прикази преноса наелектрисања контактне јединице у условима кратког споја.(Д) Резултати симулације расподеле наелектрисања контактне јединице у условима отвореног кола коришћењем ЦОМСОЛ софтвера.
Принцип рада ТАТСА може се објаснити у два аспекта: стимулација спољашње силе и њено индуковано наелектрисање.Да бисмо интуитивно разумели дистрибуцију напона као одговор на спољашњи стимуланс силе, користили смо анализу коначних елемената користећи ЦОМСОЛ софтвер при различитим спољним силама од 2 и 0,2 кПа, као што је приказано на сл. 2Б и сл.С9.Напрезање се јавља на контактним површинама два предива.Као што је приказано на сл.С10, размотрили смо две јединице петље да бисмо разјаснили расподелу напона.Упоређујући дистрибуцију напона под две различите спољне силе, напон на површинама проводљивих и најлонских нити расте са повећаном спољашњом силом, што резултира контактом и екструзијом између два предива.Када се спољна сила ослободи, два предива се одвајају и удаљавају једно од другог.
Покрети раздвајања контакта између проводног и најлонског предива индукују пренос наелектрисања, што се приписује споју трибоелектрификације и електростатичке индукције.Да бисмо разјаснили процес производње електричне енергије, анализирамо попречни пресек области у којој се два предива међусобно додирују (слика 2Ц1).Као што је приказано на слици 2 (Ц2 и Ц3, респективно), када је ТАТСА стимулисана спољном силом и две нити се додирују једна са другом, долази до наелектрисања на површини проводног и најлонског предива, а еквивалентна наелектрисања са супротним поларитети се генеришу на површини два предива.Једном када се два предива раздвоје, у унутрашњем нерђајућем челику се индукује позитивно наелектрисање због ефекта електростатичке индукције.Комплетна шема је приказана на сл.С11.Да бисмо стекли квантитативније разумевање процеса производње електричне енергије, симулирали смо дистрибуцију потенцијала ТАТСА користећи ЦОМСОЛ софтвер (слика 2Д).Када су два материјала у контакту, наелектрисање се углавном скупља на материјалу трења, а на електроди је присутна само мала количина индукованог наелектрисања, што резултира малим потенцијалом (слика 2Д, доле).Када се два материјала раздвоје (слика 2Д, врх), индуковано наелектрисање на електроди се повећава због разлике потенцијала, а одговарајући потенцијал се повећава, што открива добру сагласност између резултата добијених из експеримената и оних из симулација .Штавише, пошто је проводна електрода ТАТСА умотана у териленско предиво и кожа је у контакту са оба фрикциона материјала, стога, када се ТАТСА носи директно на кожу, наелектрисање зависи од спољашње силе и неће бити ослабљен кожом.
Да бисмо окарактерисали перформансе нашег ТАТСА у различитим аспектима, обезбедили смо мерни систем који садржи генератор функција, појачало снаге, електродинамички тресач, мерач силе, електрометар и рачунар (слика С12).Овај систем генерише спољашњи динамички притисак до 7 кПа.У експерименту, ТАТСА је постављена на равну пластичну плочу у слободном стању, а излазни електрични сигнали се бележе од стране електрометра.
Спецификације проводљивих и најлонских нити утичу на излазне перформансе ТАТСА јер одређују контактну површину и капацитет за опажање спољашњег притиска.Да бисмо ово истражили, произвели смо три величине од два предива, редом: проводљиво предиво величине 150Д/3, 210Д/3 и 250Д/3 и најлонско предиво величине 150Д/6, 210Д/6 и 250Д /6 (Д, ден; јединица мере која се користи за одређивање дебљине влакана појединачних нити; тканине са великим бројем денијера имају тенденцију да буду дебеле).Затим смо одабрали ова два предива различитих величина да их исплетемо у сензор, а димензија ТАТСА-е је задржана на 3 цм са 3 цм са бројем петље 16 у смеру вала и 10 у правцу курса.Тако су добијени сензори са девет шаблона за плетење.Најтањи је био сензор од проводног предива величине 150Д/3 и најлонског предива величине 150Д/6, а сензор од проводног предива величине 250Д/3 и најлонског предива величине 250Д/ 6 је била најдебља.Под механичком побудом од 0,1 до 7 кПа, електрични излази за ове обрасце су систематски истражени и тестирани, као што је приказано на слици 3А.Излазни напони девет ТАТСА су порасли са повећаним примењеним притиском, са 0,1 на 4 кПа.Конкретно, од свих узорака плетења, спецификација 210Д/3 проводног предива и 210Д/6 најлонског предива дала је највећу електричну снагу и показала највећу осетљивост.Излазни напон је показивао тренд раста са повећањем дебљине ТАТСА (због довољне контактне површине) све док ТАТСА није исплетена коришћењем 210Д/3 проводног предива и 210Д/6 најлонског предива.Како би даље повећање дебљине довело до апсорпције спољашњег притиска од стране предива, излазни напон се сходно томе смањио.Штавише, примећено је да је у области ниског притиска (<4 кПа), линеарна варијација излазног напона са добрим понашањем са притиском дала супериорну осетљивост на притисак од 7,84 мВ Па−1.У области високог притиска (>4 кПа), експериментално је примећена нижа осетљивост на притисак од 0,31 мВ Па−1 због засићења ефективне површине трења.Слична осетљивост на притисак је демонстрирана током супротног процеса примене силе.Конкретни временски профили излазног напона и струје под различитим притисцима приказани су на сл.С13 (А и Б, респективно).
(А) Излазни напон испод девет узорака плетења проводног предива (150Д/3, 210Д/3 и 250Д/3) у комбинацији са најлонским пређом (150Д/6, 210Д/6 и 250Д/6).(Б) Одзив напона на различит број јединица петље у истој области тканине када се број петље држи непромењеним у смеру хода.(Ц) Дијаграми који приказују фреквентне одзиве под динамичким притиском од 1 кПа и улазном фреквенцијом притиска од 1 Хз.(Д) Различити излазни и струјни напони испод фреквенција од 1, 5, 10 и 20 Хз.(Е) Испитивање издржљивости ТАТСА под притиском од 1 кПа.(Ф) Излазне карактеристике ТАТСА након прања 20 и 40 пута.
На осетљивост и излазни напон такође је утицала густина убода ТАТСА, која је одређена укупним бројем петљи у мереној површини тканине.Повећање густине шавова довело би до веће компактности структуре тканине.Слика 3Б приказује излазне перформансе под различитим бројевима петљи у области текстила од 3 цм к 3 цм, а уметак илуструје структуру јединице петље (број петље смо задржали у правцу курса на 10, а број петље у вале смер је био 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 и 26).Повећањем броја петље, излазни напон је прво показивао тренд раста због повећања контактне површине, све до максималног излазног напона од 7,5 В са бројем петље од 180. Након ове тачке, излазни напон је пратио тренд пада јер је ТАТСА је постала чврста, а две нити су имале смањен простор за раздвајање контакта.Да бисмо истражили у ком смеру густина има велики утицај на излаз, задржали смо број петље ТАТСА у смеру Вела на 18, а број петље у правцу курса је постављен на 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и 14. Одговарајући излазни напони су приказани на сл.С14.Поређења ради, можемо видети да густина у правцу курса има већи утицај на излазни напон.Као резултат тога, узорак плетења 210Д/3 проводљивог предива и 210Д/6 најлонског предива и 180 јединица петље изабран је за плетење ТАТСА након свеобухватне процене излазних карактеристика.Поред тога, упоредили смо излазне сигнале два текстилна сензора користећи цео кардиган шав и обичан шав.Као што је приказано на сл.С15, електрични излаз и осетљивост коришћењем пуног кардиганског шава су много већи од оних код обичног шава.
Измерено је време одзива за праћење сигнала у реалном времену.Да бисмо испитали време одзива нашег сензора на спољне силе, упоредили смо сигнале излазног напона са улазима динамичког притиска на фреквенцији од 1 до 20 Хз (сл. 3Ц и сл. С16, респективно).Таласни облици излазног напона били су скоро идентични таласима улазног синусоидног притиска под притиском од 1 кПа, а излазни таласни облици су имали брзо време одзива (око 20 мс).Ова хистереза се може приписати томе што се еластична структура није вратила у првобитно стање што је пре могуће након што је примила спољну силу.Ипак, ова мала хистереза је прихватљива за праћење у реалном времену.Да би се добио динамички притисак са одређеним фреквентним опсегом, очекује се одговарајући фреквентни одзив ТАТСА.Тако је тестирана и фреквенцијска карактеристика ТАТСА.Повећањем екстерне побудне фреквенције амплитуда излазног напона је остала скоро непромењена, док се амплитуда струје повећавала када су фреквенције одвајања варирале од 1 до 20 Хз (слика 3Д).
Да бисмо проценили поновљивост, стабилност и издржљивост ТАТСА-е, тестирали смо одзив излазног напона и струје на циклусе оптерећења и растерећења притиска.На сензор је примењен притисак од 1 кПа са фреквенцијом од 5 Хз.Напон и струја од врха до врха су забележени након 100.000 циклуса утовара-истовара (сл. 3Е и сл. С17, респективно).Увећани прикази напона и струјног таласног облика су приказани на уметнутим сликама 3Е и сл.С17, респективно.Резултати откривају изузетну поновљивост, стабилност и издржљивост ТАТСА-е.Могућност прања је такође битан критеријум за процену ТАТСА-е као потпуно текстилног уређаја.Да бисмо проценили способност прања, тестирали смо излазни напон сензора након што смо машински опрали ТАТСА према методи тестирања Америчког удружења текстилних хемичара и колориста (ААТЦЦ) 135-2017.Детаљан поступак прања описан је у одељку Материјали и методе.Као што је приказано на слици 3Ф, електрични излази су забележени након прања 20 пута и 40 пута, што је показало да није било јасних промена излазног напона током тестова прања.Ови резултати потврђују изузетну способност прања ТАТСА-е.Као носиви текстилни сензор, такође смо истражили излазне перформансе када је ТАТСА био у условима затезања (сл. С18), уврнутих (сл. С19) и различите влажности (сл. С20).
На основу бројних предности ТАТСА приказаних горе, развили смо бежични мобилни систем за праћење здравља (ВМХМС), који има способност континуираног прикупљања физиолошких сигнала и затим давања професионалних савета за пацијента.На слици 4А приказан је дијаграм шеме ВМХМС заснованог на ТАТСА.Систем има четири компоненте: ТАТСА за прикупљање аналогних физиолошких сигнала, аналогно коло за кондиционирање са нископропусним филтером (МАКС7427) и појачало (МАКС4465) како би се осигурало довољно детаља и одличан синхронизација сигнала, аналогно-дигитални конвертор заснован на јединици микроконтролера за прикупљање и претварање аналогних сигнала у дигиталне сигнале и Блуетоотх модул (ЦЦ2640 блуетоотх чип мале снаге) за пренос дигиталног сигнала до апликације терминала за мобилни телефон (АПП; Хуавеи Хонор 9).У овој студији, ТАТСА смо беспрекорно ушили у чипку, наруквицу, држач за прсте и чарапу, као што је приказано на слици 4Б.
(А) Илустрација ВМХМС.(Б) Фотографије ТАТСА-а ушивених у наруквицу, држач за прсте, чарапу и каиш за груди.Мерење пулса на (Ц1) врату, (Д1) зглобу, (Е1) врху прста и (Ф1) зглобу.Таласни облик пулса на (Ц2) врату, (Д2) зглобу, (Е2) врху прста и (Ф2) зглобу.(Г) Таласни облици пулса различите старости.(Х) Анализа једног пулсног таласа.Индекс радијалног повећања (АИк) дефинисан као АИк (%) = П2/П1.П1 је врх таласа који напредује, а П2 је врх рефлектованог таласа.(И) Пулсни циклус брахијалног и скочног зглоба.Брзина пулсног таласа (ПВВ) је дефинисана као ПВВ = Д/∆Т.Д је растојање између скочног зглоба и брахијалне.∆Т је временско кашњење између врхова скочног зглоба и брахијалног пулсног таласа.ПТТ, време проласка пулса.(Ј) Поређење АИк и ПВВ брахијалног глежња (БАПВВ) између здравих и ЦАД.*П < 0,01, **П < 0,001 и ***П < 0,05.ХТН, хипертензија;ЦХД, коронарна болест срца;ДМ, дијабетес мелитус.Фотографија: Јин Ианг, Универзитет Цхонгкинг.
Да бисмо пратили пулсне сигнале различитих делова људског тела, причврстили смо горе поменуте украсе са ТАТСА на одговарајуће положаје: врат (слика 4Ц1), зглоб (слика 4Д1), врх прста (слика 4Е1) и скочни зглоб (слика 4Ф1 ), као што је објашњено у филмовима С3 до С6.У медицини постоје три суштинске карактеристике пулсног таласа: врх напредног таласа П1, врх рефлектованог таласа П2 и врх дикротичног таласа П3.Карактеристике ових карактеристика одражавају здравствено стање еластичности артерија, периферног отпора и контрактилности леве коморе у вези са кардиоваскуларним системом.Таласни облици пулса 25-годишње жене на горња четири положаја су добијени и снимљени у нашем тесту.Имајте на уму да су три препознатљиве тачке обележја (П1 до П3) примећене на таласном облику пулса на позицијама врата, ручног зглоба и врха прста, као што је приказано на слици 4 (Ц2 до Е2).Насупрот томе, само П1 и П3 су се појавили на таласном облику пулса у положају скочног зглоба, а П2 није био присутан (слика 4Ф2).Овај резултат је узрокован суперпозицијом долазног крвног таласа који је избацила лева комора и рефлектованог таласа од доњих удова (44).Претходне студије су показале да се П2 појављује у таласним облицима мереним у горњим екстремитетима, али не и у зглобу (45, 46).Приметили смо сличне резултате у таласним облицима мереним са ТАТСА, као што је приказано на сл.С21, који приказује типичне податке из популације од 80 пацијената који су овде проучавани.Можемо видети да се П2 није појавио у овим таласним облицима пулса мереним у зглобу, што показује способност ТАТСА-е да детектује суптилне карактеристике унутар таласног облика.Ови резултати мерења пулса указују да наш ВМХМС може тачно да открије карактеристике пулсног таласа горњег и доњег дела тела и да је супериорнији у односу на друге радове (41, 47).Да бисмо даље назначили да се наш ТАТСА може широко применити на различите узрасте, измерили смо таласне облике пулса код 80 субјеката различитог узраста и показали смо неке типичне податке, као што је приказано на сл.С22.Као што је приказано на слици 4Г, изабрали смо три учесника старости 25, 45 и 65 година, а три карактеристике су биле очигледне за младе и средовечне учеснике.Према медицинској литератури (48), карактеристике таласних облика пулса код већине људи се мењају са старењем, као што је нестанак тачке П2, што је узроковано рефлектованим таласом који се помера напред да би се суперпонирао на талас који напредује кроз смањење васкуларна еластичност.Овај феномен се такође одражава у таласним облицима које смо прикупили, додатно потврђујући да се ТАТСА може применити на различите популације.
На таласни облик пулса утиче не само физиолошко стање појединца већ и услови испитивања.Због тога смо мерили пулсне сигнале под различитом чврстоћом контакта између ТАТСА и коже (слика С23) и различитим положајима детекције на месту мерења (слика С24).Може се открити да ТАТСА може да добије конзистентне таласне облике пулса са детаљним информацијама око посуде у великом ефективном подручју детекције на месту мерења.Поред тога, постоје различити излазни сигнали под различитом чврстоћом контакта између ТАТСА и коже.Поред тога, кретање појединаца који носе сензоре би утицало на пулсне сигнале.Када је зглоб субјекта у статичком стању, амплитуда добијеног таласног облика пулса је стабилна (слика С25А);обрнуто, када се зглоб полако помера под углом од -70° до 70° током 30 с, амплитуда таласног облика пулса ће флуктуирати (слика С25Б).Међутим, контура сваког таласног облика пулса је видљива, а брзина пулса се и даље може прецизно добити.Очигледно, да би се постигла стабилна аквизиција пулсног таласа у људском кретању, потребно је истражити даљи рад укључујући дизајн сензора и позадинску обраду сигнала.
Даље, да бисмо анализирали и квантитативно проценили стање кардиоваскуларног система кроз добијене таласне облике пулса помоћу нашег ТАТСА, увели смо два хемодинамска параметра према спецификацији за процену кардиоваскуларног система, односно индекс повећања (АИк) и брзину пулсног таласа. (ПВВ), који представљају еластичност артерија.Као што је приказано на слици 4Х, таласни облик пулса на положају ручног зглоба 25-годишњег здравог мушкарца коришћен је за анализу АИк.Према формули (секција С1) добијено је АИк = 60%, што је нормална вредност.Затим смо истовремено прикупили два таласна облика пулса на позицијама руке и скочног зглоба овог учесника (детаљан метод мерења таласног облика пулса описан је у Материјалима и методама).Као што је приказано на слици 4И, тачке карактеристика два таласна облика пулса су биле различите.Затим смо израчунали ПВВ према формули (одељак С1).Добијена је ПВВ = 1363 цм/с, што је карактеристична вредност која се очекује од здравог одраслог мушкарца.С друге стране, можемо видети да на метрику АИк или ПВВ не утиче разлика амплитуде таласног облика пулса, а вредности АИк у различитим деловима тела су различите.У нашем истраживању коришћен је радијални АИк.Да бисмо проверили применљивост ВМХМС код различитих људи, одабрали смо 20 учесника у групи здравих, 20 у групи са хипертензијом (ХТН), 20 у групи са коронарном болешћу (ЦХД) старости од 50 до 59 година и 20 у групи са група дијабетес мелитуса (ДМ).Измерили смо њихове пулсне таласе и упоредили њихова два параметра, АИк и ПВВ, као што је приказано на слици 4Ј.Може се открити да су ПВВ вредности група ХТН, ЦХД и ДМ биле ниже у поређењу са здравом групом и имају статистичку разлику (ПХТН ≪ 0,001, ПЦХД ≪ 0,001 и ПДМ ≪ 0,001; П вредности су израчунате према т тест).У међувремену, вредности АИк група са ХТН и ЦХД биле су ниже у поређењу са здравом групом и имају статистичку разлику (ПХТН < 0,01, ПЦХД < 0,001 и ПДМ < 0,05).ПВВ и АИк учесника са ЦХД, ХТН или ДМ били су виши од оних у здравој групи.Резултати показују да је ТАТСА способан да прецизно добије таласни облик пулса за израчунавање кардиоваскуларног параметра за процену кардиоваскуларног здравственог статуса.У закључку, због својих бежичних карактеристика, високе резолуције, високе осетљивости и удобности, ВМХМС заснован на ТАТСА-и пружа ефикаснију алтернативу за праћење у реалном времену од тренутне скупе медицинске опреме која се користи у болницама.
Осим пулсног таласа, респираторне информације су такође примарни витални знак који помаже у процени физичког стања појединца.Праћење дисања засновано на нашем ТАТСА је атрактивније од конвенционалне полисомнографије јер се може неприметно интегрисати у одећу за бољу удобност.Ушивена у белу еластичну траку за груди, ТАТСА је била директно везана за људско тело и причвршћена око груди ради праћења дисања (слика 5А и филм С7).ТАТСА се деформисала са ширењем и контракцијом грудног коша, што је резултирало електричним излазом.Добијени таласни облик је верификован на слици 5Б.Сигнал са великим флуктуацијама (амплитуда од 1,8 В) и периодичним променама (фреквенција од 0,5 Хз) одговарао је респираторном кретању.Релативно мали сигнал флуктуације био је суперпонован на овај велики сигнал флуктуације, који је био сигнал откуцаја срца.У складу са фреквенцијским карактеристикама сигнала дисања и откуцаја срца, користили смо 0,8-Хз нископропусни филтер и 0,8- до 20-Хз филтер опсега за одвајање респираторних и срчаних сигнала, респективно, као што је приказано на слици 5Ц .У овом случају, стабилни респираторни и пулсни сигнали са обиљем физиолошких информација (као што су брзина дисања, брзина откуцаја срца и карактеристике пулсног таласа) добијени су истовремено и прецизно једноставним стављањем једне ТАТСА на грудни кош.
(А) Фотографија која приказује дисплеј ТАТСА постављеног на груди за мерење сигнала притиска повезаног са дисањем.(Б) Графикон напона и времена за ТАТСА монтирану на сандук.(Ц) Разлагање сигнала (Б) на откуцаје срца и респираторни талас.(Д) Фотографија која приказује два ТАТСА-а постављена на стомак и зглоб за мерење дисања и пулса, респективно, током спавања.(Е) Респираторни и пулсни сигнали здравог учесника.ХР, откуцаји срца;БПМ, откуцаји у минути.(Ф) Респираторни и пулсни сигнали учесника САС.(Г) Респираторни сигнал и ПТТ здравог учесника.(Х) Респираторни сигнал и ПТТ учесника САС.(И) Однос између ПТТ индекса узбуђења и индекса апнеје-хипопнеје (АХИ).Фотографија: Вењинг Фан, Универзитет Цхонгкинг.
Да бисмо доказали да наш сензор може прецизно и поуздано да прати пулсне и респираторне сигнале, извели смо експеримент да упоредимо резултате мерења пулса и сигнала дисања између наших ТАТСА и стандардног медицинског инструмента (МХМ-6000Б), како је објашњено у филмовима С8. и С9.У мерењу пулсног таласа, фотоелектрични сензор медицинског инструмента је ношен на левом кажипрсту младе девојке, а у међувремену је наша ТАТСА носила на њеном десном кажипрсту.Из два добијена таласна облика пулса, можемо видети да су њихове контуре и детаљи били идентични, што указује да је пулс који је измерио ТАТСА прецизан као и онај помоћу медицинског инструмента.У мерењу таласа дисања, пет електрокардиографских електрода је причвршћено на пет места на телу младића према медицинском упутству.Насупрот томе, само једна ТАТСА је била директно везана за тело и причвршћена око груди.Из прикупљених респираторних сигнала може се видети да су тенденција варијације и брзина детектованог респираторног сигнала од стране нашег ТАТСА били у складу са оним на медицинском инструменту.Ова два експеримента поређења потврдила су тачност, поузданост и једноставност нашег сензорског система за праћење пулсних и респираторних сигнала.
Штавише, направили смо комад паметне одеће и сашили два ТАТСА на положајима стомака и зглоба за праћење респираторних и пулсних сигнала.Конкретно, развијени двоканални ВМХМС је коришћен за истовремено хватање пулсних и респираторних сигнала.Преко овог система смо добили респираторне и пулсне сигнале 25-годишњег мушкарца обученог у нашу паметну одећу док спава (слика 5Д и филм С10) и седећи (слика С26 и филм С11).Добијени респираторни и пулсни сигнали могу се бежично пренети на АПП мобилног телефона.Као што је горе поменуто, ТАТСА има способност да ухвати респираторне и пулсне сигнале.Ова два физиолошка сигнала су такође критеријуми за медицинску процену САС.Стога се наша ТАТСА такође може користити за праћење и процену квалитета сна и повезаних поремећаја спавања.Као што је приказано на слици 5 (Е и Ф, респективно), континуирано смо мерили пулс и респираторни талас два учесника, здравог и пацијента са САС.За особу без апнеје, измерене брзине дисања и пулса остале су стабилне на 15 и 70, респективно.Код пацијената са САС уочена је изразита апнеја у трајању од 24 с, што је индикација опструктивног респираторног догађаја, а број откуцаја срца је благо повећан након периода апнеје због регулације нервног система (49).Укратко, наш ТАТСА може проценити респираторни статус.
Да бисмо даље проценили тип САС кроз пулсне и респираторне сигнале, анализирали смо време пролаза пулса (ПТТ), неинвазивни индикатор који одражава промене периферног васкуларног отпора и интраторакалног притиска (дефинисан у одељку С1) здравог мушкарца и пацијента са САС.За здравог учесника, брзина дисања је остала непромењена, а ПТТ је био релативно стабилан од 180 до 310 мс (слика 5Г).Међутим, за учесника САС, ПТТ се континуирано повећавао са 120 на 310 мс током апнеје (слика 5Х).Дакле, учеснику је дијагностикован опструктивни САС (ОСАС).Ако би се промена ПТТ смањила током апнеје, тада би се стање одредило као синдром централне апнеје у сну (ЦСАС), а ако би оба ова два симптома постојала истовремено, онда би се дијагностиковало као мешовити САС (МСАС).Да бисмо проценили озбиљност САС-а, даље смо анализирали прикупљене сигнале.Индекс ПТТ узбуђења, који представља број ПТТ узбуђења на сат (ПТТ узбуђење се дефинише као пад ПТТ-а од ≥15 мс који траје ≥3 с), игра виталну улогу у процени степена САС.Индекс апнеје-хипопнеје (АХИ) је стандард за одређивање степена САС (апнеја је престанак дисања, а хипопнеја је претерано плитко дисање или абнормално ниска брзина дисања), који се дефинише као број апнеја и хипопнеја по сат док спава (однос између АХИ и критеријума оцењивања за ОСАС је приказан у табели С2).Да би се истражио однос између АХИ и ПТТ индекса узбуђења, респираторни сигнали 20 пацијената са САС су одабрани и анализирани са ТАТСА.Као што је приказано на слици 5И, ПТТ индекс узбуђења је у позитивној корелацији са АХИ, пошто апнеја и хипопнеја током спавања изазивају очигледно и пролазно повећање крвног притиска, што доводи до смањења ПТТ.Стога, наш ТАТСА може истовремено да добије стабилне и тачне пулсне и респираторне сигнале, пружајући тако важне физиолошке информације о кардиоваскуларном систему и САС за праћење и процену сродних болести.
Укратко, развили смо ТАТСА користећи цео кардиган шав да бисмо истовремено открили различите физиолошке сигнале.Овај сензор је имао високу осетљивост од 7,84 мВ Па−1, брзо време одзива од 20 мс, високу стабилност од преко 100.000 циклуса и широк опсег радне фреквенције.На основу ТАТСА-е развијен је и ВМХМС за пренос измерених физиолошких параметара на мобилни телефон.ТАТСА се може уградити у различите локације одеће за естетски дизајн и користити за истовремено праћење пулсних и респираторних сигнала у реалном времену.Систем се може применити да помогне у разликовању здравих појединаца од оних са ЦАД или САС-ом због своје способности да прикупи детаљне информације.Ова студија је пружила удобан, ефикасан и једноставан приступ за мерење људског пулса и дисања, што представља напредак у развоју текстилне електронике за ношење.
Нерђајући челик је више пута пролазио кроз калуп и растезао да би се формирало влакно пречника 10 μм.Влакно од нерђајућег челика као електрода је уметнуто у неколико комада комерцијалних једнослојних териленских предива.
Генератор функција (Станфорд ДС345) и појачало (ЛабворкПа-13) коришћени су за обезбеђивање сигнала синусоидног притиска.Сензор силе двоструког опсега (Верниер Софтваре & Тецхнологи ЛЛЦ) је коришћен за мерење спољашњег притиска примењеног на ТАТСА.Електрометар Кеитхлеи система (Кеитхлеи 6514) је коришћен за праћење и снимање излазног напона и струје ТАТСА.
Према ААТЦЦ методи тестирања 135-2017, користили смо ТАТСА и довољно баласта као терет од 1,8 кг, а затим их ставили у комерцијалну машину за прање веша (Лабтек ЛБТ-М6Т) за обављање деликатних циклуса машинског прања.Затим смо машину за прање рубља напунили са 18 галона воде на 25°Ц и подесили машину за одабрани циклус прања и време (брзина мешања, 119 потеза у минути; време прања, 6 мин; коначна брзина центрифуге, 430 о/мин; коначна брзина време центрифуге, 3 мин).Најзад, ТАТСА је окачена сувом на мирном ваздуху на собној температури не вишој од 26°Ц.
Испитаницима је наложено да леже у лежећем положају на кревету.ТАТСА је постављена на мерним местима.Када су субјекти били у стандардном лежећем положају, одржавали су потпуно опуштено стање 5 до 10 минута.Тада је пулсни сигнал почео да мери.
Додатни материјал за овај чланак доступан је на хттпс://адванцес.сциенцемаг.орг/цги/цонтент/фулл/6/11/еааи2840/ДЦ1
Слика С9.Резултат симулације расподеле силе ТАТСА под примењеним притисцима од 0,2 кПа коришћењем софтвера ЦОМСОЛ.
Слика С10.Резултати симулације расподеле силе контактне јединице под примењеним притисцима од 0,2 и 2 кПа, респективно.
Слика С11.Комплетне шематске илустрације преноса наелектрисања контактне јединице у условима кратког споја.
Слика С13.Континуирани излазни напон и струја ТАТСА као одговор на континуирано примењен спољни притисак у циклусу мерења.
Слика С14.Одзив напона на различит број јединица петље у истој области тканине када се број петље држи непромењеним у смеру хода.
Слика С15.Поређење између излазних перформанси два текстилна сензора који користе цео кардиган шав и обичан шав.
Слика С16.Графикони који приказују фреквентне одзиве при динамичком притиску од 1 кПа и улазној фреквенцији притиска од 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 и 20 Хз.
Слика С25.Излазни напони сензора када је субјект био у статичним и покретним условима.
Слика С26.Фотографија која приказује ТАТСА постављене на стомак и зглоб истовремено за мерење дисања и пулса, респективно.
Ово је чланак отвореног приступа који се дистрибуира под условима лиценце Цреативе Цоммонс Аттрибутион-НонЦоммерциал, која дозвољава употребу, дистрибуцију и репродукцију у било ком медију, све док резултирајућа употреба није у комерцијалне сврхе и под условом да је оригинално дело исправно навео.
НАПОМЕНА: Вашу адресу е-поште захтевамо само да би особа којој препоручујете страницу знала да сте желели да је види и да то није нежељена пошта.Не хватамо ниједну адресу е-поште.
Аутори Вењинг Фан, Кианг Хе, Кеиу Менг, Ксулонг Тан, Зхихао Зхоу, Гаокианг Зханг, Јин Ианг, Зхонг Лин Ванг
За праћење здравља развијен је трибоелектрични потпуно текстилни сензор са високом осетљивошћу на притисак и комфором.
Аутори Вењинг Фан, Кианг Хе, Кеиу Менг, Ксулонг Тан, Зхихао Зхоу, Гаокианг Зханг, Јин Ианг, Зхонг Лин Ванг
За праћење здравља развијен је трибоелектрични потпуно текстилни сензор са високом осетљивошћу на притисак и комфором.
© 2020 Америчко удружење за унапређење науке.Сва права задржана.АААС је партнер ХИНАРИ, АГОРА, ОАРЕ, ЦХОРУС, ЦЛОЦКСС, ЦроссРеф и ЦОУНТЕР.Сциенце Адванцес ИССН 2375-2548.
Време поста: 27.03.2020