Éléktronik tékstil anu tiasa dianggo pisan dipikahoyong pikeun ngawujudkeun manajemén kaséhatan pribadi.Tapi, lolobana éléktronik tékstil dilaporkeun bisa boh périodik nargétkeun hiji sinyal fisiologis tunggal atawa sono rinci eksplisit sinyal, ngarah ka assessment kaséhatan parsial.Saterusna, tékstil jeung sipat alus teuing jeung kanyamanan tetep tangtangan.Di dieu, kami ngalaporkeun sénsor sadaya-tékstil triboelectric kalayan sensitipitas tekanan tinggi sareng kanyamanan.Éta nunjukkeun sensitipitas tekanan (7,84 mV Pa−1), waktos réspon gancang (20 mdet), stabilitas (> 100,000 siklus), lebar bandwidth frekuensi kerja (dugi ka 20 Hz), sareng kasabaan mesin (> 40 cuci).TATSAs anu didamel dijahit kana bagian-bagian baju anu béda pikeun ngawas gelombang pulsa arteri sareng sinyal pernapasan sakaligus.Urang salajengna ngembangkeun sistem monitoring kaséhatan pikeun assessment jangka panjang sarta noninvasive kasakit cardiovascular jeung sindrom apnea sare, nu némbongkeun kamajuan hébat pikeun analisis kuantitatif sababaraha kasakit kronis.
Éléktronik anu tiasa dianggo ngagambarkeun kasempetan anu pikaresepeun kusabab aplikasi anu ngajangjikeun dina ubar pribadi.Éta tiasa ngawas kaayaan kaséhatan individu sacara kontinyu, sacara real-time, sareng henteu invasif (1-11).Pulsa jeung réspirasi, salaku dua komponén indispensable tina tanda vital, bisa nyadiakeun duanana hiji assessment akurat ngeunaan kaayaan fisiologis jeung wawasan luar biasa kana diagnosis jeung prognosis kasakit patali (12-21).Nepi ka ayeuna, kalolobaan éléktronika anu tiasa dianggo pikeun ngadeteksi sinyal fisiologis halus dumasar kana substrat ultrathin sapertos poliétilén terephthalate, polydimethylsiloxane, polimida, kaca, sareng silikon (22-26).Kelemahan substrat ieu pikeun dianggo dina kulit nyaéta dina bentuk planar sareng kaku.Hasilna, pita, Band-Aids, atawa fixtures mékanis séjén diperlukeun pikeun nyieun kontak kompak antara éléktronika wearable jeung kulit manusa, nu bisa ngabalukarkeun iritasi jeung kasulitan salila période nambahan pamakéan (27, 28).Leuwih ti éta, substrat ieu boga perméabilitas hawa goréng, hasilna ngarareunah lamun dipaké pikeun jangka panjang, monitoring kaséhatan kontinyu.Pikeun ngirangan masalah anu disebatkeun dina perawatan kaséhatan, khususna dina panggunaan sapopoé, tékstil pinter nawiskeun solusi anu tiasa dipercaya.Tekstil ieu ngagaduhan ciri lemes, beurat hampang, sareng breathability sareng, ku kituna, poténsial pikeun ngawujudkeun kanyamanan dina éléktronika anu tiasa dianggo.Dina taun anyar, endeavors intensif geus devoted pikeun ngembangkeun sistem basis tékstil dina sensor sénsitip, Panén énergi, jeung neundeun (29-39).Khususna, panalungtikan anu suksés parantos dilaporkeun ngeunaan serat optik, piezoelektrik, sareng tékstil pinter dumasar résistivitas anu diterapkeun dina ngawaskeun sinyal pulsa sareng pernapasan (40-43).Nanging, tékstil pinter ieu biasana gaduh sensitipitas anu handap sareng parameter ngawaskeun tunggal sareng henteu tiasa diproduksi dina skala ageung (tabel S1).Dina hal pangukuran pulsa, inpormasi lengkep hese direbut kusabab turun naek pulsa anu samar sareng gancang (contona, titik fiturna), sahingga, sensitipitas anu luhur sareng kinerja réspon frekuensi anu pas diperyogikeun.
Dina ulikan ieu, urang ngenalkeun triboelectric sadaya-tékstil sensor Asép Sunandar Sunarya (TATSA) kalawan sensitipitas tinggi pikeun épidermal tekanan halus motret, knitted kalawan conductive sarta benang nilon dina stitch cardigan pinuh.TATSA tiasa nyayogikeun sensitipitas tekanan anu luhur (7.84 mV Pa−1), waktos réspon gancang (20 mdet), stabilitas (> 100,000 siklus), lebar lebar frekuensi kerja (dugi ka 20 Hz), sareng mesin cuci (> 40 cuci).Éta sanggup ngahijikeun dirina sacara gampang kana baju kalayan kawijaksanaan, kanyamanan, sareng daya tarik éstétika.Utamana, TATSA urang bisa langsung diasupkeun kana situs béda tina lawon nu pakait jeung gelombang pulsa dina beuheung, pigeulang, fingertip, sarta ankle posisi jeung ka gelombang engapan dina beuteung jeung dada.Pikeun meunteun kinerja TATSA anu saé sacara real-time sareng ngawaskeun kaséhatan jarak jauh, kami ngembangkeun sistem ngawaskeun kaséhatan cerdas pribadi pikeun terus-terusan nampi sareng nyimpen sinyal fisiologis pikeun analisa panyakit kardiovaskular (CAD) sareng penilaian sindrom apnea sare (SAS). ).
Salaku digambarkeun dina Gbr. 1A, dua TATSAs anu stitched kana cuff na dada kaos pikeun ngaktipkeun ngawas dinamis sarta simultaneous tina pulsa jeung sinyal engapan, mungguh.Sinyal fisiologis ieu dikirimkeun sacara nirkabel ka aplikasi terminal mobile calakan (APP) pikeun analisis salajengna ngeunaan status kaséhatan.Gambar 1B nembongkeun TATSA stitched kana salembar lawon, sarta inset nembongkeun pintonan enlarged tina TATSA, nu ieu knitted ngagunakeun benang conductive karakteristik jeung benang nilon komérsial babarengan dina stitch cardigan pinuh.Dibandingkeun jeung stitch polos fundamental, métode nyulam paling umum tur dasar, stitch cardigan pinuh dipilih sabab kontak antara sirah loop tina benang conductive sarta meungkeut keun stitch sirah tina benang nilon (gbr. S1) mangrupa permukaan. tinimbang kontak titik, ngarah ka wewengkon akting gedé pikeun éfék triboelectric tinggi.Nyiapkeun benang conductive, kami milih stainless steel salaku serat inti tetep, sarta sababaraha potongan hiji-ply Terylene yarns anu twisted sabudeureun serat inti kana hiji benang conductive kalayan diaméter 0,2 mm (gbr. S2), nu dilayanan salaku boh permukaan éléktrifikasi boh éléktroda konduktor.Benang nilon, nu miboga diaméter 0,15 mm sarta dilayanan salaku beungeut electrification sejen, miboga gaya tensile kuat sabab ieu twisted ku yarns incomputable (gbr. S3).Gambar 1 (C jeung D, masing-masing) nembongkeun poto tina benang conductive fabricated jeung benang nilon.The insets nembongkeun masing-masing scanning electron microscopy (SEM) gambar, nu nampilkeun cross section has tina benang conductive jeung beungeut benang nilon.Kakuatan tegangan tinggi tina benang conductive sareng nilon mastikeun kamampuan anyamanna dina mesin industri pikeun ngajaga kinerja seragam sadaya sensor.Ditémbongkeun saperti dina Gbr. 1E, benang conductive, benang nilon, jeung benang biasa ieu tatu onto congcot masing-masing, nu lajeng dimuat kana mesin nyulam datar komputerisasi industri pikeun anyaman otomatis (pilem S1).Ditémbongkeun saperti dina Gbr.S4, sababaraha TATSA dirajut sareng lawon biasa nganggo mesin industri.TATSA tunggal kalayan ketebalan 0,85 mm sareng beurat 0,28 g tiasa disaluyukeun tina sadayana struktur pikeun panggunaan individu, nunjukkeun kasaluyuan anu saé sareng lawon sanés.Sajaba ti éta, TATSAs bisa dirancang dina sagala rupa kelir pikeun minuhan sarat estetika jeung fashionable kusabab diversity of yarns nilon komérsial (Gbr. 1F jeung Gbr. S5).TATSAs nu fabricated boga softness alus teuing jeung kapasitas nahan bending kasar atawa deformasi (gbr. S6).Gambar 1G nunjukkeun TATSA dijahit langsung kana beuteung sareng cuff baju haneut.Prosés nyulam baju haneut ditémbongkeun dina Gbr.S7 jeung pilem S2.Rincian sisi hareup sareng tukang tina TATSA anu manjang dina posisi beuteung dipidangkeun dina Gbr.S8 (A sareng B, masing-masing), sareng posisi benang konduktif sareng benang nilon digambarkeun dina Gbr.S8C.Ieu tiasa ditingali yén TATSA tiasa dipasang dina lawon biasa sacara lancar pikeun penampilan anu wijaksana sareng pinter.
(A) Dua TATSA dihijikeun kana kaos pikeun ngawaskeun pulsa sareng sinyal pernapasan sacara real waktos.(B) Ilustrasi skematis tina kombinasi TATSA sareng baju.Inset nembongkeun view enlarged tina sensor.(C) Poto tina benang conductive (skala bar, 4 cm).Inset nyaéta gambar SEM tina bagian melintang tina benang conductive (skala bar, 100 μm), nu diwangun ku stainless steel sarta Terylene yarns.(D) Poto tina benang nilon (skala bar, 4 cm).Inset nyaéta gambar SEM tina permukaan benang nilon (skala bar, 100 μm).(E) Gambar tina mesin nyulam datar komputerisasi mawa kaluar anyaman otomatis tina TATSAs.(F) Poto TATSAs dina kelir béda (skala bar, 2 cm).Insetna nyaéta TATSA twisted, anu nunjukkeun kelembutan anu saé.(G) Poto dua TATSA lengkep sareng mulus dijahit kana baju haneut.Kiridit poto: Wenjing Fan, Universitas Chongqing.
Pikeun nganalisis mékanisme kerja TATSA, kalebet sipat mékanis sareng listrikna, kami ngawangun modél nyulam geometri TATSA, sapertos anu dipidangkeun dina Gbr. 2A.Ngagunakeun stitch cardigan pinuh, anu conductive sarta nilon yarns interlocked dina bentuk unit loop dina kursus na arah wale.Struktur loop tunggal (gbr. S1) diwangun ku sirah loop, panangan loop, bagian iga-pameuntasan, keun panangan stitch, sarta keun stitch sirah.Dua bentuk permukaan kontak antara dua benang béda bisa kapanggih: (i) permukaan kontak antara sirah loop tina benang conductive jeung keun stitch sirah benang nilon jeung (ii) beungeut kontak antara sirah loop tina benang nilon. benang nilon jeung sirah tuck stitch tina benang conductive.
(A) The TATSA kalawan hareup, katuhu, jeung sisi luhur tina loop knit.(B) Hasil simulasi distribusi gaya TATSA dina tekanan anu diterapkeun 2 kPa nganggo parangkat lunak COMSOL.(C) Ilustrasi skéma tina mindahkeun muatan tina hiji unit kontak dina kaayaan pondok-circuit.(D) Hasil simulasi distribusi muatan hiji unit kontak dina kaayaan sirkuit kabuka ngagunakeun software COMSOL.
Prinsip kerja TATSA tiasa dipedar dina dua aspék: stimulasi gaya éksternal sareng muatan induksi na.Pikeun intuisi ngartos sebaran stress dina respon kana rangsangan gaya éksternal, kami dipaké analisis unsur terhingga ngagunakeun software COMSOL dina gaya éksternal béda 2 jeung 0,2 kPa, sakumaha mungguh ditémbongkeun dina Gbr. 2B jeung Gbr.S9.Stress nembongan dina surfaces kontak dua yarns.Ditémbongkeun saperti dina Gbr.S10, kami dianggap dua unit loop pikeun netelakeun sebaran stress.Dina ngabandingkeun sebaran stress dina dua gaya éksternal béda, stress dina surfaces tina conductive sarta benang nilon naek kalawan ngaronjat gaya éksternal, hasilna kontak sarta Tonjolan antara dua benang.Sakali gaya éksternal dileupaskeun, dua yarns misahkeun sarta mindahkeun jauh ti unggal lianna.
Gerakan kontak-separation antara benang conductive jeung benang nilon dipicuna mindahkeun muatan, nu ieu attributed ka ditéang jeung triboelectrification jeung induksi éléktrostatik.Pikeun netelakeun prosés ngahasilkeun listrik, urang nganalisis bagian cross wewengkon mana dua yarns kontak saling (Gbr. 2C1).Sakumaha anu dipidangkeun dina Gbr. 2 (C2 sareng C3, masing-masing), nalika TATSA dirangsang ku gaya éksternal sareng dua benang kontak saling, éléktrifikasi lumangsung dina permukaan benang conductive sareng nilon, sareng biaya anu sami sareng sabalikna. polaritasna dihasilkeun dina beungeut dua yarns.Sakali dua yarns misahkeun, muatan positif anu ngainduksi dina stainless steel jero kusabab pangaruh induksi éléktrostatik.The schematic lengkep ditémbongkeun dina Gbr.S11.Pikeun acquire pamahaman leuwih kuantitatif tina prosés ngahasilkeun listrik, urang simulated sebaran poténsi TATSA ngagunakeun software COMSOL (Gbr. 2D).Nalika dua bahan dina kontak, muatan utamana ngumpulkeun dina bahan gesekan, sarta ngan jumlah leutik muatan ngainduksi hadir dina éléktroda, hasilna potensi leutik (Gbr. 2D, handap).Nalika dua bahan dipisahkeun (Gbr. 2D, luhur), muatan ngainduksi dina éléktroda naek kusabab béda poténsial, sarta poténsi pakait nambahan, nu nembongkeun hiji saluyu alus antara hasil diala tina percobaan jeung nu ti simulasi. .Salaku tambahan, saprak éléktroda konduktor tina TATSA dibungkus dina benang Terylene sareng kulitna aya hubunganana sareng dua bahan gesekan, ku kituna, nalika TATSA dianggo langsung kana kulit, muatanna gumantung kana gaya luar sareng moal aya. jadi lemah ku kulit.
Pikeun ciri kinerja TATSA kami dina sagala rupa aspék, kami nyadiakeun sistem pangukuran ngandung generator fungsi, power amplifier, shaker éléktrodinamika, gaya gauge, electrometer, sarta komputer (gbr. S12).Sistim ieu ngahasilkeun tekanan dinamis éksternal nepi ka 7 kPa.Dina ékspérimén, TATSA disimpen dina lambaran plastik datar dina kaayaan bébas, sareng sinyal listrik kaluaran dirékam ku éléktrométer.
Spésifikasi tina benang conductive sareng nilon mangaruhan kinerja kaluaran TATSA sabab nangtukeun permukaan kontak sareng kapasitas pikeun ningali tekanan éksternal.Pikeun nalungtik ieu, urang fabricated tilu ukuran tina dua benang, masing-masing: benang conductive kalayan ukuran 150D / 3, 210D / 3, sarta 250D / 3 sarta benang nilon kalayan ukuran 150D / 6, 210D / 6, sarta 250D. /6 (D, denier; hijian ukuran dipaké pikeun nangtukeun ketebalan serat tina benang individu; fabrics kalawan count denier tinggi condong jadi kandel).Lajeng, urang milih dua yarns ieu kalawan ukuran béda pikeun knit kana sensor, sarta diménsi TATSA ieu diteundeun dina 3 cm ku 3 cm kalawan jumlah loop 16 arah wale sarta 10 arah tangtu.Ku kituna, sensor kalawan salapan pola nyulam dicandak.Sensor ku benang konduktif ukuran 150D/3 sareng benang nilon ukuran 150D/6 paling ipis, sareng sensor ku benang konduktif ukuran 250D/3 sareng benang nilon ukuran 250D/ 6 éta kandel.Dina éksitasi mékanis 0,1 nepi ka 7 kPa, kaluaran listrik pikeun pola ieu sacara sistematis ditalungtik sarta diuji, ditémbongkeun saperti dina Gbr. 3A.Tegangan kaluaran tina salapan TATSAs ngaronjat ku ngaronjat tekanan dilarapkeun, ti 0,1 nepi ka 4 kPa.Husus, sadaya pola nyulam, spésifikasi tina 210D / 3 benang conductive sarta 210D / 6 benang nilon dikirimkeun kaluaran listrik pangluhurna sarta exhibited sensitipitas pangluhurna.Tegangan kaluaran nunjukkeun tren anu ningkat kalayan ningkatna ketebalan TATSA (kusabab permukaan kontak anu cekap) dugi ka TATSA dirajut nganggo benang konduktif 210D / 3 sareng benang nilon 210D / 6.Salaku nambahan salajengna dina ketebalan bakal ngakibatkeun nyerep tekanan éksternal ku benang, tegangan kaluaran turun sasuai.Saterusna, éta dicatet yén di wewengkon-tekanan low (<4 kPa), variasi linier well-behaved dina tegangan kaluaran jeung tekanan masihan sensitipitas tekanan unggul 7,84 mV Pa-1.Di wewengkon-tekanan luhur (> 4 kPa), sensitipitas tekanan handap 0,31 mV Pa−1 ieu ékspériméntal observasi kusabab jenuh wewengkon gesekan éféktif.Sensitipitas tekanan anu sami ditingalikeun nalika prosés sabalikna tina nerapkeun gaya.Propil waktos beton tina tegangan kaluaran sareng arus dina tekanan anu béda dibere dina Gbr.S13 (A jeung B, mungguh).
(A) Tegangan kaluaran dina salapan pola nyulam tina benang conductive (150D/3, 210D/3, jeung 250D/3) digabungkeun jeung benang nilon (150D/6, 210D/6, jeung 250D/6).(B) réspon tegangan kana rupa-rupa jumlah unit loop di wewengkon lawon sarua nalika ngajaga angka loop dina arah wale unchanged.(C) Plot anu nunjukkeun réspon frékuénsi dina tekanan dinamis 1 kPa sareng frékuénsi input tekanan 1 Hz.(D) Béda kaluaran sareng tegangan arus dina frékuénsi 1, 5, 10, sareng 20 Hz.(E) Uji daya tahan TATSA dina tekanan 1 kPa.(F) Kaluaran ciri tina TATSA sanggeus ngumbah 20 jeung 40 kali.
Sensitipitas sareng tegangan kaluaran ogé dipangaruhan ku dénsitas jahitan TATSA, anu ditangtukeun ku jumlah total puteran dina daérah lawon anu diukur.Paningkatan dina dénsitas stitch bakal ngakibatkeun compactness gede tina struktur lawon.Gambar 3B nunjukkeun pagelaran kaluaran dina nomer loop anu béda dina daérah tékstil 3 cm ku 3 cm, sareng inset nunjukkeun struktur unit loop (urang tetep nomer loop dina arah kursus di 10, sareng nomer loop dina arahna nyaéta 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, jeung 26).Ku ngaronjatna jumlah loop, tegangan kaluaran mimiti némbongkeun hiji trend ngaronjatna kusabab ngaronjatna permukaan kontak, nepi ka puncak tegangan kaluaran maksimum 7,5 V kalawan jumlah loop 180. Saatos titik ieu, tegangan kaluaran nuturkeun trend nurun sabab TATSA janten ketat, sarta dua yarns miboga spasi kontak-separation ngurangan.Pikeun ngajalajah arah mana dénsitas gaduh dampak anu ageung dina kaluaran, urang tetep nomer loop tina TATSA dina arah wale 18, sareng nomer loop dina arah kursus diatur janten 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, jeung 14. Tegangan kaluaran saluyu ditémbongkeun dina Gbr.S14.Ku ngabandingkeun, urang bisa nempo yén dénsitas arah tangtu boga pangaruh gede dina tegangan kaluaran.Hasilna, pola nyulam tina 210D / 3 benang conductive jeung 210D / 6 benang nilon jeung 180 unit loop dipilih pikeun knit TATSA sanggeus evaluasi komprehensif ngeunaan ciri kaluaran.Salajengna, urang ngabandingkeun sinyal kaluaran dua sénsor tékstil nganggo jahitan kardigan lengkep sareng jahitan polos.Ditémbongkeun saperti dina Gbr.S15, kaluaran listrik sareng sensitipitas nganggo jahitan kardigan pinuh langkung luhur tibatan anu nganggo jahitan polos.
Waktu respon pikeun ngawas sinyal real-time diukur.Pikeun nalungtik waktu respon sensor kami ka gaya éksternal, urang ngabandingkeun sinyal tegangan kaluaran jeung inputs tekanan dinamis dina frékuénsi 1 nepi ka 20 Hz (Gbr. 3C jeung Gbr. S16, mungguh).Bentuk gelombang tegangan kaluaran ampir sarua jeung gelombang tekanan sinusoida input dina tekenan 1 kPa, sarta bentuk gelombang kaluaran miboga waktu respon gancang (kira-kira 20 mdet).Hysteresis ieu bisa jadi attributed ka struktur elastis teu sanggeus balik ka kaayaan aslina pas mungkin sanggeus narima gaya éksternal.Sanajan kitu, histeresis leutik ieu bisa ditarima keur monitoring real-time.Pikeun ménta tekanan dinamis kalawan rentang frékuénsi tangtu, respon frékuénsi luyu TATSA diperkirakeun.Ku kituna, karakteristik frékuénsi TATSA ogé diuji.Ku ngaronjatna frékuénsi seru éksternal, amplitudo tegangan kaluaran tetep ampir unchanged, sedengkeun amplitudo arus ngaronjat nalika frékuénsi ngetok variatif ti 1 nepi ka 20 Hz (Gbr. 3D).
Pikeun meunteun kabisaulangan, stabilitas, sareng daya tahan TATSA, kami nguji tegangan kaluaran sareng réspon ayeuna kana siklus beban-turunkeun tekanan.Tekanan 1 kPa kalayan frékuénsi 5 Hz diterapkeun kana sénsor.Puncak-ka-puncak tegangan jeung ayeuna kacatet sanggeus 100.000 loading-unloading siklus (Gbr. 3E jeung Gbr. S17, mungguh).The enlarged pintonan tegangan jeung gelombang ayeuna ditémbongkeun dina inset Gbr. 3E na Gbr.S17 masing-masing.Hasilna nembongkeun kaulangan anu luar biasa, stabilitas, sareng daya tahan TATSA.Washability ogé mangrupikeun kriteria penilaian penting tina TATSA salaku alat sadaya-tékstil.Pikeun ngira-ngira kamampuan cuci, kami nguji tegangan kaluaran sénsor saatos kami ngumbah mesin TATSA numutkeun Metode Uji Amérika Association of Textile Chemists and Colorists (AATCC) 135-2017.Prosedur cuci lengkep dijelaskeun dina Bahan sareng Métode.Ditémbongkeun saperti dina Gbr. 3F, kaluaran listrik kacatet saatos ngumbah 20 kali sareng 40 kali, anu nunjukkeun yén teu aya parobahan anu béda dina tegangan kaluaran sapanjang tés cuci.Hasil ieu marios kabébasan anu luar biasa tina TATSA.Salaku sensor tékstil wearable, urang ogé digali kinerja kaluaran nalika TATSA éta dina tensile (Gbr. S18), twisted (Gbr. S19), sarta asor béda (Gbr. S20) kaayaan.
Atas dasar seueur kauntungan tina TATSA anu ditingalikeun di luhur, kami ngembangkeun sistem ngawaskeun kaséhatan sélulér nirkabel (WMHMS), anu ngagaduhan kamampuan pikeun terus-terusan nampi sinyal fisiologis teras masihan naséhat profésional pikeun pasien.Gambar 4A nembongkeun diagram skéma WMHMS dumasar kana TATSA.Sistem ieu ngagaduhan opat komponén: TATSA pikeun nyandak sinyal fisiologis analog, sirkuit udar analog sareng saringan low-pass (MAX7427) sareng panguat (MAX4465) pikeun mastikeun detil anu cekap sareng sinkronisasi sinyal anu saé, analog-to-digital. converter dumasar kana Unit mikrokontroler pikeun ngumpulkeun sarta ngarobah sinyal analog kana sinyal digital, sarta modul Bluetooth (CC2640 low-daya chip Bluetooth) pikeun ngirimkeun sinyal digital ka aplikasi terminal handphone (APP; Huawei Honor 9).Dina ulikan ieu, urang stitched TATSA seamlessly kana renda, wristband, fingerstall, sarta sock, ditémbongkeun saperti dina Gbr. 4B.
(A) Ilustrasi tina WMHMS.(B) Poto tina TATSAs stitched kana wristband, fingerstall, kaos kaki, jeung tali dada, masing-masing.Ukur pulsa dina beuheung (C1), (D1) pigeulang, (E1) ujung ramo, sareng (F1) ankle.Bentuk gelombang pulsa dina (C2) beuheung, (D2) pigeulang, (E2) fingertip, jeung (F2) ankle.(G) Gelombang pulsa tina umur anu béda.(H) Analisis gelombang pulsa tunggal.indéks augmentation radial (AIx) diartikeun AIx (%) = P2 / P1.P1 nyaéta puncak gelombang maju, sareng P2 nyaéta puncak gelombang anu dipantulkeun.(I) Siklus pulsa brachial sareng ankle.Laju gelombang pulsa (PWV) dihartikeun PWV = D/∆T.D nyaéta jarak antara ankle jeung brachial.∆T nyaéta waktu reureuh antara puncak ankle jeung gelombang pulsa brachial.PTT, waktos transit pulsa.(J) Babandingan AIx na brachial-ankle PWV (BAPWV) antara cageur sarta CADs.* P <0,01, ** P <0,001, jeung *** P <0,05.HTN, hipertensi;CHD, panyakit jantung koronér;DM, diabetes mellitus.Kiridit poto: Jin Yang, Universitas Chongqing.
Pikeun ngawas sinyal pulsa tina bagian awak manusa béda, urang napel hiasan disebut tadi kalawan TATSAs kana posisi pakait: beuheung (Gbr. 4C1), pigeulang (Gbr. 4D1), fingertip (Gbr. 4E1), sarta ankle (Gbr. 4F1). ), sakumaha dijelaskeun dina pilem S3 nepi ka S6.Dina ubar, aya tilu titik fitur penting dina gelombang pulsa: puncak gelombang maju P1, puncak gelombang reflected P2, sarta puncak gelombang dicrotic P3.Karakteristik titik fitur ieu ngagambarkeun kaayaan kaséhatan élastisitas arteri, résistansi periferal, sareng kontraksi ventrikel kénca anu aya hubunganana sareng sistem kardiovaskular.Gelombang pulsa awéwé umur 25 taun dina opat posisi di luhur dicandak sareng kacatet dina uji kami.Catet yén tilu titik fitur anu tiasa dibédakeun (P1 ka P3) dititénan dina bentuk gelombang pulsa dina beuheung, pigeulang, sareng posisi fingertip, sapertos anu dipidangkeun dina Gbr. 4 (C2 ka E2).Sabalikna, ngan ukur P1 sareng P3 muncul dina bentuk gelombang pulsa dina posisi ankle, sareng P2 henteu aya (Gbr. 4F2).Hasil ieu disababkeun ku superposisi gelombang getih asup anu dikaluarkeun ku véntrikel kénca sareng gelombang anu dipantulkeun tina anggota awak handap (44).Panaliti sateuacana nunjukkeun yén P2 hadir dina bentuk gelombang anu diukur dina extremities luhur tapi henteu dina ankle (45, 46).Kami ningali hasil anu sami dina bentuk gelombang anu diukur sareng TATSA, sapertos anu dipidangkeun dina Gbr.S21, anu nunjukkeun data khas tina populasi 80 pasien anu ditaliti di dieu.Urang tiasa ningali yén P2 henteu muncul dina bentuk gelombang pulsa anu diukur dina ankle, nunjukkeun kamampuan TATSA pikeun ngadeteksi fitur halus dina bentuk gelombang.Hasil pangukuran pulsa ieu nunjukkeun yén WMHMS urang tiasa sacara akurat ngungkabkeun karakteristik gelombang pulsa tina awak luhur sareng handap sareng yén éta langkung unggul tibatan karya anu sanés (41, 47).Pikeun salajengna nunjukkeun yén TATSA urang bisa lega dilarapkeun ka umur béda, urang diukur gelombang pulsa 80 subjék dina umur béda, sarta kami némbongkeun sababaraha data has, ditémbongkeun saperti dina Gbr.S22.Ditémbongkeun saperti dina Gbr. 4G, urang milih tilu pamilon yuswa 25, 45, jeung 65 taun, sarta tilu titik fitur éta atra pikeun pamilon ngora jeung tengah-yuswa.Numutkeun literatur médis (48), karakteristik gelombang pulsa lolobana jalma robah nalika aranjeunna umurna, kayaning leungit titik P2, nu disababkeun ku gelombang reflected dipindahkeun ka hareup pikeun superimpose sorangan dina gelombang advancing ngaliwatan panurunan dina. élastisitas vaskular.Fenomena ieu ogé ditingali dina bentuk gelombang anu kami kumpulkeun, teras mastikeun yén TATSA tiasa diterapkeun kana populasi anu béda.
Gelombang pulsa kapangaruhan henteu ngan ukur ku kaayaan fisiologis individu tapi ogé ku kaayaan tés.Kituna, urang ngukur sinyal pulsa dina tightness kontak béda antara TATSA jeung kulit (gbr. S23) sarta sagala rupa posisi detecting di situs ukur (gbr. S24).Éta tiasa dipendakan yén TATSA tiasa nampi bentuk gelombang pulsa anu konsisten kalayan inpormasi lengkep di sekitar kapal dina daérah deteksi anu efektif di tempat pangukuran.Sajaba ti éta, aya sinyal kaluaran béda dina tightness kontak béda antara TATSA jeung kulit.Salaku tambahan, gerak jalma anu nganggo sénsor bakal mangaruhan sinyal pulsa.Nalika pigeulang subjek dina kaayaan statik, amplitudo gelombang pulsa diala stabil (gbr. S25A);Sabalikna, nalika pigeulang lalaunan gerak dina sudut ti −70° nepi ka 70° salila 30 detik, amplitudo gelombang pulsa bakal turun naek (gbr. S25B).Tapi, kontur unggal gelombang pulsa katingali, sareng laju pulsa masih tiasa dicandak sacara akurat.Jelas, pikeun ngahontal akuisisi gelombang pulsa stabil dina gerak manusa, karya salajengna kaasup desain sensor jeung ngolah sinyal back-tungtung diperlukeun pikeun researched.
Salajengna, pikeun nganalisis sareng ngitung sacara kuantitatif kaayaan sistem kardiovaskular ngaliwatan bentuk gelombang pulsa anu dicandak nganggo TATSA kami, kami ngenalkeun dua parameter hemodinamik dumasar kana spésifikasi penilaian sistem kardiovaskular, nyaéta, indéks augmentasi (AIx) sareng laju gelombang pulsa. (PWV), anu ngagambarkeun élastisitas arteri.Ditémbongkeun saperti dina Gbr. 4H, gelombang pulsa dina posisi pigeulang lalaki cageur 25 taun heubeul dipaké pikeun analisis AIx.Numutkeun rumus (bagian S1), dicandak AIx = 60%, anu mangrupa nilai normal.Teras, urang sakaligus ngumpulkeun dua gelombang pulsa dina posisi panangan sareng ankle pamilon ieu (metode detil pangukuran gelombang pulsa dijelaskeun dina Bahan sareng Métode).Ditémbongkeun saperti dina Gbr. 4I, titik fitur tina dua gelombang pulsa éta béda.Urang teras ngitung PWV nurutkeun rumus (bagian S1).PWV = 1363 cm / s, nu mangrupakeun nilai karakteristik ekspektasi jalu sawawa cageur, dicandak.Di sisi anu sanésna, urang tiasa ningali yén métrik AIx atanapi PWV henteu kapangaruhan ku bédana amplitudo gelombang pulsa, sareng nilai AIx dina bagian awak anu béda-béda rupa-rupa.Dina ulikan urang, AIx radial dipaké.Pikeun pariksa panerapan WMHMS di jalma anu béda, urang milih 20 pamilon dina grup séhat, 20 dina kelompok hipertensi (HTN), 20 dina grup panyakit jantung koronér (CHD) yuswa 50 dugi ka 59 taun, sareng 20 dina grup grup diabetes mellitus (DM).Urang ngukur gelombang pulsa maranéhanana sarta dibandingkeun dua parameter maranéhanana, AIx na PWV, sakumaha dibere dina Gbr. 4J.Bisa kapanggih yén nilai PWV grup HTN, CHD, jeung DM leuwih handap dibandingkeun jeung grup cageur sarta mibanda béda statistik (PHTN ≪ 0.001, PCHD ≪ 0.001, sarta PDM ≪ 0.001; nilai P diitung ku t tés).Samentara éta, nilai AIx tina grup HTN sareng CHD langkung handap dibandingkeun sareng kelompok séhat sareng gaduh bédana statistik (PHTN <0.01, PCHD <0.001, sareng PDM <0.05).PWV sareng AIx pamilon anu ngagaduhan CHD, HTN, atanapi DM langkung luhur tibatan anu aya dina grup séhat.Hasilna nunjukkeun yén TATSA sanggup sacara akurat kéngingkeun gelombang pulsa pikeun ngitung parameter kardiovaskular pikeun meunteun status kaséhatan kardiovaskular.Dina kacindekan, kusabab nirkabel, resolusi luhur, ciri sensitipitas luhur sarta kanyamanan, WMHMS dumasar kana TATSA nyadiakeun alternatif leuwih efisien keur ngawas real-time ti alat médis mahal ayeuna dipaké di rumah sakit.
Kumisan ti gelombang pulsa, informasi engapan ogé mangrupa tanda vital primér pikeun mantuan assess kaayaan fisik hiji individu.Pemantauan réspirasi dumasar kana TATSA urang langkung pikaresepeun tibatan polysomnography konvensional sabab tiasa diintegrasikeun sacara mulus kana baju pikeun kanyamanan anu langkung saé.Stitched kana tali dada elastis bodas, anu TATSA ieu langsung dihijikeun ka awak manusa jeung diamankeun sabudeureun dada pikeun ngawas réspirasi (Gbr. 5A jeung pilem S7).The TATSA cacad kalawan ékspansi sarta kontraksi tina tulang rusuk, hasilna kaluaran listrik.Bentuk gelombang kaala diverifikasi dina Gbr. 5B.Sinyal kalayan fluctuations badag (amplitudo 1,8 V) jeung parobahan periodik (frekuensi 0,5 Hz) pakait jeung gerak engapan.Sinyal fluktuasi relatif leutik ieu superimposed on sinyal fluktuasi badag ieu, nu sinyal keteg jajantung.Numutkeun karakteristik frékuénsi sinyal réspirasi sareng denyut jantung, kami nganggo saringan low-pass 0,8-Hz sareng saringan band-pass 0,8- dugi ka 20-Hz pikeun misahkeun sinyal pernapasan sareng denyut jantung, masing-masing, sapertos anu dipidangkeun dina Gbr. 5C. .Dina hal ieu, sinyal engapan jeung pulsa stabil kalayan informasi fisiologis loba pisan (kayaning laju engapan, laju keteg jajantung, sarta titik fitur gelombang pulsa) dicandak sakaligus tur akurat ku saukur nempatkeun hiji TATSA dina dada.
(A) Poto anu nunjukkeun tampilan TATSA disimpen dina dada pikeun ngukur sinyal dina tekanan anu aya hubunganana sareng réspirasi.(B) Tegangan-waktos plot pikeun TATSA dipasang dina dada.(C) Dékomposisi sinyal (B) kana denyut jantung sareng bentuk gelombang pernapasan.(D) Poto anu nunjukkeun dua TATSA disimpen dina beuteung sareng pigeulang pikeun ngukur réspirasi sareng pulsa masing-masing nalika bobo.(E) Sinyal engapan sareng pulsa pamilon anu séhat.HR, denyut jantung;BPM, ketukan per menit.(F) Sinyal pernapasan sareng pulsa pamilon SAS.(G) Sinyal pernapasan sareng PTT pamilon anu séhat.(H) Sinyal pernapasan sareng PTT pamilon SAS.(I) Hubungan antara indéks gairah PTT jeung indéks apnea-hypopnea (AHI).Kiridit poto: Wenjing Fan, Universitas Chongqing.
Pikeun ngabuktikeun yén sénsor urang tiasa sacara akurat sareng dipercaya ngawas sinyal pulsa sareng engapan, urang ngalaksanakeun percobaan pikeun ngabandingkeun hasil pangukuran sinyal pulsa sareng réspirasi antara TATSA urang sareng alat médis standar (MHM-6000B), sakumaha anu dijelaskeun dina pilem S8. jeung S9.Dina pangukuran gelombang pulsa, sénsor photoelectric tina alat médis dipaké dina ramo indéks kénca budak awéwé ngora, sarta Samentara éta, TATSA kami dipaké dina ramo indéks katuhu nya.Tina dua bentuk gelombang pulsa anu kaala, urang tiasa ningali yén kontur sareng detilna sami, nunjukkeun yén pulsa anu diukur ku TATSA satepatna sareng alat médis.Dina pangukuran gelombang réspirasi, lima éléktroda éléktrokardiografi napel kana lima daérah dina awak saurang nonoman numutkeun instruksi médis.Kontras, ngan hiji TATSA ieu langsung dihijikeun kana awak jeung diamankeun sabudeureun dada.Tina sinyal pernapasan anu dikumpulkeun, tiasa katingali yén kacenderungan variasi sareng laju sinyal réspirasi anu dideteksi ku TATSA kami konsisten sareng alat médis.Dua percobaan ngabandingkeun ieu disahkeun katepatan, reliabilitas, sareng kesederhanaan sistem sensor kami pikeun ngawaskeun pulsa sareng sinyal pernapasan.
Saterusna, urang fabricated sapotong pakean pinter jeung stitched dua TATSAs dina posisi beuteung jeung pigeulang pikeun ngawas sinyal engapan jeung pulsa, masing-masing.Sacara husus, dimekarkeun dual-kanal WMHMS ieu dipaké pikeun nangkep pulsa jeung sinyal engapan sakaligus.Ngaliwatan sistem ieu, urang diala sinyal engapan sarta pulsa ti lalaki 25 taun heubeul diasah di pakean pinter urang bari saré (Gbr. 5D jeung pilem S10) jeung diuk (anjir. S26 jeung pilem S11).Sinyal pernapasan sareng pulsa anu dicandak tiasa dikirimkeun sacara nirkabel ka APLIKASI telepon sélulér.Sakumaha anu disebatkeun di luhur, TATSA gaduh kamampuan pikeun nangkep sinyal pernapasan sareng pulsa.Dua sinyal fisiologis ieu ogé kriteria keur estimasi SAS médis.Ku alatan éta, TATSA kami ogé tiasa dianggo pikeun ngawas sareng meunteun kualitas bobo sareng gangguan bobo anu aya hubunganana.Ditémbongkeun saperti dina Gbr. 5 (E jeung F, mungguh), urang terus-terusan ngukur pulsa jeung engapan gelombang dua pamilon, hiji cageur sarta sabar jeung SAS.Pikeun jalma tanpa apnea, laju engapan sareng pulsa anu diukur tetep stabil dina 15 sareng 70, masing-masing.Pikeun penderita SAS, a apnea béda pikeun 24 s, nu mangrupa indikasi hiji acara engapan obstructive, ieu observasi, sarta denyut jantung rada ngaronjat sanggeus periode apnea kusabab pangaturan sistim saraf (49).Kasimpulanana, status pernapasan tiasa dievaluasi ku TATSA urang.
Pikeun meunteun deui jinis SAS ngaliwatan sinyal pulsa sareng engapan, urang nganalisis waktos transit pulsa (PTT), indikator noninvasive anu ngagambarkeun parobahan résistansi vaskular periferal sareng tekanan intrathoracic (ditetepkeun dina bagian S1) tina hiji lalaki anu séhat sareng pasien anu kaserang. SAS.Pikeun pamilon cageur, laju engapan tetep unchanged, sarta PTT relatif stabil ti 180 mun 310 mdet (Gbr. 5G).Sanajan kitu, pikeun pamilon SAS, PTT ngaronjat terus tina 120 ka 310 mdet salila apnea (Gbr. 5H).Ku kituna, pamilon ieu didiagnosis kalawan obstructive SAS (OSAS).Lamun parobahan dina PTT turun salila apnea nu, mangka kaayaan bakal ditangtukeun salaku sindrom apnea sare sentral (CSAS), sarta lamun duanana dua gejala ieu eksis sakaligus, mangka bakal didiagnosis salaku campuran SAS (MSAS).Pikeun meunteun parahna SAS, kami teras nganalisis sinyal anu dikumpulkeun.Indéks gairah PTT, nyaéta jumlah gairah PTT per jam (gairah PTT diartikeun turunna PTT ≥15 ms anu tahan pikeun ≥3 detik), maénkeun peran anu penting dina ngevaluasi darajat SAS.Indéks apnea-hypopnea (AHI) nyaéta standar pikeun nangtukeun darajat SAS (apnea nyaéta eureunna engapan, sarta hypopnea nyaéta engapan deet teuing atawa laju engapan abnormally low), nu dihartikeun salaku jumlah apnea jeung hypopnea per. jam bari saré (hubungan antara AHI jeung kriteria rating pikeun OSAS ditémbongkeun dina tabel S2).Pikeun nalungtik hubungan antara AHI sareng indéks gairah PTT, sinyal pernapasan pasien 20 kalayan SAS dipilih sareng dianalisis nganggo TATSA.Ditémbongkeun saperti dina Gbr. 5I, indéks gairah PTT positif correlated kalawan AHI, sakumaha apnea jeung hypopnea salila saré ngabalukarkeun élévasi atra tur fana tina tekanan getih, ngarah kana panurunan dina PTT.Ku alatan éta, TATSA urang bisa ménta sinyal pulsa jeung engapan stabil sarta akurat sakaligus, sahingga nyadiakeun informasi fisiologis penting dina sistem cardiovascular jeung SAS pikeun monitoring sarta evaluasi kasakit patali.
Kasimpulanana, kami ngembangkeun TATSA nganggo jahitan kardigan pinuh pikeun ngadeteksi sinyal fisiologis anu béda sakaligus.Sénsor ieu ngagaduhan sensitipitas luhur 7,84 mV Pa−1, waktos réspon gancang 20 mdet, stabilitas luhur langkung ti 100,000 siklus, sareng lebar lebar frekuensi kerja.Atas dasar TATSA, WMHMS ogé dikembangkeun pikeun ngirimkeun parameter fisiologis anu diukur kana telepon sélulér.TATSA tiasa dilebetkeun kana situs-situs baju anu béda pikeun desain éstétika sareng dianggo pikeun ngawas pulsa sareng sinyal pernapasan sacara real waktos.Sistem ieu tiasa diterapkeun pikeun ngabantosan ngabédakeun antara jalma anu séhat sareng anu gaduh CAD atanapi SAS kusabab kamampuanna pikeun nyandak inpormasi anu lengkep.Panaliti ieu nyayogikeun pendekatan anu nyaman, éfisién, sareng ramah-pamaké pikeun ngukur denyut nadi sareng réspirasi manusa, ngagambarkeun kamajuan dina pamekaran éléktronika tékstil anu tiasa dianggo.
The stainless steel ieu sababaraha kali dialirkeun kapang jeung stretched pikeun ngabentuk serat kalayan diaméter 10 μm.A serat stainless steel salaku éléktroda ieu diselapkeun kana sababaraha lembar komérsial hiji-ply Terylene yarns.
Generator fungsi (Stanford DS345) sareng panguat (LabworkPa-13) digunakeun pikeun nyayogikeun sinyal tekanan sinusoida.Sensor gaya dual-rentang (Vernier Software & Technology LLC) digunakeun pikeun ngukur tekanan éksternal anu dilarapkeun kana TATSA.Éléktrométer sistem Keithley (Keithley 6514) dianggo pikeun ngawas sareng ngarékam tegangan kaluaran sareng arus TATSA.
Numutkeun kana Métode Uji AATCC 135-2017, kami nganggo TATSA sareng cukup ballast salaku beban 1,8 kg teras nempatkeun kana mesin cuci komérsial (Labtex LBT-M6T) pikeun ngalaksanakeun siklus cuci mesin anu hipu.Teras, urang ngeusian mesin cuci ku 18 galon cai dina suhu 25 ° C sareng nyetél mesin cuci pikeun siklus sareng waktos cuci anu dipilih (laju agitasi, 119 stroke per menit; waktos cuci, 6 mnt; speed spin final, 430 rpm; final. waktos spin, 3 mnt).Panungtungan, TATSA digantung garing dina hawa tiis dina suhu kamar teu leuwih luhur ti 26 ° C.
Subjék anu maréntahkeun pikeun ngagolér dina posisi supine dina ranjang.TATSA ditempatkeun dina situs ukur.Sakali subjek dina posisi supine standar, aranjeunna ngajaga kaayaan santai pikeun 5 dugi ka 10 mnt.Sinyal pulsa teras mimiti ngukur.
Bahan tambahan pikeun tulisan ieu sayogi di https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Gbr. S9.Hasil simulasi distribusi gaya TATSA dina tekanan anu diterapkeun dina 0,2 kPa nganggo parangkat lunak COMSOL.
Gbr. S10.Hasil simulasi tina sebaran gaya hiji unit kontak dina tekanan dilarapkeun dina 0,2 jeung 2 kPa, mungguh.
Gbr. S11.Ilustrasi skématik lengkep ngeunaan transfer muatan tina unit kontak dina kaayaan sirkuit pondok.
Gbr. S13.Tegangan kaluaran kontinyu sareng arus TATSA pikeun ngaréspon tekanan éksternal anu terus-terusan dina siklus pangukuran.
Gbr. S14.Réspon tegangan kana sababaraha nomer unit loop di daérah lawon anu sami nalika ngajaga nomer loop dina arah anu henteu robih.
Gbr. S15.Perbandingan antara pagelaran kaluaran dua sénsor tékstil nganggo jahitan kardigan lengkep sareng jahitan polos.
Gbr. S16.Plot anu nunjukkeun réspon frékuénsi dina tekanan dinamis 1 kPa sareng frékuénsi input tekanan 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18, sareng 20 Hz.
Gbr. S25.Tegangan kaluaran sensor nalika subjek dina kaayaan statik sareng gerak.
Gbr. S26.Poto anu nunjukkeun TATSA disimpen dina beuteung sareng pigeulang sakaligus pikeun ngukur réspirasi sareng pulsa masing-masing.
Ieu mangrupikeun artikel aksés kabuka anu disebarkeun dina kaayaan lisénsi Creative Commons Attribution-NonCommercial, anu ngamungkinkeun panggunaan, distribusi, sareng réproduksi dina médium naon waé, salami pamakean anu hasilna henteu kanggo kauntungan komersil sareng upami karya aslina leres. dicutat.
CATETAN: Kami ngan ukur nyuhunkeun alamat email anjeun supados jalma anu anjeun nyarankeun halaman éta terang yén anjeun hoyong aranjeunna ningali éta, sareng éta sanés surat sampah.Kami henteu nyandak alamat email.
Ku Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Sensor sadaya-tékstil triboelectric kalayan sensitipitas tekanan tinggi sareng kanyamanan dikembangkeun pikeun ngawaskeun kaséhatan.
Ku Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Sensor sadaya-tékstil triboelectric kalayan sensitipitas tekanan tinggi sareng kanyamanan dikembangkeun pikeun ngawaskeun kaséhatan.
© 2020 Asosiasi Amérika pikeun Kamajuan Élmu.Sadaya hak disimpen.AAAS mangrupikeun mitra HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef sareng COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
waktos pos: Mar-27-2020