Machine-knitted washable sensor array textile for precise epidermal physiological signal monitoring

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับสิ่งทอที่สวมใส่ได้นั้นเป็นที่ต้องการอย่างมากสำหรับการจัดการด้านสุขภาพส่วนบุคคลอย่างไรก็ตาม อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สิ่งทอที่รายงานส่วนใหญ่สามารถกำหนดเป้าหมายสัญญาณทางสรีรวิทยาเพียงครั้งเดียวเป็นระยะ หรือพลาดรายละเอียดที่ชัดเจนของสัญญาณ ซึ่งนำไปสู่การประเมินสุขภาพบางส่วนนอกจากนี้ สิ่งทอที่มีคุณสมบัติดีเยี่ยมและความสบายยังคงเป็นความท้าทายในที่นี้ เรารายงานอาร์เรย์เซ็นเซอร์สิ่งทอทั้งหมดแบบไทรโบอิเล็กทริกที่มีความไวต่อแรงกดสูงและความสบายโดยแสดงความไวต่อแรงกด (7.84 mV Pa-1) เวลาตอบสนองที่รวดเร็ว (20 ms) ความเสถียร (>100,000 รอบ) แบนด์วิดท์ความถี่การทำงานที่กว้าง (สูงสุด 20 Hz) และความสามารถในการซักด้วยเครื่อง (>40 รอบ)TATSA ที่ประดิษฐ์ขึ้นนั้นถูกเย็บเข้ากับส่วนต่าง ๆ ของเสื้อผ้าเพื่อตรวจสอบคลื่นชีพจรของหลอดเลือดแดงและสัญญาณทางเดินหายใจพร้อมกันเรายังได้พัฒนาระบบติดตามสุขภาพสำหรับการประเมินโรคหัวใจและหลอดเลือดและกลุ่มอาการหยุดหายใจขณะหลับในระยะยาวและไม่ลุกลาม ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าอย่างมากสำหรับการวิเคราะห์เชิงปริมาณของโรคเรื้อรังบางโรค

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้แสดงถึงโอกาสที่น่าสนใจเนื่องจากการใช้งานที่มีแนวโน้มในยาเฉพาะบุคคลพวกเขาสามารถตรวจสอบสถานะสุขภาพของแต่ละบุคคลได้อย่างต่อเนื่อง แบบเรียลไทม์ และไม่รุกราน (1–11)ชีพจรและการหายใจเป็นองค์ประกอบที่ขาดไม่ได้สองประการของสัญญาณชีพ สามารถให้ทั้งการประเมินสถานะทางสรีรวิทยาที่แม่นยำและข้อมูลเชิงลึกที่น่าทึ่งในการวินิจฉัยและการพยากรณ์โรคที่เกี่ยวข้อง (12–21)จนถึงปัจจุบัน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้ส่วนใหญ่สำหรับการตรวจจับสัญญาณทางสรีรวิทยาที่ละเอียดอ่อนนั้นใช้พื้นผิวบางเฉียบ เช่น พอลิเอทิลีนเทเรฟทาเลต พอลิไดเมทิลไซลอกเซน โพลิอิไมด์ แก้ว และซิลิโคน (22–26)ข้อเสียของวัสดุพิมพ์เหล่านี้สำหรับใช้กับผิวหนังอยู่ที่รูปแบบระนาบและแบบแข็งด้วยเหตุนี้ จึงต้องอาศัยเทป สายรัดเทปพันแผล หรืออุปกรณ์จับยึดเชิงกลอื่นๆ เพื่อให้มีการสัมผัสกันระหว่างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้กับผิวหนังของมนุษย์ ซึ่งอาจทำให้เกิดการระคายเคืองและไม่สะดวกในระหว่างการใช้งานเป็นเวลานาน (27, 28)นอกจากนี้ วัสดุพิมพ์เหล่านี้มีการซึมผ่านของอากาศไม่ดี ส่งผลให้รู้สึกไม่สบายเมื่อใช้สำหรับการตรวจสอบสุขภาพอย่างต่อเนื่องในระยะยาวเพื่อบรรเทาปัญหาดังกล่าวในการดูแลสุขภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานประจำวัน สิ่งทออัจฉริยะเสนอวิธีแก้ปัญหาที่เชื่อถือได้สิ่งทอเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะของความนุ่มนวล น้ำหนักเบา และการระบายอากาศ ดังนั้นจึงมีศักยภาพที่จะตระหนักถึงความสบายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีความพยายามอย่างมากในการพัฒนาระบบที่ใช้สิ่งทอในเซ็นเซอร์ที่มีความละเอียดอ่อน การเก็บเกี่ยวพลังงาน และการจัดเก็บ (29–39)โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มีรายงานการวิจัยที่ประสบความสำเร็จเกี่ยวกับไฟเบอร์ออปติก เพียโซอิเล็กทริก และสิ่งทออัจฉริยะที่มีความต้านทานสูง ซึ่งนำไปใช้ในการตรวจสอบสัญญาณชีพจรและทางเดินหายใจ (40–43)อย่างไรก็ตาม สิ่งทออัจฉริยะเหล่านี้มักมีความไวต่ำและมีพารามิเตอร์การตรวจสอบเพียงค่าเดียว และไม่สามารถผลิตในขนาดที่ใหญ่ได้ (ตาราง S1)ในกรณีของการวัดพัลส์ ข้อมูลโดยละเอียดนั้นยากต่อการจับภาพเนื่องจากการสั่นของพัลส์ที่จางและรวดเร็ว (เช่น จุดคุณสมบัติของพัลส์) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีความไวสูงและประสิทธิภาพการตอบสนองความถี่ที่เหมาะสม

ในการศึกษานี้ เราขอแนะนำอาร์เรย์เซ็นเซอร์สิ่งทอทั้งหมดแบบไทรโบอิเล็กทริก (TATSA) ที่มีความไวสูงสำหรับการดักจับแรงกดเล็กน้อยของผิวหนังชั้นนอก ถักด้วยเส้นด้ายนำไฟฟ้าและไนลอนในตะเข็บคาร์ดิแกนทั้งตัวTATSA สามารถให้ความไวต่อแรงกดสูง (7.84 mV Pa-1) เวลาตอบสนองที่รวดเร็ว (20 ms) ความเสถียร (>100,000 รอบ) แบนด์วิดท์ความถี่การทำงานที่กว้าง (สูงถึง 20 Hz) และความสามารถในการซักด้วยเครื่อง (>40 ล้าง)มันสามารถรวมตัวเองเข้ากับเสื้อผ้าได้อย่างสะดวกสบายด้วยดุลยพินิจ ความสบาย และความสวยงามโดยเฉพาะอย่างยิ่ง TATSA ของเราสามารถรวมเข้ากับบริเวณต่างๆ ของเนื้อผ้าได้โดยตรง ซึ่งสอดคล้องกับคลื่นชีพจรที่ตำแหน่งคอ ข้อมือ ปลายนิ้ว และข้อเท้า และกับคลื่นทางเดินหายใจในช่องท้องและหน้าอกเพื่อประเมินประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของ TATSA ในการตรวจสอบสุขภาพแบบเรียลไทม์และระยะไกล เราได้พัฒนาระบบตรวจสอบสุขภาพอัจฉริยะส่วนบุคคลเพื่อรับและบันทึกสัญญาณทางสรีรวิทยาอย่างต่อเนื่องสำหรับการวิเคราะห์โรคหลอดเลือดหัวใจ (CAD) และการประเมินกลุ่มอาการหยุดหายใจขณะหลับ (SAS) ).

ดังที่แสดงไว้ในรูปที่ 1A TATSA สองชิ้นถูกเย็บเข้าที่ข้อมือและหน้าอกของเสื้อเพื่อให้สามารถติดตามชีพจรและสัญญาณทางเดินหายใจแบบไดนามิกและพร้อมกันตามลำดับสัญญาณทางสรีรวิทยาเหล่านี้ถูกส่งแบบไร้สายไปยังแอพพลิเคชั่นเทอร์มินัลเคลื่อนที่อัจฉริยะ (APP) สำหรับการวิเคราะห์สถานะสุขภาพเพิ่มเติมรูปที่ 1B แสดง TATSA ที่เย็บเป็นชิ้นผ้า และสิ่งที่ใส่เข้าไปแสดงมุมมองที่ขยายใหญ่ขึ้นของ TATSA ซึ่งถักโดยใช้เส้นด้ายที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่มีลักษณะเฉพาะและเส้นด้ายไนลอนเชิงพาณิชย์ร่วมกันในตะเข็บคาร์ดิแกนแบบเต็มเมื่อเทียบกับตะเข็บธรรมดาขั้นพื้นฐาน ซึ่งเป็นวิธีการถักที่ใช้กันทั่วไปและขั้นพื้นฐานที่สุด ตะเข็บคาร์ดิแกนแบบเต็มถูกเลือกเนื่องจากการสัมผัสระหว่างหัวห่วงของเส้นด้ายนำไฟฟ้าและหัวตะเข็บเหน็บที่อยู่ติดกันของเส้นด้ายไนลอน (รูปที่ S1) เป็นพื้นผิว แทนที่จะเป็นจุดสัมผัส นำไปสู่พื้นที่การแสดงที่ใหญ่ขึ้นสำหรับเอฟเฟกต์ไทรโบอิเล็กทริกสูงเพื่อเตรียมเส้นด้ายนำไฟฟ้า เราเลือกเหล็กกล้าไร้สนิมเป็นเส้นใยที่มีแกนยึดตายตัว และเส้นด้าย Terylene แบบชั้นเดียวหลายชิ้นถูกบิดรอบเส้นใยแกนกลางให้เป็นเส้นด้ายนำไฟฟ้าเส้นเดียวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.2 มม. (รูปที่ S2) ซึ่งทำหน้าที่เป็น ทั้งพื้นผิวของกระแสไฟฟ้าและอิเล็กโทรดนำไฟฟ้าเส้นด้ายไนลอนซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.15 มม. และทำหน้าที่เป็นพื้นผิวสำหรับใช้พลังงานไฟฟ้าอีกแบบหนึ่ง มีแรงดึงที่แข็งแกร่งเพราะถูกบิดด้วยเส้นด้ายที่ไม่สามารถคำนวณได้ (รูปที่ S3)รูปที่ 1 (C และ D ตามลำดับ) แสดงภาพถ่ายของเส้นด้ายนำไฟฟ้าที่ประดิษฐ์ขึ้นและเส้นด้ายไนลอนสิ่งที่ใส่เข้าไปแสดงภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ซึ่งแสดงภาพตัดขวางทั่วไปของเส้นด้ายนำไฟฟ้าและพื้นผิวของเส้นด้ายไนลอนความต้านทานแรงดึงสูงของเส้นด้ายที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและไนลอนช่วยให้มั่นใจถึงความสามารถในการทอบนเครื่องจักรอุตสาหกรรมเพื่อรักษาประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอของเซ็นเซอร์ทั้งหมดดังที่แสดงในรูปที่ 1E เส้นด้ายนำไฟฟ้า เส้นด้ายไนลอน และด้ายธรรมดาถูกพันบนกรวยตามลำดับ จากนั้นจึงบรรจุลงในเครื่องถักแบบแบนด้วยคอมพิวเตอร์ทางอุตสาหกรรมสำหรับการทออัตโนมัติ (ภาพยนตร์ S1)ดังแสดงในรูปS4, TATSA หลายตัวถูกถักด้วยผ้าธรรมดาโดยใช้เครื่องจักรอุตสาหกรรมTATSA ตัวเดียวที่มีความหนา 0.85 มม. และน้ำหนัก 0.28 ก. สามารถปรับให้เข้ากับโครงสร้างทั้งหมดสำหรับการใช้งานส่วนบุคคล โดยแสดงความเข้ากันได้ที่ยอดเยี่ยมกับผ้าอื่นๆนอกจากนี้ TATSA สามารถออกแบบด้วยสีต่างๆ เพื่อตอบสนองความต้องการด้านความสวยงามและทันสมัย เนื่องจากเส้นด้ายไนลอนเชิงพาณิชย์ที่หลากหลาย (รูปที่ 1F และรูปที่ S5)TATSA ที่ประดิษฐ์ขึ้นมีความนุ่มนวลเป็นเลิศและความสามารถในการทนต่อการดัดงอหรือการเสียรูปที่รุนแรง (รูปที่ S6)รูปที่ 1G แสดง TATSA ที่เย็บติดตรงบริเวณหน้าท้องและแขนเสื้อของเสื้อสเวตเตอร์ขั้นตอนการถักเสื้อสเวตเตอร์แสดงในรูปที่S7 และภาพยนตร์ S2รายละเอียดด้านหน้าและด้านหลังของ TATSA ที่ยืดออกที่ตำแหน่งหน้าท้องแสดงในรูปที่S8 (A และ B ตามลำดับ) และตำแหน่งของเส้นด้ายนำไฟฟ้าและเส้นด้ายไนลอนแสดงไว้ในรูปที่เอส8ซีจะเห็นได้ว่า TATSA สามารถฝังอยู่ในเนื้อผ้าธรรมดาได้อย่างลงตัวเพื่อให้ดูสุขุมและชาญฉลาด

(A) TATSA สองชุดรวมอยู่ในเสื้อเชิ้ตเพื่อติดตามสัญญาณชีพจรและการหายใจแบบเรียลไทม์(B) ภาพประกอบแผนผังของการรวมกันของ TATSA และเสื้อผ้าสิ่งที่ใส่เข้าไปแสดงมุมมองที่ขยายใหญ่ขึ้นของเซ็นเซอร์(C) รูปถ่ายของเส้นด้ายนำไฟฟ้า (แท่งมาตราส่วน, 4 ซม.)สิ่งที่ใส่เข้าไปคือภาพ SEM ของหน้าตัดของเส้นด้ายนำไฟฟ้า (แถบมาตราส่วน 100 ไมครอน) ซึ่งประกอบด้วยสแตนเลสและเส้นด้าย Terylene(D) รูปถ่ายของเส้นด้ายไนลอน (แถบมาตราส่วน, 4 ซม.)สิ่งที่ใส่เข้าไปคือภาพ SEM ของพื้นผิวเส้นด้ายไนลอน (แถบมาตราส่วน 100 μm)(E) รูปภาพของเครื่องถักแบบแบนด้วยคอมพิวเตอร์ซึ่งดำเนินการทอผ้าอัตโนมัติของ TATSA(F) รูปถ่ายของ TATSAs ที่มีสีต่างกัน (แถบมาตราส่วน, 2 ซม.)สิ่งที่ใส่เข้าไปคือ TATSA แบบบิดซึ่งแสดงให้เห็นถึงความนุ่มนวลที่ยอดเยี่ยม(G) ภาพถ่ายของ TATSA สองชุดที่เย็บเข้ากับเสื้อสเวตเตอร์อย่างสมบูรณ์และไร้รอยต่อเครดิตภาพ: Wenjing Fan มหาวิทยาลัยฉงชิ่ง

ในการวิเคราะห์กลไกการทำงานของ TATSA รวมถึงคุณสมบัติทางกลและทางไฟฟ้า เราได้สร้างแบบจำลองการถักแบบเรขาคณิตของ TATSA ดังแสดงในรูปที่ 2Aการใช้ตะเข็บคาร์ดิแกนแบบเต็ม เส้นด้ายที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและไนลอนจะประสานกันในรูปแบบของหน่วยวนซ้ำในทิศทางของเส้นทางและทิศทางลมโครงสร้างแบบห่วงเดี่ยว (รูปที่ S1) ประกอบด้วยหัวห่วง, แขนห่วง, ส่วนที่ข้ามซี่โครง, แขนเย็บตะเข็บแบบเหน็บ และหัวร้อยตะเข็บแบบเหน็บสามารถพบพื้นผิวสัมผัสได้สองรูปแบบระหว่างเส้นด้ายสองแบบที่แตกต่างกัน: (i) พื้นผิวสัมผัสระหว่างหัวห่วงของเส้นด้ายนำไฟฟ้ากับหัวเย็บร้อยของเส้นด้ายไนลอน และ (ii) พื้นผิวสัมผัสระหว่างหัวห่วงของเส้นด้ายไนลอน เส้นด้ายไนลอนและหัวตะเข็บเหน็บของเส้นด้ายนำไฟฟ้า

(A) TATSA ที่มีห่วงถักด้านหน้า ด้านขวา และด้านบน(B) ผลการจำลองการกระจายแรงของ TATSA ภายใต้แรงดันที่ใช้ 2 kPa โดยใช้ซอฟต์แวร์ COMSOL(C) ภาพประกอบแผนผังของการถ่ายโอนประจุของหน่วยสัมผัสภายใต้สภาวะไฟฟ้าลัดวงจร(D) ผลการจำลองการกระจายประจุของหน่วยสัมผัสภายใต้สภาวะวงจรเปิดโดยใช้ซอฟต์แวร์ COMSOL

หลักการทำงานของ TATSA สามารถอธิบายได้สองลักษณะ: การกระตุ้นแรงภายนอกและประจุเหนี่ยวนำเพื่อให้เข้าใจการกระจายความเค้นโดยสัญชาตญาณในการตอบสนองต่อแรงกระตุ้นจากภายนอก เราใช้การวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์โดยใช้ซอฟต์แวร์ COMSOL ที่แรงภายนอกที่แตกต่างกันที่ 2 และ 0.2 kPa ดังแสดงตามลำดับในรูปที่ 2B และรูปที่เอส9ความเค้นปรากฏบนพื้นผิวสัมผัสของเส้นด้ายสองเส้นดังแสดงในรูปS10 เราพิจารณาสองหน่วยลูปเพื่อชี้แจงการกระจายความเค้นในการเปรียบเทียบการกระจายความเค้นภายใต้แรงภายนอกที่แตกต่างกันสองแบบ ความเค้นบนพื้นผิวของเส้นด้ายนำไฟฟ้าและเส้นด้ายไนลอนจะเพิ่มขึ้นตามแรงภายนอกที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดการสัมผัสและการอัดรีดระหว่างเส้นด้ายทั้งสองเมื่อแรงภายนอกถูกปลดปล่อย เส้นด้ายทั้งสองจะแยกออกจากกันและเคลื่อนตัวออกจากกัน

การเคลื่อนที่แบบสัมผัส-แยกระหว่างเส้นด้ายนำไฟฟ้าและเส้นด้ายไนลอนทำให้เกิดการถ่ายโอนประจุ ซึ่งเกิดจากการรวมตัวของไตรโบอิเล็กทริฟิเคชันและการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตเพื่อชี้แจงขั้นตอนการผลิตไฟฟ้า เราวิเคราะห์ภาพตัดขวางของพื้นที่ที่เส้นด้ายทั้งสองสัมผัสกัน (รูปที่ 2C1)ดังที่แสดงในรูปที่ 2 (C2 และ C3 ตามลำดับ) เมื่อ TATSA ถูกกระตุ้นโดยแรงภายนอกและเส้นด้ายสองเส้นสัมผัสกัน การเกิดกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นบนพื้นผิวของเส้นด้ายที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและเส้นด้ายไนลอน และประจุที่เท่ากันกับด้านตรงข้าม มีการสร้างขั้วบนพื้นผิวของเส้นด้ายทั้งสองเมื่อเส้นด้ายทั้งสองแยกจากกัน จะเกิดประจุบวกในสเตนเลสสตีลด้านในเนื่องจากผลของการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตแผนผังที่สมบูรณ์แสดงในรูปที่ส11.เพื่อให้ได้ความเข้าใจเชิงปริมาณมากขึ้นเกี่ยวกับกระบวนการผลิตไฟฟ้า เราจึงจำลองการกระจายศักยภาพของ TATSA โดยใช้ซอฟต์แวร์ COMSOL (รูปที่ 2D)เมื่อวัสดุทั้งสองสัมผัสกัน ประจุส่วนใหญ่จะสะสมบนวัสดุเสียดทาน และมีประจุเหนี่ยวนำเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่อยู่บนอิเล็กโทรด ส่งผลให้มีศักย์ไฟฟ้าน้อย (รูปที่ 2D ด้านล่าง)เมื่อวัสดุทั้งสองแยกออกจากกัน (รูปที่ 2D, บนสุด) ประจุเหนี่ยวนำบนอิเล็กโทรดจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากความต่างศักย์ไฟฟ้า และศักยภาพที่สอดคล้องกันจะเพิ่มขึ้น ซึ่งเผยให้เห็นถึงความสอดคล้องที่ดีระหว่างผลลัพธ์ที่ได้จากการทดลองกับผลลัพธ์จากการจำลอง .นอกจากนี้ เนื่องจากอิเล็กโทรดนำไฟฟ้าของ TATSA ห่อด้วยเส้นด้าย Terylene และผิวหนังสัมผัสกับวัสดุเสียดทานทั้งสองชนิด ดังนั้น เมื่อ TATSA ถูกสวมโดยตรงกับผิวหนัง ประจุจะขึ้นอยู่กับแรงภายนอกและจะไม่ จะอ่อนแอลงตามผิวหนัง

เพื่ออธิบายลักษณะการทำงานของ TATSA ในด้านต่างๆ เราได้จัดเตรียมระบบการวัดที่ประกอบด้วยเครื่องกำเนิดฟังก์ชัน เครื่องขยายเสียง เครื่องปั่นไฟฟ้า เครื่องวัดแรง เครื่องวัดไฟฟ้า และคอมพิวเตอร์ (รูปที่ S12)ระบบนี้สร้างแรงดันไดนามิกภายนอกสูงสุด 7 kPaในการทดลอง TATSA ถูกวางบนแผ่นพลาสติกแบนในสภาวะอิสระ และสัญญาณไฟฟ้าที่ส่งออกจะถูกบันทึกโดยอิเล็กโตรมิเตอร์

ข้อมูลจำเพาะของเส้นด้ายที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและไนลอนส่งผลต่อประสิทธิภาพการส่งออกของ TATSA เนื่องจากจะเป็นตัวกำหนดพื้นผิวสัมผัสและความสามารถในการรับรู้แรงดันภายนอกเพื่อตรวจสอบสิ่งนี้ เราประดิษฐ์เส้นด้ายสามขนาดจากสองเส้นด้ายตามลำดับ: เส้นด้ายนำไฟฟ้าที่มีขนาด 150D/3, 210D/3 และ 250D/3 และเส้นด้ายไนลอนที่มีขนาด 150D/6, 210D/6 และ 250D /6 (D, denier; หน่วยวัดที่ใช้กำหนดความหนาของเส้นใยของเส้นด้ายแต่ละเส้น; ผ้าที่มีจำนวนดีเนียร์สูงมักจะมีความหนา)จากนั้น เราเลือกเส้นด้ายสองเส้นนี้ที่มีขนาดต่างกันเพื่อถักให้เป็นเซ็นเซอร์ และขนาดของ TATSA อยู่ที่ 3 ซม. คูณ 3 ซม. โดยมีจำนวนห่วง 16 อันในทิศทางเวลส์ และ 10 อยู่ในทิศทางของเส้นทางดังนั้นจึงได้เซ็นเซอร์ที่มีรูปแบบการถักเก้าแบบเซ็นเซอร์โดยเส้นด้ายนำไฟฟ้าขนาด 150D/3 และเส้นด้ายไนลอนขนาด 150D/6 นั้นบางที่สุด และเซ็นเซอร์โดยเส้นด้ายนำไฟฟ้าขนาด 250D/3 และเส้นด้ายไนลอนขนาด 250D/ 6 หนาที่สุดภายใต้การกระตุ้นทางกลที่ 0.1 ถึง 7 kPa เอาต์พุตทางไฟฟ้าสำหรับรูปแบบเหล่านี้ได้รับการตรวจสอบและทดสอบอย่างเป็นระบบ ดังแสดงในรูปที่ 3Aแรงดันไฟขาออกของ TATSA ทั้งเก้าเพิ่มขึ้นตามแรงดันที่เพิ่มขึ้นจาก 0.1 เป็น 4 kPaโดยเฉพาะอย่างยิ่ง จากรูปแบบการถักทั้งหมด ข้อกำหนดของเส้นด้ายนำไฟฟ้า 210D/3 และเส้นด้ายไนลอน 210D/6 ให้กำลังไฟฟ้าสูงสุดและมีความไวสูงสุดแรงดันไฟขาออกมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามความหนาของ TATSA ที่เพิ่มขึ้น (เนื่องจากพื้นผิวสัมผัสที่เพียงพอ) จนกระทั่ง TATSA ถักโดยใช้เส้นด้ายนำไฟฟ้า 210D/3 และเส้นด้ายไนลอน 210D/6เมื่อความหนาเพิ่มขึ้นอีกจะนำไปสู่การดูดซับแรงดันภายนอกโดยเส้นด้าย แรงดันเอาต์พุตจึงลดลงตามไปด้วยนอกจากนี้ ยังตั้งข้อสังเกตว่าในพื้นที่ที่มีแรงดันต่ำ (<4 kPa) การแปรผันเชิงเส้นที่มีพฤติกรรมดีในแรงดันเอาต์พุตที่มีแรงดันทำให้มีความไวต่อแรงกดมากกว่า 7.84 mV Pa-1ในบริเวณที่มีความกดอากาศสูง (>4 kPa) มีการทดลองสังเกตความไวต่อแรงกดที่ต่ำกว่า 0.31 mV Pa-1 เนื่องจากความอิ่มตัวของพื้นที่เสียดทานที่มีประสิทธิภาพมีการแสดงความไวต่อแรงกดที่คล้ายคลึงกันในระหว่างกระบวนการใช้แรงที่ตรงกันข้ามโปรไฟล์เวลาที่เป็นรูปธรรมของแรงดันเอาต์พุตและกระแสภายใต้แรงกดดันต่างๆ จะแสดงในรูปที่S13 (A และ B ตามลำดับ)

(A) แรงดันไฟขาออกภายใต้รูปแบบการถักเก้าแบบของเส้นด้ายนำไฟฟ้า (150D/3, 210D/3 และ 250D/3) รวมกับเส้นด้ายไนลอน (150D/6, 210D/6 และ 250D/6)(B) การตอบสนองของแรงดันไฟต่อจำนวนลูปยูนิตต่างๆ ในพื้นที่แฟบริกเดียวกัน เมื่อรักษาหมายเลขลูปในทิศทาง wale ไม่เปลี่ยนแปลง(C) พล็อตแสดงการตอบสนองความถี่ภายใต้แรงดันไดนามิก 1 kPa และความถี่อินพุตแรงดัน 1 Hz(D) แรงดันเอาต์พุตและกระแสไฟต่างกันภายใต้ความถี่ 1, 5, 10 และ 20 Hz(E) การทดสอบความทนทานของ TATSA ภายใต้แรงดัน 1 kPa(F) ลักษณะการส่งออกของ TATSA หลังจากล้าง 20 และ 40 ครั้ง

ความไวและแรงดันเอาต์พุตยังได้รับอิทธิพลจากความหนาแน่นของฝีเข็มของ TATSA ซึ่งกำหนดโดยจำนวนลูปทั้งหมดในพื้นที่ที่วัดได้ของผ้าการเพิ่มความหนาแน่นของตะเข็บจะทำให้โครงสร้างผ้ามีความกระชับมากขึ้นรูปที่ 3B แสดงผลการทำงานภายใต้หมายเลขลูปที่แตกต่างกันในพื้นที่สิ่งทอ 3 ซม. x 3 ซม. และสิ่งที่ใส่เข้าไปแสดงโครงสร้างของหน่วยลูป (เราเก็บหมายเลขลูปในทิศทางของหลักสูตรที่ 10 และหมายเลขลูปใน ทิศทางน้ำคือ 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, และ 26)โดยการเพิ่มจำนวนลูป แรงดันเอาต์พุตในตอนแรกมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นเนื่องจากพื้นผิวสัมผัสที่เพิ่มขึ้น จนถึงจุดสูงสุดของแรงดันเอาต์พุตสูงสุดที่ 7.5 V ด้วยหมายเลขลูป 180 หลังจากจุดนี้ แรงดันเอาต์พุตตามแนวโน้มที่ลดลงเนื่องจาก TATSA เริ่มตึงและเส้นด้ายทั้งสองมีพื้นที่แยกสัมผัสลดลงในการสำรวจทิศทางที่ความหนาแน่นมีผลกระทบอย่างมากต่อผลลัพธ์ เราได้เก็บหมายเลขลูปของ TATSA ไว้ในทิศทางของวอลที่ 18 และจำนวนลูปในทิศทางของหลักสูตรถูกกำหนดเป็น 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 และ 14 แรงดันเอาต์พุตที่เกี่ยวข้องแสดงในรูปที่ส14.เมื่อเปรียบเทียบแล้ว เราจะเห็นได้ว่าความหนาแน่นในทิศทางของสนามมีอิทธิพลต่อแรงดันไฟขาออกมากกว่าด้วยเหตุนี้ จึงเลือกรูปแบบการถักของเส้นด้ายนำไฟฟ้า 210D/3 และเส้นด้ายไนลอน 210D/6 และหน่วยวน 180 อันเพื่อถัก TATSA หลังจากการประเมินลักษณะการส่งออกอย่างครอบคลุมนอกจากนี้เรายังเปรียบเทียบสัญญาณเอาท์พุตของเซ็นเซอร์สิ่งทอสองตัวโดยใช้ตะเข็บคาร์ดิแกนแบบเต็มและตะเข็บธรรมดาดังแสดงในรูปS15 เอาต์พุตทางไฟฟ้าและความไวในการเย็บแบบคาร์ดิแกนแบบเต็มจะสูงกว่าการใช้ตะเข็บธรรมดามาก

วัดเวลาตอบสนองสำหรับการตรวจสอบสัญญาณแบบเรียลไทม์เพื่อตรวจสอบเวลาตอบสนองของเซ็นเซอร์ของเรากับแรงภายนอก เราเปรียบเทียบสัญญาณแรงดันเอาต์พุตกับอินพุตแรงดันแบบไดนามิกที่ความถี่ 1 ถึง 20 Hz (รูปที่ 3C และรูปที่ S16 ตามลำดับ)รูปคลื่นแรงดันเอาต์พุตเกือบจะเหมือนกับคลื่นแรงดันไซน์อินพุทภายใต้แรงดัน 1 kPa และรูปคลื่นเอาต์พุตมีเวลาในการตอบสนองที่รวดเร็ว (ประมาณ 20 มิลลิวินาที)ฮิสเทรีซิสนี้อาจเกิดจากโครงสร้างยืดหยุ่นที่ไม่กลับสู่สภาพเดิมโดยเร็วที่สุดหลังจากได้รับแรงภายนอกอย่างไรก็ตาม ฮิสเทรีซิสเล็กๆ นี้ยอมรับได้สำหรับการตรวจสอบแบบเรียลไทม์เพื่อให้ได้แรงดันไดนามิกที่มีช่วงความถี่ที่แน่นอน จะต้องตอบสนองความถี่ที่เหมาะสมของ TATSAดังนั้นจึงได้ทำการทดสอบคุณลักษณะความถี่ของ TATSA ด้วยโดยการเพิ่มความถี่ที่น่าตื่นเต้นจากภายนอก แอมพลิจูดของแรงดันเอาต์พุตยังคงแทบไม่เปลี่ยนแปลง ในขณะที่แอมพลิจูดของกระแสเพิ่มขึ้นเมื่อความถี่การต๊าปแปรผันตั้งแต่ 1 ถึง 20 Hz (รูปที่ 3D)

ในการประเมินความสามารถในการทำซ้ำ ความเสถียร และความทนทานของ TATSA เราได้ทดสอบแรงดันเอาต์พุตและการตอบสนองกระแสต่อรอบการโหลดและขนถ่ายแรงดันความดัน 1 kPa ที่ความถี่ 5 Hz ถูกนำไปใช้กับเซ็นเซอร์แรงดันและกระแสไฟสูงสุดถึงยอดถูกบันทึกหลังจากรอบการขนถ่ายสินค้า 100,000 รอบ (รูปที่ 3E และรูปที่ S17 ตามลำดับ)มุมมองที่ขยายใหญ่ขึ้นของแรงดันไฟและรูปคลื่นปัจจุบันจะแสดงในส่วนแทรกของรูปที่ 3E และรูปที่S17 ตามลำดับผลการวิจัยเผยให้เห็นถึงความสามารถในการทำซ้ำ ความเสถียร และความทนทานที่โดดเด่นของ TATSAความสามารถในการซักยังเป็นเกณฑ์การประเมินที่สำคัญของ TATSA ในฐานะอุปกรณ์สิ่งทอทั้งหมดในการประเมินความสามารถในการซัก เราได้ทดสอบแรงดันเอาต์พุตของเซ็นเซอร์หลังจากที่เราล้างเครื่อง TATSA ตามวิธีการทดสอบของ American Association of Textile Chemists and Colorists (AATCC) 135-2017ขั้นตอนการซักโดยละเอียดได้อธิบายไว้ในวัสดุและวิธีการดังแสดงในรูปที่ 3F เอาต์พุตทางไฟฟ้าจะถูกบันทึกหลังจากล้าง 20 ครั้งและ 40 ครั้ง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่ชัดเจนของแรงดันเอาต์พุตตลอดการทดสอบการซักผลลัพธ์เหล่านี้ยืนยันความสามารถในการล้างทำความสะอาดของ TATSA ได้อย่างน่าทึ่งในฐานะที่เป็นเซ็นเซอร์สิ่งทอที่สวมใส่ได้ เรายังได้สำรวจประสิทธิภาพเอาต์พุตเมื่อ TATSA อยู่ในสภาวะรับแรงดึง (รูปที่ S18) บิดเบี้ยว (รูปที่ S19) และสภาวะความชื้นที่แตกต่างกัน (รูปที่ S20)

จากข้อดีหลายประการของ TATSA ที่แสดงไว้ข้างต้น เราได้พัฒนาระบบตรวจสอบสุขภาพเคลื่อนที่แบบไร้สาย (WMHMS) ซึ่งมีความสามารถในการรับสัญญาณทางสรีรวิทยาอย่างต่อเนื่องและให้คำแนะนำอย่างมืออาชีพแก่ผู้ป่วยรูปที่ 4A แสดงแผนผังไดอะแกรมของ WMHMS ตาม TATSAระบบมีสี่องค์ประกอบ: TATSA เพื่อรับสัญญาณทางสรีรวิทยาแอนะล็อก วงจรปรับสภาพแอนะล็อกที่มีตัวกรองความถี่ต่ำ (MAX7427) และเครื่องขยายเสียง (MAX4465) เพื่อให้แน่ใจว่ามีรายละเอียดที่เพียงพอและการซิงโครไนซ์สัญญาณที่ยอดเยี่ยม แอนะล็อกเป็นดิจิตอล ตัวแปลงตามหน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อรวบรวมและแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นสัญญาณดิจิตอล และโมดูลบลูทูธ (ชิปบลูทูธพลังงานต่ำ CC2640) เพื่อส่งสัญญาณดิจิตอลไปยังแอปพลิเคชันเทอร์มินัลโทรศัพท์มือถือ (APP; Huawei Honor 9)ในการศึกษานี้ เราเย็บ TATSA ให้เป็นลูกไม้ สายรัดข้อมือ นิ้วมือ และถุงเท้าอย่างไร้รอยต่อ ดังแสดงในรูปที่ 4B

(A) ภาพประกอบของ WMHMS(B) ภาพถ่ายของ TATSA ที่เย็บเข้ากับสายรัดข้อมือ แผงนิ้ว ถุงเท้า และสายรัดหน้าอก ตามลำดับการวัดชีพจรที่คอ (C1) ข้อมือ (D1) ปลายนิ้ว (E1) และข้อเท้า (F1)รูปคลื่นชีพจรที่คอ (C2) ข้อมือ (D2) ปลายนิ้ว (E2) และข้อเท้า (F2)(G) รูปคลื่นพัลส์ในวัยต่างๆ(H) การวิเคราะห์คลื่นพัลส์เดี่ยวดัชนีเสริมเรเดียล (AIx) กำหนดเป็น AIx (%) = P2/P1P1 คือจุดสูงสุดของคลื่นที่กำลังเคลื่อนตัว และ P2 คือจุดสูงสุดของคลื่นสะท้อนกลับ(I) วัฏจักรชีพจรของแขนและข้อเท้าความเร็วคลื่นพัลส์ (PWV) ถูกกำหนดเป็น PWV = D/∆TD คือระยะห่างระหว่างข้อเท้ากับแขน∆T คือการหน่วงเวลาระหว่างยอดของข้อเท้าและคลื่นชีพจรแขนปตท. เวลาขนส่งชีพจร(J) การเปรียบเทียบ AIx และ brachial-ankle PWV (BAPWV) ระหว่างค่าปกติและ CAD*P < 0.01, **P < 0.001 และ ***P < 0.05HTN, ความดันโลหิตสูง;CHD, โรคหลอดเลือดหัวใจ;DM, เบาหวาน.เครดิตภาพ: Jin Yang มหาวิทยาลัยฉงชิ่ง

ในการตรวจสอบสัญญาณชีพจรของส่วนต่างๆ ของร่างกายมนุษย์ เราได้แนบการตกแต่งดังกล่าวด้วย TATSA ไปยังตำแหน่งที่เกี่ยวข้อง: คอ (รูปที่ 4C1) ข้อมือ (รูปที่ 4D1) ปลายนิ้ว (รูปที่ 4E1) และข้อเท้า (รูปที่ 4F1) ) ตามที่อธิบายอย่างละเอียดในภาพยนตร์ S3 ถึง S6ในทางการแพทย์ มีจุดสำคัญสามจุดในคลื่นพัลส์: จุดสูงสุดของคลื่น P1 ที่กำลังเคลื่อนตัว จุดสูงสุดของคลื่นสะท้อน P2 และจุดสูงสุดของคลื่นไดโครติก P3ลักษณะของจุดคุณลักษณะเหล่านี้สะท้อนถึงสภาวะสุขภาพของความยืดหยุ่นของหลอดเลือด ความต้านทานรอบข้าง และการหดตัวของหัวใจห้องล่างซ้ายที่เกี่ยวข้องกับระบบหัวใจและหลอดเลือดรูปคลื่นของชีพจรของผู้หญิงอายุ 25 ปีที่สี่ตำแหน่งข้างต้นนั้นได้มาและบันทึกไว้ในการทดสอบของเราโปรดทราบว่าจุดคุณลักษณะที่แตกต่างสามจุด (P1 ถึง P3) ถูกสังเกตบนรูปคลื่นพัลส์ที่ตำแหน่งคอ ข้อมือ และปลายนิ้ว ดังแสดงในรูปที่ 4 (C2 ถึง E2)ในทางตรงกันข้าม มีเพียง P1 และ P3 เท่านั้นที่ปรากฏบนรูปคลื่นชีพจรที่ตำแหน่งข้อเท้า และไม่พบ P2 (รูปที่ 4F2)ผลลัพธ์นี้เกิดจากการทับซ้อนของคลื่นเลือดที่เข้ามาจากช่องซ้ายและคลื่นสะท้อนจากแขนขาส่วนล่าง (44)การศึกษาก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่า P2 มีอยู่ในรูปคลื่นที่วัดที่แขนขาบน แต่ไม่พบในข้อเท้า (45, 46)เราสังเกตผลลัพธ์ที่คล้ายกันในรูปคลื่นที่วัดด้วย TATSA ดังแสดงในรูปที่S21 ซึ่งแสดงข้อมูลทั่วไปจากประชากรผู้ป่วย 80 รายที่ศึกษาที่นี่เราจะเห็นได้ว่า P2 ไม่ปรากฏในรูปคลื่นชีพจรเหล่านี้ที่วัดที่ข้อเท้า ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสามารถของ TATSA ในการตรวจจับคุณลักษณะที่ละเอียดอ่อนภายในรูปคลื่นผลการวัดชีพจรเหล่านี้บ่งชี้ว่า WMHMS ของเราสามารถเปิดเผยลักษณะคลื่นพัลส์ของร่างกายส่วนบนและส่วนล่างได้อย่างแม่นยำ และเหนือกว่างานอื่นๆ (41, 47)เพื่อบ่งชี้เพิ่มเติมว่า TATSA ของเราสามารถนำไปใช้กับช่วงอายุต่างๆ ได้อย่างกว้างขวาง เราได้วัดรูปคลื่นชีพจรจาก 80 อาสาสมัครในช่วงอายุต่างๆ และเราแสดงข้อมูลทั่วไปบางส่วน ดังแสดงในรูปที่S22.ดังที่แสดงในรูปที่ 4G เราเลือกผู้เข้าร่วมสามคนอายุ 25, 45 และ 65 ปี และจุดสนใจสามจุดนั้นชัดเจนสำหรับผู้เข้าร่วมที่มีอายุน้อยและวัยกลางคนตามวรรณคดีทางการแพทย์ (48) ลักษณะของรูปคลื่นชีพจรของคนส่วนใหญ่เปลี่ยนไปตามอายุ เช่น การหายไปของจุด P2 ซึ่งเกิดจากการที่คลื่นสะท้อนเคลื่อนไปข้างหน้าซ้อนทับตัวเองบนคลื่นที่เคลื่อนตัวผ่านลดลงใน ความยืดหยุ่นของหลอดเลือดปรากฏการณ์นี้ยังสะท้อนอยู่ในรูปคลื่นที่เรารวบรวม เป็นการยืนยันว่า TATSA สามารถนำไปใช้กับประชากรที่แตกต่างกันได้

รูปคลื่นพัลส์ไม่เพียงได้รับผลกระทบจากสถานะทางสรีรวิทยาของแต่ละบุคคลเท่านั้น แต่ยังได้รับผลกระทบจากสภาวะการทดสอบด้วยดังนั้นเราจึงวัดสัญญาณพัลส์ภายใต้ความหนาแน่นของการสัมผัสที่แตกต่างกันระหว่าง TATSA กับผิวหนัง (รูปที่ S23) และตำแหน่งการตรวจจับต่างๆ ที่ไซต์การวัด (รูปที่ S24)พบว่า TATSA สามารถรับรูปคลื่นพัลส์ที่สอดคล้องกันพร้อมข้อมูลโดยละเอียดรอบ ๆ เรือในพื้นที่การตรวจจับขนาดใหญ่ที่มีประสิทธิภาพที่ไซต์การวัดนอกจากนี้ยังมีสัญญาณเอาท์พุตที่แตกต่างกันภายใต้ความหนาแน่นของการสัมผัสที่แตกต่างกันระหว่าง TATSA กับผิวหนังนอกจากนี้ การเคลื่อนไหวของบุคคลที่สวมเซ็นเซอร์จะส่งผลต่อสัญญาณชีพจรเมื่อข้อมือของวัตถุอยู่ในสภาพนิ่ง แอมพลิจูดของรูปคลื่นพัลส์ที่ได้รับจะคงที่ (รูปที่ S25A)ในทางกลับกัน เมื่อข้อมือค่อยๆ ขยับเป็นมุมจาก −70° ถึง 70° ในช่วง 30 วินาที แอมพลิจูดของรูปคลื่นพัลส์จะผันผวน (รูปที่ S25B)อย่างไรก็ตาม รูปร่างของรูปคลื่นพัลส์แต่ละรูปจะมองเห็นได้ และยังสามารถรับอัตราชีพจรได้อย่างแม่นยำเห็นได้ชัดว่า เพื่อให้ได้คลื่นพัลส์ที่เสถียรในการเคลื่อนไหวของมนุษย์ จำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมรวมถึงการออกแบบเซ็นเซอร์และการประมวลผลสัญญาณแบ็คเอนด์

นอกจากนี้ เพื่อวิเคราะห์และประเมินสภาพของระบบหัวใจและหลอดเลือดในเชิงปริมาณผ่านรูปคลื่นพัลส์ที่ได้มาโดยใช้ TATSA ของเรา เราได้แนะนำพารามิเตอร์การไหลเวียนโลหิตสองตัวตามข้อกำหนดการประเมินของระบบหัวใจและหลอดเลือด ได้แก่ ดัชนีการเสริม (AIx) และความเร็วของคลื่นพัลส์ (PWV) ซึ่งแสดงถึงความยืดหยุ่นของหลอดเลือดแดงดังแสดงในรูปที่ 4H รูปคลื่นชีพจรที่ตำแหน่งข้อมือของชายสุขภาพดีอายุ 25 ปี ถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ AIxตามสูตร (ส่วน S1) ได้ AIx = 60% ซึ่งเป็นค่าปกติจากนั้น เรารวบรวมรูปคลื่นพัลส์สองรูปที่ตำแหน่งแขนและข้อเท้าของผู้เข้าร่วมรายนี้พร้อมกัน (วิธีการโดยละเอียดในการวัดรูปคลื่นของพัลส์มีอธิบายไว้ในวัสดุและวิธีการ)ดังแสดงในรูปที่ 4I จุดคุณลักษณะของรูปคลื่นพัลส์ทั้งสองแบบมีความแตกต่างกันจากนั้นเราคำนวณ PWV ตามสูตร (ส่วน S1)PWV = 1363 ซม./วินาที ซึ่งเป็นค่าลักษณะเฉพาะที่คาดว่าจะเป็นเพศชายที่มีสุขภาพดีในทางกลับกัน เราจะเห็นว่าตัววัดของ AIx หรือ PWV ไม่ได้รับผลกระทบจากความแตกต่างของแอมพลิจูดของรูปคลื่นพัลส์ และค่าของ AIx ในส่วนต่างๆ ของร่างกายนั้นต่างกันในการศึกษาของเรา ใช้ AIx แบบรัศมีเพื่อตรวจสอบความเกี่ยวข้องของ WMHMS ในแต่ละคน เราเลือกผู้เข้าร่วม 20 คนในกลุ่มที่มีสุขภาพดี 20 คนในกลุ่มความดันโลหิตสูง (HTN) 20 คนในกลุ่มโรคหลอดเลือดหัวใจ (CHD) อายุ 50-59 ปี และ 20 คนในกลุ่ม กลุ่มเบาหวาน (DM)เราวัดคลื่นพัลส์และเปรียบเทียบพารามิเตอร์ทั้งสองคือ AIx และ PWV ดังแสดงในรูปที่ 4Jพบว่าค่า PWV ของกลุ่ม HTN, CHD และ DM ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับกลุ่มปกติและมีความแตกต่างทางสถิติ (PHTN ≪ 0.001, PCHD ≪ 0.001 และ PDM ≪ 0.001 โดยค่า P คำนวณโดย t ทดสอบ).ในขณะเดียวกัน ค่า AIx ของกลุ่ม HTN และ CHD นั้นต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับกลุ่มที่มีสุขภาพดีและมีความแตกต่างทางสถิติ (PHTN < 0.01, PCHD < 0.001 และ PDM < 0.05)PWV และ AIx ของผู้เข้าร่วมที่มี CHD, HTN หรือ DM นั้นสูงกว่ากลุ่มที่มีสุขภาพดีผลการวิจัยพบว่า TATSA สามารถหารูปแบบคลื่นพัลส์ได้อย่างแม่นยำเพื่อคำนวณพารามิเตอร์ของหัวใจและหลอดเลือดเพื่อประเมินสถานะสุขภาพหัวใจและหลอดเลือดโดยสรุป เนื่องจากคุณลักษณะไร้สาย ความละเอียดสูง ความไวสูง และความสะดวกสบาย WMHMS ที่ใช้ TATSA จึงเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพมากกว่าสำหรับการตรวจสอบแบบเรียลไทม์มากกว่าอุปกรณ์ทางการแพทย์ราคาแพงในปัจจุบันที่ใช้ในโรงพยาบาล

นอกเหนือจากคลื่นชีพจร ข้อมูลระบบทางเดินหายใจยังเป็นสัญญาณชีพที่สำคัญเพื่อช่วยประเมินสภาพร่างกายของแต่ละบุคคลการตรวจสอบการหายใจโดยอิงตาม TATSA ของเรานั้นน่าดึงดูดใจมากกว่าการตรวจวิเคราะห์การนอนกรนแบบทั่วไป เพราะสามารถรวมเข้ากับเสื้อผ้าได้อย่างลงตัวเพื่อความสบายยิ่งขึ้นTATSA เย็บเข้ากับสายรัดหน้าอกแบบยางยืดสีขาว ผูกติดกับร่างกายมนุษย์โดยตรงและยึดไว้รอบหน้าอกเพื่อติดตามการหายใจ (รูปที่ 5A และภาพยนตร์ S7)TATSA เสียรูปตามการขยายตัวและการหดตัวของซี่โครง ส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้ารูปคลื่นที่ได้มาจะได้รับการยืนยันในรูปที่ 5Bสัญญาณที่มีความผันผวนมาก (แอมพลิจูด 1.8 V) และการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะ (ความถี่ 0.5 Hz) สอดคล้องกับการเคลื่อนไหวของทางเดินหายใจสัญญาณความผันผวนที่ค่อนข้างเล็กถูกซ้อนทับบนสัญญาณความผันผวนขนาดใหญ่นี้ ซึ่งเป็นสัญญาณการเต้นของหัวใจตามลักษณะความถี่ของสัญญาณการหายใจและสัญญาณการเต้นของหัวใจ เราใช้ตัวกรองความถี่ต่ำ 0.8-Hz และตัวกรองความถี่ความถี่ 0.8- ถึง 20-Hz เพื่อแยกสัญญาณทางเดินหายใจและการเต้นของหัวใจตามลำดับ ดังแสดงในรูปที่ 5C .ในกรณีนี้ สัญญาณการหายใจและชีพจรที่เสถียรพร้อมข้อมูลทางสรีรวิทยามากมาย (เช่น อัตราการหายใจ อัตราการเต้นของหัวใจ และจุดคุณสมบัติของคลื่นพัลส์) ได้รับพร้อมกันและแม่นยำโดยการวาง TATSA เพียงอันเดียวไว้บนหน้าอก

(A) ภาพถ่ายแสดงการแสดง TATSA ที่วางไว้บนหน้าอกเพื่อวัดสัญญาณความดันที่เกี่ยวข้องกับการหายใจ(B) พล็อตเวลาแรงดันไฟฟ้าสำหรับ TATSA ที่ติดตั้งบนหน้าอก(C) การสลายตัวของสัญญาณ (B) เป็นการเต้นของหัวใจและรูปคลื่นทางเดินหายใจ(D) ภาพถ่ายแสดง TATSA สองชิ้นวางบนหน้าท้องและข้อมือเพื่อวัดการหายใจและชีพจร ตามลำดับ ระหว่างการนอนหลับ(E) สัญญาณทางเดินหายใจและชีพจรของผู้เข้าร่วมที่มีสุขภาพดีHR อัตราการเต้นของหัวใจBPM เต้นต่อนาที(F) สัญญาณทางเดินหายใจและชีพจรของผู้เข้าร่วม SAS(ช) สัญญาณทางเดินหายใจและ ปตท. ของผู้เข้าร่วมที่มีสุขภาพดี(H) สัญญาณทางเดินหายใจและปตท. ของผู้เข้าร่วม SAS(I) ความสัมพันธ์ระหว่างดัชนีความตื่นตัวของ PTT กับดัชนีภาวะหยุดหายใจขณะหลับ (AHI)เครดิตภาพ: Wenjing Fan มหาวิทยาลัยฉงชิ่ง

เพื่อพิสูจน์ว่าเซ็นเซอร์ของเราสามารถตรวจสอบชีพจรและสัญญาณระบบทางเดินหายใจได้อย่างแม่นยำและเชื่อถือได้ เราได้ทำการทดลองเพื่อเปรียบเทียบผลการวัดของสัญญาณชีพจรและสัญญาณการหายใจระหว่าง TATSA ของเรากับเครื่องมือทางการแพทย์มาตรฐาน (MHM-6000B) ตามที่อธิบายอย่างละเอียดในภาพยนตร์ S8 และ S9ในการวัดคลื่นพัลส์ โฟโตอิเล็กทริคเซนเซอร์ของเครื่องมือแพทย์สวมที่นิ้วชี้ซ้ายของเด็กสาว และในขณะเดียวกัน TATSA ของเราสวมที่นิ้วชี้ขวาของเธอจากรูปคลื่นพัลส์ทั้งสองที่ได้มา เราจะเห็นได้ว่ารูปทรงและรายละเอียดของพวกมันเหมือนกัน ซึ่งบ่งชี้ว่าชีพจรที่วัดโดย TATSA นั้นแม่นยำพอๆ กับที่วัดโดยเครื่องมือทางการแพทย์ในการวัดคลื่นการหายใจ จะมีการติดอิเล็กโทรดคลื่นไฟฟ้าหัวใจ 5 ชิ้นไว้ที่บริเวณห้าจุดบนร่างกายของชายหนุ่มตามคำแนะนำทางการแพทย์ในทางตรงกันข้าม TATSA เพียงตัวเดียวผูกติดกับร่างกายโดยตรงและรัดไว้รอบหน้าอกจากสัญญาณระบบทางเดินหายใจที่รวบรวม จะเห็นได้ว่าแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงและอัตราของสัญญาณการหายใจที่ตรวจพบโดย TATSA ของเรานั้นสอดคล้องกับแนวโน้มของเครื่องมือทางการแพทย์การทดลองเปรียบเทียบทั้งสองครั้งนี้ตรวจสอบความถูกต้อง ความน่าเชื่อถือ และความเรียบง่ายของระบบเซ็นเซอร์ของเราสำหรับการตรวจสอบสัญญาณชีพจรและการหายใจ

นอกจากนี้เรายังประดิษฐ์เสื้อผ้าอัจฉริยะและเย็บ TATSA สองชิ้นที่ตำแหน่งหน้าท้องและข้อมือเพื่อติดตามสัญญาณการหายใจและสัญญาณชีพจรตามลำดับโดยเฉพาะอย่างยิ่ง WMHMS แบบดูอัลแชนเนลที่พัฒนาขึ้นนั้นถูกใช้เพื่อจับสัญญาณชีพจรและการหายใจพร้อมกันผ่านระบบนี้ เราได้รับสัญญาณการหายใจและชีพจรของชายอายุ 25 ปีที่แต่งกายด้วยเสื้อผ้าที่ฉลาดของเราขณะนอนหลับ (รูปที่ 5D และภาพยนตร์ S10) และนั่ง (รูปที่ S26 และภาพยนตร์ S11)สัญญาณการหายใจและชีพจรที่ได้รับสามารถส่งแบบไร้สายไปยัง APP ของโทรศัพท์มือถือได้ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น TATSA มีความสามารถในการจับสัญญาณการหายใจและสัญญาณชีพจรสัญญาณทางสรีรวิทยาทั้งสองนี้เป็นเกณฑ์ในการประเมิน SAS ในทางการแพทย์ด้วยดังนั้น TATSA ของเราจึงสามารถใช้ในการตรวจสอบและประเมินคุณภาพการนอนหลับและความผิดปกติของการนอนหลับที่เกี่ยวข้องได้ดังแสดงในรูปที่ 5 (E และ F ตามลำดับ) เราวัดชีพจรและรูปคลื่นของระบบทางเดินหายใจอย่างต่อเนื่องของผู้เข้าร่วมสองคน แบบที่สุขภาพดีและผู้ป่วย SASสำหรับผู้ที่ไม่มีภาวะหยุดหายใจขณะนั้น อัตราการหายใจและชีพจรที่วัดได้ยังคงทรงตัวที่ 15 และ 70 ตามลำดับสำหรับผู้ป่วย SAS มีการสังเกตภาวะหยุดหายใจขณะชัดเจนเป็นเวลา 24 วินาที ซึ่งเป็นข้อบ่งชี้ของเหตุการณ์ระบบทางเดินหายใจอุดกั้น และอัตราการเต้นของหัวใจเพิ่มขึ้นเล็กน้อยหลังจากช่วงหยุดหายใจขณะหนึ่งเนื่องจากการควบคุมของระบบประสาท (49)โดยสรุป TATSA สามารถประเมินสถานะการหายใจได้

เพื่อประเมินประเภทของ SAS เพิ่มเติมผ่านสัญญาณชีพจรและการหายใจ เราได้วิเคราะห์เวลาการขนส่งของพัลส์ (PTT) ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ที่ไม่รุกล้ำซึ่งสะท้อนการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานของหลอดเลือดส่วนปลายและความดันในช่องอก (กำหนดในหัวข้อ S1) ของผู้ชายที่มีสุขภาพดีและผู้ป่วยที่มีอาการ เอสเอเอสสำหรับผู้เข้าร่วมที่มีสุขภาพดี อัตราการหายใจยังคงไม่เปลี่ยนแปลง และ PTT ค่อนข้างคงที่จาก 180 เป็น 310 มิลลิวินาที (รูปที่ 5G)อย่างไรก็ตาม สำหรับผู้เข้าร่วม SAS PTT เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจาก 120 เป็น 310 มิลลิวินาทีระหว่างภาวะหยุดหายใจขณะหยุดหายใจ (รูปที่ 5H)ดังนั้น ผู้เข้าร่วมจึงได้รับการวินิจฉัยว่าเป็น SAS อุดกั้น (OSAS)หากการเปลี่ยนแปลงของ PTT ลดลงระหว่างภาวะหยุดหายใจขณะหยุดหายใจ ภาวะนี้จะพิจารณาว่าเป็นภาวะหยุดหายใจขณะหลับส่วนกลาง (CSAS) และหากอาการทั้งสองนี้เกิดขึ้นพร้อมกัน ก็จะได้รับการวินิจฉัยว่าเป็น SAS แบบผสม (MSAS)เพื่อประเมินความรุนแรงของ SAS เราได้วิเคราะห์สัญญาณที่รวบรวมเพิ่มเติมดัชนีความตื่นตัวของ PTT ซึ่งเป็นจำนวนการปลุกของ PTT ต่อชั่วโมง (ความตื่นตัวของ PTT ถูกกำหนดให้ลดลงใน PTT ≥15 ms นาน ≥3 วินาที) มีบทบาทสำคัญในการประเมินระดับของ SASดัชนีภาวะหยุดหายใจขณะหลับ (apnea-hypopnea index - AHI) เป็นมาตรฐานสำหรับกำหนดระดับของ SAS (ภาวะหยุดหายใจขณะหยุดหายใจขณะหยุดหายใจ และ hypopnea คือการหายใจตื้นเกินไปหรืออัตราการหายใจต่ำผิดปกติ) ซึ่งกำหนดเป็นจำนวนการหยุดหายใจขณะหลับและภาวะหายใจต่ำต่อ ชั่วโมงขณะนอนหลับ (ความสัมพันธ์ระหว่าง AHI กับเกณฑ์การให้คะแนนสำหรับ OSAS แสดงไว้ในตาราง S2)เพื่อตรวจสอบความสัมพันธ์ระหว่าง AHI และดัชนีความตื่นตัวของ PTT ได้เลือกและวิเคราะห์สัญญาณระบบทางเดินหายใจของผู้ป่วย SAS 20 รายด้วย TATSAดังแสดงในรูปที่ 5I ดัชนีความตื่นตัวของ PTT มีความสัมพันธ์เชิงบวกกับ AHI เนื่องจากภาวะหยุดหายใจขณะหลับและภาวะ hypopnea ระหว่างการนอนหลับทำให้ความดันโลหิตสูงขึ้นอย่างเห็นได้ชัดและชั่วคราว ส่งผลให้ PTT ลดลงดังนั้น TATSA ของเราสามารถรับสัญญาณชีพจรและระบบทางเดินหายใจที่เสถียรและแม่นยำได้พร้อมๆ กัน จึงให้ข้อมูลทางสรีรวิทยาที่สำคัญเกี่ยวกับระบบหัวใจและหลอดเลือดและ SAS สำหรับการติดตามและประเมินโรคที่เกี่ยวข้อง

โดยสรุป เราได้พัฒนา TATSA โดยใช้ตะเข็บคาร์ดิแกนแบบเต็มเพื่อตรวจจับสัญญาณทางสรีรวิทยาต่างๆ พร้อมกันเซ็นเซอร์นี้มีความไวสูงถึง 7.84 mV Pa-1 เวลาตอบสนองที่รวดเร็ว 20 ms ความเสถียรสูงมากกว่า 100,000 รอบ และแบนด์วิดท์ความถี่การทำงานที่กว้างบนพื้นฐานของ TATSA WMHMS ยังได้รับการพัฒนาเพื่อส่งพารามิเตอร์ทางสรีรวิทยาที่วัดได้ไปยังโทรศัพท์มือถือTATSA สามารถรวมเข้ากับไซต์ต่างๆ ของเสื้อผ้าเพื่อการออกแบบที่สวยงาม และใช้เพื่อตรวจสอบสัญญาณชีพจรและการหายใจพร้อมกันแบบเรียลไทม์สามารถใช้ระบบเพื่อช่วยแยกแยะระหว่างบุคคลที่มีสุขภาพดีและผู้ที่มี CAD หรือ SAS เนื่องจากความสามารถในการบันทึกข้อมูลโดยละเอียดการศึกษานี้เป็นแนวทางที่สะดวกสบาย มีประสิทธิภาพ และเป็นมิตรกับผู้ใช้ในการวัดชีพจรและการหายใจของมนุษย์ ซึ่งแสดงถึงความก้าวหน้าในการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับสิ่งทอที่สวมใส่ได้

เหล็กสแตนเลสถูกส่งผ่านแม่พิมพ์ซ้ำแล้วซ้ำอีก และยืดให้เป็นเส้นใยที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 ไมโครเมตรเส้นใยสแตนเลสในขณะที่อิเล็กโทรดถูกสอดเข้าไปในเส้นด้ายเทอรีลีนชั้นเดียวเชิงพาณิชย์หลายชิ้น

เครื่องกำเนิดฟังก์ชัน (Stanford DS345) และแอมพลิฟายเออร์ (LabworkPa-13) ถูกใช้เพื่อให้สัญญาณแรงดันไซน์ใช้เซ็นเซอร์วัดแรงช่วงคู่ (Vernier Software & Technology LLC) เพื่อวัดแรงดันภายนอกที่ใช้กับ TATSAอิเล็กโตรมิเตอร์ระบบ Keithley (Keithley 6514) ถูกใช้เพื่อตรวจสอบและบันทึกแรงดันไฟขาออกและกระแสของ TATSA

ตามวิธีการทดสอบ AATCC 135-2017 เราใช้ TATSA และบัลลาสต์ที่เพียงพอสำหรับน้ำหนัก 1.8 กก. แล้วนำไปใส่ในเครื่องซักฟอกเชิงพาณิชย์ (Labtex LBT-M6T) เพื่อทำรอบการซักด้วยเครื่องที่ละเอียดอ่อนจากนั้น เราเติมน้ำในเครื่องซักผ้า 18 แกลลอนที่อุณหภูมิ 25°C และตั้งค่าเครื่องซักผ้าสำหรับรอบและเวลาการซักที่เลือก (ความเร็วในการกวน 119 รอบต่อนาที เวลาซัก 6 นาที ความเร็วรอบสุดท้าย 430 รอบต่อนาที รอบสุดท้าย เวลาหมุน 3 นาที)สุดท้าย TATSA ถูกแขวนให้แห้งในอากาศนิ่งที่อุณหภูมิห้องไม่เกิน 26°C

อาสาสมัครได้รับคำสั่งให้นอนหงายบนเตียงTATSA ถูกวางไว้บนไซต์การวัดเมื่ออาสาสมัครอยู่ในท่าหงายมาตรฐาน พวกเขาคงสภาพที่ผ่อนคลายอย่างสมบูรณ์เป็นเวลา 5 ถึง 10 นาทีจากนั้นสัญญาณพัลส์ก็เริ่มวัด

เนื้อหาเพิ่มเติมสำหรับบทความนี้สามารถดูได้ที่ https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1

มะเดื่อ S9ผลการจำลองการกระจายแรงของ TATSA ภายใต้แรงกดดันที่ 0.2 kPa โดยใช้ซอฟต์แวร์ COMSOL

มะเดื่อ S10ผลการจำลองการกระจายแรงของหน่วยสัมผัสภายใต้แรงดันที่ใช้ที่ 0.2 และ 2 kPa ตามลำดับ

มะเดื่อ S11ภาพประกอบแผนผังที่สมบูรณ์ของการถ่ายโอนประจุของหน่วยสัมผัสภายใต้สภาวะไฟฟ้าลัดวงจร

มะเดื่อ S13แรงดันไฟขาออกและกระแสไฟขาออกต่อเนื่องของ TATSA เพื่อตอบสนองต่อแรงดันภายนอกที่ใช้อย่างต่อเนื่องในรอบการวัด

มะเดื่อ S14แรงดันตอบสนองต่อจำนวนลูปยูนิตต่างๆ ในพื้นที่แฟบริกเดียวกัน เมื่อรักษาหมายเลขลูปในทิศทาง wale ไม่เปลี่ยนแปลง

มะเดื่อ S15การเปรียบเทียบระหว่างประสิทธิภาพเอาต์พุตของเซ็นเซอร์สิ่งทอสองตัวโดยใช้ตะเข็บคาร์ดิแกนแบบเต็มและตะเข็บธรรมดา

มะเดื่อ S16พล็อตแสดงการตอบสนองความถี่ที่แรงดันไดนามิก 1 kPa และความถี่อินพุตแรงดัน 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 และ 20 Hz

มะเดื่อ S25แรงดันไฟขาออกของเซ็นเซอร์เมื่อวัตถุอยู่ในสภาวะคงที่และการเคลื่อนไหว

มะเดื่อ S26.ภาพถ่ายแสดง TATSA ที่วางบนหน้าท้องและข้อมือพร้อมกันเพื่อวัดการหายใจและชีพจรตามลำดับ

นี่เป็นบทความแบบเปิดที่เผยแพร่ภายใต้เงื่อนไขของสัญญาอนุญาต Creative Commons Attribution-NonCommercial ซึ่งอนุญาตให้ใช้ แจกจ่าย และทำซ้ำในสื่อใดๆ ตราบใดที่การใช้ผลลัพธ์ไม่ได้เพื่อประโยชน์ในเชิงพาณิชย์ และให้งานต้นฉบับนั้นถูกต้อง อ้าง

หมายเหตุ: เราขอเพียงที่อยู่อีเมลของคุณเพื่อให้บุคคลที่คุณแนะนำเพจทราบว่าคุณต้องการให้พวกเขาเห็น และไม่ใช่อีเมลขยะเราไม่ได้บันทึกที่อยู่อีเมลใด ๆ

โดย Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang

เซ็นเซอร์สิ่งทอทั้งหมดแบบไทรโบอิเล็กทริกที่มีความไวต่อแรงกดสูงและความสะดวกสบายได้รับการพัฒนาเพื่อการตรวจสอบสุขภาพ

โดย Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang

เวลาที่โพสต์: 27 มี.ค. 2563