Giyilebilir tekstil elektroniği, kişiselleştirilmiş sağlık yönetimini gerçekleştirmek için oldukça arzu edilir.Bununla birlikte, bildirilen çoğu tekstil elektroniği, ya periyodik olarak tek bir fizyolojik sinyali hedefleyebilir ya da sinyallerin açık ayrıntılarını kaçırarak kısmi bir sağlık değerlendirmesine yol açabilir.Ayrıca, mükemmel özelliklere ve rahatlığa sahip tekstiller hala bir zorluk olmaya devam ediyor.Burada, yüksek basınca duyarlı ve rahat bir triboelektrik tamamen tekstil sensör dizisini sunuyoruz.Basınç hassasiyeti (7.84 mV Pa−1), hızlı tepki süresi (20 ms), kararlılık (>100.000 döngü), geniş çalışma frekansı bant genişliği (20 Hz'e kadar) ve makinede yıkanabilirlik (>40 yıkama) sergiler.Üretilen TATSA'lar, arteriyel nabız dalgalarını ve solunum sinyallerini aynı anda izlemek için giysilerin farklı bölümlerine dikildi.Ayrıca, bazı kronik hastalıkların kantitatif analizi için büyük ilerleme sergileyen, kardiyovasküler hastalık ve uyku apne sendromunun uzun vadeli ve invaziv olmayan değerlendirmesi için bir sağlık izleme sistemi geliştirdik.
Giyilebilir elektronikler, kişiselleştirilmiş tıpta umut verici uygulamaları nedeniyle büyüleyici bir fırsatı temsil ediyor.Bireyin sağlık durumunu sürekli, gerçek zamanlı ve müdahalesiz bir şekilde izleyebilirler (1-11).Nabız ve solunum, yaşamsal belirtilerin vazgeçilmez iki bileşeni olarak hem fizyolojik durumun doğru bir şekilde değerlendirilmesini hem de ilgili hastalıkların tanı ve prognozuna ilişkin dikkate değer içgörüler sağlayabilir (12-21).Bugüne kadar, ince fizyolojik sinyalleri algılamak için giyilebilir elektroniklerin çoğu, polietilen tereftalat, polidimetilsiloksan, poliimid, cam ve silikon gibi ultra ince substratlara dayanmaktadır (22–26).Deri üzerinde kullanım için bu substratların bir dezavantajı, düzlemsel ve sert formatlarında yatmaktadır.Sonuç olarak, giyilebilir elektronik cihazlar ile insan derisi arasında uzun süreli kullanımlarda tahrişe ve rahatsızlığa neden olabilecek kompakt bir temas kurmak için bantlar, yara bantları veya diğer mekanik armatürler gerekir (27, 28).Ayrıca, bu alt tabakalar zayıf hava geçirgenliğine sahiptir, bu da uzun süreli, sürekli sağlık izleme için kullanıldığında rahatsızlığa neden olur.Sağlıkta, özellikle günlük kullanımda yukarıda bahsedilen sorunları hafifletmek için akıllı tekstiller güvenilir bir çözüm sunuyor.Bu tekstiller yumuşaklık, hafiflik ve nefes alabilirlik özelliklerine sahiptir ve dolayısıyla giyilebilir elektroniklerde konforu gerçekleştirme potansiyeline sahiptir.Son yıllarda, hassas sensörler, enerji hasadı ve depolamada tekstil tabanlı sistemler geliştirmek için yoğun çabalar sarf edilmiştir (29-39).Özellikle, nabız ve solunum sinyallerinin izlenmesinde uygulanan optik fiber, piezoelektrik ve özdirenç tabanlı akıllı tekstiller üzerine başarılı araştırmalar rapor edilmiştir (40-43).Ancak bu akıllı tekstiller tipik olarak düşük hassasiyete ve tek bir izleme parametresine sahiptir ve büyük ölçekte üretilemezler (tablo S1).Nabız ölçümü durumunda, nabzın zayıf ve hızlı dalgalanması (örneğin, özellik noktaları) nedeniyle ayrıntılı bilgilerin yakalanması zordur ve bu nedenle yüksek hassasiyet ve uygun frekans tepkisi performansı gereklidir.
Bu çalışmada, tam bir hırka dikişinde iletken ve naylon ipliklerle örülmüş, epidermal ince basınç yakalama için yüksek hassasiyete sahip bir triboelektrik tamamen tekstil sensör dizisini (TATSA) tanıtıyoruz.TATSA, yüksek basınç hassasiyeti (7,84 mV Pa−1), hızlı tepki süresi (20 ms), kararlılık (>100.000 döngü), geniş çalışma frekansı bant genişliği (20 Hz'e kadar) ve makinede yıkanabilirlik (>40 yıkama) sağlayabilir.Kendini rahat, rahat ve estetik bir çekicilikle kıyafetlere entegre etme yeteneğine sahiptir.Özellikle, TATSA'mız boyun, bilek, parmak ucu ve ayak bileği pozisyonlarındaki nabız dalgalarına ve karın ve göğüsteki solunum dalgalarına karşılık gelen kumaşın farklı bölgelerine doğrudan dahil edilebilir.TATSA'nın gerçek zamanlı ve uzaktan sağlık izlemedeki mükemmel performansını değerlendirmek için, kardiyovasküler hastalık (CAD) analizi ve uyku apne sendromunun (SAS) değerlendirilmesi için fizyolojik sinyalleri sürekli olarak almak ve kaydetmek için kişiselleştirilmiş bir akıllı sağlık izleme sistemi geliştiriyoruz. ).
Şekil 1A'da gösterildiği gibi, sırasıyla nabzın ve solunum sinyallerinin dinamik ve aynı anda izlenmesini sağlamak için bir gömleğin manşetine ve göğsüne iki TATSA dikildi.Bu fizyolojik sinyaller, sağlık durumunun daha fazla analizi için kablosuz olarak akıllı mobil terminal uygulamasına (APP) iletildi.Şekil 1B, bir kumaş parçasına dikilmiş TATSA'yı gösterir ve ek, tam bir hırka dikişinde karakteristik iletken iplik ve ticari naylon iplik kullanılarak örülen TATSA'nın büyütülmüş görünümünü gösterir.En yaygın ve temel örgü yöntemi olan temel düz dikişle karşılaştırıldığında, tam hırka dikişi seçildi çünkü iletken ipliğin ilmek başı ile naylon ipliğin bitişik ilmek başı arasındaki temas (şekil S1) bir yüzeydir. yüksek triboelektrik etki için daha geniş bir etki alanına yol açan bir nokta teması yerine.İletken ipliği hazırlamak için, sabit özlü elyaf olarak paslanmaz çeliği seçtik ve birkaç parça tek katlı Terylen iplik, öz elyafın etrafına bükülerek 0,2 mm çapında bir iletken iplik haline getirildi (şekil S2). hem elektrifikasyon yüzeyi hem de iletken elektrot.0.15 mm çapında olan ve bir başka elektrifikasyon yüzeyi görevi gören naylon iplik, hesaplanamayan ipliklerle büküldüğü için güçlü bir çekme kuvvetine sahipti (Şekil S3).Şekil 1 (sırasıyla C ve D), imal edilmiş iletken iplik ve naylon ipliğin fotoğraflarını göstermektedir.Ekler, iletken ipliğin tipik bir kesitini ve naylon ipliğin yüzeyini sunan ilgili taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntülerini gösterir.İletken ve naylon ipliklerin yüksek gerilme mukavemeti, tüm sensörlerin tek tip bir performansını korumak için endüstriyel bir makinede dokuma yeteneklerini sağladı.Şekil 1E'de gösterildiği gibi, iletken iplikler, naylon iplikler ve sıradan iplikler kendi ilgili konilerine sarılmış ve daha sonra otomatik dokuma için endüstriyel bilgisayarlı düz örgü makinesine yüklenmiştir (film S1).Şekilde gösterildiği gibi.S4, birkaç TATSA, endüstriyel makine kullanılarak sıradan kumaşla birlikte örülmüştür.0,85 mm kalınlığında ve 0,28 g ağırlığında tek bir TATSA, diğer kumaşlarla mükemmel uyumluluğunu sergileyerek, bireysel kullanım için tüm yapıdan uyarlanabilir.Ek olarak, ticari naylon ipliklerin çeşitliliği nedeniyle TATSA'lar estetik ve modaya uygun gereksinimleri karşılamak için çeşitli renklerde tasarlanabilir (Şekil 1F ve Şekil S5).Üretilen TATSA'lar mükemmel yumuşaklığa ve sert bükülme veya deformasyona dayanma kapasitesine sahiptir (şekil S6).Şekil 1G, doğrudan bir süveterin karnına ve manşetine dikilmiş TATSA'yı göstermektedir.Süveterin örme işlemi, Şek.S7 ve film S2.Karın pozisyonunda gerilmiş TATSA'nın ön ve arka tarafının detayları, Şek.S8 (sırasıyla A ve B) ve iletken iplik ve naylon ipliğin konumu şekil l'de gösterilmektedir.S8C.Burada TATSA'nın sade ve akıllı bir görünüm için sıradan kumaşlara sorunsuz bir şekilde yerleştirilebildiği görülebilir.
(A) Nabız ve solunum sinyallerinin gerçek zamanlı olarak izlenmesi için bir gömleğe entegre edilmiş iki TATSA.(B) TATSA ve giysi kombinasyonunun şematik gösterimi.Ek, sensörün büyütülmüş görünümünü gösterir.(C) İletken ipliğin fotoğrafı (ölçek çubuğu, 4 cm).İç kısım, paslanmaz çelik ve Terylen ipliklerden oluşan iletken ipliğin (ölçek çubuğu, 100 μm) kesitinin SEM görüntüsüdür.(D) Naylon ipliğin fotoğrafı (ölçek çubuğu, 4 cm).İç kısım, naylon iplik yüzeyinin SEM görüntüsüdür (ölçek çubuğu, 100 μm).(E) TATSA'ların otomatik dokumasını gerçekleştiren bilgisayarlı düz örgü makinesinin görüntüsü.(F) TATSA'ların farklı renklerde fotoğrafı (ölçek çubuğu, 2 cm).İç kısım, mükemmel yumuşaklığını gösteren bükülmüş TATSA'dır.(G) Bir süveterin içine tamamen ve kusursuz bir şekilde dikilmiş iki TATSA'nın fotoğrafı.Fotoğraf kredisi: Wenjing Fan, Chongqing Üniversitesi.
Mekanik ve elektriksel özellikleri de dahil olmak üzere TATSA'nın çalışma mekanizmasını analiz etmek için, Şekil 2A'da gösterildiği gibi TATSA'nın geometrik bir örgü modelini oluşturduk.Tam hırka dikişi kullanılarak, iletken ve naylon iplikler, sıra ve şerit yönünde ilmek birimleri şeklinde birbirine kenetlenir.Tek bir ilmek yapısı (şekil S1) bir ilmek kafası, ilmek kolu, nervürlü kısım, ilmek dikiş kolu ve ilmek ilmek kafasından oluşur.İki farklı iplik arasındaki temas yüzeyinin iki şekli bulunabilir: (i) iletken ipliğin ilmek başı ile naylon ipliğin ilmek başı arasındaki temas yüzeyi ve (ii) ilmek başı arasındaki temas yüzeyi. naylon iplik ve iletken ipliğin ilmek başı.
(A) Örgü ilmeklerinin ön, sağ ve üst taraflarıyla birlikte TATSA.(B) COMSOL yazılımı kullanılarak 2 kPa'lık bir uygulanan basınç altında bir TATSA'nın kuvvet dağılımının simülasyon sonucu.(C) Kısa devre koşulları altında bir kontak ünitesinin yük transferinin şematik gösterimleri.(D) COMSOL yazılımı kullanılarak bir açık devre koşulunda bir kontak ünitesinin yük dağılımının simülasyon sonuçları.
TATSA'nın çalışma prensibi iki açıdan açıklanabilir: dış kuvvet uyarımı ve indüklenen yükü.Dış kuvvet uyarısına tepki olarak stres dağılımını sezgisel olarak anlamak için, Şekil 2B ve Şekil 2'de gösterildiği gibi, 2 ve 0,2 kPa'lık farklı dış kuvvetlerde COMSOL yazılımını kullanarak sonlu elemanlar analizi kullandık.S9.Gerilme, iki ipliğin temas yüzeylerinde görülür.Şekilde gösterildiği gibi.S10, stres dağılımını netleştirmek için iki döngü birimi düşündük.İki farklı dış kuvvet altında gerilim dağılımını karşılaştırırken, artan dış kuvvet ile iletken ve naylon ipliklerin yüzeylerindeki gerilim artar, bu da iki iplik arasında temas ve ekstrüzyon ile sonuçlanır.Dış kuvvet serbest bırakıldığında, iki iplik birbirinden ayrılır ve birbirinden uzaklaşır.
İletken iplik ve naylon iplik arasındaki temas-ayırma hareketleri, triboelektrifikasyon ve elektrostatik indüksiyonun birleşimine atfedilen yük transferini indükler.Elektrik üretim sürecini netleştirmek için iki ipliğin birbiriyle temas ettiği alanın kesitini analiz ediyoruz (Şekil 2C1).Şekil 2'de gösterildiği gibi (sırasıyla C2 ve C3), TATSA dış kuvvet tarafından uyarıldığında ve iki iplik birbiriyle temas ettiğinde, iletken ve naylon ipliklerin yüzeyinde elektrifikasyon meydana gelir ve eşdeğer yükler zıt yükler. iki ipliğin yüzeyinde polariteler üretilir.İki iplik ayrıldığında, elektrostatik indüksiyon etkisi nedeniyle iç paslanmaz çelikte pozitif yükler indüklenir.Tam şema, Şek.S11.Elektrik üretim sürecine ilişkin daha nicel bir anlayış elde etmek için, COMSOL yazılımını kullanarak TATSA'nın potansiyel dağılımını simüle ettik (Şekil 2D).İki malzeme temas halindeyken, yük esas olarak sürtünme malzemesi üzerinde toplanır ve elektrot üzerinde yalnızca küçük bir miktarda indüklenen yük bulunur, bu da küçük potansiyele neden olur (Şekil 2D, alt).İki malzeme ayrıldığında (Şekil 2D, üst), potansiyel farkı nedeniyle elektrot üzerinde indüklenen yük artar ve buna karşılık gelen potansiyel artar, bu da deneylerden elde edilen sonuçlar ile simülasyonlardan elde edilen sonuçlar arasında iyi bir uyum olduğunu ortaya koymaktadır. .Ayrıca, TATSA'nın iletken elektrotu Terylen ipliklerle sarıldığından ve cilt her iki sürtünme malzemesiyle de temas halinde olduğundan, bu nedenle, TATSA doğrudan cilde giyildiğinde, yük dış kuvvete bağlıdır ve cilt tarafından zayıflatılabilir.
TATSA'mızın performansını çeşitli yönlerden karakterize etmek için, bir fonksiyon üreteci, güç yükselticisi, elektrodinamik çalkalayıcı, kuvvet ölçer, elektrometre ve bilgisayar içeren bir ölçüm sistemi sağladık (şekil S12).Bu sistem, 7 kPa'ya kadar harici bir dinamik basınç üretir.Deneyde, TATSA serbest halde düz bir plastik levha üzerine yerleştirildi ve çıkış elektrik sinyalleri elektrometre tarafından kaydedildi.
İletken ve naylon ipliklerin özellikleri, temas yüzeyini ve dış basıncı algılama kapasitesini belirledikleri için TATSA'nın çıktı performansını etkiler.Bunu araştırmak için iki iplikten sırasıyla üç boyutta ürettik: 150D/3, 210D/3 ve 250D/3 boyutunda iletken iplik ve 150D/6, 210D/6 ve 250D boyutunda naylon iplik /6 (D, denye; tek tek ipliklerin elyaf kalınlığını belirlemek için kullanılan bir ölçü birimi; yüksek denye sayısına sahip kumaşlar kalın olma eğilimindedir).Daha sonra bu iki farklı boyuttaki ipliği bir sensöre örmek için seçtik ve TATSA'nın boyutu, şerit yönünde 16 ve kurs yönünde 10 ilmek sayısı ile 3 cm x 3 cm olarak tutuldu.Böylece dokuz örgü desenine sahip sensörler elde edilmiştir.150D/3 boyutunda iletken iplik ve 150D/6 boyutunda naylon ipliğin sensörü en inceydi ve iletken ipliğin sensörü 250D/3 boyutunda ve naylon ipliğin 250D/ boyutunda 6 en kalınıydı.0.1 ila 7 kPa'lık bir mekanik uyarım altında, bu modeller için elektrik çıktıları, Şekil 3A'da gösterildiği gibi sistematik olarak araştırıldı ve test edildi.Dokuz TATSA'nın çıkış voltajları, artan uygulanan basınçla 0,1'den 4 kPa'ya yükseldi.Spesifik olarak, tüm örgü modelleri arasında 210D/3 iletken iplik ve 210D/6 naylon ipliğin spesifikasyonu en yüksek elektrik çıkışını sağladı ve en yüksek hassasiyeti sergiledi.Çıkış voltajı, TATSA'nın 210D/3 iletken iplik ve 210D/6 naylon iplik kullanılarak örülmesine kadar TATSA'nın kalınlığındaki artışla (yeterli temas yüzeyi nedeniyle) artan bir eğilim gösterdi.Kalınlığın daha fazla artması, iplikler tarafından dış basıncın emilmesine yol açacağından, çıkış voltajı buna göre azaldı.Ayrıca, düşük basınç bölgesinde (<4 kPa), çıkış voltajında basınçla iyi davranışlı bir lineer varyasyonun, 7.84 mV Pa−1'lik üstün bir basınç hassasiyeti verdiği kaydedilmiştir.Yüksek basınç bölgesinde (>4 kPa), etkin sürtünme alanının doygunluğu nedeniyle 0,31 mV Pa−1 değerinde daha düşük bir basınç hassasiyeti deneysel olarak gözlemlendi.Benzer bir basınç hassasiyeti, zıt kuvvet uygulama işlemi sırasında gösterildi.Farklı basınçlar altındaki çıkış gerilimi ve akımının somut zaman profilleri Şekil 2'de sunulmuştur.S13 (sırasıyla A ve B).
(A) İletken ipliğin (150D/3, 210D/3 ve 250D/3) naylon iplikle (150D/6, 210D/6 ve 250D/6) birleştirilmiş dokuz örgü modeli altındaki çıkış voltajı.(B) İlmek yönündeki ilmek sayısı değişmeden tutulurken, aynı kumaş alanındaki çeşitli ilmek birimlerine verilen voltaj tepkisi.(C) 1 kPa dinamik basınç ve 1 Hz basınç giriş frekansı altında frekans yanıtlarını gösteren grafikler.(D) 1, 5, 10 ve 20 Hz frekansları altında farklı çıkış ve akım gerilimleri.(E) 1 kPa basınç altında bir TATSA'nın dayanıklılık testi.(F) 20 ve 40 kez yıkandıktan sonra TATSA'nın çıktı özellikleri.
Hassasiyet ve çıkış voltajı, ölçülen bir kumaş alanındaki toplam ilmek sayısı ile belirlenen TATSA'nın dikiş yoğunluğundan da etkilenmiştir.Dikiş yoğunluğundaki bir artış, kumaş yapısının daha fazla kompakt olmasına yol açacaktır.Şekil 3B, 3 cm x 3 cm'lik tekstil alanındaki farklı ilmek numaraları altında çıktı performanslarını gösterir ve iç kısım, bir ilmek biriminin yapısını gösterir (ilmek numarasını yol yönünde 10'da tuttuk ve ilmek numarasını wale yönü 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 ve 26 idi).Çevrim sayısı artırılarak çıkış gerilimi önce artan kontak yüzeyi nedeniyle artan bir eğilim göstermiş, maksimum çıkış gerilimi tepe noktası 180 olana kadar 7,5 V olmuştur. Bu noktadan sonra çıkış gerilimi azalan bir eğilim izlemiştir. TATSA sıkılaştı ve iki iplik, azaltılmış bir temas-ayırma boşluğuna sahipti.Yoğunluğun hangi yönde çıktı üzerinde büyük bir etkisi olduğunu keşfetmek için, TATSA'nın dalga yönündeki döngü numarasını 18'de tuttuk ve rota yönündeki döngü numarası 7, 8, 9, 10 olarak ayarlandı, 11, 12, 13 ve 14. Karşılık gelen çıkış voltajları şekil 2'de gösterilmiştir.S14.Karşılaştırma yaparak, rota yönündeki yoğunluğun çıkış voltajı üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olduğunu görebiliriz.Sonuç olarak, çıktı özelliklerinin kapsamlı değerlendirmelerinden sonra TATSA'yı örmek için 210D/3 iletken ipliğin ve 210D/6 naylon ipliğin ve 180 ilmek biriminin örgü modeli seçildi.Ayrıca, tam hırka dikişi ve düz dikiş kullanan iki tekstil sensörünün çıkış sinyallerini karşılaştırdık.Şekilde gösterildiği gibi.S15, tam hırka dikişinin elektrik çıkışı ve hassasiyeti, düz dikişe göre çok daha yüksektir.
Gerçek zamanlı sinyallerin izlenmesi için tepki süresi ölçülmüştür.Sensörümüzün dış kuvvetlere tepki süresini incelemek için, çıkış voltajı sinyallerini 1 ila 20 Hz frekansındaki dinamik basınç girişleriyle karşılaştırdık (sırasıyla Şekil 3C ve Şekil S16).Çıkış voltajı dalga biçimleri, 1 kPa'lık bir basınç altında giriş sinüzoidal basınç dalgalarıyla hemen hemen aynıydı ve çıkış dalga biçimleri, hızlı bir tepki süresine (yaklaşık 20 ms) sahipti.Bu histerezis, elastik yapının dış kuvveti aldıktan sonra mümkün olan en kısa sürede orijinal durumuna geri dönmemesine bağlanabilir.Bununla birlikte, bu küçük histerezis, gerçek zamanlı izleme için kabul edilebilir.Belirli bir frekans aralığında dinamik basıncı elde etmek için TATSA'nın uygun bir frekans yanıtı beklenir.Böylece TATSA'nın frekans karakteristiği de test edilmiştir.Harici uyarma frekansını artırarak, çıkış voltajının genliği hemen hemen değişmeden kalırken, akım genliği, kademe frekansları 1 ila 20 Hz arasında değiştiğinde arttı (Şekil 3D).
TATSA'nın tekrarlanabilirliğini, kararlılığını ve dayanıklılığını değerlendirmek için, basınç yükleme-boşaltma döngülerine çıkış voltajını ve akım tepkilerini test ettik.Sensöre 5 Hz frekanslı 1 kPa basınç uygulanmıştır.Tepeden tepeye voltaj ve akım 100.000 yükleme-boşaltma döngüsünden sonra kaydedildi (sırasıyla Şekil 3E ve Şekil S17).Gerilimin ve akım dalga biçiminin büyütülmüş görünümleri, Şekil 3E ve Şekil 3'ün iç kısmında gösterilmektedir.sırasıyla S17.Sonuçlar, TATSA'nın olağanüstü tekrarlanabilirliğini, kararlılığını ve dayanıklılığını ortaya koymaktadır.Yıkanabilirlik, aynı zamanda, tamamen tekstil bir cihaz olarak TATSA'nın temel bir değerlendirme kriteridir.Yıkama kabiliyetini değerlendirmek için, TATSA'yı makinede yıkadıktan sonra sensörün çıkış voltajını American Association of Textile Chemists and Colorists (AATCC) Test Method 135-2017'ye göre test ettik.Ayrıntılı yıkama prosedürü Malzemeler ve Yöntemler bölümünde açıklanmıştır.Şekil 3F'de gösterildiği gibi, elektrik çıkışları 20 kez ve 40 kez yıkamadan sonra kaydedildi, bu da yıkama testleri boyunca çıkış voltajında belirgin bir değişiklik olmadığını gösterdi.Bu sonuçlar, TATSA'nın olağanüstü yıkanabilirliğini doğrulamaktadır.Giyilebilir bir tekstil sensörü olarak, TATSA gerilme (şekil S18), bükülme (şekil S19) ve farklı nem (şekil S20) koşullarındayken çıktı performansını da araştırdık.
TATSA'nın yukarıda gösterilen sayısız avantajına dayanarak, sürekli olarak fizyolojik sinyaller alma ve ardından bir hasta için profesyonel tavsiye verme yeteneğine sahip bir kablosuz mobil sağlık izleme sistemi (WMHMS) geliştirdik.Şekil 4A, TATSA'ya dayalı WMHMS'nin şema diyagramını göstermektedir.Sistemin dört bileşeni vardır: analog fizyolojik sinyalleri elde etmek için TATSA, düşük geçiş filtreli bir analog koşullandırma devresi (MAX7427) ve sinyallerin yeterli ayrıntısını ve mükemmel senkronizasyonunu sağlamak için bir amplifikatör (MAX4465), analogdan dijitale analog sinyalleri toplamak ve dijital sinyallere dönüştürmek için bir mikro denetleyici birimine ve dijital sinyali cep telefonu terminal uygulamasına (APP; Huawei Honor 9) iletmek için bir Bluetooth modülüne (CC2640 düşük güçlü Bluetooth çipi) dayalı dönüştürücü.Bu çalışmada, TATSA'yı Şekil 4B'de gösterildiği gibi bir dantel, bileklik, parmaklık ve çoraba kusursuz bir şekilde diktik.
(A) WMHMS'nin çizimi.(B) Sırasıyla bir bileklik, parmak bağı, çorap ve göğüs kemerine dikilmiş TATSA'ların fotoğrafları.(C1) boyun, (D1) bilek, (E1) parmak ucu ve (F1) ayak bileğindeki nabzın ölçümü.(C2) boyunda, (D2) bilekte, (E2) parmak ucunda ve (F2) ayak bileğinde nabız dalga formu.(G) Farklı yaşlardaki nabız dalga biçimleri.(H) Tek bir darbe dalgasının analizi.AIx (%) = P2/P1 olarak tanımlanan radyal büyütme indeksi (AIx).P1, ilerleyen dalganın zirvesidir ve P2, yansıyan dalganın zirvesidir.(I) Kol ve ayak bileğinin nabız döngüsü.Darbe dalga hızı (PWV), PWV = D/∆T olarak tanımlanır.D, ayak bileği ile brakiyal arasındaki mesafedir.∆T, ayak bileği tepe noktaları ile brakiyal nabız dalgaları arasındaki zaman gecikmesidir.PTT, darbe geçiş süresi.(J) Sağlıklı ve CAD'ler arasında AIx ve kol-ayak bileği PWV'sinin (BAPWV) karşılaştırılması.*P < 0.01, **P < 0.001 ve ***P < 0.05.HTN, hipertansiyon;KKH, koroner kalp hastalığı;DM, şeker hastalığı.Fotoğraf kredisi: Jin Yang, Chongqing Üniversitesi.
Farklı insan vücudunun nabız sinyallerini izlemek için, TATSA'lı yukarıda bahsedilen süslemeleri ilgili pozisyonlara ekledik: boyun (Şekil 4C1), bilek (Şekil 4D1), parmak ucu (Şekil 4E1) ve ayak bileği (Şekil 4F1). ), S3'ten S6'ya kadar olan filmlerde detaylandırıldığı gibi.Tıpta, nabız dalgasında üç önemli özellik noktası vardır: ilerleyen dalga P1'in tepe noktası, yansıyan dalga P2'nin tepe noktası ve dikrotik dalga P3'ün tepe noktası.Bu özellik noktalarının özellikleri, kardiyovasküler sistemle ilgili arteriyel elastikiyet, periferik direnç ve sol ventrikül kontraktilitesinin sağlık durumunu yansıtır.Testimizde 25 yaşındaki bir kadının yukarıdaki dört pozisyondaki nabız dalga formları alındı ve kaydedildi.Şekil 4'te (C2 ila E2) gösterildiği gibi boyun, bilek ve parmak ucu konumlarında nabız dalga formunda üç ayırt edilebilir özellik noktasının (P1 ila P3) gözlemlendiğine dikkat edin.Buna karşılık, ayak bileği pozisyonunda nabız dalga formunda sadece P1 ve P3 göründü ve P2 mevcut değildi (Şekil 4F2).Bu sonuca, sol ventrikül tarafından dışarı atılan gelen kan dalgasının ve alt ekstremitelerden yansıyan dalganın üst üste binmesi neden olmuştur (44).Önceki çalışmalar, P2'nin üst ekstremitelerde ölçülen dalga formlarında mevcut olduğunu ancak ayak bileğinde olmadığını göstermiştir (45, 46).Şekil l'de gösterildiği gibi TATSA ile ölçülen dalga biçimlerinde benzer sonuçlar gözlemledik.Burada çalışılan 80 hasta popülasyonundan tipik verileri gösteren S21.Ayak bileğinde ölçülen bu nabız dalga formlarında P2'nin görünmediğini görebiliriz, bu da TATSA'nın dalga formu içindeki ince özellikleri algılama yeteneğini gösterir.Bu nabız ölçüm sonuçları, WMHMS'imizin üst ve alt gövdenin nabız dalga özelliklerini doğru bir şekilde ortaya koyabildiğini ve diğer çalışmalardan üstün olduğunu göstermektedir (41, 47).TATSA'mızın farklı yaşlara yaygın olarak uygulanabileceğini daha da belirtmek için, farklı yaşlarda 80 deneğin nabız dalga biçimlerini ölçtük ve Şekil 2'de gösterildiği gibi bazı tipik veriler gösterdik.S22.Şekil 4G'de gösterildiği gibi, 25, 45 ve 65 yaşlarında üç katılımcı seçtik ve üç özellik noktası genç ve orta yaşlı katılımcılar için açıktı.Tıp literatürüne göre (48), çoğu insanın nabız dalga biçimlerinin özellikleri yaşlandıkça değişir, örneğin P2 noktasının kaybolması gibi, ileri doğru hareket eden yansıyan dalganın, ilerlemedeki dalganın üzerine bindirmek için azalmasıyla kendini gösterir. damar esnekliği.Bu fenomen ayrıca, TATSA'nın farklı popülasyonlara uygulanabileceğini doğrulayarak, topladığımız dalga formlarına da yansır.
Nabız dalga formu sadece bireyin fizyolojik durumundan değil aynı zamanda test koşullarından da etkilenir.Bu nedenle, nabız sinyallerini TATSA ve cilt arasındaki farklı temas sıkılığı altında (şekil S23) ve ölçüm alanındaki çeşitli algılama konumlarında (şekil S24) ölçtük.TATSA'nın, ölçüm alanındaki geniş ve etkili bir algılama alanında, damarın etrafında ayrıntılı bilgilerle tutarlı nabız dalga formları elde edebildiği bulunabilir.Ek olarak, TATSA ve cilt arasında farklı temas sıkılığı altında farklı çıkış sinyalleri vardır.Ek olarak, sensörleri takan kişilerin hareketi nabız sinyallerini etkileyecektir.Öznenin bileği statik durumdayken, elde edilen nabız dalga biçiminin genliği sabittir (şekil S25A);tersine, bilek 30 saniye boyunca −70° ila 70° arasında bir açıyla yavaşça hareket ettiğinde, nabız dalga biçiminin genliği dalgalanacaktır (şekil S25B).Bununla birlikte, her darbe dalga biçiminin konturu görülebilir ve darbe hızı yine de doğru bir şekilde elde edilebilir.Açıkçası, insan hareketinde kararlı darbe dalgası elde etmek için, sensör tasarımı ve arka uç sinyal işleme dahil olmak üzere daha fazla çalışmanın araştırılması gerekmektedir.
Ayrıca, TATSA'mızı kullanarak elde edilen nabız dalga formları aracılığıyla kardiyovasküler sistemin durumunu analiz etmek ve kantitatif olarak değerlendirmek için, kardiyovasküler sistemin değerlendirme spesifikasyonuna göre iki hemodinamik parametre, yani güçlendirme indeksi (AIx) ve nabız dalga hızı tanıttık. (PWV) atardamarların esnekliğini temsil eder.Şekil 4H'de gösterildiği gibi, AIx analizi için 25 yaşındaki sağlıklı erkeğin bilek pozisyonundaki nabız dalga formu kullanıldı.Formüle (bölüm S1) göre, normal bir değer olan AIx = %60 elde edilmiştir.Daha sonra, bu katılımcının kol ve ayak bileği pozisyonlarında aynı anda iki nabız dalga formu topladık (nabız dalga formunun ayrıntılı ölçüm yöntemi Malzemeler ve Yöntemler bölümünde açıklanmıştır).Şekil 4I'de gösterildiği gibi, iki darbe dalga formunun özellik noktaları farklıydı.Daha sonra PWV'yi formüle göre hesapladık (bölüm S1).Sağlıklı bir yetişkin erkekten beklenen karakteristik bir değer olan PWV = 1363 cm/s elde edilmiştir.Öte yandan, AIx veya PWV metriklerinin darbe dalga formunun genlik farkından etkilenmediğini ve farklı vücut bölgelerindeki AIx değerlerinin çeşitli olduğunu görebiliriz.Çalışmamızda radyal AIx kullanıldı.WMHMS'nin farklı kişilerde uygulanabilirliğini doğrulamak için sağlıklı grupta 20, hipertansiyon (HTN) grubunda 20, koroner kalp hastalığı (KKH) grubunda 20 ve 50 ila 59 yaşları arasında 20 katılımcı seçtik. diabetes mellitus (DM) grubu.Nabız dalgalarını ölçtük ve Şekil 4J'de gösterildiği gibi iki parametresi olan AIx ve PWV'yi karşılaştırdık.HTN, KKH ve DM gruplarının PWV değerlerinin sağlıklı gruba göre daha düşük olduğu ve istatistiksel olarak farklı olduğu (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 ve PDM ≪ 0,001; P değerleri t ile hesaplandı) bulunabilir. Ölçek).Bu arada, HTN ve KKH gruplarının AIx değerleri sağlıklı gruba göre daha düşüktü ve istatistiksel olarak farklıydı (PHTN < 0.01, PCHD < 0.001 ve PDM < 0.05).CHD, HTN veya DM'li katılımcıların PWV ve AIx'leri sağlıklı gruptakilerden daha yüksekti.Sonuçlar, TATSA'nın kardiyovasküler sağlık durumunu değerlendirmek için kardiyovasküler parametreyi hesaplamak için nabız dalga biçimini doğru bir şekilde elde edebildiğini göstermektedir.Sonuç olarak, kablosuz, yüksek çözünürlüklü, yüksek hassasiyetli özellikleri ve konforu nedeniyle, TATSA tabanlı WMHMS, hastanelerde kullanılan mevcut pahalı tıbbi ekipmanlara göre gerçek zamanlı izleme için daha verimli bir alternatif sunmaktadır.
Nabız dalgasının yanı sıra, solunum bilgisi de bir bireyin fiziksel durumunu değerlendirmeye yardımcı olan birincil hayati bir işarettir.TATSA'mıza dayalı solunumun izlenmesi, daha iyi konfor için giysilere sorunsuz bir şekilde entegre edilebildiği için geleneksel polisomnografiden daha çekicidir.Beyaz elastik bir göğüs kemerine dikilen TATSA, doğrudan insan vücuduna bağlandı ve solunumu izlemek için göğsün etrafına sabitlendi (Şekil 5A ve film S7).TATSA, göğüs kafesinin genişlemesi ve büzülmesiyle deforme oldu ve bu da bir elektrik çıkışına neden oldu.Elde edilen dalga biçimi Şekil 5B'de doğrulanmıştır.Büyük dalgalanmalara (1.8 V genlik) ve periyodik değişikliklere (0,5 Hz frekans) sahip sinyal, solunum hareketine karşılık geldi.Nispeten küçük dalgalanma sinyali, kalp atışı sinyali olan bu büyük dalgalanma sinyalinin üzerine bindirildi.Solunum ve kalp atışı sinyallerinin frekans özelliklerine göre, Şekil 5C'de gösterildiği gibi sırasıyla solunum ve kalp atışı sinyallerini ayırmak için 0,8 Hz alçak geçiren filtre ve 0,8 ila 20 Hz bant geçiren filtre kullandık. .Bu durumda, tek bir TATSA'nın göğse yerleştirilmesiyle, bol miktarda fizyolojik bilgi (solunum hızı, kalp atışı hızı ve nabız dalgasının özellik noktaları gibi) içeren kararlı solunum ve nabız sinyalleri aynı anda ve doğru bir şekilde elde edildi.
(A) Solunumla ilişkili basınçtaki sinyali ölçmek için göğüs üzerine yerleştirilen TATSA'nın görüntüsünü gösteren fotoğraf.(B) Göğüs üzerine monte edilmiş TATSA için voltaj-zaman grafiği.(C) Sinyalin (B) kalp atışı ve solunum dalga formuna ayrışması.(D) Uyku sırasında sırasıyla solunum ve nabzı ölçmek için karın ve bileğe yerleştirilen iki TATSA'yı gösteren fotoğraf.(E) Sağlıklı bir katılımcının solunum ve nabız sinyalleri.KH, kalp hızı;BPM, dakikada atım sayısı.(F) Bir SAS katılımcısının solunum ve nabız sinyalleri.(G) Sağlıklı bir katılımcının solunum sinyali ve PTT'si.(H) Bir SAS katılımcısının solunum sinyali ve PTT'si.(I) PTT uyarılma indeksi ile apne-hipopne indeksi (AHI) arasındaki ilişki.Fotoğraf kredisi: Wenjing Fan, Chongqing Üniversitesi.
Sensörümüzün nabız ve solunum sinyallerini doğru ve güvenilir bir şekilde izleyebildiğini kanıtlamak için, S8 filmlerinde detaylandırıldığı gibi, TATSA'larımız ile standart bir tıbbi cihaz (MHM-6000B) arasında nabız ve solunum sinyallerinin ölçüm sonuçlarını karşılaştırmak için bir deney gerçekleştirdik. ve S9.Nabız dalgası ölçümünde genç bir kızın sol işaret parmağına medikal aletin fotoelektrik sensörü, bu arada sağ işaret parmağına TATSA'mız takıldı.Elde edilen iki nabız dalga formundan, konturlarının ve detaylarının aynı olduğunu görebiliriz, bu da TATSA tarafından ölçülen nabzın tıbbi aletle ölçülen nabz kadar kesin olduğunu gösterir.Solunum dalgası ölçümünde, genç bir adamın vücudundaki beş bölgeye tıbbi talimata göre beş elektrokardiyografik elektrot takıldı.Buna karşılık, yalnızca bir TATSA doğrudan vücuda bağlandı ve göğsün etrafına sabitlendi.Toplanan solunum sinyallerinden, TATSA'mız tarafından tespit edilen solunum sinyalinin varyasyon eğiliminin ve hızının tıbbi cihazla tutarlı olduğu görülebilir.Bu iki karşılaştırma deneyi, nabız ve solunum sinyallerini izlemek için sensör sistemimizin doğruluğunu, güvenilirliğini ve basitliğini doğruladı.
Ayrıca, bir parça akıllı giysi ürettik ve sırasıyla solunum ve nabız sinyallerini izlemek için karın ve bilek pozisyonlarına iki TATSA diktik.Spesifik olarak, nabız ve solunum sinyallerini aynı anda yakalamak için geliştirilmiş bir çift kanallı WMHMS kullanıldı.Bu sistem sayesinde akıllı kıyafetlerimizi giymiş 25 yaşındaki bir erkeğin uyurken (Şekil 5D ve film S10) ve otururken (Şekil S26 ve film S11) solunum ve nabız sinyallerini elde ettik.Elde edilen solunum ve nabız sinyalleri kablosuz olarak cep telefonunun APP'sine iletilebilir.Yukarıda bahsedildiği gibi, TATSA, solunum ve nabız sinyallerini yakalama yeteneğine sahiptir.Bu iki fizyolojik sinyal aynı zamanda SAS'ı tıbbi olarak tahmin etme kriterleridir.Bu nedenle, TATSA'mız uyku kalitesini ve ilgili uyku bozukluklarını izlemek ve değerlendirmek için de kullanılabilir.Şekil 5'te gösterildiği gibi (sırasıyla E ve F), sağlıklı olan ve SAS'lı bir hasta olmak üzere iki katılımcının nabız ve solunum dalga formlarını sürekli olarak ölçtük.Apnesi olmayan kişi için ölçülen solunum ve nabız hızları sırasıyla 15 ve 70'te sabit kaldı.SAS'lı hastada, solunumsal obstrüktif bir olayın göstergesi olan 24 s'lik belirgin apne gözlenmiş ve bir apne periyodundan sonra sinir sisteminin regülasyonu nedeniyle kalp atım hızı hafif yükselmiştir (49).Özetle, solunum durumu TATSA'mız tarafından değerlendirilebilir.
Nabız ve solunum sinyalleri yoluyla SAS tipini daha fazla değerlendirmek için, sağlıklı bir erkek ve bir hastanın periferik vasküler direnç ve intratorasik basınçtaki (bölüm S1'de tanımlanmıştır) değişiklikleri yansıtan invazif olmayan bir gösterge olan nabız geçiş süresini (PTT) analiz ettik. SAS.Sağlıklı katılımcı için solunum hızı değişmeden kaldı ve PTT 180 ila 310 ms arasında nispeten stabildi (Şekil 5G).Ancak, SAS katılımcısı için, PTT apne sırasında sürekli olarak 120'den 310 ms'ye yükseldi (Şekil 5H).Böylece katılımcıya obstrüktif SAS (OUAS) teşhisi konuldu.Apne sırasında PTT'deki değişiklik azalırsa, durum santral uyku apne sendromu (CSAS) olarak belirlenir ve bu iki semptomun her ikisi de aynı anda mevcutsa, mikst SAS (MSAS) tanısı konur.SAS'ın ciddiyetini değerlendirmek için toplanan sinyalleri daha da analiz ettik.Bir saatteki PTT uyarılma sayısı olan PTT uyarılma indeksi (PTT uyarılması, PTT'de ≥3 saniye süren ≥15 ms'lik bir düşüş olarak tanımlanır), SAS derecesinin değerlendirilmesinde hayati bir rol oynar.Apne-hipopne indeksi (AHI), SAS'ın derecesini belirlemek için bir standarttır (apne, solunumun durmasıdır ve hipopne, aşırı sığ solunum veya anormal derecede düşük solunum hızıdır), kişi başına apne ve hipopne sayısı olarak tanımlanır. uyurken geçen saat (AHİ ile OSAS derecelendirme kriterleri arasındaki ilişki tablo S2'de gösterilmiştir).AHİ ve PTT uyarılma indeksi arasındaki ilişkiyi araştırmak için, 20 SAS hastasının solunum sinyalleri seçildi ve TATSA ile analiz edildi.Şekil 5I'de gösterildiği gibi, uyku sırasındaki apne ve hipopne, kan basıncının bariz ve geçici yükselmesine neden olarak PTT'de azalmaya yol açtığından, PTT uyarılma indeksi AHI ile pozitif olarak ilişkilidir.Bu nedenle, TATSA'mız aynı anda kararlı ve doğru nabız ve solunum sinyallerini alabilir, böylece ilgili hastalıkların izlenmesi ve değerlendirilmesi için kardiyovasküler sistem ve SAS hakkında önemli fizyolojik bilgiler sağlar.
Özetle, farklı fizyolojik sinyalleri aynı anda algılamak için tam hırka dikişini kullanan bir TATSA geliştirdik.Bu sensör, 7.84 mV Pa−1'lik yüksek bir hassasiyete, 20 ms'lik hızlı tepki süresine, 100.000 döngünün üzerinde yüksek stabiliteye ve geniş çalışma frekansı bant genişliğine sahipti.TATSA temelinde, ölçülen fizyolojik parametreleri bir cep telefonuna iletmek için bir WMHMS de geliştirildi.TATSA, estetik tasarım için farklı giysi alanlarına dahil edilebilir ve nabız ve solunum sinyallerini eş zamanlı olarak gerçek zamanlı olarak izlemek için kullanılabilir.Sistem, ayrıntılı bilgi yakalama özelliğinden dolayı sağlıklı bireyler ile CAD veya SAS'ı olanlar arasında ayrım yapmaya yardımcı olmak için uygulanabilir.Bu çalışma, giyilebilir tekstil elektroniğinin geliştirilmesinde bir ilerlemeyi temsil eden, insan nabzını ve solunumunu ölçmek için rahat, verimli ve kullanıcı dostu bir yaklaşım sağladı.
Paslanmaz çelik tekrar tekrar kalıptan geçirildi ve 10 um çapında bir fiber oluşturmak üzere gerildi.Elektrot olarak paslanmaz çelik bir fiber, birkaç ticari tek katlı Terylen iplik parçasına yerleştirildi.
Sinüzoidal bir basınç sinyali sağlamak için bir fonksiyon üreteci (Stanford DS345) ve bir amplifikatör (LabworkPa-13) kullanıldı.TATSA'ya uygulanan harici basıncı ölçmek için çift aralıklı bir kuvvet sensörü (Vernier Software & Technology LLC) kullanıldı.TATSA'nın çıkış voltajını ve akımını izlemek ve kaydetmek için bir Keithley sistem elektrometresi (Keithley 6514) kullanıldı.
AATCC Test Yöntemi 135-2017'ye göre, TATSA'yı ve 1,8 kg'lık bir yük olarak yeterli balast kullandık ve daha sonra hassas makine yıkama döngülerini gerçekleştirmek için ticari bir çamaşır makinesine (Labtex LBT-M6T) koyduk.Ardından çamaşır makinesini 25°C'de 18 galon su ile doldurduk ve yıkayıcıyı seçilen yıkama döngüsü ve süresine ayarladık (çalkalama hızı, dakikada 119 vuruş; yıkama süresi, 6 dakika; son sıkma hızı, 430 rpm; son dönüş süresi, 3 dak).Son olarak, TATSA, 26°C'den yüksek olmayan oda sıcaklığında durgun havada kuru olarak asıldı.
Deneklere yatakta sırtüstü pozisyonda yatmaları talimatı verildi.TATSA, ölçüm bölgelerine yerleştirildi.Denekler standart sırtüstü pozisyonda olduklarında, 5 ila 10 dakika boyunca tamamen rahat bir durumu korudular.Nabız sinyali daha sonra ölçmeye başladı.
Bu makale için ek materyal https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1 adresinde mevcuttur.
Şekil S9.COMSOL yazılımı kullanılarak 0,2 kPa'da uygulanan basınçlar altında bir TATSA'nın kuvvet dağılımının simülasyon sonucu.
Şekil S10.Sırasıyla 0,2 ve 2 kPa'da uygulanan basınçlar altında bir kontak ünitesinin kuvvet dağılımının simülasyon sonuçları.
Şekil S11.Kısa devre koşulları altında bir kontak ünitesinin yük transferinin eksiksiz şematik çizimleri.
Şekil S13.Bir ölçüm döngüsünde sürekli olarak uygulanan harici basınca yanıt olarak TATSA'nın sürekli çıkış voltajı ve akımı.
Şekil S14.İlmek yönündeki ilmek sayısı değişmeden tutulurken, aynı kumaş alanındaki çeşitli ilmek birimlerine verilen voltaj tepkisi.
Şekil S15.Tam hırka dikişi ve düz dikiş kullanan iki tekstil sensörünün çıktı performansları arasında bir karşılaştırma.
Şekil S16.1 kPa'lık dinamik basınçta ve 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 ve 20 Hz'lik basınç giriş frekansında frekans yanıtlarını gösteren grafikler.
Şekil S25.Konu statik ve hareket koşullarındayken sensörün çıkış voltajları.
Şekil S26.Sırasıyla solunum ve nabzı ölçmek için karın ve el bileğine aynı anda yerleştirilen TATSA'ları gösteren fotoğraf.
Bu, Creative Commons Atıf-Ticari Olmayan lisans koşulları altında dağıtılan ve sonuçta ortaya çıkan kullanım ticari avantaj sağlamadığı ve orijinal çalışmanın uygun şekilde olması koşuluyla herhangi bir ortamda kullanım, dağıtım ve çoğaltmaya izin veren açık erişimli bir makaledir. alıntı.
NOT: E-posta adresinizi yalnızca sayfayı önerdiğiniz kişinin onu görmesini istediğinizi ve bunun istenmeyen posta olmadığını bilmesi için isteriz.Herhangi bir e-posta adresi yakalamıyoruz.
Tarafından Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Sağlık takibi için yüksek basınca duyarlı ve konforlu triboelektrik tamamı tekstil sensör geliştirilmiştir.
Tarafından Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Sağlık takibi için yüksek basınca duyarlı ve konforlu triboelektrik tamamı tekstil sensör geliştirilmiştir.
© 2020 Amerikan Bilimi Geliştirme Derneği.Tüm hakları Saklıdır.AAAS, HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ve COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548'in ortağıdır.
Gönderim zamanı: Mart-27-2020