Носима текстильна електроніка дуже бажана для реалізації персоналізованого управління здоров’ям.Однак більшість текстильних електронних пристроїв можуть періодично націлюватися на один фізіологічний сигнал або пропускати чіткі деталі сигналів, що призводить до часткової оцінки стану здоров’я.Крім того, текстиль із відмінними властивостями та комфортом все ще залишається проблемою.Тут ми повідомляємо про трибоелектричну повністю текстильну сенсорну матрицю з високою чутливістю до тиску та комфортом.Він демонструє чутливість до тиску (7,84 мВ Па−1), швидкий час відгуку (20 мс), стабільність (>100 000 циклів), широку смугу робочих частот (до 20 Гц) і можливість прання в машині (>40 прань).Виготовлені TATSA були вшиті в різні частини одягу для одночасного моніторингу артеріальних пульсових хвиль і дихальних сигналів.Ми далі розробили систему моніторингу стану здоров’я для тривалої та неінвазивної оцінки серцево-судинних захворювань і синдрому апное уві сні, яка демонструє значний прогрес для кількісного аналізу деяких хронічних захворювань.
Електроніка, яку можна носити, відкриває захоплюючі можливості через її багатообіцяюче застосування в персоналізованій медицині.Вони можуть стежити за станом здоров’я людини безперервно, у режимі реального часу та неінвазивним способом (1–11).Пульс і дихання, як два незамінних компоненти життєво важливих ознак, можуть забезпечити як точну оцінку фізіологічного стану, так і дивовижне розуміння діагнозу та прогнозу супутніх захворювань (12–21).На сьогоднішній день більшість переносної електроніки для виявлення тонких фізіологічних сигналів базується на ультратонких підкладках, таких як поліетилентерефталат, полідиметилсилоксан, поліімід, скло та силікон (22–26).Недоліком цих підкладок для використання на шкірі є їх плоский і жорсткий формат.Як наслідок, для встановлення щільного контакту між переносною електронікою та шкірою людини потрібні стрічки, пластирі або інші механічні пристосування, що може викликати подразнення та незручності під час тривалого використання (27, 28).Крім того, ці субстрати мають погану повітропроникність, що викликає дискомфорт при тривалому постійному моніторингу стану здоров’я.Щоб полегшити вищезазначені проблеми в охороні здоров’я, особливо при щоденному використанні, розумний текстиль пропонує надійне рішення.Цей текстиль має такі характеристики, як м’якість, легкість і повітропроникність, а отже, потенціал для реалізації комфорту в електроніці, яку можна носити.В останні роки інтенсивні зусилля були спрямовані на розробку текстильних систем у чутливих датчиках, зборі та зберіганні енергії (29–39).Зокрема, повідомлялося про успішні дослідження оптичного волокна, п’єзоелектрики та інтелектуального текстилю на основі питомого опору, який застосовувався для моніторингу пульсу та дихальних сигналів (40–43).Однак ці розумні текстильні вироби зазвичай мають низьку чутливість і єдиний параметр моніторингу, тому їх неможливо виготовити у великих масштабах (таблиця S1).У разі вимірювання пульсу детальну інформацію важко отримати через слабкі та швидкі коливання пульсу (наприклад, його характерні точки), тому потрібна висока чутливість і відповідна частотна характеристика.
У цьому дослідженні ми представляємо трибоелектричну матрицю повністю текстильних датчиків (TATSA) з високою чутливістю для фіксації тонкого епідермального тиску, пов’язану з електропровідної та нейлонової пряжі повним кардиганним швом.TATSA може забезпечити високу чутливість до тиску (7,84 мВ Па−1), швидкий час відгуку (20 мс), стабільність (>100 000 циклів), широку робочу смугу частот (до 20 Гц) і можливість прання в машині (>40 прань).Він здатний зручно інтегруватися в одяг з розсудливістю, комфортом і естетичною привабливістю.Примітно, що наша TATSA може бути безпосередньо включена в різні ділянки тканини, які відповідають пульсовим хвилям на шиї, зап’ясті, кінчиках пальців і щиколотках, а також дихальним хвилям у животі та грудній клітці.Щоб оцінити чудову продуктивність TATSA у режимі реального часу та дистанційному моніторингу здоров’я, ми розробили персоналізовану інтелектуальну систему моніторингу здоров’я для постійного отримання та збереження фізіологічних сигналів для аналізу серцево-судинних захворювань (ІХС) та оцінки синдрому апное уві сні (SAS). ).
Як показано на рис. 1A, два TATSA були вшиті в манжети та груди сорочки, щоб забезпечити динамічний та одночасний моніторинг пульсу та дихальних сигналів відповідно.Ці фізіологічні сигнали були передані по бездротовому зв’язку в програму інтелектуального мобільного терміналу (APP) для подальшого аналізу стану здоров’я.На малюнку 1B показано TATSA, вшитий у шматок тканини, а на вставці показано збільшений вигляд TATSA, який був пов’язаний з використанням характерної електропровідної пряжі та комерційної нейлонової пряжі разом у повний кардиганний стібок.Порівняно з основним гладким стібком, найпоширенішим і основним методом в’язання, повний кардиганний стібок було обрано, оскільки контакт між головкою петлі провідної пряжі та суміжною головкою витачки нейлонової пряжі (рис. S1) є поверхнею а не точковий контакт, що призводить до більшої площі дії для високого трибоелектричного ефекту.Щоб підготувати електропровідну пряжу, ми вибрали нержавіючу сталь як фіксоване серцевинне волокно, і кілька шматків одношарових териленових ниток скручували навколо серцевинного волокна в одну струмопровідну нитку діаметром 0,2 мм (рис. S2), яка слугувала як як поверхню електризації, так і провідний електрод.Нейлонова нитка, яка мала діаметр 0,15 мм і служила іншою поверхнею електризації, мала сильну силу розтягування, оскільки вона була скручена нерозрахованими нитками (рис. S3).На малюнку 1 (C і D відповідно) показані фотографії виготовленої електропровідної пряжі та нейлонової пряжі.Вставки показують відповідні зображення скануючої електронної мікроскопії (SEM), які представляють типовий поперечний переріз провідної нитки та поверхні нейлонової нитки.Висока міцність на розрив провідних і нейлонових ниток забезпечила їхню здатність ткати на промисловому верстаті для підтримки однакових характеристик усіх датчиків.Як показано на рис. 1E, електропровідні нитки, нейлонові нитки та звичайні нитки намотували на відповідні конуси, які потім завантажували на промислову комп’ютеризовану плосков’язальну машину для автоматичного плетіння (відео S1).Як показано на рис.S4, кілька TATSA були в'язані разом із звичайним полотном за допомогою промислової машини.Один TATSA товщиною 0,85 мм і вагою 0,28 г можна виготовити з усієї конструкції для індивідуального використання, демонструючи чудову сумісність з іншими тканинами.Крім того, TATSA можуть бути розроблені в різних кольорах, щоб відповідати естетичним і модним вимогам через різноманітність комерційної нейлонової пряжі (рис. 1F і рис. S5).Виготовлені TATSA мають чудову м’якість і здатність протистояти різкому вигину або деформації (рис. S6).На малюнку 1G показано TATSA, вшитий безпосередньо в живіт і манжети светра.Процес в'язання светри показаний на рис.S7 і фільм S2.Деталі передньої та задньої сторони розтягнутої ТАЦА в положенні на животі показані на рис.S8 (A і B, відповідно), і положення провідної пряжі та нейлонової пряжі показано на рис.S8C.Тут можна побачити, що TATSA можна легко вставити в звичайні тканини для стриманого та елегантного вигляду.
(A) Два TATSA, вбудовані в сорочку для моніторингу пульсу та дихальних сигналів у реальному часі.(Б) Схематичне зображення поєднання ТАЦА та одягу.На вставці показаний збільшений вигляд датчика.(C) Фотографія провідної пряжі (масштабна шкала, 4 см).На вставці наведено SEM-зображення поперечного перерізу електропровідної нитки (масштабна шкала, 100 мкм), яка складається з ниток з нержавіючої сталі та терилену.(D) Фотографія нейлонової пряжі (масштабна шкала, 4 см).На вставці зображено СЕМ-зображення поверхні нейлонової нитки (масштабна шкала, 100 мкм).(E) Зображення комп’ютеризованої плосков’язальної машини, яка виконує автоматичне плетіння TATSA.(F) Фотографія TATSA в різних кольорах (масштабна шкала, 2 см).Вставка - кручена ТАЦА, що демонструє її чудову м'якість.(G) Фотографія двох TATSA, повністю та безшовно вшитих у светр.Фото: Wenjing Fan, Chongqing University.
Щоб проаналізувати робочий механізм TATSA, включаючи його механічні та електричні властивості, ми побудували геометричну модель в’язання TATSA, як показано на рис. 2A.Використовуючи повний кардиганний стібок, провідна та нейлонова нитки з’єднані у формі петель у напрямку руху та рейок.Структура однієї петлі (рис. S1) складається з головки петлі, плеча петлі, реберної частини, плеча витачного стібка та головки витачного стібка.Можна знайти дві форми контактної поверхні між двома різними нитками: (i) контактна поверхня між петельковою головкою провідної пряжі та головкою витягувального стібка нейлонової пряжі та (ii) контактна поверхня між петлевою головкою нейлонову пряжу та головку провідної пряжі.
(A) ТАЦА з лицьовою, правою та верхньою сторонами пров’язаних петель.(B) Результат моделювання розподілу сили TATSA під прикладеним тиском 2 кПа за допомогою програмного забезпечення COMSOL.(C) Схематичні ілюстрації перенесення заряду контактної одиниці в умовах короткого замикання.(D) Результати моделювання розподілу заряду контактного блоку в умовах розімкнутого ланцюга за допомогою програмного забезпечення COMSOL.
Принцип роботи TATSA можна пояснити двома аспектами: зовнішня силова стимуляція та її індукований заряд.Щоб інтуїтивно зрозуміти розподіл напруги у відповідь на вплив зовнішньої сили, ми використали кінцевий елементний аналіз за допомогою програмного забезпечення COMSOL при різних зовнішніх силах 2 і 0,2 кПа, як показано відповідно на рис. 2B і рис.S9.Напруга виникає на контактних поверхнях двох ниток.Як показано на рис.S10, ми розглянули дві одиниці петлі, щоб уточнити розподіл напруги.Порівнюючи розподіл напруги під дією двох різних зовнішніх сил, напруга на поверхнях провідної та нейлонової ниток збільшується зі збільшенням зовнішньої сили, що призводить до контакту та екструзії між двома нитками.Коли зовнішня сила звільняється, дві нитки роз’єднуються і віддаляються одна від одної.
Контактно-розділові рухи між провідною пряжею та нейлоновою ниткою викликають перенесення заряду, що пояснюється поєднанням трибоелектризації та електростатичної індукції.Щоб прояснити процес генерування електроенергії, ми аналізуємо поперечний переріз області, де дві нитки контактують одна з одною (рис. 2C1).Як показано на рис. 2 (C2 і C3 відповідно), коли TATSA стимулюється зовнішньою силою і дві нитки контактують одна з одною, на поверхні провідної та нейлонової ниток виникає електризація, а еквівалентні заряди з протилежними полярності генеруються на поверхні двох ниток.Коли дві нитки розділяються, у внутрішній частині з нержавіючої сталі з’являються позитивні заряди через ефект електростатичної індукції.Повна схема показана на рис.S11.Щоб отримати більш кількісне розуміння процесу генерації електроенергії, ми змоделювали розподіл потенціалу TATSA за допомогою програмного забезпечення COMSOL (рис. 2D).Коли два матеріали знаходяться в контакті, заряд в основному накопичується на фрикційному матеріалі, і лише невелика кількість індукованого заряду присутня на електроді, що призводить до низького потенціалу (рис. 2D, внизу).Коли два матеріали розділені (рис. 2D, угорі), індукований заряд на електроді збільшується через різницю потенціалів, а відповідний потенціал збільшується, що свідчить про хорошу відповідність між результатами, отриманими в результаті експериментів, і результатами моделювання. .Крім того, оскільки провідний електрод TATSA обгорнутий теріленовою ниткою, а шкіра контактує з обома фрикційними матеріалами, тому, коли TATSA одягається безпосередньо на шкіру, заряд залежить від зовнішньої сили і не буде бути ослабленим шкірою.
Щоб охарактеризувати продуктивність нашого TATSA в різних аспектах, ми надали вимірювальну систему, що містить функціональний генератор, підсилювач потужності, електродинамічний шейкер, вимірювач сили, електрометр і комп’ютер (рис. S12).Ця система створює зовнішній динамічний тиск до 7 кПа.В експерименті TATSA поміщали на плоский пластиковий лист у вільному стані, а вихідні електричні сигнали реєстрували електрометром.
Технічні характеристики електропровідної та нейлонової пряжі впливають на продуктивність TATSA, оскільки вони визначають контактну поверхню та здатність сприймати зовнішній тиск.Щоб дослідити це, ми виготовили три розміри двох ниток відповідно: провідну пряжу розміром 150D/3, 210D/3 і 250D/3 і нейлонову пряжу розміром 150D/6, 210D/6 і 250D /6 (D, деньє; одиниця вимірювання, що використовується для визначення товщини волокон окремих ниток; тканини з високим числом деньє, як правило, товсті).Потім ми вибрали ці дві нитки різного розміру, щоб зв’язати їх у датчик, і розмір TATSA залишався рівним 3 см на 3 см із кількістю петель 16 у напрямку рейок і 10 у напрямку курсу.Таким чином були отримані датчики з дев'ятьма схемами в'язання.Найтоншим виявився датчик із струмопровідної нитки розміром 150D/3 та нейлонової нитки розміром 150D/6, а датчик із струмопровідної нитки розміром 250D/3 та нейлонової пряжі розміром 250D/6. 6 був найтовстішим.При механічному збудженні від 0,1 до 7 кПа електричні вихідні сигнали для цих моделей систематично досліджувалися та тестувалися, як показано на рис. 3A.Вихідні напруги дев'яти TATSA збільшувалися зі збільшенням прикладеного тиску від 0,1 до 4 кПа.Зокрема, з усіх моделей в’язання специфікація провідної пряжі 210D/3 і нейлонової пряжі 210D/6 забезпечила найвищий електричний вихід і показала найвищу чутливість.Вихідна напруга демонструвала зростаючу тенденцію зі збільшенням товщини TATSA (через достатню контактну поверхню), поки TATSA не була в’язана з використанням провідної пряжі 210D/3 і нейлонової пряжі 210D/6.Оскільки подальше збільшення товщини призведе до поглинання зовнішнього тиску нитками, вихідна напруга відповідно зменшиться.Крім того, зазначається, що в області низького тиску (<4 кПа) правильна лінійна зміна вихідної напруги з тиском дала чудову чутливість до тиску 7,84 мВ Па−1.В області високого тиску (>4 кПа) експериментально спостерігалася менша чутливість до тиску 0,31 мВ Па−1 через насичення площі ефективного тертя.Подібна чутливість до тиску була продемонстрована під час протилежного процесу прикладання сили.Конкретні часові профілі вихідної напруги та струму при різних тисках представлені на рис.S13 (A і B відповідно).
(A) Вихідна напруга під дев’ятьма моделями в’язання провідної пряжі (150D/3, 210D/3 і 250D/3) у поєднанні з нейлоновою пряжею (150D/6, 210D/6 і 250D/6).(B) Реакція напруги на різну кількість одиниць петлі в тій самій ділянці тканини при збереженні числа петель у напрямі рейок незмінним.(C) Графіки, що показують частотні характеристики під динамічним тиском 1 кПа та вхідною частотою тиску 1 Гц.(D) Різні вихідні та струмові напруги на частотах 1, 5, 10 та 20 Гц.(E) Випробування на міцність TATSA під тиском 1 кПа.(F) Вихідні характеристики TATSA після 20 і 40 разів прання.
На чутливість і вихідну напругу також впливала щільність стібка TATSA, яка визначалася загальною кількістю петель на виміряній ділянці тканини.Збільшення щільності стібка призведе до більшої компактності структури тканини.На рисунку 3B показані вихідні характеристики під різними номерами петель на текстильній ділянці 3 см на 3 см, а вставка ілюструє структуру петельної одиниці (ми залишили номер петлі в напрямку ходу 10, а номер петлі в напрямок берега був 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 і 26).При збільшенні кількості контурів вихідна напруга спочатку демонструвала тенденцію до зростання через збільшення поверхні контакту, аж до максимального піку вихідної напруги 7,5 В із числом контурів 180. Після цього моменту вихідна напруга мала тенденцію до зменшення, оскільки TATSA стала щільною, і дві нитки мали зменшений простір для розділення контактів.Щоб дослідити, у якому напрямку щільність має великий вплив на вихід, ми залишили номер петлі TATSA у напрямку берега рівним 18, а номер петлі в напрямку курсу було встановлено на 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 і 14. Відповідні вихідні напруги показані на рис.S14.Для порівняння можна побачити, що щільність у напрямку курсу має більший вплив на вихідну напругу.У результаті для в’язання TATSA після всебічної оцінки вихідних характеристик було обрано схему в’язання з електропровідної пряжі 210D/3 і нейлонової пряжі 210D/6 і 180 петель.Крім того, ми порівняли вихідні сигнали двох текстильних датчиків, що використовують повну кардиганну строчку та гладку строчку.Як показано на рис.S15, електричний вихід і чутливість при використанні повного кардиганного стібка набагато вищі, ніж при використанні простого стібка.
Було виміряно час відгуку для моніторингу сигналів у реальному часі.Щоб перевірити час відгуку нашого датчика на зовнішні сили, ми порівняли сигнали вихідної напруги з динамічними вхідними сигналами тиску на частоті від 1 до 20 Гц (рис. 3C і рис. S16 відповідно).Форми вихідної напруги були майже ідентичні вхідним синусоїдальним хвилям тиску під тиском 1 кПа, а вихідні форми мали швидкий час відгуку (близько 20 мс).Цей гістерезис можна пояснити тим, що пружна структура не повернулася до початкового стану якомога швидше після отримання зовнішньої сили.Тим не менш, цей крихітний гістерезис прийнятний для моніторингу в реальному часі.Для отримання динамічного тиску з певним частотним діапазоном очікується відповідна частотна характеристика TATSA.Таким чином, також була перевірена частотна характеристика TATSA.При збільшенні зовнішньої частоти збудження амплітуда вихідної напруги залишалася майже незмінною, тоді як амплітуда струму зростала при зміні частот відводів від 1 до 20 Гц (рис. 3D).
Щоб оцінити повторюваність, стабільність і довговічність TATSA, ми протестували вихідну напругу та реакцію струму на цикли навантаження-розвантаження під тиском.До датчика прикладали тиск 1 кПа з частотою 5 Гц.Напруга та струм від піку до піку були зареєстровані після 100 000 циклів навантаження-розвантаження (рис. 3E та рис. S17, відповідно).Збільшене зображення форми сигналу напруги та струму показано на вставці рис. 3E та рис.S17 відповідно.Результати показують надзвичайну повторюваність, стабільність і довговічність TATSA.Можливість прання також є важливим критерієм оцінки TATSA як повністю текстильного пристрою.Щоб оцінити здатність до прання, ми перевірили вихідну напругу датчика після машинного прання TATSA відповідно до методу випробувань 135-2017 Американської асоціації текстильних хіміків і колористів (AATCC).Детальна процедура промивання описана в матеріалах і методах.Як показано на рис. 3F, електричні вихідні сигнали були зареєстровані після прання 20 разів і 40 разів, що продемонструвало відсутність чітких змін вихідної напруги під час випробувань прання.Ці результати підтверджують надзвичайну здатність до прання TATSA.Оскільки TATSA є текстильним датчиком, який можна носити, ми також досліджували продуктивність, коли TATSA перебував у умовах розтягування (рис. S18), скручування (рис. S19) і різної вологості (рис. S20).
На основі численних переваг TATSA, продемонстрованих вище, ми розробили бездротову мобільну систему моніторингу здоров’я (WMHMS), яка має можливість безперервно отримувати фізіологічні сигнали, а потім давати професійні поради пацієнту.На малюнку 4A показана схемна діаграма WMHMS на основі TATSA.Система має чотири компоненти: TATSA для отримання аналогових фізіологічних сигналів, аналогову схему кондиціонування з фільтром низьких частот (MAX7427) і підсилювач (MAX4465) для забезпечення достатньої деталізації та відмінної синхронності сигналів, аналого-цифровий конвертер на основі блоку мікроконтролера для збору та перетворення аналогових сигналів у цифрові сигнали, а також модуль Bluetooth (модуль Bluetooth з низьким споживанням енергії CC2640) для передачі цифрового сигналу до програми терміналу мобільного телефону (APP; Huawei Honor 9).У цьому дослідженні ми плавно вшили TATSA в шнурок, браслет, накладку для пальців і носок, як показано на рис. 4B.
(A) Ілюстрація WMHMS.(B) Фотографії TATSA, вшиті відповідно до браслета, пальця, шкарпетки та нагрудного ремінця.Вимірювання пульсу на (C1) шиї, (D1) зап’ясті, (E1) пальці та (F1) щиколотці.Форма хвилі пульсу на (C2) шиї, (D2) зап’ясті, (E2) кінчику пальця та (F2) щиколотці.(G) Пульсові форми різного віку.(H) Аналіз однієї пульсової хвилі.Індекс радіального збільшення (AIx), визначений як AIx (%) = P2/P1.P1 — це пік наростаючої хвилі, а P2 — пік відбитої хвилі.(I) Пульсовий цикл плечової та гомілковостопної кісток.Швидкість пульсової хвилі (PWV) визначається як PWV = D/∆T.D - відстань між щиколоткою та плечовою кісткою.∆T – час затримки між піками гомілковостопної та плечової пульсових хвиль.PTT, час проходження імпульсу.(J) Порівняння AIx і плечово-гомілкової PWV (BAPWV) між здоровими та хворими на ІХС.*P <0,01, **P <0,001 і ***P <0,05.АГ, гіпертонія;ІХС, ішемічна хвороба серця;ЦД, цукровий діабет.Автор фото: Jin Yang, Chongqing University.
Щоб контролювати пульсові сигнали різних частин тіла людини, ми прикріпили вищезгадані прикраси з TATSA до відповідних місць: шия (рис. 4C1), зап’ястя (рис. 4D1), кінчик пальця (рис. 4E1) і щиколотка (рис. 4F1). ), як описано у фільмах S3 до S6.У медицині в пульсовій хвилі виділяють три суттєві характерні точки: пік наростаючої хвилі P1, пік відбитої хвилі P2 і пік дикротичної хвилі P3.Характеристики цих характерних точок відображають стан здоров’я еластичності артерій, периферичного опору та скоротливості лівого шлуночка, пов’язані з серцево-судинною системою.Хвилі пульсу 25-річної жінки в чотирьох вищевказаних положеннях були отримані та записані в нашому тесті.Зауважте, що три характерні точки (P1-P3) спостерігалися на формі хвилі пульсу на шиї, зап’ясті та кінчиках пальців, як показано на рис. 4 (C2-E2).Навпаки, лише P1 і P3 з’явилися на формі хвилі пульсу в положенні щиколотки, а P2 не було (рис. 4F2).Цей результат був викликаний суперпозицією вхідної хвилі крові, викинутої лівим шлуночком, і відбитої хвилі від нижніх кінцівок (44).Попередні дослідження показали, що P2 представлений у формах хвилі, виміряних у верхніх кінцівках, але не в щиколотках (45, 46).Ми спостерігали подібні результати у формах сигналів, виміряних за допомогою TATSA, як показано на рис.S21, який показує типові дані популяції з 80 пацієнтів, досліджених тут.Ми бачимо, що P2 не з’явився в цих пульсових хвилях, виміряних у щиколотці, демонструючи здатність TATSA виявляти тонкі особливості всередині хвилі.Ці результати вимірювання пульсу вказують на те, що наш WMHMS може точно визначити характеристики пульсової хвилі верхньої та нижньої частини тіла та що він кращий за інші роботи (41, 47).Щоб додатково вказати, що наш TATSA можна широко застосовувати до різного віку, ми виміряли пульсові хвилі 80 суб’єктів різного віку та показали деякі типові дані, як показано на рис.S22.Як показано на рис. 4G, ми вибрали трьох учасників віком 25, 45 і 65 років, і три ознаки були очевидними для учасників молодого та середнього віку.Відповідно до медичної літератури (48), характеристики пульсової хвилі більшості людей змінюються з віком, наприклад, зникнення точки P2, яке спричинене рухом відбитої хвилі вперед, щоб накласти себе на наступаючу через зменшення еластичність судин.Це явище також відображено в хвилях, які ми зібрали, додатково підтверджуючи, що TATSA можна застосовувати до різних груп населення.
На форму пульсу впливає не тільки фізіологічний стан людини, але й умови тестування.Тому ми виміряли імпульсні сигнали за різної щільності контакту між TATSA та шкірою (рис. S23) і різних положень детектування в місці вимірювання (рис. S24).Можна виявити, що TATSA може отримати узгоджену форму імпульсу з детальною інформацією навколо судини у великій ефективній зоні виявлення на місці вимірювання.Крім того, існують чіткі вихідні сигнали при різній щільності контакту між TATSA і шкірою.Крім того, рух людей, які носять датчики, впливатиме на імпульсні сигнали.Коли зап'ястя суб'єкта знаходиться в статичному стані, амплітуда отриманої форми пульсу є стабільною (рис. S25A);і навпаки, коли зап’ястя повільно рухається під кутом від −70° до 70° протягом 30 с, амплітуда пульсової хвилі буде коливатися (рис. S25B).Однак контур кожної форми імпульсу видно, і частоту пульсу все одно можна точно визначити.Очевидно, що для досягнення стабільного отримання пульсової хвилі під час руху людини необхідно провести подальшу роботу, включаючи розробку датчика та обробку внутрішнього сигналу.
Крім того, для аналізу та кількісної оцінки стану серцево-судинної системи за отриманими пульсовими хвилями за допомогою нашого TATSA ми ввели два гемодинамічні параметри відповідно до специфікації оцінки серцево-судинної системи, а саме індекс збільшення (AIx) та швидкість пульсової хвилі. (PWV), які представляють еластичність артерій.Як показано на рис. 4H, для аналізу AIx була використана форма хвилі пульсу в положенні зап’ястя 25-річного здорового чоловіка.За формулою (ділянка S1) отримано AIx = 60%, що є нормальним значенням.Потім ми одночасно зібрали дві форми пульсу в положеннях рук і щиколоток цього учасника (детальний метод вимірювання форми пульсу описано в матеріалах і методах).Як показано на рис. 4I, характерні точки двох форм імпульсу були різними.Потім ми розрахували PWV за формулою (розділ S1).Було отримано PWV = 1363 см/с, що є характерним значенням, очікуваним для здорового дорослого чоловіка.З іншого боку, ми бачимо, що на показники AIx або PWV не впливає різниця амплітуд пульсової хвилі, а значення AIx у різних частинах тіла різні.У нашому дослідженні використовувався радіальний AIx.Щоб перевірити застосовність WMHMS у різних людей, ми відібрали 20 учасників у групі здорових, 20 у групі гіпертонії (ГТ), 20 у групі ішемічної хвороби серця (ІХС) у віці від 50 до 59 років та 20 у групі пацієнтів. групи цукрового діабету (ЦД).Ми виміряли їхні пульсові хвилі та порівняли їх два параметри, AIx і PWV, як показано на рис. 4J.Можна виявити, що значення PWV у групах HTN, CHD та DM були нижчими порівняно з групою здорових і мають статистичну різницю (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 та PDM ≪ 0,001; значення P розраховувалися за t тест).Водночас значення AIx груп HTN та CHD були нижчими порівняно з групою здорових і мають статистичну різницю (PHTN <0,01, PCHD <0,001 та PDM <0,05).PWV та AIx учасників із ІХС, гіпертензією або ЦД були вищими, ніж у групі здорових.Результати показують, що TATSA здатний точно отримувати форму пульсу для розрахунку серцево-судинного параметра для оцінки стану здоров’я серцево-судинної системи.Підсумовуючи, завдяки своїм бездротовим характеристикам, високій роздільній здатності, високій чутливості та комфорту WMHMS на основі TATSA є більш ефективною альтернативою для моніторингу в режимі реального часу, ніж нинішнє дороге медичне обладнання, яке використовується в лікарнях.
Окрім пульсової хвилі, інформація про дихання також є основним життєвим показником, який допомагає оцінити фізичний стан людини.Моніторинг дихання на основі нашого TATSA є більш привабливим, ніж звичайна полісомнографія, оскільки його можна легко інтегрувати в одяг для кращого комфорту.Вшитий у білий еластичний нагрудний ремінь, TATSA був безпосередньо прив’язаний до тіла людини та закріплений навколо грудей для моніторингу дихання (рис. 5A та фільм S7).TATSA деформувався з розширенням і скороченням грудної клітки, що призвело до електричного виходу.Отриману форму сигналу перевірено на рис. 5B.Дихальному руху відповідав сигнал із великими флуктуаціями (амплітуда 1,8 В) і періодичними змінами (частота 0,5 Гц).Відносно малий сигнал флуктуації накладався на цей сигнал великої флуктуації, який був сигналом серцебиття.Згідно з частотними характеристиками сигналів дихання та серцебиття ми використовували фільтр низьких частот 0,8 Гц і смуговий фільтр 0,8–20 Гц для розділення сигналів дихання та серцебиття відповідно, як показано на рис. 5C. .У цьому випадку стабільні дихальні та пульсові сигнали з великою кількістю фізіологічної інформації (такої як частота дихання, частота серцевих скорочень і характерні точки пульсової хвилі) були отримані одночасно й точно шляхом простого розміщення одного TATSA на грудях.
(A) Фотографія, на якій показано дисплей TATSA, розміщений на грудях для вимірювання сигналу тиску, пов’язаного з диханням.(B) Діаграма напруга-час для TATSA, встановленого на грудях.(C) Розкладання сигналу (B) на серцебиття та форму дихальної хвилі.(D) Фотографія, на якій показано два TATSA, розміщені на животі та зап’ясті для вимірювання дихання та пульсу, відповідно, під час сну.(E) Сигнали дихання та пульсу здорового учасника.ЧСС, ЧСС;BPM, ударів в хвилину.(F) Сигнали дихання та пульсу учасника SAS.(G) Дихальний сигнал і PTT здорового учасника.(H) Дихальний сигнал і PTT учасника SAS.(I) Зв’язок між індексом збудження PTT та індексом апное-гіпопное (AHI).Фото: Wenjing Fan, Chongqing University.
Щоб довести, що наш датчик може точно й надійно контролювати пульс і дихальні сигнали, ми провели експеримент, щоб порівняти результати вимірювань пульсу та дихальних сигналів між нашими TATSA та стандартним медичним інструментом (MHM-6000B), як описано у фільмах S8 і S9.При вимірюванні пульсової хвилі фотоелектричний датчик медичного інструменту одягався на вказівний палець лівої руки молодої дівчини, а наша ТАЦА була одягнена на вказівний палець правої руки.З двох отриманих пульсових форм ми бачимо, що їхні контури та деталі були ідентичними, що вказує на те, що пульс, виміряний TATSA, такий же точний, як і медичний інструмент.Для вимірювання дихальної хвилі п'ять електрокардіографічних електродів були прикріплені до п'яти ділянок тіла молодого чоловіка згідно з медичною інструкцією.На відміну від цього, лише одна TATSA була безпосередньо прив’язана до тіла та закріплена навколо грудей.Із зібраних сигналів дихання можна побачити, що тенденція зміни та частота сигналу дихання, виявленого нашим TATSA, узгоджувалися з сигналом медичного інструменту.Ці два порівняльні експерименти підтвердили точність, надійність і простоту нашої сенсорної системи для моніторингу пульсу та дихальних сигналів.
Крім того, ми виготовили елемент розумного одягу та зшили два TATSA на животі та зап’ясті для моніторингу дихальних та пульсових сигналів відповідно.Зокрема, розроблений двоканальний WMHMS використовувався для одночасного захоплення пульсу та дихальних сигналів.За допомогою цієї системи ми отримали дихальні та пульсові сигнали 25-річного чоловіка, одягненого в наш стильний одяг, під час сну (рис. 5D і фільм S10) і сидіння (рис. S26 і фільм S11).Отримані дихальні та пульсові сигнали можуть передаватися по бездротовому зв’язку в APP мобільного телефону.Як згадувалося вище, TATSA має здатність вловлювати сигнали дихання та пульсу.Ці два фізіологічні сигнали також є критеріями для медичної оцінки SAS.Тому наш TATSA також можна використовувати для моніторингу та оцінки якості сну та пов’язаних з ним розладів сну.Як показано на рис. 5 (E і F відповідно), ми безперервно вимірювали пульс і дихальні хвилі двох учасників, здорового і пацієнта з САС.Для людини без апное виміряна частота дихання та пульсу залишалися стабільними на рівні 15 і 70 відповідно.У пацієнта з САС спостерігалося чітке апное протягом 24 с, що є ознакою обструктивного респіраторного захворювання, і частота серцевих скорочень дещо збільшилася після періоду апное через регуляцію нервової системи (49).Таким чином, респіраторний статус може бути оцінений нашою TATSA.
Для подальшої оцінки типу SAS за допомогою пульсу та дихальних сигналів ми проаналізували час проходження імпульсу (PTT), неінвазивний показник, що відображає зміни периферичного судинного опору та внутрішньогрудного тиску (визначених у розділі S1) у здорової людини та пацієнта з SAS.Для здорового учасника частота дихання залишалася незмінною, а PTT був відносно стабільним від 180 до 310 мс (рис. 5G).Однак для учасника SAS PTT безперервно збільшувався від 120 до 310 мс під час апное (рис. 5H).Таким чином, учаснику було діагностовано обструктивний САС (СОАС).Якщо зміна PTT зменшилася під час апное, тоді стан буде визначено як синдром центрального апное сну (CSAS), а якщо обидва ці два симптоми існували одночасно, тоді його буде діагностовано як змішаний SAS (MSAS).Щоб оцінити серйозність SAS, ми додатково проаналізували зібрані сигнали.Індекс збудження PTT, який є кількістю пробуджень PTT за годину (збудження PTT визначається як падіння PTT на ≥15 мс протягом ≥3 с), відіграє важливу роль в оцінці ступеня SAS.Індекс апное-гіпопное (AHI) — це стандарт для визначення ступеня SAS (апное — це зупинка дихання, а гіпопное — надто поверхневе дихання або аномально низька частота дихання), який визначається як кількість апное та гіпопное на годину під час сну (співвідношення між AHI та рейтинговими критеріями для OSAS показано в таблиці S2).Щоб дослідити зв’язок між AHI та індексом збудження PTT, дихальні сигнали 20 пацієнтів із SAS були відібрані та проаналізовані за допомогою TATSA.Як показано на рис. 5I, індекс збудження PTT позитивно корелює з AHI, оскільки апное та гіпопное під час сну спричиняють очевидне та тимчасове підвищення артеріального тиску, що призводить до зниження PTT.Таким чином, наш TATSA може отримувати стабільні та точні сигнали пульсу та дихання одночасно, надаючи таким чином важливу фізіологічну інформацію про серцево-судинну систему та SAS для моніторингу та оцінки пов’язаних захворювань.
Підводячи підсумок, ми розробили TATSA, використовуючи повний кардиганний стібок для одночасного виявлення різних фізіологічних сигналів.Цей датчик мав високу чутливість 7,84 мВ Па−1, швидкий час відгуку 20 мс, високу стабільність понад 100 000 циклів і широку робочу смугу частот.На основі TATSA також було розроблено WMHMS для передачі виміряних фізіологічних параметрів на мобільний телефон.TATSA може бути включена в різні сайти одягу для естетичного дизайну та використовуватися для одночасного моніторингу пульсу та дихальних сигналів у режимі реального часу.Систему можна застосовувати, щоб допомогти відрізнити здорових людей від тих, хто має CAD або SAS, завдяки її здатності отримувати детальну інформацію.Це дослідження забезпечило комфортний, ефективний і зручний підхід для вимірювання пульсу та дихання людини, що є прогресом у розробці текстильної електроніки, що носиться.
Нержавіючу сталь кілька разів пропускали через прес-форму і розтягували з утворенням волокна діаметром 10 мкм.Волокно з нержавіючої сталі як електрод було вставлено в кілька шматків комерційної одношарової теріленової пряжі.
Функціональний генератор (Stanford DS345) і підсилювач (LabworkPa-13) використовувалися для забезпечення синусоїдального сигналу тиску.Дводіапазонний датчик сили (Vernier Software & Technology LLC) використовувався для вимірювання зовнішнього тиску, прикладеного до TATSA.Електрометр системи Keithley (Keithley 6514) використовувався для моніторингу та реєстрації вихідної напруги та струму TATSA.
Відповідно до методу тестування AATCC 135-2017 ми використали TATSA та достатньо баласту для завантаження 1,8 кг, а потім помістили їх у комерційну пральну машину (Labtex LBT-M6T) для виконання циклів делікатного машинного прання.Потім ми наповнили пральну машину 18 галонами води при 25°C і налаштували пральну машину на вибраний цикл прання та час (швидкість перемішування, 119 ударів на хвилину; час прання, 6 хв; кінцева швидкість віджиму, 430 об/хв; кінцева час віджиму, 3 хв).Нарешті, TATSA висихають на нерухомому повітрі при кімнатній температурі не вище 26°C.
Суб'єктам було запропоновано лежати на ліжку в положенні лежачи.ТАЦА була розміщена на вимірювальних майданчиках.Після того, як суб’єкти займали стандартне положення лежачи, вони зберігали повністю розслаблений стан протягом 5-10 хвилин.Після цього почалося вимірювання пульсового сигналу.
Додаткові матеріали до цієї статті доступні за адресою https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Рис. S9.Результат моделювання розподілу сили TATSA під прикладеним тиском 0,2 кПа за допомогою програмного забезпечення COMSOL.
Рис. S10.Результати моделювання розподілу сили контактної одиниці під тиском 0,2 і 2 кПа відповідно.
Мал. S11.Повні схематичні зображення перенесення заряду контактної одиниці в умовах короткого замикання.
Мал. S13.Безперервна вихідна напруга та струм TATSA у відповідь на безперервний прикладений зовнішній тиск у циклі вимірювання.
Мал. S14.Відповідь на напругу на різну кількість одиниць петлі в тій самій зоні тканини при збереженні числа петель у напрямку рейок незмінним.
Мал. S15.Порівняння вихідних характеристик двох текстильних датчиків при використанні повного кардиганного стібка та простого стібка.
Мал. S16.Графіки, що показують частотні характеристики при динамічному тиску 1 кПа та частоті вхідного тиску 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 і 20 Гц.
Мал. S25.Вихідні напруги датчика, коли суб'єкт перебував у статичних умовах і в умовах руху.
Мал. S26.Фотографія, на якій показано розміщення TATSA на животі та зап’ясті одночасно для вимірювання дихання та пульсу відповідно.
Це стаття відкритого доступу, яка розповсюджується згідно з умовами ліцензії Creative Commons Attribution-NonCommercial, яка дозволяє використання, розповсюдження та відтворення на будь-якому носії, за умови, що кінцеве використання не призначене для отримання комерційної вигоди та за умови, що оригінальний твір належним чином цитується.
ПРИМІТКА. Ми просимо вашу електронну адресу лише для того, щоб особа, якій ви рекомендуєте сторінку, знала, що ви хочете, щоб вона її побачила, і що це не небажана пошта.Ми не фіксуємо жодної електронної адреси.
Венцзін Фан, Цян Хе, Кею Мен, Сюлун Тан, Чжихао Чжоу, Гаоцян Чжан, Цзінь Ян, Чжун Лін Ван
Трибоелектричний повністю текстильний датчик з високою чутливістю до тиску та комфортом був розроблений для моніторингу здоров’я.
Венцзін Фан, Цян Хе, Кею Мен, Сюлун Тан, Чжихао Чжоу, Гаоцян Чжан, Цзінь Ян, Чжун Лін Ван
Трибоелектричний повністю текстильний датчик з високою чутливістю до тиску та комфортом був розроблений для моніторингу здоров’я.
© 2020 Американська асоціація сприяння розвитку науки.Всі права захищені.AAAS є партнером HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef і COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Час публікації: 27 березня 2020 р