Nosiva tekstilna elektronika vrlo je poželjna za realizaciju personaliziranog upravljanja zdravljem.Međutim, većina prijavljenih tekstilnih elektronika može ili povremeno ciljati jedan fiziološki signal ili propustiti eksplicitne detalje signala, što dovodi do djelomične procjene zdravlja.Nadalje, tekstil s izvrsnim svojstvima i udobnošću i dalje ostaje izazov.Ovdje izvještavamo o triboelektričnom kompletu senzora od tekstila s visokom osjetljivošću na pritisak i udobnošću.Pokazuje osetljivost na pritisak (7,84 mV Pa−1), brzo vreme odziva (20 ms), stabilnost (>100.000 ciklusa), širok opseg radne frekvencije (do 20 Hz) i mogućnost pranja u mašini (>40 pranja).Proizvedene TATSA su ušivene u različite dijelove odjeće kako bi se istovremeno pratili arterijski pulsni valovi i respiratorni signali.Dalje smo razvili sistem praćenja zdravlja za dugoročnu i neinvazivnu procjenu kardiovaskularnih bolesti i sindroma apneje u snu, koji pokazuje veliki napredak u kvantitativnoj analizi nekih hroničnih bolesti.
Nosiva elektronika predstavlja fascinantnu priliku zbog svoje obećavajuće primjene u personaliziranoj medicini.Oni mogu pratiti zdravstveno stanje pojedinca na kontinuiran, u realnom vremenu i neinvazivan način (1–11).Puls i disanje, kao dvije nezamjenjive komponente vitalnih znakova, mogu pružiti kako tačnu procjenu fiziološkog stanja, tako i izvanredne uvide u dijagnozu i prognozu srodnih bolesti (12–21).Do danas, većina nosive elektronike za detekciju suptilnih fizioloških signala zasniva se na ultratankim supstratima kao što su polietilen tereftalat, polidimetilsiloksan, poliimid, staklo i silikon (22–26).Nedostatak ovih podloga za upotrebu na koži leži u njihovim ravnim i krutim formatima.Kao rezultat, potrebne su trake, flasteri ili druga mehanička sredstva za uspostavljanje kompaktnog kontakta između nosive elektronike i ljudske kože, što može uzrokovati iritaciju i neugodnost tokom dužeg perioda upotrebe (27, 28).Štaviše, ove podloge imaju slabu propusnost vazduha, što dovodi do nelagodnosti kada se koriste za dugotrajno, kontinuirano praćenje zdravlja.Za ublažavanje navedenih problema u zdravstvu, posebno u svakodnevnoj upotrebi, pametni tekstil nudi pouzdano rješenje.Ovi tekstili imaju karakteristike mekoće, male težine i prozračnosti, a time i potencijal za ostvarivanje udobnosti u nosivoj elektronici.Posljednjih godina, intenzivni napori ulažu se u razvoj tekstilnih sistema u osjetljivim senzorima, prikupljanju i skladištenju energije (29–39).Konkretno, prijavljena su uspješna istraživanja o optičkim vlaknima, piezoelektričnosti i pametnom tekstilu zasnovanom na otpornosti koji se primjenjuje u praćenju pulsnih i respiratornih signala (40–43).Međutim, ovi pametni tekstili obično imaju nisku osjetljivost i jedan parametar praćenja i ne mogu se proizvoditi u velikom obimu (tabela S1).U slučaju mjerenja pulsa, detaljne informacije je teško uhvatiti zbog slabe i brze fluktuacije pulsa (npr. njegove karakteristike), pa su stoga potrebna visoka osjetljivost i odgovarajući frekventni odziv.
U ovoj studiji predstavljamo triboelektrični komplet senzora od tekstila (TATSA) visoke osjetljivosti za hvatanje epidermalnog suptilnog pritiska, pletene provodljivim i najlonskim nitima u punom šavu za kardigan.TATSA može da obezbedi osetljivost na visok pritisak (7,84 mV Pa−1), brzo vreme odziva (20 ms), stabilnost (>100 000 ciklusa), širok opseg radne frekvencije (do 20 Hz) i mogućnost pranja u mašini (>40 pranja).U stanju je da se udobno integriše u odjeću s diskrecijom, udobnošću i estetskom privlačnošću.Posebno, naša TATSA se može direktno ugraditi u različite lokacije tkanine koje odgovaraju pulsnim talasima na vratu, zglobu, vrhovima prstiju i gležnja i respiratornim talasima u abdomenu i grudima.Da bismo procijenili odlične performanse TATSA-e u stvarnom vremenu i daljinskom praćenju zdravlja, razvijamo personalizirani inteligentni sistem za praćenje zdravlja za kontinuirano prikupljanje i čuvanje fizioloških signala za analizu kardiovaskularnih bolesti (CAD) i procjenu sindroma apneje u snu (SAS). ).
Kao što je ilustrovano na slici 1A, dva TATSA su ušivena u manžetnu i grudi košulje kako bi se omogućilo dinamičko i istovremeno praćenje pulsnih i respiratornih signala, respektivno.Ovi fiziološki signali su bežično prenošeni u aplikaciju inteligentnog mobilnog terminala (APP) radi dalje analize zdravstvenog stanja.Slika 1B prikazuje TATSA ušivenu u komad tkanine, a umetak prikazuje uvećani prikaz TATSA-e, koja je pletena karakterističnom provodljivom pređom i komercijalnom najlonskom pređom zajedno u punu šavu za kardigan.U usporedbi s osnovnim običnim ubodom, najčešćom i osnovnom metodom pletenja, odabran je puni kardigan bod jer je kontakt između glave omče vodljive pređe i susjedne glave uboda najlonske pređe (sl. S1) površina radije nego dodirne tačke, što dovodi do većeg područja djelovanja za visoki triboelektrični efekat.Za pripremu provodljive pređe odabrali smo nerđajući čelik kao fiksno jezgro vlakna, a nekoliko komada jednoslojnih terilenskih prediva je upleteno oko jezgrenog vlakna u jednu provodnu pređu prečnika 0,2 mm (sl. S2), koja je služila kao i površinu za elektrifikaciju i provodnu elektrodu.Najlonsko predivo, koje je imalo prečnik od 0,15 mm i služilo je kao još jedna elektrifikaciona površina, imalo je jaku vlačnu silu jer je bilo upredeno neproračunljivom pređom (sl. S3).Slika 1 (C i D, respektivno) prikazuje fotografije proizvedene provodljive i najlonske pređe.Na umetcima su prikazane njihove odgovarajuće slike skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM), koje predstavljaju tipičan poprečni presjek provodljive niti i površine najlonske pređe.Visoka vlačna čvrstoća provodljivih i najlonskih niti osigurala je njihovu sposobnost tkanja na industrijskoj mašini za održavanje ujednačenih performansi svih senzora.Kao što je prikazano na slici 1E, provodljiva pređa, najlonska pređa i obični konac namotani su na svoje konuse, koji su zatim stavljeni na industrijsku kompjuterizovanu mašinu za ravno pletenje za automatsko tkanje (film S1).Kao što je prikazano na sl.S4, nekoliko TATSA je pleteno zajedno sa običnim platnom pomoću industrijske mašine.Pojedinačna TATSA debljine 0,85 mm i težine 0,28 g mogla bi se skrojiti iz cijele strukture za individualnu upotrebu, pokazujući svoju odličnu kompatibilnost s drugim tkaninama.Osim toga, TATSA se mogu dizajnirati u različitim bojama kako bi zadovoljile estetske i moderne zahtjeve zbog raznolikosti komercijalnih najlonskih niti (sl. 1F i sl. S5).Proizvedeni TATSA-i imaju odličnu mekoću i sposobnost da izdrže oštro savijanje ili deformaciju (sl. S6).Slika 1G prikazuje TATSA ušivenu direktno u abdomen i manžetnu džempera.Proces pletenja džempera prikazan je na sl.S7 i film S2.Detalji prednje i stražnje strane istegnute TATSA u položaju trbuha prikazani su na sl.S8 (A i B, respektivno), a položaj provodne i najlonske pređe je ilustrovan na sl.S8C.Ovdje se može vidjeti da se TATSA može neprimetno ugraditi u obične tkanine za diskretan i pametan izgled.
(A) Dva TATSA integrisana u majicu za praćenje pulsnih i respiratornih signala u realnom vremenu.(B) Šematski prikaz kombinacije TATSA-e i odjeće.Umetak prikazuje uvećani prikaz senzora.(C) Fotografija provodljive pređe (razmjera 4 cm).Umetak je SEM slika poprečnog presjeka provodljive pređe (skala bar, 100 μm), koja se sastoji od nehrđajućeg čelika i terilenskih niti.(D) Fotografija najlonske pređe (razmjer 4 cm).Umetak je SEM slika površine najlonske pređe (razmjerna traka, 100 μm).(E) Slika kompjuterizovane mašine za ravno pletenje koja izvodi automatsko tkanje TATSA.(F) Fotografija TATSA-a u različitim bojama (razmjer 2 cm).Umetak je tordirana TATSA, koja pokazuje svoju odličnu mekoću.(G) Fotografija dvije TATSA-e potpuno i neprimjetno ušivene u džemper.Fotografija: Wenjing Fan, Univerzitet Chongqing.
Da bismo analizirali radni mehanizam TATSA, uključujući njegova mehanička i električna svojstva, konstruisali smo geometrijski model pletenja TATSA, kao što je prikazano na slici 2A.Koristeći cijeli kardigan šav, provodljiva i najlonska pređa se isprepliću u obliku jedinica petlje u smjeru smjera i smjera.Struktura jedne petlje (sl. S1) sastoji se od glave petlje, kraka petlje, dijela koji prelazi rebra, kraka uboda i glave uboda.Mogu se naći dva oblika kontaktne površine između dvije različite pređe: (i) kontaktna površina između glave omče vodljive pređe i glave uboda najlonske pređe i (ii) kontaktna površina između glave omče najlonska pređa i glava provodljive niti.
(A) TATSA s prednjom, desnom i gornjom stranom pletenih petlji.(B) Rezultat simulacije distribucije sile TATSA pod primijenjenim pritiskom od 2 kPa korištenjem COMSOL softvera.(C) Šematski prikazi prijenosa naboja kontaktne jedinice u uvjetima kratkog spoja.(D) Rezultati simulacije raspodjele naboja kontaktne jedinice u uvjetima otvorenog kola korištenjem COMSOL softvera.
Princip rada TATSA može se objasniti u dva aspekta: stimulacija vanjske sile i njeno inducirano punjenje.Da bismo intuitivno razumjeli distribuciju naprezanja kao odgovor na stimulans vanjske sile, koristili smo analizu konačnih elemenata koristeći COMSOL softver pri različitim vanjskim silama od 2 i 0,2 kPa, kao što je prikazano na sl. 2B i sl.S9.Naprezanje se javlja na dodirnim površinama dva niti.Kao što je prikazano na sl.S10, razmotrili smo dvije jedinice petlje kako bismo razjasnili raspodjelu naprezanja.Upoređujući distribuciju naprezanja pod dvije različite vanjske sile, naprezanje na površinama vodljivih i najlonskih niti raste s povećanom vanjskom silom, što rezultira kontaktom i ekstruzijom između dvije pređe.Kada se vanjska sila oslobodi, dvije pređe se odvajaju i udaljavaju jedna od druge.
Pokreti razdvajanja kontakta između provodljive pređe i najlonske pređe induciraju prijenos naboja, što se pripisuje spoju triboelektrifikacije i elektrostatičke indukcije.Da bismo razjasnili proces proizvodnje električne energije, analiziramo poprečni presjek područja gdje se dva niti međusobno dodiruju (slika 2C1).Kao što je prikazano na slici 2 (C2 i C3, respektivno), kada je TATSA stimulirana vanjskom silom i dvije niti se dodiruju jedna s drugom, dolazi do naelektrisanja na površini provodne i najlonske pređe, a ekvivalentna naelektrisanja sa suprotnim polariteti se stvaraju na površini dvije niti.Nakon što se dvije niti razdvoje, u unutrašnjem nehrđajućem čeliku se induciraju pozitivni naboji zbog efekta elektrostatičke indukcije.Kompletna šema je prikazana na sl.S11.Da bismo stekli kvantitativnije razumijevanje procesa proizvodnje električne energije, simulirali smo potencijalnu distribuciju TATSA koristeći COMSOL softver (slika 2D).Kada su dva materijala u kontaktu, naelektrisanje se uglavnom skuplja na frikcionom materijalu, a na elektrodi je prisutna samo mala količina indukovanog naboja, što rezultira malim potencijalom (slika 2D, dole).Kada se dva materijala razdvoje (slika 2D, gore), inducirani naboj na elektrodi raste zbog razlike potencijala, a odgovarajući potencijal raste, što otkriva dobru usklađenost između rezultata dobijenih iz eksperimenata i rezultata iz simulacija .Nadalje, budući da je provodna elektroda TATSA umotana u terilenske niti i koža je u kontaktu s oba frikciona materijala, stoga, kada se TATSA nosi direktno na kožu, naboj ovisi o vanjskoj sili i neće biti oslabljen kožom.
Da bismo okarakterizirali performanse našeg TATSA-e u različitim aspektima, obezbijedili smo mjerni sistem koji sadrži generator funkcija, pojačalo snage, elektrodinamički tresač, mjerač sile, elektrometar i kompjuter (sl. S12).Ovaj sistem generiše spoljašnji dinamički pritisak do 7 kPa.U eksperimentu, TATSA je postavljena na ravnu plastičnu ploču u slobodnom stanju, a izlazni električni signali se bilježe od strane elektrometra.
Specifikacije provodljivih i najlonskih niti utječu na izlazne performanse TATSA jer određuju kontaktnu površinu i kapacitet za percepciju vanjskog pritiska.Da bismo to istražili, proizveli smo tri veličine od dva prediva, redom: provodnu pređu veličine 150D/3, 210D/3 i 250D/3 i najlonsku pređu veličine 150D/6, 210D/6 i 250D. /6 (D, denije; mjerna jedinica koja se koristi za određivanje debljine vlakana pojedinačnih niti; tkanine s velikim brojem denijera obično su debele).Zatim smo odabrali ove dvije pređe različitih veličina da ih ispletemo u senzor, a dimenzija TATSA-e je zadržana na 3 cm x 3 cm sa brojem petlje 16 u smjeru vala i 10 u smjeru smjera.Tako su dobijeni senzori sa devet uzoraka pletenja.Najtanji je bio senzor od provodne pređe veličine 150D/3 i najlonske pređe veličine 150D/6, a senzor od provodne pređe veličine 250D/3 i najlonske pređe veličine 250D/ 6 je bio najdeblji.Pod mehaničkom pobudom od 0,1 do 7 kPa, električni izlazi za ove obrasce su sistematski istraženi i testirani, kao što je prikazano na slici 3A.Izlazni naponi devet TATSA su se povećavali sa povećanim primijenjenim pritiskom, sa 0,1 na 4 kPa.Konkretno, od svih uzoraka pletenja, specifikacija 210D/3 provodljive pređe i 210D/6 najlonske pređe dala je najveću električnu snagu i pokazala najveću osjetljivost.Izlazni napon je pokazivao rastući trend sa povećanjem debljine TATSA (zbog dovoljne kontaktne površine) sve dok TATSA nije ispletena 210D/3 provodljivom pređom i 210D/6 najlonskom pređom.Kako bi dalje povećanje debljine dovelo do apsorpcije vanjskog pritiska od strane pređe, izlazni napon se shodno tome smanjio.Nadalje, primjećeno je da je u području niskog pritiska (<4 kPa), linearna varijacija izlaznog napona sa dobrim ponašanjem sa pritiskom dala superiornu osjetljivost na pritisak od 7,84 mV Pa−1.U području visokog pritiska (>4 kPa), eksperimentalno je uočena niža osjetljivost na pritisak od 0,31 mV Pa−1 zbog zasićenja efektivne površine trenja.Slična osjetljivost na pritisak je demonstrirana tokom suprotnog procesa primjene sile.Konkretni vremenski profili izlaznog napona i struje pod različitim pritiscima prikazani su na sl.S13 (A i B, respektivno).
(A) Izlazni napon ispod devet uzoraka pletenja provodljivog prediva (150D/3, 210D/3 i 250D/3) u kombinaciji sa najlonskom pređom (150D/6, 210D/6 i 250D/6).(B) Odaziv napona na različit broj jedinica petlje u istoj oblasti tkanine kada se broj petlje drži nepromijenjenim u smjeru hoda.(C) Dijagrami koji prikazuju frekvencijske odzive pod dinamičkim pritiskom od 1 kPa i ulaznom frekvencijom pritiska od 1 Hz.(D) Različiti izlazni i strujni naponi pod frekvencijama od 1, 5, 10 i 20 Hz.(E) Ispitivanje izdržljivosti TATSA pod pritiskom od 1 kPa.(F) Izlazne karakteristike TATSA nakon pranja 20 i 40 puta.
Na osjetljivost i izlazni napon također je utjecala gustina uboda TATSA-e, koja je određena ukupnim brojem petlji u mjerenoj površini tkanine.Povećanje gustoće uboda dovelo bi do veće kompaktnosti strukture tkanine.Slika 3B prikazuje izlazne performanse pod različitim brojevima petlji u području tekstila od 3 cm x 3 cm, a umetak ilustruje strukturu jedinice petlje (broj petlje u smjeru kursa zadržali smo na 10, a broj petlje u wale smjer je bio 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 i 26).Povećanjem broja petlje, izlazni napon je prvo pokazivao trend rasta zbog povećanja kontaktne površine, sve do maksimalnog izlaznog napona od 7,5 V sa brojem petlje od 180. Nakon ove tačke, izlazni napon je pratio opadajući trend jer TATSA je postala čvrsta, a dvije niti su imale smanjen prostor za razdvajanje kontakta.Da bismo istražili u kojem smjeru gustoća ima veliki utjecaj na izlaz, zadržali smo broj petlje TATSA-e u smjeru vala na 18, a broj petlje u smjeru kursa je postavljen na 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 i 14. Odgovarajući izlazni naponi su prikazani na sl.S14.Poređenja radi, možemo vidjeti da gustina u smjeru kursa ima veći utjecaj na izlazni napon.Kao rezultat toga, uzorak pletenja 210D/3 vodljivog prediva i 210D/6 najlonske pređe i 180 jedinica petlje odabran je za pletenje TATSA nakon sveobuhvatne procjene izlaznih karakteristika.Nadalje, uporedili smo izlazne signale dva tekstilna senzora koristeći cijeli kardigan šav i običan šav.Kao što je prikazano na sl.S15, električni izlaz i osjetljivost korištenjem punog kardigana šava su mnogo veći od onih kod običnog šava.
Izmjereno je vrijeme odziva za praćenje signala u realnom vremenu.Da bismo ispitali vrijeme odziva našeg senzora na vanjske sile, uporedili smo signale izlaznog napona sa ulazima dinamičkog pritiska na frekvenciji od 1 do 20 Hz (sl. 3C i sl. S16, respektivno).Talasni oblici izlaznog napona bili su skoro identični ulaznim sinusoidnim talasima pritiska pod pritiskom od 1 kPa, a izlazni talasni oblici su imali brzo vreme odziva (oko 20 ms).Ova histereza se može pripisati tome što se elastična struktura nije vratila u prvobitno stanje što je prije moguće nakon primanja vanjske sile.Ipak, ova mala histereza je prihvatljiva za praćenje u realnom vremenu.Da bi se dobio dinamički pritisak sa određenim frekventnim opsegom, očekuje se odgovarajući frekventni odziv TATSA.Tako je testirana i frekvencijska karakteristika TATSA.Povećanjem eksterne pobudne frekvencije amplituda izlaznog napona je ostala gotovo nepromijenjena, dok se amplituda struje povećavala kada su frekvencije odvajanja varirale od 1 do 20 Hz (slika 3D).
Da bismo procijenili ponovljivost, stabilnost i izdržljivost TATSA-e, testirali smo odzive izlaznog napona i struje na cikluse opterećenja i rasterećenja pritiska.Na senzor je primijenjen pritisak od 1 kPa sa frekvencijom od 5 Hz.Napon i struja od vrha do vrha zabilježeni su nakon 100.000 ciklusa opterećenja-istovara (sl. 3E i sl. S17, respektivno).Uvećani prikazi napona i strujnog talasnog oblika prikazani su na insetu slike 3E i sl.S17, respektivno.Rezultati otkrivaju izuzetnu ponovljivost, stabilnost i izdržljivost TATSA-e.Perivost je također bitan kriterij procjene TATSA-e kao potpuno tekstilnog uređaja.Da bismo procijenili sposobnost pranja, testirali smo izlazni napon senzora nakon što smo strojno oprali TATSA prema Test Methodu 135-2017 Američkog udruženja tekstilnih hemičara i kolorista (AATCC).Detaljan postupak pranja opisan je u materijalima i metodama.Kao što je prikazano na slici 3F, električni izlazi su zabilježeni nakon pranja 20 puta i 40 puta, što je pokazalo da nije bilo izrazitih promjena izlaznog napona tokom testova pranja.Ovi rezultati potvrđuju izuzetnu sposobnost pranja TATSA-e.Kao nosivi tekstilni senzor, takođe smo istražili izlazne performanse kada je TATSA bio u zateznim (sl. S18), uvrnutim (sl. S19) i različitim uslovima vlažnosti (sl. S20).
Na osnovu brojnih prednosti TATSA prikazanih gore, razvili smo bežični mobilni sistem za praćenje zdravlja (WMHMS), koji ima sposobnost kontinuiranog prikupljanja fizioloških signala i zatim davanja profesionalnih savjeta za pacijenta.Slika 4A prikazuje šemu WMHMS zasnovanog na TATSA.Sistem ima četiri komponente: TATSA za prikupljanje analognih fizioloških signala, analogno kolo za kondicioniranje sa niskopropusnim filterom (MAX7427) i pojačalo (MAX4465) kako bi se osiguralo dovoljno detalja i odličan sinhronizam signala, analogno-digitalni konvertor baziran na mikrokontrolerskoj jedinici za prikupljanje i pretvaranje analognih signala u digitalne signale i Bluetooth modul (CC2640 low-power Bluetooth čip) za prijenos digitalnog signala do aplikacije terminala za mobilni telefon (APP; Huawei Honor 9).U ovoj studiji, TATSA smo besprijekorno ušili u čipku, narukvicu, držač za prste i čarapu, kao što je prikazano na slici 4B.
(A) Ilustracija WMHMS.(B) Fotografije TATSA-a ušivenih u narukvicu, držač za prste, čarapu i remen za prsa, respektivno.Mjerenje pulsa na (C1) vratu, (D1) zglobu, (E1) vrhu prsta i (F1) zglobu.Talasni oblik pulsa na (C2) vratu, (D2) zglobu, (E2) vrhu prsta i (F2) zglobu.(G) Talasni oblici pulsa različite starosti.(H) Analiza jednog pulsnog talasa.Indeks radijalnog povećanja (AIx) definiran kao AIx (%) = P2/P1.P1 je vrh talasa koji napreduje, a P2 je vrh reflektovanog talasa.(I) Pulsni ciklus brahijalnog i skočnog zgloba.Brzina pulsnog talasa (PWV) je definisana kao PWV = D/∆T.D je udaljenost između skočnog zgloba i brahijalne.∆T je vremensko kašnjenje između vrhova skočnog zgloba i brahijalnog pulsnog talasa.PTT, vrijeme prolaska pulsa.(J) Poređenje AIx i PWV brahijalnog gležnja (BAPWV) između zdravih i CAD.*P < 0,01, **P < 0,001 i ***P < 0,05.HTN, hipertenzija;CHD, koronarna bolest srca;DM, dijabetes melitus.Fotografija: Jin Yang, Univerzitet Chongqing.
Da bismo pratili pulsne signale različitih delova ljudskog tela, pričvrstili smo gore pomenute ukrase sa TATSA na odgovarajuće položaje: vrat (slika 4C1), zapešće (slika 4D1), vrh prsta (slika 4E1) i skočni zglob (slika 4F1). ), kao što je razrađeno u filmovima S3 do S6.U medicini postoje tri bitne karakteristike pulsnog talasa: vrh naprednog talasa P1, vrh reflektovanog talasa P2 i vrh dikrotičnog talasa P3.Karakteristike ovih karakteristika odražavaju zdravstveno stanje elastičnosti arterija, perifernog otpora i kontraktilnosti leve komore u vezi sa kardiovaskularnim sistemom.Talasni oblici pulsa 25-godišnje žene na gornja četiri položaja su dobijeni i snimljeni u našem testu.Imajte na umu da su tri prepoznatljive tačke obeležja (P1 do P3) primećene na talasnom obliku pulsa na pozicijama vrata, ručnog zgloba i vrha prsta, kao što je prikazano na slici 4 (C2 do E2).Nasuprot tome, samo P1 i P3 pojavili su se na talasnom obliku pulsa u položaju skočnog zgloba, a P2 nije bio prisutan (slika 4F2).Ovaj rezultat je uzrokovan superpozicijom dolaznog krvnog talasa izbačenog od strane leve komore i reflektovanog talasa od donjih udova (44).Prethodne studije su pokazale da se P2 pojavljuje u valnim oblicima izmjerenim u gornjim ekstremitetima, ali ne i u gležnju (45, 46).Primetili smo slične rezultate u talasnim oblicima merenim sa TATSA, kao što je prikazano na sl.S21, koji prikazuje tipične podatke iz populacije od 80 pacijenata koji su ovdje proučavani.Možemo vidjeti da se P2 nije pojavio u ovim talasnim oblicima pulsa mjerenim u gležnju, što pokazuje sposobnost TATSA-e da otkrije suptilne karakteristike unutar valnog oblika.Ovi rezultati merenja pulsa ukazuju da naš WMHMS može precizno otkriti karakteristike pulsnog talasa gornjeg i donjeg dela tela i da je superiorniji u odnosu na druge radove (41, 47).Da bismo dalje pokazali da se naš TATSA može široko primijeniti na različite uzraste, izmjerili smo talasne oblike pulsa kod 80 ispitanika u različitim godinama, i pokazali smo neke tipične podatke, kao što je prikazano na sl.S22.Kao što je prikazano na slici 4G, izabrali smo tri učesnika starosti 25, 45 i 65 godina, a tri karakteristike su bile očigledne za mlade i sredovečne učesnike.Prema medicinskoj literaturi (48), karakteristike talasnih oblika pulsa kod većine ljudi se mijenjaju kako stare, kao što je nestanak tačke P2, što je uzrokovano reflektiranim valom koji se pomjera naprijed kako bi se superponirao na talas koji napreduje kroz smanjenje vaskularna elastičnost.Ovaj fenomen se također odražava u valnim oblicima koje smo prikupili, dodatno potvrđujući da se TATSA može primijeniti na različite populacije.
Na talasni oblik pulsa utiče ne samo fiziološko stanje pojedinca već i uslovi testiranja.Stoga smo mjerili pulsne signale pod različitom čvrstoćom kontakta između TATSA i kože (sl. S23) i različitim pozicijama detekcije na mjestu mjerenja (sl. S24).Može se otkriti da TATSA može dobiti konzistentne talasne oblike pulsa sa detaljnim informacijama oko posude u velikom efektivnom području detekcije na mjestu mjerenja.Osim toga, postoje različiti izlazni signali pod različitom čvrstoćom kontakta između TATSA-e i kože.Osim toga, kretanje pojedinaca koji nose senzore utjecalo bi na pulsne signale.Kada je zglob subjekta u statičkom stanju, amplituda dobijenog talasnog oblika pulsa je stabilna (sl. S25A);obrnuto, kada se zglob polako kreće pod uglom od -70° do 70° tokom 30 s, amplituda talasnog oblika pulsa će fluktuirati (slika S25B).Međutim, kontura svakog talasnog oblika pulsa je vidljiva, a brzina pulsa se i dalje može precizno dobiti.Očigledno, da bi se postigla stabilna akvizicija pulsnog talasa u ljudskom kretanju, potrebno je istražiti dalji rad uključujući dizajn senzora i pozadinsku obradu signala.
Nadalje, za analizu i kvantitativnu procjenu stanja kardiovaskularnog sistema kroz dobijene talasne oblike pulsa pomoću našeg TATSA, uveli smo dva hemodinamska parametra prema specifikaciji procjene kardiovaskularnog sistema, odnosno indeks povećanja (AIx) i brzinu pulsnog talasa. (PWV), koji predstavljaju elastičnost arterija.Kao što je prikazano na slici 4H, talasni oblik pulsa na poziciji ručnog zgloba 25-godišnjeg zdravog muškarca korišćen je za analizu AIx.Prema formuli (sekcija S1) dobijeno je AIx = 60%, što je normalna vrijednost.Zatim smo simultano prikupili dva talasna oblika pulsa na pozicijama ruke i skočnog zgloba ovog učesnika (detaljan način merenja talasnog oblika pulsa opisan je u Materijalima i metodama).Kao što je prikazano na slici 4I, tačke karakteristika dva talasna oblika pulsa bile su različite.Zatim smo izračunali PWV prema formuli (odjeljak S1).Dobijena je PWV = 1363 cm/s, što je karakteristična vrijednost koja se očekuje od zdravog odraslog muškarca.S druge strane, možemo vidjeti da na metriku AIx ili PWV ne utiče razlika amplitude talasnog oblika pulsa, a vrijednosti AIx u različitim dijelovima tijela su različite.U našem istraživanju korišten je radijalni AIx.Kako bismo provjerili primjenjivost WMHMS kod različitih ljudi, odabrali smo 20 sudionika u zdravoj grupi, 20 u grupi sa hipertenzijom (HTN), 20 u grupi s koronarnom bolešću (CHD) u dobi od 50 do 59 godina i 20 u grupi sa hipertenzijom (HTN). grupa dijabetes melitusa (DM).Izmjerili smo njihove pulsne valove i uporedili njihova dva parametra, AIx i PWV, kao što je prikazano na slici 4J.Može se utvrditi da su PWV vrijednosti grupa HTN, CHD i DM bile niže u odnosu na zdravu grupu i imaju statističku razliku (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 i PDM ≪ 0,001; P vrijednosti su izračunate po t test).U međuvremenu, vrijednosti AIx grupa sa HTN i CHD bile su niže u poređenju sa zdravom grupom i imaju statističku razliku (PHTN < 0,01, PCHD < 0,001 i PDM < 0,05).PWV i AIx učesnika sa CHD, HTN ili DM bili su viši od onih u zdravoj grupi.Rezultati pokazuju da je TATSA sposoban precizno dobiti talasni oblik pulsa za izračunavanje kardiovaskularnog parametra za procjenu kardiovaskularnog zdravstvenog statusa.Zaključno, zbog svojih bežičnih karakteristika, visoke rezolucije, visoke osjetljivosti i udobnosti, WMHMS zasnovan na TATSA-i pruža efikasniju alternativu za praćenje u realnom vremenu od trenutne skupe medicinske opreme koja se koristi u bolnicama.
Osim pulsnog vala, respiratorne informacije su također primarni vitalni znak koji pomaže u procjeni fizičkog stanja pojedinca.Praćenje disanja bazirano na našem TATSA je atraktivnije od konvencionalne polisomnografije jer se može neprimjetno integrirati u odjeću za bolju udobnost.Ušivena u bijelu elastičnu traku za grudi, TATSA je bila direktno vezana za ljudsko tijelo i pričvršćena oko grudi radi praćenja disanja (slika 5A i film S7).TATSA se deformirala širenjem i kontrakcijom grudnog koša, što je rezultiralo električnim izlazom.Dobijeni talasni oblik je verifikovan na slici 5B.Signal sa velikim fluktuacijama (amplituda od 1,8 V) i periodičnim promjenama (frekvencija od 0,5 Hz) odgovarao je respiratornom kretanju.Relativno mali signal fluktuacije bio je superponiran na ovaj veliki signal fluktuacije, koji je bio signal otkucaja srca.U skladu sa frekvencijskim karakteristikama signala disanja i otkucaja srca, koristili smo niskopropusni filter od 0,8 Hz i filtar opsega od 0,8 do 20 Hz da razdvojimo respiratorne i srčane signale, kao što je prikazano na slici 5C. .U ovom slučaju, stabilni respiratorni i pulsni signali sa obiljem fizioloških informacija (kao što su brzina disanja, brzina otkucaja srca i karakteristike pulsnog talasa) dobijeni su istovremeno i precizno jednostavnim stavljanjem jedne TATSA na grudi.
(A) Fotografija koja prikazuje prikaz TATSA postavljenog na grudi za mjerenje signala pritiska povezanog s disanjem.(B) Grafikon napona i vremena za TATSA montiranu na sanduk.(C) Razlaganje signala (B) na otkucaje srca i respiratorni talas.(D) Fotografija koja prikazuje dva TATSA-a postavljena na abdomen i zapešće za mjerenje disanja i pulsa, respektivno, tokom spavanja.(E) Respiratorni i pulsni signali zdravog učesnika.HR, otkucaji srca;BPM, otkucaji u minuti.(F) Respiratorni i pulsni signali učesnika SAS.(G) Respiratorni signal i PTT zdravog učesnika.(H) Respiratorni signal i PTT učesnika SAS.(I) Odnos između PTT indeksa uzbuđenja i indeksa apneje-hipopneje (AHI).Fotografija: Wenjing Fan, Univerzitet Chongqing.
Da bismo dokazali da naš senzor može precizno i pouzdano pratiti pulsne i respiratorne signale, izveli smo eksperiment kako bismo uporedili rezultate mjerenja pulsa i signala disanja između naših TATSA i standardnog medicinskog instrumenta (MHM-6000B), kako je razrađeno u filmovima S8. i S9.U mjerenju pulsnog talasa fotoelektrični senzor medicinskog instrumenta je nošen na lijevom kažiprstu mlade djevojke, a u međuvremenu je naša TATSA nosila na njenom desnom kažiprstu.Iz dva dobijena talasna oblika pulsa, možemo vidjeti da su njihove konture i detalji bili identični, što ukazuje da je puls mjeren TATSA-om jednako precizan kao i medicinski instrument.U mjerenju disajnih talasa, pet elektrokardiografskih elektroda je pričvršćeno na pet područja na tijelu mladića prema medicinskom uputstvu.Nasuprot tome, samo je jedna TATSA bila direktno vezana za tijelo i pričvršćena oko grudi.Iz prikupljenih respiratornih signala, može se vidjeti da su tendencija varijacije i brzina detektiranog respiratornog signala od strane našeg TATSA-e bili u skladu sa onim od strane medicinskog instrumenta.Ova dva uporedna eksperimenta potvrdila su tačnost, pouzdanost i jednostavnost našeg senzorskog sistema za praćenje pulsnih i respiratornih signala.
Nadalje, napravili smo komad pametne odjeće i sašili dvije TATSA na položajima trbuha i zgloba za praćenje respiratornih i pulsnih signala.Konkretno, razvijeni dvokanalni WMHMS je korišten za hvatanje pulsnih i respiratornih signala istovremeno.Putem ovog sistema dobili smo respiratorne i pulsne signale 25-godišnjeg muškarca obučenog u našu pametnu odjeću dok spava (slika 5D i film S10) i sjedi (sl. S26 i film S11).Stečeni respiratorni i pulsni signali mogli bi se bežično prenijeti na APP mobilnog telefona.Kao što je gore spomenuto, TATSA ima sposobnost hvatanja respiratornih i pulsnih signala.Ova dva fiziološka signala su takođe kriterijumi za medicinsku procenu SAS.Stoga se naša TATSA također može koristiti za praćenje i procjenu kvaliteta sna i povezanih poremećaja spavanja.Kao što je prikazano na slici 5 (E i F, respektivno), kontinuirano smo mjerili puls i respiratorni talas dva učesnika, zdravog i pacijenta sa SAS.Za osobu bez apneje, izmjerene brzine disanja i pulsa ostale su stabilne na 15 i 70, respektivno.Kod bolesnika sa SAS uočena je izrazita apneja u trajanju od 24 s, što je indikacija opstruktivnog respiratornog događaja, a broj otkucaja srca je blago povećan nakon perioda apneje zbog regulacije nervnog sistema (49).Ukratko, naš TATSA može procijeniti respiratorni status.
Da bismo dalje procijenili tip SAS putem pulsnih i respiratornih signala, analizirali smo vrijeme prolaza pulsa (PTT), neinvazivni indikator koji odražava promjene perifernog vaskularnog otpora i intratorakalnog pritiska (definirano u dijelu S1) zdravog muškarca i pacijenta sa SAS.Za zdravog učesnika, brzina disanja je ostala nepromijenjena, a PTT je bio relativno stabilan od 180 do 310 ms (slika 5G).Međutim, za učesnika SAS, PTT se kontinuirano povećavao sa 120 na 310 ms tokom apneje (slika 5H).Dakle, učesniku je dijagnostikovan opstruktivni SAS (OSAS).Ako bi se promjena PTT smanjila tijekom apneje, tada bi se stanje odredilo kao sindrom centralne apneje u snu (CSAS), a ako bi oba ova dva simptoma postojala istovremeno, tada bi se dijagnosticirao kao mješoviti SAS (MSAS).Da bismo procijenili ozbiljnost SAS-a, dalje smo analizirali prikupljene signale.Indeks PTT uzbuđenja, koji predstavlja broj PTT uzbuđenja po satu (PTT uzbuđenje se definiše kao pad PTT-a od ≥15 ms koji traje ≥3 s), igra vitalnu ulogu u procjeni stepena SAS-a.Indeks apneje-hipopneje (AHI) je standard za određivanje stepena SAS (apneja je prestanak disanja, a hipopneja je preplitko disanje ili abnormalno niska brzina disanja), koji se definiše kao broj apneja i hipopneja po sat dok spavate (odnos između AHI i kriterijuma za ocenjivanje za OSAS prikazan je u tabeli S2).Da bi se istražio odnos između AHI i PTT indeksa uzbuđenja, respiratorni signali 20 pacijenata sa SAS su odabrani i analizirani sa TATSA.Kao što je prikazano na slici 5I, PTT indeks uzbuđenja u pozitivnoj je korelaciji sa AHI, jer apneja i hipopneja tokom spavanja uzrokuju očigledno i prolazno povišenje krvnog pritiska, što dovodi do smanjenja PTT.Stoga, naša TATSA može istovremeno dobiti stabilne i precizne pulsne i respiratorne signale, pružajući tako važne fiziološke informacije o kardiovaskularnom sistemu i SAS-u za praćenje i evaluaciju povezanih bolesti.
Ukratko, razvili smo TATSA koristeći cijeli kardigan šav za detekciju različitih fizioloških signala istovremeno.Ovaj senzor je imao visoku osetljivost od 7,84 mV Pa−1, brzo vreme odziva od 20 ms, visoku stabilnost od preko 100.000 ciklusa i širok opseg radne frekvencije.Na osnovu TATSA-e razvijen je i WMHMS za prijenos izmjerenih fizioloških parametara na mobilni telefon.TATSA se može ugraditi u različite lokacije odjeće za estetski dizajn i koristiti za istovremeno praćenje pulsa i respiratornih signala u realnom vremenu.Sistem se može primijeniti da pomogne u razlikovanju zdravih osoba od onih sa CAD ili SAS-om zbog svoje sposobnosti da prikupi detaljne informacije.Ova studija je pružila udoban, efikasan i jednostavan pristup za mjerenje ljudskog pulsa i disanja, što predstavlja napredak u razvoju nosive tekstilne elektronike.
Nehrđajući čelik je više puta prolazio kroz kalup i rastezao da bi se formiralo vlakno promjera 10 μm.Vlakno od nehrđajućeg čelika kao elektroda je umetnuto u nekoliko komada komercijalnih jednoslojnih terilenskih niti.
Generator funkcija (Stanford DS345) i pojačalo (LabworkPa-13) korišćeni su da obezbede signal sinusnog pritiska.Senzor sile dvostrukog opsega (Vernier Software & Technology LLC) korišten je za mjerenje vanjskog pritiska primijenjenog na TATSA.Elektrometar Keithley sistema (Keithley 6514) korišten je za praćenje i snimanje izlaznog napona i struje TATSA.
Prema AATCC metodi testiranja 135-2017, koristili smo TATSA i dovoljno balasta kao teret od 1,8 kg, a zatim ih stavili u komercijalnu mašinu za pranje veša (Labtex LBT-M6T) za obavljanje delikatnih ciklusa mašinskog pranja.Zatim smo mašinu za pranje veša napunili sa 18 litara vode na 25°C i postavili mašinu za odabrani ciklus pranja i vreme (brzina mešanja, 119 poteza u minuti; vreme pranja, 6 min; konačna brzina centrifuge, 430 o/min; konačna brzina centrifuge, konačna brzina, 119 udaraca u minuti; vrijeme centrifuge, 3 min).Na kraju, TATSA je okačena suha na mirnom vazduhu na sobnoj temperaturi ne višoj od 26°C.
Ispitanicima je naloženo da leže u ležećem položaju na krevetu.TATSA je postavljena na mjernim mjestima.Nakon što su ispitanici bili u standardnom ležećem položaju, održavali su potpuno opušteno stanje 5 do 10 minuta.Pulsni signal je tada započeo mjerenje.
Dodatni materijal za ovaj članak dostupan je na https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Slika S9.Rezultat simulacije raspodjele sile TATSA pod primijenjenim pritiscima od 0,2 kPa korištenjem COMSOL softvera.
Slika S10.Rezultati simulacije raspodjele sila kontaktne jedinice pod primijenjenim pritiscima od 0,2 i 2 kPa, respektivno.
Slika S11.Kompletne šematske ilustracije prijenosa naboja kontaktne jedinice u uvjetima kratkog spoja.
Slika S13.Kontinuirani izlazni napon i struja TATSA kao odgovor na kontinuirano primijenjeni vanjski pritisak u ciklusu mjerenja.
Slika S14.Odaziv napona na različit broj jedinica petlje u istoj površini tkanine kada se broj petlje u smjeru žile održava nepromijenjenim.
Slika S15.Poređenje između izlaznih performansi dva tekstilna senzora koji koriste punu kardigan šav i običan bod.
Slika S16.Grafikoni koji prikazuju frekventne odzive pri dinamičkom pritisku od 1 kPa i ulaznoj frekvenciji pritiska od 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 i 20 Hz.
Slika S25.Izlazni naponi senzora kada je subjekt bio u statičnom i pokretnom stanju.
Slika S26.Fotografija koja prikazuje TATSA postavljene na abdomen i zglob istovremeno za mjerenje disanja i pulsa.
Ovo je članak otvorenog pristupa distribuiran pod uslovima Creative Commons Attribution-NonCommercial licence, koja dozvoljava upotrebu, distribuciju i reprodukciju u bilo kojem mediju, sve dok rezultirajuća upotreba nije u komercijalne svrhe i pod uslovom da je originalno djelo ispravno citirano.
NAPOMENA: Vašu adresu e-pošte tražimo samo kako bi osoba kojoj preporučujete stranicu znala da želite da je vidi i da to nije neželjena pošta.Ne bilježimo nijednu adresu e-pošte.
Autori Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Za praćenje zdravlja razvijen je triboelektrični potpuno tekstilni senzor sa visokom osjetljivošću na pritisak i komforom.
Autori Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Za praćenje zdravlja razvijen je triboelektrični potpuno tekstilni senzor sa visokom osjetljivošću na pritisak i komforom.
© 2020 Američko udruženje za unapređenje nauke.Sva prava zadržana.AAAS je partner HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef i COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Vrijeme objave: Mar-27-2020