Käytettävä tekstiilielektroniikka on erittäin toivottavaa yksilöllisen terveydenhallinnan toteuttamiseksi.Useimmat raportoidut tekstiilielektroniikka voivat kuitenkin joko kohdistaa ajoittain yhteen fysiologiseen signaaliin tai jättää huomiotta signaalien selkeät yksityiskohdat, mikä johtaa osittaiseen terveysarviointiin.Lisäksi tekstiilit, joilla on erinomaiset ominaisuudet ja mukavuus, ovat edelleen haaste.Tässä raportoimme tribosähköisestä täystekstiilianturijärjestelmästä, jolla on korkea paineherkkyys ja mukavuus.Siinä on paineherkkyys (7,84 mV Pa−1), nopea vasteaika (20 ms), vakaus (>100 000 jaksoa), laaja työtaajuuskaistanleveys (jopa 20 Hz) ja konepestävä (>40 pesukertaa).Valmistetut TATSA:t ommeltiin vaatteiden eri osiin valtimoiden pulssiaaltojen ja hengityssignaalien seuraamiseksi samanaikaisesti.Kehitimme edelleen terveyden seurantajärjestelmää sydän- ja verisuonitautien ja uniapnea-oireyhtymän pitkäaikaista ja ei-invasiivista arviointia varten, mikä osoittaa suurta edistystä joidenkin kroonisten sairauksien kvantitatiivisessa analysoinnissa.
Puettava elektroniikka edustaa kiehtovaa mahdollisuutta, koska se on lupaavia sovelluksia henkilökohtaisessa lääketieteessä.He voivat seurata yksilön terveydentilaa jatkuvasti, reaaliajassa ja noninvasiivisesti (1–11).Pulssi ja hengitys ovat tärkeitä elintoimintojen kahta komponenttia, ja ne voivat tarjota sekä tarkan arvion fysiologisesta tilasta että merkittäviä näkemyksiä siihen liittyvien sairauksien diagnoosista ja ennusteesta (12–21).Tähän mennessä useimmat puettava elektroniikka hienovaraisten fysiologisten signaalien havaitsemiseen perustuvat erittäin ohuisiin substraatteihin, kuten polyeteenitereftalaattiin, polydimetyylisiloksaaniin, polyimidiin, lasiin ja silikoniin (22–26).Näiden iholla käytettävien substraattien haittana on niiden tasomainen ja jäykkä muoto.Tämän seurauksena teippejä, Band-Aids-laitteita tai muita mekaanisia kiinnikkeitä tarvitaan muodostamaan kompakti kosketus puettavan elektroniikan ja ihmisen ihon välille, mikä voi aiheuttaa ärsytystä ja epämukavuutta pitkän käytön aikana (27, 28).Lisäksi näillä substraateilla on huono ilmanläpäisevyys, mikä aiheuttaa epämukavuutta, kun niitä käytetään pitkäaikaisessa, jatkuvassa terveydentilan seurannassa.Älytekstiilit tarjoavat luotettavan ratkaisun terveydenhuollon, erityisesti päivittäisen käytön, edellä mainittujen ongelmien lievittämiseen.Näillä tekstiileillä on pehmeyden, keveyden ja hengittävyyden ominaisuudet ja siten mahdollisuus toteuttaa mukavuutta puettavassa elektroniikassa.Viime vuosina on ponnisteltu intensiivisesti tekstiilipohjaisten järjestelmien kehittämiseen herkissä antureissa, energian keräämisessä ja varastoinnissa (29–39).Erityisesti on raportoitu menestyneitä tutkimuksia pulssi- ja hengityssignaalien monitoroinnissa sovelletuista optisista kuiduista, pietsosähköisyydestä ja ominaisvastuspohjaisista älytekstiileistä (40–43).Näillä älytekstiileillä on kuitenkin tyypillisesti alhainen herkkyys ja yksi valvontaparametri, eikä niitä voida valmistaa suuressa mittakaavassa (taulukko S1).Pulssimittauksen tapauksessa yksityiskohtaista tietoa on vaikea kaapata pulssin heikon ja nopean heilahtelun vuoksi (esim. sen ominaisuuspisteet), joten vaaditaan suurta herkkyyttä ja asianmukaista taajuusvasteen suorituskykyä.
Tässä tutkimuksessa esittelemme triboelectric all-textile sensor array (TATSA), jolla on korkea herkkyys epidermaalisen hienovaraisen paineen sieppaamiseen, neulottu johtavista ja nailonlangoista täydellisessä neuletakissa.TATSA voi tarjota korkean paineherkkyyden (7,84 mV Pa−1), nopean vasteajan (20 ms), vakauden (> 100 000 jaksoa), laajan työtaajuuden kaistanleveyden (jopa 20 Hz) ja konepesun (>40 pesua).Se pystyy integroimaan itsensä kätevästi vaatteisiin harkitusti, mukavasti ja esteettisesti.Erityisesti TATSAmme voidaan liittää suoraan kankaan eri kohtiin, jotka vastaavat pulssiaaltoja niskan, ranteen, sormenpään ja nilkan asennossa sekä hengitysaaltoja vatsassa ja rinnassa.Arvioidaksemme TATSA:n erinomaista suorituskykyä reaaliaikaisessa ja etäterveyden seurannassa kehitämme yksilöllisen älykkään terveydentilan seurantajärjestelmän, joka kerää ja tallentaa jatkuvasti fysiologisia signaaleja sydän- ja verisuonitautien (CAD) analysointiin ja uniapneaoireyhtymän (SAS) arviointiin. ).
Kuten kuviossa 1A on havainnollistettu, kaksi TATSA:ta ommeltiin paidan rannekeeseen ja rintakehään pulssin ja hengityssignaalien dynaamisen ja samanaikaisen monitoroinnin mahdollistamiseksi, vastaavasti.Nämä fysiologiset signaalit lähetettiin langattomasti älykkääseen mobiilipäätesovellukseen (APP) terveydentilan lisäanalyysiä varten.Kuvassa 1B on esitetty TATSA ommeltuna kankaaseen, ja upotettu kuva suurennettuna TATSA:sta, joka neulottiin käyttämällä tunnusomaista johtavaa lankaa ja kaupallista nylonlankaa yhdessä täydellisenä neuletakina.Verrattuna tavallisimpiin ja perusneulontatapaan, perusommel, täysneuleommel valittiin, koska johtavan langan silmukkapään ja viereisen nailonlangan tikkipään (kuva S1) välinen kosketus on pinta. pistekontaktin sijaan, mikä johtaa suurempaan toiminta-alueeseen korkean tribosähköisen vaikutuksen saavuttamiseksi.Johtavan langan valmistukseen valitsimme kiinteäksi ydinkuiduksi ruostumattoman teräksen ja useita yksikerroksisia teryleenilankoja kierrettiin ydinkuidun ympäri yhdeksi johtavaksi langaksi, jonka halkaisija oli 0,2 mm (kuva S2), joka toimi sekä sähköistyspinta että johtava elektrodi.Toisena sähköistyspinnana toimineella nailonlangalla, jonka halkaisija oli 0,15 mm, oli voimakas vetovoima, koska se oli kierretty laskemattomilla langoilla (kuva S3).Kuva 1 (C ja D, vastaavasti) esittää valokuvia valmistetusta johtavasta langasta ja nailonlangasta.Sisäosat näyttävät vastaavat pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvansa (SEM), jotka esittävät tyypillisen poikkileikkauksen johtavasta langasta ja nailonlangan pinnasta.Johtavien ja nailonlankojen korkea vetolujuus varmisti niiden kudontakyvyn teollisuuskoneessa säilyttääkseen kaikkien antureiden tasaisen suorituskyvyn.Kuten kuviossa 1E esitetään, johtavat langat, nylonlangat ja tavalliset langat kelattiin vastaaville kartioilleen, jotka sitten ladattiin teolliseen tietokoneistettuun litteään neulekoneeseen automaattista kudontaa varten (elokuva S1).Kuten kuvasta näkyy.S4, useita TATSA:ita neulottiin yhteen tavallisella kankaalla teollisuuskoneella.Yksittäinen TATSA, jonka paksuus on 0,85 mm ja paino 0,28 g, voidaan räätälöidä koko rakenteesta yksilölliseen käyttöön, mikä osoitti sen erinomaisen yhteensopivuuden muiden kankaiden kanssa.Lisäksi TATSA:t voidaan suunnitella eri väreissä esteettisten ja muodikkaiden vaatimusten täyttämiseksi kaupallisten nailonlankojen monimuotoisuuden vuoksi (kuva 1F ja kuva S5).Valmistetuilla TATSA:illa on erinomainen pehmeys ja kyky kestää kovaa taipumista tai muodonmuutoksia (kuva S6).Kuvassa 1G on TATSA ommeltu suoraan villapaidan vatsaan ja hihansuun.Neulepuseron neulontaprosessi on esitetty kuvassa.S7 ja elokuva S2.Yksityiskohdat venytetyn TATSA:n etu- ja takapuolelta vatsa-asennossa on esitetty kuvassa.S8 (A ja B, vastaavasti), ja johtavan langan ja nailonlangan sijainti on havainnollistettu kuvassa.S8C.Tässä näkyy, että TATSA voidaan upottaa tavallisiin kankaisiin saumattomasti hienotunteisen ja tyylikkään ulkonäön saavuttamiseksi.
(A) Kaksi TATSAa integroituna paitaan pulssi- ja hengityssignaalien tarkkailemiseksi reaaliajassa.(B) Kaaviokuva TATSA:n ja vaatteiden yhdistelmästä.Upotettu kuva näyttää anturin suurennettuna.(C) Valokuva johtavasta langasta (mittakaava, 4 cm).Inset on SEM-kuva johtavan langan poikkileikkauksesta (mittakaava, 100 μm), joka koostuu ruostumattomasta teräksestä ja teryleenilangoista.(D) Valokuva nailonlangasta (mittakaava, 4 cm).Inset on SEM-kuva nailonlangan pinnasta (mittakaava, 100 μm).(E) Kuva tietokoneistetun litteän neulekoneen, joka suorittaa automaattisen TATSA-kudonnan.(F) Valokuva TATSA:sta eri väreissä (mittakaavapalkki, 2 cm).Sisäosa on kierretty TATSA, joka osoittaa sen erinomaisen pehmeyden.(G) Valokuva kahdesta TATSAsta, jotka on ommeltu kokonaan ja saumattomasti neuleeseen.Kuva: Wenjing Fan, Chongqingin yliopisto.
Analysoidaksemme TATSA:n toimintamekanismia, mukaan lukien sen mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet, rakensimme TATSA:n geometrisen neulontamallin, kuten kuvassa 2A esitetään.Täydellistä neuletakkiommelta käyttämällä johtavat ja nailonlangat lukitaan yhteen silmukkayksiköiksi kulkusuunnassa ja langan suunnassa.Yksisilmukkarakenne (kuva S1) koostuu silmukkapäästä, silmukkavarresta, risteyttävästä osasta, tikkivarresta ja tikkipäästä.Kahden eri langan välisestä kosketuspinnasta löytyy kaksi muotoa: (i) johtavan langan silmukkapään ja nailonlangan tikkauksen pään välinen kosketuspinta ja (ii) silmukan pään välinen kosketuspinta. nylonlanka ja johtavan langan tikkauspää.
(A) TATSA, jossa on neulesilmukoiden etu-, oikea- ja yläsivut.(B) Simulaatiotulos TATSA:n voiman jakautumisesta 2 kPa:n paineessa käyttämällä COMSOL-ohjelmistoa.(C) Kaaviokuvat kosketinyksikön varauksensiirrosta oikosulkuolosuhteissa.(D) Simulaatiotulokset kosketinyksikön varauksen jakautumisesta avoimen piirin tilassa COMSOL-ohjelmistolla.
TATSA:n toimintaperiaate voidaan selittää kahdella tavalla: ulkoisen voiman stimulaatio ja sen aiheuttama varaus.Ymmärtääksemme intuitiivisesti jännitysjakauman vasteena ulkoisiin voimaärsykkeisiin käytimme elementtianalyysiä COMSOL-ohjelmistolla erilaisilla ulkoisilla voimilla 2 ja 0,2 kPa, kuten vastaavasti esitetään kuvioissa 2B ja 2.S9.Jännitys ilmenee kahden langan kosketuspinnoilla.Kuten kuvasta näkyy.S10, tarkastelimme kahta silmukkayksikköä jännitysjakauman selvittämiseksi.Verrattaessa jännitysjakaumaa kahden erilaisen ulkoisen voiman vaikutuksesta, johtavien ja nailonlankojen pintojen jännitys kasvaa ulkoisen voiman lisääntyessä, mikä johtaa kahden langan kosketukseen ja suulakepuristumiseen.Kun ulkoinen voima on vapautettu, kaksi lankaa eroavat ja siirtyvät poispäin toisistaan.
Johtavan langan ja nailonlangan väliset kosketus-erotusliikkeet indusoivat varauksen siirtoa, mikä johtuu tribosähköisyyden ja sähköstaattisen induktion yhteydestä.Sähköntuotantoprosessin selventämiseksi analysoimme sen alueen poikkileikkauksen, jossa kaksi lankaa koskettavat toisiaan (kuva 2C1).Kuten kuvassa 2 (C2 ja C3, vastaavasti) esitetään, kun ulkoinen voima stimuloi TATSA:ta ja kaksi lankaa koskettavat toisiaan, sähköistystä tapahtuu johtavien ja nailonlankojen pinnalla ja vastaavat varaukset vastakkaisilla varauksilla. polariteetit muodostuvat kahden langan pinnalle.Kun kaksi lankaa eroavat toisistaan, positiiviset varaukset indusoituvat sisempään ruostumattomaan teräkseen sähköstaattisen induktiovaikutuksen vuoksi.Täydellinen kaavio on esitetty kuvassa.S11.Saadaksemme kvantitatiivisemman käsityksen sähköntuotantoprosessista simuloimme TATSA:n potentiaalista jakautumista COMSOL-ohjelmistolla (kuva 2D).Kun nämä kaksi materiaalia ovat kosketuksissa, varaus kerääntyy pääasiassa kitkamateriaaliin, ja elektrodilla on vain pieni määrä indusoitunutta varausta, mikä johtaa pieneen potentiaaliin (kuva 2D, alaosa).Kun nämä kaksi materiaalia erotetaan (kuva 2D, ylhäällä), elektrodin indusoitunut varaus kasvaa potentiaalieron vuoksi ja vastaava potentiaali kasvaa, mikä paljastaa hyvän yhteensopivuuden kokeista saatujen tulosten ja simulaatioiden välillä. .Lisäksi, koska TATSA:n johtava elektrodi on kääritty teryleenilankoihin ja iho on kosketuksessa molempien kitkamateriaalien kanssa, siksi kun TATSAa käytetään suoraan ihoa vasten, varaus on riippuvainen ulkoisesta voimasta eikä tule heikentyä ihon vaikutuksesta.
TATSA:n suorituskyvyn kuvaamiseksi eri näkökohdista toimitimme mittausjärjestelmän, joka sisältää toimintogeneraattorin, tehovahvistimen, sähködynaamisen ravistimen, voimamittarin, sähkömittarin ja tietokoneen (kuva S12).Tämä järjestelmä tuottaa jopa 7 kPa:n ulkoisen dynaamisen paineen.Kokeessa TATSA asetettiin tasaiselle muovilevylle vapaassa tilassa, ja ulostulon sähköiset signaalit tallennetaan elektrometrillä.
Johtavien ja nailonlankojen tekniset tiedot vaikuttavat TATSA:n lähtötehoon, koska ne määrittävät kosketuspinnan ja kapasiteetin ulkoisen paineen havaitsemiseksi.Tämän tutkimiseksi valmistimme kolmea eri kokoa kahdesta langasta, vastaavasti: johtava lanka, jonka koko on 150D/3, 210D/3 ja 250D/3, ja nylonlanka, jonka koko on 150D/6, 210D/6 ja 250D. /6 (D, denier; mittayksikkö, jota käytetään määrittämään yksittäisten lankojen kuitupaksuus; kankaat, joissa on suuri denier-luku, ovat yleensä paksuja).Sitten valitsimme nämä kaksi erikokoista lankaa neuloaksemme ne anturiksi, ja TATSA:n mitat pidettiin 3 cm x 3 cm:ssä silmukan numerolla 16 langan suunnassa ja 10 kurssin suunnassa.Siten saatiin anturit yhdeksällä neulekuviolla.Ohuin oli johtavan langan koon 150D/3 ja nylonlangan koon 150D/6 anturi ja 250D/3 johtavan langan ja 250D/ nailonlangan anturi. 6 oli paksuin.0,1 - 7 kPa:n mekaanisen virityksen alaisena näiden kuvioiden sähköiset ulostulot tutkittiin ja testattiin systemaattisesti, kuten kuvassa 3A esitetään.Yhdeksän TATSA:n lähtöjännitteet nousivat kohonneen paineen myötä 0,1:stä 4 kPa:iin.Erityisesti kaikista neulekuvioista johtavan 210D/3- ja 210D/6-nylonlangan spesifikaatiot tuottivat suurimman sähkötehon ja osoittivat korkeimman herkkyyden.Lähtöjännite osoitti kasvavaa suuntausta TATSA:n paksuuden kasvaessa (riittävän kosketuspinnan vuoksi), kunnes TATSA neulottiin käyttämällä johtavaa 210D/3- ja 210D/6-nylonlankaa.Koska paksuuden lisääminen johtaisi ulkoisen paineen absorptioon langoissa, lähtöjännite laski vastaavasti.Lisäksi on huomattava, että matalapainealueella (<4 kPa) hyvin käyttäytyvä lineaarinen vaihtelu lähtöjännitteessä paineen kanssa antoi ylivoimaisen paineherkkyyden 7,84 mV Pa−1.Korkeapainealueella (>4 kPa) havaittiin kokeellisesti pienempi paineherkkyys 0,31 mV Pa−1 tehollisen kitka-alueen kyllästymisen vuoksi.Samanlainen paineherkkyys osoitettiin päinvastaisessa voimankäyttöprosessissa.Lähtöjännitteen ja virran konkreettiset aikaprofiilit eri paineissa on esitetty kuvassa.S13 (A ja B, vastaavasti).
(A) Lähtöjännite johtavan langan (150D/3, 210D/3 ja 250D/3) yhdeksän neulontakuvion alla yhdistettynä nylonlangaan (150D/6, 210D/6 ja 250D/6).(B) Jännitevaste useille silmukkayksiköille samalla kangasalueella, kun silmukan numero pidetään muuttumattomana.(C) Kaaviot, jotka esittävät taajuusvasteita dynaamisella paineella 1 kPa ja paineen tulotaajuudella 1 Hz.(D) Eri lähtö- ja virtajännitteet 1, 5, 10 ja 20 Hz:n taajuuksilla.(E) TATSA:n kestävyystesti 1 kPa:n paineessa.(F) TATSA:n tehoominaisuudet 20 ja 40 pesun jälkeen.
Herkkyyteen ja lähtöjännitteeseen vaikutti myös TATSA:n ommeltiheys, joka määritettiin silmukoiden kokonaismäärällä mitatulla kankaan alueella.Ommeltiheyden lisääminen johtaisi kankaan rakenteen suurempaan tiiviyteen.Kuvassa 3B on esitetty ulostulosuoritukset eri silmukkanumeroilla 3 cm x 3 cm:n tekstiilialueella, ja upote havainnollistaa silmukkayksikön rakennetta (pidimme silmukan numeron kurssin suunnassa arvossa 10 ja silmukan numeron Walen suunta oli 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 ja 26).Silmukan lukumäärää suurentamalla lähtöjännite osoitti ensin kasvavaa trendiä johtuen kasvavasta kosketuspinnasta, kunnes maksimilähtöjännitteen huippu oli 7,5 V silmukan numerolla 180. Tämän jälkeen lähtöjännite seurasi laskevaa trendiä, koska TATSA:sta tuli tiukka, ja kahdella langalla oli pienempi kontaktierotustila.Selvittääksemme, mihin suuntaan tiheydellä on suuri vaikutus ulostuloon, pidimme TATSA:n silmukan numeroksi wale-suunnassa 18 ja silmukan numeroksi kurssin suunnassa asetettiin 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ja 14. Vastaavat lähtöjännitteet on esitetty kuvassa.S14.Vertailun vuoksi voimme nähdä, että tiheydellä kurssin suunnassa on suurempi vaikutus lähtöjännitteeseen.Tämän seurauksena 210D/3 johtavan langan ja 210D/6 nylonlangan ja 180 silmukan yksiköiden neulekuvio valittiin TATSA:n neulomiseen tulosominaisuuksien kattavan arvioinnin jälkeen.Lisäksi vertailimme kahden tekstiilianturin lähtösignaaleja käyttäen täysneuleommelta ja tavallista ommelta.Kuten kuvasta näkyy.S15, sähköteho ja herkkyys täydellä neuleommelta käytettäessä ovat paljon korkeammat kuin tavallisella ompeleella.
Reaaliaikaisten signaalien seurannan vasteaika mitattiin.Anturimme vasteajan tutkimiseksi ulkoisiin voimiin vertailimme lähtöjännitesignaaleja dynaamisiin painetuloihin taajuudella 1 - 20 Hz (kuva 3C ja kuva S16, vastaavasti).Lähtöjännitteen aaltomuodot olivat lähes identtisiä sisääntulon sinimuotoisten paineaaltojen kanssa 1 kPa:n paineessa, ja lähtöaaltomuodoilla oli nopea vasteaika (noin 20 ms).Tämä hystereesi voi johtua siitä, että elastinen rakenne ei ole palannut alkuperäiseen tilaan mahdollisimman pian ulkoisen voiman vastaanottamisen jälkeen.Tästä huolimatta tämä pieni hystereesi on hyväksyttävä reaaliaikaiseen seurantaan.Dynaamisen paineen saavuttamiseksi tietyllä taajuusalueella tarvitaan sopiva TATSA:n taajuusvaste.Siten testattiin myös TATSA:n taajuusominaisuus.Ulkoista herätystaajuutta suurentamalla lähtöjännitteen amplitudi pysyi lähes muuttumattomana, kun taas virran amplitudi kasvoi väliottotaajuuksien vaihdellessa 1 - 20 Hz (kuva 3D).
TATSA:n toistettavuuden, vakauden ja kestävyyden arvioimiseksi testasimme lähtöjännitteen ja virran vasteita painelataus- ja purkujaksoille.Anturiin kohdistettiin 1 kPa:n paine 5 Hz:n taajuudella.Huipusta huippuun -jännite ja virta tallennettiin 100 000 lataus-purkujakson jälkeen (kuva 3E ja kuva S17, vastaavasti).Suurennetut kuvat jännitteestä ja virran aaltomuodosta on esitetty kuvion 3E ja kuvion 3 lisäosassa.S17, vastaavasti.Tulokset paljastavat TATSA:n huomattavan toistettavuuden, vakauden ja kestävyyden.Pestävyys on myös TATSA:n olennainen arviointikriteeri kokonaan tekstiililaitteena.Pesukyvyn arvioimiseksi testasimme anturin lähtöjännitteen TATSA:n konepesun jälkeen American Association of Textile Chemists and Colorists (AATCC) -testimenetelmän 135-2017 mukaisesti.Yksityiskohtainen pesumenettely on kuvattu kohdassa Materiaalit ja menetelmät.Kuten kuvassa 3F esitetään, sähköiset ulostulot tallennettiin pesun jälkeen 20 kertaa ja 40 kertaa, mikä osoitti, ettei lähtöjännitteessä ollut selkeitä muutoksia pesutestien aikana.Nämä tulokset vahvistavat TATSA:n huomattavan pestävän.Puettavana tekstiilisensorina tutkimme myös ulostulon suorituskykyä, kun TATSA oli vetolujuus (kuva S18), vääntynyt (kuva S19) ja erilainen kosteus (kuva S20) olosuhteissa.
Yllä osoitettujen TATSA:n lukuisten etujen pohjalta kehitimme langattoman mobiilin terveydentilanseurantajärjestelmän (WMHMS), joka pystyy jatkuvasti hankkimaan fysiologisia signaaleja ja antamaan sitten ammattitaitoista neuvontaa potilaalle.Kuva 4A esittää TATSA:han perustuvan WMHMS:n kaaviokuvan.Järjestelmässä on neljä komponenttia: TATSA analogisten fysiologisten signaalien vastaanottamiseen, analoginen ilmastointipiiri alipäästösuodattimella (MAX7427) ja vahvistin (MAX4465) riittävän yksityiskohdan ja signaalien erinomaisen synkronoinnin varmistamiseksi, analogisesta digitaaliseen. mikro-ohjainyksikköön perustuva muunnin, joka kerää ja muuntaa analogiset signaalit digitaalisiksi signaaleiksi, ja Bluetooth-moduuli (CC2640 pienitehoinen Bluetooth-siru) digitaalisen signaalin välittämiseksi matkapuhelinpäätesovellukseen (APP; Huawei Honor 9).Tässä tutkimuksessa ompelimme TATSA:n saumattomasti nauhaksi, rannenauhaksi, sormenpääksi ja sukkaan, kuten kuvassa 4B.
(A) Kuva WMHMS:stä.(B) Valokuvat TATSA:ista, jotka on ommeltu rannekkeeseen, sormenpäähän, sukkaan ja rintahihnaan, vastaavasti.Pulssin mittaus (C1) kaulassa, (D1) ranteessa, (E1) sormenpäässä ja (F1) nilkassa.Pulssin aaltomuoto (C2) kaulassa, (D2) ranteessa, (E2) sormenpäässä ja (F2) nilkassa.(G) Eri-ikäiset pulssiaaltomuodot.(H) Yhden pulssiaallon analyysi.Säteittäinen augmentaatioindeksi (AIx) määriteltynä AIx (%) = P2/P1.P1 on etenevän aallon huippu ja P2 on heijastuneen aallon huippu.(I) Olkavarren ja nilkan pulssijakso.Pulssiaallon nopeus (PWV) määritellään PWV = D/∆T.D on nilkan ja olkavarren välinen etäisyys.∆T on aikaviive nilkan ja brakiaalisen pulssiaaltojen välillä.PTT, pulssin siirtoaika.(J) AIx:n ja brachial-nilkan PWV:n (BAPWV) vertailu terveiden ja CAD:ien välillä.*P < 0,01, **P < 0,001 ja ***P < 0,05.HTN, verenpainetauti;sepelvaltimotauti, sepelvaltimotauti;DM, diabetes mellitus.Kuva: Jin Yang, Chongqingin yliopisto.
Ihmisen eri kehon osien pulssisignaalien tarkkailemiseksi kiinnitimme edellä mainitut TATSA-koristeet vastaaviin paikkoihin: niska (kuva 4C1), ranne (kuva 4D1), sormenpää (kuva 4E1) ja nilkka (kuva 4F1). ), kuten elokuvissa S3–S6 on kuvattu.Lääketieteessä pulssiaallossa on kolme olennaista piirrepistettä: etenevän aallon huippu P1, heijastuneen aallon huippu P2 ja dikroottisen aallon huippu P3.Näiden piirrepisteiden ominaisuudet heijastavat sydän- ja verisuonijärjestelmään liittyvää valtimoiden elastisuuden, perifeerisen vastuksen ja vasemman kammion supistumiskykyä.25-vuotiaan naisen pulssiaaltomuodot yllä olevista neljästä asennosta hankittiin ja kirjattiin testissämme.Huomaa, että kolme erotettavissa olevaa piirrepistettä (P1 - P3) havaittiin pulssin aaltomuodossa kaulan, ranteen ja sormenpään kohdissa, kuten kuvassa 4 (C2 - E2) esitetään.Sitä vastoin vain P1 ja P3 esiintyivät pulssin aaltomuodossa nilkan asennossa, eikä P2:ta ollut läsnä (kuvio 4F2).Tämä tulos johtui vasemmasta kammiosta ulos tulevan veren aallon ja alaraajoista heijastuneen aallon superpositiosta (44).Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että P2 esiintyy aaltomuodoissa mitattuna yläraajoista, mutta ei nilkasta (45, 46).Havaitsimme samanlaisia tuloksia TATSA:lla mitatuissa aaltomuodoissa, kuten kuvassa 10 on esitetty.S21, joka näyttää tyypilliset tiedot täällä tutkitun 80 potilaan populaatiosta.Voimme nähdä, että P2 ei esiintynyt näissä nilkasta mitatuissa pulssiaaltomuodoissa, mikä osoittaa TATSA:n kyvyn havaita aaltomuodon hienovaraisia piirteitä.Nämä pulssimittaustulokset osoittavat, että WMHMS-järjestelmämme pystyy paljastamaan tarkasti ylä- ja alavartalon pulssiaalto-ominaisuudet ja että se on muita töitä parempi (41, 47).Osoittaaksemme edelleen, että TATSAamme voidaan soveltaa laajalti eri ikäisille, mittasimme 80 eri ikäisen kohteen pulssiaaltomuotoja ja näytimme joitain tyypillisiä tietoja, kuten kuvassa 10 on esitetty.S22.Kuten kuvasta 4G näkyy, valitsimme kolme 25-, 45- ja 65-vuotiaat osallistujaa, ja nuorten ja keski-ikäisten osallistujien kolme piirrettä olivat ilmeisiä.Lääketieteellisen kirjallisuuden (48) mukaan useimpien ihmisten pulssiaaltomuotojen ominaisuudet muuttuvat ikääntyessään, kuten pisteen P2 katoaminen, mikä johtuu siitä, että heijastunut aalto siirtyy eteenpäin asettumaan päällekkäin etenevän aallon kanssa pulssin pienenemisen myötä. verisuonten elastisuus.Tämä ilmiö heijastuu myös keräämiimme aaltomuotoihin, mikä vahvistaa edelleen, että TATSA:ta voidaan soveltaa eri populaatioihin.
Pulssin aaltomuotoon ei vaikuta pelkästään yksilön fysiologinen tila vaan myös testiolosuhteet.Siksi mittasimme pulssisignaaleja eri kosketustiheydellä TATSA:n ja ihon välillä (kuva S23) ja eri mittauskohdissa (kuva S24).Voidaan havaita, että TATSA voi saada yhdenmukaisia pulssiaaltomuotoja yksityiskohtaisilla tiedoilla suonen ympäriltä suurella tehokkaalla havaitsemisalueella mittauskohdassa.Lisäksi TATSA:n ja ihon välillä on erillisiä lähtösignaaleja eri kosketustiheyksissä.Lisäksi antureita käyttävien henkilöiden liike vaikuttaisi pulssisignaaleihin.Kun kohteen ranne on staattisessa tilassa, saadun pulssiaaltomuodon amplitudi on vakaa (kuva S25A);päinvastoin, kun ranne liikkuu hitaasti kulmassa -70°:sta 70°:een 30 sekunnin aikana, pulssin aaltomuodon amplitudi vaihtelee (kuva S25B).Jokaisen pulssiaaltomuodon ääriviivat ovat kuitenkin näkyvissä, ja pulssinopeus voidaan silti saada tarkasti.On selvää, että vakaan pulssiaallon keräämisen saavuttamiseksi ihmisen liikkeessä tarvitaan lisätyötä, mukaan lukien anturin suunnittelu ja taustasignaalin käsittely.
Lisäksi analysoidaksemme ja kvantitatiivisesti arvioidaksemme sydän- ja verisuonijärjestelmän tilaa saatujen pulssiaaltomuotojen avulla TATSA:n avulla otimme käyttöön kaksi hemodynaamista parametria sydän- ja verisuonijärjestelmän arviointispesifikaatioiden mukaisesti, nimittäin augmentaatioindeksin (AIx) ja pulssiaallon nopeuden. (PWV), jotka edustavat valtimoiden joustavuutta.Kuten kuvasta 4H näkyy, 25-vuotiaan terveen miehen ranteen aaltomuotoa käytettiin AIx:n analysointiin.Kaavan (kohta S1) mukaan saatiin AIx = 60 %, joka on normaaliarvo.Sitten keräsimme samanaikaisesti kaksi pulssiaaltomuotoa tämän osallistujan käsivarren ja nilkan asennoista (yksityiskohtainen pulssin aaltomuodon mittausmenetelmä on kuvattu kohdassa Materiaalit ja menetelmät).Kuten kuviossa 4I esitetään, kahden pulssiaaltomuodon piirrepisteet olivat erilliset.Sitten laskemme PWV:n kaavan mukaan (osio S1).PWV = 1363 cm/s, joka on terveeltä aikuiselta mieheltä odotettu ominaisarvo, saatiin.Toisaalta voimme nähdä, että AIx:n tai PWV:n mittauksiin ei vaikuta pulssiaaltomuodon amplitudiero ja AIx:n arvot kehon eri osissa ovat erilaisia.Tutkimuksessamme käytettiin radiaalista AIx:ää.Vahvistaaksemme WMHMS:n soveltuvuutta eri ihmisiin valitsimme 20 osallistujaa terveiden ryhmään, 20 kohonnutta verenpainetta sairastavien (HTN) ryhmään, 20 sepelvaltimotautien (CHD) ryhmään 50–59-vuotiaita ja 20 osallistujaa. diabetes mellituksen (DM) ryhmässä.Mittasimme niiden pulssiaallot ja vertailimme niiden kahta parametria, AIx ja PWV, kuten kuvassa 4J esitetään.Voidaan havaita, että HTN-, CHD- ja DM-ryhmien PWV-arvot olivat pienempiä terveisiin ryhmiin verrattuna ja niillä on tilastollinen ero (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 ja PDM ≪ 0,001; P-arvot laskettiin t:llä testata).Samaan aikaan HTN- ja CHD-ryhmien AIx-arvot olivat alhaisemmat verrattuna terveisiin ryhmiin ja niillä on tilastollinen ero (PHTN < 0,01, PCHD < 0,001 ja PDM < 0,05).PWV ja AIx osallistujilla, joilla oli sepelvaltimotauti, HTN tai DM, olivat korkeammat kuin terveillä.Tulokset osoittavat, että TATSA pystyy saamaan tarkasti pulssin aaltomuodon kardiovaskulaarisen parametrin laskemiseksi kardiovaskulaarisen terveydentilan arvioimiseksi.Yhteenvetona voidaan todeta, että langattoman, korkearesoluutioisen, korkean herkkyyden ja mukavuuden ansiosta TATSAan perustuva WMHMS tarjoaa tehokkaamman vaihtoehdon reaaliaikaiseen seurantaan kuin nykyiset kalliit sairaaloissa käytettävät lääketieteelliset laitteet.
Pulssiaallon lisäksi hengitystiedot ovat myös ensisijainen elintärkeä merkki, joka auttaa arvioimaan yksilön fyysistä tilaa.TATSAamme perustuva hengityksen seuranta on houkuttelevampaa kuin perinteinen polysomnografia, koska se voidaan integroida saumattomasti vaatteisiin mukavuuden parantamiseksi.Valkoiseen joustavaan rintahihnaan ommeltu TATSA sidottiin suoraan ihmiskehoon ja kiinnitettiin rintakehän ympärille hengityksen seurantaa varten (kuva 5A ja elokuva S7).TATSA deformoitui rintakehän laajenemisen ja supistumisen myötä, mikä johti sähköiseen ulostuloon.Saatu aaltomuoto varmistetaan kuvassa 5B.Signaali suurilla vaihteluilla (amplitudi 1,8 V) ja jaksollisilla muutoksilla (taajuus 0,5 Hz) vastasi hengitysliikettä.Suhteellisen pieni fluktuaatiosignaali asetettiin tämän suuren vaihtelusignaalin päälle, joka oli sydämenlyöntisignaali.Hengitys- ja sykesignaalien taajuusominaisuuksien mukaan käytimme 0,8 Hz:n alipäästösuodatinta ja 0,8-20 Hz:n kaistanpäästösuodatinta hengitys- ja sykesignaalien erottamiseen, kuten kuvassa 5C näkyy. .Tässä tapauksessa vakaat hengitys- ja pulssisignaalit, joissa oli runsaasti fysiologista tietoa (kuten hengitystiheys, syke ja pulssiaallon ominaisuuspisteet), saatiin samanaikaisesti ja tarkasti asettamalla yksittäinen TATSA rintaan.
(A) Valokuva, jossa näkyy rintakehälle asetettu TATSA-näyttö signaalin mittaamiseksi hengitykseen liittyvässä paineessa.(B) Jännite-aikakäyrä rintaan asennetulle TATSA:lle.(C) Signaalin (B) hajoaminen sydämenlyöntiin ja hengitysaaltomuotoon.(D) Valokuva, jossa näkyy kaksi TATSA:ta asetettuna vatsaan ja ranteeseen hengityksen ja pulssin mittaamiseksi unen aikana.(E) Terveen osallistujan hengitys- ja pulssisignaalit.HR, syke;BPM, lyöntiä minuutissa.(F) SAS-osallistujan hengitys- ja pulssisignaalit.(G) Terveen osallistujan hengityssignaali ja PTT.(H) SAS-osallistujan hengityssignaali ja PTT.(I) PTT-herätysindeksin ja apnea-hypopneaindeksin (AHI) välinen suhde.Kuva: Wenjing Fan, Chongqingin yliopisto.
Todistaaksemme, että anturimme pystyy tarkkailemaan pulssi- ja hengityssignaaleja tarkasti ja luotettavasti, suoritimme kokeen vertaillaksemme pulssi- ja hengityssignaalien mittaustuloksia TATSA-laitteemme ja tavallisen lääketieteellisen instrumentin (MHM-6000B) välillä, kuten elokuvissa S8 on kuvattu. ja S9.Pulssiaaltomittauksessa lääketieteellisen instrumentin valosähköistä anturia pidettiin nuoren tytön vasemmassa etusormessa ja sillä välin TATSAmme hänen oikean etusormessaan.Kahdesta hankitusta pulssiaaltomuodosta voimme nähdä, että niiden ääriviivat ja yksityiskohdat olivat identtisiä, mikä osoittaa, että TATSA:n mittaama pulssi on yhtä tarkka kuin lääketieteellisen instrumentin mittaama pulssi.Hengitysaaltomittauksessa nuoren miehen kehon viidelle alueelle kiinnitettiin viisi elektrokardiografista elektrodia lääkärin ohjeiden mukaisesti.Sitä vastoin vain yksi TATSA sidottiin suoraan vartaloon ja kiinnitettiin rinnan ympärille.Kerätyistä hengityssignaaleista voidaan nähdä, että TATSA:n havaitseman hengityssignaalin vaihtelutrendi ja -nopeus olivat yhdenmukaisia lääketieteellisen instrumentin kanssa.Nämä kaksi vertailukoetta vahvistivat pulssi- ja hengityssignaalien tarkkailussa käytettävän anturijärjestelmämme tarkkuuden, luotettavuuden ja yksinkertaisuuden.
Lisäksi valmistimme älyvaatteen ja ompelimme kaksi TATSAa vatsan ja ranteen kohdille hengitys- ja pulssisignaalien tarkkailemiseksi.Erityisesti kehitetty kaksikanavainen WMHMS käytettiin sieppaamaan pulssi- ja hengityssignaalit samanaikaisesti.Tämän järjestelmän kautta saimme älyvaatteisiin pukeutuneen 25-vuotiaan miehen hengitys- ja pulssisignaalit nukkuessaan (kuva 5D ja elokuva S10) ja istuessaan (kuva S26 ja elokuva S11).Saadut hengitys- ja pulssisignaalit voitiin lähettää langattomasti matkapuhelimen APP:hen.Kuten edellä mainittiin, TATSA pystyy sieppaamaan hengitys- ja pulssisignaaleja.Nämä kaksi fysiologista signaalia ovat myös kriteereitä arvioitaessa SAS lääketieteellisesti.Siksi TATSAamme voidaan käyttää myös unen laadun ja siihen liittyvien unihäiriöiden seurantaan ja arviointiin.Kuten kuvasta 5 (E ja F, vastaavasti) esitetään, mittasimme jatkuvasti kahden osallistujan, terveen ja SAS-potilaan, pulssi- ja hengitysaaltomuotoja.Henkilöllä, jolla ei ollut apneaa, mitatut hengitys- ja pulssinopeudet pysyivät vakaina 15:ssä ja 70:ssä.Potilaalla, jolla oli SAS, havaittiin selvä apnea 24 sekunnin ajan, mikä on osoitus obstruktiivisesta hengitystapahtumasta, ja sydämen syke nousi hieman apneajakson jälkeen hermoston säätelyn vuoksi (49).Yhteenvetona TATSAmme voi arvioida hengitystilan.
SAS-tyypin arvioimiseksi edelleen pulssi- ja hengityssignaalien avulla analysoimme pulssin kulkuaikaa (PTT), ei-invasiivista indikaattoria, joka heijastaa perifeerisen verisuonten resistenssin ja rintakehän paineen (määritelty kohdassa S1) muutoksia terveellä miehellä ja potilaan, jolla on sairaus. SAS.Terveen osallistujan hengitystiheys pysyi muuttumattomana ja PTT oli suhteellisen vakaa 180 - 310 ms (kuvio 5G).Kuitenkin SAS-osallistujan PTT kasvoi jatkuvasti 120 ms:sta 310 ms:iin apnean aikana (kuva 5H).Näin ollen osallistujalla diagnosoitiin obstruktiivinen SAS (OSAS).Jos PTT:n muutos vähenisi apnean aikana, tila määritettäisiin sentraaliseksi uniapneaoireyhtymäksi (CSAS) ja jos molemmat nämä kaksi oiretta esiintyisivät samanaikaisesti, se diagnosoidaan seka-SAS:ksi (MSAS).SAS:n vakavuuden arvioimiseksi analysoimme edelleen kerättyjä signaaleja.PTT-kiihtymisindeksillä, joka on PTT-herätysten lukumäärä tunnissa (PTT-kiihtyvyys määritellään PTT:n laskuksi ≥15 ms ja kestää ≥3 s), on tärkeä rooli SAS-asteen arvioinnissa.Apnea-hypopnea-indeksi (AHI) on standardi SAS-asteen määrittämiseksi (apnea on hengityksen pysähtyminen ja hypopnea on liian matala hengitys tai epänormaalin alhainen hengitystiheys), joka määritellään apneoiden ja hypopnean lukumääränä per tunti nukkuessaan (AHI:n ja OSAS-luokituskriteerien välinen suhde on esitetty taulukossa S2).AHI:n ja PTT-herätysindeksin välisen suhteen tutkimiseksi valittiin 20 SAS-potilaan hengityssignaalit ja analysoitiin TATSA:illa.Kuten kuviossa 51 esitetään, PTT-herätysindeksi korreloi positiivisesti AHI:n kanssa, koska apnea ja hypopnea unen aikana aiheuttavat ilmeisen ja ohimenevän verenpaineen nousun, mikä johtaa PTT:n laskuun.Siksi TATSAmme voi saada vakaat ja tarkat pulssi- ja hengityssignaalit samanaikaisesti, mikä tarjoaa tärkeää fysiologista tietoa sydän- ja verisuonijärjestelmästä ja SAS:sta siihen liittyvien sairauksien seurantaan ja arviointiin.
Yhteenvetona voimme todeta, että kehitimme TATSA:n, joka käyttää täyttä neuleommelta tunnistamaan erilaisia fysiologisia signaaleja samanaikaisesti.Tämän anturin korkea herkkyys 7,84 mV Pa−1, nopea vasteaika 20 ms, korkea vakaus yli 100 000 jaksoa ja laaja toimintataajuuskaistanleveys.TATSA:n pohjalta kehitettiin myös WMHMS, joka välittää mitatut fysiologiset parametrit matkapuhelimeen.TATSA voidaan liittää vaatteiden eri paikkoihin esteettistä suunnittelua varten ja käyttää samanaikaisesti pulssin ja hengityssignaalien seurantaa reaaliajassa.Järjestelmää voidaan soveltaa erottamaan terveet yksilöt CAD- tai SAS-potilaista, koska se pystyy keräämään yksityiskohtaista tietoa.Tämä tutkimus tarjosi mukavan, tehokkaan ja käyttäjäystävällisen lähestymistavan ihmisen pulssin ja hengityksen mittaamiseen, mikä edustaa edistystä puettavan tekstiilielektroniikan kehityksessä.
Ruostumaton teräs vietiin toistuvasti muotin läpi ja venytettiin halkaisijaltaan 10 μm kuiduksi.Ruostumaton teräskuitu elektrodina laitettiin useisiin kaupallisiin yksikerroksisiin teryleenilankoihin.
Toimintogeneraattoria (Stanford DS345) ja vahvistinta (LabworkPa-13) käytettiin tuottamaan sinimuotoinen painesignaali.TATSAan kohdistetun ulkoisen paineen mittaamiseen käytettiin kahden alueen voimaanturia (Vernier Software & Technology LLC).Keithley-järjestelmäelektrometriä (Keithley 6514) käytettiin TATSA:n lähtöjännitteen ja virran seurantaan ja tallentamiseen.
AATCC:n testimenetelmän 135-2017 mukaan käytimme TATSAa ja riittävästi painolastia 1,8 kg:n kuormana ja laitoimme ne sitten kaupalliseen pesukoneeseen (Labtex LBT-M6T) suorittamaan herkkiä konepesuohjelmia.Sitten täytimme pesukoneen 18 gallonalla vettä 25°C:ssa ja asetimme pesukoneen valitulle pesujaksolle ja -ajalle (sekoitusnopeus, 119 iskua minuutissa; pesuaika, 6 min; lopullinen linkousnopeus 430 rpm; lopullinen). linkousaika, 3 min).Lopuksi TATSA ripustettiin kuivaksi tyynessä ilmassa huoneenlämpötilassa, joka ei ollut korkeampi kuin 26 °C.
Koehenkilöitä neuvottiin makaamaan makuuasennossa sängyllä.TATSA asetettiin mittauspaikoille.Kun koehenkilöt olivat tavallisessa makuuasennossa, he pysyivät täysin rentoina 5-10 minuutin ajan.Sen jälkeen pulssisignaali alkoi mitata.
Tämän artikkelin lisämateriaali on saatavilla osoitteessa https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Kuva S9.Simulaatiotulos TATSA:n voiman jakautumisesta 0,2 kPa:n paineissa käyttämällä COMSOL-ohjelmistoa.
Kuva S10.Simulaatiotulokset kosketinyksikön voiman jakautumisesta kohdistetuilla paineilla 0,2 ja 2 kPa.
Kuva S11.Täydelliset kaaviokuvat kosketinyksikön varauksensiirrosta oikosulkuolosuhteissa.
Kuva S13.TATSA:n jatkuva lähtöjännite ja virta vasteena jatkuvaan ulkoiseen paineeseen mittausjakson aikana.
Kuva S14.Jännitevaste useille silmukkayksiköille samalla kangasalueella, kun silmukan numero pidetään muuttumattomana.
Kuva S15.Vertailu kahden tekstiilisensorin tehojen välillä käyttämällä täysneuleommelta ja tavallista ommelta.
Kuva S16.Kaaviot, jotka esittävät taajuusvasteita dynaamisella paineella 1 kPa ja paineen tulotaajuudella 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 ja 20 Hz.
Kuva S25.Anturin lähtöjännitteet, kun kohde oli staattisissa ja liikeolosuhteissa.
Kuva S26.Valokuva, jossa TATSA:t on asetettu vatsaan ja ranteeseen samanaikaisesti hengityksen ja pulssin mittaamiseksi.
Tämä on avoimen pääsyn artikkeli, jota jaetaan Creative Commons Attribution-Non Commercial -lisenssin ehtojen mukaisesti, ja joka sallii käytön, jakelun ja jäljentämisen missä tahansa välineessä, kunhan tuloksena oleva käyttö ei ole kaupallista hyötyä ja jos alkuperäinen teos on asianmukaisesti lainattu.
HUOMAA: Pyydämme sähköpostiosoitettasi vain, jotta henkilö, jolle suosittelet sivua, tietää, että halusit hänen näkevän sen, ja että kyseessä ei ole roskaposti.Emme tallenna yhtään sähköpostiosoitetta.
Kirjailija: Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Terveyden seurantaa varten kehitettiin tribosähköinen täystekstiilianturi, jolla on korkea paineherkkyys ja mukavuus.
Kirjailija: Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Terveyden seurantaa varten kehitettiin tribosähköinen täystekstiilianturi, jolla on korkea paineherkkyys ja mukavuus.
© 2020 American Association for the Advancement of Science.Kaikki oikeudet pidätetään.AAAS on HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ja COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 kumppani.
Postitusaika: 27.3.2020