L’électronique textile portable est hautement souhaitable pour réaliser une gestion personnalisée de la santé.Cependant, la plupart des appareils électroniques textiles signalés peuvent soit cibler périodiquement un seul signal physiologique, soit manquer les détails explicites des signaux, conduisant à une évaluation partielle de la santé.De plus, les textiles offrant d'excellentes propriétés et confort restent encore un défi.Nous rapportons ici un réseau de capteurs triboélectriques entièrement textiles offrant une sensibilité et un confort élevés à la pression.Il présente une sensibilité à la pression (7,84 mV Pa−1), un temps de réponse rapide (20 ms), une stabilité (> 100 000 cycles), une large bande passante de fréquence de travail (jusqu'à 20 Hz) et une lavabilité en machine (> 40 lavages).Les TATSA fabriqués ont été cousus dans différentes parties de vêtements pour surveiller simultanément les ondes de pouls artériel et les signaux respiratoires.Nous avons en outre développé un système de surveillance de la santé pour une évaluation non invasive à long terme des maladies cardiovasculaires et du syndrome d'apnée du sommeil, qui présente de grands progrès pour l'analyse quantitative de certaines maladies chroniques.
L’électronique portable représente une opportunité fascinante en raison de ses applications prometteuses en médecine personnalisée.Ils peuvent surveiller l'état de santé d'un individu de manière continue, en temps réel et non invasive (1-11).Le pouls et la respiration, en tant que composants indispensables des signes vitaux, peuvent fournir à la fois une évaluation précise de l’état physiologique et des informations remarquables sur le diagnostic et le pronostic des maladies associées (12-21).À ce jour, la plupart des appareils électroniques portables destinés à détecter des signaux physiologiques subtils sont basés sur des substrats ultrafins tels que le polyéthylène téréphtalate, le polydiméthylsiloxane, le polyimide, le verre et le silicone (22-26).Un inconvénient de ces substrats à usage cutané réside dans leurs formats plans et rigides.En conséquence, des rubans adhésifs, des pansements ou d'autres dispositifs mécaniques sont nécessaires pour établir un contact compact entre les appareils électroniques portables et la peau humaine, ce qui peut provoquer une irritation et des désagréments pendant des périodes d'utilisation prolongées (27, 28).De plus, ces substrats ont une mauvaise perméabilité à l’air, ce qui entraîne un inconfort lorsqu’ils sont utilisés pour une surveillance continue et à long terme de la santé.Pour atténuer les problèmes susmentionnés dans le domaine des soins de santé, notamment dans l’usage quotidien, les textiles intelligents offrent une solution fiable.Ces textiles présentent les caractéristiques de douceur, de légèreté et de respirabilité et, par conséquent, ont le potentiel de réaliser du confort dans les appareils électroniques portables.Ces dernières années, des efforts intensifs ont été consacrés au développement de systèmes textiles pour les capteurs sensibles, la récupération d’énergie et le stockage (29-39).En particulier, des recherches réussies ont été signalées sur les textiles intelligents basés sur la fibre optique, la piézoélectricité et la résistivité, appliqués à la surveillance du pouls et des signaux respiratoires (40-43).Cependant, ces textiles intelligents ont généralement une faible sensibilité et un seul paramètre de surveillance et ne peuvent pas être fabriqués à grande échelle (tableau S1).Dans le cas de la mesure du pouls, des informations détaillées sont difficiles à capturer en raison de la fluctuation faible et rapide du pouls (par exemple, ses points caractéristiques), et donc une sensibilité élevée et des performances de réponse en fréquence appropriées sont nécessaires.
Dans cette étude, nous introduisons un réseau de capteurs triboélectriques tout textile (TATSA) à haute sensibilité pour la capture subtile de la pression épidermique, tricoté avec des fils conducteurs et en nylon dans un point de cardigan complet.Le TATSA peut fournir une sensibilité élevée à la pression (7,84 mV Pa−1), un temps de réponse rapide (20 ms), une stabilité (> 100 000 cycles), une large bande passante de fréquence de travail (jusqu'à 20 Hz) et une lavabilité en machine (> 40 lavages).Il est capable de s'intégrer facilement aux vêtements avec discrétion, confort et esthétique.Notamment, notre TATSA peut être directement incorporé dans différents sites du tissu qui correspondent aux ondes de pouls au niveau du cou, du poignet, du bout des doigts et de la cheville et aux ondes respiratoires dans l'abdomen et la poitrine.Pour évaluer les excellentes performances du TATSA en matière de surveillance de la santé en temps réel et à distance, nous développons un système de surveillance de la santé intelligent et personnalisé pour acquérir et sauvegarder en continu des signaux physiologiques pour l'analyse des maladies cardiovasculaires (CAD) et l'évaluation du syndrome d'apnée du sommeil (SAS). ).
Comme illustré sur la figure 1A, deux TATSA ont été cousus dans le poignet et la poitrine d'une chemise pour permettre la surveillance dynamique et simultanée du pouls et des signaux respiratoires, respectivement.Ces signaux physiologiques ont été transmis sans fil à l'application de terminal mobile intelligent (APP) pour une analyse plus approfondie de l'état de santé.La figure 1B montre le TATSA cousu dans un morceau de tissu, et l'encart montre la vue agrandie du TATSA, qui a été tricoté en utilisant le fil conducteur caractéristique et le fil de nylon commercial ensemble dans un point de cardigan complet.Comparé au point simple fondamental, la méthode de tricotage la plus courante et la plus basique, le point cardigan complet a été choisi car le contact entre la tête de boucle du fil conducteur et la tête de point repliée adjacente du fil de nylon (fig. S1) est une surface. plutôt qu'un contact ponctuel, conduisant à une zone d'action plus grande pour un effet triboélectrique élevé.Pour préparer le fil conducteur, nous avons sélectionné l'acier inoxydable comme fibre à âme fixe, et plusieurs morceaux de fils de térylène monocouche ont été torsadés autour de la fibre à âme en un fil conducteur d'un diamètre de 0,2 mm (fig. S2), qui a servi de à la fois la surface d'électrification et l'électrode conductrice.Le fil de nylon, qui avait un diamètre de 0,15 mm et servait d'autre surface d'électrification, avait une forte force de traction car il était tordu par des fils incalculables (fig. S3).La figure 1 (C et D, respectivement) montre des photographies du fil conducteur et du fil de nylon fabriqués.Les encarts montrent leurs images respectives en microscopie électronique à balayage (MEB), qui présentent une section transversale typique du fil conducteur et de la surface du fil de nylon.La haute résistance à la traction des fils conducteurs et en nylon a assuré leur capacité de tissage sur une machine industrielle afin de maintenir une performance uniforme de tous les capteurs.Comme le montre la figure 1E, les fils conducteurs, les fils de nylon et les fils ordinaires ont été enroulés sur leurs cônes respectifs, qui ont ensuite été chargés sur la machine à tricoter rectiligne informatisée industrielle pour le tissage automatique (film S1).Comme le montre la fig.S4, plusieurs TATSA ont été tricotés ensemble avec du tissu ordinaire à l'aide de la machine industrielle.Un seul TATSA d'une épaisseur de 0,85 mm et d'un poids de 0,28 g pourrait être découpé à partir de la structure entière pour un usage individuel, démontrant ainsi son excellente compatibilité avec d'autres tissus.De plus, les TATSA pourraient être conçus dans différentes couleurs pour répondre aux exigences esthétiques et à la mode en raison de la diversité des fils de nylon commerciaux (Fig. 1F et fig. S5).Les TATSA fabriqués ont une excellente douceur et la capacité de résister à une flexion ou une déformation brutale (fig. S6).La figure 1G montre le TATSA cousu directement dans l’abdomen et le poignet d’un pull.Le processus de tricotage du pull est illustré à la fig.S7 et film S2.Les détails des côtés avant et arrière du TATSA étiré en position abdominale sont illustrés sur la fig.S8 (A et B, respectivement), et la position du fil conducteur et du fil de nylon est illustrée sur la fig.S8C.On peut voir ici que le TATSA peut être intégré de manière transparente dans des tissus ordinaires pour une apparence discrète et élégante.
(A) Deux TATSA intégrés dans une chemise pour la surveillance du pouls et des signaux respiratoires en temps réel.(B) Illustration schématique de la combinaison de TATSA et de vêtements.L'encadré montre la vue agrandie du capteur.(C) Photographie du fil conducteur (barre d’échelle, 4 cm).L'encart est l'image SEM de la section transversale du fil conducteur (barre d'échelle, 100 μm), composé de fils d'acier inoxydable et de térylène.(D) Photographie du fil de nylon (barre d’échelle, 4 cm).L'encart est l'image SEM de la surface du fil de nylon (barre d'échelle, 100 μm).(E) Image de la machine à tricoter rectiligne informatisée effectuant le tissage automatique des TATSA.(F) Photographie de TATSA en différentes couleurs (barre d’échelle, 2 cm).L'encart est le TATSA torsadé, qui démontre son excellente douceur.(G) Photographie de deux TATSA entièrement et parfaitement cousus dans un pull.Crédit photo : Wenjing Fan, Université de Chongqing.
Pour analyser le mécanisme de fonctionnement du TATSA, y compris ses propriétés mécaniques et électriques, nous avons construit un modèle de tricotage géométrique du TATSA, comme le montre la figure 2A.En utilisant le point cardigan complet, les fils conducteurs et les fils de nylon sont imbriqués sous forme d'unités de boucles dans le sens du parcours et de la colonne de maille.Une structure à boucle unique (fig. S1) se compose d'une tête de boucle, d'un bras de boucle, d'une partie traversant les côtes, d'un bras de point replié et d'une tête de point replié.Deux formes de surface de contact entre les deux fils différents peuvent être trouvées : (i) la surface de contact entre la tête de boucle du fil conducteur et la tête de point replié du fil de nylon et (ii) la surface de contact entre la tête de boucle du fil conducteur. le fil de nylon et la tête de point replié du fil conducteur.
(A) Le TATSA avec les côtés avant, droit et supérieur des boucles tricotées.(B) Résultat de simulation de la répartition de la force d’un TATSA sous une pression appliquée de 2 kPa à l’aide du logiciel COMSOL.(C) Illustrations schématiques du transfert de charge d’une unité de contact dans des conditions de court-circuit.(D) Résultats de simulation de la distribution de charge d’une unité de contact dans des conditions de circuit ouvert à l’aide du logiciel COMSOL.
Le principe de fonctionnement du TATSA peut être expliqué sous deux aspects : la stimulation par force externe et sa charge induite.Pour comprendre intuitivement la répartition des contraintes en réponse à un stimulus de force externe, nous avons utilisé une analyse par éléments finis à l'aide du logiciel COMSOL à différentes forces externes de 2 et 0,2 kPa, comme le montrent respectivement les figures 2B et 2B.S9.La contrainte apparaît sur les surfaces de contact de deux fils.Comme le montre la fig.S10, nous avons considéré deux unités de boucle pour clarifier la répartition des contraintes.En comparant la répartition des contraintes sous deux forces externes différentes, la contrainte sur les surfaces des fils conducteurs et en nylon augmente avec l'augmentation de la force externe, entraînant le contact et l'extrusion entre les deux fils.Une fois la force extérieure relâchée, les deux fils se séparent et s'éloignent l'un de l'autre.
Les mouvements de séparation de contact entre le fil conducteur et le fil de nylon induisent un transfert de charge, attribué à la conjonction de la triboélectrification et de l'induction électrostatique.Pour clarifier le processus de génération d'électricité, nous analysons la section transversale de la zone où les deux fils entrent en contact (Fig. 2C1).Comme le démontre la figure 2 (C2 et C3, respectivement), lorsque le TATSA est stimulé par la force externe et que les deux fils entrent en contact, une électrification se produit à la surface des fils conducteurs et de nylon, et les charges équivalentes avec des charges opposées des polarités sont générées à la surface des deux fils.Une fois les deux fils séparés, des charges positives sont induites dans l’acier inoxydable intérieur en raison de l’effet d’induction électrostatique.Le schéma complet est présenté sur la fig.S11.Pour acquérir une compréhension plus quantitative du processus de production d'électricité, nous avons simulé la distribution potentielle du TATSA à l'aide du logiciel COMSOL (Fig. 2D).Lorsque les deux matériaux sont en contact, la charge s'accumule principalement sur le matériau de friction et seule une petite quantité de charge induite est présente sur l'électrode, ce qui entraîne un faible potentiel (Fig. 2D, en bas).Lorsque les deux matériaux sont séparés (Fig. 2D, en haut), la charge induite sur l'électrode augmente en raison de la différence de potentiel, et le potentiel correspondant augmente, ce qui révèle une bonne concordance entre les résultats obtenus par les expériences et ceux des simulations. .De plus, étant donné que l'électrode conductrice du TATSA est enveloppée de fils de térylène et que la peau est en contact avec les deux matériaux de friction, lorsque le TATSA est porté directement sur la peau, la charge dépend de la force externe et ne sera pas être fragilisé par la peau.
Pour caractériser les performances de notre TATSA sous divers aspects, nous avons fourni un système de mesure contenant un générateur de fonctions, un amplificateur de puissance, un agitateur électrodynamique, un dynamomètre, un électromètre et un ordinateur (fig. S12).Ce système génère une pression dynamique externe allant jusqu'à 7 kPa.Dans le cadre d'une expérience, le TATSA a été placé sur une feuille de plastique plate à l'état libre et les signaux électriques de sortie sont enregistrés par l'électromètre.
Les spécifications des fils conducteurs et des fils de nylon affectent les performances de sortie du TATSA car elles déterminent la surface de contact et la capacité de perception de la pression externe.Pour étudier cela, nous avons fabriqué respectivement trois tailles de deux fils : un fil conducteur d'une taille de 150D/3, 210D/3 et 250D/3 et un fil de nylon d'une taille de 150D/6, 210D/6 et 250D. /6 (D, denier ; une unité de mesure utilisée pour déterminer l'épaisseur des fibres des fils individuels ; les tissus avec un nombre élevé de deniers ont tendance à être épais).Ensuite, nous avons sélectionné ces deux fils de tailles différentes pour les tricoter dans un capteur, et la dimension du TATSA a été maintenue à 3 cm sur 3 cm avec le nombre de boucles de 16 dans le sens de la colonne de colonne et de 10 dans le sens du parcours.Ainsi, des capteurs avec neuf modèles de tricot ont été obtenus.Le capteur par fil conducteur de taille 150D/3 et fil de nylon de taille 150D/6 était le plus fin, et le capteur par fil conducteur de taille 250D/3 et fil de nylon de taille 250D/ 6 était le plus épais.Sous une excitation mécanique de 0,1 à 7 kPa, les sorties électriques de ces modèles ont été systématiquement étudiées et testées, comme le montre la figure 3A.Les tensions de sortie des neuf TATSA ont augmenté avec l'augmentation de la pression appliquée, de 0,1 à 4 kPa.Plus précisément, parmi tous les modèles de tricot, les spécifications du fil conducteur 210D/3 et du fil de nylon 210D/6 délivraient la puissance électrique la plus élevée et présentaient la sensibilité la plus élevée.La tension de sortie a montré une tendance à la hausse avec l'augmentation de l'épaisseur du TATSA (en raison de la surface de contact suffisante) jusqu'à ce que le TATSA soit tricoté en utilisant le fil conducteur 210D/3 et le fil de nylon 210D/6.Comme une augmentation supplémentaire de l'épaisseur entraînerait l'absorption d'une pression externe par les fils, la tension de sortie diminuait en conséquence.De plus, il est à noter que dans la région des basses pressions (<4 kPa), une variation linéaire bien comportementée de la tension de sortie avec la pression a donné une sensibilité à la pression supérieure de 7,84 mV Pa−1.Dans la région des hautes pressions (> 4 kPa), une sensibilité à la pression plus faible de 0,31 mV Pa−1 a été observée expérimentalement en raison de la saturation de la zone de friction effective.Une sensibilité à la pression similaire a été démontrée lors du processus opposé d’application d’une force.Les profils temporels concrets de la tension et du courant de sortie sous différentes pressions sont présentés sur la fig.S13 (A et B, respectivement).
(A) Tension de sortie sous neuf modèles de tricot du fil conducteur (150D/3, 210D/3 et 250D/3) combiné avec le fil de nylon (150D/6, 210D/6 et 250D/6).(B) Réponse en tension à différents nombres d'unités de boucle dans la même zone de tissu tout en gardant inchangé le numéro de boucle dans le sens de la colonne de maille.(C) Graphiques montrant les réponses en fréquence sous une pression dynamique de 1 kPa et une fréquence d’entrée de pression de 1 Hz.(D) Différentes tensions de sortie et de courant sous les fréquences de 1, 5, 10 et 20 Hz.(E) Test de durabilité d’un TATSA sous une pression de 1 kPa.(F) Caractéristiques de sortie du TATSA après lavage 20 et 40 fois.
La sensibilité et la tension de sortie étaient également influencées par la densité des points du TATSA, qui était déterminée par le nombre total de boucles dans une zone mesurée du tissu.Une augmentation de la densité des points entraînerait une plus grande compacité de la structure du tissu.La figure 3B montre les performances de sortie sous différents numéros de boucles dans la zone textile de 3 cm sur 3 cm, et l'encadré illustre la structure d'une unité de boucles (nous avons gardé le numéro de boucle dans le sens du parcours à 10, et le numéro de boucle dans le sens du parcours). la direction du chemin de fer était 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 et 26).En augmentant le nombre de boucles, la tension de sortie a d'abord montré une tendance à la hausse en raison de l'augmentation de la surface de contact, jusqu'au pic de tension de sortie maximum de 7,5 V avec un nombre de boucles de 180. Après ce point, la tension de sortie a suivi une tendance à la baisse car le nombre de boucles a augmenté. TATSA est devenu serré et les deux fils avaient un espace de séparation par contact réduit.Pour explorer dans quelle direction la densité a un grand impact sur le résultat, nous avons maintenu le numéro de boucle du TATSA dans le sens de la colonne de côte à 18, et le numéro de boucle dans le sens du parcours a été fixé à 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 et 14. Les tensions de sortie correspondantes sont indiquées sur la fig.S14.En comparaison, nous pouvons voir que la densité dans le sens du parcours a une plus grande influence sur la tension de sortie.En conséquence, le modèle de tricotage du fil conducteur 210D/3 et du fil de nylon 210D/6 et 180 unités de boucles ont été choisis pour tricoter le TATSA après des évaluations complètes des caractéristiques de sortie.De plus, nous avons comparé les signaux de sortie de deux capteurs textiles utilisant le point cardigan complet et le point simple.Comme le montre la fig.S15, la puissance électrique et la sensibilité en utilisant le point cardigan complet sont beaucoup plus élevées que celles utilisant le point simple.
Le temps de réponse pour la surveillance des signaux en temps réel a été mesuré.Pour examiner le temps de réponse de notre capteur aux forces externes, nous avons comparé les signaux de tension de sortie avec les entrées de pression dynamique à une fréquence de 1 à 20 Hz (Fig. 3C et fig. S16, respectivement).Les formes d'onde de tension de sortie étaient presque identiques aux ondes de pression sinusoïdales d'entrée sous une pression de 1 kPa, et les formes d'onde de sortie avaient un temps de réponse rapide (environ 20 ms).Cette hystérésis peut être attribuée au fait que la structure élastique n’est pas revenue à son état d’origine dès que possible après avoir reçu la force externe.Néanmoins, cette minuscule hystérésis est acceptable pour une surveillance en temps réel.Pour obtenir la pression dynamique avec une certaine plage de fréquences, une réponse en fréquence appropriée de TATSA est attendue.Ainsi, la caractéristique de fréquence de TATSA a également été testée.En augmentant la fréquence d'excitation externe, l'amplitude de la tension de sortie est restée presque inchangée, tandis que l'amplitude du courant a augmenté lorsque les fréquences de prise variaient de 1 à 20 Hz (Fig. 3D).
Pour évaluer la répétabilité, la stabilité et la durabilité du TATSA, nous avons testé les réponses en tension et en courant de sortie aux cycles de charge-décharge de pression.Une pression de 1 kPa avec une fréquence de 5 Hz a été appliquée au capteur.La tension et le courant crête à crête ont été enregistrés après 100 000 cycles de chargement-déchargement (Fig. 3E et fig. S17, respectivement).Les vues agrandies de la forme d'onde de tension et de courant sont présentées dans l'encadré de la figure 3E et de la fig.S17, respectivement.Les résultats révèlent la répétabilité, la stabilité et la durabilité remarquables du TATSA.La lavabilité est également un critère essentiel d’évaluation du TATSA en tant que dispositif tout textile.Pour évaluer la capacité de lavage, nous avons testé la tension de sortie du capteur après avoir lavé le TATSA en machine selon la méthode de test 135-2017 de l'American Association of Textile Chemists and Colorists (AATCC).La procédure de lavage détaillée est décrite dans Matériels et méthodes.Comme le montre la figure 3F, les sorties électriques ont été enregistrées après 20 et 40 lavages, ce qui a démontré qu'il n'y avait aucun changement distinct dans la tension de sortie tout au long des tests de lavage.Ces résultats vérifient la remarquable lavabilité du TATSA.En tant que capteur textile portable, nous avons également exploré les performances de sortie lorsque le TATSA était dans des conditions de traction (fig. S18), de torsion (fig. S19) et d'humidité différente (fig. S20).
Sur la base des nombreux avantages du TATSA démontrés ci-dessus, nous avons développé un système mobile de surveillance de la santé sans fil (WMHMS), capable d'acquérir en continu des signaux physiologiques, puis de donner des conseils professionnels à un patient.La figure 4A montre le schéma de principe du WMHMS basé sur le TATSA.Le système comporte quatre composants : le TATSA pour acquérir les signaux physiologiques analogiques, un circuit de conditionnement analogique avec un filtre passe-bas (MAX7427) et un amplificateur (MAX4465) pour assurer suffisamment de détails et un excellent synchronisme des signaux, un circuit analogique-numérique convertisseur basé sur une unité de microcontrôleur pour collecter et convertir les signaux analogiques en signaux numériques, et un module Bluetooth (puce Bluetooth basse consommation CC2640) pour transmettre le signal numérique à l'application du terminal de téléphone mobile (APP ; Huawei Honor 9).Dans cette étude, nous avons cousu le TATSA de manière transparente dans un lacet, un bracelet, un doigtier et une chaussette, comme le montre la figure 4B.
(A) Illustration du WMHMS.(B) Photographies des TATSA cousus respectivement dans un bracelet, un doigtier, une chaussette et une sangle de poitrine.Mesure du pouls au niveau du cou (C1), du poignet (D1), du bout du doigt (E1) et de la cheville (F1).Forme d'onde de pouls au niveau du cou (C2), du poignet (D2), du bout du doigt (E2) et de la cheville (F2).(G) Formes d’onde d’impulsion d’âges différents.(H) Analyse d’une seule onde de pouls.Indice d'augmentation radiale (AIx) défini comme AIx (%) = P2/P1.P1 est le pic de l’onde avançante et P2 est le pic de l’onde réfléchie.(I) Un cycle de pouls du brachial et de la cheville.La vitesse de l’onde de pouls (PWV) est définie comme PWV = D/∆T.D est la distance entre la cheville et le brachial.∆T est le délai entre les pics des ondes de pouls de la cheville et celles du pouls brachial.PTT, temps de transit des impulsions.(J) Comparaison de l’AIx et du PWV brachial-cheville (BAPWV) entre les sains et les CAD.*P < 0,01, **P < 0,001 et ***P < 0,05.HTN, hypertension ;CHD, maladie coronarienne ;DM, diabète sucré.Crédit photo : Jin Yang, Université de Chongqing.
Pour surveiller les signaux de pouls des différentes parties du corps humain, nous avons attaché les décorations susmentionnées avec des TATSA aux positions correspondantes : cou (Fig. 4C1), poignet (Fig. 4D1), bout du doigt (Fig. 4E1) et cheville (Fig. 4F1). ), tel qu'élaboré dans les films S3 à S6.En médecine, il existe trois points caractéristiques importants dans l'onde de pouls : le pic de l'onde avançante P1, le pic de l'onde réfléchie P2 et le pic de l'onde dicrotique P3.Les caractéristiques de ces points caractéristiques reflètent l'état de santé de l'élasticité artérielle, de la résistance périphérique et de la contractilité ventriculaire gauche liée au système cardiovasculaire.Les formes d'onde de pouls d'une femme de 25 ans dans les quatre positions ci-dessus ont été acquises et enregistrées lors de notre test.Notez que les trois points caractéristiques distinctifs (P1 à P3) ont été observés sur la forme d'onde de pouls au niveau du cou, du poignet et du bout des doigts, comme le montre la figure 4 (C2 à E2).En revanche, seuls P1 et P3 apparaissaient sur la forme d'onde de pouls au niveau de la cheville et P2 n'était pas présent (Fig. 4F2).Ce résultat est dû à la superposition de l’onde sanguine entrante éjectée par le ventricule gauche et de l’onde réfléchie par les membres inférieurs (44).Des études antérieures ont montré que P2 se présente sous forme d'onde mesurée dans les membres supérieurs mais pas dans la cheville (45, 46).Nous avons observé des résultats similaires dans les formes d'onde mesurées avec le TATSA, comme le montre la fig.S21, qui montre les données typiques de la population de 80 patients étudiés ici.Nous pouvons voir que P2 n’apparaît pas dans ces formes d’onde de pouls mesurées dans la cheville, démontrant la capacité du TATSA à détecter des caractéristiques subtiles dans la forme d’onde.Ces résultats de mesure du pouls indiquent que notre WMHMS peut révéler avec précision les caractéristiques des ondes de pouls du haut et du bas du corps et qu'il est supérieur aux autres travaux (41, 47).Pour indiquer en outre que notre TATSA peut être largement appliqué à différents âges, nous avons mesuré les formes d'onde de pouls de 80 sujets à différents âges et nous avons montré quelques données typiques, comme le montre la fig.S22.Comme le montre la figure 4G, nous avons choisi trois participants âgés de 25, 45 et 65 ans, et les trois points caractéristiques étaient évidents pour les participants jeunes et d'âge moyen.Selon la littérature médicale (48), les caractéristiques des formes d'onde de pouls de la plupart des gens changent avec l'âge, comme la disparition du point P2, qui est provoquée par l'onde réfléchie avancée pour se superposer à l'onde avançante à travers la diminution de élasticité vasculaire.Ce phénomène se reflète également dans les formes d'onde que nous avons collectées, vérifiant ainsi que le TATSA peut être appliqué à différentes populations.
La forme d’onde du pouls est affectée non seulement par l’état physiologique de l’individu mais également par les conditions de test.Par conséquent, nous avons mesuré les signaux de pouls sous différentes étanchéités de contact entre le TATSA et la peau (fig. S23) et diverses positions de détection sur le site de mesure (fig. S24).On peut constater que le TATSA peut obtenir des formes d'onde d'impulsion cohérentes avec des informations détaillées autour du navire dans une vaste zone de détection efficace sur le site de mesure.De plus, il existe des signaux de sortie distincts sous différentes étanchéités de contact entre le TATSA et la peau.De plus, les mouvements des personnes portant les capteurs affecteraient les signaux de pouls.Lorsque le poignet du sujet est dans un état statique, l'amplitude de la forme d'onde de pouls obtenue est stable (fig. S25A) ;à l’inverse, lorsque le poignet bouge lentement selon un angle de -70° à 70° pendant 30 s, l’amplitude de la forme d’onde du pouls fluctue (fig. S25B).Cependant, le contour de chaque forme d’onde de pouls est visible et la fréquence du pouls peut toujours être obtenue avec précision.De toute évidence, pour parvenir à une acquisition stable des ondes de pouls dans le mouvement humain, des travaux supplémentaires, notamment sur la conception des capteurs et le traitement du signal back-end, sont nécessaires.
De plus, pour analyser et évaluer quantitativement l'état du système cardiovasculaire grâce aux formes d'onde de pouls acquises à l'aide de notre TATSA, nous avons introduit deux paramètres hémodynamiques selon les spécifications d'évaluation du système cardiovasculaire, à savoir l'indice d'augmentation (AIx) et la vitesse de l'onde de pouls. (PWV), qui représentent l’élasticité des artères.Comme le montre la figure 4H, la forme d'onde de pouls au niveau du poignet de l'homme en bonne santé de 25 ans a été utilisée pour l'analyse de l'AIx.D'après la formule (section S1), AIx = 60 % a été obtenu, ce qui est une valeur normale.Ensuite, nous avons collecté simultanément deux formes d'onde de pouls au niveau du bras et de la cheville de ce participant (la méthode détaillée de mesure de la forme d'onde de pouls est décrite dans Matériels et méthodes).Comme le montre la figure 4I, les points caractéristiques des deux formes d'onde d'impulsion étaient distincts.Nous avons ensuite calculé le PWV selon la formule (section S1).PWV = 1363 cm/s, qui est une valeur caractéristique attendue d'un homme adulte en bonne santé, a été obtenue.D'un autre côté, nous pouvons voir que les métriques d'AIx ou de PWV ne sont pas affectées par la différence d'amplitude de la forme d'onde du pouls, et que les valeurs d'AIx dans différentes parties du corps sont différentes.Dans notre étude, le radial AIx a été utilisé.Pour vérifier l'applicabilité du WMHMS chez différentes personnes, nous avons sélectionné 20 participants dans le groupe sain, 20 dans le groupe hypertension (HTN), 20 dans le groupe maladie coronarienne (CHD) âgés de 50 à 59 ans et 20 dans le groupe Groupe diabète sucré (DM).Nous avons mesuré leurs ondes de pouls et comparé leurs deux paramètres, AIx et PWV, comme présenté sur la figure 4J.On peut constater que les valeurs PWV des groupes HTN, CHD et DM étaient inférieures à celles du groupe sain et présentaient une différence statistique (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 et PDM ≪ 0,001 ; les valeurs P ont été calculées par t test).Pendant ce temps, les valeurs AIx des groupes HTN et CHD étaient inférieures à celles du groupe sain et présentaient une différence statistique (PHTN < 0,01, PCHD < 0,001 et PDM < 0,05).Le PWV et l'AIx des participants atteints de CHD, HTN ou DM étaient plus élevés que ceux du groupe sain.Les résultats montrent que le TATSA est capable d'obtenir avec précision la forme d'onde du pouls pour calculer le paramètre cardiovasculaire afin d'évaluer l'état de santé cardiovasculaire.En conclusion, en raison de ses caractéristiques sans fil, haute résolution, haute sensibilité et de son confort, le WMHMS basé sur le TATSA offre une alternative plus efficace pour la surveillance en temps réel que l'équipement médical coûteux actuel utilisé dans les hôpitaux.
Outre l’onde de pouls, les informations respiratoires sont également un signe vital principal permettant d’évaluer la condition physique d’un individu.Le suivi de la respiration basé sur notre TATSA est plus attractif que la polysomnographie conventionnelle car il s'intègre parfaitement aux vêtements pour un meilleur confort.Cousu dans une sangle pectorale élastique blanche, le TATSA était directement attaché au corps humain et fixé autour de la poitrine pour surveiller la respiration (Fig. 5A et film S7).Le TATSA s'est déformé avec l'expansion et la contraction de la cage thoracique, entraînant une production électrique.La forme d'onde acquise est vérifiée sur la figure 5B.Le signal avec de grandes fluctuations (une amplitude de 1,8 V) et des changements périodiques (une fréquence de 0,5 Hz) correspondait au mouvement respiratoire.Le signal de fluctuation relativement faible a été superposé à ce signal de fluctuation importante, qui était le signal du rythme cardiaque.Selon les caractéristiques de fréquence des signaux respiratoires et cardiaques, nous avons utilisé un filtre passe-bas de 0,8 Hz et un filtre passe-bande de 0,8 à 20 Hz pour séparer respectivement les signaux respiratoires et cardiaques, comme le montre la figure 5C. .Dans ce cas, des signaux respiratoires et pouls stables avec de nombreuses informations physiologiques (telles que la fréquence respiratoire, la fréquence cardiaque et les points caractéristiques de l’onde de pouls) ont été obtenus simultanément et avec précision en plaçant simplement l’unique TATSA sur la poitrine.
(A) Photographie montrant l’affichage du TATSA placé sur la poitrine pour mesurer le signal de la pression associée à la respiration.(B) Terrain tension-temps pour le TATSA monté sur la poitrine.(C) Décomposition du signal (B) en battement cardiaque et forme d’onde respiratoire.(D) Photographie montrant deux TATSA placés sur l’abdomen et le poignet pour mesurer respectivement la respiration et le pouls pendant le sommeil.(E) Signaux respiratoires et pouls d’un participant en bonne santé.FC, fréquence cardiaque ;BPM, battements par minute.(F) Signaux respiratoires et pouls d’un participant SAS.(G) Signal respiratoire et PTT d’un participant en bonne santé.(H) Signal respiratoire et PTT d’un participant SAS.(I) Relation entre l'indice d'éveil PTT et l'indice d'apnée-hypopnée (AHI).Crédit photo : Wenjing Fan, Université de Chongqing.
Pour prouver que notre capteur peut surveiller avec précision et fiabilité les signaux de pouls et de respiration, nous avons mené une expérience pour comparer les résultats de mesure des signaux de pouls et de respiration entre nos TATSA et un instrument médical standard (MHM-6000B), comme expliqué dans les films S8. et S9.Lors de la mesure des ondes de pouls, le capteur photoélectrique de l'instrument médical était porté sur l'index gauche d'une jeune fille, tandis que notre TATSA était porté sur son index droit.À partir des deux formes d'onde de pouls acquises, nous pouvons voir que leurs contours et détails étaient identiques, ce qui indique que le pouls mesuré par le TATSA est aussi précis que celui de l'instrument médical.Lors de la mesure des ondes respiratoires, cinq électrodes électrocardiographiques ont été fixées sur cinq zones du corps d'un jeune homme, conformément aux instructions médicales.En revanche, un seul TATSA était directement attaché au corps et fixé autour de la poitrine.À partir des signaux respiratoires collectés, on peut voir que la tendance et la fréquence de variation du signal respiratoire détecté par notre TATSA étaient cohérentes avec celles de l'instrument médical.Ces deux expériences de comparaison ont validé la précision, la fiabilité et la simplicité de notre système de capteurs pour surveiller le pouls et les signaux respiratoires.
De plus, nous avons fabriqué un vêtement intelligent et cousu deux TATSA au niveau de l'abdomen et du poignet pour surveiller respectivement les signaux respiratoires et le pouls.Plus précisément, un WMHMS à double canal développé a été utilisé pour capturer simultanément les signaux de pouls et respiratoires.Grâce à ce système, nous avons obtenu les signaux respiratoires et pouls d'un homme de 25 ans vêtu de nos vêtements intelligents pendant son sommeil (Fig. 5D et film S10) et assis (fig. S26 et film S11).Les signaux respiratoires et pouls acquis pourraient être transmis sans fil à l'application du téléphone mobile.Comme mentionné ci-dessus, le TATSA a la capacité de capturer les signaux respiratoires et pouls.Ces deux signaux physiologiques sont aussi les critères pour estimer médicalement le SAS.Par conséquent, notre TATSA peut également être utilisé pour surveiller et évaluer la qualité du sommeil et les troubles du sommeil associés.Comme le montre la figure 5 (E et F, respectivement), nous avons mesuré en continu les formes d'onde du pouls et de la respiration de deux participants, un en bonne santé et un patient atteint de SAS.Pour la personne sans apnée, les fréquences respiratoire et cardiaque mesurées sont restées stables à 15 et 70, respectivement.Pour le patient atteint de SAS, une apnée distincte pendant 24 s, indiquant un événement respiratoire obstructif, a été observée, et la fréquence cardiaque a légèrement augmenté après une période d'apnée en raison de la régulation du système nerveux (49).En résumé, l'état respiratoire peut être évalué par notre TATSA.
Pour évaluer plus en détail le type de SAS grâce aux signaux de pouls et respiratoires, nous avons analysé le temps de transit du pouls (PTT), un indicateur non invasif reflétant les changements de résistance vasculaire périphérique et de pression intrathoracique (définie dans la section S1) d'un homme en bonne santé et d'un patient avec SAS.Pour le participant en bonne santé, la fréquence respiratoire est restée inchangée et le PTT était relativement stable de 180 à 310 ms (Fig. 5G).Cependant, pour le participant SAS, le PTT a augmenté continuellement de 120 à 310 ms pendant l'apnée (Fig. 5H).Ainsi, le participant a reçu un diagnostic de SAS obstructif (SAOS).Si le changement du PTT diminuait au cours de l'apnée, alors la condition serait déterminée comme un syndrome d'apnée centrale du sommeil (CSAS), et si ces deux symptômes existaient simultanément, alors elle serait diagnostiquée comme un SAS mixte (MSAS).Pour évaluer la gravité du SAS, nous avons analysé plus en détail les signaux collectés.L'indice d'éveil PTT, qui correspond au nombre d'éveils PTT par heure (l'éveil PTT est défini comme une chute du PTT ≥ 15 ms durant ≥ 3 s), joue un rôle essentiel dans l'évaluation du degré de SAS.L'indice d'apnée-hypopnée (IAH) est une norme permettant de déterminer le degré de SAS (l'apnée est l'arrêt de la respiration et l'hypopnée une respiration trop superficielle ou une fréquence respiratoire anormalement basse), qui est défini comme le nombre d'apnées et d'hypopnées par heure pendant le sommeil (la relation entre l'IAH et les critères d'évaluation du SAOS est présentée dans le tableau S2).Pour étudier la relation entre l'AHI et l'indice d'éveil PTT, les signaux respiratoires de 20 patients atteints de SAS ont été sélectionnés et analysés avec des TATSA.Comme le montre la figure 5I, l'indice d'éveil du PTT est positivement corrélé à l'IAH, car l'apnée et l'hypopnée pendant le sommeil provoquent une élévation évidente et transitoire de la pression artérielle, entraînant une diminution du PTT.Par conséquent, notre TATSA peut obtenir simultanément des signaux de pouls et respiratoires stables et précis, fournissant ainsi des informations physiologiques importantes sur le système cardiovasculaire et le SAS pour la surveillance et l'évaluation des maladies associées.
En résumé, nous avons développé un TATSA utilisant le point cardigan complet pour détecter simultanément différents signaux physiologiques.Ce capteur présentait une sensibilité élevée de 7,84 mV Pa−1, un temps de réponse rapide de 20 ms, une stabilité élevée de plus de 100 000 cycles et une large bande passante de fréquence de travail.Sur la base du TATSA, un WMHMS a également été développé pour transmettre les paramètres physiologiques mesurés à un téléphone mobile.TATSA peut être intégré à différents sites de vêtements pour une conception esthétique et utilisé pour surveiller simultanément le pouls et les signaux respiratoires en temps réel.Le système peut être appliqué pour aider à distinguer les individus en bonne santé de ceux atteints de CAD ou SAS en raison de sa capacité à capturer des informations détaillées.Cette étude a fourni une approche confortable, efficace et conviviale pour mesurer le pouls et la respiration humaine, ce qui représente une avancée dans le développement de l’électronique textile portable.
L'acier inoxydable a été passé à plusieurs reprises à travers le moule et étiré pour former une fibre d'un diamètre de 10 µm.Une fibre d'acier inoxydable servant d'électrode a été insérée dans plusieurs morceaux de fils de térylène monocouches commerciaux.
Un générateur de fonctions (Stanford DS345) et un amplificateur (LabworkPa-13) ont été utilisés pour fournir un signal de pression sinusoïdale.Un capteur de force à double plage (Vernier Software & Technology LLC) a été utilisé pour mesurer la pression externe appliquée au TATSA.Un électromètre du système Keithley (Keithley 6514) a été utilisé pour surveiller et enregistrer la tension et le courant de sortie du TATSA.
Selon la méthode de test AATCC 135-2017, nous avons utilisé le TATSA et suffisamment de lest pour une charge de 1,8 kg, puis les avons placés dans une machine à laver commerciale (Labtex LBT-M6T) pour effectuer des cycles de lavage délicats en machine.Ensuite, nous avons rempli la machine à laver avec 18 gallons d'eau à 25°C et réglé la laveuse pour le cycle et la durée de lavage sélectionnés (vitesse d'agitation, 119 coups par minute ; temps de lavage, 6 min ; vitesse d'essorage finale, 430 tr/min ; vitesse d'essorage finale, 430 tr/min ; temps d'essorage, 3 min).Enfin, le TATSA a été suspendu à sec dans de l'air calme à une température ambiante ne dépassant pas 26°C.
Les sujets devaient s'allonger en position couchée sur le lit.Le TATSA a été placé sur les sites de mesure.Une fois que les sujets étaient en position couchée standard, ils maintenaient un état complètement détendu pendant 5 à 10 minutes.Le signal de pouls a alors commencé à mesurer.
Du matériel supplémentaire pour cet article est disponible sur https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Figure S9.Résultat de simulation de la répartition des forces d'un TATSA sous des pressions appliquées à 0,2 kPa à l'aide du logiciel COMSOL.
Figure S10.Résultats de simulation de la répartition des forces d'une unité de contact sous les pressions appliquées à 0,2 et 2 kPa, respectivement.
Figure S11.Illustrations schématiques complètes du transfert de charge d'une unité de contact dans des conditions de court-circuit.
Figure S13.Tension et courant de sortie continus de TATSA en réponse à la pression externe appliquée en continu dans un cycle de mesure.
Figure S14.Réponse en tension à différents nombres d'unités de boucle dans la même zone de tissu tout en gardant inchangé le numéro de boucle dans le sens de la colonne de maille.
Figure S15.Une comparaison entre les performances de sortie des deux capteurs textiles utilisant le point cardigan complet et le point simple.
Figure S16.Graphiques montrant les réponses en fréquence à une pression dynamique de 1 kPa et à une fréquence d'entrée de pression de 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 et 20 Hz.
Figure S25.Les tensions de sortie du capteur lorsque le sujet était dans des conditions statiques et de mouvement.
Figure S26.Photographie montrant les TATSA placés simultanément sur l’abdomen et le poignet pour mesurer respectivement la respiration et le pouls.
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Par Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Un capteur triboélectrique tout textile offrant une sensibilité et un confort élevés à la pression a été développé pour la surveillance de la santé.
Par Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Un capteur triboélectrique tout textile offrant une sensibilité et un confort élevés à la pression a été développé pour la surveillance de la santé.
© 2020 Association américaine pour l'avancement de la science.Tous droits réservés.AAAS est partenaire de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef et COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Heure de publication : 27 mars 2020