Os produtos electrónicos téxtiles portátiles son moi desexables para realizar unha xestión sanitaria personalizada.Non obstante, a maioría dos produtos electrónicos téxtiles informados poden dirixirse periodicamente a un único sinal fisiolóxico ou perder os detalles explícitos dos sinais, o que leva a unha avaliación parcial da saúde.Ademais, os téxtiles con excelentes propiedades e comodidade seguen sendo un reto.Aquí, informamos dunha matriz de sensores triboeléctricos totalmente téxtiles con alta sensibilidade á presión e confort.Presenta sensibilidade á presión (7,84 mV Pa−1), tempo de resposta rápido (20 ms), estabilidade (>100.000 ciclos), amplo ancho de banda de frecuencia de traballo (ata 20 Hz) e aptitude para lavar a máquina (>40 lavados).Os TATSA fabricados foron cosidos en diferentes partes da roupa para controlar as ondas de pulso arterial e os sinais respiratorios simultáneamente.Ademais, desenvolvemos un sistema de vixilancia da saúde para a avaliación a longo prazo e non invasiva da enfermidade cardiovascular e da síndrome de apnea do sono, que presenta un gran avance para a análise cuantitativa dalgunhas enfermidades crónicas.
Os produtos electrónicos wearable representan unha oportunidade fascinante polas súas prometedoras aplicacións na medicina personalizada.Poden supervisar o estado de saúde dun individuo de forma continua, en tempo real e non invasiva (1-11).O pulso e a respiración, como dous compoñentes indispensables dos signos vitais, poden proporcionar tanto unha avaliación precisa do estado fisiolóxico como unha visión notable do diagnóstico e prognóstico de enfermidades relacionadas (12-21).Ata o momento, a maioría dos produtos electrónicos que se poden usar para detectar sinais fisiolóxicos sutís baséanse en substratos ultrafinos como o tereftalato de polietileno, o polidimetilsiloxano, a poliimida, o vidro e a silicona (22-26).Un inconveniente destes substratos para o seu uso na pel reside nos seus formatos planos e ríxidos.Como resultado, son necesarias cintas, curitas ou outros accesorios mecánicos para establecer un contacto compacto entre os produtos electrónicos que se poden levar e a pel humana, o que pode causar irritación e molestias durante períodos prolongados de uso (27, 28).Ademais, estes substratos teñen unha escasa permeabilidade ao aire, o que provoca molestias cando se usan para un seguimento continuo da saúde a longo prazo.Para paliar os problemas mencionados anteriormente no coidado da saúde, especialmente no uso diario, os téxtiles intelixentes ofrecen unha solución fiable.Estes téxtiles teñen as características de suavidade, peso lixeiro e transpirabilidade e, polo tanto, o potencial para lograr o confort na electrónica portátil.Nos últimos anos, dedicáronse esforzos intensivos para desenvolver sistemas baseados en téxtiles en sensores sensibles, recollida de enerxía e almacenamento (29-39).En particular, informouse de investigación exitosa sobre fibra óptica, piezoelectricidade e téxtiles intelixentes baseados na resistividade aplicados no seguimento de sinais de pulso e respiratorios (40-43).Non obstante, estes téxtiles intelixentes adoitan ter unha sensibilidade baixa e un único parámetro de vixilancia e non se poden fabricar a gran escala (táboa S1).No caso da medición do pulso, a información detallada é difícil de capturar debido á flutuación débil e rápida do pulso (por exemplo, os seus puntos característicos) e, polo tanto, requírese unha alta sensibilidade e un rendemento de resposta de frecuencia axeitado.
Neste estudo, presentamos unha matriz de sensores triboeléctricos totalmente téxtiles (TATSA) con alta sensibilidade para a captura de presión sutil epidérmica, tecida con fíos condutores e de nailon nunha puntada de cárdigan completa.O TATSA pode proporcionar alta sensibilidade á presión (7,84 mV Pa−1), tempo de resposta rápido (20 ms), estabilidade (> 100.000 ciclos), ancho de banda de frecuencia de traballo amplo (ata 20 Hz) e aptitude para lavar a máquina (> 40 lavados).É capaz de integrarse convenientemente na roupa con discreción, comodidade e atractivo estético.Notablemente, o noso TATSA pódese incorporar directamente en diferentes sitios do tecido que corresponden ás ondas de pulso no pescozo, pulso, punta dos dedos e nocellos e ás ondas respiratorias no abdome e no peito.Para avaliar o excelente rendemento do TATSA no seguimento da saúde en tempo real e remoto, desenvolvemos un sistema intelixente de monitorización da saúde personalizado para adquirir e gardar continuamente sinais fisiolóxicos para a análise de enfermidades cardiovasculares (CAD) e a avaliación da síndrome de apnea do sono (SAS). ).
Como se ilustra na figura 1A, dous TATSA foron cosidos no puño e no peito dunha camisa para permitir o seguimento dinámico e simultáneo dos sinais de pulso e respiratorio, respectivamente.Estes sinais fisiolóxicos transmitíronse sen fíos á aplicación de terminal móbil intelixente (APP) para unha análise posterior do estado de saúde.A figura 1B mostra o TATSA cosido nun anaco de tea, e o recuadro mostra a vista ampliada do TATSA, que foi tecido usando o fío condutor característico e o fío de nailon comercial xuntos nunha puntada de cárdigan completa.En comparación coa puntada lisa fundamental, o método de tricô máis común e básico, escolleuse a puntada de cardigan completa porque o contacto entre a cabeza de bucle do fío condutor e a cabeza de punto adxacente do fío de nailon (fig. S1) é unha superficie. máis que un punto de contacto, o que leva a unha maior área de acción para un alto efecto triboeléctrico.Para preparar o fío condutor, seleccionamos o aceiro inoxidable como fibra do núcleo fixo, e varias pezas de fíos de terileno dunha soa capa foron retorcidas ao redor da fibra do núcleo nun fío condutor cun diámetro de 0,2 mm (fig. S2), que serviu como fío condutor. tanto a superficie de electrificación como o eléctrodo condutor.O fío de nailon, que tiña un diámetro de 0,15 mm e servía como outra superficie de electrificación, tiña unha forte forza de tracción porque estaba retorcido por fíos incomputables (fig. S3).A figura 1 (C e D, respectivamente) mostra fotografías do fío condutor fabricado e do fío de nailon.Os insertos mostran as súas respectivas imaxes de microscopía electrónica de varrido (SEM), que presentan unha sección transversal típica do fío condutor e da superficie do fío de nailon.A alta resistencia á tracción dos fíos condutores e de nailon garantiu a súa capacidade de teceduría nunha máquina industrial para manter un rendemento uniforme de todos os sensores.Como se mostra na figura 1E, os fíos condutores, os fíos de nailon e os fíos ordinarios foron enrolados nos seus respectivos conos, que despois se cargaron na máquina de tecido plano industrial computarizada para a teceduría automática (película S1).Como se mostra na fig.S4, varios TATSA foron tecidos xuntos con tea común usando a máquina industrial.Un único TATSA cun grosor de 0,85 mm e un peso de 0,28 g podería ser adaptado de toda a estrutura para uso individual, mostrando a súa excelente compatibilidade con outros panos.Ademais, os TATSA poderían deseñarse en varias cores para satisfacer os requisitos estéticos e de moda debido á diversidade de fíos de nailon comerciais (Fig. 1F e fig. S5).Os TATSA fabricados teñen unha excelente suavidade e a capacidade de soportar flexións ou deformacións duras (fig. S6).A figura 1G mostra o TATSA cosido directamente no abdome e no puño dun xersei.O proceso de tricotar o xersei móstrase na fig.S7 e película S2.Na fig.S8 (A e B, respectivamente), e a posición do fío condutor e do fío de nailon móstrase na fig.S8C.Pódese ver aquí que o TATSA pódese incrustar en tecidos comúns sen costuras para un aspecto discreto e intelixente.
(A) Dous TATSA integrados nunha camiseta para o seguimento do pulso e dos sinais respiratorios en tempo real.(B) Ilustración esquemática da combinación de TATSA e roupa.O recuadro mostra a vista ampliada do sensor.(C) Fotografía do fío condutor (barra de escala, 4 cm).O inserto é a imaxe SEM da sección transversal do fío condutor (barra de escala, 100 μm), que consta de fíos de aceiro inoxidable e terileno.(D) Fotografía do fío de nailon (barra de escala, 4 cm).O recuadro é a imaxe SEM da superficie do fío de nailon (barra de escala, 100 μm).(E) Imaxe da máquina de tricotar plana informatizada que realiza o tecido automático das TATSA.(F) Fotografía de TATSA en diferentes cores (barra de escala, 2 cm).O inserto é o TATSA retorcido, que demostra a súa excelente suavidade.(G) Fotografía de dous TATSA cosidos completamente e sen costuras nun xersei.Crédito da foto: Wenjing Fan, Universidade de Chongqing.
Para analizar o mecanismo de traballo do TATSA, incluíndo as súas propiedades mecánicas e eléctricas, construímos un modelo xeométrico de malla do TATSA, como se mostra na figura 2A.Usando a puntada completa de cárdigan, os fíos condutores e de nailon están entrelazados en formas de unidades de bucle na dirección do curso e do galés.Unha estrutura de bucle único (fig. S1) consta dunha cabeza de bucle, un brazo de bucle, unha parte de cruzamento de costelas, un brazo de puntada e un cabezal de puntada.Pódense atopar dúas formas de superficie de contacto entre os dous fíos diferentes: (i) a superficie de contacto entre a cabeza de bucle do fío condutor e a cabeza de puntada do fío de nylon e (ii) a superficie de contacto entre a cabeza de bucle do fío condutor. o fío de nailon e a cabeza de puntada do fío condutor.
(A) O TATSA cos lados frontal, dereito e superior dos bucles de punto.(B) Resultado da simulación da distribución da forza dun TATSA baixo unha presión aplicada de 2 kPa utilizando o software COMSOL.(C) Ilustracións esquemáticas da transferencia de carga dunha unidade de contacto en condicións de curtocircuíto.(D) Resultados da simulación da distribución de carga dunha unidade de contacto nunha condición de circuíto aberto mediante o software COMSOL.
O principio de funcionamento do TATSA pódese explicar en dous aspectos: a estimulación da forza externa e a súa carga inducida.Para comprender intuitivamente a distribución do estrés en resposta ao estímulo da forza externa, utilizamos a análise de elementos finitos mediante o software COMSOL en diferentes forzas externas de 2 e 0,2 kPa, como se mostra na figura 2B e na figura 2B.S9.A tensión aparece nas superficies de contacto de dous fíos.Como se mostra na fig.S10, consideramos dúas unidades de bucle para aclarar a distribución de tensión.Ao comparar a distribución de tensión baixo dúas forzas externas diferentes, a tensión nas superficies dos fíos condutores e de nailon aumenta co aumento da forza externa, resultando no contacto e extrusión entre os dous fíos.Unha vez que se libera a forza externa, os dous fíos sepáranse e afástanse un do outro.
Os movementos de separación de contacto entre o fío condutor e o fío de nailon inducen a transferencia de carga, que se atribúe á conxunción da triboelectrificación e a indución electrostática.Para aclarar o proceso de xeración de electricidade, analizamos a sección transversal da zona onde os dous fíos entran en contacto entre si (Fig. 2C1).Como se demostra na figura 2 (C2 e C3, respectivamente), cando o TATSA é estimulado pola forza externa e os dous fíos entran en contacto entre si, a electrificación prodúcese na superficie dos fíos condutores e de nailon, e as cargas equivalentes con opostos. xéranse polaridades na superficie dos dous fíos.Unha vez que os dous fíos se separan, indúcense cargas positivas no aceiro inoxidable interior debido ao efecto de indución electrostática.O esquema completo móstrase na fig.S11.Para adquirir unha comprensión máis cuantitativa do proceso de xeración de electricidade, simulamos a distribución potencial do TATSA usando o software COMSOL (Fig. 2D).Cando os dous materiais están en contacto, a carga recóllese principalmente no material de fricción, e só unha pequena cantidade de carga inducida está presente no electrodo, o que resulta no potencial pequeno (Fig. 2D, abaixo).Cando se separan os dous materiais (Fig. 2D, arriba), a carga inducida no eléctrodo aumenta pola diferenza de potencial, e aumenta o potencial correspondente, o que revela unha boa concordancia entre os resultados obtidos dos experimentos e os das simulacións. .Ademais, dado que o electrodo condutor do TATSA está envolto en fíos de terileno e a pel está en contacto cos dous materiais de fricción, polo tanto, cando o TATSA se usa directamente sobre a pel, a carga depende da forza externa e non vai ser debilitado pola pel.
Para caracterizar o rendemento do noso TATSA en varios aspectos, proporcionamos un sistema de medición que contén un xerador de funcións, un amplificador de potencia, un agitador electrodinámico, un medidor de forza, un electrómetro e un ordenador (fig. S12).Este sistema xera unha presión dinámica externa de ata 7 kPa.No experimento, o TATSA colocouse nunha folla plana de plástico en estado libre e os sinais eléctricos de saída son rexistrados polo electrómetro.
As especificacións dos fíos condutores e de nailon afectan o rendemento de saída do TATSA porque determinan a superficie de contacto e a capacidade de percibir a presión externa.Para investigar isto, fabricamos tres tamaños dos dous fíos, respectivamente: fío condutor cun tamaño de 150D/3, 210D/3 e 250D/3 e fío de nailon cun tamaño de 150D/6, 210D/6 e 250D. /6 (D, denier; unidade de medida que se usa para determinar o grosor da fibra de fíos individuais; os tecidos cun alto número de deniers tenden a ser grosos).Despois, seleccionamos estes dous fíos con diferentes tamaños para tecelos nun sensor, e a dimensión do TATSA mantívose en 3 cm por 3 cm co número de bucle de 16 na dirección wale e 10 na dirección do curso.Así, obtivéronse os sensores con nove patróns de malla.O sensor do fío condutor cun tamaño de 150D/3 e o fío de nailon cun tamaño de 150D/6 era o máis fino, e o sensor do fío condutor cun tamaño de 250D/3 e o fío de nailon cun tamaño de 250D/ 6 era o máis groso.Baixo unha excitación mecánica de 0,1 a 7 kPa, as saídas eléctricas destes patróns foron sistemáticamente investigadas e probadas, como se mostra na figura 3A.As tensións de saída dos nove TATSA aumentaron co aumento da presión aplicada, de 0,1 a 4 kPa.En concreto, de todos os patróns de tricô, a especificación do fío condutor 210D/3 e o fío de nailon 210D/6 ofreceu a maior produción eléctrica e mostrou a maior sensibilidade.A tensión de saída mostrou unha tendencia crecente co aumento do grosor do TATSA (debido á superficie de contacto suficiente) ata que o TATSA foi tecido usando o fío condutor 210D/3 e o fío de nailon 210D/6.Como aumentos posteriores no espesor levarían á absorción da presión externa polos fíos, a tensión de saída diminuíu en consecuencia.Ademais, nótase que na rexión de baixa presión (<4 kPa), unha variación lineal ben comportada na tensión de saída coa presión deu unha sensibilidade á presión superior de 7,84 mV Pa−1.Na rexión de alta presión (>4 kPa), observouse experimentalmente unha menor sensibilidade á presión de 0,31 mV Pa−1 debido á saturación da área de fricción efectiva.Demostrouse unha sensibilidade á presión similar durante o proceso oposto de aplicar forza.Na fig.S13 (A e B, respectivamente).
(A) Tensión de saída baixo nove patróns de tricô do fío condutor (150D/3, 210D/3 e 250D/3) combinado co fío de nailon (150D/6, 210D/6 e 250D/6).(B) Resposta de tensión a varios números de unidades de bucle na mesma área de tecido cando se mantén o número de bucle na dirección de Wale sen cambios.(C) Gráficos que amosan as respostas en frecuencia baixo unha presión dinámica de 1 kPa e unha frecuencia de entrada de presión de 1 Hz.(D) Diferentes voltaxes de saída e corrente baixo as frecuencias de 1, 5, 10 e 20 Hz.(E) Ensaio de durabilidade dun TATSA a unha presión de 1 kPa.(F) Características de saída do TATSA despois de lavados 20 e 40 veces.
A sensibilidade e a tensión de saída tamén foron influenciadas pola densidade de punto do TATSA, que foi determinada polo número total de bucles nunha área medida de tecido.Un aumento da densidade de punto levaría a unha maior compacidade da estrutura do tecido.A figura 3B mostra os rendementos de saída baixo diferentes números de bucle na área téxtil de 3 cm por 3 cm, e o recuadro ilustra a estrutura dunha unidade de bucle (mantivemos o número de bucle na dirección do curso en 10 e o número de bucle no dirección de Wale foi 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 e 26).Ao aumentar o número de bucle, a tensión de saída mostrou primeiro unha tendencia crecente debido ao aumento da superficie de contacto, ata o pico máximo de tensión de saída de 7,5 V cun número de bucle de 180. Despois deste punto, a tensión de saída seguiu unha tendencia decrecente porque o TATSA tornouse axustado e os dous fíos tiñan un espazo de separación de contacto reducido.Para explorar en que dirección a densidade ten un gran impacto na saída, mantivemos o número de bucle do TATSA na dirección wale en 18, e o número de bucle na dirección do curso estableceuse en 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 e 14. As tensións de saída correspondentes móstranse na fig.S14.En comparación, podemos ver que a densidade na dirección do curso ten unha maior influencia na tensión de saída.Como resultado, escolleuse o patrón de malla do fío condutor 210D/3 e o fío de nailon 210D/6 e as unidades de bucle 180 para tecer o TATSA despois de avaliacións exhaustivas das características de saída.Ademais, comparamos os sinais de saída de dous sensores téxtiles usando a puntada de cardigan completa e a punta lisa.Como se mostra na fig.S15, a saída eléctrica e a sensibilidade usando puntada de cardigan completa son moito máis altas que a puntada simple.
Mediuse o tempo de resposta para o seguimento de sinais en tempo real.Para examinar o tempo de resposta do noso sensor ás forzas externas, comparamos os sinais de tensión de saída coas entradas de presión dinámica a unha frecuencia de 1 a 20 Hz (Fig. 3C e Fig. S16, respectivamente).As formas de onda da tensión de saída eran case idénticas ás ondas de presión sinusoidais de entrada baixo unha presión de 1 kPa, e as formas de onda de saída tiñan un tempo de resposta rápido (uns 20 ms).Esta histérese pódese atribuír a que a estrutura elástica non volveu ao estado orixinal o antes posible despois de recibir a forza externa.Non obstante, esta pequena histérese é aceptable para a monitorización en tempo real.Para obter a presión dinámica cun determinado rango de frecuencias, espérase unha resposta en frecuencia adecuada de TATSA.Así, tamén se probou a característica de frecuencia de TATSA.Ao aumentar a frecuencia de excitación externa, a amplitude da tensión de saída permaneceu case inalterada, mentres que a amplitude da corrente aumentou cando as frecuencias de toma variaban de 1 a 20 Hz (Fig. 3D).
Para avaliar a repetibilidade, estabilidade e durabilidade do TATSA, probamos a tensión de saída e as respostas de corrente aos ciclos de carga e descarga de presión.Aplicouse ao sensor unha presión de 1 kPa cunha frecuencia de 5 Hz.A tensión e a corrente de pico a pico rexistráronse despois de 100.000 ciclos de carga-descarga (fig. 3E e fig. S17, respectivamente).As vistas ampliadas da tensión e da forma de onda de corrente móstranse no recuadro da figura 3E e da fig.S17, respectivamente.Os resultados revelan a notable repetibilidade, estabilidade e durabilidade do TATSA.A lavabilidade tamén é un criterio de avaliación esencial do TATSA como dispositivo totalmente téxtil.Para avaliar a capacidade de lavado, probamos a tensión de saída do sensor despois de lavar a máquina TATSA segundo o Método de proba 135-2017 da Asociación Americana de Químicas e Coloristas Téxtiles (AATCC).O procedemento de lavado detallado descríbese en Materiais e métodos.Como se mostra na figura 3F, as saídas eléctricas foron rexistradas despois do lavado 20 veces e 40 veces, o que demostrou que non houbo cambios distintos na tensión de saída ao longo das probas de lavado.Estes resultados verifican a notable lavabilidade do TATSA.Como sensor téxtil portátil, tamén exploramos o rendemento de saída cando o TATSA estaba en condicións de tracción (fig. S18), retorcida (fig. S19) e diferentes condicións de humidade (fig. S20).
Sobre a base das numerosas vantaxes do TATSA demostradas anteriormente, desenvolvemos un sistema de vixilancia da saúde móbil sen fíos (WMHMS), que ten a capacidade de adquirir continuamente sinais fisiolóxicos e, a continuación, dar consellos profesionais a un paciente.A Figura 4A mostra o esquema do WMHMS baseado no TATSA.O sistema ten catro compoñentes: o TATSA para adquirir os sinais fisiolóxicos analóxicos, un circuíto de acondicionamento analóxico cun filtro pasabaixo (MAX7427) e un amplificador (MAX4465) para garantir suficientes detalles e un excelente sincronismo dos sinais, un sistema analóxico-dixital. conversor baseado nunha unidade de microcontrolador para recoller e converter os sinais analóxicos en sinais dixitais e un módulo Bluetooth (chip Bluetooth de baixa potencia CC2640) para transmitir o sinal dixital á aplicación do terminal do teléfono móbil (APP; Huawei Honor 9).Neste estudo, cosemos o TATSA sen problemas nun encaixe, unha pulseira, un dedo e un calcetín, como se mostra na figura 4B.
(A) Ilustración do WMHMS.(B) Fotografías dos TATSA cosidos nunha pulseira, un dedo, un calcetín e unha correa de peito, respectivamente.Medición do pulso no pescozo (C1), no pulso (D1), na punta dos dedos (E1) e no nocello (F1).Forma de onda do pulso no pescozo (C2), no pulso (D2), na punta dos dedos (E2) e no nocello (F2).(G) Formas de onda de pulso de diferentes idades.(H) Análise dunha única onda de pulso.Índice de aumento radial (AIx) definido como AIx (%) = P2/P1.P1 é o pico da onda que avanza e P2 é o pico da onda reflectida.(I) Un ciclo do pulso do braquial e do nocello.A velocidade da onda de pulso (PWV) defínese como PWV = D/∆T.D é a distancia entre o nocello e o braquial.∆T é o tempo de atraso entre os picos do nocello e as ondas de pulso braquial.PTT, tempo de tránsito do pulso.(J) Comparación de AIx e PWV braquial-nocello (BAPWV) entre sans e CAD.*P < 0,01, **P < 0,001 e ***P < 0,05.HTA, hipertensión;CHD, enfermidade coronaria;DM, diabetes mellitus.Crédito da foto: Jin Yang, Universidade de Chongqing.
Para controlar os sinais de pulso das diferentes partes do corpo humano, adxuntamos os adornos mencionados anteriormente con TATSA ás posicións correspondentes: pescozo (Fig. 4C1), pulso (Fig. 4D1), punta dos dedos (Fig. 4E1) e nocello (Fig. 4F1). ), como se elabora nas películas S3 a S6.En medicina, hai tres puntos principais da onda de pulso: o pico da onda de avance P1, o pico da onda reflectida P2 e o pico da onda dicrótica P3.As características destes puntos característicos reflicten o estado de saúde da elasticidade arterial, a resistencia periférica e a contractilidade ventricular esquerda relacionada co sistema cardiovascular.As formas de onda de pulso dunha muller de 25 anos nas catro posicións anteriores foron adquiridas e rexistradas na nosa proba.Teña en conta que os tres puntos característicos distinguibles (P1 a P3) foron observados na forma de onda do pulso nas posicións do pescozo, do pulso e dos dedos, como se mostra na figura 4 (C2 a E2).Pola contra, só P1 e P3 apareceron na forma de onda do pulso na posición do nocello, e P2 non estaba presente (Fig. 4F2).Este resultado foi causado pola superposición da onda sanguínea entrante expulsada polo ventrículo esquerdo e a onda reflectida dos membros inferiores (44).Estudos anteriores demostraron que a P2 preséntase en formas de onda medidas nas extremidades superiores pero non no nocello (45, 46).Observamos resultados similares nas formas de onda medidas co TATSA, como se mostra na fig.S21, que mostra datos típicos da poboación de 80 pacientes estudados aquí.Podemos ver que P2 non apareceu nestas formas de onda de pulso medidas no nocello, demostrando a capacidade do TATSA para detectar características sutís dentro da forma de onda.Estes resultados da medición do pulso indican que o noso WMHMS pode revelar con precisión as características da onda de pulso da parte superior e inferior do corpo e que é superior a outros traballos (41, 47).Para indicar aínda máis que o noso TATSA se pode aplicar amplamente a diferentes idades, medimos formas de onda de pulso de 80 suxeitos a diferentes idades e mostramos algúns datos típicos, como se mostra na fig.S22.Como se mostra na figura 4G, escollemos tres participantes de 25, 45 e 65 anos, e os tres puntos característicos eran obvios para os participantes novos e de mediana idade.Segundo a literatura médica (48), as características das formas de onda de pulso da maioría das persoas cambian a medida que envellecen, como a desaparición do punto P2, que é causada pola onda reflectida avanzada para superpoñerse á onda que avanza a través da diminución do elasticidade vascular.Este fenómeno tamén se reflicte nas formas de onda que recollemos, comprobando ademais que o TATSA se pode aplicar a diferentes poboacións.
A forma de onda do pulso está afectada non só polo estado fisiolóxico do individuo senón tamén polas condicións da proba.Polo tanto, medimos os sinais de pulso baixo diferentes tensións de contacto entre o TATSA e a pel (fig. S23) e varias posicións de detección no lugar de medición (fig. S24).Pódese comprobar que o TATSA pode obter formas de onda de pulso consistentes con información detallada ao redor da embarcación nunha gran área de detección eficaz no lugar de medición.Ademais, hai distintos sinais de saída baixo unha estanqueidade de contacto diferente entre o TATSA e a pel.Ademais, o movemento das persoas que usan os sensores afectaría aos sinais de pulso.Cando o pulso do suxeito está nunha condición estática, a amplitude da forma de onda de pulso obtida é estable (fig. S25A);pola contra, cando o pulso se move lentamente nun ángulo de -70° a 70° durante 30 s, a amplitude da forma de onda do pulso flutuará (fig. S25B).Non obstante, o contorno de cada forma de onda de pulso é visible e a frecuencia do pulso aínda se pode obter con precisión.Obviamente, para lograr unha adquisición estable de ondas de pulso no movemento humano, é necesario investigar máis traballo, incluíndo o deseño de sensores e o procesamento de sinal de fondo.
Ademais, para analizar e avaliar cuantitativamente o estado do sistema cardiovascular a través das formas de onda de pulso adquiridas mediante o noso TATSA, introducimos dous parámetros hemodinámicos segundo as especificacións de avaliación do sistema cardiovascular, a saber, o índice de aumento (AIx) e a velocidade da onda de pulso. (PWV), que representan a elasticidade das arterias.Como se mostra na figura 4H, a forma de onda do pulso na posición do pulso do home san de 25 anos utilizouse para a análise de AIx.Segundo a fórmula (sección S1), obtívose AIx = 60%, que é un valor normal.Despois, recollemos simultaneamente dúas formas de onda de pulso nas posicións do brazo e do nocello deste participante (o método detallado de medición da forma de onda de pulso descríbese en Materiais e métodos).Como se mostra na figura 4I, os puntos característicos das dúas formas de onda de pulso eran distintos.Despois calculamos o PWV segundo a fórmula (sección S1).Obtívose PWV = 1363 cm/s, que é un valor característico esperado dun macho adulto sans.Por outra banda, podemos ver que as métricas de AIx ou PWV non se ven afectadas pola diferenza de amplitude da forma de onda do pulso, e os valores de AIx en diferentes partes do corpo son diversos.No noso estudo utilizouse o AIx radial.Para verificar a aplicabilidade do WMHMS en diferentes persoas, seleccionamos 20 participantes do grupo saudable, 20 do grupo de hipertensión (HTN), 20 do grupo de enfermidades coronarias (ECC) con idades comprendidas entre os 50 e 59 anos e 20 no grupo de enfermidades coronarias. grupo de diabetes mellitus (DM).Medimos as súas ondas de pulso e comparamos os seus dous parámetros, AIx e PWV, como se presenta na figura 4J.Pódese comprobar que os valores de PWV dos grupos HTN, CHD e DM foron máis baixos en comparación cos do grupo sans e teñen diferenzas estatísticas (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 e PDM ≪ 0,001; os valores P calculáronse mediante t proba).Mentres tanto, os valores de AIx dos grupos HTN e CHD foron máis baixos en comparación co grupo sans e teñen diferenzas estatísticas (PHTN < 0,01, PCHD < 0,001 e PDM < 0,05).O PWV e AIx dos participantes con CHD, HTN ou DM foron máis altos que os do grupo sans.Os resultados mostran que o TATSA é capaz de obter con precisión a forma de onda do pulso para calcular o parámetro cardiovascular para avaliar o estado de saúde cardiovascular.En conclusión, debido ás súas características sen fíos, de alta resolución e de alta sensibilidade e comodidade, o WMHMS baseado no TATSA ofrece unha alternativa máis eficiente para a monitorización en tempo real que os equipos médicos caros actuais utilizados nos hospitais.
Ademais da onda de pulso, a información respiratoria tamén é un signo vital principal para axudar a avaliar a condición física dun individuo.O seguimento da respiración baseado no noso TATSA é máis atractivo que a polisomnografía convencional porque se pode integrar perfectamente na roupa para unha mellor comodidade.Cosido nunha correa de peito elástica branca, o TATSA estaba directamente atado ao corpo humano e asegurado ao redor do peito para controlar a respiración (Fig. 5A e película S7).O TATSA deformouse coa expansión e contracción da caixa torácica, dando lugar a unha saída eléctrica.A forma de onda adquirida verifícase na figura 5B.O sinal con grandes flutuacións (unha amplitude de 1,8 V) e cambios periódicos (unha frecuencia de 0,5 Hz) correspondeu ao movemento respiratorio.O sinal de flutuación relativamente pequeno superpuxose a este gran sinal de flutuación, que era o sinal do latido do corazón.Segundo as características de frecuencia dos sinais de respiración e latido cardíaco, utilizamos un filtro pasa-baixo de 0,8 Hz e un filtro pasa-banda de 0,8 a 20 Hz para separar os sinais respiratorio e do latido cardíaco, respectivamente, como se mostra na figura 5C. .Neste caso, os sinais respiratorios e de pulso estables con abundante información fisiolóxica (como a frecuencia respiratoria, a frecuencia cardíaca e os puntos característicos da onda de pulso) obtivéronse de forma simultánea e precisa simplemente colocando o único TATSA no peito.
(A) Fotografía que mostra a pantalla do TATSA colocado no peito para medir o sinal na presión asociada á respiración.(B) Gráfico voltaxe-tempo para o TATSA montado no peito.(C) Descomposición do sinal (B) no latido cardíaco e na forma de onda respiratoria.(D) Fotografía que mostra dous TATSA colocados no abdome e no pulso para medir a respiración e o pulso, respectivamente, durante o sono.(E) Sinais respiratorios e de pulso dun participante sans.FC, frecuencia cardíaca;BPM, latexos por minuto.(F) Sinais respiratorios e de pulso dun participante de SAS.(G) Sinal respiratorio e PTT dun participante sans.(H) Sinal respiratorio e PTT dun participante do SAS.(I) Relación entre o índice de excitación PTT e o índice de apnea-hipopnea (AHI).Crédito da foto: Wenjing Fan, Universidade de Chongqing.
Para probar que o noso sensor pode controlar con precisión e fiabilidade os sinais de pulso e respiración, levamos a cabo un experimento para comparar os resultados das medicións dos sinais de pulso e respiración entre os nosos TATSA e un instrumento médico estándar (MHM-6000B), como se elabora nas películas S8. e S9.Na medición de ondas de pulso, o sensor fotoeléctrico do instrumento médico foi usado no dedo índice esquerdo dunha moza e, mentres tanto, o noso TATSA foi usado no dedo índice dereito.A partir das dúas formas de onda de pulso adquiridas, podemos ver que os seus contornos e detalles eran idénticos, o que indica que o pulso medido polo TATSA é tan preciso como o do instrumento médico.Na medición de ondas respiratorias, cinco electrodos electrocardiográficos foron unidos a cinco zonas do corpo dun mozo segundo a instrución médica.En cambio, só un TATSA estaba directamente atado ao corpo e asegurado ao redor do peito.A partir dos sinais respiratorios recollidos, pódese ver que a tendencia de variación e a taxa do sinal de respiración detectado polo noso TATSA eran consistentes coa do instrumento médico.Estes dous experimentos de comparación validaron a precisión, fiabilidade e sinxeleza do noso sistema de sensores para controlar os sinais de pulso e respiratorios.
Ademais, fabricamos unha peza de roupa intelixente e cosimos dúas TATSA nas posicións do abdome e do pulso para controlar os sinais respiratorios e do pulso, respectivamente.En concreto, utilizouse un WMHMS de dobre canle desenvolvido para capturar os sinais de pulso e respiratorios simultaneamente.Mediante este sistema, obtivemos os sinais respiratorios e de pulso dun mozo de 25 anos vestido coa nosa roupa intelixente mentres durmía (fig. 5D e película S10) e estaba sentado (fig. S26 e película S11).Os sinais respiratorios e de pulso adquiridos poderían transmitirse sen fíos á APP do teléfono móbil.Como se mencionou anteriormente, o TATSA ten a capacidade de capturar sinais respiratorios e de pulso.Estes dous sinais fisiolóxicos son tamén os criterios para estimar médicamente o SAS.Polo tanto, o noso TATSA tamén se pode usar para controlar e avaliar a calidade do soño e os trastornos do sono relacionados.Como se mostra na figura 5 (E e F, respectivamente), medimos continuamente o pulso e as formas de onda respiratorias de dous participantes, un san e un paciente con SAS.Para a persoa sen apnéia, a frecuencia respiratoria e o pulso medidos mantivéronse estables en 15 e 70, respectivamente.Para o paciente con SAS, observouse unha apnea distinta durante 24 s, que é unha indicación dun evento respiratorio obstrutivo, e a frecuencia cardíaca aumentou lixeiramente despois dun período de apnéia debido á regulación do sistema nervioso (49).En resumo, o estado respiratorio pode ser avaliado pola nosa TATSA.
Para avaliar aínda máis o tipo de SAS a través de sinais de pulso e respiración, analizouse o tempo de tránsito do pulso (PTT), un indicador non invasivo que reflicte os cambios na resistencia vascular periférica e na presión intratorácica (definida na sección S1) dun home san e dun paciente con SAS.Para o participante sans, a frecuencia respiratoria mantívose sen cambios e o PTT foi relativamente estable de 180 a 310 ms (Fig. 5G).Non obstante, para o participante do SAS, o PTT aumentou continuamente de 120 a 310 ms durante a apnéia (Fig. 5H).Así, o participante foi diagnosticado con SAS obstrutivo (SAOS).Se o cambio no PTT diminuíu durante a apnéia, entón a condición determinaríase como unha síndrome de apnea central do sono (CSAS) e se estes dous síntomas existisen simultáneamente, entón sería diagnosticado como un SAS mixto (MSAS).Para avaliar a gravidade do SAS, analizamos aínda máis os sinais recollidos.O índice de excitación PTT, que é o número de excitacións PTT por hora (a excitación PTT defínese como unha caída do PTT ≥15 ms que dura ≥3 s), desempeña un papel vital na avaliación do grao de SAS.O índice de apnea-hipopnea (IAH) é un estándar para determinar o grao de SAS (a apnea é o cese da respiración e a hipopnea é unha respiración excesivamente superficial ou unha frecuencia respiratoria anormalmente baixa), que se define como o número de apnéas e hipopneas por cada ano. hora mentres dorme (a relación entre o IAH e os criterios de valoración do SAOS móstrase na táboa S2).Para investigar a relación entre o IAH e o índice de excitación PTT, seleccionáronse os sinais respiratorios de 20 pacientes con SAS e analizáronse con TATSA.Como se mostra na figura 5I, o índice de excitación do PTT correlacionouse positivamente co AHI, xa que a apnéia e a hipopnea durante o sono provocan a elevación evidente e transitoria da presión arterial, o que leva á diminución do PTT.Polo tanto, o noso TATSA pode obter pulsos e sinais respiratorios estables e precisos de forma simultánea, proporcionando así información fisiolóxica importante sobre o sistema cardiovascular e SAS para o seguimento e avaliación de enfermidades relacionadas.
En resumo, desenvolvemos un TATSA usando a puntada completa para detectar sinais fisiolóxicos diferentes ao mesmo tempo.Este sensor presentaba unha alta sensibilidade de 7,84 mV Pa−1, un tempo de resposta rápido de 20 ms, unha alta estabilidade de máis de 100.000 ciclos e un ancho de banda de frecuencia de traballo amplo.Sobre a base do TATSA, tamén se desenvolveu un WMHMS para transmitir os parámetros fisiolóxicos medidos a un teléfono móbil.TATSA pódese incorporar a diferentes sitios de roupa para o deseño estético e empregarse para controlar simultaneamente o pulso e os sinais respiratorios en tempo real.O sistema pódese aplicar para axudar a distinguir entre individuos sans e aqueles con CAD ou SAS debido á súa capacidade para capturar información detallada.Este estudo proporcionou un enfoque cómodo, eficiente e fácil de usar para medir o pulso e a respiración humana, o que supón un avance no desenvolvemento de produtos electrónicos téxtiles para vestir.
O aceiro inoxidable pasou varias veces polo molde e estirouse ata formar unha fibra cun diámetro de 10 μm.Unha fibra de aceiro inoxidable como electrodo foi inserida en varias pezas de fíos de terileno dunha soa capa comerciais.
Utilizáronse un xerador de funcións (Stanford DS345) e un amplificador (LabworkPa-13) para proporcionar un sinal de presión sinusoidal.Utilizouse un sensor de forza de rango dual (Vernier Software & Technology LLC) para medir a presión externa aplicada ao TATSA.Utilizouse un electrómetro do sistema Keithley (Keithley 6514) para controlar e rexistrar a tensión e corrente de saída do TATSA.
Segundo o Método de proba 135-2017 da AATCC, utilizamos o TATSA e suficiente lastre como unha carga de 1,8 kg e despois poñémolos nunha máquina de lavado comercial (Labtex LBT-M6T) para realizar ciclos delicados de lavado a máquina.Despois, enchemos a lavadora con 18 litros de auga a 25 °C e configuramos a lavadora para o ciclo e o tempo de lavado seleccionados (velocidade de axitación, 119 golpes por minuto; tempo de lavado, 6 min; velocidade de centrifugado final, 430 rpm; final. tempo de centrifugado, 3 min).Por último, o TATSA colgouse seco en aire tranquilo a temperatura ambiente non superior a 26 °C.
Os suxeitos foron instruídos para deitarse en posición supina sobre a cama.O TATSA colocouse nos lugares de medición.Unha vez que os suxeitos estaban en posición supina estándar, mantiveron un estado completamente relaxado durante 5 a 10 minutos.O sinal de pulso comezou entón a medir.
O material complementario para este artigo está dispoñible en https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Figura S9.Resultado da simulación da distribución de forzas dun TATSA baixo presións aplicadas a 0,2 kPa utilizando o software COMSOL.
Figura S10.Resultados da simulación da distribución de forzas dunha unidade de contacto baixo as presións aplicadas a 0,2 e 2 kPa, respectivamente.
Figura S11.Ilustracións esquemáticas completas da transferencia de carga dunha unidade de contacto en condicións de curtocircuíto.
Figura S13.Tensión e corrente de saída continuas de TATSA en resposta á presión externa aplicada continuamente nun ciclo de medición.
Figura S14.Resposta de voltaxe a varios números de unidades de bucle na mesma área de tecido cando se mantén o número de bucle na dirección de Wale sen cambios.
Figura S15.Unha comparación entre os rendementos de saída dos dous sensores téxtiles usando a puntada de cardigan completa e a puntada lisa.
Figura S16.Gráficos que mostran respostas en frecuencia a presión dinámica de 1 kPa e frecuencia de entrada de presión de 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 e 20 Hz.
Figura S25.As tensións de saída do sensor cando o suxeito estaba nas condicións estáticas e de movemento.
Figura S26.Fotografía que mostra os TATSA colocados no abdome e no pulso simultaneamente para medir a respiración e o pulso, respectivamente.
Este é un artigo de acceso aberto distribuído baixo os termos da licenza Creative Commons Recoñecemento-NonComercial, que permite o seu uso, distribución e reprodución en calquera medio, sempre que o uso resultante non sexa para beneficio comercial e sempre que a obra orixinal sexa axeitada. citado.
NOTA: Só solicitamos o teu enderezo de correo electrónico para que a persoa á que estás recomendando a páxina saiba que querías que a vise e que non é correo lixo.Non capturamos ningún enderezo de correo electrónico.
Por Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Desenvolveuse un sensor triboeléctrico totalmente téxtil con alta sensibilidade á presión e confort para a vixilancia da saúde.
Por Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Desenvolveuse un sensor triboeléctrico totalmente téxtil con alta sensibilidade á presión e confort para a vixilancia da saúde.
© 2020 Asociación Americana para o Avance da Ciencia.Todos os dereitos reservados.AAAS é socio de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef e COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Hora de publicación: 27-mar-2020