Nosiva tekstilna elektronika vrlo je poželjna za ostvarivanje personaliziranog upravljanja zdravljem.Međutim, većina prijavljenih tekstilnih elektronika može povremeno ciljati jedan fiziološki signal ili propustiti eksplicitne detalje signala, što dovodi do djelomične procjene zdravlja.Nadalje, tekstili s izvrsnim svojstvima i udobnošću i dalje ostaju izazov.Ovdje izvješćujemo o triboelektričnom nizu senzora od tekstila s visokom osjetljivošću na pritisak i udobnošću.Pokazuje osjetljivost na pritisak (7,84 mV Pa−1), brzo vrijeme odziva (20 ms), stabilnost (>100 000 ciklusa), široku propusnost radne frekvencije (do 20 Hz) i perivost u perilici (>40 pranja).Izrađene TATSA-e bile su ušivene u različite dijelove odjeće kako bi se istovremeno pratili arterijski pulsni valovi i respiratorni signali.Dalje smo razvili sustav praćenja zdravlja za dugoročnu i neinvazivnu procjenu kardiovaskularnih bolesti i sindroma apneje u snu, koji pokazuje veliki napredak za kvantitativnu analizu nekih kroničnih bolesti.
Nosiva elektronika predstavlja fascinantnu priliku zbog svoje obećavajuće primjene u personaliziranoj medicini.Oni mogu kontinuirano, u stvarnom vremenu i na neinvazivan način pratiti zdravstveno stanje pojedinca (1-11).Puls i disanje, kao dvije neizostavne komponente vitalnih znakova, mogu pružiti i točnu procjenu fiziološkog stanja i izvanredne uvide u dijagnozu i prognozu povezanih bolesti (12-21).Do danas se većina nosive elektronike za otkrivanje suptilnih fizioloških signala temelji na ultratankim supstratima kao što su polietilen tereftalat, polidimetilsiloksan, poliimid, staklo i silikon (22-26).Nedostatak ovih supstrata za upotrebu na koži leži u njihovom ravnom i krutom formatu.Kao rezultat toga, potrebne su trake, flasteri ili druga mehanička pomagala za uspostavljanje kompaktnog kontakta između nosive elektronike i ljudske kože, što može izazvati iritaciju i neugodnosti tijekom duljeg razdoblja korištenja (27, 28).Štoviše, ovi supstrati imaju lošu propusnost zraka, što dovodi do nelagode kada se koriste za dugotrajno, kontinuirano praćenje zdravlja.Za ublažavanje navedenih problema u brizi o zdravlju, posebice u svakodnevnoj uporabi, pametan tekstil nudi pouzdano rješenje.Ovi tekstili imaju karakteristike mekoće, male težine i prozračnosti te stoga imaju potencijal za postizanje udobnosti u nosivoj elektronici.Posljednjih su godina intenzivni napori posvećeni razvoju tekstilnih sustava za osjetljive senzore, prikupljanje energije i pohranu (29-39).Konkretno, zabilježena su uspješna istraživanja optičkih vlakana, piezoelektriciteta i pametnih tekstila temeljenih na otporu primijenjenih u praćenju pulsa i respiratornih signala (40-43).Međutim, ovi pametni tekstili obično imaju nisku osjetljivost i jedan parametar za praćenje te se ne mogu proizvoditi u velikoj mjeri (tablica S1).U slučaju mjerenja pulsa, detaljne informacije je teško uhvatiti zbog slabe i brze fluktuacije pulsa (npr. njegove značajke), pa je stoga potrebna visoka osjetljivost i odgovarajući frekvencijski odziv.
U ovoj studiji predstavljamo triboelektrični potpuno tekstilni senzorski niz (TATSA) s visokom osjetljivošću za hvatanje epidermalnog suptilnog pritiska, pleten od vodljive i najlonske pređe u punom kardiganskom ubodu.TATSA može pružiti visoku osjetljivost na pritisak (7,84 mV Pa−1), brzo vrijeme odziva (20 ms), stabilnost (>100 000 ciklusa), široku propusnost radne frekvencije (do 20 Hz) i perivost u perilici (>40 pranja).Može se prikladno integrirati u odjeću uz diskreciju, udobnost i estetsku privlačnost.Značajno je da se naša TATSA može izravno ugraditi u različita mjesta na tkanini koja odgovaraju pulsnim valovima na položaju vrata, zapešća, vrhova prstiju i gležnja te respiratornim valovima u abdomenu i prsima.Kako bismo procijenili izvrsnu izvedbu TATSA u stvarnom vremenu i daljinskom nadzoru zdravlja, razvili smo personalizirani inteligentni sustav za praćenje zdravlja za kontinuirano prikupljanje i spremanje fizioloških signala za analizu kardiovaskularnih bolesti (CAD) i procjenu sindroma apneje u snu (SAS ).
Kao što je ilustrirano na slici 1A, dva TATSA-a su ušivena u manšete i prsa košulje kako bi se omogućilo dinamičko i istovremeno praćenje pulsa i respiratornih signala.Ti su se fiziološki signali bežično prenosili u aplikaciju inteligentnog mobilnog terminala (APP) za daljnju analizu zdravstvenog stanja.Slika 1B prikazuje TATSA ušivenu u komad tkanine, a umetak prikazuje uvećani pogled na TATSA, koja je bila pletena korištenjem karakteristične vodljive pređe i komercijalne najlonske pređe zajedno u puni kardigan šav.U usporedbi s osnovnim ravnim bodom, najuobičajenijom i osnovnom metodom pletenja, puni kardiganski bod je odabran jer je kontakt između glave petlje vodljive pređe i susjedne glave uboda najlonske pređe (sl. S1) površina umjesto točkastog kontakta, što dovodi do većeg područja djelovanja za visoki triboelektrični učinak.Za pripremu vodljive pređe odabrali smo nehrđajući čelik kao vlakno fiksne jezgre, a nekoliko komada jednoslojne terilenske pređe umotano je oko jezgrenog vlakna u jednu vodljivu pređu promjera 0,2 mm (sl. S2), koja je služila kao kako površine za elektriziranje tako i vodljive elektrode.Najlonska pređa, koja je imala promjer od 0,15 mm i služila je kao još jedna elektrifikacijska površina, imala je jaku vlačnu silu jer je bila upletena neizračunljivim nitima (sl. S3).Slika 1 (C odnosno D) prikazuje fotografije proizvedene vodljive pređe i najlonske pređe.Umetci pokazuju svoje odgovarajuće slike skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM), koje predstavljaju tipičan poprečni presjek vodljive pređe i površine najlonske pređe.Visoka vlačna čvrstoća vodljivih i najlonskih niti osigurala je njihovu sposobnost tkanja na industrijskom stroju kako bi se održala ujednačena izvedba svih senzora.Kao što je prikazano na slici 1E, vodljiva pređa, najlonska pređa i obične niti bile su namotane na svoje konuse, koji su zatim ubačeni u industrijski računalni stroj za ravno pletenje za automatsko tkanje (film S1).Kao što je prikazano na sl.S4, nekoliko TATSA pleteno je zajedno s običnim platnom pomoću industrijskog stroja.Jedna TATSA debljine 0,85 mm i težine 0,28 g mogla se skrojiti iz cijele strukture za individualnu upotrebu, pokazujući svoju izvrsnu kompatibilnost s drugim tkaninama.Uz to, TATSA mogu biti dizajnirane u raznim bojama kako bi zadovoljile estetske i modne zahtjeve zbog raznolikosti komercijalnih najlonskih niti (slika 1F i slika S5).Proizvedeni TATSA imaju izvrsnu mekoću i sposobnost da izdrže oštro savijanje ili deformaciju (sl. S6).Slika 1G prikazuje TATSA ušivenu izravno u trbuh i manžetu džempera.Proces pletenja džempera prikazan je na sl.S7 i film S2.Detalji prednje i stražnje strane rastegnute TATSA u trbušnom položaju prikazani su na sl.S8 (A odnosno B), a položaj vodljive niti i najlonske niti ilustriran je na sl.S8C.Ovdje se može vidjeti da se TATSA može neprimjetno ugraditi u obične tkanine za diskretan i elegantan izgled.
(A) Dvije TATSA integrirane u košulju za praćenje pulsa i respiratornih signala u stvarnom vremenu.(B) Shematski prikaz kombinacije TATSA i odjeće.Umetak prikazuje uvećani prikaz senzora.(C) Fotografija vodljive pređe (ljestvica, 4 cm).Umetak je SEM slika poprečnog presjeka vodljive pređe (ljestvica, 100 μm), koja se sastoji od nehrđajućeg čelika i terilenske pređe.(D) Fotografija najlonske pređe (ljestvica, 4 cm).Umetak je SEM slika površine najlonske pređe (ljestvica, 100 μm).(E) Slika kompjuteriziranog stroja za ravno pletenje koji izvodi automatsko tkanje TATSA.(F) Fotografija TATSA u različitim bojama (ljestvica, 2 cm).Umetak je upletena TATSA, koja pokazuje njegovu izvrsnu mekoću.(G) Fotografija dviju TATSA potpuno i besprijekorno ušivenih u pulover.Autor fotografije: Wenjing Fan, Sveučilište Chongqing.
Kako bismo analizirali radni mehanizam TATSA, uključujući njegova mehanička i električna svojstva, konstruirali smo geometrijski model pletenja TATSA, kao što je prikazano na slici 2A.Korištenjem punog kardiganskog šava, vodljiva i najlonska pređa međusobno su spojene u obliku jedinica petlje u smjeru puta i ruba.Struktura s jednom petljom (sl. S1) sastoji se od glave petlje, kraka petlje, dijela koji križa rebra, kraka uboda i glave uboda.Mogu se pronaći dva oblika kontaktne površine između dvije različite pređe: (i) kontaktna površina između glave omče vodljive pređe i glave uboda najlonske pređe i (ii) kontaktne površine između glave omče najlonska pređa i glava uboda vodljive pređe.
(A) TATSA s prednjom, desnom i gornjom stranom pletenih petlji.(B) Rezultat simulacije raspodjele sile TATSA pod primijenjenim tlakom od 2 kPa pomoću softvera COMSOL.(C) Shematski prikazi prijenosa naboja kontaktne jedinice u uvjetima kratkog spoja.(D) Rezultati simulacije distribucije naboja kontaktne jedinice u uvjetima otvorenog strujnog kruga pomoću softvera COMSOL.
Princip rada TATSA može se objasniti u dva aspekta: stimulacija vanjske sile i inducirani naboj.Kako bismo intuitivno razumjeli distribuciju naprezanja kao odgovor na podražaj vanjske sile, upotrijebili smo analizu konačnih elemenata pomoću softvera COMSOL pri različitim vanjskim silama od 2 i 0,2 kPa, kao što je prikazano na sl. 2B i sl.S9.Naprezanje se pojavljuje na dodirnim površinama dviju niti.Kao što je prikazano na sl.S10, razmotrili smo dvije jedinice petlje kako bismo pojasnili distribuciju naprezanja.U usporedbi raspodjele naprezanja pod dvjema različitim vanjskim silama, naprezanje na površinama vodljive i najlonske pređe povećava se s povećanom vanjskom silom, što rezultira kontaktom i ekstruzijom između dviju pređa.Nakon što se vanjska sila oslobodi, dvije se niti odvajaju i odmiču jedna od druge.
Pokreti odvajanja kontakta između vodljive pređe i najlonske pređe induciraju prijenos naboja, koji se pripisuje konjunkciji triboelektrifikacije i elektrostatičke indukcije.Kako bismo razjasnili proces generiranja električne energije, analiziramo poprečni presjek područja gdje dvije niti dolaze u kontakt jedna s drugom (slika 2C1).Kao što je prikazano na slici 2 (C2 odnosno C3), kada je TATSA stimulirana vanjskom silom i dvije niti dođu u međusobni kontakt, dolazi do elektrifikacije na površini vodljive i najlonske niti, a ekvivalentni naboji sa suprotnim polariteti se stvaraju na površini dviju niti.Nakon što se dvije niti razdvoje, pozitivni naboji se induciraju u unutarnjem nehrđajućem čeliku zbog učinka elektrostatičke indukcije.Kompletna shema je prikazana na sl.S11.Kako bismo stekli bolje kvantitativno razumijevanje procesa proizvodnje električne energije, simulirali smo potencijalnu distribuciju TATSA pomoću softvera COMSOL (Sl. 2D).Kada su dva materijala u kontaktu, naboj se uglavnom skuplja na tarnom materijalu, a samo je mala količina induciranog naboja prisutna na elektrodi, što rezultira malim potencijalom (Sl. 2D, dolje).Kada su dva materijala odvojena (Sl. 2D, gore), inducirani naboj na elektrodi se povećava zbog razlike potencijala, a odgovarajući potencijal se povećava, što otkriva dobru usklađenost između rezultata dobivenih eksperimentima i onih iz simulacija .Nadalje, budući da je vodljiva elektroda TATSA omotana terilen pređom i koža je u kontaktu s oba tarna materijala, stoga, kada se TATSA nosi izravno na koži, naboj ovisi o vanjskoj sili i neće biti oslabljen kožom.
Kako bismo okarakterizirali izvedbu naše TATSA u različitim aspektima, osigurali smo mjerni sustav koji sadrži funkcijski generator, pojačalo snage, elektrodinamički shaker, mjerač sile, elektrometar i računalo (sl. S12).Ovaj sustav stvara vanjski dinamički tlak do 7 kPa.U eksperimentu je TATSA postavljen na ravnu plastičnu ploču u slobodnom stanju, a izlazne električne signale bilježi elektrometar.
Specifikacije vodljivih i najlonskih niti utječu na izlaznu izvedbu TATSA jer određuju kontaktnu površinu i kapacitet za opažanje vanjskog pritiska.Kako bismo to istražili, proizveli smo tri veličine dvije pređe, redom: vodljivu pređu veličine 150D/3, 210D/3 i 250D/3 i najlonsku pređu veličine 150D/6, 210D/6 i 250D /6 (D, denier; mjerna jedinica koja se koristi za određivanje debljine vlakana pojedinačnih niti; tkanine s visokim brojem deniera obično su debele).Zatim smo odabrali ove dvije pređe različitih veličina kako bismo ih ispleli u senzor, a dimenzija TATSA-e zadržala se na 3 cm x 3 cm s brojem petlji 16 u smjeru ruba i 10 u smjeru kretanja.Tako su dobiveni senzori s devet uzoraka pletenja.Senzor od vodljive pređe veličine 150D/3 i najlonske pređe veličine 150D/6 bio je najtanji, a senzor od vodljive pređe veličine 250D/3 i najlonske pređe veličine 250D/. 6 je bio najdeblji.Pod mehaničkom ekscitacijom od 0,1 do 7 kPa, električni izlazi za ove uzorke sustavno su istraživani i testirani, kao što je prikazano na slici 3A.Izlazni naponi devet TATSA porasli su s povećanjem primijenjenog tlaka, od 0,1 do 4 kPa.Točnije, od svih uzoraka pletenja, specifikacija 210D/3 vodljive pređe i 210D/6 najlonske pređe dala je najveću električnu snagu i najveću osjetljivost.Izlazni napon je pokazao rastući trend s povećanjem debljine TATSA (zbog dovoljne kontaktne površine) sve dok TATSA nije bila ispletena pomoću 210D/3 vodljive pređe i 210D/6 najlonske pređe.Budući da bi daljnja povećanja debljine dovela do apsorpcije vanjskog pritiska od strane pređe, izlazni napon se u skladu s tim smanjio.Nadalje, primjećuje se da je u području niskog tlaka (<4 kPa), dobro ponašana linearna varijacija izlaznog napona s tlakom dala superiornu osjetljivost na tlak od 7,84 mV Pa−1.U području visokog tlaka (>4 kPa), eksperimentalno je uočena niža osjetljivost na tlak od 0,31 mV Pa−1 zbog zasićenja područja efektivnog trenja.Slična osjetljivost na pritisak dokazana je tijekom suprotnog procesa primjene sile.Konkretni vremenski profili izlaznog napona i struje pod različitim pritiscima prikazani su na sl.S13 (A odnosno B).
(A) Izlazni napon ispod devet uzoraka pletenja vodljive pređe (150D/3, 210D/3 i 250D/3) u kombinaciji s najlonskom pređom (150D/6, 210D/6 i 250D/6).(B) Odziv napona na različite brojeve jedinica petlje u istom području tkanine kada se broj petlji u smjeru ruba drži nepromijenjenim.(C) Grafički prikazi frekvencijskih odziva pod dinamičkim tlakom od 1 kPa i ulaznom frekvencijom tlaka od 1 Hz.(D) Različiti izlazni i strujni naponi ispod frekvencija od 1, 5, 10 i 20 Hz.(E) Ispitivanje trajnosti TATSA pod tlakom od 1 kPa.(F) Izlazne karakteristike TATSA nakon pranja 20 i 40 puta.
Na osjetljivost i izlazni napon također je utjecala gustoća uboda TATSA, koja je određena ukupnim brojem petlji u izmjerenom području tkanine.Povećanje gustoće uboda dovelo bi do veće kompaktnosti strukture tkanine.Slika 3B prikazuje izlazne performanse pod različitim brojevima petlji u području tekstila od 3 cm x 3 cm, a umetak ilustrira strukturu jedinice petlje (zadržali smo broj petlje u smjeru kretanja na 10, a broj petlje u smjer Wale je bio 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 i 26).Povećanjem broja petlji, izlazni napon je prvo pokazao rastući trend zbog povećanja kontaktne površine, sve do maksimalnog vrha izlaznog napona od 7,5 V s brojem petlje od 180. Nakon ove točke, izlazni napon je slijedio trend pada jer TATSA je postala tijesna, a dvije pređe su imale smanjen prostor za odvajanje kontakta.Kako bismo istražili u kojem smjeru gustoća ima velik utjecaj na izlaz, zadržali smo broj petlje TATSA u smjeru vala na 18, a broj petlje u smjeru kursa postavljen je na 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 i 14. Odgovarajući izlazni naponi prikazani su na sl.S14.Za usporedbu, možemo vidjeti da gustoća u smjeru tečaja ima veći utjecaj na izlazni napon.Kao rezultat toga, uzorak pletenja od 210D/3 vodljive pređe i 210D/6 najlonske pređe i jedinica od 180 petlji odabrani su za pletenje TATSA nakon sveobuhvatne procjene izlaznih karakteristika.Nadalje, usporedili smo izlazne signale dvaju tekstilnih senzora koristeći puni kardigan šav i obični šav.Kao što je prikazano na sl.S15, električna snaga i osjetljivost pri uporabi punog uboda kardigana puno su veći nego kod korištenja običnog uboda.
Mjereno je vrijeme odziva za praćenje signala u stvarnom vremenu.Kako bismo ispitali vrijeme odziva našeg senzora na vanjske sile, usporedili smo signale izlaznog napona s ulazima dinamičkog tlaka na frekvenciji od 1 do 20 Hz (sl. 3C i sl. S16).Valovi izlaznog napona bili su gotovo identični valovima ulaznog sinusoidalnog tlaka pod tlakom od 1 kPa, a valni oblici izlaza imali su brzo vrijeme odziva (oko 20 ms).Ova se histereza može pripisati elastičnoj strukturi koja se nije vratila u prvobitno stanje što je prije moguće nakon primanja vanjske sile.Ipak, ova mala histereza je prihvatljiva za praćenje u stvarnom vremenu.Da bi se dobio dinamički tlak s određenim frekvencijskim rasponom, očekuje se odgovarajući frekvencijski odziv TATSA.Tako je ispitana i frekvencijska karakteristika TATSA.Povećanjem vanjske pobudne frekvencije, amplituda izlaznog napona ostala je gotovo nepromijenjena, dok je amplituda struje porasla kada su frekvencije odvoda varirale od 1 do 20 Hz (Slika 3D).
Kako bismo procijenili ponovljivost, stabilnost i trajnost TATSA, testirali smo izlazni napon i odziv struje na cikluse opterećenja-rasterećenja pod pritiskom.Na senzor je primijenjen tlak od 1 kPa s frekvencijom od 5 Hz.Napon i struja od vrha do vrha zabilježeni su nakon 100 000 ciklusa opterećenja-rasterećenja (Slika 3E i Slika S17).Uvećani prikazi valnog oblika napona i struje prikazani su na umetku slike 3E i sl.S17, odnosno.Rezultati otkrivaju izvanrednu ponovljivost, stabilnost i trajnost TATSA.Perivost je također bitan kriterij procjene TATSA kao potpuno tekstilnog uređaja.Kako bismo procijenili sposobnost pranja, testirali smo izlazni napon senzora nakon što smo strojno oprali TATSA u skladu s metodom testiranja 135-2017 Američke udruge tekstilnih kemičara i kolorista (AATCC).Detaljan postupak pranja opisan je u Materijalima i metodama.Kao što je prikazano na slici 3F, električni izlazi su zabilježeni nakon pranja 20 puta i 40 puta, što je pokazalo da nije bilo jasnih promjena izlaznog napona tijekom testova pranja.Ovi rezultati potvrđuju izvanrednu perivost TATSA.Kao nosivi tekstilni senzor, također smo istražili izlaznu izvedbu kada je TATSA bio u uvjetima istezanja (sl. S18), upletenog (sl. S19) i različite vlažnosti (sl. S20).
Na temelju brojnih prednosti TATSA-e prikazanih gore, razvili smo bežični mobilni sustav za praćenje zdravlja (WMHMS), koji ima sposobnost kontinuiranog prikupljanja fizioloških signala i zatim davanja profesionalnih savjeta pacijentu.Slika 4A prikazuje dijagram sheme WMHMS-a temeljen na TATSA.Sustav ima četiri komponente: TATSA za prikupljanje analognih fizioloških signala, analogni kondicioni krug s niskopropusnim filtrom (MAX7427) i pojačalo (MAX4465) kako bi se osiguralo dovoljno detalja i izvrsna sinkronizacija signala, analogno-digitalni pretvarač koji se temelji na jedinici mikrokontrolera za prikupljanje i pretvaranje analognih signala u digitalne signale i Bluetooth modul (CC2640 Bluetooth čip male snage) za prijenos digitalnog signala u aplikaciju terminala mobilnog telefona (APP; Huawei Honor 9).U ovoj studiji, TATSA smo neprimjetno ušili u vezicu, narukvicu, držač za prste i čarapu, kao što je prikazano na slici 4B.
(A) Ilustracija WMHMS.(B) Fotografije TATSA ušivenih u narukvicu, držač za prste, čarapu i remen za prsa.Mjerenje pulsa na (C1) vratu, (D1) zapešću, (E1) vrhu prsta i (F1) gležnju.Valni oblik pulsa na (C2) vratu, (D2) zapešću, (E2) vrhu prsta i (F2) gležnju.(G) Pulsni valni oblici različite dobi.(H) Analiza jednog pulsnog vala.Indeks radijalnog povećanja (AIx) definiran kao AIx (%) = P2/P1.P1 je vrh napredujućeg vala, a P2 je vrh odbijenog vala.(I) Pulsni ciklus brahijalnog i skočnog zgloba.Brzina pulsnog vala (PWV) definirana je kao PWV = D/∆T.D je udaljenost između gležnja i brahijalnog zgloba.∆T je vremensko kašnjenje između vrhova skočnog i brahijalnog pulsnog vala.PTT, vrijeme prijenosa impulsa.(J) Usporedba AIx i PWV brahijalnog gležnja (BAPWV) između zdravih i CAD-ova.*P <0,01, **P <0,001 i ***P <0,05.HTN, hipertenzija;CHD, koronarna bolest srca;DM, dijabetes melitus.Autor fotografije: Jin Yang, Sveučilište Chongqing.
Kako bismo pratili signale pulsa različitih dijelova ljudskog tijela, pričvrstili smo gore spomenute ukrase s TATSA na odgovarajuće položaje: vrat (Slika 4C1), ručni zglob (Slika 4D1), vrh prsta (Slika 4E1) i gležanj (Slika 4F1 ), kako je razrađeno u filmovima S3 do S6.U medicini postoje tri značajne točke u pulsnom valu: vrh napredujućeg vala P1, vrh reflektiranog vala P2 i vrh dikrotičnog vala P3.Karakteristike ovih značajnih točaka odražavaju zdravstveno stanje arterijske elastičnosti, perifernog otpora i kontraktilnosti lijeve klijetke povezane s kardiovaskularnim sustavom.Valovi pulsa 25-godišnje žene na gornja četiri položaja dobiveni su i snimljeni u našem testu.Imajte na umu da su tri prepoznatljive karakteristične točke (P1 do P3) uočene na valnom obliku pulsa na položaju vrata, zapešća i vrha prsta, kao što je prikazano na slici 4 (C2 do E2).Nasuprot tome, samo su se P1 i P3 pojavili na valnom obliku pulsa u položaju gležnja, a P2 nije bio prisutan (Slika 4F2).Ovaj je rezultat uzrokovan superpozicijom dolaznog krvnog vala kojeg je izbacila lijeva klijetka i reflektiranog vala iz donjih udova (44).Prethodne studije su pokazale da je P2 prisutan u valnim oblicima izmjerenim u gornjim ekstremitetima, ali ne i u gležnju (45, 46).Opazili smo slične rezultate u valnim oblicima mjerenim pomoću TATSA, kao što je prikazano na sl.S21, koji prikazuje tipične podatke iz populacije od 80 pacijenata ovdje proučavanih.Možemo vidjeti da se P2 nije pojavio u ovim valnim oblicima pulsa mjerenim u gležnju, pokazujući sposobnost TATSA da otkrije suptilne značajke unutar valnog oblika.Ovi rezultati mjerenja pulsa pokazuju da naš WMHMS može točno otkriti karakteristike pulsnog vala gornjeg i donjeg dijela tijela i da je bolji od drugih radova (41, 47).Kako bismo dodatno ukazali na to da se naša TATSA može široko primijeniti na različite dobi, izmjerili smo valne oblike pulsa 80 ispitanika različite dobi i prikazali smo neke tipične podatke, kao što je prikazano na sl.S22.Kao što je prikazano na slici 4G, odabrali smo tri sudionika u dobi od 25, 45 i 65 godina, a tri značajke bile su očite za mlade i sredovječne sudionike.Prema medicinskoj literaturi (48), karakteristike valnih oblika pulsa većine ljudi mijenjaju se kako stare, kao što je nestanak točke P2, što je uzrokovano reflektiranim valom koji se pomaknuo naprijed kako bi se superponirao na napredujući val kroz smanjenje elastičnost krvnih žila.Ovaj se fenomen također odražava u valnim oblicima koje smo prikupili, dodatno potvrđujući da se TATSA može primijeniti na različite populacije.
Na valni oblik pulsa ne utječe samo fiziološko stanje pojedinca već i uvjeti ispitivanja.Stoga smo izmjerili pulsne signale pod različitom čvrstoćom kontakta između TATSA i kože (sl. S23) i različitim položajima detekcije na mjestu mjerenja (sl. S24).Može se ustanoviti da TATSA može dobiti konzistentne valne oblike pulsa s detaljnim informacijama oko žile u velikom području učinkovitog otkrivanja na mjestu mjerenja.Osim toga, postoje različiti izlazni signali pod različitom čvrstoćom kontakta između TATSA i kože.Osim toga, kretanje osoba koje nose senzore utjecalo bi na signale pulsa.Kada je ručni zglob subjekta u statičkom stanju, amplituda dobivenog valnog oblika pulsa je stabilna (sl. S25A);obrnuto, kada se zglob polako kreće pod kutom od -70° do 70° tijekom 30 s, amplituda valnog oblika pulsa će fluktuirati (sl. S25B).Međutim, kontura svakog valnog oblika pulsa je vidljiva, a brzina pulsa još uvijek se može točno odrediti.Očito, da bi se postiglo stabilno prikupljanje pulsnog vala u ljudskom kretanju, potrebno je istražiti daljnji rad, uključujući dizajn senzora i pozadinsku obradu signala.
Nadalje, za analizu i kvantitativnu procjenu stanja kardiovaskularnog sustava putem dobivenih pulsnih valnih oblika pomoću naše TATSA, uveli smo dva hemodinamska parametra prema specifikaciji procjene kardiovaskularnog sustava, naime, indeks povećanja (AIx) i brzinu pulsnog vala (PWV), koji predstavljaju elastičnost arterija.Kao što je prikazano na slici 4H, valni oblik pulsa na položaju zapešća 25-godišnjeg zdravog muškarca korišten je za analizu AIx.Prema formuli (odjeljak S1) dobiveno je AIx = 60%, što je normalna vrijednost.Zatim smo istovremeno prikupili dva valna oblika pulsa na položajima ruke i gležnja ovog sudionika (detaljna metoda mjerenja valnog oblika pulsa opisana je u Materijalima i metodama).Kao što je prikazano na slici 4I, značajke dvaju valnih oblika pulsa bile su različite.Zatim smo izračunali PWV prema formuli (odjeljak S1).Dobivena je PWV = 1363 cm/s, što je karakteristična vrijednost očekivana za zdravog odraslog muškarca.S druge strane, možemo vidjeti da na metriku AIx ili PWV ne utječe razlika amplitude valnog oblika pulsa, a vrijednosti AIx u različitim dijelovima tijela su različite.U našem istraživanju korišten je radijalni AIx.Kako bismo provjerili primjenjivost WMHMS-a kod različitih ljudi, odabrali smo 20 sudionika u skupini zdravih, 20 u skupini s hipertenzijom (HTN), 20 u skupini s koronarnom bolesti srca (CHD) u dobi od 50 do 59 godina i 20 u skupini s hipertenzijom (HTN). skupinu dijabetes melitusa (DM).Izmjerili smo njihove pulsne valove i usporedili njihova dva parametra, AIx i PWV, kao što je prikazano na slici 4J.Može se naći da su vrijednosti PWV skupina s HTN-om, CHD-om i DM-om bile niže u usporedbi s onima u zdravoj skupini i imaju statističku razliku (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 i PDM ≪ 0,001; P vrijednosti izračunate su prema t test).U međuvremenu, vrijednosti AIx skupina s HTN i CHD bile su niže u usporedbi sa zdravom skupinom i imaju statističku razliku (PHTN <0,01, PCHD <0,001 i PDM <0,05).PWV i AIx sudionika s CHD-om, HTN-om ili DM bili su viši od onih u zdravoj skupini.Rezultati pokazuju da je TATSA sposoban točno dobiti valni oblik pulsa za izračunavanje kardiovaskularnog parametra za procjenu zdravstvenog stanja kardiovaskularnog sustava.Zaključno, zbog svojih karakteristika bežične veze, visoke razlučivosti, visoke osjetljivosti i udobnosti, WMHMS temeljen na TATSA pruža učinkovitiju alternativu za praćenje u stvarnom vremenu od trenutne skupe medicinske opreme koja se koristi u bolnicama.
Osim pulsnog vala, informacije o disanju također su primarni vitalni znak koji pomaže u procjeni fizičkog stanja pojedinca.Praćenje disanja temeljeno na našoj TATSA privlačnije je od konvencionalne polisomnografije jer se može neprimjetno integrirati u odjeću za veću udobnost.Ušivena u bijelu elastičnu prsnu traku, TATSA je bila izravno vezana za ljudsko tijelo i pričvršćena oko prsa za praćenje disanja (slika 5A i film S7).TATSA se deformirala sa širenjem i skupljanjem prsnog koša, što je rezultiralo električnim izlazom.Dobiveni valni oblik verificiran je na slici 5B.Signal s velikim fluktuacijama (amplituda od 1,8 V) i periodičnim promjenama (frekvencija od 0,5 Hz) odgovarao je respiratornom kretanju.Relativno mali signal fluktuacije superponiran je na ovaj veliki signal fluktuacije, koji je bio signal otkucaja srca.Prema frekvencijskim karakteristikama signala disanja i otkucaja srca, upotrijebili smo niskopropusni filtar od 0,8 Hz i pojasni filtar od 0,8 do 20 Hz za odvajanje respiratornih signala od otkucaja srca, kao što je prikazano na slici 5C. .U ovom slučaju, stabilni respiratorni i pulsni signali s obilnim fiziološkim informacijama (kao što su brzina disanja, brzina otkucaja srca i karakteristične točke pulsnog vala) dobiveni su istovremeno i točno jednostavnim postavljanjem jedne TATSA na prsa.
(A) Fotografija koja prikazuje zaslon TATSA postavljen na prsa za mjerenje signala u tlaku povezanom s disanjem.(B) Grafik napon-vrijeme za TATSA montiranu na prsima.(C) Razlaganje signala (B) na otkucaje srca i valni oblik disanja.(D) Fotografija koja prikazuje dvije TATSA postavljene na abdomen i zapešće za mjerenje disanja i pulsa tijekom spavanja.(E) Respiratorni i pulsni signali zdravog sudionika.HR, otkucaji srca;BPM, otkucaji u minuti.(F) Respiratorni i pulsni signali sudionika SAS-a.(G) Respiratorni signal i PTT zdravog sudionika.(H) Respiratorni signal i PTT sudionika SAS-a.(I) Odnos između PTT indeksa uzbuđenja i indeksa apneje-hipopneje (AHI).Autor fotografije: Wenjing Fan, Sveučilište Chongqing.
Kako bismo dokazali da naš senzor može točno i pouzdano pratiti signale pulsa i disanja, proveli smo eksperiment za usporedbu rezultata mjerenja signala pulsa i disanja između naših TATSA i standardnog medicinskog instrumenta (MHM-6000B), kako je razrađeno u filmovima S8 i S9.U mjerenju pulsnog vala, fotoelektrični senzor medicinskog instrumenta je nosila mlada djevojka na lijevom kažiprstu, au međuvremenu je naša TATSA nosila na desnom kažiprstu.Iz dva dobivena valna oblika pulsa možemo vidjeti da su njihove konture i detalji bili identični, što ukazuje da je puls izmjeren TATSA-om jednako precizan kao onaj medicinskim instrumentom.U mjerenju respiracijskih valova pet elektrokardiografskih elektroda pričvršćeno je na pet područja na tijelu mladića prema medicinskoj uputi.Nasuprot tome, samo je jedna TATSA bila izravno vezana za tijelo i pričvršćena oko prsa.Iz prikupljenih respiratornih signala, može se vidjeti da su tendencija varijacije i brzina detektiranog respiratornog signala od strane naše TATSA bili u skladu s onima od strane medicinskog instrumenta.Ova dva usporedna eksperimenta potvrdila su točnost, pouzdanost i jednostavnost našeg sustava senzora za praćenje pulsa i respiratornih signala.
Nadalje, izradili smo komad pametne odjeće i zašili dvije TATSA na položajima trbuha i zapešća za praćenje respiratornih i pulsnih signala.Točnije, razvijeni dvokanalni WMHMS korišten je za istovremeno hvatanje pulsa i respiratornih signala.Putem ovog sustava dobili smo respiratorne i pulsne signale 25-godišnjeg muškarca odjevenog u našu pametnu odjeću dok spava (slika 5D i film S10) i sjedi (slika S26 i film S11).Dobiveni respiratorni i pulsni signali mogu se bežično prenijeti na APP mobilnog telefona.Kao što je gore spomenuto, TATSA ima sposobnost hvatanja respiratornih i pulsnih signala.Ova dva fiziološka signala također su kriteriji za medicinsku procjenu SAS-a.Stoga se naša TATSA također može koristiti za praćenje i procjenu kvalitete sna i povezanih poremećaja spavanja.Kao što je prikazano na slici 5 (E odnosno F), kontinuirano smo mjerili valne oblike pulsa i disanja dva sudionika, zdravog i pacijenta sa SAS-om.Za osobu bez apneje, izmjerena brzina disanja i puls ostali su stabilni na 15 odnosno 70.Kod bolesnika sa SAS-om uočena je izrazita apneja u trajanju od 24 s, što je indikacija opstruktivnog respiratornog događaja, a otkucaji srca blago su se povećali nakon perioda apneje zbog regulacije živčanog sustava (49).Ukratko, respiratorni status može se procijeniti našom TATSA.
Kako bismo dodatno procijenili vrstu SAS-a putem pulsnih i respiratornih signala, analizirali smo vrijeme prolaza pulsa (PTT), neinvazivni pokazatelj koji odražava promjene u perifernom vaskularnom otporu i intratorakalnom tlaku (definiran u odjeljku S1) zdravog muškarca i pacijenta s SAS.Za zdravog sudionika, brzina disanja ostala je nepromijenjena, a PTT je bio relativno stabilan od 180 do 310 ms (slika 5G).Međutim, za sudionika SAS-a, PTT se neprekidno povećavao sa 120 na 310 ms tijekom apneje (slika 5H).Stoga je sudioniku dijagnosticiran opstruktivni SAS (OSAS).Ako bi se promjena PTT-a smanjila tijekom apneje, tada bi se stanje odredilo kao centralni sindrom apneje u snu (CSAS), a ako bi oba ova dva simptoma postojala istovremeno, tada bi se dijagnosticirao kao miješani SAS (MSAS).Kako bismo procijenili ozbiljnost SAS-a, dodatno smo analizirali prikupljene signale.Indeks PTT uzbuđenja, koji je broj PTT uzbuđenja po satu (PTT uzbuđenje se definira kao pad PTT-a od ≥15 ms koji traje ≥3 s), igra vitalnu ulogu u procjeni stupnja SAS-a.Indeks apneje-hipopneje (AHI) je standard za određivanje stupnja SAS-a (apneja je prestanak disanja, a hipopneja je preplitko disanje ili abnormalno niska frekvencija disanja), koji se definira kao broj apneja i hipopneja po sat vremena tijekom spavanja (odnos između AHI i kriterija ocjene za OSAS prikazan je u tablici S2).Kako bi se istražio odnos između AHI i PTT indeksa uzbuđenja, respiratorni signali 20 pacijenata sa SAS su odabrani i analizirani s TATSA.Kao što je prikazano na slici 5I, PTT indeks uzbuđenja pozitivno je korelirao s AHI, budući da apneja i hipopneja tijekom spavanja uzrokuju očito i prolazno povišenje krvnog tlaka, što dovodi do smanjenja PTT-a.Stoga naša TATSA može dobiti stabilne i točne signale pulsa i disanja istovremeno, pružajući tako važne fiziološke informacije o kardiovaskularnom sustavu i SAS-u za praćenje i procjenu povezanih bolesti.
Ukratko, razvili smo TATSA koristeći cijeli kardiganski šav za otkrivanje različitih fizioloških signala istovremeno.Ovaj senzor je imao visoku osjetljivost od 7,84 mV Pa−1, brzo vrijeme odziva od 20 ms, visoku stabilnost od preko 100 000 ciklusa i široku propusnost radne frekvencije.Na temelju TATSA-e razvijen je i WMHMS za prijenos izmjerenih fizioloških parametara na mobilni telefon.TATSA se može ugraditi u različita mjesta odjeće za estetski dizajn i koristiti za istovremeno praćenje pulsa i respiratornih signala u stvarnom vremenu.Sustav se može primijeniti za pomoć u razlikovanju zdravih pojedinaca od onih s CAD-om ili SAS-om zbog njegove sposobnosti hvatanja detaljnih informacija.Ova je studija pružila udoban, učinkovit i jednostavan pristup za mjerenje ljudskog pulsa i disanja, što predstavlja napredak u razvoju nosive tekstilne elektronike.
Nehrđajući čelik više puta je prolazio kroz kalup i istezao se kako bi se formiralo vlakno promjera 10 μm.Vlakno od nehrđajućeg čelika kao elektroda umetnuto je u nekoliko komada komercijalne jednoslojne terilenske pređe.
Funkcijski generator (Stanford DS345) i pojačalo (LabworkPa-13) korišteni su za dobivanje signala sinusoidnog tlaka.Senzor sile dvostrukog raspona (Vernier Software & Technology LLC) korišten je za mjerenje vanjskog tlaka primijenjenog na TATSA.Elektrometar sustava Keithley (Keithley 6514) korišten je za praćenje i bilježenje izlaznog napona i struje TATSA.
U skladu s AATCC metodom ispitivanja 135-2017, upotrijebili smo TATSA i dovoljno balasta kao punjenje od 1,8 kg, a zatim smo ih stavili u komercijalnu perilicu rublja (Labtex LBT-M6T) za izvođenje osjetljivih ciklusa strojnog pranja.Zatim smo napunili perilicu s 18 galona vode na 25°C i postavili perilicu za odabrani ciklus pranja i vrijeme (brzina miješanja, 119 udaraca u minuti; vrijeme pranja, 6 minuta; konačna brzina centrifuge, 430 okretaja u minuti; konačna vrijeme centrifuge, 3 min).Na kraju, TATSA je osušena na mirnom zraku na sobnoj temperaturi ne višoj od 26°C.
Ispitanici su bili upućeni da leže u ležećem položaju na krevetu.TATSA je postavljena na mjerna mjesta.Nakon što su subjekti bili u standardnom ležećem položaju, održavali su potpuno opušteno stanje 5 do 10 minuta.Signal pulsa je tada počeo mjeriti.
Dodatni materijal za ovaj članak dostupan je na https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Slika S9.Rezultat simulacije raspodjele sile TATSA pod primijenjenim tlakom od 0,2 kPa pomoću softvera COMSOL.
Slika S10.Rezultati simulacije raspodjele sile kontaktne jedinice pod primijenjenim tlakom od 0,2 odnosno 2 kPa.
Slika S11.Kompletne shematske ilustracije prijenosa naboja kontaktne jedinice u uvjetima kratkog spoja.
Slika S13.Kontinuirani izlazni napon i struja TATSA kao odgovor na kontinuirano primijenjen vanjski tlak u mjernom ciklusu.
Slika S14.Odziv napona na različite brojeve jedinica petlje u istom području tkanine kada se broj petlji u smjeru ruba drži nepromijenjenim.
Slika S15.Usporedba između izlaznih performansi dvaju tekstilnih senzora korištenjem punog kardiganskog uboda i običnog uboda.
Slika S16.Grafički prikazi frekvencijskih odziva pri dinamičkom tlaku od 1 kPa i ulaznoj frekvenciji tlaka od 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 i 20 Hz.
Slika S25.Izlazni naponi senzora kada je subjekt bio u statičkim uvjetima i uvjetima kretanja.
Slika S26.Fotografija koja prikazuje TATSA postavljene na abdomen i zapešće istovremeno za mjerenje disanja i pulsa.
Ovo je članak s otvorenim pristupom koji se distribuira prema uvjetima Creative Commons Attribution-NonCommercial licence, koja dopušta korištenje, distribuciju i reprodukciju u bilo kojem mediju, sve dok rezultirajuća uporaba nije za komercijalnu korist i pod uvjetom da je izvorno djelo ispravno citirano.
NAPOMENA: Vašu adresu e-pošte tražimo samo kako bi osoba kojoj preporučujete stranicu znala da ste željeli da je vidi i da to nije bezvrijedna pošta.Ne bilježimo nijednu adresu e-pošte.
Autori Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Za praćenje zdravlja razvijen je triboelektrični potpuno tekstilni senzor s visokom osjetljivošću na pritisak i udobnošću.
Autori Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Za praćenje zdravlja razvijen je triboelektrični potpuno tekstilni senzor s visokom osjetljivošću na pritisak i udobnošću.
© 2020 Američka udruga za napredak znanosti.Sva prava pridržana.AAAS je partner HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef i COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Vrijeme objave: 27. ožujka 2020