Tekstil susunan sensor rajutan mesin yang dapat dicuci untuk pemantauan sinyal fisiologis epidermal yang tepat

Perangkat elektronik tekstil yang dapat dipakai sangat diinginkan untuk mewujudkan manajemen kesehatan yang dipersonalisasi.Namun, sebagian besar produk elektronik tekstil yang dilaporkan dapat secara berkala menargetkan satu sinyal fisiologis atau melewatkan detail eksplisit dari sinyal tersebut, sehingga menyebabkan penilaian kesehatan parsial.Selain itu, tekstil dengan properti dan kenyamanan prima masih menjadi tantangan.Di sini, kami melaporkan rangkaian sensor triboelektrik serba tekstil dengan sensitivitas dan kenyamanan tekanan tinggi.Ini menunjukkan sensitivitas tekanan (7,84 mV Pa−1), waktu respons cepat (20 ms), stabilitas (>100.000 siklus), bandwidth frekuensi kerja yang lebar (hingga 20 Hz), dan kemampuan mencuci dengan mesin (>40 pencucian).TATSA yang dibuat dijahit ke berbagai bagian pakaian untuk memantau gelombang denyut arteri dan sinyal pernapasan secara bersamaan.Kami selanjutnya mengembangkan sistem pemantauan kesehatan untuk penilaian penyakit kardiovaskular dan sindrom apnea tidur jangka panjang dan non-invasif, yang menunjukkan kemajuan besar dalam analisis kuantitatif beberapa penyakit kronis.

Perangkat elektronik yang dapat dipakai mewakili peluang menarik karena penerapannya yang menjanjikan dalam pengobatan yang dipersonalisasi.Mereka dapat memantau kondisi kesehatan seseorang secara terus menerus, real-time, dan non-invasif (1–11).Denyut nadi dan pernapasan, sebagai dua komponen penting dari tanda-tanda vital, dapat memberikan penilaian akurat terhadap keadaan fisiologis dan wawasan yang luar biasa dalam diagnosis dan prognosis penyakit terkait (12-21).Sampai saat ini, sebagian besar perangkat elektronik yang dapat dipakai untuk mendeteksi sinyal fisiologis halus didasarkan pada substrat ultra tipis seperti polietilen tereftalat, polidimetilsiloksan, polimida, kaca, dan silikon (22-26).Kelemahan substrat ini untuk digunakan pada kulit terletak pada formatnya yang planar dan kaku.Oleh karena itu, pita perekat, Band-Aids, atau perlengkapan mekanis lainnya diperlukan untuk menciptakan kontak yang kompak antara perangkat elektronik yang dapat dipakai dan kulit manusia, yang dapat menyebabkan iritasi dan ketidaknyamanan selama penggunaan dalam waktu lama (27, 28).Selain itu, substrat ini memiliki permeabilitas udara yang buruk, sehingga menimbulkan ketidaknyamanan saat digunakan untuk pemantauan kesehatan jangka panjang dan terus menerus.Untuk mengatasi masalah-masalah yang disebutkan di atas dalam layanan kesehatan, terutama dalam penggunaan sehari-hari, tekstil pintar menawarkan solusi yang dapat diandalkan.Tekstil ini memiliki karakteristik kelembutan, ringan, dan mudah bernapas sehingga berpotensi mewujudkan kenyamanan pada perangkat elektronik yang dapat dikenakan.Dalam beberapa tahun terakhir, upaya intensif telah dilakukan untuk mengembangkan sistem berbasis tekstil dalam sensor sensitif, pemanenan energi, dan penyimpanan (29–39).Secara khusus, penelitian yang sukses telah dilaporkan mengenai serat optik, piezoelektrik, dan tekstil cerdas berbasis resistivitas yang diterapkan dalam pemantauan sinyal denyut dan pernapasan (40–43).Namun, tekstil pintar ini biasanya memiliki sensitivitas rendah dan parameter pemantauan tunggal serta tidak dapat diproduksi dalam skala besar (tabel S1).Dalam hal pengukuran denyut nadi, informasi rinci sulit ditangkap karena fluktuasi denyut nadi yang lemah dan cepat (misalnya titik-titik fiturnya), sehingga diperlukan sensitivitas tinggi dan kinerja respons frekuensi yang sesuai.

Dalam studi ini, kami memperkenalkan rangkaian sensor triboelektrik semua-tekstil (TATSA) dengan sensitivitas tinggi untuk menangkap tekanan halus epidermal, dirajut dengan benang konduktif dan nilon dalam jahitan kardigan penuh.TATSA dapat memberikan sensitivitas tekanan tinggi (7,84 mV Pa−1), waktu respons cepat (20 ms), stabilitas (>100.000 siklus), bandwidth frekuensi kerja yang lebar (hingga 20 Hz), dan kemampuan mencuci dengan mesin (>40 pencucian).Ia mampu memadukan dirinya dengan nyaman ke dalam pakaian dengan kebijaksanaan, kenyamanan, dan daya tarik estetika.Khususnya, TATSA kami dapat langsung dimasukkan ke berbagai bagian kain yang sesuai dengan gelombang denyut nadi di posisi leher, pergelangan tangan, ujung jari, dan pergelangan kaki serta gelombang pernapasan di perut dan dada.Untuk mengevaluasi kinerja luar biasa TATSA dalam pemantauan kesehatan real-time dan jarak jauh, kami mengembangkan sistem pemantauan kesehatan cerdas yang dipersonalisasi untuk terus memperoleh dan menyimpan sinyal fisiologis untuk analisis penyakit kardiovaskular (CAD) dan penilaian sindrom apnea tidur (SAS). ).

Seperti diilustrasikan pada Gambar 1A, dua TATSA dijahit ke manset dan dada kemeja untuk memungkinkan pemantauan denyut nadi dan sinyal pernapasan secara dinamis dan simultan.Sinyal fisiologis ini ditransmisikan secara nirkabel ke aplikasi terminal seluler cerdas (APP) untuk analisis status kesehatan lebih lanjut.Gambar 1B menunjukkan TATSA yang dijahit menjadi selembar kain, dan sisipan menunjukkan tampilan TATSA yang diperbesar, yang dirajut menggunakan benang konduktif khas dan benang nilon komersial menjadi satu dalam jahitan kardigan penuh.Dibandingkan dengan jahitan polos dasar, metode rajutan yang paling umum dan mendasar, jahitan kardigan penuh dipilih karena kontak antara kepala simpul dari benang konduktif dan kepala jahitan selip yang berdekatan dari benang nilon (gbr. S1) adalah sebuah permukaan. daripada kontak titik, yang mengarah ke area kerja yang lebih besar untuk efek triboelektrik yang tinggi.Untuk menyiapkan benang konduktif, kami memilih baja tahan karat sebagai serat inti tetap, dan beberapa potong benang Terylene satu lapis dipelintir mengelilingi serat inti menjadi satu benang konduktif dengan diameter 0,2 mm (gbr. S2), yang berfungsi sebagai permukaan elektrifikasi dan elektroda penghantar.Benang nilon yang berdiameter 0,15 mm dan berfungsi sebagai permukaan elektrifikasi lainnya, memiliki gaya tarik yang kuat karena dipelintir oleh benang yang tidak dapat dihitung (gbr. S3).Gambar 1 (masing-masing C dan D) menunjukkan foto-foto fabrikasi benang konduktif dan benang nilon.Sisipan menunjukkan masing-masing gambar pemindaian mikroskop elektron (SEM), yang menampilkan penampang khas benang konduktif dan permukaan benang nilon.Kekuatan tarik yang tinggi dari benang konduktif dan nilon memastikan kemampuan menenunnya pada mesin industri untuk mempertahankan kinerja seragam semua sensor.Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1E, benang konduktif, benang nilon, dan benang biasa dililitkan pada kerucutnya masing-masing, yang kemudian dimasukkan ke dalam mesin rajut datar terkomputerisasi industri untuk penenunan otomatis (film S1).Seperti yang ditunjukkan pada gambar.S4, beberapa TATSA dirajut dengan kain biasa menggunakan mesin industri.Sebuah TATSA tunggal dengan ketebalan 0,85 mm dan berat 0,28 g dapat disesuaikan dari keseluruhan struktur untuk penggunaan individu, sehingga menunjukkan kompatibilitas yang sangat baik dengan kain lain.Selain itu, TATSA dapat dirancang dalam berbagai warna untuk memenuhi persyaratan estetika dan mode karena keragaman benang nilon komersial (Gbr. 1F dan Gbr. S5).TATSA yang dibuat memiliki kelembutan yang sangat baik dan kemampuan untuk menahan pembengkokan atau deformasi yang keras (gbr. S6).Gambar 1G menunjukkan TATSA yang dijahit langsung ke bagian perut dan manset sweter.Proses merajut sweter ditunjukkan pada gambar.S7 dan film S2.Detail bagian depan dan belakang TATSA yang diregangkan pada posisi perut ditunjukkan pada gambar.S8 (A dan B, masing-masing), dan posisi benang konduktif dan benang nilon diilustrasikan pada gambar.S8C.Dapat dilihat di sini bahwa TATSA dapat disematkan pada kain biasa dengan mulus untuk menghasilkan tampilan yang bijaksana dan cerdas.

(A) Dua TATSA diintegrasikan ke dalam kemeja untuk memantau sinyal denyut nadi dan pernapasan secara real time.(B) Ilustrasi skema kombinasi TATSA dan pakaian.Sisipan menunjukkan tampilan sensor yang diperbesar.(C) Foto benang konduktif (batang skala, 4 cm).Sisipannya adalah gambar SEM dari penampang benang konduktif (batang skala, 100 μm), yang terdiri dari baja tahan karat dan benang Terylene.(D) Foto benang nilon (batang skala, 4 cm).Sisipannya adalah gambar SEM dari permukaan benang nilon (batang skala, 100 μm).(E) Gambar mesin rajut datar terkomputerisasi yang melakukan tenun otomatis TATSA.(F) Foto TATSA dalam berbagai warna (batang skala, 2 cm).Sisipannya adalah TATSA bengkok, yang menunjukkan kelembutan luar biasa.(G) Foto dua TATSA yang dijahit lengkap dan mulus ke dalam sweter.Kredit foto: Penggemar Wenjing, Universitas Chongqing.

Untuk menganalisis mekanisme kerja TATSA, termasuk sifat mekanik dan listriknya, kami membuat model rajutan geometris TATSA, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2A.Dengan menggunakan jahitan kardigan penuh, benang konduktif dan nilon saling bertautan dalam bentuk unit loop dalam arah jalur dan wale.Struktur simpul tunggal (gbr. S1) terdiri dari kepala simpul, lengan simpul, bagian menyilang, lengan jahitan selip, dan kepala jahitan selip.Dua bentuk permukaan kontak antara dua benang yang berbeda dapat ditemukan: (i) permukaan kontak antara kepala simpul dari benang konduktif dan kepala jahitan selip dari benang nilon dan (ii) permukaan kontak antara kepala simpul dari benang nilon. benang nilon dan kepala jahitan selip dari benang konduktif.

(A) TATSA dengan sisi depan, kanan, dan atas simpul rajutan.(B) Hasil simulasi distribusi gaya TATSA pada tekanan 2 kPa menggunakan perangkat lunak COMSOL.(C) Ilustrasi skema transfer muatan unit kontak dalam kondisi hubung singkat.(D) Hasil simulasi distribusi muatan unit kontak pada kondisi rangkaian terbuka menggunakan software COMSOL.

Prinsip kerja TATSA dapat dijelaskan dalam dua aspek: rangsangan gaya luar dan muatan induksinya.Untuk memahami secara intuitif distribusi tegangan sebagai respons terhadap stimulus gaya eksternal, kami menggunakan analisis elemen hingga menggunakan perangkat lunak COMSOL pada gaya eksternal berbeda sebesar 2 dan 0,2 kPa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2B dan Gambar.S9.Tegangan muncul pada permukaan kontak dua benang.Seperti yang ditunjukkan pada gambar.S10, kami mempertimbangkan dua unit loop untuk memperjelas distribusi tegangan.Dalam membandingkan distribusi tegangan di bawah dua gaya eksternal yang berbeda, tegangan pada permukaan benang konduktif dan nilon meningkat seiring dengan meningkatnya gaya eksternal, sehingga terjadi kontak dan ekstrusi antara kedua benang.Setelah gaya luar dilepaskan, kedua benang terpisah dan menjauh satu sama lain.

Pergerakan pemisahan kontak antara benang konduktif dan benang nilon menginduksi perpindahan muatan, yang disebabkan oleh gabungan triboelektrifikasi dan induksi elektrostatis.Untuk memperjelas proses pembangkitan listrik, kami menganalisis penampang area di mana kedua benang saling bersentuhan (Gbr. 2C1).Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (masing-masing C2 dan C3), ketika TATSA distimulasi oleh gaya eksternal dan dua benang bersentuhan satu sama lain, elektrifikasi terjadi pada permukaan benang konduktif dan nilon, dan muatan setara dengan berlawanan polaritas dihasilkan pada permukaan dua benang.Setelah kedua benang terpisah, muatan positif diinduksikan pada baja tahan karat bagian dalam karena efek induksi elektrostatis.Skema lengkap ditunjukkan pada gambar.S11.Untuk memperoleh pemahaman yang lebih kuantitatif tentang proses pembangkitan listrik, kami mensimulasikan distribusi potensial TATSA menggunakan perangkat lunak COMSOL (Gbr. 2D).Ketika kedua bahan bersentuhan, sebagian besar muatan terkumpul pada bahan gesekan, dan hanya sejumlah kecil muatan induksi yang ada pada elektroda, sehingga menghasilkan potensial yang kecil (Gbr. 2D, bawah).Ketika kedua bahan dipisahkan (Gbr. 2D, atas), muatan induksi pada elektroda meningkat karena perbedaan potensial, dan potensial yang bersangkutan meningkat, yang menunjukkan kesesuaian yang baik antara hasil yang diperoleh dari eksperimen dan hasil dari simulasi. .Selain itu, karena elektroda penghantar TATSA dibungkus dengan benang Terylene dan kulit bersentuhan dengan kedua bahan gesekan tersebut, oleh karena itu, ketika TATSA dikenakan langsung ke kulit, muatannya bergantung pada gaya eksternal dan tidak akan terjadi. dilemahkan oleh kulit.

Untuk mengkarakterisasi kinerja TATSA kami dalam berbagai aspek, kami menyediakan sistem pengukuran yang berisi generator fungsi, penguat daya, pengocok elektrodinamik, pengukur gaya, elektrometer, dan komputer (gbr. S12).Sistem ini menghasilkan tekanan dinamis eksternal hingga 7 kPa.Dalam percobaannya, TATSA ditempatkan pada lembaran plastik datar dalam keadaan bebas, dan sinyal listrik keluarannya dicatat oleh elektrometer.

Spesifikasi benang konduktif dan nilon mempengaruhi kinerja keluaran TATSA karena menentukan permukaan kontak dan kapasitas untuk merasakan tekanan eksternal.Untuk menyelidiki hal ini, kami membuat tiga ukuran dari dua benang, masing-masing: benang konduktif dengan ukuran 150D/3, 210D/3, dan 250D/3 dan benang nilon dengan ukuran 150D/6, 210D/6, dan 250D /6 (D, denier; satuan ukuran yang digunakan untuk menentukan ketebalan serat masing-masing benang; kain dengan jumlah denier tinggi cenderung tebal).Kemudian, kami memilih dua benang ini dengan ukuran berbeda untuk dirajut menjadi sensor, dan dimensi TATSA dijaga pada 3 cm kali 3 cm dengan nomor loop 16 pada arah wale dan 10 pada arah lintasan.Dengan demikian, diperoleh sensor dengan sembilan pola rajutan.Sensor dengan benang konduktif ukuran 150D/3 dan benang nilon ukuran 150D/6 merupakan yang paling tipis, dan sensor dengan benang konduktif ukuran 250D/3 dan benang nilon ukuran 250D/ 6 adalah yang paling tebal.Di bawah eksitasi mekanis 0,1 hingga 7 kPa, keluaran listrik untuk pola ini diselidiki dan diuji secara sistematis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3A.Tegangan keluaran dari sembilan TATSA meningkat seiring dengan peningkatan tekanan yang diberikan, dari 0,1 menjadi 4 kPa.Secara khusus, dari semua pola rajutan, spesifikasi benang konduktif 210D/3 dan benang nilon 210D/6 menghasilkan output listrik tertinggi dan menunjukkan sensitivitas tertinggi.Tegangan keluaran menunjukkan tren meningkat seiring dengan bertambahnya ketebalan TATSA (karena permukaan kontak yang cukup) hingga TATSA dirajut menggunakan benang konduktif 210D/3 dan benang nilon 210D/6.Karena peningkatan ketebalan lebih lanjut akan menyebabkan penyerapan tekanan eksternal oleh benang, tegangan keluaran pun menurun.Lebih lanjut, perlu dicatat bahwa di wilayah tekanan rendah (<4 kPa), variasi linier yang baik pada tegangan keluaran dengan tekanan memberikan sensitivitas tekanan yang unggul sebesar 7,84 mV Pa−1.Di wilayah bertekanan tinggi (>4 kPa), sensitivitas tekanan yang lebih rendah sebesar 0,31 mV Pa−1 diamati secara eksperimental karena kejenuhan area gesekan efektif.Sensitivitas tekanan serupa ditunjukkan selama proses penerapan gaya yang berlawanan.Profil waktu konkrit dari tegangan dan arus keluaran pada tekanan yang berbeda disajikan pada gambar.S13 (A dan B, masing-masing).

(A) Tegangan keluaran pada sembilan pola rajutan benang konduktif (150D/3, 210D/3, dan 250D/3) dikombinasikan dengan benang nilon (150D/6, 210D/6, dan 250D/6).(B) Respon tegangan terhadap berbagai jumlah unit loop dalam area kain yang sama ketika nomor loop dalam arah wale tidak berubah.(C) Plot yang menunjukkan respons frekuensi pada tekanan dinamis 1 kPa dan frekuensi masukan tekanan 1 Hz.(D) Perbedaan tegangan keluaran dan arus di bawah frekuensi 1, 5, 10, dan 20 Hz.(E) Uji ketahanan TATSA pada tekanan 1 kPa.(F) Karakteristik keluaran TATSA setelah pencucian 20 dan 40 kali.

Sensitivitas dan tegangan keluaran juga dipengaruhi oleh kepadatan jahitan TATSA, yang ditentukan oleh jumlah loop pada area kain yang diukur.Peningkatan kepadatan jahitan akan menyebabkan struktur kain semakin kompak.Gambar 3B menunjukkan kinerja keluaran pada nomor putaran yang berbeda pada area tekstil 3 cm kali 3 cm, dan sisipan menggambarkan struktur unit putaran (kami menjaga nomor putaran pada arah lintasan pada 10, dan nomor putaran dalam arah lintasan pada 10, dan nomor putaran dalam arah lintasan pada 10). arah wale adalah 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, dan 26).Dengan bertambahnya jumlah loop, tegangan keluaran mula-mula menunjukkan tren meningkat karena permukaan kontak meningkat, hingga puncak tegangan keluaran maksimum 7,5 V dengan jumlah loop 180. Setelah itu, tegangan keluaran mengikuti tren menurun karena TATSA menjadi ketat, dan kedua benang memiliki ruang pemisahan kontak yang berkurang.Untuk mengetahui ke arah mana kepadatan mempunyai dampak yang besar pada keluaran, kami menjaga nomor putaran TATSA pada arah wale sebesar 18, dan nomor putaran pada arah lintasan ditetapkan menjadi 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, dan 14. Tegangan keluaran yang sesuai ditunjukkan pada gambar.S14.Sebagai perbandingan, kita dapat melihat bahwa kerapatan pada arah aliran memiliki pengaruh yang lebih besar terhadap tegangan keluaran.Hasilnya, pola rajutan dari benang konduktif 210D/3 dan benang nilon 210D/6 serta unit 180 loop dipilih untuk merajut TATSA setelah evaluasi komprehensif terhadap karakteristik keluaran.Selanjutnya, kami membandingkan sinyal keluaran dua sensor tekstil yang menggunakan jahitan kardigan penuh dan jahitan polos.Seperti yang ditunjukkan pada gambar.S15, keluaran listrik dan sensitivitas menggunakan jahitan full cardigan jauh lebih tinggi dibandingkan dengan menggunakan jahitan polos.

Waktu respons untuk memantau sinyal waktu nyata diukur.Untuk memeriksa waktu respons sensor kami terhadap gaya eksternal, kami membandingkan sinyal tegangan keluaran dengan masukan tekanan dinamis pada frekuensi 1 hingga 20 Hz (masing-masing Gambar 3C dan Gambar S16).Bentuk gelombang tegangan keluaran hampir identik dengan gelombang tekanan sinusoidal masukan pada tekanan 1 kPa, dan bentuk gelombang keluaran memiliki waktu respons yang cepat (sekitar 20 ms).Histeresis ini mungkin disebabkan oleh struktur elastis yang tidak kembali ke keadaan semula sesegera mungkin setelah menerima gaya eksternal.Meskipun demikian, histeresis kecil ini dapat diterima untuk pemantauan waktu nyata.Untuk mendapatkan tekanan dinamis dengan rentang frekuensi tertentu, diharapkan respon frekuensi TATSA yang sesuai.Dengan demikian, karakteristik frekuensi TATSA juga diuji.Dengan meningkatkan frekuensi rangsangan eksternal, amplitudo tegangan keluaran hampir tidak berubah, sedangkan amplitudo arus meningkat ketika frekuensi penyadapan bervariasi dari 1 hingga 20 Hz (Gbr. 3D).

Untuk mengevaluasi pengulangan, stabilitas, dan daya tahan TATSA, kami menguji tegangan keluaran dan respons arus terhadap siklus bongkar muat tekanan.Tekanan 1 kPa dengan frekuensi 5 Hz diterapkan pada sensor.Tegangan dan arus puncak ke puncak dicatat setelah 100.000 siklus bongkar muat (masing-masing Gambar 3E dan Gambar S17).Tampilan tegangan dan bentuk gelombang arus yang diperbesar ditunjukkan pada inset Gambar 3E dan gambar.S17, masing-masing.Hasilnya menunjukkan kemampuan pengulangan, stabilitas, dan daya tahan TATSA yang luar biasa.Kemampuan mencuci juga merupakan kriteria penilaian penting TATSA sebagai perangkat yang seluruhnya terbuat dari tekstil.Untuk mengevaluasi kemampuan mencuci, kami menguji tegangan keluaran sensor setelah kami mencuci TATSA dengan mesin menurut Metode Uji American Association of Textile Chemists and Colorists (AATCC) 135-2017.Prosedur pencucian secara rinci dijelaskan dalam Bahan dan Metode.Seperti ditunjukkan pada Gambar 3F, keluaran listrik dicatat setelah pencucian 20 kali dan 40 kali, yang menunjukkan bahwa tidak ada perubahan nyata pada tegangan keluaran selama pengujian pencucian.Hasil ini memverifikasi kemampuan TATSA untuk dicuci yang luar biasa.Sebagai sensor tekstil yang dapat dipakai, kami juga mengeksplorasi kinerja keluaran saat TATSA berada dalam kondisi tarik (gbr. S18), terpelintir (gbr. S19), dan kelembapan yang berbeda (gbr. S20).

Berdasarkan berbagai keunggulan TATSA yang ditunjukkan di atas, kami mengembangkan sistem pemantauan kesehatan seluler nirkabel (WMHMS), yang memiliki kemampuan untuk terus memperoleh sinyal fisiologis dan kemudian memberikan nasihat profesional kepada pasien.Gambar 4A menunjukkan diagram skema WMHMS berdasarkan TATSA.Sistem ini memiliki empat komponen: TATSA untuk memperoleh sinyal fisiologis analog, rangkaian pengkondisian analog dengan filter low-pass (MAX7427) dan amplifier (MAX4465) untuk memastikan detail yang memadai dan sinkronisasi sinyal yang sangat baik, analog-ke-digital konverter berdasarkan unit mikrokontroler untuk mengumpulkan dan mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital, dan modul Bluetooth (chip Bluetooth berdaya rendah CC2640) untuk mengirimkan sinyal digital ke aplikasi terminal ponsel (APP; Huawei Honor 9).Dalam penelitian ini, kami menjahit TATSA dengan mulus ke dalam renda, gelang, ujung jari, dan kaus kaki, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4B.

(A) Ilustrasi WMHMS.(B) Foto TATSA yang masing-masing dijahit pada gelang, jari, kaus kaki, dan tali dada.Pengukuran denyut nadi pada (C1) leher, (D1) pergelangan tangan, (E1) ujung jari, dan (F1) pergelangan kaki.Bentuk gelombang nadi di leher (C2), pergelangan tangan (D2), ujung jari (E2), dan pergelangan kaki (F2).(G) Bentuk gelombang pulsa dari berbagai usia.(H) Analisis gelombang pulsa tunggal.Indeks augmentasi radial (AIx) didefinisikan sebagai AIx (%) = P2/P1.P1 adalah puncak gelombang maju, dan P2 adalah puncak gelombang pantulan.(I) Siklus denyut brakialis dan pergelangan kaki.Kecepatan gelombang pulsa (PWV) didefinisikan sebagai PWV = D/∆T.D adalah jarak antara pergelangan kaki dan brakialis.∆T adalah waktu tunda antara puncak gelombang nadi pergelangan kaki dan brakialis.PTT, waktu transit pulsa.(J) Perbandingan AIx dan PWV brachial-ankle (BAPWV) antara sehat dan CAD.*P < 0,01, **P < 0,001, dan ***P < 0,05.hipertensi, hipertensi;PJK, penyakit jantung koroner;DM, diabetes melitus.Kredit foto: Jin Yang, Universitas Chongqing.

Untuk memantau sinyal denyut nadi dari berbagai bagian tubuh manusia, kami memasang dekorasi yang disebutkan di atas dengan TATSA ke posisi yang sesuai: leher (Gbr. 4C1), pergelangan tangan (Gbr. 4D1), ujung jari (Gbr. 4E1), dan pergelangan kaki (Gbr. 4F1) ), seperti yang diuraikan dalam film S3 hingga S6.Dalam kedokteran, ada tiga titik ciri penting dalam gelombang pulsa: puncak gelombang maju P1, puncak gelombang pantulan P2, dan puncak gelombang dikrotik P3.Ciri-ciri titik ciri ini mencerminkan keadaan kesehatan elastisitas arteri, resistensi perifer, dan kontraktilitas ventrikel kiri yang berkaitan dengan sistem kardiovaskular.Bentuk gelombang denyut nadi seorang wanita berusia 25 tahun pada empat posisi di atas diperoleh dan dicatat dalam pengujian kami.Perhatikan bahwa tiga titik fitur yang dapat dibedakan (P1 hingga P3) diamati pada bentuk gelombang denyut di posisi leher, pergelangan tangan, dan ujung jari, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 (C2 hingga E2).Sebaliknya, hanya P1 dan P3 yang muncul pada bentuk gelombang nadi pada posisi pergelangan kaki, dan P2 tidak muncul (Gbr. 4F2).Hasil ini disebabkan oleh superposisi gelombang darah masuk yang dikeluarkan oleh ventrikel kiri dan gelombang pantulan dari ekstremitas bawah (44).Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa P2 muncul dalam bentuk gelombang yang diukur pada ekstremitas atas tetapi tidak pada pergelangan kaki (45, 46).Kami mengamati hasil serupa dalam bentuk gelombang yang diukur dengan TATSA, seperti yang ditunjukkan pada gambar.S21, yang menunjukkan data tipikal dari populasi 80 pasien yang diteliti di sini.Kita dapat melihat bahwa P2 tidak muncul dalam bentuk gelombang pulsa yang diukur di pergelangan kaki, menunjukkan kemampuan TATSA untuk mendeteksi fitur halus dalam bentuk gelombang.Hasil pengukuran denyut nadi ini menunjukkan bahwa WMHMS kami dapat secara akurat mengungkapkan karakteristik gelombang denyut nadi tubuh bagian atas dan bawah dan lebih unggul daripada karya lain (41, 47).Untuk lebih menunjukkan bahwa TATSA kami dapat diterapkan secara luas pada usia yang berbeda, kami mengukur bentuk gelombang denyut dari 80 subjek pada usia yang berbeda, dan kami menunjukkan beberapa data tipikal, seperti yang ditunjukkan pada gambar.S22.Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4G, kami memilih tiga peserta berusia 25, 45, dan 65 tahun, dan tiga poin fitur terlihat jelas bagi peserta muda dan paruh baya.Menurut literatur medis (48), karakteristik bentuk gelombang nadi kebanyakan orang berubah seiring bertambahnya usia, seperti hilangnya titik P2, yang disebabkan oleh gelombang pantulan yang bergerak maju dan menimpa gelombang maju melalui penurunan. elastisitas pembuluh darah.Fenomena ini juga tercermin dalam bentuk gelombang yang kami kumpulkan, yang selanjutnya memverifikasi bahwa TATSA dapat diterapkan pada populasi yang berbeda.

Bentuk gelombang pulsa dipengaruhi tidak hanya oleh keadaan fisiologis individu tetapi juga oleh kondisi pengujian.Oleh karena itu, kami mengukur sinyal pulsa di bawah kekencangan kontak yang berbeda antara TATSA dan kulit (gbr. S23) dan berbagai posisi deteksi di lokasi pengukuran (gbr. S24).Dapat ditemukan bahwa TATSA dapat memperoleh bentuk gelombang pulsa yang konsisten dengan informasi rinci di sekitar kapal dalam area deteksi efektif yang besar di lokasi pengukuran.Selain itu, terdapat sinyal keluaran yang berbeda pada kekencangan kontak yang berbeda antara TATSA dan kulit.Selain itu, gerakan individu yang memakai sensor akan mempengaruhi sinyal pulsa.Ketika pergelangan tangan subjek dalam kondisi statis, amplitudo bentuk gelombang pulsa yang diperoleh stabil (gbr. S25A);sebaliknya, ketika pergelangan tangan bergerak perlahan pada sudut −70° hingga 70° selama 30 detik, amplitudo bentuk gelombang pulsa akan berfluktuasi (gbr. S25B).Namun, kontur setiap bentuk gelombang pulsa terlihat, dan denyut nadi masih dapat diperoleh secara akurat.Tentu saja, untuk mencapai perolehan gelombang pulsa yang stabil dalam gerakan manusia, diperlukan penelitian lebih lanjut termasuk desain sensor dan pemrosesan sinyal back-end.

Selanjutnya, untuk menganalisis dan menilai secara kuantitatif kondisi sistem kardiovaskular melalui bentuk gelombang nadi yang diperoleh menggunakan TATSA kami, kami memperkenalkan dua parameter hemodinamik sesuai dengan spesifikasi penilaian sistem kardiovaskular, yaitu indeks augmentasi (AIx) dan kecepatan gelombang nadi. (PWV), yang mewakili elastisitas arteri.Seperti ditunjukkan pada Gambar. 4H, bentuk gelombang nadi pada posisi pergelangan tangan pria sehat berusia 25 tahun digunakan untuk analisis AIx.Berdasarkan rumus (bagian S1), diperoleh AIx = 60% yang merupakan nilai normal.Kemudian, kami secara bersamaan mengumpulkan dua bentuk gelombang denyut nadi pada posisi lengan dan pergelangan kaki peserta ini (metode rinci pengukuran bentuk gelombang denyut nadi dijelaskan dalam Bahan dan Metode).Seperti ditunjukkan pada Gambar. 4I, titik fitur dari dua bentuk gelombang pulsa berbeda.Kami kemudian menghitung PWV sesuai dengan rumus (bagian S1).PWV = 1363 cm/s, yang merupakan nilai karakteristik yang diharapkan dari pria dewasa sehat, diperoleh.Di sisi lain, kita dapat melihat bahwa metrik AIx atau PWV tidak dipengaruhi oleh perbedaan amplitudo bentuk gelombang pulsa, dan nilai AIx di berbagai bagian tubuh berbeda-beda.Dalam penelitian kami, AIx radial digunakan.Untuk memverifikasi penerapan WMHMS pada orang yang berbeda, kami memilih 20 peserta dalam kelompok sehat, 20 orang dalam kelompok hipertensi (HTN), 20 orang dalam kelompok penyakit jantung koroner (PJK) berusia 50 hingga 59 tahun, dan 20 orang dalam kelompok penyakit jantung koroner. kelompok diabetes melitus (DM).Kami mengukur gelombang pulsa dan membandingkan dua parameternya, AIx dan PWV, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4J.Terlihat bahwa nilai PWV kelompok HTN, PJK, dan DM lebih rendah dibandingkan kelompok sehat dan mempunyai perbedaan statistik (PHTN ≪ 0.001, PCHD ≪ 0.001, dan PDM ≪ 0.001; nilai P dihitung dengan t tes).Sedangkan nilai AIx kelompok HTN dan PJK lebih rendah dibandingkan kelompok sehat dan mempunyai perbedaan statistik (PHTN < 0,01, PCHD < 0,001, dan PDM < 0,05).PWV dan AIx peserta dengan PJK, HTN, atau DM lebih tinggi dibandingkan kelompok sehat.Hasilnya menunjukkan bahwa TATSA mampu memperoleh bentuk gelombang denyut nadi secara akurat untuk menghitung parameter kardiovaskular guna menilai status kesehatan kardiovaskular.Kesimpulannya, karena karakteristik dan kenyamanannya yang nirkabel, resolusi tinggi, sensitivitas tinggi, WMHMS berdasarkan TATSA memberikan alternatif yang lebih efisien untuk pemantauan waktu nyata dibandingkan peralatan medis mahal yang saat ini digunakan di rumah sakit.

Selain gelombang nadi, informasi pernapasan juga merupakan tanda vital utama untuk membantu menilai kondisi fisik seseorang.Pemantauan pernapasan berdasarkan TATSA kami lebih menarik dibandingkan polisomnografi konvensional karena dapat diintegrasikan secara mulus ke dalam pakaian untuk kenyamanan yang lebih baik.Dijahit menjadi tali dada elastis berwarna putih, TATSA diikat langsung ke tubuh manusia dan diamankan di sekitar dada untuk memantau pernapasan (Gbr. 5A dan film S7).TATSA berubah bentuk seiring dengan perluasan dan kontraksi tulang rusuk, menghasilkan keluaran listrik.Bentuk gelombang yang diperoleh diverifikasi pada Gambar 5B.Sinyal dengan fluktuasi besar (amplitudo 1,8 V) dan perubahan periodik (frekuensi 0,5 Hz) berhubungan dengan gerakan pernapasan.Sinyal fluktuasi yang relatif kecil ditumpangkan pada sinyal fluktuasi besar ini, yaitu sinyal detak jantung.Menurut karakteristik frekuensi sinyal pernapasan dan detak jantung, kami menggunakan filter low-pass 0,8 Hz dan filter band-pass 0,8 hingga 20 Hz untuk memisahkan sinyal pernapasan dan detak jantung, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. .Dalam hal ini, sinyal pernapasan dan denyut nadi yang stabil dengan informasi fisiologis yang melimpah (seperti laju pernapasan, detak jantung, dan titik fitur gelombang denyut nadi) diperoleh secara bersamaan dan akurat hanya dengan menempatkan satu TATSA di dada.

(A) Foto yang menunjukkan tampilan TATSA yang ditempatkan di dada untuk mengukur sinyal tekanan yang berhubungan dengan pernapasan.(B) Plot tegangan-waktu untuk TATSA yang dipasang di dada.(C) Penguraian sinyal (B) menjadi detak jantung dan bentuk gelombang pernafasan.(D) Foto menunjukkan dua TATSA ditempatkan di perut dan pergelangan tangan untuk mengukur pernapasan dan denyut nadi, selama tidur.(E) Sinyal pernapasan dan denyut nadi peserta yang sehat.SDM, detak jantung;BPM, detak per menit.(F) Sinyal pernapasan dan denyut nadi peserta SAS.(G) Sinyal pernafasan dan PTT peserta yang sehat.(H) Sinyal pernapasan dan PTT peserta SAS.(I) Hubungan antara indeks gairah PTT dan indeks apnea-hypopnea (AHI).Kredit foto: Penggemar Wenjing, Universitas Chongqing.

Untuk membuktikan bahwa sensor kami dapat memantau sinyal denyut nadi dan pernapasan secara akurat dan andal, kami melakukan eksperimen untuk membandingkan hasil pengukuran sinyal denyut nadi dan pernapasan antara TATSA kami dan instrumen medis standar (MHM-6000B), seperti yang dijelaskan dalam film S8 dan S9.Dalam pengukuran gelombang pulsa, sensor fotolistrik alat kesehatan dikenakan di jari telunjuk kiri seorang gadis muda, sedangkan TATSA kami dikenakan di jari telunjuk kanannya.Dari dua bentuk gelombang denyut nadi yang diperoleh, kita dapat melihat bahwa kontur dan detailnya identik, yang menunjukkan bahwa denyut nadi yang diukur dengan TATSA sama persis dengan denyut nadi yang diukur oleh instrumen medis.Dalam pengukuran gelombang respirasi, lima elektroda elektrokardiografi dipasang pada lima area tubuh seorang pemuda sesuai petunjuk medis.Sebaliknya, hanya satu TATSA yang diikat langsung ke badan dan diikatkan di dada.Dari sinyal pernapasan yang dikumpulkan, terlihat bahwa kecenderungan variasi dan kecepatan sinyal pernapasan yang terdeteksi oleh TATSA kami konsisten dengan instrumen medis.Kedua eksperimen perbandingan ini memvalidasi keakuratan, keandalan, dan kesederhanaan sistem sensor kami untuk memantau sinyal denyut nadi dan pernapasan.

Selain itu, kami membuat sepotong pakaian pintar dan menjahit dua TATSA di posisi perut dan pergelangan tangan untuk memantau sinyal pernapasan dan denyut nadi.Secara khusus, WMHMS saluran ganda yang dikembangkan digunakan untuk menangkap sinyal denyut nadi dan pernapasan secara bersamaan.Melalui sistem ini, kami memperoleh sinyal pernapasan dan denyut nadi seorang pria berusia 25 tahun yang mengenakan pakaian pintar saat tidur (Gbr. 5D dan film S10) dan duduk (Gbr. S26 dan film S11).Sinyal pernapasan dan denyut nadi yang diperoleh dapat ditransmisikan secara nirkabel ke APP di ponsel.Seperti disebutkan di atas, TATSA memiliki kemampuan menangkap sinyal pernapasan dan denyut nadi.Kedua sinyal fisiologis ini juga menjadi kriteria untuk memperkirakan SAS secara medis.Oleh karena itu, TATSA kami juga dapat digunakan untuk memantau dan menilai kualitas tidur dan gangguan tidur terkait.Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 (masing-masing E dan F), kami terus mengukur bentuk gelombang denyut nadi dan pernapasan dari dua peserta, yang sehat dan pasien dengan SAS.Untuk orang tanpa apnea, laju pernapasan dan denyut nadi tetap stabil pada angka 15 dan 70.Untuk pasien dengan SAS, apnea yang berbeda selama 24 detik, yang merupakan indikasi kejadian obstruksi pernafasan, diamati, dan denyut jantung sedikit meningkat setelah periode apnea karena regulasi sistem saraf (49).Singkatnya, status pernapasan dapat dievaluasi dengan TATSA kami.

Untuk menilai lebih lanjut jenis SAS melalui sinyal denyut nadi dan pernapasan, kami menganalisis waktu transit denyut nadi (PTT), sebuah indikator noninvasif yang mencerminkan perubahan resistensi pembuluh darah perifer dan tekanan intratoraks (didefinisikan di bagian S1) pada pria sehat dan pasien dengan SAS. SAS.Untuk peserta yang sehat, laju pernapasan tetap tidak berubah, dan PTT relatif stabil dari 180 hingga 310 ms (Gbr. 5G).Namun, untuk peserta SAS, PTT meningkat terus menerus dari 120 menjadi 310 ms selama apnea (Gbr. 5H).Dengan demikian, peserta didiagnosis menderita SAS obstruktif (OSAS).Jika perubahan PTT menurun selama apnea, maka kondisi tersebut akan ditentukan sebagai sindrom apnea tidur sentral (CSAS), dan jika kedua gejala tersebut muncul secara bersamaan, maka akan didiagnosis sebagai SAS campuran (MSAS).Untuk menilai tingkat keparahan SAS, kami menganalisis lebih lanjut sinyal yang dikumpulkan.Indeks gairah PTT, yang merupakan jumlah gairah PTT per jam (gairah PTT didefinisikan sebagai penurunan PTT ≥15 ms yang berlangsung selama ≥3 detik), memainkan peran penting dalam mengevaluasi derajat SAS.Indeks apnea-hypopnea (AHI) adalah standar untuk menentukan derajat SAS (apnea adalah berhentinya pernapasan, dan hipopnea adalah pernapasan yang terlalu dangkal atau laju pernapasan rendah yang tidak normal), yang didefinisikan sebagai jumlah apnea dan hipopnea per jam saat tidur (hubungan antara AHI dan kriteria pemeringkatan OSAS ditunjukkan pada tabel S2).Untuk menyelidiki hubungan antara AHI dan indeks gairah PTT, sinyal pernapasan dari 20 pasien SAS dipilih dan dianalisis dengan TATSA.Seperti ditunjukkan pada Gambar 5I, indeks gairah PTT berkorelasi positif dengan AHI, karena apnea dan hipopnea selama tidur menyebabkan peningkatan tekanan darah yang jelas dan sementara, yang menyebabkan penurunan PTT.Oleh karena itu, TATSA kami dapat memperoleh sinyal denyut nadi dan pernapasan yang stabil dan akurat secara bersamaan, sehingga memberikan informasi fisiologis penting tentang sistem kardiovaskular dan SAS untuk pemantauan dan evaluasi penyakit terkait.

Singkatnya, kami mengembangkan TATSA menggunakan jahitan kardigan penuh untuk mendeteksi sinyal fisiologis yang berbeda secara bersamaan.Sensor ini memiliki sensitivitas tinggi 7,84 mV Pa−1, waktu respons cepat 20 ms, stabilitas tinggi lebih dari 100.000 siklus, dan bandwidth frekuensi kerja yang lebar.Berdasarkan TATSA, WMHMS juga dikembangkan untuk mengirimkan parameter fisiologis yang diukur ke telepon seluler.TATSA dapat dimasukkan ke dalam berbagai situs pakaian untuk desain estetika dan digunakan untuk memantau denyut nadi dan sinyal pernapasan secara bersamaan secara real-time.Sistem ini dapat diterapkan untuk membantu membedakan antara individu sehat dan penderita CAD atau SAS karena kemampuannya menangkap informasi rinci.Studi ini memberikan pendekatan yang nyaman, efisien, dan mudah digunakan untuk mengukur denyut nadi dan pernapasan manusia, yang mewakili kemajuan dalam pengembangan elektronik tekstil yang dapat dikenakan.

Baja tahan karat berulang kali melewati cetakan dan diregangkan hingga membentuk serat dengan diameter 10 μm.Serat baja tahan karat sebagai elektroda dimasukkan ke dalam beberapa potong benang Terylene satu lapis komersial.

Generator fungsi (Stanford DS345) dan penguat (LabworkPa-13) digunakan untuk memberikan sinyal tekanan sinusoidal.Sensor gaya rentang ganda (Vernier Software & Technology LLC) digunakan untuk mengukur tekanan eksternal yang diterapkan pada TATSA.Elektrometer sistem Keithley (Keithley 6514) digunakan untuk memantau dan mencatat tegangan keluaran dan arus TATSA.

Menurut Metode Pengujian AATCC 135-2017, kami menggunakan TATSA dan pemberat yang cukup untuk memuat 1,8 kg, lalu memasukkannya ke dalam mesin cuci komersial (Labtex LBT-M6T) untuk melakukan siklus pencucian mesin yang rumit.Kemudian, kami mengisi mesin cuci dengan 18 galon air pada suhu 25°C dan mengatur mesin cuci untuk siklus dan waktu pencucian yang dipilih (kecepatan pengadukan, 119 putaran per menit; waktu pencucian, 6 menit; kecepatan putaran akhir, 430 rpm; putaran akhir waktu putaran, 3 menit).Terakhir, TATSA digantung kering di udara tenang pada suhu kamar tidak lebih tinggi dari 26°C.

Subjek diinstruksikan untuk berbaring dalam posisi terlentang di tempat tidur.TATSA ditempatkan di lokasi pengukuran.Setelah subjek berada dalam posisi terlentang standar, mereka mempertahankan keadaan rileks selama 5 hingga 10 menit.Sinyal pulsa kemudian mulai diukur.

Materi tambahan untuk artikel ini tersedia di https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1

Gambar.S9.Hasil simulasi distribusi gaya TATSA pada tekanan yang diterapkan sebesar 0,2 kPa menggunakan perangkat lunak COMSOL.

Gambar.S10.Hasil simulasi distribusi gaya unit kontak pada tekanan yang diterapkan masing-masing sebesar 0,2 dan 2 kPa.

Gambar.S11.Ilustrasi skema lengkap transfer muatan unit kontak dalam kondisi hubung singkat.

Gambar.S13.Tegangan keluaran dan arus TATSA yang berkelanjutan sebagai respons terhadap tekanan eksternal yang diterapkan secara terus menerus dalam siklus pengukuran.

Gambar.S14.Respon tegangan terhadap berbagai jumlah unit loop di area kain yang sama ketika nomor loop dalam arah wale tidak berubah.

Gambar.S15.Perbandingan performa keluaran kedua sensor tekstil yang menggunakan jahitan kardigan penuh dan jahitan polos.

Gambar.S16.Plot menunjukkan respon frekuensi pada tekanan dinamis 1 kPa dan frekuensi masukan tekanan 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18, dan 20 Hz.

Gambar.S25.Tegangan keluaran sensor pada saat subjek berada dalam kondisi statis dan bergerak.

Gambar.S26.Foto menunjukkan TATSA ditempatkan di perut dan pergelangan tangan secara bersamaan untuk mengukur pernapasan dan denyut nadi.

Ini adalah artikel akses terbuka yang didistribusikan di bawah ketentuan lisensi Atribusi-NonKomersial Creative Commons, yang mengizinkan penggunaan, distribusi, dan reproduksi dalam media apa pun, selama penggunaan yang dihasilkan bukan untuk keuntungan komersial dan asalkan karya aslinya benar. dikutip.

CATATAN: Kami hanya meminta alamat email Anda agar orang yang Anda rekomendasikan halaman tersebut mengetahui bahwa Anda ingin mereka melihatnya, dan bahwa halaman tersebut bukan email sampah.Kami tidak menangkap alamat email apa pun.

Oleh Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang

Sensor serba tekstil triboelektrik dengan sensitivitas dan kenyamanan tekanan tinggi dikembangkan untuk pemantauan kesehatan.

Oleh Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang

Sensor serba tekstil triboelektrik dengan sensitivitas dan kenyamanan tekanan tinggi dikembangkan untuk pemantauan kesehatan.

© 2020 Asosiasi Amerika untuk Kemajuan Ilmu Pengetahuan.Seluruh hak cipta.AAAS adalah mitra dari HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef dan COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.


Waktu posting: 27 Maret 2020
Obrolan Daring WhatsApp!