L’elettronica tessile indossabile è altamente auspicabile per realizzare una gestione sanitaria personalizzata.Tuttavia, la maggior parte dei dispositivi elettronici tessili segnalati possono prendere di mira periodicamente un singolo segnale fisiologico o perdere i dettagli espliciti dei segnali, portando a una valutazione parziale della salute.Inoltre, i tessuti con proprietà e comfort eccellenti rimangono ancora una sfida.Qui riportiamo un array di sensori triboelettrici interamente tessili con sensibilità e comfort ad alta pressione.Presenta sensibilità alla pressione (7,84 mV Pa−1), tempo di risposta rapido (20 ms), stabilità (>100.000 cicli), ampia larghezza di banda della frequenza di lavoro (fino a 20 Hz) e lavabilità in lavatrice (>40 lavaggi).I TATSA fabbricati sono stati cuciti in diverse parti dei vestiti per monitorare simultaneamente le onde del polso arterioso e i segnali respiratori.Abbiamo ulteriormente sviluppato un sistema di monitoraggio sanitario per la valutazione a lungo termine e non invasiva delle malattie cardiovascolari e della sindrome dell’apnea notturna, che mostra grandi progressi per l’analisi quantitativa di alcune malattie croniche.
L’elettronica indossabile rappresenta un’opportunità affascinante grazie alle sue promettenti applicazioni nella medicina personalizzata.Possono monitorare lo stato di salute di un individuo in modo continuo, in tempo reale e non invasivo (1–11).Il polso e la respirazione, in quanto due componenti indispensabili dei segni vitali, possono fornire sia una valutazione accurata dello stato fisiologico che importanti informazioni sulla diagnosi e sulla prognosi delle malattie correlate (12–21).Ad oggi, la maggior parte dei dispositivi elettronici indossabili per il rilevamento di sottili segnali fisiologici si basa su substrati ultrasottili come polietilene tereftalato, polidimetilsilossano, poliimmide, vetro e silicone (22–26).Uno svantaggio di questi substrati per uso sulla pelle risiede nei loro formati planari e rigidi.Di conseguenza, sono necessari nastri, cerotti o altri dispositivi meccanici per stabilire un contatto compatto tra i dispositivi elettronici indossabili e la pelle umana, che può causare irritazione e disagio durante periodi di utilizzo prolungati (27, 28).Inoltre, questi substrati hanno una scarsa permeabilità all’aria, con conseguente disagio se utilizzati per il monitoraggio sanitario continuo e a lungo termine.Per alleviare i suddetti problemi nel settore sanitario, soprattutto nell’uso quotidiano, i tessuti intelligenti offrono una soluzione affidabile.Questi tessuti hanno le caratteristiche di morbidezza, leggerezza e traspirabilità e, quindi, il potenziale per realizzare comfort nell’elettronica indossabile.Negli ultimi anni, sono stati dedicati intensi sforzi allo sviluppo di sistemi basati sul tessile in sensori sensibili, raccolta e stoccaggio di energia (29–39).In particolare, sono state riportate ricerche di successo sulla fibra ottica, sulla piezoelettricità e sui tessuti intelligenti basati sulla resistività applicati nel monitoraggio dei segnali cardiaci e respiratori (40–43).Tuttavia, questi tessuti intelligenti hanno tipicamente una bassa sensibilità e un unico parametro di monitoraggio e non possono essere prodotti su larga scala (tabella S1).Nel caso della misurazione del polso, è difficile acquisire informazioni dettagliate a causa della debole e rapida fluttuazione del polso (ad esempio, i suoi punti caratteristici) e quindi sono necessarie un'elevata sensibilità e prestazioni di risposta in frequenza adeguate.
In questo studio, introduciamo un array di sensori triboelettrici interamente tessili (TATSA) con elevata sensibilità per la cattura della pressione sottile epidermica, lavorato a maglia con fili conduttivi e di nylon in un punto cardigan completo.Il TATSA può fornire alta sensibilità alla pressione (7,84 mV Pa−1), tempo di risposta rapido (20 ms), stabilità (>100.000 cicli), ampia larghezza di banda della frequenza di lavoro (fino a 20 Hz) e lavabilità in lavatrice (>40 lavaggi).È capace di integrarsi comodamente negli abiti con discrezione, comodità e appeal estetico.In particolare, il nostro TATSA può essere incorporato direttamente in diversi siti del tessuto che corrispondono alle onde del polso nelle posizioni del collo, del polso, della punta delle dita e della caviglia e alle onde respiratorie nell'addome e nel torace.Per valutare le eccellenti prestazioni del TATSA nel monitoraggio sanitario in tempo reale e a distanza, sviluppiamo un sistema di monitoraggio sanitario intelligente personalizzato per acquisire e salvare continuamente segnali fisiologici per l'analisi delle malattie cardiovascolari (CAD) e la valutazione della sindrome dell'apnea notturna (SAS) ).
Come illustrato in Fig. 1A, due TATSA sono stati cuciti sul polsino e sul petto di una maglietta per consentire il monitoraggio dinamico e simultaneo rispettivamente del polso e dei segnali respiratori.Questi segnali fisiologici sono stati trasmessi in modalità wireless all'applicazione terminale mobile intelligente (APP) per un'ulteriore analisi dello stato di salute.La Figura 1B mostra il TATSA cucito su un pezzo di stoffa, e il riquadro mostra la vista ingrandita del TATSA, che è stato lavorato a maglia utilizzando il caratteristico filato conduttivo e il filato di nylon commerciale insieme in un punto cardigan completo.Rispetto al fondamentale punto liscio, il metodo di lavorazione a maglia più comune e basilare, è stato scelto il punto cardigan intero perché il contatto tra la testa del cappio del filo conduttivo e la testa del punto piega adiacente del filo di nylon (fig. S1) è una superficie piuttosto che un contatto puntiforme, portando ad un'area di azione più ampia per un elevato effetto triboelettrico.Per preparare il filo conduttivo, abbiamo selezionato l'acciaio inossidabile come fibra centrale fissa e diversi pezzi di filati di Terylene a un capo sono stati attorcigliati attorno alla fibra centrale in un filo conduttivo con un diametro di 0,2 mm (fig. S2), che fungeva da sia la superficie di elettrificazione che l'elettrodo conduttore.Il filo di nylon, che aveva un diametro di 0,15 mm e fungeva da ulteriore superficie di elettrificazione, aveva una forte forza di trazione perché era attorcigliato da fili non computabili (fig. S3).La Figura 1 (C e D, rispettivamente) mostra le fotografie del filo conduttivo fabbricato e del filo di nylon.Gli inserti mostrano le rispettive immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM), che presentano una tipica sezione trasversale del filo conduttivo e la superficie del filo di nylon.L'elevata resistenza alla trazione dei fili conduttivi e di nylon ha garantito la loro capacità di tessitura su una macchina industriale per mantenere prestazioni uniformi di tutti i sensori.Come mostrato in Fig. 1E, i fili conduttivi, i fili di nylon e i fili ordinari sono stati avvolti sulle rispettive rocche, che sono state poi caricate sulla macchina industriale computerizzata per maglieria piana per la tessitura automatica (filmato S1).Come mostrato in fig.S4, diversi TATSA sono stati lavorati insieme con un normale tessuto utilizzando la macchina industriale.Un singolo TATSA con uno spessore di 0,85 mm e un peso di 0,28 g potrebbe essere ricavato dall'intera struttura per uso individuale, dimostrando la sua eccellente compatibilità con altri tessuti.Inoltre, i TATSA potrebbero essere progettati in vari colori per soddisfare i requisiti estetici e alla moda a causa della diversità dei filati di nylon commerciali (Fig. 1F e fig. S5).I TATSA fabbricati hanno un'eccellente morbidezza e la capacità di resistere a flessioni o deformazioni severe (fig. S6).La Figura 1G mostra il TATSA cucito direttamente sull'addome e sul polsino di un maglione.Il processo di lavorazione a maglia del maglione è mostrato in fig.S7 e film S2.I dettagli del lato anteriore e posteriore del TATSA allungato nella posizione dell'addome sono mostrati in fig.S8 (A e B, rispettivamente), e la posizione del filo conduttivo e del filo di nylon è illustrata in fig.S8C.Qui si può vedere che il TATSA può essere incorporato senza soluzione di continuità nei tessuti ordinari per un aspetto discreto ed elegante.
(A) Due TATSA integrati in una maglietta per il monitoraggio dei segnali cardiaci e respiratori in tempo reale.(B) Illustrazione schematica della combinazione di TATSA e vestiti.Il riquadro mostra la vista ingrandita del sensore.(C) Fotografia del filo conduttivo (barra della scala, 4 cm).L'inserto è l'immagine SEM della sezione trasversale del filo conduttivo (barra della scala, 100 μm), costituito da fili di acciaio inossidabile e terilene.(D) Fotografia del filo di nylon (barra della scala, 4 cm).L'inserto è l'immagine SEM della superficie del filo di nylon (barra della scala, 100 μm).(E) Immagine della macchina per maglieria piana computerizzata che esegue la tessitura automatica dei TATSA.(F) Fotografia di TATSA in diversi colori (barra della scala, 2 cm).L'inserto è il TATSA ritorto, che dimostra la sua ottima morbidezza.(G) Fotografia di due TATSA completamente e senza soluzione di continuità cuciti in un maglione.Crediti fotografici: Wenjing Fan, Università di Chongqing.
Per analizzare il meccanismo di funzionamento del TATSA, comprese le sue proprietà meccaniche ed elettriche, abbiamo costruito un modello geometrico di maglia del TATSA, come mostrato in Fig. 2A.Utilizzando il punto cardigan intero, i fili conduttivi e di nylon sono intrecciati in forme di unità ad anello nella direzione del rango e della costa.Una struttura ad anello singolo (fig. S1) è costituita da una testa dell'anello, un braccio dell'anello, una parte che attraversa le coste, un braccio per il punto piegato e una testa del punto piegato.Si possono trovare due forme della superficie di contatto tra i due diversi filati: (i) la superficie di contatto tra la testa del cappio del filo conduttivo e la testa del punto piegato del filo di nylon e (ii) la superficie di contatto tra la testa del cappio del il filo di nylon e la testa del punto piegato del filo conduttivo.
(A) Il TATSA con i lati anteriore, destro e superiore degli anelli lavorati a maglia.(B) Risultato della simulazione della distribuzione della forza di un TATSA sotto una pressione applicata di 2 kPa utilizzando il software COMSOL.(C) Illustrazioni schematiche del trasferimento di carica di un'unità di contatto in condizioni di cortocircuito.(D) Risultati della simulazione della distribuzione della carica di un'unità di contatto in una condizione di circuito aperto utilizzando il software COMSOL.
Il principio di funzionamento del TATSA può essere spiegato in due aspetti: la stimolazione della forza esterna e la sua carica indotta.Per comprendere intuitivamente la distribuzione dello stress in risposta allo stimolo della forza esterna, abbiamo utilizzato l'analisi degli elementi finiti utilizzando il software COMSOL a diverse forze esterne di 2 e 0,2 kPa, come mostrato rispettivamente in Fig. 2B e fig.S9.Lo stress appare sulle superfici di contatto di due fili.Come mostrato in fig.S10, abbiamo considerato due unità di loop per chiarire la distribuzione delle sollecitazioni.Confrontando la distribuzione dello stress sotto due diverse forze esterne, lo stress sulle superfici dei fili conduttivi e di nylon aumenta con l'aumento della forza esterna, determinando il contatto e l'estrusione tra i due fili.Una volta rilasciata la forza esterna, i due fili si separano e si allontanano l'uno dall'altro.
I movimenti di separazione del contatto tra il filo conduttivo e il filo di nylon inducono il trasferimento di carica, che è attribuito alla congiunzione di triboelettrificazione e induzione elettrostatica.Per chiarire il processo di generazione dell'elettricità, analizziamo la sezione trasversale dell'area in cui i due fili entrano in contatto tra loro (Fig. 2C1).Come dimostrato in Fig. 2 (rispettivamente C2 e C3), quando il TATSA è stimolato dalla forza esterna e i due fili entrano in contatto tra loro, si verifica l'elettrificazione sulla superficie dei fili conduttivi e di nylon e le cariche equivalenti con opposte le polarità vengono generate sulla superficie dei due fili.Una volta che i due fili si separano, vengono indotte cariche positive nell'acciaio inossidabile interno a causa dell'effetto di induzione elettrostatica.Lo schema completo è mostrato in fig.S11.Per acquisire una comprensione più quantitativa del processo di generazione di elettricità, abbiamo simulato la distribuzione potenziale del TATSA utilizzando il software COMSOL (Fig. 2D).Quando i due materiali sono in contatto, la carica si raccoglie principalmente sul materiale di attrito e sull'elettrodo è presente solo una piccola quantità di carica indotta, risultando in un piccolo potenziale (Fig. 2D, in basso).Quando i due materiali vengono separati (Fig. 2D, in alto), la carica indotta sull'elettrodo aumenta a causa della differenza di potenziale, e il potenziale corrispondente aumenta, il che rivela un buon accordo tra i risultati ottenuti dagli esperimenti e quelli delle simulazioni .Inoltre, poiché l'elettrodo conduttore del TATSA è avvolto in fili di Terylene e la pelle è a contatto con entrambi i due materiali di attrito, quindi, quando il TATSA viene indossato direttamente sulla pelle, la carica dipende dalla forza esterna e non verrà essere indebolito dalla pelle.
Per caratterizzare le prestazioni del nostro TATSA sotto vari aspetti, abbiamo fornito un sistema di misurazione contenente un generatore di funzioni, un amplificatore di potenza, un agitatore elettrodinamico, un dinamometro, un elettrometro e un computer (fig. S12).Questo sistema genera una pressione dinamica esterna fino a 7 kPa.Nell'esperimento, il TATSA è stato posizionato su un foglio di plastica piatto in uno stato libero e i segnali elettrici in uscita sono stati registrati dall'elettrometro.
Le specifiche dei fili conduttivi e di nylon influiscono sulle prestazioni di uscita del TATSA perché determinano la superficie di contatto e la capacità di percepire la pressione esterna.Per indagare su questo, abbiamo fabbricato tre dimensioni dei due filati, rispettivamente: filato conduttivo con una dimensione di 150D/3, 210D/3 e 250D/3 e filo di nylon con una dimensione di 150D/6, 210D/6 e 250D. /6 (D, denari; un'unità di misura utilizzata per determinare lo spessore delle fibre dei singoli fili; i tessuti con un elevato numero di denari tendono ad essere spessi).Quindi, abbiamo selezionato questi due filati con dimensioni diverse per lavorarli in un sensore e la dimensione del TATSA è stata mantenuta a 3 cm per 3 cm con il numero di anelli di 16 nella direzione della costa e 10 nella direzione del rango.Pertanto, sono stati ottenuti i sensori con nove modelli di maglia.Il sensore del filo conduttivo con dimensione 150D/3 e del filo di nylon con dimensione 150D/6 era il più sottile, mentre il sensore del filo conduttivo con dimensione 250D/3 e del filo di nylon con dimensione 250D/ 6 era il più spesso.Sotto un'eccitazione meccanica compresa tra 0,1 e 7 kPa, le uscite elettriche per questi modelli sono state sistematicamente studiate e testate, come mostrato in Fig. 3A.Le tensioni di uscita dei nove TATSA aumentavano con l'aumento della pressione applicata, da 0,1 a 4 kPa.Nello specifico, tra tutti i modelli di lavorazione a maglia, la specifica del filato conduttivo 210D/3 e del filato di nylon 210D/6 ha fornito la massima potenza elettrica e ha mostrato la massima sensibilità.La tensione di uscita ha mostrato un andamento crescente con l'aumento dello spessore del TATSA (a causa della sufficiente superficie di contatto) fino a quando il TATSA è stato lavorato a maglia utilizzando il filo conduttivo 210D/3 e il filo di nylon 210D/6.Poiché ulteriori aumenti di spessore porterebbero all'assorbimento della pressione esterna da parte dei filati, la tensione di uscita diminuirebbe di conseguenza.Inoltre, si nota che nella regione di bassa pressione (<4 kPa), una variazione lineare ben proporzionata della tensione di uscita con la pressione ha dato una sensibilità alla pressione superiore di 7,84 mV Pa−1.Nella regione ad alta pressione (>4 kPa), è stata osservata sperimentalmente una sensibilità alla pressione inferiore di 0,31 mV Pa−1 a causa della saturazione dell'area di attrito effettiva.Una sensibilità alla pressione simile è stata dimostrata durante il processo opposto di applicazione della forza.I profili temporali concreti della tensione e della corrente di uscita sotto diverse pressioni sono presentati in fig.S13 (A e B, rispettivamente).
(A) Tensione di uscita sotto nove modelli di maglia del filo conduttivo (150D/3, 210D/3 e 250D/3) combinato con il filo di nylon (150D/6, 210D/6 e 250D/6).(B) Risposta di tensione a diversi numeri di unità di spira nella stessa area del tessuto mantenendo invariato il numero di spira nella direzione della corrente.(C) Grafici che mostrano le risposte in frequenza sotto una pressione dinamica di 1 kPa e una frequenza di ingresso della pressione di 1 Hz.(D) Diverse tensioni di uscita e di corrente alle frequenze di 1, 5, 10 e 20 Hz.(E) Test di durabilità di un TATSA sotto una pressione di 1 kPa.(F) Caratteristiche di uscita del TATSA dopo il lavaggio 20 e 40 volte.
La sensibilità e la tensione di uscita sono state influenzate anche dalla densità dei punti del TATSA, che è stata determinata dal numero totale di anelli in un'area misurata di tessuto.Un aumento della densità dei punti porterebbe ad una maggiore compattezza della struttura del tessuto.La Figura 3B mostra le prestazioni di output con diversi numeri di loop nell'area tessile di 3 cm per 3 cm, e il riquadro illustra la struttura di un'unità di loop (abbiamo mantenuto il numero di loop nella direzione del percorso su 10, e il numero di loop nella direzione la direzione della balena era 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 e 26).Aumentando il numero di loop, la tensione di uscita ha mostrato dapprima un andamento crescente a causa dell'aumento della superficie di contatto, fino al picco massimo della tensione di uscita di 7,5 V con un numero di loop di 180. Dopo questo punto, la tensione di uscita ha seguito un andamento decrescente perché il TATSA è diventato teso e i due fili hanno avuto uno spazio di separazione dei contatti ridotto.Per esplorare in quale direzione la densità ha un grande impatto sull'output, abbiamo mantenuto il numero di loop del TATSA nella direzione della balena su 18, e il numero di loop nella direzione della rotta è stato impostato su 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 e 14. Le corrispondenti tensioni di uscita sono mostrate in fig.S14.In confronto si vede che la densità nella direzione del percorso ha una maggiore influenza sulla tensione di uscita.Di conseguenza, il modello di lavorazione del filato conduttivo 210D/3 e del filato di nylon 210D/6 e le unità da 180 anelli sono stati scelti per lavorare a maglia il TATSA dopo valutazioni approfondite delle caratteristiche di output.Inoltre, abbiamo confrontato i segnali di uscita di due sensori tessili utilizzando il punto cardigan intero e il punto liscio.Come mostrato in fig.S15, la potenza elettrica e la sensibilità utilizzando il punto cardigan intero sono molto più elevate rispetto a quelle utilizzando il punto liscio.
È stato misurato il tempo di risposta per il monitoraggio dei segnali in tempo reale.Per esaminare il tempo di risposta del nostro sensore alle forze esterne, abbiamo confrontato i segnali di tensione di uscita con gli ingressi di pressione dinamica ad una frequenza compresa tra 1 e 20 Hz (rispettivamente Fig. 3C e Fig. S16).Le forme d'onda della tensione di uscita erano quasi identiche alle onde di pressione sinusoidali di ingresso sotto una pressione di 1 kPa e le forme d'onda di uscita avevano un tempo di risposta rapido (circa 20 ms).Questa isteresi può essere attribuita al fatto che la struttura elastica non è ritornata allo stato originale nel più breve tempo possibile dopo aver ricevuto la forza esterna.Tuttavia, questa piccola isteresi è accettabile per il monitoraggio in tempo reale.Per ottenere la pressione dinamica con un determinato intervallo di frequenza, è prevista un'appropriata risposta in frequenza del TATSA.Pertanto, è stata testata anche la caratteristica di frequenza di TATSA.Aumentando la frequenza di eccitazione esterna, l'ampiezza della tensione di uscita rimaneva pressoché invariata, mentre l'ampiezza della corrente aumentava quando le frequenze di prelievo variavano da 1 a 20 Hz (Fig. 3D).
Per valutare la ripetibilità, la stabilità e la durata del TATSA, abbiamo testato la tensione di uscita e le risposte di corrente ai cicli di carico-scarico della pressione.Al sensore è stata applicata una pressione di 1 kPa con una frequenza di 5 Hz.La tensione e la corrente picco-picco sono state registrate dopo 100.000 cicli di carico-scarico (rispettivamente Fig. 3E e Fig. S17).Le viste ingrandite della tensione e della forma d'onda della corrente sono mostrate nel riquadro di Fig. 3E e fig.S17, rispettivamente.I risultati rivelano la notevole ripetibilità, stabilità e durata del TATSA.Anche la lavabilità è un criterio di valutazione essenziale del TATSA come dispositivo interamente tessile.Per valutare la capacità di lavaggio, abbiamo testato la tensione di uscita del sensore dopo aver lavato in lavatrice il TATSA secondo il metodo di test 135-2017 dell'American Association of Textile Chemists and Colorists (AATCC).La procedura dettagliata di lavaggio è descritta in Materiali e Metodi.Come mostrato in Fig. 3F, le uscite elettriche sono state registrate dopo il lavaggio 20 volte e 40 volte, il che ha dimostrato che non ci sono stati cambiamenti evidenti nella tensione di uscita durante i test di lavaggio.Questi risultati verificano la notevole lavabilità del TATSA.Come sensore tessile indossabile, abbiamo anche esplorato le prestazioni di uscita quando il TATSA era in condizioni di trazione (fig. S18), attorcigliato (fig. S19) e di umidità diversa (fig. S20).
Sulla base dei numerosi vantaggi del TATSA sopra dimostrati, abbiamo sviluppato un sistema di monitoraggio sanitario mobile wireless (WMHMS), che ha la capacità di acquisire continuamente segnali fisiologici e quindi fornire consulenza professionale al paziente.La Figura 4A mostra lo schema del WMHMS basato sul TATSA.Il sistema è composto da quattro componenti: il TATSA per acquisire i segnali fisiologici analogici, un circuito di condizionamento analogico con filtro passa-basso (MAX7427) e un amplificatore (MAX4465) per garantire dettagli sufficienti e un eccellente sincronismo dei segnali, un sistema analogico-digitale convertitore basato su un'unità microcontrollore per raccogliere e convertire i segnali analogici in segnali digitali e un modulo Bluetooth (chip Bluetooth a bassa potenza CC2640) per trasmettere il segnale digitale all'applicazione terminale del telefono cellulare (APP; Huawei Honor 9).In questo studio, abbiamo cucito il TATSA senza soluzione di continuità in un laccio, un braccialetto, un polpaccio e un calzino, come mostrato nella Fig. 4B.
(A) Illustrazione del WMHMS.(B) Fotografie dei TATSA cuciti rispettivamente su un braccialetto, un dito, un calzino e una fascia toracica.Misurazione del polso al collo (C1), al polso (D1), alla punta del dito (E1) e alla caviglia (F1).Forma d'onda del polso al collo (C2), al polso (D2), alla punta del dito (E2) e alla caviglia (F2).(G) Forme d'onda del polso di età diverse.(H) Analisi di una singola onda di impulso.Indice di aumento radiale (AIx) definito come AIx (%) = P2/P1.P1 è il picco dell'onda che avanza e P2 è il picco dell'onda riflessa.(I) Un ciclo di pulsazioni del brachiale e della caviglia.La velocità dell'onda dell'impulso (PWV) è definita come PWV = D/∆T.D è la distanza tra la caviglia e il brachiale.∆T è il ritardo temporale tra i picchi delle onde del polso brachiale e della caviglia.PTT, tempo di transito dell'impulso.(J) Confronto tra AIx e PWV della caviglia brachiale (BAPWV) tra sani e CAD.*P <0,01, **P <0,001 e ***P <0,05.HTN, ipertensione;CHD, malattia coronarica;DM, diabete mellito.Crediti fotografici: Jin Yang, Università di Chongqing.
Per monitorare i segnali del polso delle diverse parti del corpo umano, abbiamo attaccato le suddette decorazioni con TATSA alle posizioni corrispondenti: collo (Fig. 4C1), polso (Fig. 4D1), polpastrello (Fig. 4E1) e caviglia (Fig. 4F1 ), come elaborato nei filmati da S3 a S6.In medicina, ci sono tre punti caratteristici sostanziali nell'onda di impulso: il picco dell'onda che avanza P1, il picco dell'onda riflessa P2 e il picco dell'onda dicrotica P3.Le caratteristiche di questi punti riflettono lo stato di salute dell'elasticità arteriosa, della resistenza periferica e della contrattilità ventricolare sinistra correlata al sistema cardiovascolare.Nel nostro test sono state acquisite e registrate le forme d'onda del polso di una donna di 25 anni nelle quattro posizioni sopra indicate.Si noti che i tre punti caratteristici distinguibili (da P1 a P3) sono stati osservati sulla forma d'onda del polso nelle posizioni del collo, del polso e della punta delle dita, come mostrato nella Fig. 4 (da C2 a E2).Al contrario, solo P1 e P3 apparivano sulla forma d'onda del polso nella posizione della caviglia e P2 non era presente (Fig. 4F2).Questo risultato è stato causato dalla sovrapposizione dell'onda sanguigna in arrivo espulsa dal ventricolo sinistro e dell'onda riflessa dagli arti inferiori (44).Studi precedenti hanno dimostrato che P2 si presenta in forme d'onda misurate negli arti superiori ma non nella caviglia (45, 46).Abbiamo osservato risultati simili nelle forme d'onda misurate con il TATSA, come mostrato in fig.S21, che mostra i dati tipici della popolazione di 80 pazienti qui studiati.Possiamo vedere che P2 non appare in queste forme d'onda del polso misurate nella caviglia, dimostrando la capacità del TATSA di rilevare caratteristiche sottili all'interno della forma d'onda.Questi risultati di misurazione del polso indicano che il nostro WMHMS può rivelare accuratamente le caratteristiche dell'onda del polso della parte superiore e inferiore del corpo e che è superiore ad altri lavori (41, 47).Per indicare ulteriormente che il nostro TATSA può essere ampiamente applicato a età diverse, abbiamo misurato le forme d'onda del polso di 80 soggetti di età diverse e abbiamo mostrato alcuni dati tipici, come mostrato in fig.S22.Come mostrato nella Fig. 4G, abbiamo scelto tre partecipanti di età compresa tra 25, 45 e 65 anni e i tre punti caratteristici erano ovvi per i partecipanti giovani e di mezza età.Secondo la letteratura medica (48), le caratteristiche della forma d'onda del polso della maggior parte delle persone cambiano con l'età, come ad esempio la scomparsa del punto P2, causata dallo spostamento in avanti dell'onda riflessa per sovrapporsi all'onda che avanza attraverso la diminuzione della elasticità vascolare.Questo fenomeno si riflette anche nelle forme d’onda che abbiamo raccolto, verificando ulteriormente che il TATSA possa essere applicato a popolazioni diverse.
La forma d'onda del polso è influenzata non solo dallo stato fisiologico dell'individuo ma anche dalle condizioni del test.Pertanto, abbiamo misurato i segnali del polso con diversa tensione di contatto tra il TATSA e la pelle (fig. S23) e varie posizioni di rilevamento nel sito di misurazione (fig. S24).Si può constatare che il TATSA può ottenere forme d'onda di impulsi coerenti con informazioni dettagliate attorno all'imbarcazione in un'ampia area di rilevamento efficace nel sito di misurazione.Inoltre, ci sono segnali di uscita distinti in base alla diversa tenuta del contatto tra TATSA e la pelle.Inoltre, il movimento delle persone che indossano i sensori influenzerebbe i segnali del polso.Quando il polso del soggetto è in condizione statica, l'ampiezza della forma d'onda dell'impulso ottenuta è stabile (fig. S25A);al contrario, quando il polso si muove lentamente con un angolo compreso tra −70° e 70° per 30 s, l'ampiezza della forma d'onda dell'impulso fluttuerà (fig. S25B).Tuttavia, il contorno di ciascuna forma d'onda del polso è visibile ed è ancora possibile ottenere con precisione la frequenza del polso.Ovviamente, per ottenere un'acquisizione stabile dell'onda del polso nel movimento umano, è necessario svolgere ulteriori ricerche, compresa la progettazione del sensore e l'elaborazione del segnale back-end.
Inoltre, per analizzare e valutare quantitativamente la condizione del sistema cardiovascolare attraverso le forme d'onda del polso acquisite utilizzando il nostro TATSA, abbiamo introdotto due parametri emodinamici secondo le specifiche di valutazione del sistema cardiovascolare, vale a dire l'indice di aumento (AIx) e la velocità dell'onda del polso (PWV), che rappresentano l'elasticità delle arterie.Come mostrato in Fig. 4H, per l'analisi di AIx è stata utilizzata la forma d'onda del polso nella posizione del polso di un uomo sano di 25 anni.Secondo la formula (sezione S1) è stato ottenuto AIx = 60%, che è un valore normale.Quindi, abbiamo raccolto simultaneamente due forme d'onda del polso nelle posizioni del braccio e della caviglia di questo partecipante (il metodo dettagliato di misurazione della forma d'onda del polso è descritto in Materiali e metodi).Come mostrato in Fig. 4I, i punti caratteristici delle due forme d'onda degli impulsi erano distinti.Abbiamo quindi calcolato il PWV secondo la formula (sezione S1).È stato ottenuto PWV = 1363 cm/s, che è un valore caratteristico atteso per un maschio adulto sano.D'altra parte, possiamo vedere che la metrica di AIx o PWV non è influenzata dalla differenza di ampiezza della forma d'onda dell'impulso e i valori di AIx nelle diverse parti del corpo sono vari.Nel nostro studio è stato utilizzato l'AIx radiale.Per verificare l'applicabilità del WMHMS in persone diverse, abbiamo selezionato 20 partecipanti nel gruppo sano, 20 nel gruppo ipertensione (HTN), 20 nel gruppo malattia coronarica (CHD) di età compresa tra 50 e 59 anni e 20 nel gruppo gruppo diabete mellito (DM).Abbiamo misurato le loro onde di impulso e confrontato i loro due parametri, AIx e PWV, come presentato in Fig. 4J.Si può riscontrare che i valori PWV dei gruppi HTN, CHD e DM erano inferiori rispetto a quelli del gruppo sano e presentano una differenza statistica (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 e PDM ≪ 0,001; i valori P sono stati calcolati da t test).Nel frattempo, i valori AIx dei gruppi HTN e CHD erano inferiori rispetto al gruppo sano e presentavano una differenza statistica (PHTN < 0,01, PCHD < 0,001 e PDM < 0,05).Il PWV e l'AIx dei partecipanti con CHD, HTN o DM erano più alti rispetto a quelli del gruppo sano.I risultati mostrano che il TATSA è in grado di ottenere con precisione la forma d’onda del polso per calcolare i parametri cardiovascolari per valutare lo stato di salute cardiovascolare.In conclusione, grazie alle sue caratteristiche wireless, ad alta risoluzione, ad alta sensibilità e al comfort, il WMHMS basato su TATSA fornisce un’alternativa più efficiente per il monitoraggio in tempo reale rispetto alle costose apparecchiature mediche attualmente utilizzate negli ospedali.
Oltre all’onda del polso, anche le informazioni respiratorie sono un segno vitale primario per aiutare a valutare la condizione fisica di un individuo.Il monitoraggio della respirazione basato sul nostro TATSA è più interessante della polisonnografia convenzionale perché può essere perfettamente integrato negli indumenti per un migliore comfort.Cucito in una fascia toracica elastica bianca, il TATSA era direttamente legato al corpo umano e fissato attorno al torace per monitorare la respirazione (Fig. 5A e filmato S7).Il TATSA si deforma con l'espansione e la contrazione della gabbia toracica, determinando una produzione elettrica.La forma d'onda acquisita è verificata in Fig. 5B.Il segnale con grandi fluttuazioni (un'ampiezza di 1,8 V) e cambiamenti periodici (una frequenza di 0,5 Hz) corrispondeva al movimento respiratorio.Il segnale di fluttuazione relativamente piccolo era sovrapposto a questo grande segnale di fluttuazione, che era il segnale del battito cardiaco.In base alle caratteristiche di frequenza dei segnali della respirazione e del battito cardiaco, abbiamo utilizzato un filtro passa-basso da 0,8 Hz e un filtro passa-banda da 0,8 a 20 Hz per separare rispettivamente i segnali respiratori e del battito cardiaco, come mostrato in Fig. 5C .In questo caso, segnali respiratori e del polso stabili con abbondanti informazioni fisiologiche (come frequenza respiratoria, frequenza del battito cardiaco e punti caratteristici dell'onda del polso) sono stati ottenuti simultaneamente e accuratamente semplicemente posizionando il singolo TATSA sul petto.
(A) Fotografia che mostra il display del TATSA posizionato sul torace per la misurazione del segnale nella pressione associata alla respirazione.(B) Grafico tensione-tempo per il TATSA montato sul petto.(C) Scomposizione del segnale (B) nel battito cardiaco e nella forma d'onda respiratoria.(D) Fotografia che mostra due TATSA posizionati sull'addome e sul polso per misurare rispettivamente la respirazione e il polso durante il sonno.(E) Segnali respiratori e cardiaci di un partecipante sano.FC, frequenza cardiaca;BPM, battiti al minuto.(F) Segnali respiratori e cardiaci di un partecipante al SAS.(G) Segnale respiratorio e PTT di un partecipante sano.(H) Segnale respiratorio e PTT di un partecipante SAS.(I) Relazione tra indice di eccitazione PTT e indice di apnea-ipopnea (AHI).Crediti fotografici: Wenjing Fan, Università di Chongqing.
Per dimostrare che il nostro sensore può monitorare in modo accurato e affidabile i segnali del polso e della respirazione, abbiamo effettuato un esperimento per confrontare i risultati della misurazione dei segnali del polso e della respirazione tra i nostri TATSA e uno strumento medico standard (MHM-6000B), come elaborato nei filmati S8 e S9.Nella misurazione delle onde del polso, il sensore fotoelettrico dello strumento medico è stato indossato sull'indice sinistro di una giovane ragazza, mentre il nostro TATSA è stato indossato sull'indice destro.Dalle due forme d'onda del polso acquisite possiamo vedere che i loro contorni e dettagli erano identici, indicando che il polso misurato dal TATSA è preciso quanto quello dallo strumento medico.Nella misurazione delle onde respiratorie, cinque elettrodi elettrocardiografici sono stati applicati su cinque zone del corpo di un giovane secondo le istruzioni mediche.Al contrario, solo un TATSA era legato direttamente al corpo e fissato attorno al petto.Dai segnali respiratori raccolti, si può vedere che la tendenza alla variazione e la velocità del segnale respiratorio rilevato dal nostro TATSA erano coerenti con quelli dello strumento medico.Questi due esperimenti comparativi hanno convalidato l'accuratezza, l'affidabilità e la semplicità del nostro sistema di sensori per il monitoraggio dei segnali cardiaci e respiratori.
Inoltre, abbiamo fabbricato un capo di abbigliamento intelligente e cucito due TATSA nelle posizioni dell’addome e del polso per monitorare rispettivamente i segnali respiratori e quelli del polso.Nello specifico, è stato utilizzato un WMHMS a doppio canale sviluppato per catturare simultaneamente i segnali del polso e della respirazione.Attraverso questo sistema, abbiamo ottenuto i segnali respiratori e cardiaci di un uomo di 25 anni vestito con i nostri abiti eleganti mentre dormiva (Fig. 5D e filmato S10) e seduto (fig. S26 e filmato S11).I segnali respiratori e cardiaci acquisiti potrebbero essere trasmessi in modalità wireless all'APP del telefono cellulare.Come accennato in precedenza, il TATSA ha la capacità di catturare segnali respiratori e cardiaci.Questi due segnali fisiologici sono anche i criteri per valutare la SAS dal punto di vista medico.Pertanto, il nostro TATSA può essere utilizzato anche per monitorare e valutare la qualità del sonno e i disturbi del sonno correlati.Come mostrato in Fig. 5 (E e F, rispettivamente), abbiamo misurato continuamente le forme d'onda del polso e della respirazione di due partecipanti, uno sano e un paziente con SAS.Per la persona senza apnea, le frequenze respiratorie e cardiache misurate sono rimaste stabili rispettivamente a 15 e 70.Nel paziente con SAS è stata osservata un'apnea distinta per 24 secondi, che è indice di un evento respiratorio ostruttivo, e la frequenza cardiaca è leggermente aumentata dopo un periodo di apnea a causa della regolazione del sistema nervoso (49).In sintesi, lo stato respiratorio può essere valutato dal nostro TATSA.
Per valutare ulteriormente il tipo di SAS attraverso il polso e i segnali respiratori, abbiamo analizzato il tempo di transito del polso (PTT), un indicatore non invasivo che riflette i cambiamenti nella resistenza vascolare periferica e nella pressione intratoracica (definita nella sezione S1) di un uomo sano e di un paziente con SAS.Per il partecipante sano, la frequenza respiratoria è rimasta invariata e il PTT è stato relativamente stabile da 180 a 310 ms (Fig. 5G).Tuttavia, per il partecipante al SAS, il PTT è aumentato continuamente da 120 a 310 ms durante l'apnea (Fig. 5H).Pertanto, al partecipante è stata diagnosticata una SAS ostruttiva (OSAS).Se la variazione del PTT diminuisse durante l'apnea, la condizione verrebbe determinata come sindrome dell'apnea notturna centrale (CSAS) e se entrambi questi due sintomi esistessero contemporaneamente, allora verrebbe diagnosticata come SAS mista (MSAS).Per valutare la gravità della SAS, abbiamo analizzato ulteriormente i segnali raccolti.L'indice di attivazione del PTT, che è il numero di risvegli del PTT per ora (l'attivazione del PTT è definita come una caduta del PTT di ≥ 15 ms della durata di ≥ 3 s), svolge un ruolo fondamentale nella valutazione del grado di SAS.L'indice di apnea-ipopnea (AHI) è uno standard per determinare il grado di SAS (l'apnea è la cessazione della respirazione e l'ipopnea è una respirazione eccessivamente superficiale o una frequenza respiratoria anormalmente bassa), che è definito come il numero di apnee e ipopnee per ora durante il sonno (la relazione tra l'AHI e i criteri di valutazione per l'OSAS è mostrata nella tabella S2).Per studiare la relazione tra l'AHI e l'indice di eccitazione PTT, i segnali respiratori di 20 pazienti con SAS sono stati selezionati e analizzati con TATSA.Come mostrato nella Figura 5I, l'indice di eccitazione PTT era correlato positivamente con l'AHI, poiché l'apnea e l'ipopnea durante il sonno causano l'evidente e transitorio aumento della pressione sanguigna, portando alla diminuzione del PTT.Pertanto, il nostro TATSA può ottenere simultaneamente segnali cardiaci e respiratori stabili e accurati, fornendo così importanti informazioni fisiologiche sul sistema cardiovascolare e SAS per il monitoraggio e la valutazione delle malattie correlate.
In sintesi, abbiamo sviluppato un TATSA utilizzando il punto cardigan completo per rilevare simultaneamente diversi segnali fisiologici.Questo sensore presentava un'elevata sensibilità di 7,84 mV Pa−1, un tempo di risposta rapido di 20 ms, un'elevata stabilità di oltre 100.000 cicli e un'ampia larghezza di banda della frequenza di lavoro.Sulla base del TATSA è stato sviluppato anche un WMHMS per trasmettere i parametri fisiologici misurati ad un telefono cellulare.TATSA può essere incorporato in diversi siti di abbigliamento per il design estetico e utilizzato per monitorare simultaneamente il polso e i segnali respiratori in tempo reale.Il sistema può essere applicato per aiutare a distinguere tra individui sani e quelli con CAD o SAS grazie alla sua capacità di acquisire informazioni dettagliate.Questo studio ha fornito un approccio comodo, efficiente e facile da usare per misurare il polso e la respirazione umana, rappresentando un progresso nello sviluppo dell’elettronica tessile indossabile.
L'acciaio inossidabile è stato ripetutamente fatto passare attraverso lo stampo e stirato fino a formare una fibra del diametro di 10 μm.Una fibra di acciaio inossidabile come elettrodo è stata inserita in diversi pezzi di filati di Terilene monostrato commerciali.
Per fornire un segnale di pressione sinusoidale sono stati utilizzati un generatore di funzioni (Stanford DS345) e un amplificatore (LabworkPa-13).Per misurare la pressione esterna applicata al TATSA è stato utilizzato un sensore di forza a doppio raggio (Vernier Software & Technology LLC).Un elettrometro del sistema Keithley (Keithley 6514) è stato utilizzato per monitorare e registrare la tensione e la corrente di uscita del TATSA.
Secondo il metodo di test AATCC 135-2017, abbiamo utilizzato TATSA e zavorra sufficiente per un carico di 1,8 kg e poi li abbiamo inseriti in una lavatrice commerciale (Labtex LBT-M6T) per eseguire cicli di lavaggio delicati.Quindi, abbiamo riempito la lavatrice con 18 litri di acqua a 25°C e abbiamo impostato la lavatrice per il ciclo e il tempo di lavaggio selezionati (velocità di agitazione, 119 colpi al minuto; tempo di lavaggio, 6 minuti; velocità di centrifuga finale, 430 giri/min; velocità finale tempo di centrifuga, 3 minuti).Infine, il TATSA è stato appeso a secco in aria ferma a temperatura ambiente non superiore a 26°C.
Ai soggetti è stato chiesto di giacere in posizione supina sul letto.Il TATSA è stato posizionato sui siti di misurazione.Una volta che i soggetti erano in posizione supina standard, mantenevano uno stato completamente rilassato per 5-10 minuti.Il segnale del polso ha quindi iniziato a misurare.
Materiale supplementare per questo articolo è disponibile su https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Figura S9.Risultato della simulazione della distribuzione della forza di un TATSA sotto pressioni applicate a 0,2 kPa utilizzando il software COMSOL.
Figura S10.Risultati della simulazione della distribuzione della forza di un'unità di contatto sotto le pressioni applicate rispettivamente a 0,2 e 2 kPa.
Figura S11.Illustrazioni schematiche complete del trasferimento di carica di un'unità di contatto in condizioni di cortocircuito.
Figura S13.Tensione e corrente di uscita continue di TATSA in risposta alla pressione esterna applicata continuamente in un ciclo di misurazione.
Figura S14.Risposta di tensione a diversi numeri di unità di spira nella stessa area del tessuto mantenendo invariato il numero di spira nella direzione della corrente.
Figura S15.Un confronto tra le prestazioni di output dei due sensori tessili utilizzando il punto cardigan intero e il punto liscio.
Figura S16.Grafici che mostrano le risposte in frequenza alla pressione dinamica di 1 kPa e alla frequenza di ingresso della pressione di 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 e 20 Hz.
Figura S25.Le tensioni di uscita del sensore quando il soggetto era in condizioni statiche e di movimento.
Figura S26.Fotografia che mostra i TATSA posizionati simultaneamente sull'addome e sul polso per misurare rispettivamente la respirazione e il polso.
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Di Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Per il monitoraggio della salute è stato sviluppato un sensore triboelettrico interamente tessile con elevata sensibilità alla pressione e comfort.
Di Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Per il monitoraggio della salute è stato sviluppato un sensore triboelettrico interamente tessile con elevata sensibilità alla pressione e comfort.
© 2020 Associazione americana per il progresso della scienza.Tutti i diritti riservati.AAAS è partner di HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef e COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Orario di pubblicazione: 27 marzo 2020