정밀한 표피 생리학적 신호 모니터링을 위한 기계 편직 세탁 가능 센서 어레이 직물

개인화된 건강관리를 실현하기 위해서는 웨어러블 섬유 전자제품이 매우 바람직합니다.그러나 보고된 대부분의 섬유 전자 제품은 주기적으로 단일 생리학적 신호를 목표로 삼거나 신호의 명시적인 세부 사항을 놓쳐 부분적인 건강 평가로 이어질 수 있습니다.게다가 우수한 특성과 편안함을 지닌 직물은 여전히 ​​과제로 남아 있습니다.여기에서는 높은 압력 감도와 편안함을 갖춘 마찰전기 전섬유 센서 어레이를 보고합니다.압력 감도(7.84mV Pa−1), 빠른 응답 시간(20ms), 안정성(>100,000사이클), 넓은 작동 주파수 대역폭(최대 20Hz) 및 기계 세척 가능성(>40세탁)을 나타냅니다.제작된 TATSA를 옷의 여러 부분에 꿰매어 동맥 맥파와 호흡 신호를 동시에 모니터링했습니다.우리는 심혈관 질환과 수면 무호흡 증후군에 대한 장기적이고 비침습적인 평가를 위한 건강 모니터링 시스템을 추가로 개발했으며, 이는 일부 만성 질환의 정량적 분석에 큰 발전을 보여줍니다.

웨어러블 전자 장치는 맞춤형 의료 분야에서 유망한 응용 분야로 인해 매력적인 기회를 제공합니다.이는 지속적이고 실시간이며 비침습적인 방식으로 개인의 건강 상태를 모니터링할 수 있습니다(1-11).활력 징후의 두 가지 필수 구성 요소인 맥박과 호흡은 생리적 상태에 대한 정확한 평가와 관련 질병의 진단 및 예후에 대한 놀라운 통찰력을 제공할 수 있습니다(12-21).현재까지 미묘한 생리적 신호를 감지하기 위한 대부분의 웨어러블 전자 장치는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리디메틸실록산, 폴리이미드, 유리 및 실리콘과 같은 초박형 기판을 기반으로 합니다(22-26).피부에 사용하기 위한 이러한 기재의 단점은 평면적이고 단단한 형식에 있습니다.결과적으로, 웨어러블 전자 장치와 인간 피부 사이에 촘촘한 접촉을 설정하려면 테이프, 반창고 또는 기타 기계적 고정 장치가 필요하며, 이는 장기간 사용하는 동안 자극과 불편함을 유발할 수 있습니다(27, 28).더욱이 이러한 기재는 통기성이 좋지 않아 장기간 지속적인 건강 모니터링에 사용할 때 불편함을 초래합니다.앞서 언급한 건강 관리 문제, 특히 일상적인 사용 문제를 완화하기 위해 스마트 섬유는 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공합니다.이러한 직물은 부드러움, 가벼운 무게, 통기성 등의 특성을 갖고 있어 웨어러블 전자제품의 편안함을 실현할 수 있는 가능성이 있습니다.최근 몇 년 동안 민감한 센서, 에너지 수확 및 저장 분야에서 섬유 기반 시스템을 개발하기 위해 집중적인 노력이 기울여졌습니다(29-39).특히, 맥박 및 호흡 신호 모니터링에 적용되는 광섬유, 압전 및 저항률 기반 스마트 직물에 대한 성공적인 연구가 보고되었습니다(40-43).그러나 이러한 스마트 직물은 일반적으로 감도가 낮고 단일 모니터링 매개변수를 가지며 대규모로 제조할 수 없습니다(표 S1).펄스 측정의 경우 펄스의 특징점 등 희미하고 빠른 변동으로 인해 상세한 정보를 포착하기 어렵기 때문에 높은 감도와 적절한 주파수 응답 성능이 요구됩니다.

본 연구에서는 표피의 미묘한 압력 포착을 위한 고감도의 마찰 전기 전섬유 센서 어레이(TATSA)를 소개하고 전도성 원사와 나일론 원사를 풀 카디건 스티치로 편직했습니다.TATSA는 높은 압력 감도(7.84mV Pa−1), 빠른 응답 시간(20ms), 안정성(>100,000사이클), 넓은 작동 주파수 대역폭(최대 20Hz) 및 기계 세척 가능성(>40세탁)을 제공할 수 있습니다.그것은 신중함, 편안함, 미적 매력을 지닌 옷에 편리하게 통합될 수 있습니다.특히 TATSA는 목, 손목, 손가락 끝 및 발목 위치의 맥파와 복부 및 가슴의 호흡파에 해당하는 직물의 다양한 위치에 직접 통합될 수 있습니다.실시간 및 원격 건강 모니터링에서 TATSA의 탁월한 성능을 평가하기 위해 심혈관 질환(CAD) 분석 및 수면 무호흡 증후군(SAS) 평가를 위한 생리 신호를 지속적으로 획득하고 저장하는 맞춤형 지능형 건강 모니터링 시스템을 개발합니다. ).

그림 1A에서 볼 수 있듯이 두 개의 TATSA를 셔츠의 커프와 가슴에 꿰매어 각각 맥박 및 호흡 신호를 동적이며 동시에 모니터링할 수 있습니다.이러한 생리학적 신호는 건강 상태에 대한 추가 분석을 위해 지능형 모바일 단말 애플리케이션(APP)에 무선으로 전송되었습니다.그림 1B는 천 조각에 스티치된 TATSA를 보여주고, 삽입된 그림은 특징적인 전도성 원사와 상용 나일론 원사를 함께 사용하여 풀 카디건 스티치로 편직된 TATSA의 확대도를 보여줍니다.가장 보편적이고 기본적인 편성 방법인 기본 플레인 스티치와 비교하여, 전도성사의 루프 헤드와 인접한 나일론사의 턱 스티치 헤드 사이의 접촉이 표면이기 때문에 풀 카디건 스티치를 선택했습니다(그림 S1). 점 접촉이 아닌 더 큰 작용 영역으로 이어져 높은 마찰 전기 효과를 제공합니다.전도성 원사를 준비하기 위해 고정 코어 섬유로 스테인레스 스틸을 선택하고 여러 조각의 단일 테릴렌 원사를 코어 섬유 주위로 꼬아 직경 0.2mm의 전도성 원사를 만들었습니다(그림 S2). 대전 표면과 전도성 전극 모두.직경 0.15mm의 또 다른 대전면 역할을 한 나일론사는 계산할 수 없는 실들에 의해 꼬여져 있기 때문에 강한 인장력을 가지고 있었다(그림 S3).그림 1(각각 C와 D)은 제작된 전도성 원사와 나일론 원사의 사진을 보여준다.삽입된 그림은 전도성 원사의 전형적인 단면과 나일론 원사의 표면을 나타내는 각각의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 보여줍니다.전도성 원사와 나일론 원사의 높은 인장 강도는 산업 기계에서의 제직 능력을 보장하여 모든 센서의 균일한 성능을 유지합니다.도 1E에 도시된 바와 같이, 전도성 원사, 나일론 원사 및 일반 실을 각각의 콘에 감은 후 자동 직조를 위한 산업용 컴퓨터 횡편기에 로딩하였다(동영상 S1).그림과 같이.S4에서는 여러 개의 TATSA를 산업 기계를 사용하여 일반 천과 함께 편직했습니다.두께 0.85mm, 무게 0.28g의 단일 TATSA를 전체 구조에서 맞춤 제작하여 개인 용도로 사용할 수 있어 다른 천과의 우수한 호환성을 나타냅니다.또한 TATSA는 상업용 나일론 원사가 다양하기 때문에 미적 및 패션 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 색상으로 디자인할 수 있습니다(그림 1F 및 그림 S5).제작된 TATSA는 뛰어난 부드러움과 심한 굽힘이나 변형을 견딜 수 있는 능력을 갖추고 있습니다(그림 S6).그림 1G는 스웨터의 복부와 소매에 직접 꿰매어진 TATSA를 보여줍니다.스웨터를 뜨개질하는 과정은 그림에 나와 있습니다.S7과 영화 S2.복부 위치에서 늘어난 TATSA의 앞면과 뒷면의 세부 사항이 그림에 나와 있습니다.S8 (각각 A와 B), 전도성 원사와 나일론 원사의 위치가 그림에 나와 있습니다.S8C.여기서는 TATSA가 일반 직물에 매끄럽게 내장되어 눈에 띄지 않고 스마트한 외관을 제공할 수 있음을 볼 수 있습니다.

(A) 실시간으로 맥박 및 호흡 신호를 모니터링하기 위해 두 개의 TATSA가 셔츠에 통합되었습니다.(B) TATSA와 옷의 조합에 대한 개략도.삽입된 그림은 센서의 확대된 모습을 보여줍니다.(C) 전도성 원사의 사진(스케일 바, 4cm).삽입된 부분은 스테인리스 스틸과 테릴렌 원사로 구성된 전도성 원사(스케일 바, 100μm) 단면의 SEM 이미지입니다.(D)나일론 원사 사진(스케일 바, 4cm).삽입된 부분은 나일론 원사 표면의 SEM 이미지입니다(스케일 바, 100μm).(E) TATSA의 자동 직조를 수행하는 컴퓨터 횡편직기의 이미지.(F)다양한 색상의 TATSA 사진(스케일 바, 2cm).삽입된 부분은 트위스트된 TATSA로 탁월한 부드러움을 보여줍니다.(G) 스웨터에 완전하고 매끄럽게 꿰매어진 두 개의 TATSA 사진.사진 제공: 충칭대학교 Wenjing Fan.

기계적 및 전기적 특성을 포함하여 TATSA의 작동 메커니즘을 분석하기 위해 그림 2A와 같이 TATSA의 기하학적 편직 모델을 구성했습니다.풀 카디건 스티치를 사용하여 전도성 원사와 나일론 원사가 코스 방향과 웨일 방향으로 루프 단위 형태로 맞물려 있습니다.단일 루프 구조(그림 S1)는 루프 헤드, 루프 암, 갈비뼈 교차 부분, 턱 스티치 암 및 턱 스티치 헤드로 구성됩니다.두 개의 서로 다른 원사 사이의 접촉면은 두 가지 형태로 발견될 수 있다: (i) 전도성 원사의 루프 헤드와 나일론사의 턱 스티치 헤드 사이의 접촉 표면 및 (ii) 전도성 원사의 루프 헤드 사이의 접촉 표면 나일론 원사와 전도성 원사의 턱 스티치 헤드.

(A) 니트 루프의 앞면, 오른쪽 및 위쪽이 있는 TATSA입니다.(B) COMSOL 소프트웨어를 사용하여 2kPa의 압력이 가해진 상태에서 TATSA의 힘 분포에 대한 시뮬레이션 결과.(C) 단락 조건에서 접점 장치의 전하 이동에 대한 개략적 예시입니다.(D) COMSOL 소프트웨어를 사용하여 개방 회로 조건에서 접점 장치의 전하 분포에 대한 시뮬레이션 결과입니다.

TATSA의 작동 원리는 외력 자극과 유도 전하라는 두 가지 측면으로 설명할 수 있습니다.외부 힘 자극에 대한 응력 분포를 직관적으로 이해하기 위해 그림 2B와 그림 2b와 같이 각각 2kPa와 0.2kPa의 서로 다른 외부 힘에서 COMSOL 소프트웨어를 사용하여 유한 요소 분석을 사용했습니다.S9.응력은 두 실의 접촉면에 나타납니다.그림과 같이.S10에서는 응력 분포를 명확하게 하기 위해 두 개의 루프 장치를 고려했습니다.두 가지 서로 다른 외부 힘에 따른 응력 분포를 비교하면, 전도성 원사와 나일론 원사의 표면에 대한 응력은 외부 힘이 증가함에 따라 증가하여 두 원사 사이의 접촉 및 압출이 발생합니다.외력이 해제되면 두 실이 분리되어 서로 멀어집니다.

전도성 원사와 나일론 원사 사이의 접촉 분리 움직임은 마찰 대전과 정전기 유도의 결합으로 인해 전하 이동을 유도합니다.발전 과정을 명확히 하기 위해 두 실이 서로 접촉하는 영역의 단면을 분석합니다(그림 2C1).그림 2(각각 C2 및 C3)에서 알 수 있듯이 TATSA가 외력에 의해 자극되어 두 실이 서로 접촉하면 전도성 실과 나일론 실의 표면에 대전이 발생하고 반대쪽의 등가 전하가 발생합니다. 두 원사의 표면에 극성이 생성됩니다.두 실이 분리되면 정전기 유도 효과로 인해 내부 스테인레스 스틸에 양전하가 유도됩니다.전체 회로도가 그림에 나와 있습니다.S11.발전 과정에 대한 보다 정량적인 이해를 얻기 위해 COMSOL 소프트웨어를 사용하여 TATSA의 전위 분포를 시뮬레이션했습니다(그림 2D).두 물질이 접촉하면 주로 마찰재에 전하가 모이고, 전극에는 유도 전하의 양이 적어서 전위가 작아집니다(그림 2D, 하단).두 물질이 분리되면(그림 2D, 상단) 전위차로 인해 전극에 유도된 전하가 증가하고 해당 전위가 증가하여 실험에서 얻은 결과와 시뮬레이션에서 얻은 결과가 잘 일치함을 나타냅니다. .또한 TATSA의 전도성 전극은 테릴렌 원사로 싸여 있고 피부는 두 마찰재 모두와 접촉하므로 TATSA를 피부에 직접 착용하면 전하는 외부 힘에 의존하고 피부가 약해집니다.

다양한 측면에서 TATSA의 성능을 특성화하기 위해 함수 발생기, 전력 증폭기, 전기 역학 셰이커, 힘 게이지, 전위계 및 컴퓨터가 포함된 측정 시스템을 제공했습니다(그림 S12).이 시스템은 최대 7kPa의 외부 동적 압력을 생성합니다.실험에서는 TATSA를 평평한 플라스틱 시트 위에 자유로운 상태로 놓고 출력된 전기 신호를 전위계로 기록했습니다.

전도성 원사와 나일론 원사의 사양은 접촉면과 외부 압력을 인지하는 능력을 결정하기 때문에 TATSA의 출력 성능에 영향을 미칩니다.이를 조사하기 위해 우리는 각각 150D/3, 210D/3, 250D/3 크기의 전도성 원사와 150D/6, 210D/6, 250D 크기의 나일론 원사의 세 가지 크기의 원사를 제작했습니다. /6(D, 데니어; 개별 실의 섬유 두께를 결정하는 데 사용되는 측정 단위. 데니어 수가 높은 직물은 두꺼운 경향이 있습니다).그런 다음 크기가 다른 두 원사를 선택하여 센서로 편직했으며 TATSA의 치수는 웨일 방향으로 16, 코스 방향으로 루프 수 10으로 3cm x 3cm로 유지되었습니다.이로써 9개의 편직 패턴을 갖는 센서가 얻어졌다.150D/3 사이즈의 전도성 원사와 150D/6 사이즈의 나일론사에 의한 센서가 가장 가늘었고, 250D/3 사이즈의 전도성사와 250D/ 사이즈의 나일론사에 의한 센서가 가장 가늘었다. 6이 가장 두꺼웠어요.0.1 ~ 7 kPa의 기계적 여기 하에서 이러한 패턴에 대한 전기 출력은 그림 3A와 같이 체계적으로 조사되고 테스트되었습니다.9개 TATSA의 출력 전압은 0.1kPa에서 4kPa로 증가된 압력에 따라 증가했습니다.구체적으로, 모든 편성 패턴 중 210D/3 전도성 원사와 210D/6 나일론 원사의 사양이 가장 높은 전기적 출력을 나타내었고 가장 높은 감도를 나타내었다.출력전압은 210D/3 전도성 원사와 210D/6 나일론 원사를 사용하여 TATSA를 편직할 때까지 TATSA의 두께가 증가함에 따라(충분한 접촉면으로 인해) 증가하는 경향을 보였다.두께가 더 증가하면 실이 외부 압력을 흡수하므로 출력 전압이 그에 따라 감소합니다.또한, 저압 영역(<4 kPa)에서는 압력에 따른 출력 전압의 잘 동작하는 선형 변화가 7.84 mV Pa−1의 우수한 압력 감도를 제공한다는 점에 주목합니다.고압 영역(>4 kPa)에서는 유효 마찰 영역의 포화로 인해 0.31 mV Pa−1의 더 낮은 압력 감도가 실험적으로 관찰되었습니다.힘을 가하는 반대 과정에서도 유사한 압력 민감도가 입증되었습니다.다양한 압력 하에서 출력 전압과 전류의 구체적인 시간 프로파일이 그림에 나와 있습니다.S13(각각 A와 B).

(A) 나일론 원사(150D/6, 210D/6, 250D/6)와 결합된 전도성 원사(150D/3, 210D/3, 250D/3)의 9가지 편성 패턴에서 출력 전압.(B) 웨일 방향의 루프 수를 변경하지 않고 유지할 때 동일한 직물 영역의 다양한 루프 단위 수에 대한 전압 응답.(C) 동적 압력 1kPa 및 압력 입력 주파수 1Hz에서 주파수 응답을 보여주는 플롯입니다.(D) 1, 5, 10, 20Hz의 주파수에서 다양한 출력 및 전류 전압.(E) 1kPa의 압력 하에서 TATSA의 내구성 테스트.(F) 20회 및 40회 세탁 후 TATSA의 출력 특성.

감도와 출력 전압은 측정된 직물 영역의 총 루프 수에 의해 결정되는 TATSA의 스티치 밀도에 의해 영향을 받았습니다.스티치 밀도가 증가하면 직물 구조가 더 컴팩트해집니다.그림 3B는 3cm x 3cm의 직물 영역에서 서로 다른 루프 번호에 따른 출력 성능을 보여 주며 삽입된 부분은 루프 장치의 구조를 보여줍니다(코스 방향의 루프 번호는 10으로 유지하고 루프 번호는 웨일 방향은 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26이었습니다.루프 수를 증가시키면 접점 표면이 증가하여 출력 전압이 처음에는 증가하는 경향을 보였으며, 루프 수 180에서 최대 출력 전압 피크는 7.5V에 이르렀습니다. 이 시점 이후 출력 전압은 감소하는 경향을 보였습니다. TATSA는 단단해졌고 두 실의 접촉 분리 공간이 감소했습니다.밀도가 어느 방향으로 출력에 큰 영향을 미치는지 알아보기 위해 TATSA의 웨일 방향 루프 수를 18로 유지하고 코스 방향 루프 수를 7, 8, 9, 10으로 설정했습니다. 그림 11, 12, 13, 14. 해당 출력 전압이 그림 1에 나와 있습니다.S14.이에 비해 코스방향의 밀도가 출력전압에 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.그 결과, 출력 특성에 대한 종합적인 평가를 거쳐 TATSA 편성을 위해 210D/3 전도성 원사와 210D/6 나일론 원사와 180 루프 단위의 편성 패턴을 선택하였다.또한 풀 카디건 스티치와 플레인 스티치를 이용한 두 개의 텍스타일 센서의 출력 신호를 비교했습니다.그림과 같이.S15에서는 풀 카디건 스티치를 사용한 전기적 출력과 감도가 플레인 스티치를 사용한 것보다 훨씬 높습니다.

실시간 신호를 모니터링하기 위한 응답 시간을 측정했습니다.외부 힘에 대한 센서의 응답 시간을 조사하기 위해 출력 전압 신호를 1~20Hz의 주파수에서 동적 압력 입력과 비교했습니다(각각 그림 3C 및 그림 S16).출력 전압 파형은 1 kPa 압력 하에서 입력 정현파 압력파와 거의 동일하였으며, 출력 파형은 빠른 응답 시간(약 20 ms)을 나타냈습니다.이러한 히스테리시스는 탄성구조가 외력을 받은 후에도 빨리 원래의 상태로 돌아오지 못하기 때문에 발생하는 것으로 생각된다.그럼에도 불구하고 이 작은 히스테리시스는 실시간 모니터링에 허용됩니다.특정 주파수 범위의 동적 압력을 얻으려면 TATSA의 적절한 주파수 응답이 예상됩니다.따라서 TATSA의 주파수 특성도 테스트되었습니다.외부 여자 주파수를 증가시킴으로써 출력 전압의 진폭은 거의 변하지 않은 반면, 태핑 주파수가 1Hz에서 20Hz까지 다양할 때 전류의 진폭은 증가했습니다(그림 3D).

TATSA의 반복성, 안정성 및 내구성을 평가하기 위해 압력 로딩-언로딩 주기에 대한 출력 전압 및 전류 응답을 테스트했습니다.5Hz의 주파수로 1kPa의 압력이 센서에 가해졌습니다.피크 대 피크 전압과 전류는 100,000번의 로딩-언로딩 주기 후에 기록되었습니다(각각 그림 3E 및 그림 S17).전압 및 전류 파형의 확대도는 그림 3E 및 그림의 삽입 그림에 표시됩니다.각각 S17.결과는 TATSA의 놀라운 반복성, 안정성 및 내구성을 보여줍니다.세탁성은 또한 모든 직물 장치로서 TATSA의 필수 평가 기준입니다.세탁 능력을 평가하기 위해 AATCC(American Association of Textile Chemists and Colorists) 테스트 방법 135-2017에 따라 TATSA를 기계 세탁한 후 센서의 출력 전압을 테스트했습니다.자세한 세척 절차는 재료 및 방법에 설명되어 있습니다.도 3F에 도시된 바와 같이, 20회 및 40회 세탁 후 전기 출력을 기록하였으며, 이는 세탁 테스트 전반에 걸쳐 출력 전압의 뚜렷한 변화가 없음을 보여주었다.이러한 결과는 TATSA의 뛰어난 세척성을 입증합니다.웨어러블 직물 센서로서 TATSA가 인장(그림 S18), 비틀림(그림 S19) 및 다양한 습도(그림 S20) 조건에 있을 때의 출력 성능도 조사했습니다.

위에서 설명한 TATSA의 수많은 장점을 바탕으로 우리는 지속적으로 생리학적 신호를 수집하고 환자에게 전문적인 조언을 제공할 수 있는 무선 모바일 건강 모니터링 시스템(WMHMS)을 개발했습니다.그림 4A는 TATSA를 기반으로 한 WMHMS의 구성도를 보여줍니다.이 시스템은 아날로그 생리학적 신호를 획득하기 위한 TATSA, 저역 통과 필터(MAX7427)가 있는 아날로그 조정 회로, 신호의 충분한 세부 정보와 탁월한 동기화를 보장하기 위한 증폭기(MAX4465), 아날로그-디지털 신호의 네 가지 구성 요소로 구성됩니다. 아날로그 신호를 수집하여 디지털 신호로 변환하는 마이크로 컨트롤러 기반 컨버터와 디지털 신호를 휴대폰 단말기 애플리케이션(APP, Huawei Honor 9)으로 전송하는 블루투스 모듈(CC2640 저전력 블루투스 칩)이 있습니다.이 연구에서 우리는 그림 4B와 같이 TATSA를 레이스, 손목밴드, 핑거스톨 및 양말에 매끄럽게 꿰매었습니다.

(A) WMHMS의 그림.(B) 손목 밴드, 핑거스톨, 양말 및 가슴 끈에 각각 꿰매어진 TATSA 사진.(C1) 목, (D1) 손목, (E1) 손가락 끝 및 (F1) 발목의 맥박을 측정합니다.(C2) 목, (D2) 손목, (E2) 손가락 끝 및 (F2) 발목의 맥박 파형.(G) 다양한 연령대의 펄스 파형.(H) 단일 펄스파 분석.방사형 증대 지수(AIx)는 AIx(%) = P2/P1로 정의됩니다.P1은 진행파의 피크이고 P2는 반사파의 피크입니다.(I) 상완 및 발목의 맥박주기.맥파 속도(PWV)는 PWV = D/ΔT로 정의됩니다.D는 발목과 상완골 사이의 거리입니다.ΔT는 발목 맥파와 상완 맥파의 최고점 사이의 시간 지연입니다.PTT, 펄스 전달 시간.(J) 건강한 사람과 CAD 간의 Aix와 상완 발목 PWV(BAPWV) 비교.*P < 0.01, **P < 0.001, ***P < 0.05.고혈압, 고혈압;CHD, 관상동맥심장병;DM, 당뇨병.사진 출처: 충칭대학교 진양(Jin Yang)

다양한 인체 부위의 맥박 신호를 모니터링하기 위해 앞서 언급한 TATSA 장식을 해당 위치인 목(그림 4C1), 손목(그림 4D1), 손가락 끝(그림 4E1) 및 발목(그림 4F1)에 부착했습니다. ), 영화 S3부터 S6까지 자세히 설명되어 있습니다.의학에서 맥파에는 진행파 P1의 정점, 반사파 P2의 정점, 중맥파 P3의 정점이라는 세 가지 실질적인 특징점이 있습니다.이러한 특징점의 특징은 심혈관계와 관련된 동맥 탄력성, 말초 저항, 좌심실 수축력 등의 건강 상태를 반영합니다.위의 4개 위치에서 25세 여성의 맥박 파형을 획득하여 테스트에 기록했습니다.그림 4(C2 ~ E2)에 표시된 것처럼 목, 손목, 손가락 끝 위치의 펄스 파형에서 세 가지 구별 가능한 특징점(P1 ~ P3)이 관찰되었습니다.대조적으로, 발목 위치의 맥박 파형에서는 P1과 P3만이 나타났고, P2는 나타나지 않았다(그림 4F2).이러한 결과는 좌심실에서 분출된 유입 혈액파와 하지에서 반사된 파동이 중첩되었기 때문에 발생한 것이다(44).이전 연구에서는 P2가 상지에서 측정된 파형에 나타나지만 발목에서는 측정되지 않은 것으로 나타났습니다(45, 46).그림과 같이 TATSA로 측정한 파형에서도 유사한 결과가 관찰되었습니다.S21은 여기에서 연구된 80명의 환자 모집단의 일반적인 데이터를 보여줍니다.발목에서 측정된 이러한 펄스 파형에는 P2가 나타나지 않았음을 알 수 있으며, 이는 TATSA가 파형 내의 미묘한 특징을 감지하는 능력을 입증합니다.이러한 맥박 측정 결과는 우리의 WMHMS가 상체와 하체의 맥파 특성을 정확하게 밝힐 수 있으며 다른 연구에 비해 우수함을 나타낸다(41, 47).우리의 TATSA가 다양한 연령대에 널리 적용될 수 있음을 더 나타내기 위해 우리는 다양한 연령대의 80명 피험자의 펄스 파형을 측정했으며 그림과 같이 몇 가지 일반적인 데이터를 보여주었습니다.S22.그림 4G에서 볼 수 있듯이 우리는 25세, 45세, 65세 세 명의 참가자를 선택했으며 세 가지 특징 포인트는 젊은 및 중년 참가자에게 분명했습니다.의학문헌(48)에 따르면, 대부분의 사람들의 맥파형 특성은 나이가 들수록 변화하는데, 이는 반사파가 앞으로 이동하여 진행파에 중첩되면서 발생하는 P2 지점이 사라지는 현상이다. 혈관 탄력.이 현상은 우리가 수집한 파형에도 반영되어 TATSA가 다양한 모집단에 적용될 수 있음을 추가로 검증합니다.

맥박 파형은 개인의 생리적 상태뿐만 아니라 검사 조건의 영향을 받습니다.따라서 우리는 TATSA와 피부 사이의 서로 다른 접촉 견고성과 측정 부위의 다양한 감지 위치(그림 S24)에서 펄스 신호를 측정했습니다.TATSA는 측정 현장의 넓은 유효 감지 영역에서 혈관 주변의 상세한 정보와 함께 일관된 펄스 파형을 얻을 수 있음을 알 수 있습니다.또한 TATSA와 피부 사이의 접촉 견고성이 다르면 뚜렷한 출력 신호가 있습니다.또한 센서를 착용한 개인의 움직임은 맥박 신호에 영향을 미칩니다.피험자의 손목이 정적 상태에 있을 때 획득된 펄스 파형의 진폭은 안정적입니다(그림 S25A).반대로 손목이 30초 동안 -70°에서 70° 사이의 각도로 천천히 움직일 때 펄스 파형의 진폭은 변동됩니다(그림 S25B).그러나 각 맥박 파형의 윤곽이 보이고 맥박수를 정확하게 얻을 수 있습니다.분명히 인간의 움직임에서 안정적인 맥파 수집을 달성하려면 센서 설계 및 백엔드 신호 처리를 포함한 추가 작업이 연구가 필요합니다.

또한 TATSA를 이용하여 획득한 맥박파형을 통해 심혈관계 상태를 분석하고 정량적으로 평가하기 위해 심혈관계 평가 사양에 따라 두 가지 혈역학적 매개변수인 증강지수(AIx)와 맥파속도를 도입하였다. (PWV)는 동맥의 탄력성을 나타냅니다.도 4H에 도시된 바와 같이, 25세 건강한 남성의 손목 위치에서의 맥박 파형을 Aix 분석에 사용하였다.공식(섹션 S1)에 따르면 AIx = 60%가 얻어졌으며 이는 정상 값입니다.그런 다음 이 참가자의 팔과 발목 위치에서 두 개의 펄스 파형을 동시에 수집했습니다(맥박 파형을 측정하는 자세한 방법은 재료 및 방법에 설명되어 있음).그림 4I에서 볼 수 있듯이 두 펄스 파형의 특징점이 뚜렷이 구별됩니다.그런 다음 공식(섹션 S1)에 따라 PWV를 계산했습니다.건강한 성인 남성에게 기대되는 특성값인 PWV = 1363 cm/s를 얻었습니다.반면, AIx나 PWV의 메트릭은 펄스 파형의 진폭 차이에 영향을 받지 않으며, 신체 부위별로 AIx의 값이 다양하다는 것을 알 수 있습니다.우리 연구에서는 방사형 AIx가 사용되었습니다.다양한 사람들에 대한 WMHMS의 적용 가능성을 검증하기 위해 50~59세의 건강군 20명, 고혈압(HTN)군 20명, 관상동맥심장병(CHD)군 20명, 중장년층 20명을 선정했다. 당뇨병(DM) 그룹.우리는 그림 4J에 제시된 것처럼 맥파를 측정하고 두 가지 매개변수 AIx와 PWV를 비교했습니다.HTN, CHD, DM군의 PWV 값은 정상군에 비해 낮았고 통계적 차이가 있음을 확인할 수 있었다(PHTN 〈 0.001, PCHD 〉 0.001, PDM 〈 0.001; P 값은 t로 계산). 시험).한편, 고혈압군과 CHD군의 AIx 값은 건강군에 비해 낮았고, 통계적으로 차이가 있는 것으로 나타났다(PHTN<0.01, PCHD<0.001, PDM<0.05).CHD, HTN, DM이 있는 참가자의 PWV와 AIx는 건강한 그룹보다 높았습니다.결과는 TATSA가 심혈관 건강 상태를 평가하기 위해 심혈관 매개변수를 계산하기 위해 펄스 파형을 정확하게 얻을 수 있음을 보여줍니다.결론적으로 무선, 고해상도, 고감도 특성과 편안함으로 인해 TATSA 기반 WMHMS는 현재 병원에서 사용되는 고가의 의료 장비보다 실시간 모니터링에 더 효율적인 대안을 제공합니다.

맥파 외에도 호흡 정보도 개인의 신체 상태를 평가하는 데 도움이 되는 주요 생체 신호입니다.TATSA를 기반으로 한 호흡 모니터링은 옷에 완벽하게 통합되어 더 나은 편안함을 제공할 수 있기 때문에 기존의 수면다원검사보다 더 매력적입니다.흰색의 탄력 있는 가슴 끈에 꿰매어진 TATSA는 인체에 ​​직접 묶여 호흡을 모니터링하기 위해 가슴 주위에 고정되었습니다(그림 5A 및 영화 S7).흉곽의 팽창과 수축에 따라 TATSA가 변형되어 전기 출력이 발생했습니다.획득된 파형은 그림 5B에서 확인됩니다.변동폭이 큰 신호(진폭 1.8V)와 주기적인 변화(주파수 0.5Hz)는 호흡 운동에 해당합니다.상대적으로 작은 변동 신호는 심장 박동 신호인 이 큰 변동 신호에 중첩되었습니다.호흡 및 심박동 신호의 주파수 특성에 따라 0.8Hz 저역 통과 필터와 0.8~20Hz 대역 통과 필터를 사용하여 호흡 신호와 심박동 신호를 각각 분리하였다(그림 5C). .이 경우, 단일 TATSA를 가슴에 위치시키기만 하면 풍부한 생리학적 정보(호흡수, 심박수, 맥파의 특징점 등)가 풍부한 안정적인 호흡 및 맥박 신호를 동시에 정확하게 얻을 수 있습니다.

(A) 호흡과 관련된 압력의 신호를 측정하기 위해 가슴에 배치된 TATSA의 디스플레이를 보여주는 사진입니다.(B)가슴에 장착된 TATSA의 전압-시간 플롯.(C) 신호(B)를 심장 박동과 호흡 파형으로 분해합니다.(D)수면 중에 호흡과 맥박을 각각 측정하기 위해 복부와 손목에 배치된 두 개의 TATSA를 보여주는 사진입니다.(E)건강한 참가자의 호흡 및 맥박 신호.HR, 심박수;BPM, 분당 비트 수입니다.(F)SAS 참가자의 호흡 및 맥박 신호.(G)건강한 참가자의 호흡 신호 및 PTT.(H)SAS 참가자의 호흡 신호 및 PTT.(I) PTT 각성 지수와 무호흡-저호흡 지수(AHI)의 관계.사진 제공: 충칭대학교 Wenjing Fan.

우리 센서가 맥박 및 호흡 신호를 정확하고 안정적으로 모니터링할 수 있음을 입증하기 위해 영화 S8에 자세히 설명된 대로 TATSA와 표준 의료 기기(MHM-6000B) 간의 맥박 및 호흡 신호 측정 결과를 비교하는 실험을 수행했습니다. 그리고 S9.맥파 측정에서는 의료기기의 광전 센서를 어린 소녀의 왼쪽 집게손가락에 착용했고, 한편 우리의 TATSA는 오른쪽 집게손가락에 착용했습니다.획득한 두 개의 펄스 파형에서 윤곽과 세부 사항이 동일하다는 것을 알 수 있으며 이는 TATSA에서 측정한 펄스가 의료 기기에서 측정한 펄스만큼 정확하다는 것을 나타냅니다.호흡파 측정에서는 의료 지시에 따라 젊은 남성의 신체 5개 부위에 5개의 심전도 전극을 부착했습니다.대조적으로, TATSA는 하나만 몸에 직접 묶여 가슴 주위에 고정되었습니다.수집된 호흡 신호로부터 우리 TATSA에 의해 감지된 호흡 신호의 변화 경향 및 속도가 의료 기기의 호흡 신호와 일치함을 알 수 있습니다.이 두 가지 비교 실험은 맥박 및 호흡 신호를 모니터링하기 위한 센서 시스템의 정확성, 신뢰성 및 단순성을 검증했습니다.

또한 우리는 스마트 의류를 제작하고 호흡 및 맥박 신호를 각각 모니터링하기 위해 복부와 손목 위치에 두 개의 TATSA를 꿰매었습니다.특히, 개발된 이중 채널 WMHMS를 사용하여 맥박 및 호흡 신호를 동시에 캡처했습니다.이 시스템을 통해 우리는 스마트 의류를 입은 25세 남성의 수면 중(그림 5D 및 영화 S10)과 앉아 있는 동안(그림 S26 및 영화 S11)의 호흡 및 맥박 신호를 얻었습니다.획득한 호흡 및 맥박 신호는 무선으로 휴대폰의 APP에 전송될 수 있습니다.위에서 언급한 것처럼 TATSA는 호흡 및 맥박 신호를 캡처하는 기능을 갖추고 있습니다.이 두 가지 생리적 신호는 SAS를 의학적으로 평가하는 기준이기도 합니다.따라서 TATSA를 사용하여 수면의 질 및 관련 수면 장애를 모니터링하고 평가할 수도 있습니다.그림 5(각각 E와 F)에서 볼 수 있듯이 건강한 참가자와 SAS 환자 두 명의 참가자의 맥박과 호흡 파형을 지속적으로 측정했습니다.무호흡증이 없는 사람의 경우 측정된 호흡수와 맥박수는 각각 15회와 70회에서 안정적으로 유지되었다.SAS 환자의 경우 폐쇄성 호흡 사건의 징후인 24초 동안 뚜렷한 무호흡이 관찰되었으며, 신경계 조절로 인해 일정 기간 무호흡 후에 심박수가 약간 증가했습니다(49).요약하자면 호흡 상태는 TATSA를 통해 평가할 수 있습니다.

맥박 및 호흡 신호를 통해 SAS 유형을 추가로 평가하기 위해 건강한 남성과 환자의 말초 혈관 저항 및 흉강 내압(섹션 S1에 정의됨)의 변화를 반영하는 비침습적 지표인 펄스 통과 시간(PTT)을 분석했습니다. SAS.건강한 참가자의 경우 호흡률은 변하지 않았으며 PTT는 180ms에서 310ms까지 비교적 안정적이었습니다(그림 5G).그러나 SAS 참가자의 경우 무호흡증 동안 PTT가 120ms에서 310ms로 지속적으로 증가했습니다(그림 5H).따라서 참가자는 폐쇄성 SAS(OSAS) 진단을 받았습니다.무호흡 기간 동안 PTT의 변화가 감소하면 중추수면무호흡증후군(CSAS)으로 판정하고, 두 증상이 동시에 나타나면 혼합형 SAS(MSAS)로 진단한다.SAS의 심각도를 평가하기 위해 수집된 신호를 추가로 분석했습니다.시간당 PTT 각성 횟수(PTT 각성은 ≥3초 동안 지속되는 PTT ≥15ms의 감소로 정의됨)인 PTT 각성 지수는 SAS의 정도를 평가하는 데 중요한 역할을 합니다.무호흡-저호흡 지수(AHI)는 SAS(무호흡은 호흡이 중단된 상태, 저호흡은 지나치게 얕은 호흡 또는 비정상적으로 낮은 호흡수)의 정도를 판단하는 기준으로, 1회당 무호흡과 저호흡이 발생한 횟수로 정의된다. 수면 중 시간(AHI와 OSAS 평가 기준 간의 관계는 표 S2에 나와 있습니다).AHI와 PTT 각성 지수 사이의 관계를 조사하기 위해 SAS 환자 20명의 호흡 신호를 선택하고 TATSA를 사용하여 분석했습니다.그림 5I에 표시된 것처럼 PTT 각성 지수는 AHI와 양의 상관 관계가 있습니다. 수면 중 무호흡 및 저호흡으로 인해 명백하고 일시적인 혈압 상승이 발생하여 PTT가 감소하기 때문입니다.따라서 TATSA는 안정적이고 정확한 맥박 및 호흡 신호를 동시에 얻을 수 있어 관련 질병의 모니터링 및 평가를 위한 심혈관계 및 SAS에 대한 중요한 생리학적 정보를 제공합니다.

요약하자면, 우리는 다양한 생리학적 신호를 동시에 감지하기 위해 전체 카디건 스티치를 사용하는 TATSA를 개발했습니다.이 센서는 7.84mV Pa−1의 높은 감도, 20ms의 빠른 응답 시간, 100,000사이클 이상의 높은 안정성, 넓은 작동 주파수 대역폭을 특징으로 합니다.TATSA를 기반으로 측정된 생리학적 매개변수를 휴대폰으로 전송하기 위한 WMHMS도 개발되었습니다.TATSA는 미적 디자인을 위해 의류의 다양한 부위에 통합될 수 있으며 맥박과 호흡 신호를 실시간으로 동시에 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다.이 시스템은 자세한 정보를 캡처할 수 있는 기능으로 인해 건강한 개인과 CAD 또는 SAS를 사용하는 개인을 구별하는 데 도움이 될 수 있습니다.이 연구는 인간의 맥박과 호흡을 측정하기 위한 편안하고 효율적이며 사용자 친화적인 접근 방식을 제공하여 웨어러블 섬유 전자 장치 개발의 발전을 나타냅니다.

스테인레스 스틸을 금형에 반복적으로 통과시키고 늘려서 직경 10μm의 섬유를 형성했습니다.전극으로 사용되는 스테인리스 스틸 섬유를 여러 조각의 상업용 단일 테릴렌 원사에 삽입했습니다.

정현파 압력 신호를 제공하기 위해 함수 발생기(Stanford DS345)와 증폭기(LabworkPa-13)를 사용했습니다.TATSA에 가해지는 외부 압력을 측정하기 위해 이중 범위 힘 센서(Vernier Software & Technology LLC)가 사용되었습니다.Keithley 시스템 전위계(Keithley 6514)를 사용하여 TATSA의 출력 전압과 전류를 모니터링하고 기록했습니다.

AATCC 테스트 방법 135-2017에 따라 TATSA와 충분한 밸러스트를 1.8kg 하중으로 사용한 후 상업용 세탁 기계(Labtex LBT-M6T)에 넣어 섬세한 기계 세탁 사이클을 수행했습니다.그런 다음 세탁기에 25°C의 물 18갤런을 채우고 선택한 세탁 주기와 시간에 맞게 세탁기를 설정했습니다(교반 속도: 분당 119스트로크, 세탁 시간: 6분, 최종 회전 속도: 430rpm, 최종 회전 속도: 회전 시간, 3분).마지막으로, TATSA를 26°C 이하의 실온에서 공기가 없는 곳에 매달아 건조시켰습니다.

피험자들은 침대 위에 바로 누운 자세로 누워 있도록 지시받았습니다.TATSA는 측정 장소에 배치되었습니다.피험자가 표준 누운 자세를 취한 후 5~10분 동안 완전히 편안한 상태를 유지했습니다.그런 다음 펄스 신호가 측정을 시작했습니다.

이 기사에 대한 보충 자료는 https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1에서 확인할 수 있습니다.

그림 S9.COMSOL 소프트웨어를 사용하여 0.2kPa의 압력이 가해진 상태에서 TATSA의 힘 분포에 대한 시뮬레이션 결과.

그림 S10.각각 0.2kPa와 2kPa의 압력이 가해진 상태에서 접촉 장치의 힘 분포에 대한 시뮬레이션 결과입니다.

그림 S11.단락 조건에서 접점 장치의 전하 이동에 대한 전체 개략도입니다.

그림 S13.측정 주기에서 지속적으로 가해지는 외부 압력에 반응하여 TATSA의 연속 출력 전압 및 전류입니다.

그림 S14.웨일 방향의 루프 수를 변경하지 않고 유지할 때 동일한 직물 영역의 다양한 수의 루프 장치에 대한 전압 반응.

그림 S15.풀 카디건 스티치와 플레인 스티치를 이용한 두 텍스타일 센서의 출력 성능 비교.

그림 S16.1kPa의 동적 압력과 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 및 20Hz의 압력 입력 주파수에서 주파수 응답을 보여주는 플롯.

그림 S25.피사체가 정적 및 모션 조건에 있을 때 센서의 출력 전압.

그림 S26.호흡과 맥박을 각각 측정하기 위해 복부와 손목에 동시에 배치된 TATSA를 보여주는 사진.

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

높은 압력 감도와 편안함을 갖춘 마찰전기 전섬유 센서가 건강 모니터링을 위해 개발되었습니다.

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© 2020 미국과학진흥협회.판권 소유.AAAS는 HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef 및 COUNTER.Science의 파트너로서 ISSN 2375-2548을 발전시킵니다.


게시 시간: 2020년 3월 27일
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