Текстилната електроника што може да се носи е многу пожелна за реализација на персонализирано здравствено управување.Сепак, повеќето пријавени текстилни електроника можат или периодично да таргетираат еден физиолошки сигнал или да ги пропуштат експлицитните детали за сигналите, што доведува до делумна здравствена проценка.Понатаму, текстилот со одлична сопственост и удобност сè уште останува предизвик.Овде, известуваме за трибоелектрична низа од целосно текстилни сензори со чувствителност и удобност на висок притисок.Покажува чувствителност на притисок (7,84 mV Pa−1), брзо време на одговор (20 ms), стабилност (>100.000 циклуси), широк опсег на работна фреквенција (до 20 Hz) и можност за перење во машина (>40 перења).Фабрикуваните ТАТСА беа зашиени во различни делови од облеката за да ги следат артериските пулсни бранови и респираторните сигнали истовремено.Понатаму развивме систем за следење на здравјето за долгорочна и неинвазивна проценка на кардиоваскуларните заболувања и синдромот на апнеја при спиење, што покажува голем напредок за квантитативна анализа на некои хронични заболувања.
Електрониката што може да се носи претставува фасцинантна можност поради нивните ветувачки апликации во персонализираната медицина.Тие можат да ја следат здравствената состојба на поединецот на континуиран, во реално време и неинвазивен начин (1-11).Пулсот и дишењето, како две незаменливи компоненти на виталните знаци, можат да дадат и точна проценка на физиолошката состојба и извонреден увид во дијагнозата и прогнозата на поврзаните болести (12-21).До денес, повеќето носливи електроники за откривање на суптилни физиолошки сигнали се засноваат на ултра тенки супстрати како што се полиетилен терефталат, полидиметилсилоксан, полиимид, стакло и силикон (22-26).Недостаток на овие супстрати за употреба на кожата лежи во нивните рамни и крути формати.Како резултат на тоа, потребни се ленти, фластери или други механички тела за да се воспостави компактен контакт помеѓу електрониката што може да се носи и човечката кожа, што може да предизвика иритација и непријатности за време на подолги периоди на употреба (27, 28).Покрај тоа, овие подлоги имаат слаба воздушна пропустливост, што резултира со непријатност кога се користат за долгорочно, континуирано следење на здравјето.За ублажување на гореспоменатите прашања во здравствената заштита, особено во секојдневната употреба, паметните текстили нудат сигурно решение.Овие текстили ги имаат карактеристиките на мекост, мала тежина и дише, а со тоа и потенцијал за остварување удобност во електрониката што може да се носи.Во последниве години, интензивни напори се посветени на развој на системи засновани на текстил во чувствителни сензори, собирање енергија и складирање (29-39).Конкретно, пријавени се успешни истражувања за оптички влакна, пиезоелектричност и паметни текстили базирани на отпорност кои се применуваат во следењето на пулсот и респираторните сигнали (40-43).Сепак, овие паметни текстили обично имаат мала чувствителност и единствен параметар за следење и не можат да се произведуваат во голем обем (табела S1).Во случај на мерење на пулсот, тешко е да се доловат детални информации поради слабото и брзо флуктуирање на пулсот (на пр., неговите карактеристики), и затоа, потребна е висока чувствителност и соодветни перформанси на одговор на фреквенцијата.
Во оваа студија, воведуваме трибоелектрична низа од целосно текстилни сензори (TATSA) со висока чувствителност за зафаќање на епидермално суптилен притисок, плетена со проводни и најлонски предива во целосен кардигански бод.TATSA може да обезбеди чувствителност на висок притисок (7,84 mV Pa−1), брзо време на одговор (20 ms), стабилност (>100.000 циклуси), широк опсег на работна фреквенција (до 20 Hz) и можност за перење во машина (>40 перења).Тој е способен лесно да се интегрира во облеката со дискреција, удобност и естетска привлечност.Имено, нашата TATSA може директно да се вгради во различни места на ткаенината што одговараат на пулсните бранови на позициите на вратот, зглобот, врвот на прстот и глуждот и на респираторните бранови во стомакот и градите.За да ги оцениме одличните перформанси на TATSA во реално време и далечинско следење на здравјето, развиваме персонализиран интелигентен систем за следење на здравјето за континуирано стекнување и зачувување физиолошки сигнали за анализа на кардиоваскуларни болести (CAD) и проценка на синдром на апнеја при спиење (SAS). ).
Како што е илустрирано на Сл. 1А, две TATSA беа зашиени во манжетната и градите на кошулата за да се овозможи динамично и истовремено следење на пулсот и респираторните сигнали, соодветно.Овие физиолошки сигнали беа пренесени безжично до интелигентната апликација за мобилни терминали (APP) за понатамошна анализа на здравствената состојба.Слика 1Б ја прикажува TATSA зашиена во парче ткаенина, а влошката го прикажува зголемениот поглед на TATSA, кој е плетен со користење на карактеристичното проводно предиво и комерцијално најлонско предиво заедно во целосен кардигански бод.Во споредба со основниот обичен шев, најчестиот и основниот метод на плетење, беше избран целосниот кардигански шев бидејќи контактот помеѓу главата на јамката на спроводливото предиво и соседната глава за шиење на најлонското предиво (сл. S1) е површина наместо контакт со точка, што доведува до поголема делувачка област за висок трибоелектричен ефект.За да го подготвиме проводното предиво, избравме нерѓосувачки челик како влакно со фиксно јадро, а неколку парчиња еднослојни териленски предива беа извиткани околу јадрото влакно во едно проводно предиво со дијаметар од 0,2 mm (сл. S2), кое служеше како и површината на електрификација и спроводната електрода.Најлонското предиво, кое имало пречник од 0,15 mm и служело како друга површина за електрификација, имало силна затегнувачка сила бидејќи се извивала со непресметливи предива (сл. S3).Слика 1 (C и D, соодветно) покажува фотографии од произведеното проводно предиво и најлонско предиво.Влошките ги прикажуваат нивните соодветни слики со електронска микроскопија за скенирање (SEM), кои претставуваат типичен пресек на проводното предиво и површината на најлонското предиво.Високата цврстина на истегнување на спроводливите и најлонските предива ја обезбеди нивната способност за ткаење на индустриска машина за одржување на еднакви перформанси на сите сензори.Како што е прикажано на слика 1E, проводните предива, најлонските предива и обичните нишки беа намотани на нивните соодветни конуси, кои потоа беа натоварени на индустриската компјутеризирана рамна машина за плетење за автоматско ткаење (филм S1).Како што е прикажано на сл.S4, неколку TATSA беа плетени заедно со обична ткаенина со помош на индустриската машина.Еден TATSA со дебелина од 0,85 mm и тежина од 0,28 g може да се прилагоди од целата структура за индивидуална употреба, покажувајќи ја својата одлична компатибилност со други ткаенини.Дополнително, TATSA би можеле да бидат дизајнирани во различни бои за да ги задоволат естетските и модерните барања поради разновидноста на комерцијалните најлонски предива (сл. 1F и сл. S5).Фабрикуваните TATSA имаат одлична мекост и капацитет да издржат грубо свиткување или деформација (сл. S6).Слика 1G ја прикажува TATSA зашиена директно во абдоменот и манжетната на џемперот.Процесот на плетење на џемперот е прикажан на сл.S7 и филм S2.Деталите за предната и задната страна на истегнатата TATSA во положбата на стомакот се прикажани на сл.S8 (A и B, соодветно), а положбата на проводното предиво и најлонското предиво е илустрирано на сл.S8C.Овде може да се види дека TATSA може беспрекорно да се вградува во обични ткаенини за дискретен и паметен изглед.
(А) Два TATSA интегрирани во кошула за следење на пулсот и респираторните сигнали во реално време.(Б) Шематска илустрација на комбинацијата на TATSA и облека.Вметнувањето го прикажува зголемениот приказ на сензорот.(В) Фотографија на проводното предиво (бар на скала, 4 cm).Вметнувањето е SEM сликата на пресекот на проводното предиво (бар на скала, 100 μm), кој се состои од нерѓосувачки челик и терилен предива.(Г) Фотографија од најлонското предиво (бар, 4 cm).Вметнувањето е SEM сликата на површината на најлон предиво (бар на скала, 100 μm).(Д) Слика на компјутеризирана рамна машина за плетење која врши автоматско ткаење на TATSA.(Ѓ) Фотографија на TATSA во различни бои (лента со скала, 2 см).Вметната е извртената TATSA, која ја демонстрира својата одлична мекост.(Г) Фотографија на две TATSA целосно и беспрекорно зашиени во џемпер.Фото кредит: Венџинг Фан, Универзитетот Чонгкинг.
За да го анализираме работниот механизам на TATSA, вклучувајќи ги неговите механички и електрични својства, конструиравме геометриски модел на плетење на TATSA, како што е прикажано на Сл. 2А.Користејќи го целосниот шев за кардиган, спроводливите и најлонските предива се испреплетени во форма на единици за јамка во насока и насока.Структурата со единечна јамка (сл. S1) се состои од глава на јамка, крак на јамка, дел за вкрстување на ребрата, рака за шиење и глава за шиење.Може да се најдат две форми на контактната површина помеѓу двете различни предива: (i) контактната површина помеѓу главата на јамката на спроводното предиво и главата за шиење на најлонското предиво и (ii) површината за контакт помеѓу главата на јамката на најлонското предиво и главата за навивање на проводното предиво.
(А) TATSA со предната, десната и горната страна на плетените јамки.(Б) Резултат од симулацијата на дистрибуцијата на силата на TATSA под применет притисок од 2 kPa со помош на софтверот COMSOL.(В) Шематски илустрации за пренос на полнеж на единица за контакт при услови на краток спој.(Г) Резултати од симулацијата на распределбата на полнежот на единицата за контакт во услови на отворено коло со помош на софтверот COMSOL.
Принципот на работа на TATSA може да се објасни во два аспекта: стимулација на надворешната сила и нејзиниот индуциран полнеж.За интуитивно да ја разбереме распределбата на стресот како одговор на стимулацијата на надворешната сила, користевме анализа на конечни елементи користејќи софтвер COMSOL при различни надворешни сили од 2 и 0,2 kPa, како што е соодветно прикажано на сл. 2Б и сл.S9.Напрегањето се појавува на контактните површини на две предива.Како што е прикажано на сл.S10, разгледавме две единици на јамка за да ја разјасниме распределбата на стресот.При споредување на распределбата на напрегањето под две различни надворешни сили, напрегањето на површините на проводните и најлонските предива се зголемува со зголемената надворешна сила, што резултира со контакт и истиснување помеѓу двете предива.Откако ќе се ослободи надворешната сила, двете предива се одвојуваат и се оддалечуваат една од друга.
Движењата за раздвојување на контакт помеѓу проводното предиво и најлонското предиво предизвикуваат пренос на полнеж, што се припишува на спојот на трибоелектрификацијата и електростатската индукција.За да се разјасни процесот на генерирање електрична енергија, го анализираме пресекот на областа каде што двете предива контактираат едни со други (сл. 2C1).Како што е прикажано на Сл. 2 (C2 и C3, соодветно), кога TATSA е стимулирана од надворешната сила и двете предива контактираат едни со други, се јавува електрификација на површината на спроводливите и најлонските предива, а еквивалентните полнежи со спротивно се генерираат поларитети на површината на двете предива.Откако двете предива ќе се разделат, позитивните полнежи се индуцираат во внатрешниот нерѓосувачки челик поради ефектот на електростатска индукција.Целосната шема е прикажана на сл.S11.За да стекнеме повеќе квантитативно разбирање за процесот на генерирање електрична енергија, ја симулиравме потенцијалната дистрибуција на TATSA користејќи софтвер COMSOL (сл. 2D).Кога двата материјали се во контакт, полнежот главно се собира на материјалот за триење, а само мала количина на индуцирано полнење е присутна на електродата, што резултира со мал потенцијал (сл. 2D, дното).Кога двата материјали се одвоени (слика 2D, горе), индуцираното полнење на електродата се зголемува поради потенцијалната разлика, а соодветниот потенцијал се зголемува, што открива добра согласност помеѓу резултатите добиени од експериментите и оние од симулациите .Понатаму, бидејќи спроводната електрода на TATSA е обвиткана во териленски предива и кожата е во контакт со двата материјали за триење, затоа, кога TATSA се носи директно на кожата, полнењето зависи од надворешната сила и нема да бидат ослабени од кожата.
За да се карактеризираат перформансите на нашата TATSA во различни аспекти, обезбедивме систем за мерење кој содржи генератор на функции, засилувач на моќност, електродинамички шејкер, манометар, електрометар и компјутер (сл. S12).Овој систем генерира надворешен динамички притисок до 7 kPa.Во експериментот, TATSA беше поставен на рамен пластичен лист во слободна состојба, а излезните електрични сигнали се снимаат од електрометарот.
Спецификациите на проводните и најлонските предива влијаат на излезните перформанси на TATSA бидејќи тие ја одредуваат контактната површина и капацитетот за согледување на надворешниот притисок.За да го истражиме ова, направивме три големини на двете предива, соодветно: проводно предиво со големина од 150D/3, 210D/3 и 250D/3 и најлонско предиво со големина од 150D/6, 210D/6 и 250D /6 (D, denier; мерна единица што се користи за одредување на дебелината на влакната на поединечните нишки; ткаенините со висок број на denier имаат тенденција да бидат дебели).Потоа, ги избравме овие две предива со различни големини за да ги плетеме во сензор, а димензијата на TATSA беше задржана на 3 cm на 3 cm со број на јамка од 16 во правец на вел и 10 во насока на патеката.Така се добиени сензорите со девет обрасци за плетење.Најтенок беше сензорот кај проводното предиво со големина 150D/3 и најлонско предиво со големина од 150D/6, а сензорот кај проводното предиво со големина 250D/3 и најлонско предиво со големина од 250D/ 6 беше најгуст.Под механичко возбудување од 0,1 до 7 kPa, електричните излези за овие обрасци беа систематски истражени и тестирани, како што е прикажано на Сл. 3А.Излезните напони на деветте TATSA се зголемија со зголемен применет притисок, од 0,1 на 4 kPa.Поточно, од сите модели на плетење, спецификацијата на проводното предиво 210D/3 и најлонското предиво 210D/6 испорача највисок електричен излез и покажа најголема чувствителност.Излезниот напон покажа растечки тренд со зголемување на дебелината на TATSA (поради доволната контактна површина) се додека ТАТСА не беше плетена со употреба на проводно предиво 210D/3 и најлонско предиво 210D/6.Бидејќи понатамошното зголемување на дебелината би довело до апсорпција на надворешниот притисок од страна на предивата, излезниот напон соодветно се намалил.Понатаму, забележано е дека во регионот со низок притисок (<4 kPa), добро спроведената линеарна варијација на излезниот напон со притисок даде супериорна чувствителност на притисок од 7,84 mV Pa-1.Во регионот со висок притисок (>4 kPa), експериментално беше забележана пониска чувствителност на притисок од 0,31 mV Pa-1 поради заситеноста на ефективната површина на триење.Слична чувствителност на притисок беше покажана за време на спротивниот процес на примена на сила.Конкретните временски профили на излезниот напон и струја под различни притисоци се претставени на сл.S13 (А и Б, соодветно).
(А) Излезен напон под девет обрасци за плетење на проводното предиво (150D/3, 210D/3 и 250D/3) во комбинација со најлонското предиво (150D/6, 210D/6 и 250D/6).(Б) Одговор на напон на различни броеви на единици на јамка во истата област на ткаенината кога бројот на јамката се одржува непроменет во насоката на јамката.(В) Парцели што ги прикажуваат одговорите на фреквенцијата под динамичен притисок од 1 kPa и влезна фреквенција на притисок од 1 Hz.(Г) Различни излезни и струјни напони под фреквенции од 1, 5, 10 и 20 Hz.(Д) Тест на издржливост на TATSA под притисок од 1 kPa.(Ѓ) Излезни карактеристики на TATSA по миење 20 и 40 пати.
Чувствителноста и излезниот напон исто така беа под влијание на густината на шевот на TATSA, која беше одредена од вкупниот број на јамки во измерената површина на ткаенината.Зголемувањето на густината на шевот би довело до поголема компактност на структурата на ткаенината.Слика 3Б ги прикажува перформансите на излезот под различни броеви на јамки во областа на текстилот од 3 cm на 3 cm, а вметнувањето ја илустрира структурата на единицата за јамка (го задржавме бројот на јамката во насока на курсот на 10, а бројот на јамката во насоката на Вејл беше 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 и 26).Со зголемување на бројот на јамката, излезниот напон најпрво покажа тренд на зголемување поради зголемената контактна површина, до максималниот врв на излезен напон од 7,5 V со број на јамка од 180. По оваа точка, излезниот напон следеше тренд на намалување бидејќи TATSA стана затегнат, а двете предива имаа намален простор за одвојување на контакт.За да истражиме во која насока густината има големо влијание врз излезот, го задржавме бројот на јамката на TATSA во насока на Вејл на 18, а бројот на јамката во насока на курсот беше поставен да биде 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и 14. Соодветните излезни напони се прикажани на сл.S14.За споредба, можеме да видиме дека густината во насоката на курсот има поголемо влијание врз излезниот напон.Како резултат на тоа, моделот за плетење на проводното предиво 210D/3 и најлонското предиво 210D/6 и 180 единици јамки беа избрани за плетење на TATSA по сеопфатни проценки на излезните карактеристики.Понатаму, ги споредивме излезните сигнали на два текстилни сензори користејќи го целосниот шев за кардиган и обичниот бод.Како што е прикажано на сл.S15, електричниот излез и чувствителноста со користење на целосен бод за кардиган се многу повисоки од оние со обичен бод.
Беше измерено времето на одговор за следење на сигналите во реално време.За да го испитаме времето на одговор на нашиот сензор на надворешни сили, ги споредивме сигналите на излезниот напон со влезовите на динамичкиот притисок на фреквенција од 1 до 20 Hz (сл. 3C и сл. S16, соодветно).Брановите форми на излезниот напон беа речиси идентични со влезните синусоидни притисочни бранови под притисок од 1 kPa, а излезните бранови имаа брзо време на одговор (околу 20 ms).Оваа хистереза може да се припише на тоа што еластичната структура не се вратила во првобитната состојба што е можно поскоро по добивањето на надворешната сила.Сепак, оваа мала хистереза е прифатлива за следење во реално време.За да се добие динамичкиот притисок со одреден фреквентен опсег, се очекува соодветен фреквентен одговор на TATSA.Така, беше тестирана и фреквентната карактеристика на TATSA.Со зголемување на надворешната возбудлива фреквенција, амплитудата на излезниот напон остана речиси непроменета, додека амплитудата на струјата се зголеми кога фреквенциите на прислушување варираа од 1 до 20 Hz (сл. 3D).
За да ја оцениме повторливоста, стабилноста и издржливоста на TATSA, ги тестиравме одговорите на излезниот напон и струјата на циклусите на вчитување-растоварување со притисок.На сензорот се применува притисок од 1 kPa со фреквенција од 5 Hz.Напонот и струјата од врв до врв се евидентирани по 100.000 циклуси на вчитување-растовар (сл. 3E и сл. S17, соодветно).Зголемените прикази на напонот и тековната бранова форма се прикажани во влезот на сл. 3E и сл.S17, соодветно.Резултатите ја откриваат извонредната повторливост, стабилност и издржливост на TATSA.Можноста за перење е исто така суштински критериум за проценка на TATSA како целосно текстилен уред.За да ја оцениме способноста за перење, го тестиравме излезниот напон на сензорот откако машински го измивме TATSA според методот на тестирање на Американското здружение на текстилни хемичари и бои (AATCC) 135-2017.Деталната процедура за перење е опишана во Материјали и методи.Како што е прикажано на Сл. 3F, електричните излези се снимени по миење 20 пати и 40 пати, што покажа дека нема посебни промени на излезниот напон во текот на тестовите за перење.Овие резултати ја потврдуваат извонредната перење на TATSA.Како текстилен сензор што може да се носи, ги истраживме и перформансите на излезот кога TATSA беше во затегнувачки (сл. S18), извиткан (сл. S19) и различна влажност (слика S20).
Врз основа на бројните предности на TATSA демонстрирани погоре, развивме безжичен мобилен систем за следење на здравјето (WMHMS), кој има можност постојано да добива физиолошки сигнали и потоа да дава професионални совети за пациентот.Слика 4А го прикажува дијаграмот на шемата на WMHMS базиран на TATSA.Системот има четири компоненти: TATSA за стекнување на аналогни физиолошки сигнали, аналогно климатско коло со нископропусен филтер (MAX7427) и засилувач (MAX4465) за да се обезбедат доволни детали и одлична синхронизација на сигналите, аналогно-дигитално конвертор базиран на единица микроконтролер за собирање и претворање на аналогните сигнали во дигитални сигнали и Bluetooth модул (CC2640 Bluetooth чип со мала моќност) за пренос на дигиталниот сигнал до терминалната апликација за мобилни телефони (APP; Huawei Honor 9).Во оваа студија, ние беспрекорно го зашивме TATSA во чипка, нараквица, држач за прсти и чорап, како што е прикажано на Сл. 4Б.
(А) Илустрација на WMHMS.(Б) Фотографии на ТАТСА зашиени во нараквица, стаклена рака, чорап и ремен на градите, соодветно.Мерење на пулсот на (C1) вратот, (D1) зглобот, (E1) врвот на прстот и (F1) на глуждот.Бранова форма на пулсот на (C2) вратот, (D2) зглобот, (E2) врвот на прстот и (F2) на глуждот.(Г) Пулсни бранови форми од различни возрасти.(H) Анализа на еден пулсен бран.Индекс на радијално зголемување (AIx) дефиниран како AIx (%) = P2/P1.P1 е врвот на напредниот бран, а P2 е врвот на рефлектираниот бран.(I) Пулсен циклус на брахијалниот и на глуждот.Брзината на пулсот бран (PWV) е дефинирана како PWV = D/∆T.D е растојанието помеѓу глуждот и брахијалниот.∆T е временското доцнење помеѓу врвовите на брановите на глуждот и брахијалниот пулс.PTT, време на транзит на пулсот.(Ј) Споредба на AIx и PWV на брахијалниот глужд (BAPWV) помеѓу здрави и CAD.*P <0,01, **P <0,001 и ***P <0,05.HTN, хипертензија;КСБ, коронарна срцева болест;ДМ, дијабетес мелитус.Фото кредит: Џин Јанг, Универзитетот Чонгкинг.
За да ги следиме пулсните сигнали на различните делови на човечкото тело, ги прикачивме гореспоменатите украси со TATSA на соодветните положби: вратот (сл. 4C1), зглобот (сл. 4D1), врвот на прстот (сл. 4E1) и глуждот (сл. 4F1 ), како што е елаборирано во филмовите S3 до S6.Во медицината, постојат три суштински карактеристики во пулсниот бран: врвот на напредниот бран P1, врвот на рефлектираниот бран P2 и врвот на дикротичниот бран P3.Карактеристиките на овие карактеристики ја рефлектираат здравствената состојба на артериската еластичност, периферниот отпор и контрактилноста на левата комора поврзана со кардиоваскуларниот систем.Импулсните бранови форми на 25-годишна жена на горенаведените четири позиции беа стекнати и забележани во нашиот тест.Забележете дека трите точки на карактеристични карактеристики (P1 до P3) беа забележани на брановиот облик на пулсот на позициите на вратот, зглобот и врвот на прстот, како што е прикажано на сл. 4 (C2 до E2).Спротивно на тоа, само P1 и P3 се појавија на брановиот облик на пулсот на положбата на глуждот, а P2 не беше присутен (сл. 4F2).Овој резултат беше предизвикан од суперпозицијата на влезниот крвен бран исфрлен од левата комора и рефлектираниот бран од долните екстремитети (44).Претходните студии покажаа дека P2 се манифестира во бранови форми измерени во горните екстремитети, но не и во глуждот (45, 46).Забележавме слични резултати во брановите форми измерени со TATSA, како што е прикажано на сл.S21, кој покажува типични податоци од популацијата од 80 пациенти кои се проучувале овде.Можеме да видиме дека P2 не се појавил во овие пулсни бранови форми измерени во глуждот, демонстрирајќи ја способноста на TATSA да детектира суптилни карактеристики во брановата форма.Овие резултати од мерењето на пулсот покажуваат дека нашиот WMHMS може точно да ги открие карактеристиките на пулсните бранови на горниот и долниот дел од телото и дека е супериорен во однос на другите дела (41, 47).За дополнително да укажеме дека нашата TATSA може широко да се применува на различни возрасти, ги измеривме пулсните бранови форми на 80 субјекти на различни возрасти и покажавме некои типични податоци, како што е прикажано на сл.S22.Како што е прикажано на слика 4G, избравме тројца учесници на возраст од 25, 45 и 65 години, а трите карактеристики беа очигледни за младите и средовечните учесници.Според медицинската литература (48), карактеристиките на пулсните бранови на повеќето луѓе се менуваат како што стареат, како што е исчезнувањето на точката P2, која е предизвикана од рефлектираниот бран што се движи напред за да се наметне на напредниот бран преку намалување на васкуларна еластичност.Овој феномен се рефлектира и во брановите форми што ги собравме, дополнително потврдувајќи дека TATSA може да се примени на различни популации.
Формата на пулсот е под влијание не само од физиолошката состојба на поединецот, туку и од условите за тестирање.Затоа, ги меривме пулсните сигнали под различна затегнатост на контакт помеѓу TATSA и кожата (сл. S23) и различни позиции за откривање на мерното место (сл. S24).Може да се открие дека TATSA може да добие конзистентни пулсни бранови со детални информации околу садот во голема ефективна област за откривање на мерното место.Покрај тоа, постојат различни излезни сигнали под различна затегнатост на контактот помеѓу TATSA и кожата.Покрај тоа, движењето на поединците кои ги носат сензорите би влијаело на пулсните сигнали.Кога зглобот на субјектот е во статична состојба, амплитудата на добиената пулсна бранова форма е стабилна (сл. S25A);обратно, кога зглобот полека се движи под агол од -70° до 70° во текот на 30 секунди, амплитудата на брановиот облик на импулсот ќе флуктуира (сл. S25B).Сепак, контурата на секоја пулсна бранова форма е видлива, а стапката на пулсот сè уште може точно да се добие.Очигледно, за да се постигне стабилно стекнување на пулсни бранови во човечкото движење, потребна е понатамошна работа, вклучувајќи дизајн на сензорот и обработка на задни сигнали.
Понатаму, за да се анализира и квантитативно да се процени состојбата на кардиоваскуларниот систем преку стекнатите пулсни бранови форми користејќи ја нашата TATSA, воведовме два хемодинамски параметри според спецификацијата за проценка на кардиоваскуларниот систем, имено, индексот на зголемување (AIx) и брзината на пулсот. (PWV), кои ја претставуваат еластичноста на артериите.Како што е прикажано на Сл. 4H, формата на пулсот во положбата на зглобот на 25-годишниот здрав маж беше искористена за анализа на AIx.Според формулата (дел S1) се добива AIx = 60%, што е нормална вредност.Потоа, истовремено собравме два пулсни бранови форми на позициите на раката и глуждот на овој учесник (деталниот метод за мерење на брановиот облик на пулсот е опишан во Материјали и методи).Како што е прикажано на Сл. 4I, карактеристиките на двата пулсни бранови форми беа различни.Потоа го пресметавме PWV според формулата (дел S1).Добиена е PWV = 1363 cm/s, што е карактеристична вредност што се очекува од здрав возрасен маж.Од друга страна, можеме да видиме дека метриката на AIx или PWV не е под влијание на амплитудната разлика на пулсната бранова форма, а вредностите на AIx во различни делови од телото се различни.Во нашата студија беше користен радијалниот AIx.За да ја потврдиме применливоста на WMHMS кај различни луѓе, избравме 20 учесници во здравата група, 20 во групата со хипертензија (HTN), 20 во групата на коронарна срцева болест (КСБ) на возраст од 50 до 59 години и 20 во групата група на дијабетес мелитус (ДМ).Ги измеривме нивните пулсни бранови и ги споредивме нивните два параметри, AIx и PWV, како што е претставено на Сл. 4J.Може да се открие дека PWV вредностите на групите HTN, CHD и DM биле пониски во споредба со оние на здравата група и имаат статистичка разлика (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 и PDM ≪ 0,001; вредностите на P биле пресметани со t тест).Во меѓувреме, AIx вредностите на групите HTN и CHD беа пониски во споредба со здравата група и имаат статистичка разлика (PHTN <0,01, PCHD <0,001 и PDM <0,05).PWV и AIx на учесниците со CHD, HTN или DM беа повисоки од оние во здравата група.Резултатите покажуваат дека TATSA е способен прецизно да ја добие формата на пулсот за да го пресмета кардиоваскуларниот параметар за да го процени кардиоваскуларниот здравствен статус.Како заклучок, поради неговите безжични, висока резолуција, карактеристики со висока чувствителност и удобност, WMHMS базиран на TATSA обезбедува поефикасна алтернатива за следење во реално време од сегашната скапа медицинска опрема што се користи во болниците.
Покрај пулсниот бран, респираторните информации се исто така примарен витален знак за да се помогне во проценката на физичката состојба на поединецот.Следењето на дишењето врз основа на нашата TATSA е попривлечно од конвенционалната полисомнографија бидејќи може беспрекорно да се интегрира во облеката за подобра удобност.Зашиени во бела еластична лента на градите, TATSA беше директно врзана за човечкото тело и прицврстена околу градите за следење на дишењето (сл. 5А и филм S7).TATSA се деформира со проширување и контракција на градниот кош, што резултираше со електричен излез.Стекнатиот брановиден облик е потврден на Сл. 5Б.Сигналот со големи флуктуации (амплитуда од 1,8 V) и периодични промени (фреквенција од 0,5 Hz) одговараше на респираторното движење.Релативно малиот флуктуациски сигнал беше надреден на овој голем флуктуациски сигнал, кој беше сигнал за отчукување на срцето.Според карактеристиките на фреквенцијата на сигналите за дишење и отчукување на срцето, користевме нископропусен филтер од 0,8-Hz и фреквентен филтер од 0,8-20-Hz за да ги одделиме сигналите за дишење и чукање на срцето, соодветно, како што е прикажано на сл. 5C .Во овој случај, стабилни респираторни и пулсни сигнали со изобилни физиолошки информации (како што се респираторната фреквенција, отчукувањата на срцето и карактеристиките на пулсниот бран) беа добиени истовремено и прецизно со едноставно поставување на единечната TATSA на градите.
(А) Фотографија на која се прикажува екранот на TATSA поставен на градите за мерење на сигналот во притисокот поврзан со дишењето.(Б) Заплетот на напон-време за TATSA поставен на градите.(В) Распаѓање на сигналот (Б) во отчукувањата на срцето и респираторниот брановид.(Г) Фотографија на која се прикажани два TATSA поставени на абдоменот и зглобот за мерење на дишењето и пулсот, соодветно, за време на спиењето.(Д) Респираторни и пулсни сигнали на здрав учесник.HR, пулс;BPM, отчукувања во минута.(Ѓ) Респираторни и пулсни сигнали на учесник во SAS.(Г) Респираторен сигнал и ПТТ на здрав учесник.(H) Респираторен сигнал и PTT на учесник во SAS.(I) Врска помеѓу индексот на возбуда на ПТТ и индексот на апнеа-хипопнеа (АХИ).Фото кредит: Венџинг Фан, Универзитетот Чонгкинг.
За да докажеме дека нашиот сензор може прецизно и сигурно да ги следи пулсните и респираторните сигнали, спроведовме експеримент за да ги споредиме резултатите од мерењето на сигналите за пулсот и дишењето помеѓу нашите TATSA и стандардниот медицински инструмент (MHM-6000B), како што е елаборирано во филмовите S8 и S9.При мерење на пулсни бранови, фотоелектричниот сензор на медицинскиот инструмент бил носен на левиот показалец на една млада девојка, а во меѓувреме нашата TATSA била на нејзиниот десен показалец.Од двата стекнати пулсни бранови форми, можеме да видиме дека нивните контури и детали биле идентични, што покажува дека пулсот измерен од TATSA е исто толку прецизен како и медицинскиот инструмент.При мерење на респираторниот бран, пет електрокардиографски електроди беа прикачени на пет области на телото на млад човек според лекарското упатство.Спротивно на тоа, само една TATSA била директно врзана за телото и прицврстена околу градите.Од собраните респираторни сигнали, може да се види дека тенденцијата на варијација и брзината на откриениот сигнал за дишење од нашата TATSA беа конзистентни со онаа на медицинскиот инструмент.Овие два споредбени експерименти ја потврдија точноста, доверливоста и едноставноста на нашиот сензорски систем за следење на пулсот и респираторните сигнали.
Понатаму, направивме парче паметна облека и сошивме две TATSA на стомачните и рачните позиции за следење на респираторните и пулсните сигнали, соодветно.Поточно, развиен двоканален WMHMS беше користен за истовремено снимање на пулсот и респираторните сигнали.Преку овој систем, ги добивме респираторните и пулсните сигнали на 25-годишен маж облечен во нашата паметна облека додека спие (сл. 5D и филм S10) и седи (сл. S26 и филм S11).Добиените респираторни и пулсни сигнали може безжично да се пренесат до АПП на мобилниот телефон.Како што споменавме погоре, TATSA има способност да фати респираторни и пулсни сигнали.Овие два физиолошки сигнали се исто така критериуми за медицински проценка на SAS.Затоа, нашата TATSA може да се користи и за следење и проценка на квалитетот на сонот и поврзаните нарушувања на спиењето.Како што е прикажано на Сл. 5 (Е и Ф, соодветно), ние континуирано ги меревме пулсот и респираторните бранови форми на двајца учесници, здрав и пациент со САС.За личноста без апнеја, измерените фреквенции на дишење и пулс останаа стабилни на 15 и 70, соодветно.За пациентот со САС, забележана е посебна апнеја за 24 секунди, што е индикација за опструктивен респираторен настан, а отчукувањата на срцето малку се зголемија по период на апнеја поради регулацијата на нервниот систем (49).Накратко, респираторниот статус може да се оцени од нашата TATSA.
За понатамошно проценување на типот на SAS преку пулсни и респираторни сигнали, го анализиравме времето на транзит на пулсот (PTT), неинвазивен индикатор кој ги одразува промените во периферниот васкуларен отпор и интраторакалниот притисок (дефиниран во делот S1) на здрав маж и пациент со САС.За здравиот учесник, стапката на дишење остана непроменета, а PTT беше релативно стабилен од 180 до 310 ms (сл. 5G).Сепак, за учесникот на SAS, PTT постојано се зголемуваше од 120 на 310 ms за време на апнеја (сл. 5H).Така, на учесникот му беше дијагностициран опструктивен САС (ОСАС).Ако промената на ПТТ се намали за време на апнеја, тогаш состојбата ќе се одреди како синдром на централна ноќна апнеја (CSAS), а ако и двата од овие два симптоми постоеја истовремено, тогаш тоа ќе биде дијагностицирано како мешан SAS (MSAS).За да ја процениме сериозноста на SAS, дополнително ги анализиравме собраните сигнали.PTT индексот на возбуда, кој е бројот на PTT возбудувања на час (PTT возбудувањето е дефинирано како пад на PTT од ≥15 ms што трае ≥3 s), игра витална улога во оценувањето на степенот на SAS.Индексот на апнеа-хипопнеа (AHI) е стандард за одредување на степенот на SAS (апнеја е прекин на дишењето, а хипопнеата е премногу плитко дишење или абнормално ниска респираторна стапка), што е дефинирано како број на апнеи и хипопнеа по час додека спиете (односот помеѓу AHI и критериумите за оценување за OSAS е прикажан во табелата S2).За да се испита врската помеѓу AHI и PTT индексот на возбуда, респираторните сигнали на 20 пациенти со SAS беа избрани и анализирани со TATSA.Како што е прикажано на Сл. 5I, PTT индексот на возбуда позитивно корелираше со AHI, бидејќи апнеата и хипопнеата за време на спиењето предизвикуваат очигледно и минливо покачување на крвниот притисок, што доведува до намалување на PTT.Затоа, нашата TATSA може да добие стабилни и прецизни сигнали за пулсот и респираторниот систем истовремено, со што обезбедува важни физиолошки информации за кардиоваскуларниот систем и SAS за следење и евалуација на поврзани болести.
Накратко, развивме TATSA користејќи го целосниот бод за кардиган за да откриеме различни физиолошки сигнали истовремено.Овој сензор имаше висока чувствителност од 7,84 mV Pa−1, брзо време на одговор од 20 ms, висока стабилност од над 100.000 циклуси и широк опсег на работна фреквенција.Врз основа на TATSA, беше развиен и WMHMS за пренос на измерените физиолошки параметри на мобилен телефон.TATSA може да се вгради во различни места на облека за естетски дизајн и да се користи за истовремено следење на пулсот и респираторните сигнали во реално време.Системот може да се примени за да помогне да се направи разлика помеѓу здрави индивидуи и оние со CAD или SAS поради неговата способност да фаќа детални информации.Оваа студија обезбеди удобен, ефикасен и лесен пристап за мерење на човечкиот пулс и дишење, што претставува напредок во развојот на текстилната електроника што може да се носи.
Не'рѓосувачкиот челик повеќепати се минуваше низ калапот и се протегаше за да формира влакно со дијаметар од 10 μm.Влакно од нерѓосувачки челик како електрода беше вметната во неколку парчиња комерцијални еднослојни териленски предива.
Функциски генератор (Stanford DS345) и засилувач (LabworkPa-13) беа користени за да се обезбеди сигнал за синусоидален притисок.Сензор за сила со двоен опсег (Vernier Software & Technology LLC) беше користен за мерење на надворешниот притисок што се применува на TATSA.За следење и снимање на излезниот напон и струја на TATSA се користеше системски електрометар на Китли (Keithley 6514).
Според методот за тестирање на AATCC 135-2017, користевме TATSA и доволно баласт како товар од 1,8 кг, а потоа ги ставивме во комерцијална машина за перење (Labtex LBT-M6T) за да извршиме деликатни циклуси на машинско перење.Потоа, ја наполнивме машината за перење со 18 галони вода на 25°C и ја поставивме машината за перење за избраниот циклус и време на перење (брзина на мешање, 119 удари во минута; време на перење, 6 мин; крајна брзина на центрифугирање, 430 вртежи во минута; финална време на центрифугирање, 3 мин).Последно, ТАТСА беше обесена на суво на мирен воздух на собна температура не повисока од 26°C.
На испитаниците им беше наложено да лежат во лежечка положба на креветот.TATSA беше поставена на мерните места.Откако испитаниците беа во стандардна лежечка положба, тие одржуваа целосно опуштена состојба 5 до 10 мин.Потоа почна да се мери пулсниот сигнал.
Дополнителен материјал за овој напис е достапен на https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Сл. S9.Резултат од симулацијата на распределбата на силата на TATSA под применети притисоци на 0,2 kPa со помош на софтверот COMSOL.
Сл. S10.Резултати од симулацијата на распределбата на силата на единицата за контакт под применетите притисоци на 0,2 и 2 kPa, соодветно.
Сл. S11.Целосни шематски илустрации за пренос на полнење на единица за контакт при услови на краток спој.
Сл. S13.Континуиран излезен напон и струја на TATSA како одговор на континуирано применетиот надворешен притисок во мерниот циклус.
Сл. S14.Одговор на напон на различни броеви на единици на јамка во истата област на ткаенината кога бројот на јамката се одржува непроменет во насоката на јамката.
Сл. S15.Споредба помеѓу излезните перформанси на двата текстилни сензори со користење на целосниот шев за кардиган и обичен бод.
Сл. S16.Парцели кои прикажуваат фреквентни реакции при динамички притисок од 1 kPa и влезна фреквенција на притисок од 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 и 20 Hz.
Сл. S25.Излезните напони на сензорот кога субјектот бил во статички и услови на движење.
Сл. S26.Фотографија на која се прикажани TATSA поставени на абдоменот и зглобот истовремено за мерење на дишењето и пулсот, соодветно.
Ова е напис со отворен пристап дистрибуиран под условите на лиценцата Creative Commons Attribution-NonCommercial, која дозволува употреба, дистрибуција и репродукција на кој било медиум, се додека резултатската употреба не е за комерцијална предност и под услов оригиналното дело да е правилно цитирана.
ЗАБЕЛЕШКА: Ја бараме само вашата адреса на е-пошта за да знае лицето на кое му ја препорачувате страницата дека сте сакале да ја види и дека тоа не е непотребна пошта.Ние не фаќаме ниедна адреса за е-пошта.
Од Венџинг Фан, Кианг Хе, Кеју Менг, Ксулонг Тан, Жихао Џоу, Гаочијанг Џанг, Џин Јанг, Жонг Лин Ванг
За следење на здравјето беше развиен трибоелектричен целосно текстилен сензор со чувствителност на висок притисок и удобност.
Од Венџинг Фан, Кианг Хе, Кеју Менг, Ксулонг Тан, Жихао Џоу, Гаочијанг Џанг, Џин Јанг, Жонг Лин Ванг
За следење на здравјето беше развиен трибоелектричен целосно текстилен сензор со чувствителност на висок притисок и удобност.
© 2020 Американско здружение за унапредување на науката.Сите права се задржани.AAAS е партнер на HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef и COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Време на објавување: Мар-27-2020