Elektronik tekstil boleh pakai sangat diingini untuk merealisasikan pengurusan kesihatan yang diperibadikan.Walau bagaimanapun, kebanyakan elektronik tekstil yang dilaporkan boleh sama ada secara berkala menyasarkan satu isyarat fisiologi atau terlepas butiran jelas isyarat tersebut, yang membawa kepada penilaian kesihatan separa.Tambahan pula, tekstil dengan harta dan keselesaan yang sangat baik masih kekal sebagai cabaran.Di sini, kami melaporkan susunan penderia semua tekstil triboelektrik dengan kepekaan dan keselesaan tekanan tinggi.Ia mempamerkan kepekaan tekanan (7.84 mV Pa−1), masa tindak balas pantas (20 ms), kestabilan (>100,000 kitaran), lebar jalur frekuensi kerja yang luas (sehingga 20 Hz), dan kebolehbasuhan mesin (>40 cucian).TATSA yang direka telah dijahit ke bahagian pakaian yang berlainan untuk memantau gelombang nadi arteri dan isyarat pernafasan secara serentak.Kami selanjutnya membangunkan sistem pemantauan kesihatan untuk penilaian jangka panjang dan bukan invasif penyakit kardiovaskular dan sindrom apnea tidur, yang menunjukkan kemajuan yang hebat untuk analisis kuantitatif beberapa penyakit kronik.
Elektronik boleh pakai mewakili peluang yang menarik kerana aplikasinya yang menjanjikan dalam perubatan yang diperibadikan.Mereka boleh memantau keadaan kesihatan individu secara berterusan, masa nyata dan tidak invasif (1–11).Denyutan nadi dan pernafasan, sebagai dua komponen penting bagi tanda-tanda vital, boleh memberikan kedua-dua penilaian yang tepat tentang keadaan fisiologi dan pandangan yang luar biasa tentang diagnosis dan prognosis penyakit berkaitan (12–21).Sehingga kini, kebanyakan elektronik boleh pakai untuk mengesan isyarat fisiologi halus adalah berdasarkan substrat ultranipis seperti polietilena tereftalat, polidimetilsiloksana, polimida, kaca dan silikon (22–26).Kelemahan substrat ini untuk digunakan pada kulit terletak pada format satah dan tegarnya.Akibatnya, pita, Band-Aids atau lekapan mekanikal lain diperlukan untuk mewujudkan sentuhan padat antara elektronik boleh pakai dan kulit manusia, yang boleh menyebabkan kerengsaan dan ketidakselesaan semasa tempoh penggunaan yang lama (27, 28).Selain itu, substrat ini mempunyai kebolehtelapan udara yang lemah, mengakibatkan ketidakselesaan apabila digunakan untuk pemantauan kesihatan jangka panjang dan berterusan.Untuk mengurangkan isu-isu yang disebutkan di atas dalam penjagaan kesihatan, terutamanya dalam penggunaan harian, tekstil pintar menawarkan penyelesaian yang boleh dipercayai.Tekstil ini mempunyai ciri-ciri kelembutan, ringan, dan kebolehnafasan dan, dengan itu, berpotensi untuk merealisasikan keselesaan dalam elektronik boleh pakai.Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, usaha intensif telah ditumpukan untuk membangunkan sistem berasaskan tekstil dalam penderia sensitif, penuaian tenaga, dan penyimpanan (29–39).Khususnya, penyelidikan yang berjaya telah dilaporkan mengenai gentian optik, piezoelektrik, dan tekstil pintar berasaskan kerintangan yang digunakan dalam pemantauan nadi dan isyarat pernafasan (40-43).Walau bagaimanapun, tekstil pintar ini biasanya mempunyai kepekaan yang rendah dan satu parameter pemantauan dan tidak boleh dihasilkan secara besar-besaran (jadual S1).Dalam kes pengukuran nadi, maklumat terperinci sukar ditangkap kerana turun naik nadi yang lemah dan cepat (cth, titik cirinya), dan oleh itu, kepekaan tinggi dan prestasi tindak balas frekuensi yang sesuai diperlukan.
Dalam kajian ini, kami memperkenalkan susunan penderia semua tekstil triboelektrik (TATSA) dengan kepekaan tinggi untuk menangkap tekanan halus epidermis, dikait dengan benang konduktif dan nilon dalam jahitan kardigan penuh.TATSA boleh memberikan kepekaan tekanan tinggi (7.84 mV Pa−1), masa tindak balas pantas (20 ms), kestabilan (>100,000 kitaran), lebar jalur frekuensi kerja yang luas (sehingga 20 Hz), dan kebolehcucian mesin (>40 cucian).Ia mampu menyepadukan dirinya dengan mudah ke dalam pakaian dengan kebijaksanaan, keselesaan dan daya tarikan estetik.Terutamanya, TATSA kami boleh dimasukkan terus ke dalam tapak fabrik yang berbeza yang sepadan dengan gelombang nadi di leher, pergelangan tangan, hujung jari, dan kedudukan buku lali serta gelombang pernafasan di perut dan dada.Untuk menilai prestasi cemerlang TATSA dalam pemantauan kesihatan masa nyata dan jauh, kami membangunkan sistem pemantauan kesihatan pintar yang diperibadikan untuk terus memperoleh dan menyimpan isyarat fisiologi untuk analisis penyakit kardiovaskular (CAD) dan penilaian sindrom apnea tidur (SAS). ).
Seperti yang digambarkan dalam Rajah 1A, dua TATSA telah dijahit ke dalam cuff dan dada baju untuk membolehkan pemantauan dinamik dan serentak bagi isyarat nadi dan pernafasan, masing-masing.Isyarat fisiologi ini dihantar secara wayarles ke aplikasi terminal mudah alih pintar (APP) untuk analisis lanjut status kesihatan.Rajah 1B menunjukkan TATSA yang dicantum ke dalam sehelai kain, dan inset menunjukkan pandangan yang diperbesarkan bagi TATSA, yang dikait menggunakan benang konduktif ciri dan benang nilon komersial bersama-sama dalam jahitan kardigan penuh.Berbanding dengan jahitan biasa asas, kaedah mengait yang paling biasa dan asas, jahitan kardigan penuh dipilih kerana sentuhan antara kepala gelung benang konduktif dan kepala jahitan tuck bersebelahan benang nilon (rajah S1) adalah permukaan. bukannya sentuhan titik, yang membawa kepada kawasan bertindak yang lebih besar untuk kesan triboelektrik yang tinggi.Untuk menyediakan benang konduktif, kami memilih keluli tahan karat sebagai gentian teras tetap, dan beberapa keping benang Terylene satu lapis dipintal di sekeliling gentian teras menjadi satu benang konduktif dengan diameter 0.2 mm (rajah S2), yang berfungsi sebagai kedua-dua permukaan elektrifikasi dan elektrod pengalir.Benang nilon, yang mempunyai diameter 0.15 mm dan berfungsi sebagai permukaan elektrifikasi lain, mempunyai daya tegangan yang kuat kerana ia dipintal oleh benang yang tidak dapat dikira (rajah S3).Rajah 1 (C dan D, masing-masing) menunjukkan gambar-gambar benang konduktif yang direka dan benang nilon.Inset menunjukkan imej mikroskop elektron pengimbasan (SEM) masing-masing, yang menunjukkan keratan rentas tipikal benang konduktif dan permukaan benang nilon.Kekuatan tegangan tinggi benang konduktif dan nilon memastikan keupayaan tenunan mereka pada mesin perindustrian untuk mengekalkan prestasi seragam semua sensor.Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1E, benang konduktif, benang nilon, dan benang biasa digulung pada kon masing-masing, yang kemudiannya dimuatkan ke mesin mengait rata berkomputer industri untuk tenunan automatik (filem S1).Seperti yang ditunjukkan dalam rajah.S4, beberapa TATSA dikait dengan kain biasa menggunakan mesin industri.TATSA tunggal dengan ketebalan 0.85 mm dan berat 0.28 g boleh disesuaikan dari keseluruhan struktur untuk kegunaan individu, menunjukkan keserasian yang sangat baik dengan kain lain.Selain itu, TATSA boleh direka dalam pelbagai warna untuk memenuhi keperluan estetik dan bergaya kerana kepelbagaian benang nilon komersial (Rajah 1F dan rajah S5).TATSA yang direka mempunyai kelembutan yang sangat baik dan keupayaan untuk menahan lenturan atau ubah bentuk yang keras (rajah S6).Rajah 1G menunjukkan TATSA dijahit terus ke dalam perut dan lengan baju sejuk.Proses mengait sweater ditunjukkan dalam rajah.S7 dan filem S2.Butiran bahagian depan dan belakang TATSA yang diregangkan pada kedudukan perut ditunjukkan dalam rajah.S8 (A dan B, masing-masing), dan kedudukan benang konduktif dan benang nilon digambarkan dalam rajah.S8C.Ia boleh dilihat di sini bahawa TATSA boleh dibenamkan dalam fabrik biasa dengan lancar untuk penampilan yang bijak dan pintar.
(A) Dua TATSA disepadukan ke dalam baju untuk pemantauan nadi dan isyarat pernafasan dalam masa nyata.(B) Ilustrasi skematik gabungan TATSA dan pakaian.Inset menunjukkan paparan penderia yang diperbesarkan.(C) Gambar benang konduktif (bar skala, 4 cm).Inset ialah imej SEM bagi keratan rentas benang konduktif (bar skala, 100 μm), yang terdiri daripada keluli tahan karat dan benang Terylene.(D) Gambar benang nilon (bar skala, 4 cm).Sisipan ialah imej SEM bagi permukaan benang nilon (bar skala, 100 μm).(E) Imej mesin mengait rata berkomputer yang menjalankan tenunan automatik TATSA.(F) Gambar TATSA dalam warna berbeza (bar skala, 2 cm).Inset ialah TATSA berpintal, yang menunjukkan kelembutannya yang sangat baik.(G) Gambar dua TATSA yang dijahit dengan lengkap dan lancar ke dalam baju sejuk.Kredit foto: Wenjing Fan, Universiti Chongqing.
Untuk menganalisis mekanisme kerja TATSA, termasuk sifat mekanikal dan elektriknya, kami membina model mengait geometri TATSA, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2A.Menggunakan jahitan kardigan penuh, benang konduktif dan nilon disambung dalam bentuk unit gelung dalam arah alur dan wale.Struktur gelung tunggal (rajah S1) terdiri daripada kepala gelung, lengan gelung, bahagian bersilang rusuk, lengan jahitan tuck dan kepala jahitan tuck.Dua bentuk permukaan sentuhan antara dua benang yang berbeza boleh didapati: (i) permukaan sentuhan antara kepala gelung benang konduktif dan kepala jahitan tuck benang nilon dan (ii) permukaan sentuhan antara kepala gelung benang nilon dan kepala jahitan tuck bagi benang konduktif.
(A) TATSA dengan bahagian hadapan, kanan dan atas gelung bersatu.(B) Hasil simulasi pengagihan daya TATSA di bawah tekanan yang dikenakan 2 kPa menggunakan perisian COMSOL.(C) Ilustrasi skematik pemindahan cas bagi unit sesentuh di bawah keadaan litar pintas.(D) Hasil simulasi pengagihan cas unit sesentuh di bawah keadaan litar terbuka menggunakan perisian COMSOL.
Prinsip kerja TATSA boleh dijelaskan dalam dua aspek: rangsangan daya luaran dan caj teraruhnya.Untuk memahami secara intuitif taburan tegasan sebagai tindak balas kepada rangsangan daya luaran, kami menggunakan analisis unsur terhingga menggunakan perisian COMSOL pada daya luaran yang berbeza sebanyak 2 dan 0.2 kPa, seperti ditunjukkan dalam Rajah 2B dan rajah.S9.Tegasan muncul pada permukaan sentuhan dua benang.Seperti yang ditunjukkan dalam rajah.S10, kami mempertimbangkan dua unit gelung untuk menjelaskan taburan tegasan.Dalam membandingkan taburan tegasan di bawah dua daya luaran yang berbeza, tegasan pada permukaan benang konduktif dan nilon meningkat dengan peningkatan daya luaran, mengakibatkan sentuhan dan penyemperitan antara kedua-dua benang.Sebaik sahaja daya luar dilepaskan, kedua-dua benang itu terpisah dan bergerak menjauhi satu sama lain.
Pergerakan pemisahan hubungan antara benang konduktif dan benang nilon mendorong pemindahan cas, yang dikaitkan dengan gabungan triboelektrifikasi dan aruhan elektrostatik.Untuk menjelaskan proses penjanaan elektrik, kami menganalisis keratan rentas kawasan di mana kedua-dua benang bersentuhan antara satu sama lain (Rajah 2C1).Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 (C2 dan C3, masing-masing), apabila TATSA dirangsang oleh daya luaran dan kedua-dua benang bersentuhan antara satu sama lain, elektrifikasi berlaku pada permukaan benang konduktif dan nilon, dan cas yang setara dengan bertentangan kekutuban terhasil pada permukaan dua benang.Sebaik sahaja kedua-dua benang dipisahkan, cas positif teraruh dalam keluli tahan karat dalaman kerana kesan aruhan elektrostatik.Skema lengkap ditunjukkan dalam rajah.S11.Untuk memperoleh pemahaman yang lebih kuantitatif tentang proses penjanaan elektrik, kami mensimulasikan pengedaran potensi TATSA menggunakan perisian COMSOL (Rajah 2D).Apabila kedua-dua bahan bersentuhan, cas terutamanya terkumpul pada bahan geseran, dan hanya sejumlah kecil cas teraruh hadir pada elektrod, mengakibatkan potensi kecil (Rajah 2D, bawah).Apabila kedua-dua bahan dipisahkan (Rajah 2D, atas), cas teraruh pada elektrod meningkat kerana beza keupayaan, dan potensi yang sepadan meningkat, yang mendedahkan kesesuaian yang baik antara keputusan yang diperoleh daripada eksperimen dan daripada simulasi .Tambahan pula, oleh kerana elektrod pengalir TATSA dibalut dengan benang Terylene dan kulit bersentuhan dengan kedua-dua bahan geseran, oleh itu, apabila TATSA dipakai terus ke kulit, caj adalah bergantung kepada daya luaran dan tidak akan menjadi lemah oleh kulit.
Untuk mencirikan prestasi TATSA kami dalam pelbagai aspek, kami menyediakan sistem pengukuran yang mengandungi penjana fungsi, penguat kuasa, penggoncang elektrodinamik, tolok daya, elektrometer dan komputer (rajah S12).Sistem ini menjana tekanan dinamik luaran sehingga 7 kPa.Dalam eksperimen, TATSA diletakkan di atas kepingan plastik rata dalam keadaan bebas, dan isyarat elektrik keluaran direkodkan oleh elektrometer.
Spesifikasi benang konduktif dan nilon mempengaruhi prestasi keluaran TATSA kerana ia menentukan permukaan sentuhan dan kapasiti untuk melihat tekanan luaran.Untuk menyiasat perkara ini, kami membuat tiga saiz dua benang, masing-masing: benang konduktif dengan saiz 150D/3, 210D/3 dan 250D/3 dan benang nilon dengan saiz 150D/6, 210D/6 dan 250D. /6 (D, denier; unit ukuran yang digunakan untuk menentukan ketebalan gentian benang individu; fabrik dengan kiraan denier yang tinggi cenderung tebal).Kemudian, kami memilih dua benang ini dengan saiz yang berbeza untuk mengaitnya menjadi sensor, dan dimensi TATSA disimpan pada 3 cm kali 3 cm dengan nombor gelung 16 dalam arah wale dan 10 dalam arah kursus.Oleh itu, sensor dengan sembilan corak mengait diperolehi.Sensor oleh benang konduktif dengan saiz 150D/3 dan benang nilon dengan saiz 150D/6 adalah yang paling nipis, dan sensor oleh benang konduktif dengan saiz 250D/3 dan benang nilon dengan saiz 250D/ 6 adalah yang paling tebal.Di bawah pengujaan mekanikal 0.1 hingga 7 kPa, output elektrik untuk corak ini telah disiasat dan diuji secara sistematik, seperti ditunjukkan dalam Rajah 3A.Voltan keluaran sembilan TATSA meningkat dengan peningkatan tekanan yang dikenakan, daripada 0.1 kepada 4 kPa.Khususnya, daripada semua corak mengait, spesifikasi benang konduktif 210D/3 dan benang nilon 210D/6 memberikan output elektrik tertinggi dan mempamerkan sensitiviti tertinggi.Voltan keluaran menunjukkan aliran meningkat dengan peningkatan ketebalan TATSA (kerana permukaan sentuhan yang mencukupi) sehingga TATSA dikait menggunakan benang konduktif 210D/3 dan benang nilon 210D/6.Oleh kerana peningkatan lagi dalam ketebalan akan membawa kepada penyerapan tekanan luaran oleh benang, voltan keluaran menurun dengan sewajarnya.Tambahan pula, diperhatikan bahawa di kawasan tekanan rendah (<4 kPa), variasi linear yang berkelakuan baik dalam voltan keluaran dengan tekanan memberikan sensitiviti tekanan yang unggul sebanyak 7.84 mV Pa−1.Di kawasan tekanan tinggi (> 4 kPa), kepekaan tekanan yang lebih rendah sebanyak 0.31 mV Pa-1 telah diperhatikan secara eksperimen kerana ketepuan kawasan geseran berkesan.Kepekaan tekanan yang serupa ditunjukkan semasa proses penggunaan daya yang bertentangan.Profil masa konkrit voltan keluaran dan arus di bawah tekanan yang berbeza dibentangkan dalam rajah.S13 (A dan B, masing-masing).
(A) Voltan keluaran di bawah sembilan corak mengait benang konduktif (150D/3, 210D/3, dan 250D/3) digabungkan dengan benang nilon (150D/6, 210D/6 dan 250D/6).(B) Tindak balas voltan kepada pelbagai nombor unit gelung dalam kawasan fabrik yang sama apabila mengekalkan nombor gelung dalam arah wale tidak berubah.(C) Plot yang menunjukkan tindak balas frekuensi di bawah tekanan dinamik 1 kPa dan frekuensi input tekanan 1 Hz.(D) Output dan voltan arus yang berbeza di bawah frekuensi 1, 5, 10, dan 20 Hz.(E) Ujian ketahanan TATSA di bawah tekanan 1 kPa.(F) Ciri-ciri keluaran TATSA selepas mencuci 20 dan 40 kali.
Kepekaan dan voltan keluaran juga dipengaruhi oleh ketumpatan jahitan TATSA, yang ditentukan oleh jumlah bilangan gelung dalam kawasan fabrik yang diukur.Peningkatan ketumpatan jahitan akan membawa kepada kekompakan struktur fabrik yang lebih besar.Rajah 3B menunjukkan prestasi output di bawah nombor gelung yang berbeza dalam kawasan tekstil 3 cm dengan 3 cm, dan inset menggambarkan struktur unit gelung (kami mengekalkan nombor gelung dalam arah kursus pada 10, dan nombor gelung dalam arah wale ialah 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, dan 26).Dengan meningkatkan nombor gelung, voltan keluaran mula-mula menunjukkan trend yang meningkat kerana permukaan sentuhan yang semakin meningkat, sehingga voltan keluaran maksimum puncak 7.5 V dengan nombor gelung 180. Selepas titik ini, voltan keluaran mengikuti arah aliran menurun kerana TATSA menjadi ketat, dan kedua-dua benang mempunyai ruang pemisahan sentuhan yang dikurangkan.Untuk meneroka ke arah mana ketumpatan mempunyai kesan yang besar pada output, kami mengekalkan nombor gelung TATSA dalam arah wale pada 18, dan nombor gelung dalam arah kursus ditetapkan kepada 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, dan 14. Voltan keluaran yang sepadan ditunjukkan dalam rajah.S14.Sebagai perbandingan, kita dapat melihat bahawa ketumpatan dalam arah kursus mempunyai pengaruh yang lebih besar pada voltan keluaran.Hasilnya, corak mengait benang konduktif 210D/3 dan benang nilon 210D/6 dan 180 unit gelung telah dipilih untuk mengait TATSA selepas penilaian menyeluruh terhadap ciri keluaran.Tambahan pula, kami membandingkan isyarat keluaran dua penderia tekstil menggunakan jahitan kardigan penuh dan jahitan biasa.Seperti yang ditunjukkan dalam rajah.S15, keluaran elektrik dan kepekaan menggunakan jahitan kardigan penuh adalah lebih tinggi daripada jahitan biasa.
Masa tindak balas untuk memantau isyarat masa nyata telah diukur.Untuk mengkaji masa tindak balas sensor kami kepada daya luaran, kami membandingkan isyarat voltan keluaran dengan input tekanan dinamik pada frekuensi 1 hingga 20 Hz (Rajah 3C dan rajah S16, masing-masing).Bentuk gelombang voltan keluaran hampir sama dengan gelombang tekanan sinusoidal input di bawah tekanan 1 kPa, dan bentuk gelombang keluaran mempunyai masa tindak balas yang cepat (kira-kira 20 ms).Histeresis ini mungkin dikaitkan dengan struktur keanjalan yang tidak kembali ke keadaan asal secepat mungkin selepas menerima daya luar.Namun begitu, histerisis kecil ini boleh diterima untuk pemantauan masa nyata.Untuk mendapatkan tekanan dinamik dengan julat frekuensi tertentu, tindak balas frekuensi yang sesuai bagi TATSA dijangka.Oleh itu, ciri kekerapan TATSA juga diuji.Dengan meningkatkan frekuensi luar yang menarik, amplitud voltan keluaran kekal hampir tidak berubah, manakala amplitud arus meningkat apabila frekuensi mengetuk berubah dari 1 hingga 20 Hz (Rajah 3D).
Untuk menilai kebolehulangan, kestabilan dan ketahanan TATSA, kami menguji voltan keluaran dan tindak balas semasa kepada kitaran pemunggahan pemuatan tekanan.Tekanan 1 kPa dengan frekuensi 5 Hz telah digunakan pada sensor.Voltan dan arus puncak ke puncak direkodkan selepas 100,000 kitaran pemunggahan muat (Rajah 3E dan rajah S17, masing-masing).Pandangan yang diperbesarkan bagi voltan dan bentuk gelombang semasa ditunjukkan dalam inset Rajah 3E dan rajah.S17, masing-masing.Hasilnya mendedahkan kebolehulangan yang luar biasa, kestabilan, dan ketahanan TATSA.Kebolehbasuh juga merupakan kriteria penilaian penting bagi TATSA sebagai peranti semua tekstil.Untuk menilai keupayaan mencuci, kami menguji voltan keluaran penderia selepas kami mencuci mesin TATSA mengikut Kaedah Ujian Persatuan Kimia Tekstil dan Pewarna Amerika (AATCC) 135-2017.Prosedur pencucian terperinci diterangkan dalam Bahan dan Kaedah.Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3F, output elektrik direkodkan selepas mencuci 20 kali dan 40 kali, yang menunjukkan bahawa tiada perubahan ketara bagi voltan keluaran sepanjang ujian pencucian.Keputusan ini mengesahkan kebolehbasuh yang luar biasa bagi TATSA.Sebagai penderia tekstil boleh pakai, kami turut meneroka prestasi keluaran apabila TATSA berada dalam keadaan tegangan (rajah S18), berpintal (rajah S19) dan kelembapan berbeza (rajah S20).
Berdasarkan pelbagai kelebihan TATSA yang ditunjukkan di atas, kami membangunkan sistem pemantauan kesihatan mudah alih wayarles (WMHMS), yang mempunyai keupayaan untuk terus memperoleh isyarat fisiologi dan kemudian memberikan nasihat profesional untuk pesakit.Rajah 4A menunjukkan gambarajah skema WMHMS berdasarkan TATSA.Sistem ini mempunyai empat komponen: TATSA untuk memperoleh isyarat fisiologi analog, litar penyaman analog dengan penapis laluan rendah (MAX7427) dan penguat (MAX4465) untuk memastikan butiran yang mencukupi dan penyegerakan isyarat yang sangat baik, analog-ke-digital penukar berdasarkan unit mikropengawal untuk mengumpul dan menukar isyarat analog kepada isyarat digital, dan modul Bluetooth (cip Bluetooth berkuasa rendah CC2640) untuk menghantar isyarat digital ke aplikasi terminal telefon mudah alih (APP; Huawei Honor 9).Dalam kajian ini, kami menjahit TATSA dengan lancar ke dalam renda, gelang tangan, gerai jari dan stokin, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4B.
(A) Ilustrasi WMHMS.(B) Gambar-gambar TATSA yang dicantumkan ke dalam gelang tangan, gelang jari, stokin, dan tali dada, masing-masing.Pengukuran nadi pada (C1) leher, (D1) pergelangan tangan, (E1) hujung jari, dan (F1) buku lali.Bentuk gelombang nadi di leher (C2), (D2) pergelangan tangan, (E2) hujung jari, dan buku lali (F2).(G) Bentuk gelombang nadi yang berbeza umur.(H) Analisis gelombang nadi tunggal.Indeks pembesaran jejari (AIx) ditakrifkan sebagai AIx (%) = P2/P1.P1 ialah puncak gelombang memajukan, dan P2 ialah puncak gelombang pantulan.(I) Kitaran nadi brachial dan buku lali.Halaju gelombang nadi (PWV) ditakrifkan sebagai PWV = D/∆T.D ialah jarak antara buku lali dan brachial.∆T ialah kelewatan masa antara puncak buku lali dan gelombang nadi brachial.PTT, masa transit nadi.(J) Perbandingan AIx dan PWV brachial-ankle (BAPWV) antara sihat dan CAD.*P <0.01, **P <0.001, dan ***P <0.05.HTN, hipertensi;CHD, penyakit jantung koronari;DM, kencing manis.Kredit foto: Jin Yang, Universiti Chongqing.
Untuk memantau isyarat nadi bahagian tubuh manusia yang berbeza, kami melampirkan hiasan yang disebutkan di atas dengan TATSA pada kedudukan yang sepadan: leher (Rajah 4C1), pergelangan tangan (Rajah 4D1), hujung jari (Rajah 4E1), dan buku lali (Rajah 4F1). ), seperti yang dihuraikan dalam filem S3 hingga S6.Dalam bidang perubatan, terdapat tiga titik ciri penting dalam gelombang nadi: puncak gelombang maju P1, puncak gelombang pantulan P2, dan puncak gelombang dicrotik P3.Ciri-ciri titik ciri ini mencerminkan keadaan kesihatan keanjalan arteri, rintangan periferi, dan pengecutan ventrikel kiri yang berkaitan dengan sistem kardiovaskular.Bentuk gelombang nadi seorang wanita berusia 25 tahun di empat kedudukan di atas telah diperoleh dan direkodkan dalam ujian kami.Ambil perhatian bahawa tiga titik ciri yang boleh dibezakan (P1 hingga P3) diperhatikan pada bentuk gelombang nadi pada kedudukan leher, pergelangan tangan dan hujung jari, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4 (C2 hingga E2).Sebaliknya, hanya P1 dan P3 muncul pada bentuk gelombang nadi pada kedudukan buku lali, dan P2 tidak hadir (Rajah 4F2).Keputusan ini disebabkan oleh superposisi gelombang darah masuk yang dikeluarkan oleh ventrikel kiri dan gelombang pantulan dari anggota bawah (44).Kajian terdahulu telah menunjukkan bahawa P2 hadir dalam bentuk gelombang yang diukur di bahagian atas tetapi tidak di buku lali (45, 46).Kami melihat hasil yang sama dalam bentuk gelombang yang diukur dengan TATSA, seperti yang ditunjukkan dalam rajah.S21, yang menunjukkan data tipikal daripada populasi 80 pesakit yang dikaji di sini.Kita dapat melihat bahawa P2 tidak muncul dalam bentuk gelombang nadi yang diukur di buku lali, menunjukkan keupayaan TATSA untuk mengesan ciri-ciri halus dalam bentuk gelombang.Keputusan pengukuran nadi ini menunjukkan bahawa WMHMS kami boleh mendedahkan dengan tepat ciri gelombang nadi bahagian atas dan bawah badan dan ia adalah lebih baik daripada kerja lain (41, 47).Untuk menunjukkan lebih lanjut bahawa TATSA kami boleh digunakan secara meluas untuk umur yang berbeza, kami mengukur bentuk gelombang nadi 80 subjek pada umur yang berbeza, dan kami menunjukkan beberapa data tipikal, seperti yang ditunjukkan dalam rajah.S22.Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4G, kami memilih tiga peserta berumur 25, 45 dan 65 tahun, dan tiga ciri ciri adalah jelas untuk peserta muda dan pertengahan umur.Menurut kesusasteraan perubatan (48), ciri-ciri bentuk gelombang nadi kebanyakan orang berubah apabila mereka berumur, seperti kehilangan titik P2, yang disebabkan oleh gelombang yang dipantulkan bergerak ke hadapan untuk menindih dirinya pada gelombang maju melalui penurunan dalam keanjalan vaskular.Fenomena ini juga dicerminkan dalam bentuk gelombang yang kami kumpulkan, seterusnya mengesahkan bahawa TATSA boleh digunakan untuk populasi yang berbeza.
Bentuk gelombang nadi dipengaruhi bukan sahaja oleh keadaan fisiologi individu tetapi juga oleh keadaan ujian.Oleh itu, kami mengukur isyarat nadi di bawah ketegangan sentuhan yang berbeza antara TATSA dan kulit (rajah S23) dan pelbagai kedudukan pengesanan di tapak pengukur (rajah S24).Ia boleh didapati bahawa TATSA boleh mendapatkan bentuk gelombang nadi yang konsisten dengan maklumat terperinci di sekeliling kapal dalam kawasan pengesanan berkesan yang besar di tapak pengukur.Di samping itu, terdapat isyarat keluaran yang berbeza di bawah ketegangan sentuhan yang berbeza antara TATSA dan kulit.Di samping itu, pergerakan individu yang memakai penderia akan menjejaskan isyarat nadi.Apabila pergelangan tangan subjek berada dalam keadaan statik, amplitud bentuk gelombang nadi yang diperolehi adalah stabil (rajah S25A);sebaliknya, apabila pergelangan tangan perlahan-lahan bergerak pada sudut dari −70° hingga 70° selama 30 saat, amplitud bentuk gelombang nadi akan turun naik (rajah S25B).Walau bagaimanapun, kontur setiap bentuk gelombang nadi dapat dilihat, dan kadar nadi masih boleh diperoleh dengan tepat.Jelas sekali, untuk mencapai pemerolehan gelombang nadi yang stabil dalam gerakan manusia, kerja lanjut termasuk reka bentuk sensor dan pemprosesan isyarat bahagian belakang diperlukan untuk dikaji.
Tambahan pula, untuk menganalisis dan menilai secara kuantitatif keadaan sistem kardiovaskular melalui bentuk gelombang nadi yang diperoleh menggunakan TATSA kami, kami memperkenalkan dua parameter hemodinamik mengikut spesifikasi penilaian sistem kardiovaskular, iaitu indeks pembesaran (AIx) dan halaju gelombang nadi. (PWV), yang mewakili keanjalan arteri.Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4H, bentuk gelombang nadi pada kedudukan pergelangan tangan lelaki sihat berumur 25 tahun telah digunakan untuk analisis AIx.Mengikut formula (bahagian S1), AIx = 60% diperolehi, iaitu nilai normal.Kemudian, kami secara serentak mengumpul dua bentuk gelombang nadi pada kedudukan lengan dan buku lali peserta ini (kaedah terperinci untuk mengukur bentuk gelombang nadi diterangkan dalam Bahan dan Kaedah).Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4I, titik ciri bagi dua bentuk gelombang nadi adalah berbeza.Kami kemudian mengira PWV mengikut formula (bahagian S1).PWV = 1363 cm/s, yang merupakan nilai ciri yang dijangkakan daripada lelaki dewasa yang sihat, diperolehi.Sebaliknya, kita dapat melihat bahawa metrik AIx atau PWV tidak dipengaruhi oleh perbezaan amplitud bentuk gelombang nadi, dan nilai AIx dalam bahagian badan yang berbeza adalah pelbagai.Dalam kajian kami, AIx jejari digunakan.Untuk mengesahkan kebolehgunaan WMHMS pada orang yang berbeza, kami memilih 20 peserta dalam kumpulan sihat, 20 dalam kumpulan hipertensi (HTN), 20 dalam kumpulan penyakit jantung koronari (CHD) berumur dari 50 hingga 59 tahun, dan 20 dalam kumpulan kumpulan diabetes mellitus (DM).Kami mengukur gelombang nadi mereka dan membandingkan dua parameter mereka, AIx dan PWV, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4J.Ia boleh didapati bahawa nilai PWV kumpulan HTN, CHD, dan DM adalah lebih rendah berbanding dengan kumpulan sihat dan mempunyai perbezaan statistik (PHTN ≪ 0.001, PCHD ≪ 0.001, dan PDM ≪ 0.001; nilai P dikira dengan t ujian).Sementara itu, nilai AIx kumpulan HTN dan CHD adalah lebih rendah berbanding dengan kumpulan sihat dan mempunyai perbezaan statistik (PHTN < 0.01, PCHD < 0.001, dan PDM < 0.05).PWV dan AIx peserta dengan CHD, HTN, atau DM adalah lebih tinggi daripada mereka dalam kumpulan yang sihat.Keputusan menunjukkan bahawa TATSA mampu mendapatkan bentuk gelombang nadi dengan tepat untuk mengira parameter kardiovaskular untuk menilai status kesihatan kardiovaskular.Kesimpulannya, kerana ciri dan keselesaan tanpa wayar, resolusi tinggi, sensitiviti tinggi, WMHMS berdasarkan TATSA menyediakan alternatif yang lebih cekap untuk pemantauan masa nyata daripada peralatan perubatan mahal semasa yang digunakan di hospital.
Selain daripada gelombang nadi, maklumat pernafasan juga merupakan tanda penting utama untuk membantu menilai keadaan fizikal seseorang individu.Pemantauan pernafasan berdasarkan TATSA kami adalah lebih menarik daripada polisomnografi konvensional kerana ia boleh disepadukan dengan lancar ke dalam pakaian untuk keselesaan yang lebih baik.Dijahit ke dalam tali dada anjal putih, TATSA diikat terus pada badan manusia dan diikat di sekeliling dada untuk memantau pernafasan (Rajah 5A dan filem S7).TATSA berubah bentuk dengan pengembangan dan pengecutan tulang rusuk, mengakibatkan output elektrik.Bentuk gelombang yang diperolehi disahkan dalam Rajah 5B.Isyarat dengan turun naik yang besar (amplitud 1.8 V) dan perubahan berkala (frekuensi 0.5 Hz) sepadan dengan gerakan pernafasan.Isyarat turun naik yang agak kecil telah ditumpangkan pada isyarat turun naik yang besar ini, iaitu isyarat degupan jantung.Mengikut ciri kekerapan isyarat pernafasan dan degupan jantung, kami menggunakan penapis laluan rendah 0.8-Hz dan penapis laluan jalur 0.8 hingga 20-Hz untuk memisahkan isyarat pernafasan dan degupan jantung, masing-masing, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5C .Dalam kes ini, isyarat pernafasan dan nadi yang stabil dengan maklumat fisiologi yang banyak (seperti kadar pernafasan, kadar degupan jantung dan titik ciri gelombang nadi) diperolehi secara serentak dan tepat dengan hanya meletakkan TATSA tunggal pada dada.
(A) Gambar menunjukkan paparan TATSA yang diletakkan pada dada untuk mengukur isyarat dalam tekanan yang berkaitan dengan pernafasan.(B) Plot masa voltan untuk TATSA yang dipasang pada dada.(C) Penguraian isyarat (B) ke dalam degupan jantung dan bentuk gelombang pernafasan.(D) Gambar menunjukkan dua TATSA diletakkan pada perut dan pergelangan tangan untuk mengukur pernafasan dan nadi, masing-masing semasa tidur.(E) Isyarat pernafasan dan nadi peserta yang sihat.HR, kadar jantung;BPM, denyutan seminit.(F) Isyarat pernafasan dan nadi peserta SAS.(G) Isyarat pernafasan dan PTT peserta yang sihat.(H) Isyarat pernafasan dan PTT peserta SAS.(I) Hubungan antara indeks rangsangan PTT dan indeks apnea-hipopnea (AHI).Kredit foto: Wenjing Fan, Universiti Chongqing.
Untuk membuktikan bahawa penderia kami boleh memantau dengan tepat dan pasti isyarat nadi dan pernafasan, kami menjalankan eksperimen untuk membandingkan hasil pengukuran nadi dan isyarat pernafasan antara TATSA kami dan instrumen perubatan standard (MHM-6000B), seperti yang dihuraikan dalam filem S8 dan S9.Dalam pengukuran gelombang nadi, penderia fotoelektrik alat perubatan itu dipakai pada jari telunjuk kiri seorang gadis muda, dan sementara itu, TATSA kami dipakai pada jari telunjuk kanannya.Daripada dua bentuk gelombang nadi yang diperoleh, kita dapat melihat bahawa kontur dan butirannya adalah sama, menunjukkan bahawa nadi yang diukur oleh TATSA adalah tepat seperti yang dilakukan oleh instrumen perubatan.Dalam pengukuran gelombang pernafasan, lima elektrod elektrokardiografi dipasang pada lima kawasan pada badan seorang lelaki muda mengikut arahan perubatan.Sebaliknya, hanya satu TATSA diikat terus pada badan dan diikat di dada.Daripada isyarat pernafasan yang dikumpul, dapat dilihat bahawa kecenderungan variasi dan kadar isyarat pernafasan yang dikesan oleh TATSA kami adalah konsisten dengan instrumen perubatan.Kedua-dua eksperimen perbandingan ini mengesahkan ketepatan, kebolehpercayaan dan kesederhanaan sistem penderia kami untuk memantau isyarat nadi dan pernafasan.
Tambahan pula, kami membuat sehelai pakaian pintar dan menjahit dua TATSA pada kedudukan perut dan pergelangan tangan untuk memantau isyarat pernafasan dan nadi.Khususnya, WMHMS dwi-saluran yang dibangunkan telah digunakan untuk menangkap isyarat nadi dan pernafasan secara serentak.Melalui sistem ini, kami memperoleh isyarat pernafasan dan nadi seorang lelaki berusia 25 tahun yang memakai pakaian pintar kami semasa tidur (Rajah 5D dan filem S10) dan duduk (rajah S26 dan filem S11).Isyarat pernafasan dan nadi yang diperoleh boleh dihantar secara wayarles ke APP telefon mudah alih.Seperti yang dinyatakan di atas, TATSA mempunyai keupayaan untuk menangkap isyarat pernafasan dan nadi.Kedua-dua isyarat fisiologi ini juga merupakan kriteria untuk menganggarkan SAS secara perubatan.Oleh itu, TATSA kami juga boleh digunakan untuk memantau dan menilai kualiti tidur dan gangguan tidur yang berkaitan.Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5 (E dan F, masing-masing), kami terus mengukur nadi dan bentuk gelombang pernafasan dua peserta, seorang yang sihat dan seorang pesakit dengan SAS.Bagi orang tanpa apnea, kadar pernafasan dan nadi yang diukur kekal stabil pada 15 dan 70, masing-masing.Bagi pesakit dengan SAS, apnea yang berbeza selama 24 saat, yang merupakan petunjuk kejadian pernafasan obstruktif, diperhatikan, dan kadar denyutan jantung meningkat sedikit selepas tempoh apnea kerana peraturan sistem saraf (49).Secara ringkasnya, status pernafasan boleh dinilai oleh TATSA kami.
Untuk menilai lebih lanjut jenis SAS melalui isyarat nadi dan pernafasan, kami menganalisis masa transit nadi (PTT), penunjuk bukan invasif yang mencerminkan perubahan dalam rintangan vaskular periferi dan tekanan intratoraks (ditakrifkan dalam bahagian S1) seorang lelaki yang sihat dan pesakit dengan SAS.Bagi peserta yang sihat, kadar pernafasan kekal tidak berubah, dan PTT secara relatifnya stabil dari 180 hingga 310 ms (Rajah 5G).Walau bagaimanapun, bagi peserta SAS, PTT meningkat secara berterusan daripada 120 kepada 310 ms semasa apnea (Rajah 5H).Oleh itu, peserta telah didiagnosis dengan SAS obstruktif (OSAS).Sekiranya perubahan dalam PTT berkurangan semasa apnea, maka keadaan itu akan ditentukan sebagai sindrom apnea tidur pusat (CSAS), dan jika kedua-dua gejala ini wujud serentak, maka ia akan didiagnosis sebagai SAS campuran (MSAS).Untuk menilai keterukan SAS, kami selanjutnya menganalisis isyarat yang dikumpul.Indeks rangsangan PTT, iaitu bilangan rangsangan PTT sejam (gerakan PTT ditakrifkan sebagai kejatuhan dalam PTT sebanyak ≥15 ms yang berlangsung selama ≥3 saat), memainkan peranan penting dalam menilai tahap SAS.Indeks apnea-hipopnea (AHI) ialah piawai untuk menentukan tahap SAS (apnea ialah pemberhentian pernafasan, dan hypopnea ialah pernafasan yang terlalu cetek atau kadar pernafasan yang rendah secara luar biasa), yang ditakrifkan sebagai bilangan apnea dan hypopnea setiap jam semasa tidur (hubungan antara AHI dan kriteria penarafan untuk OSAS ditunjukkan dalam jadual S2).Untuk menyiasat hubungan antara AHI dan indeks rangsangan PTT, isyarat pernafasan 20 pesakit dengan SAS telah dipilih dan dianalisis dengan TATSA.Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5I, indeks rangsangan PTT berkorelasi positif dengan AHI, kerana apnea dan hypopnea semasa tidur menyebabkan peningkatan tekanan darah yang jelas dan sementara, yang membawa kepada penurunan PTT.Oleh itu, TATSA kami boleh mendapatkan isyarat nadi dan pernafasan yang stabil dan tepat secara serentak, sekali gus memberikan maklumat fisiologi penting mengenai sistem kardiovaskular dan SAS untuk pemantauan dan penilaian penyakit berkaitan.
Ringkasnya, kami membangunkan TATSA menggunakan jahitan kardigan penuh untuk mengesan isyarat fisiologi yang berbeza secara serentak.Penderia ini menampilkan sensitiviti tinggi 7.84 mV Pa−1, masa tindak balas pantas 20 ms, kestabilan tinggi melebihi 100,000 kitaran dan lebar jalur frekuensi kerja yang luas.Berdasarkan TATSA, WMHMS juga dibangunkan untuk menghantar parameter fisiologi yang diukur ke telefon bimbit.TATSA boleh digabungkan ke dalam tapak pakaian yang berbeza untuk reka bentuk estetik dan digunakan untuk memantau denyutan dan isyarat pernafasan secara serentak dalam masa nyata.Sistem ini boleh digunakan untuk membantu membezakan antara individu yang sihat dan mereka yang mempunyai CAD atau SAS kerana keupayaannya untuk menangkap maklumat terperinci.Kajian ini menyediakan pendekatan yang selesa, cekap dan mesra pengguna untuk mengukur nadi dan pernafasan manusia, mewakili kemajuan dalam pembangunan elektronik tekstil boleh pakai.
Keluli tahan karat itu berulang kali melalui acuan dan diregangkan untuk membentuk gentian dengan diameter 10 μm.Serat keluli tahan karat sebagai elektrod telah dimasukkan ke dalam beberapa keping benang Terylene satu lapis komersial.
Penjana fungsi (Stanford DS345) dan penguat (LabworkPa-13) digunakan untuk memberikan isyarat tekanan sinusoidal.Penderia daya dwi-julat (Vernier Software & Technology LLC) digunakan untuk mengukur tekanan luaran yang dikenakan pada TATSA.Elektrometer sistem Keithley (Keithley 6514) digunakan untuk memantau dan merekod voltan keluaran dan arus TATSA.
Menurut Kaedah Ujian AATCC 135-2017, kami menggunakan TATSA dan pemberat yang mencukupi sebagai beban 1.8 kg dan kemudian memasukkannya ke dalam mesin pencuci pakaian komersial (Labtex LBT-M6T) untuk melakukan kitaran pencucian mesin yang halus.Kemudian, kami mengisi mesin pencuci dengan 18 gelen air pada 25°C dan menetapkan mesin basuh untuk kitaran dan masa basuh yang dipilih (kelajuan pengadukan, 119 pukulan seminit; masa mencuci, 6 min; kelajuan putaran akhir, 430 rpm; akhir masa putaran, 3 min).Terakhir, TATSA digantung kering dalam udara pegun pada suhu bilik tidak lebih tinggi daripada 26°C.
Subjek diarahkan untuk berbaring dalam keadaan terlentang di atas katil.TATSA diletakkan di tapak pengukur.Apabila subjek berada dalam kedudukan terlentang standard, mereka mengekalkan keadaan santai sepenuhnya selama 5 hingga 10 minit.Isyarat nadi kemudian mula mengukur.
Bahan tambahan untuk artikel ini boleh didapati di https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Rajah S9.Hasil simulasi pengagihan daya TATSA di bawah tekanan yang dikenakan pada 0.2 kPa menggunakan perisian COMSOL.
Rajah S10.Hasil simulasi pengagihan daya unit sesentuh di bawah tekanan yang dikenakan pada 0.2 dan 2 kPa, masing-masing.
Rajah S11.Ilustrasi skematik lengkap pemindahan caj unit sesentuh di bawah keadaan litar pintas.
Rajah S13.Voltan keluaran berterusan dan arus TATSA sebagai tindak balas kepada tekanan luaran yang digunakan secara berterusan dalam kitaran pengukuran.
Rajah S14.Tindak balas voltan kepada pelbagai bilangan unit gelung dalam kawasan fabrik yang sama apabila mengekalkan nombor gelung dalam arah wale tidak berubah.
Rajah S15.Perbandingan antara prestasi keluaran dua penderia tekstil menggunakan jahitan kardigan penuh dan jahitan biasa.
Rajah S16.Plot menunjukkan tindak balas frekuensi pada tekanan dinamik 1 kPa dan frekuensi input tekanan 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18, dan 20 Hz.
Rajah S25.Voltan keluaran penderia apabila subjek berada dalam keadaan statik dan gerakan.
Rajah S26.Gambar yang menunjukkan TATSA diletakkan pada perut dan pergelangan tangan secara serentak untuk mengukur pernafasan dan nadi, masing-masing.
Ini ialah artikel akses terbuka yang diedarkan di bawah syarat lesen Atribusi-Bukan Komersial Creative Commons, yang membenarkan penggunaan, pengedaran dan pengeluaran semula dalam mana-mana medium, selagi penggunaan yang dihasilkan bukan untuk kelebihan komersial dan dengan syarat karya asal adalah betul. dipetik.
NOTA: Kami hanya meminta alamat e-mel anda supaya orang yang anda cadangkan halaman itu mengetahui bahawa anda mahu mereka melihatnya dan ia bukan mel sampah.Kami tidak menangkap sebarang alamat e-mel.
Oleh Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Sensor semua tekstil triboelektrik dengan kepekaan tekanan tinggi dan keselesaan telah dibangunkan untuk pemantauan kesihatan.
Oleh Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Sensor semua tekstil triboelektrik dengan kepekaan tekanan tinggi dan keselesaan telah dibangunkan untuk pemantauan kesihatan.
© 2020 Persatuan Amerika untuk Kemajuan Sains.Hak cipta terpelihara.AAAS ialah rakan kongsi HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef dan COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Masa siaran: Mac-27-2020