Odzież tekstylna, którą można nosić na sobie, jest wysoce pożądana w celu realizacji spersonalizowanego zarządzania zdrowiem.Jednak większość zgłaszanych urządzeń elektronicznych do tekstyliów może okresowo atakować pojedynczy sygnał fizjologiczny lub pomijać wyraźne szczegóły sygnałów, co prowadzi do częściowej oceny stanu zdrowia.Co więcej, tekstylia o doskonałych właściwościach i komforcie nadal pozostają wyzwaniem.Tutaj przedstawiamy tryboelektryczny, całkowicie tekstylny układ czujników o wysokiej czułości na nacisk i komforcie.Charakteryzuje się czułością nacisku (7,84 mV Pa−1), krótkim czasem reakcji (20 ms), stabilnością (>100 000 cykli), szerokim pasmem częstotliwości roboczej (do 20 Hz) i możliwością prania w pralce (>40 prań).Wyprodukowane TATSA zostały wszyte w różne części odzieży, aby jednocześnie monitorować fale tętna tętniczego i sygnały oddechowe.W dalszym ciągu rozwijaliśmy system monitorowania zdrowia do długoterminowej i nieinwazyjnej oceny chorób układu krążenia i zespołu bezdechu sennego, który stanowi duży postęp w analizie ilościowej niektórych chorób przewlekłych.
Elektronika ubieralna stwarza fascynującą szansę ze względu na jej obiecujące zastosowania w medycynie spersonalizowanej.Mogą monitorować stan zdrowia danej osoby w sposób ciągły, w czasie rzeczywistym i nieinwazyjny (1–11).Puls i oddychanie, jako dwa niezbędne elementy parametrów życiowych, mogą zapewnić zarówno dokładną ocenę stanu fizjologicznego, jak i niezwykły wgląd w diagnostykę i rokowanie powiązanych chorób (12–21).Obecnie większość urządzeń elektronicznych do wykrywania subtelnych sygnałów fizjologicznych opiera się na ultracienkich podłożach, takich jak politereftalan etylenu, polidimetylosiloksan, poliimid, szkło i silikon (22–26).Wadą tych podłoży do stosowania na skórę jest ich płaski i sztywny format.W rezultacie wymagane są taśmy, plastry lub inne elementy mechaniczne, aby zapewnić zwarty kontakt pomiędzy urządzeniami elektronicznymi do noszenia a ludzką skórą, co może powodować podrażnienia i niedogodności podczas dłuższych okresów użytkowania (27, 28).Co więcej, podłoża te mają słabą przepuszczalność powietrza, co powoduje dyskomfort podczas długotrwałego, ciągłego monitorowania stanu zdrowia.Aby złagodzić powyższe problemy w służbie zdrowia, zwłaszcza w codziennym użytkowaniu, niezawodnym rozwiązaniem są inteligentne tekstylia.Tekstylia te charakteryzują się miękkością, lekkością i oddychalnością, a co za tym idzie, mogą zapewnić komfort noszenia elektroniki.W ostatnich latach poświęcono intensywne wysiłki na rzecz opracowania systemów opartych na tekstyliach w zakresie czułych czujników, gromadzenia i magazynowania energii (29–39).W szczególności donoszono o udanych badaniach nad światłowodami, piezoelektrycznością i inteligentnymi tekstyliami opartymi na oporności, stosowanymi w monitorowaniu sygnałów tętna i oddechu (40–43).Jednakże te inteligentne tekstylia mają zazwyczaj niską czułość i pojedynczy parametr monitorowania i nie mogą być produkowane na dużą skalę (tabela S1).W przypadku pomiaru pulsu szczegółowe informacje są trudne do uchwycenia ze względu na słabe i szybkie wahania pulsu (np. jego charakterystyczne punkty), dlatego wymagana jest wysoka czułość i odpowiednia charakterystyka częstotliwościowa.
W tym badaniu wprowadzamy tryboelektryczny, całkowicie tekstylny układ czujników (TATSA) o wysokiej czułości do wychwytywania subtelnego nacisku naskórka, dziany z przędzy przewodzącej i nylonowej w pełnym ściegu kardiganowym.TATSA może zapewnić wysoką czułość ciśnieniową (7,84 mV Pa-1), krótki czas reakcji (20 ms), stabilność (> 100 000 cykli), szerokie pasmo częstotliwości roboczej (do 20 Hz) i możliwość prania w pralce (> 40 prań).Można go wygodnie zintegrować z ubraniami, zachowując dyskrecję, wygodę i estetykę.Warto zauważyć, że naszą TATSA można bezpośrednio wbudować w różne miejsca materiału, które odpowiadają falom tętna na szyi, nadgarstku, czubku palca i kostce oraz falom oddechowym w jamie brzusznej i klatce piersiowej.Aby ocenić doskonałą wydajność TATSA w zdalnym monitorowaniu stanu zdrowia w czasie rzeczywistym, opracowujemy spersonalizowany inteligentny system monitorowania stanu zdrowia, który w sposób ciągły zbiera i zapisuje sygnały fizjologiczne na potrzeby analizy chorób układu krążenia (CAD) i oceny zespołu bezdechu sennego (SAS) ).
Jak pokazano na ryc. 1A, w mankiet i klatkę piersiową koszuli wszyto dwa czujniki TATSA, aby umożliwić dynamiczne i jednoczesne monitorowanie odpowiednio sygnałów tętna i oddechu.Te sygnały fizjologiczne zostały przesłane bezprzewodowo do inteligentnej aplikacji terminala mobilnego (APP) w celu dalszej analizy stanu zdrowia.Rysunek 1B przedstawia TATSA wszytą w kawałek materiału, a wstawka przedstawia powiększony widok TATSA, która została wykonana razem na drutach przy użyciu charakterystycznej przędzy przewodzącej i dostępnej w handlu przędzy nylonowej w pełny ścieg kardiganu.W porównaniu z podstawowym ściegiem gładkim, najpowszechniejszą i podstawową metodą dziania, wybrano ścieg pełny kardiganu, ponieważ kontakt pomiędzy główką pętelki przędzy przewodzącej a sąsiadującą główką ściegu zakładkowego przędzy nylonowej (rys. S1) stanowi powierzchnię zamiast kontaktu punktowego, co prowadzi do większego obszaru działania i zapewnia wysoki efekt tryboelektryczny.Do przygotowania przędzy przewodzącej jako nieruchome włókno rdzeniowe wybraliśmy stal nierdzewną, a wokół włókna rdzeniowego owinięto kilka kawałków jednowarstwowych przędz terylenowych w jedną przędzę przewodzącą o średnicy 0,2 mm (rys. S2), która służyła jako zarówno powierzchnię elektryzującą, jak i elektrodę przewodzącą.Przędza nylonowa, która miała średnicę 0,15 mm i służyła jako kolejna powierzchnia elektryzująca, miała dużą siłę rozciągającą, ponieważ była skręcona przez niepoliczalne przędze (rys. S3).Rysunek 1 (odpowiednio C i D) przedstawia fotografie wytworzonej przędzy przewodzącej i przędzy nylonowej.Wstawki przedstawiają odpowiednie obrazy ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM), które przedstawiają typowy przekrój poprzeczny przędzy przewodzącej i powierzchnię przędzy nylonowej.Wysoka wytrzymałość na rozciąganie przędzy przewodzącej i nylonowej zapewniła jej zdolność tkania na maszynie przemysłowej, aby utrzymać jednolite działanie wszystkich czujników.Jak pokazano na rys. 1E, przędze przewodzące, przędze nylonowe i zwykłe nici nawinięto na ich odpowiednie stożki, które następnie załadowano na przemysłową skomputeryzowaną maszynę dziewiarską płaską w celu automatycznego tkania (film S1).Jak pokazano na ryc.S4, kilka TATSA zostało zrobionych na drutach ze zwykłego materiału przy użyciu maszyny przemysłowej.Pojedynczą TATSA o grubości 0,85 mm i wadze 0,28 g można było z całej konstrukcji dostosować do indywidualnego użytku, wykazując się doskonałą kompatybilnością z innymi tkaninami.Ponadto TATSA można zaprojektować w różnych kolorach, aby spełnić wymagania estetyczne i modowe ze względu na różnorodność dostępnych na rynku przędz nylonowych (ryc. 1F i rys. S5).Wytworzone TATSA charakteryzują się doskonałą miękkością i odpornością na ostre zginanie i odkształcenia (rys. S6).Rysunek 1G przedstawia TATSA wszytą bezpośrednio w brzuch i mankiet swetra.Proces dziania swetra pokazano na ryc.S7 i film S2.Szczegóły przedniej i tylnej strony rozciągniętego TATSA w pozycji brzucha pokazano na ryc.S8 (odpowiednio A i B), a położenie przędzy przewodzącej i przędzy nylonowej pokazano na ryc.S8C.Widać tutaj, że TATSA można płynnie wtopić w zwykłe tkaniny, aby uzyskać dyskretny i elegancki wygląd.
(A) Dwa urządzenia TATSA zintegrowane z koszulą w celu monitorowania sygnałów tętna i oddechu w czasie rzeczywistym.(B) Schematyczna ilustracja połączenia TATSA i ubrania.Wstawka przedstawia powiększony widok czujnika.(C) Zdjęcie przędzy przewodzącej (pasek skali, 4 cm).Wstawka to obraz SEM przekroju przędzy przewodzącej (pasek skali, 100 μm), która składa się z przędzy ze stali nierdzewnej i terylenu.(D) Zdjęcie przędzy nylonowej (odcinek skali, 4 cm).Wstawka to obraz SEM powierzchni przędzy nylonowej (pasek skali, 100 μm).(E) Zdjęcie skomputeryzowanej maszyny dziewiarskiej płaskiej wykonującej automatyczne tkanie TATSA.(F) Zdjęcie TATSA w różnych kolorach (pasek skali, 2 cm).Wstawka to skręcona TATSA, co świadczy o jej doskonałej miękkości.(G) Zdjęcie dwóch TATSA całkowicie i bezproblemowo wszytych w sweter.Źródło zdjęcia: Wenjing Fan, Uniwersytet Chongqing.
Aby przeanalizować mechanizm roboczy TATSA, w tym jego właściwości mechaniczne i elektryczne, skonstruowaliśmy geometryczny model dziania TATSA, jak pokazano na ryc. 2A.Używając pełnego ściegu kardiganowego, przędza przewodząca i nylonowa są splatane w formie jednostek pętelkowych w kierunku biegu i rowka.Struktura pojedynczej pętelki (rys. S1) składa się z główki pętelkowej, ramienia pętelkowego, części przecinającej żebro, ramienia ściegu zakładkowego i główki ściegu zakładkowego.Można znaleźć dwie formy powierzchni styku pomiędzy dwiema różnymi przędzami: (i) powierzchnia styku pomiędzy główką pętelki przędzy przewodzącej a główką ściegu zakładkowego przędzy nylonowej oraz (ii) powierzchnia styku pomiędzy główką pętelki przędzy nylonowej przędza nylonowa i główka ściegu zakładkowego przędzy przewodzącej.
(A) TATSA z przednią, prawą i górną stroną dzianinowych pętelek.(B) Wynik symulacji rozkładu siły TATSA pod przyłożonym ciśnieniem 2 kPa przy użyciu oprogramowania COMSOL.(C) Schematyczne ilustracje przenoszenia ładunku jednostki stykowej w warunkach zwarcia.(D) Wyniki symulacji rozkładu ładunku modułu stykowego w warunkach obwodu otwartego przy użyciu oprogramowania COMSOL.
Zasadę działania TATSA można wyjaśnić w dwóch aspektach: stymulacji siłą zewnętrzną i jej indukowanym ładunkiem.Aby intuicyjnie zrozumieć rozkład naprężeń w odpowiedzi na bodziec siły zewnętrznej, wykorzystaliśmy analizę elementów skończonych przy użyciu oprogramowania COMSOL przy różnych siłach zewnętrznych 2 i 0,2 kPa, jak pokazano odpowiednio na rys. 2B i rys. 2B.S9.Naprężenia pojawiają się na powierzchniach styku dwóch przędz.Jak pokazano na ryc.S10, rozważaliśmy dwie jednostki pętli, aby wyjaśnić rozkład naprężeń.Porównując rozkład naprężeń pod wpływem dwóch różnych sił zewnętrznych, naprężenia na powierzchni przędzy przewodzącej i nylonowej rosną wraz ze wzrostem siły zewnętrznej, co powoduje kontakt i wytłaczanie pomiędzy dwiema przędzami.Po uwolnieniu siły zewnętrznej obie przędze oddzielają się i oddalają od siebie.
Ruchy separacji styków pomiędzy przędzą przewodzącą a przędzą nylonową powodują przenoszenie ładunku, co przypisuje się połączeniu tryboelektryfikacji i indukcji elektrostatycznej.Aby wyjaśnić proces wytwarzania energii elektrycznej, analizujemy przekrój obszaru, w którym stykają się ze sobą dwie przędze (ryc. 2C1).Jak pokazano na rys. 2 (odpowiednio C2 i C3), gdy TATSA jest stymulowana siłą zewnętrzną i dwie przędze stykają się ze sobą, na powierzchni przędzy przewodzącej i nylonowej następuje elektryzacja, a równoważne ładunki o przeciwnych polaryzacje powstają na powierzchni dwóch przędz.Po rozdzieleniu dwóch przędz, w wewnętrznej części stali nierdzewnej indukują się ładunki dodatnie w wyniku efektu indukcji elektrostatycznej.Kompletny schemat pokazano na ryc.S11.Aby uzyskać bardziej ilościowe zrozumienie procesu wytwarzania energii elektrycznej, przeprowadziliśmy symulację rozkładu potencjału TATSA za pomocą oprogramowania COMSOL (ryc. 2D).Kiedy oba materiały stykają się, ładunek gromadzi się głównie na materiale ciernym, a na elektrodzie znajduje się tylko niewielka ilość indukowanego ładunku, co skutkuje niewielkim potencjałem (rys. 2D, dół).Kiedy dwa materiały zostaną rozdzielone (rys. 2D, góra), ładunek indukowany na elektrodzie wzrasta ze względu na różnicę potencjałów, a odpowiadający mu potencjał wzrasta, co pokazuje dobrą zgodność pomiędzy wynikami uzyskanymi z eksperymentów i wynikami symulacji .Co więcej, ponieważ elektroda przewodząca TATSA jest owinięta przędzą terylenową, a skóra styka się z obydwoma materiałami ciernymi, zatem gdy TATSA jest noszona bezpośrednio na skórze, ładunek zależy od siły zewnętrznej i nie będzie być osłabiony przez skórę.
Aby scharakteryzować działanie naszej TATSA w różnych aspektach, zapewniliśmy system pomiarowy zawierający generator funkcyjny, wzmacniacz mocy, wibrator elektrodynamiczny, miernik siły, elektrometr i komputer (rys. S12).System ten wytwarza zewnętrzne ciśnienie dynamiczne do 7 kPa.W eksperymencie TATSA umieszczono w stanie swobodnym na płaskiej płycie z tworzywa sztucznego, a wyjściowe sygnały elektryczne były rejestrowane przez elektrometr.
Specyfikacje przędzy przewodzącej i nylonowej wpływają na wydajność wyjściową TATSA, ponieważ określają powierzchnię styku i zdolność do odczuwania ciśnienia zewnętrznego.Aby to zbadać, wyprodukowaliśmy odpowiednio trzy rozmiary dwóch przędz: przędzę przewodzącą o rozmiarach 150D/3, 210D/3 i 250D/3 oraz przędzę nylonową o rozmiarach 150D/6, 210D/6 i 250D /6 (D, denier; jednostka miary używana do określenia grubości włókien poszczególnych nici; tkaniny o dużej liczbie denierów są zwykle grube).Następnie wybraliśmy te dwie przędze o różnych rozmiarach, aby zrobić z nich czujnik, a wymiary TATSA utrzymywano na poziomie 3 cm na 3 cm z liczbą pętli 16 w kierunku ścianki i 10 w kierunku biegu.W ten sposób otrzymano czujniki z dziewięcioma wzorami dziania.Najcieńszy był czujnik z przędzą przewodzącą o rozmiarze 150D/3 i nylonową o rozmiarze 150D/6, a czujnik z przędzą przewodzącą o rozmiarze 250D/3 i nylonową o rozmiarze 250D/ 6 był najgrubszy.Przy wzbudzeniu mechanicznym od 0,1 do 7 kPa, wyjścia elektryczne dla tych wzorców były systematycznie badane i testowane, jak pokazano na ryc. 3A.Napięcia wyjściowe dziewięciu TATSA wzrastały wraz ze wzrostem przyłożonego ciśnienia, z 0,1 do 4 kPa.W szczególności, ze wszystkich wzorów dziania, przędza przewodząca 210D/3 i przędza nylonowa 210D/6 zapewniały najwyższą moc elektryczną i charakteryzowały się najwyższą czułością.Napięcie wyjściowe wykazywało tendencję rosnącą wraz ze wzrostem grubości TATSA (ze względu na wystarczającą powierzchnię styku), aż do momentu, gdy TATSA została wykonana z przędzy przewodzącej 210D/3 i przędzy nylonowej 210D/6.Ponieważ dalszy wzrost grubości prowadziłby do absorpcji ciśnienia zewnętrznego przez przędzę, napięcie wyjściowe odpowiednio spadło.Ponadto zauważono, że w obszarze niskiego ciśnienia (<4 kPa) dobrze zachowana liniowa zmiana napięcia wyjściowego pod wpływem ciśnienia dała doskonałą czułość na ciśnienie wynoszącą 7,84 mV Pa-1.W obszarze wysokiego ciśnienia (>4 kPa) zaobserwowano eksperymentalnie niższą czułość nacisku wynoszącą 0,31 mV Pa−1 ze względu na nasycenie efektywnej powierzchni tarcia.Podobną wrażliwość na nacisk wykazano podczas odwrotnego procesu przykładania siły.Konkretne przebiegi czasowe napięcia i prądu wyjściowego przy różnych ciśnieniach przedstawiono na rys. 2.S13 (odpowiednio A i B).
(A) Napięcie wyjściowe przy dziewięciu wzorach dziania przędzy przewodzącej (150D/3, 210D/3 i 250D/3) w połączeniu z przędzą nylonową (150D/6, 210D/6 i 250D/6).(B) Reakcja napięciowa na różną liczbę jednostek pętli w tym samym obszarze tkaniny, przy zachowaniu niezmienionej liczby pętli w kierunku ściany.(C) Wykresy przedstawiające odpowiedzi częstotliwościowe pod ciśnieniem dynamicznym 1 kPa i częstotliwością wejściową ciśnienia 1 Hz.(D) Różne napięcia wyjściowe i prądowe w zakresie częstotliwości 1, 5, 10 i 20 Hz.(E) Badanie trwałości TATSA pod ciśnieniem 1 kPa.(F) Charakterystyka wyjściowa TATSA po 20 i 40 praniu.
Na czułość i napięcie wyjściowe miała również wpływ gęstość ściegu TATSA, którą określano na podstawie całkowitej liczby pętli na zmierzonym obszarze tkaniny.Zwiększenie gęstości ściegu doprowadziłoby do większej zwartości struktury tkaniny.Rysunek 3B przedstawia parametry wyjściowe przy różnych numerach pętli w obszarze tekstylnym 3 cm na 3 cm, a wstawka ilustruje strukturę jednostki pętli (numer pętli w kierunku przebiegu utrzymaliśmy na poziomie 10, a numer pętli w kierunek Wale wynosił 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 i 26).Zwiększając liczbę pętli, napięcie wyjściowe początkowo wykazywało tendencję rosnącą ze względu na rosnącą powierzchnię styku, aż do maksymalnego szczytu napięcia wyjściowego wynoszącego 7,5 V przy liczbie pętli wynoszącej 180. Po tym momencie napięcie wyjściowe wykazywało tendencję malejącą, ponieważ TATSA stała się ciasna, a obie przędze miały zmniejszoną przestrzeń separacji styków.Aby zbadać, w którym kierunku gęstość ma duży wpływ na moc wyjściową, numer pętli TATSA w kierunku wale wynosił 18, a numer pętli w kierunku kursu ustawiono na 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 i 14. Odpowiednie napięcia wyjściowe pokazano na ryc.S14.Dla porównania widać, że gęstość w kierunku przebiegu ma większy wpływ na napięcie wyjściowe.W rezultacie do dziania TATSA wybrano wzór dziania z przędzy przewodzącej 210D/3 i przędzy nylonowej 210D/6 oraz 180 jednostek pętelek po wszechstronnej ocenie właściwości wyjściowych.Ponadto porównaliśmy sygnały wyjściowe dwóch czujników tekstylnych przy użyciu ściegu pełnego i gładkiego.Jak pokazano na ryc.S15, moc elektryczna i czułość przy pełnym ściegu rozpinanym są znacznie wyższe niż przy ściegu gładkim.
Zmierzono czas reakcji monitorowania sygnałów w czasie rzeczywistym.Aby zbadać czas reakcji naszego czujnika na siły zewnętrzne, porównaliśmy wyjściowe sygnały napięciowe z wejściami ciśnienia dynamicznego o częstotliwości od 1 do 20 Hz (odpowiednio rys. 3C i rys. S16).Przebiegi napięcia wyjściowego były niemal identyczne z wejściowymi sinusoidalnymi falami ciśnienia pod ciśnieniem 1 kPa, a przebiegi wyjściowe charakteryzowały się krótkim czasem reakcji (około 20 ms).Histerezę tę można przypisać temu, że struktura elastyczna nie powróciła do stanu pierwotnego możliwie najszybciej po otrzymaniu siły zewnętrznej.Niemniej jednak ta niewielka histereza jest akceptowalna w przypadku monitorowania w czasie rzeczywistym.Aby uzyskać ciśnienie dynamiczne w określonym zakresie częstotliwości, oczekuje się odpowiedniej odpowiedzi częstotliwościowej TATSA.W związku z tym zbadano także charakterystykę częstotliwościową TATSA.Zwiększając zewnętrzną częstotliwość wzbudzającą, amplituda napięcia wyjściowego pozostała prawie niezmieniona, natomiast amplituda prądu wzrosła, gdy częstotliwości zaczepów zmieniały się od 1 do 20 Hz (ryc. 3D).
Aby ocenić powtarzalność, stabilność i trwałość TATSA, przetestowaliśmy reakcje napięcia wyjściowego i prądu na cykle ładowania i rozładowywania ciśnienia.Do czujnika przykładano ciśnienie 1 kPa i częstotliwość 5 Hz.Napięcie i prąd międzyszczytowy rejestrowano po 100 000 cykli ładowania i rozładowywania (odpowiednio rys. 3E i rys. S17).Powiększone widoki przebiegu napięcia i prądu pokazano na wstawce z rys. 3E i rys. 3.Odpowiednio S17.Wyniki ujawniają niezwykłą powtarzalność, stabilność i trwałość TATSA.Zmywalność jest również istotnym kryterium oceny TATSA jako urządzenia całkowicie tekstylnego.Aby ocenić zdolność prania, przetestowaliśmy napięcie wyjściowe czujnika po wypraniu TATSA w pralce zgodnie z metodą testową 135-2017 Amerykańskiego Stowarzyszenia Chemików i Kolorystów Tekstyliów (AATCC).Szczegółową procedurę mycia opisano w części Materiały i metody.Jak pokazano na rys. 3F, moc elektryczną rejestrowano po 20 i 40-krotnym praniu, co wykazało, że nie było wyraźnych zmian napięcia wyjściowego podczas testów prania.Wyniki te potwierdzają niezwykłą zmywalność TATSA.Jako czujnik tekstylny do noszenia, zbadaliśmy także wydajność wyjściową, gdy TATSA znajdowała się w warunkach rozciągania (rys. S18), skręcenia (rys. S19) i przy różnej wilgotności (rys. S20).
Bazując na wykazanych powyżej licznych zaletach TATSA, opracowaliśmy bezprzewodowy mobilny system monitorowania stanu zdrowia (WMHMS), który ma możliwość ciągłego pozyskiwania sygnałów fizjologicznych, a następnie udzielania pacjentowi profesjonalnych porad.Rysunek 4A przedstawia schemat WMHMS oparty na TATSA.System składa się z czterech komponentów: TATSA do akwizycji analogowych sygnałów fizjologicznych, analogowy obwód kondycjonujący z filtrem dolnoprzepustowym (MAX7427) i wzmacniaczem (MAX4465) zapewniającym wystarczającą szczegółowość i doskonałą synchronizację sygnałów, analogowo-cyfrowy obwód konwerter oparty na jednostce mikrokontrolera zbierającego i przetwarzającego sygnały analogowe na sygnały cyfrowe oraz moduł Bluetooth (chip Bluetooth małej mocy CC2640) do przesyłania sygnału cyfrowego do aplikacji terminala telefonu komórkowego (APP; Huawei Honor 9).W tym badaniu wszyliśmy płynnie TATSA w koronkę, opaskę na nadgarstek, palec i skarpetkę, jak pokazano na ryc. 4B.
(A) Ilustracja WMHMS.(B) Fotografie TATSA wszytych odpowiednio w opaskę na nadgarstek, palec, skarpetkę i pasek na klatkę piersiową.Pomiar tętna na szyi (C1), nadgarstku (D1), opuszku palca (E1) i kostce (F1).Przebieg tętna na szyi (C2), nadgarstku (D2), koniuszku palca (E2) i kostce (F2).(G) Przebiegi impulsów w różnym wieku.(H) Analiza pojedynczej fali tętna.Wskaźnik augmentacji promieniowej (AIx) zdefiniowany jako AIx (%) = P2/P1.P1 jest szczytem fali napływającej, a P2 jest szczytem fali odbitej.(I) Cykl pulsu na ramieniu i kostce.Prędkość fali impulsowej (PWV) definiuje się jako PWV = D/∆T.D to odległość między kostką a ramieniem.∆T to opóźnienie czasowe pomiędzy szczytami fal tętna na kostce i na ramieniu.PTT, czas przejścia impulsu.(J) Porównanie AIx i PWV stawu ramiennego (BAPWV) między zdrowymi i CAD.*P < 0,01, **P <0,001 i ***P <0,05.nadciśnienie tętnicze, nadciśnienie;CHD, choroba niedokrwienna serca;DM, cukrzyca.Źródło zdjęcia: Jin Yang, Uniwersytet Chongqing.
Aby monitorować sygnały tętna różnych części ludzkiego ciała, przyczepiliśmy wspomniane ozdoby z TATSA w odpowiednich pozycjach: szyi (ryc. 4C1), nadgarstka (ryc. 4D1), opuszki palca (ryc. 4E1) i kostki (ryc. 4F1 ), jak opisano w filmach S3 do S6.W medycynie istnieją trzy istotne punkty charakterystyczne fali tętna: szczyt fali narastającej P1, szczyt fali odbitej P2 i szczyt fali dykrotycznej P3.Charakterystyka tych punktów charakterystycznych odzwierciedla stan zdrowia elastyczności tętnic, oporu obwodowego i kurczliwości lewej komory związanej z układem sercowo-naczyniowym.W naszym teście uzyskano i zarejestrowano przebiegi tętna 25-letniej kobiety w powyższych czterech pozycjach.Należy zauważyć, że na przebiegu tętna zaobserwowano trzy wyróżniające się punkty (P1 do P3) na szyi, nadgarstku i opuszku palca, jak pokazano na ryc. 4 (C2 do E2).Natomiast na przebiegu tętna w miejscu kostki pojawiły się tylko P1 i P3, a P2 nie było (ryc. 4F2).Wynik ten był spowodowany nałożeniem napływającej fali krwi wyrzucanej przez lewą komorę i fali odbitej z kończyn dolnych (44).Wcześniejsze badania wykazały, że P2 występuje w postaci fal mierzonych w kończynach górnych, ale nie w kostce (45, 46).Podobne wyniki zaobserwowaliśmy w kształtach fal zmierzonych za pomocą TATSA, jak pokazano na ryc.S21, który pokazuje typowe dane z populacji 80 badanych tutaj pacjentów.Widzimy, że P2 nie pojawił się na przebiegach tętna mierzonych w kostce, co świadczy o zdolności TATSA do wykrywania subtelnych cech przebiegu.Te wyniki pomiarów tętna wskazują, że nasz WMHMS może dokładnie ujawnić charakterystykę fali tętna górnej i dolnej części ciała i że jest lepszy od innych prac (41, 47).Aby dodatkowo wskazać, że nasz TATSA może być szeroko stosowany w różnych grupach wiekowych, zmierzyliśmy kształty fal tętna u 80 osób w różnym wieku i pokazaliśmy pewne typowe dane, jak pokazano na ryc.S22.Jak pokazano na ryc. 4G, wybraliśmy trzech uczestników w wieku 25, 45 i 65 lat, a trzy cechy charakterystyczne były oczywiste dla uczestników młodych i w średnim wieku.Według literatury medycznej (48) charakterystyka przebiegów tętna u większości ludzi zmienia się wraz z wiekiem, np. zanik punktu P2, co jest spowodowane przesunięciem fali odbitej do przodu i nałożeniem się na falę nacierającą poprzez zmniejszenie elastyczność naczyń.Zjawisko to znajduje również odzwierciedlenie w zebranych przez nas przebiegach, co dodatkowo potwierdza, że TATSA można zastosować w różnych populacjach.
Na kształt fali tętna wpływa nie tylko stan fizjologiczny danej osoby, ale także warunki badania.Dlatego zmierzyliśmy sygnały impulsowe przy różnej szczelności styku TATSA ze skórą (rys. S23) i różnych pozycjach wykrywania w miejscu pomiaru (rys. S24).Można stwierdzić, że TATSA może uzyskać spójne przebiegi impulsów ze szczegółowymi informacjami o statku w dużym efektywnym obszarze wykrywania w miejscu pomiaru.Ponadto istnieją różne sygnały wyjściowe przy różnej szczelności styku pomiędzy TATSA a skórą.Ponadto ruch osób noszących czujniki będzie miał wpływ na sygnały tętna.Gdy nadgarstek pacjenta jest w stanie statycznym, amplituda uzyskanego kształtu fali tętna jest stabilna (rys. S25A);i odwrotnie, gdy nadgarstek powoli porusza się pod kątem od -70° do 70° przez 30 s, amplituda przebiegu tętna będzie się zmieniać (rys. S25B).Jednakże kontur każdej fali impulsu jest widoczny i nadal można dokładnie określić częstość tętna.Oczywiście, aby osiągnąć stabilną akwizycję fali tętna w ruchu człowieka, konieczne są dalsze badania, w tym projektowanie czujników i przetwarzanie sygnału zaplecza.
Ponadto, aby przeanalizować i ilościowo ocenić stan układu sercowo-naczyniowego na podstawie uzyskanych przebiegów tętna za pomocą naszego TATSA, wprowadziliśmy dwa parametry hemodynamiczne zgodnie ze specyfikacją oceny układu sercowo-naczyniowego, a mianowicie wskaźnik wzmocnienia (AIx) i prędkość fali tętna (PWV), które reprezentują elastyczność tętnic.Jak pokazano na ryc. 4H, do analizy AIx wykorzystano przebieg tętna w pozycji nadgarstka 25-letniego zdrowego mężczyzny.Zgodnie ze wzorem (sekcja S1) otrzymano AIx = 60%, co jest wartością normalną.Następnie pobrano jednocześnie dwa przebiegi tętna z ramienia i kostki tego uczestnika (szczegółowy sposób pomiaru przebiegu tętna opisano w części Materiały i metody).Jak pokazano na ryc. 4I, punkty charakterystyczne dwóch przebiegów impulsowych były różne.Następnie obliczyliśmy PWV zgodnie ze wzorem (sekcja S1).Uzyskano PWV = 1363 cm/s, co jest wartością charakterystyczną oczekiwaną od zdrowego dorosłego mężczyzny.Z drugiej strony widzimy, że na metrykę AIx lub PWV nie ma wpływu różnica amplitudy przebiegu tętna, a wartości AIx w różnych częściach ciała są różne.W naszym badaniu wykorzystano radialną AIx.Aby zweryfikować przydatność WMHMS u różnych osób, wybraliśmy 20 uczestników w grupie osób zdrowych, 20 w grupie z nadciśnieniem tętniczym (HTN), 20 w grupie z chorobą niedokrwienną serca (CHD) w wieku od 50 do 59 lat i 20 w grupie osób grupa chorych na cukrzycę (DM).Zmierzyliśmy ich fale tętna i porównaliśmy ich dwa parametry, AIx i PWV, jak pokazano na ryc. 4J.Można stwierdzić, że wartości PWV w grupach HTN, CHD i DM były niższe w porównaniu z grupą osób zdrowych i różniły się statystycznie (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 i PDM ≪ 0,001; wartości P obliczono metodą t test).Tymczasem wartości AIx w grupach HTN i CHD były niższe w porównaniu z grupą osób zdrowych i różniły się statystycznie (PHTN < 0,01, PCHD < 0,001 i PDM < 0,05).PWV i AIx uczestników z CHD, HTN lub DM były wyższe niż w grupie zdrowej.Wyniki pokazują, że TATSA jest w stanie dokładnie uzyskać kształt fali tętna w celu obliczenia parametrów sercowo-naczyniowych w celu oceny stanu zdrowia układu sercowo-naczyniowego.Podsumowując, ze względu na swoją bezprzewodowość, wysoką rozdzielczość, wysoką czułość i wygodę, WMHMS oparty na TATSA stanowi skuteczniejszą alternatywę dla monitorowania w czasie rzeczywistym niż obecnie drogi sprzęt medyczny używany w szpitalach.
Oprócz fali tętna, informacje dotyczące układu oddechowego są również głównym sygnałem życiowym pomagającym ocenić stan fizyczny danej osoby.Monitorowanie oddychania oparte na naszym TATSA jest atrakcyjniejsze niż konwencjonalna polisomnografia, ponieważ można je płynnie zintegrować z ubraniem, co zapewnia większy komfort.Wszyty w biały, elastyczny pasek na klatkę piersiową, TATSA był bezpośrednio przywiązany do ludzkiego ciała i przymocowany wokół klatki piersiowej w celu monitorowania oddychania (ryc. 5A i film S7).TATSA odkształcała się wraz z rozszerzaniem i kurczeniem się klatki piersiowej, powodując wyładowanie elektryczne.Uzyskany przebieg zweryfikowano na rys. 5B.Sygnał o dużych wahaniach (amplituda 1,8 V) i zmianach okresowych (częstotliwość 0,5 Hz) odpowiadał ruchowi oddechowemu.Stosunkowo mały sygnał fluktuacji został nałożony na ten duży sygnał fluktuacji, którym był sygnał bicia serca.Zgodnie z charakterystyką częstotliwościową sygnałów oddechowych i bicia serca, zastosowaliśmy filtr dolnoprzepustowy 0,8 Hz i filtr pasmowo-przepustowy 0,8 do 20 Hz, aby oddzielić odpowiednio sygnały oddechowe i bicie serca, jak pokazano na ryc. 5C .W tym przypadku stabilne sygnały oddechowe i tętna z dużą ilością informacji fizjologicznych (takich jak częstość oddechów, częstość bicia serca i charakterystyczne punkty fali tętna) uzyskano jednocześnie i dokładnie, po prostu umieszczając pojedynczy czujnik TATSA na klatce piersiowej.
(A) Zdjęcie przedstawiające wyświetlacz TATSA umieszczonego na klatce piersiowej w celu pomiaru sygnału ciśnienia związanego z oddychaniem.(B) Wykres zależności napięcia od czasu dla TATSA zamontowanego na klatce piersiowej.(C) Rozkład sygnału (B) na bicie serca i falę oddechową.(D) Zdjęcie przedstawiające dwa TATSA umieszczone na brzuchu i nadgarstku w celu pomiaru odpowiednio oddychania i tętna podczas snu.(E) Sygnały oddechowe i tętno zdrowego uczestnika.HR, tętno;BPM, uderzenia na minutę.(F) Sygnały oddechowe i tętno uczestnika SAS.(G) Sygnał oddechowy i PTT zdrowego uczestnika.(H) Sygnał oddechowy i PTT uczestnika SAS.(I) Związek między wskaźnikiem pobudzenia PTT a wskaźnikiem bezdechu i spłycenia oddechu (AHI).Źródło zdjęcia: Wenjing Fan, Uniwersytet Chongqing.
Aby udowodnić, że nasz czujnik może dokładnie i niezawodnie monitorować sygnały tętna i oddechu, przeprowadziliśmy eksperyment mający na celu porównanie wyników pomiarów sygnałów tętna i oddechu między naszymi TATSA a standardowym instrumentem medycznym (MHM-6000B), jak opisano w filmach S8 i S9.Podczas pomiaru fali tętna, czujnik fotoelektryczny instrumentu medycznego był noszony na lewym palcu wskazującym młodej dziewczyny, a tymczasem nasz TATSA był noszony na jej prawym palcu wskazującym.Na podstawie dwóch uzyskanych przebiegów tętna widać, że ich kontury i szczegóły były identyczne, co wskazuje, że puls zmierzony przez TATSA jest równie precyzyjny jak puls przyrządu medycznego.Do pomiaru fali oddechowej, zgodnie z instrukcją lekarską, przyczepiono pięć elektrod elektrokardiograficznych do pięciu miejsc na ciele młodego mężczyzny.Dla kontrastu, tylko jedna TATSA była bezpośrednio przywiązana do ciała i zabezpieczona wokół klatki piersiowej.Na podstawie zebranych sygnałów oddechowych można zauważyć, że tendencja i częstość zmian sygnału oddechowego wykrytego przez nasz TATSA były zgodne z sygnałami przyrządu medycznego.Te dwa eksperymenty porównawcze potwierdziły dokładność, niezawodność i prostotę naszego systemu czujników do monitorowania sygnałów tętna i oddechu.
Co więcej, wykonaliśmy inteligentną odzież i zszyliśmy dwa TATSA na brzuchu i nadgarstkach, aby monitorować odpowiednio sygnały oddechowe i tętno.W szczególności wykorzystano opracowany dwukanałowy system WMHMS do jednoczesnego przechwytywania sygnałów tętna i oddechu.Za pomocą tego systemu uzyskaliśmy sygnały oddechowe i tętno 25-letniego mężczyzny ubranego w nasze eleganckie ubranie podczas snu (ryc. 5D i film S10) oraz siedzenia (ryc. S26 i film S11).Uzyskane sygnały oddechowe i tętna można bezprzewodowo przesyłać do aplikacji na telefonie komórkowym.Jak wspomniano powyżej, TATSA ma zdolność wychwytywania sygnałów oddechowych i tętna.Te dwa sygnały fizjologiczne są również kryteriami medycznej oceny SAS.Dlatego nasz TATSA może być również używany do monitorowania i oceny jakości snu i powiązanych zaburzeń snu.Jak pokazano na ryc. 5 (odpowiednio E i F), w sposób ciągły mierzyliśmy kształty tętna i fali oddechowej dwóch uczestników, zdrowego i pacjenta z SAS.W przypadku osoby bez bezdechu zmierzone częstości oddechów i tętna pozostały stabilne i wynosiły odpowiednio 15 i 70.U pacjenta z SAS zaobserwowano wyraźny bezdech trwający 24 s, co wskazuje na obturacyjny epizod oddechowy, a po okresie bezdechu częstość akcji serca nieznacznie wzrosła w wyniku regulacji układu nerwowego (49).Podsumowując, stan układu oddechowego można ocenić za pomocą naszego TATSA.
Aby dokładniej ocenić typ SAS na podstawie sygnałów tętna i oddechu, przeanalizowaliśmy czas przejścia impulsu (PTT), nieinwazyjny wskaźnik odzwierciedlający zmiany obwodowego oporu naczyniowego i ciśnienia wewnątrz klatki piersiowej (zdefiniowane w części S1) zdrowego mężczyzny i pacjenta z SAS.U zdrowego uczestnika częstość oddechów pozostała niezmieniona, a PTT było względnie stabilne w zakresie od 180 do 310 ms (ryc. 5G).Jednakże w przypadku uczestnika SAS czas PTT wzrastał w sposób ciągły od 120 do 310 ms podczas bezdechu (ryc. 5H).W związku z tym u uczestnika zdiagnozowano obturacyjny SAS (OSAS).Jeśli zmiana PTT zmniejszyłaby się podczas bezdechu, wówczas stan ten zostałby uznany za zespół centralnego bezdechu sennego (CSAS), a jeśli oba te objawy występowały jednocześnie, zostałby zdiagnozowany jako mieszany SAS (MSAS).Aby ocenić nasilenie SAS, szczegółowo przeanalizowaliśmy zebrane sygnały.Wskaźnik pobudzenia PTT, czyli liczba pobudzeń PTT na godzinę (pobudzenie PTT definiuje się jako spadek PTT o ≥15 ms trwający ≥3 s), odgrywa istotną rolę w ocenie stopnia SAS.Wskaźnik bezdechu i spłycenia oddechu (AHI) jest standardem pozwalającym określić stopień SAS (bezdech to ustanie oddychania, a spłycony oddech to zbyt płytki oddech lub nienormalnie niska częstość oddechów), który definiuje się jako liczbę bezdechów i spłyceń oddechu na godzinę snu (zależność wskaźnika AHI od kryteriów oceny OSAS przedstawiono w tabeli S2).Aby zbadać związek między AHI a wskaźnikiem pobudzenia PTT, wybrano sygnały oddechowe 20 pacjentów z SAS i przeanalizowano je za pomocą TATSA.Jak pokazano na ryc. 5I, wskaźnik pobudzenia PTT jest dodatnio skorelowany z AHI, ponieważ bezdech i spłycenie oddechu podczas snu powodują oczywiste i przejściowe podwyższenie ciśnienia krwi, co prowadzi do spadku PTT.Dlatego nasz TATSA może jednocześnie uzyskiwać stabilne i dokładne sygnały tętna i oddechu, dostarczając w ten sposób ważnych informacji fizjologicznych na temat układu sercowo-naczyniowego i SAS do monitorowania i oceny powiązanych chorób.
Podsumowując, opracowaliśmy TATSA wykorzystującą pełny ścieg kardiganu do jednoczesnego wykrywania różnych sygnałów fizjologicznych.Czujnik ten charakteryzował się wysoką czułością 7,84 mV Pa-1, krótkim czasem reakcji 20 ms, wysoką stabilnością ponad 100 000 cykli i szerokim pasmem częstotliwości roboczej.Na bazie TATSA opracowano także system WMHMS umożliwiający transmisję zmierzonych parametrów fizjologicznych do telefonu komórkowego.TATSA można umieścić w różnych miejscach odzieży w celu estetycznego wyglądu i wykorzystać do jednoczesnego monitorowania sygnałów tętna i oddechu w czasie rzeczywistym.System można zastosować do odróżnienia osób zdrowych od osób z CAD lub SAS ze względu na jego zdolność do przechwytywania szczegółowych informacji.Badanie to zapewniło wygodne, wydajne i przyjazne dla użytkownika podejście do pomiaru tętna i oddechu człowieka, co stanowi postęp w rozwoju elektroniki użytkowej do noszenia.
Stal nierdzewną wielokrotnie przepuszczano przez formę i rozciągano, tworząc włókno o średnicy 10 µm.Włókno ze stali nierdzewnej jako elektrodę wprowadzono do kilku kawałków dostępnej w handlu jednowarstwowej przędzy terylenowej.
Do wytworzenia sinusoidalnego sygnału ciśnienia wykorzystano generator funkcyjny (Stanford DS345) i wzmacniacz (LabworkPa-13).Do pomiaru ciśnienia zewnętrznego wywieranego na TATSA zastosowano dwuzakresowy czujnik siły (Vernier Software & Technology LLC).Do monitorowania i rejestrowania napięcia wyjściowego i prądu TATSA zastosowano elektrometr układu Keithley (Keithley 6514).
Zgodnie z metodą testową AATCC 135-2017 użyliśmy TATSA i wystarczającej ilości balastu jako wsadu o masie 1,8 kg, a następnie umieściliśmy je w komercyjnej pralce (Labtex LBT-M6T), aby wykonać delikatne cykle prania w pralce.Następnie napełniliśmy pralkę 18 galonami wody o temperaturze 25°C i ustawiliśmy pralkę na wybrany cykl prania i czas (prędkość mieszania 119 uderzeń na minutę; czas prania 6 min; końcowa prędkość wirowania 430 obr/min; końcowa prędkość wirowania). czas wirowania, 3 min).Na koniec TATSA zawieszono na sucho w nieruchomym powietrzu w temperaturze pokojowej nie wyższej niż 26°C.
Badanym polecono leżeć na łóżku w pozycji leżącej.Na stanowiskach pomiarowych umieszczono TATSA.Gdy badani znajdowali się w standardowej pozycji na plecach, utrzymywali stan całkowitego relaksu przez 5 do 10 minut.Następnie rozpoczął się pomiar sygnału tętna.
Materiały dodatkowe do tego artykułu są dostępne pod adresem https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Rys. S9.Wynik symulacji rozkładu siły TATSA pod przyłożonym ciśnieniem przy 0,2 kPa przy użyciu oprogramowania COMSOL.
Rys. S10.Wyniki symulacji rozkładu sił zespołu stykowego pod przyłożonymi ciśnieniami odpowiednio 0,2 i 2 kPa.
Rys. S11.Kompletne schematyczne ilustracje przenoszenia ładunku jednostki stykowej w warunkach zwarcia.
Rys. S13.Ciągłe napięcie wyjściowe i prąd TATSA w odpowiedzi na stale wywierane ciśnienie zewnętrzne w cyklu pomiarowym.
Rys. S14.Reakcja napięciowa na różną liczbę jednostek pętli w tym samym obszarze tkaniny, przy zachowaniu niezmienionej liczby pętli w kierunku ściany.
Rys. S15.Porównanie wydajności dwóch czujników tekstylnych przy użyciu ściegu pełnego i gładkiego.
Rys. S16.Wykresy przedstawiające odpowiedzi częstotliwościowe przy ciśnieniu dynamicznym 1 kPa i częstotliwości wejściowej ciśnienia 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 i 20 Hz.
Rys. S25.Napięcia wyjściowe czujnika, gdy obiekt znajdował się w warunkach statycznych i ruchu.
Rys. S26.Zdjęcie przedstawiające czujniki TATSA umieszczone jednocześnie na brzuchu i nadgarstku w celu pomiaru odpowiednio oddychania i tętna.
Jest to artykuł o otwartym dostępie, rozpowszechniany na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Użycie niekomercyjne, która pozwala na używanie, dystrybucję i reprodukcję na dowolnym nośniku, o ile wynikające z tego wykorzystanie nie służy korzyściom komercyjnym i pod warunkiem, że oryginalne dzieło jest właściwie cytowane.
UWAGA: Prosimy o podanie adresu e-mail tylko po to, aby osoba, której polecasz stronę, wiedziała, że chcesz, aby ją zobaczyła i że nie jest to spam.Nie przechwytujemy żadnego adresu e-mail.
Autorzy: Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Do monitorowania stanu zdrowia opracowano tryboelektryczny czujnik wykonany w całości z materiału tekstylnego, charakteryzujący się wysoką czułością nacisku i komfortem.
Autorzy: Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Do monitorowania stanu zdrowia opracowano tryboelektryczny czujnik wykonany w całości z materiału tekstylnego, charakteryzujący się wysoką czułością nacisku i komfortem.
© 2020 Amerykańskie Stowarzyszenie na Rzecz Postępu Nauki.Wszelkie prawa zastrzeżone.AAAS jest partnerem HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef i COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Czas publikacji: 27 marca 2020 r