Electronicele textile purtabile sunt foarte de dorit pentru realizarea unui management personalizat al sănătății.Cu toate acestea, majoritatea electronicelor textile raportate pot fie să vizeze periodic un singur semnal fiziologic, fie să rateze detaliile explicite ale semnalelor, ceea ce duce la o evaluare parțială a sănătății.În plus, textilele cu proprietăți și confort excelente rămân încă o provocare.Aici, raportăm o matrice de senzori triboelectrici integrali din material textil, cu sensibilitate și confort ridicat la presiune.Prezintă sensibilitate la presiune (7,84 mV Pa−1), timp de răspuns rapid (20 ms), stabilitate (>100.000 de cicluri), lățime de bandă largă a frecvenței de lucru (până la 20 Hz) și capacitatea de spălare la mașină (>40 de spălări).TATSA-urile fabricate au fost cusute în diferite părți ale hainelor pentru a monitoriza simultan undele de puls arterial și semnalele respiratorii.Am dezvoltat în continuare un sistem de monitorizare a sănătății pentru evaluarea pe termen lung și neinvazivă a bolilor cardiovasculare și a sindromului de apnee în somn, care prezintă o mare progres în analiza cantitativă a unor boli cronice.
Electronicele purtabile reprezintă o oportunitate fascinantă datorită aplicațiilor lor promițătoare în medicina personalizată.Ei pot monitoriza starea de sănătate a unui individ într-un mod continuu, în timp real și neinvaziv (1-11).Pulsul și respirația, ca două componente indispensabile ale semnelor vitale, pot oferi atât o evaluare precisă a stării fiziologice, cât și perspective remarcabile în diagnosticul și prognosticul bolilor asociate (12-21).Până în prezent, cele mai multe dispozitive electronice portabile pentru detectarea semnalelor fiziologice subtile se bazează pe substraturi ultrasubțiri, cum ar fi tereftalatul de polietilenă, polidimetilsiloxanul, poliimida, sticla și siliconul (22-26).Un dezavantaj al acestor substraturi pentru utilizare pe piele constă în formatele lor plane și rigide.Ca rezultat, benzile, dispozitivele de acoperire sau alte dispozitive mecanice sunt necesare pentru a stabili un contact compact între electronicele portabile și pielea umană, ceea ce poate provoca iritații și neplăceri în timpul perioadelor prelungite de utilizare (27, 28).Mai mult, aceste substraturi au o permeabilitate slabă la aer, ceea ce duce la disconfort atunci când sunt utilizate pentru monitorizarea continuă și pe termen lung a sănătății.Pentru a atenua problemele menționate mai sus în îngrijirea sănătății, în special în utilizarea zilnică, textilele inteligente oferă o soluție de încredere.Aceste materiale textile au caracteristicile de moale, greutate redusă și respirabilitate și, astfel, potențialul de a realiza confort în electronicele portabile.În ultimii ani, s-au dedicat eforturi intense pentru a dezvolta sisteme bazate pe textile în senzori sensibili, recoltarea și stocarea energiei (29-39).În special, au fost raportate cercetări de succes privind fibra optică, piezoelectricitatea și textilele inteligente bazate pe rezistivitate aplicate în monitorizarea semnalelor pulsului și respirator (40-43).Cu toate acestea, aceste textile inteligente au de obicei o sensibilitate scăzută și un singur parametru de monitorizare și nu pot fi fabricate la scară largă (tabelul S1).În cazul măsurării pulsului, informațiile detaliate sunt dificil de captat din cauza fluctuației slabe și rapide a pulsului (de exemplu, punctele sale caracteristice) și, astfel, sunt necesare o sensibilitate ridicată și o performanță adecvată a răspunsului în frecvență.
În acest studiu, introducem o matrice de senzori triboelectrici integrali (TATSA) cu sensibilitate ridicată pentru captarea presiunii subtile epidermice, tricotate cu fire conductoare și de nailon într-o cusătură completă de cardigan.TATSA poate oferi sensibilitate la presiune ridicată (7,84 mV Pa−1), timp de răspuns rapid (20 ms), stabilitate (>100.000 de cicluri), lățime de bandă largă a frecvenței de lucru (până la 20 Hz) și capacitate de spălare la mașină (>40 de spălări).Este capabil să se integreze convenabil în haine, cu discreție, confort și atracție estetică.În special, TATSA nostru poate fi încorporat direct în diferite locuri ale țesăturii care corespund undelor de puls la pozițiile gâtului, încheieturii, vârfului degetelor și gleznelor și undelor respiratorii din abdomen și piept.Pentru a evalua performanța excelentă a TATSA în monitorizarea sănătății în timp real și de la distanță, dezvoltăm un sistem inteligent personalizat de monitorizare a sănătății pentru a achiziționa și salva continuu semnale fiziologice pentru analiza bolilor cardiovasculare (CAD) și evaluarea sindromului de apnee în somn (SAS). ).
După cum este ilustrat în Fig. 1A, două TATSA au fost cusute în manșeta și pieptul unei cămăși pentru a permite monitorizarea dinamică și simultană a pulsului și, respectiv, a semnalelor respiratorii.Aceste semnale fiziologice au fost transmise fără fir către aplicația de terminal mobil inteligent (APP) pentru o analiză ulterioară a stării de sănătate.Figura 1B arată TATSA cusut într-o bucată de pânză, iar insertul arată o vedere mărită a TATSA, care a fost tricotat folosind firul conductor caracteristic și firul de nailon comercial împreună într-o cusătură de cardigan complet.În comparație cu cusătura simplă fundamentală, cea mai obișnuită și de bază metodă de tricotat, a fost aleasă cusătura plină de cardigan deoarece contactul dintre capul buclei al firului conductor și capul adiacent al cusăturii tuck al firului de nailon (fig. S1) este o suprafață. mai degrabă decât un contact punctual, ceea ce duce la o zonă de acțiune mai mare pentru un efect triboelectric ridicat.Pentru a pregăti firele conductoare, am ales oțel inoxidabil ca fibră de miez fix și mai multe bucăți de fire de terilenă cu un singur strat au fost răsucite în jurul fibrei de miez într-un fir conductor cu un diametru de 0,2 mm (fig. S2), care a servit ca atât suprafaţa de electrificare cât şi electrodul conductor.Firul de nailon, care avea un diametru de 0,15 mm și a servit ca o altă suprafață de electrificare, avea o forță de întindere puternică deoarece era răsucit de fire incomputable (fig. S3).Figura 1 (C și respectiv D) prezintă fotografii ale firului conductor fabricat și ale firului de nailon.Inserturile arată imaginile respective ale microscopiei electronice cu scanare (SEM), care prezintă o secțiune transversală tipică a firului conductor și a suprafeței firului de nailon.Rezistența ridicată la tracțiune a firelor conductoare și de nailon a asigurat capacitatea lor de țesut pe o mașină industrială pentru a menține o performanță uniformă a tuturor senzorilor.După cum se arată în Fig. 1E, firele conductoare, firele de nailon și firele obișnuite au fost înfășurate pe conurile lor respective, care au fost apoi încărcate pe mașina de tricotat plat computerizată industrială pentru țesut automat (filmul S1).După cum se arată în fig.S4, mai multe TATSA au fost tricotate împreună cu o cârpă obișnuită folosind mașina industrială.Un singur TATSA cu o grosime de 0,85 mm și o greutate de 0,28 g ar putea fi croit din întreaga structură pentru uz individual, manifestând compatibilitatea sa excelentă cu alte cârpe.În plus, TATSA-urile ar putea fi proiectate în diferite culori pentru a satisface cerințele estetice și la modă datorită diversității firelor de nailon comerciale (Fig. 1F și fig. S5).TATSA-urile fabricate au moliciune excelentă și capacitatea de a rezista la îndoire sau deformare dure (fig. S6).Figura 1G arată TATSA cusut direct în abdomen și manșeta unui pulover.Procesul de tricotare a puloverului este prezentat în fig.S7 și filmul S2.Detaliile părții din față și din spate a TATSA întins la poziția abdomenului sunt prezentate în fig.S8 (A și respectiv B), iar poziția firului conductor și a firului de nailon este ilustrată în fig.S8C.Se poate vedea aici că TATSA poate fi încorporat în țesături obișnuite fără sudură pentru un aspect discret și inteligent.
(A) Două TATSA integrate într-o cămașă pentru monitorizarea pulsului și a semnalelor respiratorii în timp real.(B) Ilustrație schematică a combinației dintre TATSA și haine.Insertul arată imaginea mărită a senzorului.(C) Fotografia firului conductor (bară de scară, 4 cm).Insertul este imaginea SEM a secțiunii transversale a firului conductor (bară de scară, 100 μm), care constă din fire de oțel inoxidabil și terilenă.(D) Fotografia firului de nailon (bară de scară, 4 cm).Insertul este imaginea SEM a suprafeței firului de nailon (bară de scară, 100 μm).(E) Imaginea mașinii de tricotat plat computerizată care realizează țeserea automată a TATSA-urilor.(F) Fotografie a TATSA-urilor în diferite culori (bară de scară, 2 cm).Insertul este TATSA răsucit, care demonstrează catifelarea sa excelentă.(G) Fotografia a două TATSA-uri cusute complet și perfect într-un pulover.Credit foto: Wenjing Fan, Universitatea Chongqing.
Pentru a analiza mecanismul de lucru al TATSA, inclusiv proprietățile sale mecanice și electrice, am construit un model geometric de tricotat al TATSA, așa cum se arată în Fig. 2A.Folosind cusătura completă a cardiganului, firele conductoare și de nailon sunt interconectate în forme de bucle în direcția cursului și a valului.O structură cu o singură buclă (fig. S1) constă dintr-un cap de buclă, un braț de buclă, o parte care se încrucișează coaste, un braț de cusătură de tuck și un cap de cusătură de tuck.Pot fi găsite două forme ale suprafeței de contact dintre cele două fire diferite: (i) suprafața de contact dintre capul buclei al firului conductiv și capul cusăturii de plimbare al firului de nailon și (ii) suprafața de contact dintre capul buclei al firului conductor. firul de nailon și capul cusăturii tuck al firului conductor.
(A) TATSA cu părțile din față, din dreapta și de sus ale buclelor tricotate.(B) Rezultatul simularii distribuției forței unui TATSA sub o presiune aplicată de 2 kPa utilizând software-ul COMSOL.(C) Ilustrații schematice ale transferului de sarcină al unei unități de contact în condiții de scurtcircuit.(D) Rezultatele simularii distribuției de încărcare a unei unități de contact în condiții de circuit deschis utilizând software-ul COMSOL.
Principiul de funcționare al TATSA poate fi explicat în două aspecte: stimularea forței externe și încărcarea sa indusă.Pentru a înțelege în mod intuitiv distribuția stresului ca răspuns la stimulul forței externe, am folosit analiza cu elemente finite folosind software-ul COMSOL la diferite forțe externe de 2 și 0,2 kPa, așa cum se arată în Fig. 2B și fig.S9.Tensiunea apare pe suprafețele de contact a două fire.După cum se arată în fig.S10, am luat în considerare două unități de buclă pentru a clarifica distribuția tensiunii.În compararea distribuției tensiunilor sub două forțe externe diferite, efortul de pe suprafețele firelor conductoare și de nailon crește odată cu creșterea forței externe, rezultând contactul și extrudarea dintre cele două fire.Odată ce forța externă este eliberată, cele două fire se separă și se îndepărtează unul de celălalt.
Mișcările de contact-separare dintre firele conductoare și firele de nailon induc transferul de sarcină, care este atribuit conjuncției triboelectrizării și inducției electrostatice.Pentru a clarifica procesul de generare a energiei electrice, analizăm secțiunea transversală a zonei în care cele două fire intră în contact unul cu celălalt (Fig. 2C1).După cum se demonstrează în Fig. 2 (C2 și, respectiv, C3), atunci când TATSA este stimulat de forța externă și cele două fire sunt în contact unul cu celălalt, electrificarea are loc pe suprafața firelor conductoare și de nailon, iar sarcinile echivalente cu opus se generează polarităţi pe suprafaţa celor două fire.Odată ce cele două fire se separă, sarcinile pozitive sunt induse în interiorul oțelului inoxidabil din cauza efectului de inducție electrostatică.Schema completă este prezentată în fig.S11.Pentru a dobândi o înțelegere mai cantitativă a procesului de generare a energiei electrice, am simulat distribuția potențială a TATSA folosind software-ul COMSOL (Fig. 2D).Când cele două materiale sunt în contact, sarcina se adună în principal pe materialul de frecare și doar o cantitate mică de sarcină indusă este prezentă pe electrod, rezultând un potențial mic (Fig. 2D, jos).Când cele două materiale sunt separate (Fig. 2D, sus), sarcina indusă pe electrod crește din cauza diferenței de potențial, iar potențialul corespunzător crește, ceea ce relevă o bună concordanță între rezultatele obținute din experimente și cele din simulări. .În plus, deoarece electrodul conducător al TATSA este învelit în fire de terilenă și pielea este în contact cu ambele materiale de frecare, prin urmare, atunci când TATSA este purtat direct pe piele, sarcina depinde de forța externă și nu va fi slăbit de piele.
Pentru a caracteriza performanța TATSA-ului nostru în diferite aspecte, am furnizat un sistem de măsurare care conține un generator de funcții, un amplificator de putere, un agitator electrodinamic, un indicator de forță, un electrometru și un computer (fig. S12).Acest sistem generează o presiune dinamică externă de până la 7 kPa.În experiment, TATSA a fost plasat pe o folie plată de plastic în stare liberă, iar semnalele electrice de ieșire sunt înregistrate de electrometru.
Specificațiile firelor conductoare și de nailon afectează performanța de ieșire a TATSA deoarece determină suprafața de contact și capacitatea de percepere a presiunii externe.Pentru a investiga acest lucru, am fabricat trei dimensiuni ale celor două fire, respectiv: fire conductoare cu dimensiunea de 150D/3, 210D/3 și 250D/3 și fire de nailon cu dimensiunea de 150D/6, 210D/6 și 250D. /6 (D, denier; o unitate de măsură utilizată pentru a determina grosimea fibrei firelor individuale; țesăturile cu un număr mare de denari tind să fie groase).Apoi, am selectat aceste două fire cu dimensiuni diferite pentru a le tricota într-un senzor, iar dimensiunea TATSA a fost menținută la 3 cm pe 3 cm cu numărul de buclă de 16 în direcția Wale și 10 în direcția cursului.Astfel, s-au obținut senzorii cu nouă modele de tricotat.Senzorul de fir conductiv cu dimensiunea de 150D/3 și fire de nailon cu dimensiunea de 150D/6 a fost cel mai subțire, iar senzorul de fir conductiv cu dimensiunea de 250D/3 și fire de nailon cu dimensiunea de 250D/ 6 a fost cel mai gros.Sub o excitație mecanică de 0,1 până la 7 kPa, ieșirile electrice pentru aceste modele au fost investigate și testate sistematic, așa cum se arată în Fig. 3A.Tensiunile de ieșire ale celor nouă TATSA au crescut odată cu creșterea presiunii aplicate, de la 0,1 la 4 kPa.Mai exact, dintre toate modelele de tricotat, specificația firului conductor 210D/3 și a firului de nailon 210D/6 a furnizat cea mai mare putere electrică și a prezentat cea mai mare sensibilitate.Tensiunea de ieșire a arătat o tendință de creștere odată cu creșterea grosimii TATSA (din cauza suprafeței de contact suficiente) până când TATSA a fost tricotat folosind fire conductoare 210D/3 și fire de nailon 210D/6.Deoarece creșterile suplimentare ale grosimii ar duce la absorbția presiunii externe de către fire, tensiunea de ieșire a scăzut în consecință.Mai mult, se observă că în regiunea de joasă presiune (<4 kPa), o variație liniară bine comportată a tensiunii de ieșire cu presiunea a dat o sensibilitate superioară la presiune de 7,84 mV Pa−1.În regiunea de înaltă presiune (>4 kPa), a fost observată experimental o sensibilitate la presiune mai mică de 0,31 mV Pa−1 din cauza saturației zonei efective de frecare.O sensibilitate similară la presiune a fost demonstrată în timpul procesului opus de aplicare a forței.Profilele de timp concrete ale tensiunii și curentului de ieșire la diferite presiuni sunt prezentate în fig.S13 (A și, respectiv, B).
(A) Tensiune de ieșire sub nouă modele de tricotat ale firului conductor (150D/3, 210D/3 și 250D/3) combinat cu firul de nailon (150D/6, 210D/6 și 250D/6).(B) Răspunsul de tensiune la un număr diferit de unități de buclă din aceeași zonă de țesătură atunci când se păstrează neschimbat numărul buclei în direcția Wale.(C) Grafice care arată răspunsurile în frecvență la o presiune dinamică de 1 kPa și o frecvență de intrare a presiunii de 1 Hz.(D) Tensiuni diferite de ieșire și curent sub frecvențele de 1, 5, 10 și 20 Hz.(E) Testul de durabilitate al unui TATSA la o presiune de 1 kPa.(F) Caracteristicile de ieșire ale TATSA după spălare de 20 și 40 de ori.
Sensibilitatea și tensiunea de ieșire au fost, de asemenea, influențate de densitatea cusăturii TATSA, care a fost determinată de numărul total de bucle dintr-o zonă măsurată de material.O creștere a densității cusăturii ar duce la o mai mare compactitate a structurii țesăturii.Figura 3B prezintă performanțele de ieșire sub diferite numere de buclă în zona textilă de 3 cm pe 3 cm, iar insertul ilustrează structura unei unități de buclă (am păstrat numărul buclei în direcția cursului la 10 și numărul buclei în direcția Wale a fost 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 și 26).Prin creșterea numărului de bucle, tensiunea de ieșire a prezentat mai întâi o tendință de creștere din cauza suprafeței de contact în creștere, până la vârful maxim al tensiunii de ieșire de 7,5 V cu un număr de bucle de 180. După acest punct, tensiunea de ieșire a urmat o tendință de scădere deoarece TATSA a devenit strâns, iar cele două fire aveau un spațiu de separare de contact redus.Pentru a explora în ce direcție densitatea are un impact mare asupra ieșirii, am păstrat numărul buclei TATSA în direcția Wale la 18, iar numărul buclei în direcția cursului a fost setat să fie 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 și 14. Tensiunile de ieșire corespunzătoare sunt prezentate în fig.S14.Prin comparație, putem observa că densitatea în direcția cursului are o influență mai mare asupra tensiunii de ieșire.Ca rezultat, modelul de tricotat al firului conductor 210D/3 și al firului de nailon 210D/6 și 180 de bucle au fost alese pentru a tricota TATSA după evaluări cuprinzătoare ale caracteristicilor de ieșire.În plus, am comparat semnalele de ieșire a doi senzori textile folosind cusătura completă pentru cardigan și cusătura simplă.După cum se arată în fig.S15, puterea electrică și sensibilitatea folosind cusătura completă de cardigan sunt mult mai mari decât cele cu cusătura simplă.
A fost măsurat timpul de răspuns pentru monitorizarea semnalelor în timp real.Pentru a examina timpul de răspuns al senzorului nostru la forțele externe, am comparat semnalele de tensiune de ieșire cu intrările de presiune dinamică la o frecvență de 1 până la 20 Hz (Fig. 3C și, respectiv, fig. S16).Formele de undă ale tensiunii de ieșire au fost aproape identice cu undele de presiune sinusoidale de intrare sub o presiune de 1 kPa, iar formele de undă de ieșire au avut un timp de răspuns rapid (aproximativ 20 ms).Această histerezis poate fi atribuită faptului că structura elastică nu a revenit la starea inițială cât mai curând posibil după primirea forței externe.Cu toate acestea, această mică histerezis este acceptabilă pentru monitorizarea în timp real.Pentru a obține presiunea dinamică cu un anumit interval de frecvență, este de așteptat un răspuns în frecvență adecvat al TATSA.Astfel, a fost testată și caracteristica de frecvență a TATSA.Prin creșterea frecvenței de excitare externă, amplitudinea tensiunii de ieșire a rămas aproape neschimbată, în timp ce amplitudinea curentului a crescut atunci când frecvențele de interceptare variau de la 1 la 20 Hz (Fig. 3D).
Pentru a evalua repetabilitatea, stabilitatea și durabilitatea TATSA, am testat răspunsurile la tensiunea de ieșire și curentul la ciclurile de încărcare-descărcare a presiunii.S-a aplicat senzorului o presiune de 1 kPa cu o frecvență de 5 Hz.Tensiunea și curentul de la vârf la vârf au fost înregistrate după 100.000 de cicluri de încărcare-descărcare (Fig. 3E și respectiv fig. S17).Vederile mărite ale tensiunii și formei de undă ale curentului sunt prezentate în insertul din Fig. 3E și fig.S17, respectiv.Rezultatele dezvăluie repetabilitatea, stabilitatea și durabilitatea remarcabile ale TATSA.Lavabilitatea este, de asemenea, un criteriu de evaluare esențial al TATSA ca dispozitiv integral textil.Pentru a evalua capacitatea de spălare, am testat tensiunea de ieșire a senzorului după ce am spălat TATSA la mașină conform Metodei de testare 135-2017 a Asociației Americane a Chimiștilor și Coloriștilor din Textile (AATCC).Procedura de spălare detaliată este descrisă în Materiale și Metode.După cum se arată în Fig. 3F, ieșirile electrice au fost înregistrate după spălare de 20 și 40 de ori, ceea ce a demonstrat că nu au existat modificări distincte ale tensiunii de ieșire pe parcursul testelor de spălare.Aceste rezultate verifică capacitatea de spălare remarcabilă a TATSA.Ca senzor textil purtabil, am explorat și performanța de ieșire atunci când TATSA a fost în condiții de tracțiune (fig. S18), răsucite (fig. S19) și de umiditate diferită (fig. S20).
Pe baza numeroaselor avantaje ale TATSA demonstrate mai sus, am dezvoltat un sistem mobil de monitorizare a sănătății fără fir (WMHMS), care are capacitatea de a dobândi continuu semnale fiziologice și apoi de a oferi sfaturi profesionale unui pacient.Figura 4A prezintă schema de schemă a WMHMS bazată pe TATSA.Sistemul are patru componente: TATSA pentru a achiziționa semnalele fiziologice analogice, un circuit de condiționare analogic cu un filtru trece-jos (MAX7427) și un amplificator (MAX4465) pentru a asigura suficiente detalii și o sincronism excelentă a semnalelor, un analog-digital. convertor bazat pe o unitate de microcontroler pentru a colecta și a converti semnalele analogice în semnale digitale și un modul Bluetooth (cip Bluetooth CC2640 de putere redusă) pentru a transmite semnalul digital către aplicația terminalului pentru telefonul mobil (APP; Huawei Honor 9).În acest studiu, am cusut TATSA fără sudură într-o dantelă, o brățară, un deget și o șosetă, așa cum se arată în Fig. 4B.
(A) Ilustrație a WMHMS.(B) Fotografii ale TATSA-urilor cusute într-o brățară, un suport pentru degete, un șosetă și, respectiv, o curea de piept.Măsurarea pulsului la gât (C1), încheietura mâinii (D1), vârful degetului (E1) și gleznă (F1).Forma de undă a pulsului la gât (C2), încheietura mâinii (D2), vârful degetului (E2) și gleznă (F2).(G) Forme de undă a pulsului de diferite vârste.(H) Analiza unei singure unde de puls.Indicele de creștere radială (AIx) definit ca AIx (%) = P2/P1.P1 este vârful undei care avansează, iar P2 este vârful undei reflectate.(I) Un ciclu al pulsului brahial și al gleznei.Viteza undei pulsului (PWV) este definită ca PWV = D/∆T.D este distanța dintre gleznă și brahial.∆T este intervalul de timp dintre vârfurile undelor pulsului gleznei și brahial.PTT, timpul de tranzit al pulsului.(J) Comparația AIx și PWV brahial-gleznă (BAPWV) între sănătoși și CAD.*P <0,01, **P <0,001 și ***P <0,05.HTA, hipertensiune arterială;CHD, boală coronariană;DM, diabet zaharat.Credit foto: Jin Yang, Universitatea Chongqing.
Pentru a monitoriza semnalele pulsului diferitelor părți ale corpului uman, am atașat decorațiunile menționate mai sus cu TATSA-uri în pozițiile corespunzătoare: gât (Fig. 4C1), încheietura mâinii (Fig. 4D1), vârful degetelor (Fig. 4E1) și gleznă (Fig. 4F1). ), așa cum este elaborat în filmele de la S3 la S6.În medicină, există trei puncte caracteristice substanțiale ale undei de puls: vârful undei de avansare P1, vârful undei reflectate P2 și vârful undei dicrotice P3.Caracteristicile acestor puncte caracteristice reflectă starea de sănătate a elasticității arteriale, rezistenței periferice și contractilității ventriculare stângi legate de sistemul cardiovascular.Formele de undă ale pulsului unei femei de 25 de ani în cele patru poziții de mai sus au fost obținute și înregistrate în testul nostru.Rețineți că cele trei puncte caracteristice distincte (P1 la P3) au fost observate pe forma de undă a pulsului în pozițiile gâtului, încheieturii mâinii și vârfului degetelor, așa cum se arată în Fig. 4 (C2 până la E2).Prin contrast, doar P1 și P3 au apărut pe forma de undă a pulsului în poziția gleznei, iar P2 nu a fost prezent (Fig. 4F2).Acest rezultat a fost cauzat de suprapunerea undei de sânge de intrare ejectate de ventriculul stâng și a undei reflectate de la membrele inferioare (44).Studiile anterioare au arătat că P2 se prezintă în forme de undă măsurate în extremitățile superioare, dar nu și în gleznă (45, 46).Am observat rezultate similare în formele de undă măsurate cu TATSA, așa cum se arată în fig.S21, care prezintă date tipice din populația de 80 de pacienți studiată aici.Putem vedea că P2 nu a apărut în aceste forme de undă ale pulsului măsurate în gleznă, demonstrând capacitatea TATSA de a detecta caracteristici subtile în forma de undă.Aceste rezultate de măsurare a pulsului indică faptul că WMHMS nostru poate dezvălui cu precizie caracteristicile undei de puls ale corpului superior și inferior și că este superior altor lucrări (41, 47).Pentru a indica în continuare că TATSA poate fi aplicat pe scară largă la diferite vârste, am măsurat formele de undă ale pulsului a 80 de subiecți la vârste diferite și am arătat câteva date tipice, așa cum se arată în fig.S22.După cum se arată în Fig. 4G, am ales trei participanți cu vârsta de 25, 45 și 65 de ani, iar cele trei puncte caracteristice au fost evidente pentru participanții tineri și de vârstă mijlocie.Conform literaturii medicale (48), caracteristicile formelor de undă ale pulsului majorității oamenilor se modifică pe măsură ce îmbătrânesc, cum ar fi dispariția punctului P2, care este cauzată de unda reflectată deplasată înainte pentru a se suprapune undei care avansează prin scăderea elasticitatea vasculară.Acest fenomen se reflectă și în formele de undă pe care le-am colectat, verificând în continuare că TATSA poate fi aplicat la diferite populații.
Forma de undă a pulsului este afectată nu numai de starea fiziologică a individului, ci și de condițiile de testare.Prin urmare, am măsurat semnalele de puls sub diferite etanșeitate de contact între TATSA și piele (fig. S23) și diferite poziții de detectare la locul de măsurare (fig. S24).Se poate constata că TATSA poate obține forme de undă de puls consistente cu informații detaliate în jurul vasului într-o zonă mare de detectare eficientă la locul de măsurare.În plus, există semnale distincte de ieșire sub diferite etanșeitate de contact între TATSA și piele.În plus, mișcarea persoanelor care poartă senzorii ar afecta semnalele pulsului.Când încheietura mâinii subiectului este în stare statică, amplitudinea formei de undă a pulsului obţinută este stabilă (fig. S25A);invers, atunci când încheietura mâinii se mișcă încet la un unghi de la -70° la 70° timp de 30 s, amplitudinea formei de undă a pulsului va fluctua (fig. S25B).Cu toate acestea, conturul fiecărei forme de undă a pulsului este vizibil, iar frecvența pulsului poate fi încă obținută cu precizie.Evident, pentru a obține o achiziție stabilă a undelor de puls în mișcarea umană, este nevoie de cercetări suplimentare, inclusiv proiectarea senzorilor și procesarea semnalului de back-end.
În plus, pentru a analiza și a evalua cantitativ starea sistemului cardiovascular prin formele de undă ale pulsului dobândite folosind TATSA, am introdus doi parametri hemodinamici conform specificațiilor de evaluare a sistemului cardiovascular, și anume indicele de augmentare (AIx) și viteza undei pulsului. (PWV), care reprezintă elasticitatea arterelor.După cum se arată în Fig. 4H, forma de undă a pulsului la poziția încheieturii mâinii a bărbatului sănătos de 25 de ani a fost utilizată pentru analiza AIx.Conform formulei (secțiunea S1), s-a obținut AIx = 60%, care este o valoare normală.Apoi, am colectat simultan două forme de undă de puls la pozițiile brațului și gleznei acestui participant (metoda detaliată de măsurare a formei de undă a pulsului este descrisă în Materiale și metode).După cum se arată în Fig. 4I, punctele caracteristice ale celor două forme de undă de impuls au fost distincte.Apoi am calculat PWV conform formulei (secțiunea S1).S-a obținut PWV = 1363 cm/s, care este o valoare caracteristică așteptată de la un bărbat adult sănătos.Pe de altă parte, putem vedea că metrica AIx sau PWV nu este afectată de diferența de amplitudine a formei de undă a pulsului, iar valorile AIx în diferite părți ale corpului sunt diverse.În studiul nostru, a fost utilizat AIx radial.Pentru a verifica aplicabilitatea WMHMS la diferite persoane, am selectat 20 de participanți din grupul sănătos, 20 din grupul cu hipertensiune arterială (HTN), 20 din grupul cu boală coronariană (CHD) cu vârsta cuprinsă între 50 și 59 de ani și 20 din grupul grupa diabetului zaharat (DZ).Le-am măsurat undele de puls și am comparat cei doi parametri ai acestora, AIx și PWV, așa cum este prezentat în Fig. 4J.Se poate constata că valorile PWV ale grupurilor HTN, CHD și DM au fost mai mici în comparație cu cele ale grupului sănătos și au diferențe statistice (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 și PDM ≪ 0,001; valorile P au fost calculate prin t Test).Între timp, valorile AIx ale grupurilor HTN și CHD au fost mai mici în comparație cu grupul sănătos și au diferențe statistice (PHTN < 0,01, PCHD < 0,001 și PDM < 0,05).PWV și AIx ale participanților cu CHD, HTA sau DM au fost mai mari decât cei din grupul sănătos.Rezultatele arată că TATSA este capabil să obțină cu precizie forma de undă a pulsului pentru a calcula parametrul cardiovascular pentru a evalua starea de sănătate cardiovasculară.În concluzie, datorită caracteristicilor sale wireless, de înaltă rezoluție, de înaltă sensibilitate și confort, WMHMS bazat pe TATSA oferă o alternativă mai eficientă pentru monitorizarea în timp real decât echipamentele medicale costisitoare curente utilizate în spitale.
Pe lângă unda pulsului, informațiile respiratorii sunt, de asemenea, un semn vital principal pentru a ajuta la evaluarea stării fizice a unui individ.Monitorizarea respirației bazată pe TATSA este mai atractivă decât polisomnografia convențională, deoarece poate fi integrată perfect în haine pentru un confort mai bun.Cusut într-o curea elastică toracică albă, TATSA a fost legat direct de corpul uman și fixat în jurul pieptului pentru monitorizarea respirației (Fig. 5A și filmul S7).TATSA s-a deformat odată cu extinderea și contracția cutiei toracice, rezultând o ieșire electrică.Forma de undă dobândită este verificată în Fig. 5B.Semnalul cu fluctuații mari (o amplitudine de 1,8 V) și modificări periodice (o frecvență de 0,5 Hz) corespunde mișcării respiratorii.Semnalul de fluctuație relativ mic a fost suprapus peste acest semnal de fluctuație mare, care era semnalul bătăilor inimii.În conformitate cu caracteristicile de frecvență ale semnalelor de respirație și de bătăi ale inimii, am folosit un filtru trece-jos de 0,8 Hz și un filtru trece-bandă de 0,8 până la 20 Hz pentru a separa semnalele respiratorii și, respectiv, ale bătăilor inimii, așa cum se arată în Fig. 5C. .În acest caz, semnale respiratorii și puls stabile cu informații fiziologice abundente (cum ar fi frecvența respiratorie, frecvența bătăilor inimii și punctele caracteristice ale undei pulsului) au fost obținute simultan și cu precizie prin simpla plasare a unui singur TATSA pe piept.
(A) Fotografie care arată afișajul TATSA plasat pe piept pentru măsurarea semnalului în presiunea asociată cu respirația.(B) Graficul voltaj-timp pentru TATSA montat pe piept.(C) Descompunerea semnalului (B) în bătăile inimii și forma de undă respiratorie.(D) Fotografie care arată două TATSA plasate pe abdomen și încheietura mâinii pentru măsurarea respirației și, respectiv, a pulsului în timpul somnului.(E) Semnale respiratorii și puls ale unui participant sănătos.HR, ritm cardiac;BPM, bătăi pe minut.(F) Semnale respiratorii și puls ale unui participant SAS.(G) Semnal respirator și PTT al unui participant sănătos.(H) Semnal respirator și PTT al unui participant SAS.(I) Relația dintre indicele de excitare PTT și indicele de apnee-hipopnee (AHI).Credit foto: Wenjing Fan, Universitatea Chongqing.
Pentru a demonstra că senzorul nostru poate monitoriza cu acuratețe și fiabil semnalele pulsului și respirator, am efectuat un experiment pentru a compara rezultatele măsurării semnalelor de puls și respirație între TATSA-urile noastre și un instrument medical standard (MHM-6000B), așa cum este elaborat în filmele S8. și S9.La măsurarea undelor de puls, senzorul fotoelectric al instrumentului medical a fost purtat pe degetul arătător stâng al unei fete tinere, iar între timp, TATSA-ul nostru a fost purtat pe degetul arătător drept.Din cele două forme de undă ale pulsului dobândite, putem vedea că contururile și detaliile lor erau identice, ceea ce indică faptul că pulsul măsurat de TATSA este la fel de precis ca și cel de instrumentul medical.La măsurarea undelor de respirație, cinci electrozi electrocardiografici au fost atașați în cinci zone de pe corpul unui tânăr conform instrucțiunilor medicale.În schimb, doar un TATSA a fost legat direct de corp și fixat în jurul pieptului.Din semnalele respiratorii colectate, se poate observa că tendința de variație și rata semnalului de respirație detectat de către TATSA nostru au fost în concordanță cu cele ale instrumentului medical.Aceste două experimente de comparație au validat acuratețea, fiabilitatea și simplitatea sistemului nostru de senzori pentru monitorizarea pulsului și a semnalelor respiratorii.
În plus, am fabricat o piesă de îmbrăcăminte inteligentă și am cusut două TATSA-uri la pozițiile abdomenului și încheieturii mâinii pentru a monitoriza semnalele respiratorii și, respectiv, puls.Mai exact, a fost folosit un WMHMS dezvoltat cu două canale pentru a capta pulsul și semnalele respiratorii simultan.Prin acest sistem, am obținut semnalele respiratorii și ale pulsului unui tânăr de 25 de ani îmbrăcat în hainele noastre inteligente în timp ce dormea (Fig. 5D și filmul S10) și stătea (fig. S26 și filmul S11).Semnalele respiratorii și pulsul dobândite ar putea fi transmise fără fir către APP-ul telefonului mobil.După cum sa menționat mai sus, TATSA are capacitatea de a capta semnale respiratorii și puls.Aceste două semnale fiziologice sunt, de asemenea, criteriile de estimare medicală a SAS.Prin urmare, TATSA poate fi folosit și pentru a monitoriza și evalua calitatea somnului și tulburările de somn asociate.Așa cum se arată în Fig. 5 (E și respectiv F), am măsurat continuu formele de undă ale pulsului și respirator a doi participanți, unul sănătos și un pacient cu SAS.Pentru persoana fără apnee, frecvența respiratorie și pulsul măsurate au rămas stabile la 15, respectiv 70.La pacientul cu SAS s-a observat o apnee distinctă timp de 24 de secunde, care este un indiciu al unui eveniment respirator obstructiv, iar ritmul cardiac a crescut ușor după o perioadă de apnee din cauza reglării sistemului nervos (49).Pe scurt, starea respiratorie poate fi evaluată de către TATSA.
Pentru a evalua în continuare tipul de SAS prin puls și semnale respiratorii, am analizat timpul de tranzit al pulsului (PTT), un indicator neinvaziv care reflectă modificările rezistenței vasculare periferice și ale presiunii intratoracice (definite în secțiunea S1) la un bărbat sănătos și un pacient cu SAS.Pentru participantul sănătos, ritmul respirator a rămas neschimbat, iar PTT a fost relativ stabil de la 180 la 310 ms (Fig. 5G).Cu toate acestea, pentru participantul SAS, PTT a crescut continuu de la 120 la 310 ms în timpul apneei (Fig. 5H).Astfel, participantul a fost diagnosticat cu SAS obstructiv (SAOS).Dacă modificarea PTT a scăzut în timpul apneei, atunci condiția ar fi determinată ca un sindrom de apnee în somn centrală (CSAS), iar dacă ambele aceste două simptome ar exista simultan, atunci ar fi diagnosticată ca un SAS mixt (MSAS).Pentru a evalua severitatea SAS, am analizat în continuare semnalele colectate.Indicele de excitare PTT, care este numărul de excitări PTT pe oră (excitarea PTT este definită ca o scădere a PTT de ≥15 ms care durează ≥3 s), joacă un rol vital în evaluarea gradului de SAS.Indicele de apnee-hipopnee (AHI) este un standard pentru determinarea gradului de SAS (apneea este oprirea respirației, iar hipopneea este o respirație prea superficială sau o frecvență respiratorie anormal de scăzută), care este definită ca numărul de apnee și hipopnee pe fiecare. oră în timpul somnului (relația dintre AHI și criteriile de evaluare pentru OSAS este prezentată în tabelul S2).Pentru a investiga relația dintre AHI și indicele de excitare PTT, semnalele respiratorii a 20 de pacienți cu SAS au fost selectate și analizate cu TATSA.După cum se arată în Fig. 5I, indicele de excitare PTT a corelat pozitiv cu AHI, deoarece apneea și hipopneea în timpul somnului determină creșterea evidentă și tranzitorie a tensiunii arteriale, ducând la scăderea PTT.Prin urmare, TATSA nostru poate obține puls și semnale respiratorii stabile și precise simultan, oferind astfel informații fiziologice importante despre sistemul cardiovascular și SAS pentru monitorizarea și evaluarea bolilor asociate.
În rezumat, am dezvoltat un TATSA folosind cusătura completă de cardigan pentru a detecta diferite semnale fiziologice simultan.Acest senzor a prezentat o sensibilitate ridicată de 7,84 mV Pa−1, timp de răspuns rapid de 20 ms, stabilitate ridicată de peste 100.000 de cicluri și lățime de bandă largă a frecvenței de lucru.Pe baza TATSA, a fost dezvoltat și un WMHMS pentru a transmite parametrii fiziologici măsurați către un telefon mobil.TATSA poate fi încorporat în diferite locuri de îmbrăcăminte pentru design estetic și utilizat pentru a monitoriza simultan pulsul și semnalele respiratorii în timp real.Sistemul poate fi aplicat pentru a face distincția între indivizii sănătoși și cei cu CAD sau SAS datorită capacității sale de a capta informații detaliate.Acest studiu a oferit o abordare confortabilă, eficientă și ușor de utilizat pentru măsurarea pulsului și respirației umane, reprezentând un progres în dezvoltarea electronicelor textile portabile.
Oțelul inoxidabil a fost trecut în mod repetat prin matriță și întins pentru a forma o fibră cu un diametru de 10 μm.O fibră de oțel inoxidabil ca electrod a fost introdusă în mai multe bucăți de fire comerciale de terilenă cu un singur strat.
Un generator de funcții (Stanford DS345) și un amplificator (LabworkPa-13) au fost utilizate pentru a furniza un semnal de presiune sinusoidal.Un senzor de forță cu gamă duală (Vernier Software & Technology LLC) a fost utilizat pentru a măsura presiunea externă aplicată la TATSA.Un electrometru de sistem Keithley (Keithley 6514) a fost folosit pentru a monitoriza și înregistra tensiunea și curentul de ieșire ale TATSA.
Conform metodei de testare AATCC 135-2017, am folosit TATSA și suficient balast ca o încărcătură de 1,8 kg și apoi le-am pus într-o mașină de spălat comercială (Labtex LBT-M6T) pentru a efectua cicluri delicate de spălare a mașinii.Apoi, am umplut mașina de spălat cu 18 galoane de apă la 25°C și am setat mașina de spălat pentru ciclul și timpul de spălare selectat (viteza de agitare, 119 curse pe minut; timp de spălare, 6 min; viteza finală de centrifugare, 430 rpm; finală). timp de centrifugare, 3 min).În sfârșit, TATSA a fost agățat uscat în aer nemișcat la temperatura camerei nu mai mare de 26°C.
Subiecții au fost instruiți să se întindă în decubit dorsal pe pat.TATSA a fost amplasat pe locurile de măsurare.Odată ce subiecții au fost în poziție standard în decubit dorsal, ei au menținut o stare complet relaxată timp de 5 până la 10 minute.Semnalul pulsului a început apoi să măsoare.
Materialul suplimentar pentru acest articol este disponibil la https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Fig. S9.Rezultatul simularii distribuției forței unui TATSA la presiuni aplicate la 0,2 kPa folosind software-ul COMSOL.
Fig. S10.Rezultatele simulării distribuției forței unei unități de contact sub presiunile aplicate la 0,2 și, respectiv, 2 kPa.
Fig. S11.Ilustrații schematice complete ale transferului de sarcină al unei unități de contact în condiții de scurtcircuit.
Fig. S13.Tensiunea și curentul continuu de ieșire ale TATSA ca răspuns la presiunea externă aplicată continuu într-un ciclu de măsurare.
Fig. S14.Răspunsul de tensiune la un număr diferit de unități de buclă din aceeași zonă de țesătură atunci când se menține neschimbat numărul buclei în direcția Wale.
Fig. S15.O comparație între performanțele celor doi senzori textile folosind cusătura completă de cardigan și cusătura simplă.
Fig. S16.Grafice care arată răspunsurile în frecvență la presiunea dinamică de 1 kPa și frecvența de intrare a presiunii de 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 și 20 Hz.
Fig. S25.Tensiunile de ieșire ale senzorului atunci când subiectul se afla în condiții statice și de mișcare.
Fig. S26.Fotografie care arată TATSA-urile plasate pe abdomen și încheietura mâinii simultan pentru măsurarea respirației și respectiv a pulsului.
Acesta este un articol cu acces deschis distribuit în conformitate cu termenii licenței Creative Commons Atribuire-NonComercial, care permite utilizarea, distribuirea și reproducerea pe orice mediu, atâta timp cât utilizarea rezultată nu este în scop comercial și cu condiția ca lucrarea originală să fie corectă. citat.
NOTĂ: Solicităm adresa dvs. de e-mail doar pentru ca persoana căreia îi recomandați pagina să știe că ați vrut să o vadă și că nu este mail nedorită.Nu captăm nicio adresă de e-mail.
De Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Pentru monitorizarea sănătății a fost dezvoltat un senzor triboelectric din material textil, cu sensibilitate la presiune ridicată și confort.
De Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Pentru monitorizarea sănătății a fost dezvoltat un senzor triboelectric din material textil, cu sensibilitate la presiune ridicată și confort.
© 2020 Asociația Americană pentru Progresul Științei.Toate drepturile rezervate.AAAS este partener al HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef și COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Ora postării: 27-mar-2020