Nositeľná textilná elektronika je veľmi žiaduca na realizáciu personalizovaného manažmentu zdravia.Väčšina uvádzanej textilnej elektroniky však môže buď pravidelne zacieliť na jeden fyziologický signál, alebo vynechať explicitné podrobnosti signálov, čo vedie k čiastočnému hodnoteniu zdravotného stavu.Okrem toho textílie s vynikajúcimi vlastnosťami a pohodlím stále zostávajú výzvou.Tu uvádzame triboelektrické celotextilné senzorové pole s vysokou citlivosťou na tlak a komfortom.Vyznačuje sa citlivosťou na tlak (7,84 mV Pa−1), rýchlou dobou odozvy (20 ms), stabilitou (> 100 000 cyklov), širokým pracovným frekvenčným pásmom (až 20 Hz) a možnosťou prania v práčke (> 40 praní).Vyrobené TATSA boli všité do rôznych častí oblečenia, aby sa súčasne monitorovali arteriálne pulzné vlny a respiračné signály.Ďalej sme vyvinuli systém monitorovania zdravia na dlhodobé a neinvazívne hodnotenie kardiovaskulárnych ochorení a syndrómu spánkového apnoe, ktorý predstavuje veľký pokrok v kvantitatívnej analýze niektorých chronických ochorení.
Nositeľná elektronika predstavuje fascinujúcu príležitosť vďaka jej sľubným aplikáciám v personalizovanej medicíne.Môžu monitorovať zdravotný stav jednotlivca nepretržite, v reálnom čase a neinvazívnym spôsobom (1–11).Pulz a dýchanie, ako dve nevyhnutné zložky vitálnych funkcií, môžu poskytnúť presné posúdenie fyziologického stavu a pozoruhodný pohľad na diagnostiku a prognózu súvisiacich ochorení (12–21).K dnešnému dňu je väčšina nositeľnej elektroniky na detekciu jemných fyziologických signálov založená na ultratenkých substrátoch, ako je polyetyléntereftalát, polydimetylsiloxán, polyimid, sklo a silikón (22–26).Nevýhoda týchto substrátov na použitie na koži spočíva v ich plošnom a tuhom formáte.V dôsledku toho sú na vytvorenie kompaktného kontaktu medzi nositeľnou elektronikou a ľudskou pokožkou potrebné pásky, leukoplasty alebo iné mechanické prípravky, čo môže spôsobiť podráždenie a nepríjemnosti počas dlhšieho používania (27, 28).Okrem toho majú tieto substráty zlú priepustnosť vzduchu, čo má za následok nepohodlie pri dlhodobom a nepretržitom monitorovaní zdravotného stavu.Na zmiernenie vyššie uvedených problémov v zdravotníctve, najmä pri každodennom používaní, ponúkajú inteligentné textílie spoľahlivé riešenie.Tieto textílie sa vyznačujú mäkkosťou, nízkou hmotnosťou a priedušnosťou, a teda potenciálom na realizáciu pohodlia v nositeľnej elektronike.V posledných rokoch sa intenzívne úsilie venovalo vývoju textilných systémov v citlivých senzoroch, zbere energie a skladovaní (29–39).Úspešný výskum bol zaznamenaný najmä v oblasti optických vlákien, piezoelektriky a inteligentných textílií založených na odpore aplikovaných pri monitorovaní pulzných a respiračných signálov (40–43).Tieto inteligentné textílie však majú zvyčajne nízku citlivosť a jeden monitorovací parameter a nemožno ich vyrábať vo veľkom meradle (tabuľka S1).V prípade merania pulzu je ťažké zachytiť podrobné informácie z dôvodu slabého a rýchleho kolísania pulzu (napr. jeho charakteristických bodov), a preto je potrebná vysoká citlivosť a vhodná frekvenčná odozva.
V tejto štúdii predstavujeme triboelektrické celotextilné senzorové pole (TATSA) s vysokou citlivosťou na zachytávanie jemného epidermálneho tlaku, pletené vodivými a nylonovými priadzami v plnom kardigánovom stehu.TATSA môže poskytnúť vysokú citlivosť na tlak (7,84 mV Pa-1), rýchlu odozvu (20 ms), stabilitu (> 100 000 cyklov), široké pracovné frekvenčné pásmo (až 20 Hz) a možnosť prania v práčke (> 40 praní).Dokáže sa pohodlne integrovať do oblečenia s diskrétnosťou, pohodlím a estetickým vzhľadom.Naše TATSA možno priamo začleniť do rôznych miest látky, ktoré zodpovedajú pulzovým vlnám na krku, zápästí, končekoch prstov a členkov a dýchacím vlnám v bruchu a hrudníku.Na vyhodnotenie vynikajúceho výkonu TATSA pri monitorovaní zdravia v reálnom čase a na diaľku vyvíjame personalizovaný inteligentný systém monitorovania zdravia na nepretržité získavanie a ukladanie fyziologických signálov na analýzu kardiovaskulárnych ochorení (CAD) a hodnotenie syndrómu spánkového apnoe (SAS). ).
Ako je znázornené na obr. 1A, dva TATSA boli všité do manžety a hrudníka košele, aby sa umožnilo dynamické a súčasné monitorovanie pulzu a respiračných signálov.Tieto fyziologické signály boli bezdrôtovo prenášané do aplikácie inteligentného mobilného terminálu (APP) na ďalšiu analýzu zdravotného stavu.Obrázok 1B znázorňuje TATSA zošitú do kusu látky a vložka ukazuje zväčšený pohľad na TATSA, ktorá bola pletená s použitím charakteristickej vodivej priadze a komerčnej nylonovej priadze spolu v celokardigánovom stehu.V porovnaní so základným hladkým stehom, najbežnejším a najzákladnejším spôsobom pletenia, bol zvolený plný pletený steh, pretože kontakt medzi hlavičkou slučky vodivej priadze a susednou hlavičkou tuhovaného stehu nylonovej priadze (obr. S1) je povrch skôr než bodový kontakt, čo vedie k väčšej akčnej ploche pre vysoký triboelektrický efekt.Na prípravu vodivej priadze sme ako pevné jadrové vlákno zvolili nehrdzavejúcu oceľ a niekoľko kusov jednovrstvových terylénových priadzí sme okolo jadrového vlákna obkrútili do jednej vodivej priadze s priemerom 0,2 mm (obr. S2), ktorá slúžila ako ako elektrifikačný povrch, tak aj vodivú elektródu.Nylonová priadza, ktorá mala priemer 0,15 mm a slúžila ako ďalšia elektrifikačná plocha, mala veľkú ťažnú silu, pretože bola zakrútená nevyčísliteľnými priadzami (obr. S3).Obrázok 1 (C a D, v tomto poradí) ukazuje fotografie vyrobenej vodivej priadze a nylonovej priadze.Vložky zobrazujú ich príslušné snímky zo skenovacej elektrónovej mikroskopie (SEM), ktoré predstavujú typický prierez vodivej priadze a povrchu nylonovej priadze.Vysoká pevnosť v ťahu vodivých a nylonových priadzí zabezpečila ich schopnosť tkania na priemyselnom stroji, aby sa zachoval rovnomerný výkon všetkých snímačov.Ako je znázornené na obr. 1E, vodivé priadze, nylonové priadze a obyčajné nite boli navinuté na ich príslušné kužele, ktoré sa potom vložili do priemyselného počítačom riadeného plochého pletacieho stroja na automatické tkanie (film S1).Ako je znázornené na obr.S4, niekoľko TATSA bolo pletených spolu s obyčajným plátnom pomocou priemyselného stroja.Jedna TATSA s hrúbkou 0,85 mm a hmotnosťou 0,28 g by sa dala z celej konštrukcie vyrobiť na mieru pre individuálne použitie, pričom vykazovala vynikajúcu kompatibilitu s inými látkami.Okrem toho môžu byť TATSA navrhnuté v rôznych farbách, aby vyhovovali estetickým a módnym požiadavkám, kvôli rôznorodosti komerčných nylonových priadzí (obr. 1F a obr. S5).Vyrobené TATSA majú vynikajúcu mäkkosť a schopnosť odolávať silnému ohybu alebo deformácii (obr. S6).Obrázok 1G znázorňuje TATSA prišitú priamo do brucha a manžety svetra.Proces pletenia svetra je znázornený na obr.S7 a film S2.Detaily prednej a zadnej strany natiahnutej TATSA v polohe na bruchu sú znázornené na obr.S8 (A a B, v tomto poradí) a poloha vodivej priadze a nylonovej priadze je znázornená na obr.S8C.Tu je vidieť, že TATSA sa dá bez problémov vložiť do bežných látok pre diskrétny a elegantný vzhľad.
(A) Dva TATSA integrované do košele na monitorovanie pulzových a respiračných signálov v reálnom čase.(B) Schematické znázornenie kombinácie TATSA a oblečenia.Vložka zobrazuje zväčšený pohľad na snímač.(C) Fotografia vodivej priadze (mierka, 4 cm).Vložka je SEM obrazom prierezu vodivej priadze (mierka, 100 μm), ktorá pozostáva z nehrdzavejúcej ocele a terylénu.(D) Fotografia nylonovej priadze (mierka, 4 cm).Vložka je SEM obraz povrchu nylonovej priadze (mierka, 100 μm).(E) Obrázok počítačom riadeného plochého pletacieho stroja, ktorý vykonáva automatické tkanie TATSA.(F) Fotografia TATSA v rôznych farbách (mierka, 2 cm).Vložkou je točená TATSA, ktorá demonštruje svoju vynikajúcu mäkkosť.(G) Fotografia dvoch TATSA úplne a hladko zošitých do svetra.Fotografický kredit: Wenjing Fan, Univerzita Chongqing.
Na analýzu pracovného mechanizmu TATSA, vrátane jeho mechanických a elektrických vlastností, sme skonštruovali geometrický pletací model TATSA, ako je znázornené na obr. 2A.Použitím plného kardiganového stehu sú vodivé a nylonové priadze prepletené vo forme slučkových jednotiek v smere chodu a stĺpika.Štruktúra s jednou slučkou (obr. S1) sa skladá z hlavy slučky, ramena slučky, časti pretínajúcej rebrá, ramena s prešívaným stehom a hlavy so zastrčeným stehom.Možno nájsť dve formy kontaktného povrchu medzi dvoma rôznymi priadzami: (i) kontaktný povrch medzi hlavou slučky vodivej priadze a hlavou prešívacieho stehu nylonovej priadze a (ii) kontaktný povrch medzi hlavou slučky vodivej priadze. nylonová priadza a hlavička zasúvacieho stehu vodivej priadze.
(A) TATSA s prednou, pravou a hornou stranou pletených slučiek.(B) Výsledok simulácie rozloženia sily TATSA pod aplikovaným tlakom 2 kPa pomocou softvéru COMSOL.(C) Schematické znázornenia prenosu náboja kontaktnej jednotky v podmienkach skratu.(D) Výsledky simulácie rozloženia náboja kontaktnej jednotky v stave otvoreného obvodu pomocou softvéru COMSOL.
Princíp činnosti TATSA možno vysvetliť v dvoch aspektoch: stimulácia vonkajšou silou a jej indukovaný náboj.Na intuitívne pochopenie distribúcie stresu v reakcii na vonkajší silový stimul sme použili analýzu konečných prvkov pomocou softvéru COMSOL pri rôznych vonkajších silách 2 a 0,2 kPa, ako je znázornené na obr. 2B a obr.S9.Napätie sa objavuje na kontaktných plochách dvoch priadzí.Ako je znázornené na obr.S10, zvážili sme dve slučkové jednotky na objasnenie rozloženia napätia.Pri porovnaní rozloženia napätia pri dvoch rôznych vonkajších silách sa napätie na povrchoch vodivých a nylonových priadzí zvyšuje so zvýšenou vonkajšou silou, čo vedie ku kontaktu a vytláčaniu medzi dvoma priadzami.Akonáhle sa vonkajšia sila uvoľní, dve priadze sa oddelia a vzdialia sa od seba.
Kontaktno-separačné pohyby medzi vodivou priadzou a nylonovou priadzou vyvolávajú prenos náboja, ktorý sa pripisuje súhre triboelektrifikácie a elektrostatickej indukcie.Na objasnenie procesu výroby elektriny analyzujeme prierez oblasti, kde sa dve priadze navzájom dotýkajú (obr. 2C1).Ako je znázornené na obr. 2 (C2 a C3, v tomto poradí), keď je TATSA stimulovaná vonkajšou silou a dve priadze sa navzájom dotýkajú, na povrchu vodivých a nylonových priadzí dochádza k elektrifikácii a ekvivalentné náboje s opačným polarity sú vytvorené na povrchu dvoch priadzí.Akonáhle sa dve priadze oddelia, vo vnútornej nehrdzavejúcej oceli sa indukujú kladné náboje v dôsledku elektrostatického indukčného efektu.Kompletná schéma je znázornená na obr.S11.Aby sme získali kvantitatívnejšie pochopenie procesu výroby elektriny, simulovali sme potenciálnu distribúciu TATSA pomocou softvéru COMSOL (obr. 2D).Keď sú tieto dva materiály v kontakte, náboj sa zhromažďuje hlavne na trecom materiáli a na elektróde je prítomné len malé množstvo indukovaného náboja, čo vedie k malému potenciálu (obr. 2D, dole).Keď sú dva materiály oddelené (obr. 2D, hore), indukovaný náboj na elektróde sa zvyšuje v dôsledku rozdielu potenciálov a zodpovedajúci potenciál sa zvyšuje, čo odhaľuje dobrý súlad medzi výsledkami získanými z experimentov a výsledkami zo simulácií. .Okrem toho, keďže vodivá elektróda TATSA je obalená terylénovými vláknami a pokožka je v kontakte s oboma trecími materiálmi, takže keď sa TATSA nosí priamo na koži, náboj závisí od vonkajšej sily a nebude byť oslabený kožou.
Aby sme charakterizovali výkon nášho TATSA v rôznych aspektoch, poskytli sme merací systém obsahujúci funkčný generátor, výkonový zosilňovač, elektrodynamickú trepačku, silomer, elektrometer a počítač (obr. S12).Tento systém vytvára vonkajší dynamický tlak až 7 kPa.V experimente bol TATSA umiestnený na plochú plastovú fóliu vo voľnom stave a výstupné elektrické signály sú zaznamenávané elektrometrom.
Špecifikácie vodivých a nylonových priadzí ovplyvňujú výstupný výkon TATSA, pretože určujú kontaktnú plochu a kapacitu na vnímanie vonkajšieho tlaku.Aby sme to zistili, vyrobili sme tri veľkosti týchto dvoch priadzí: vodivú priadzu s veľkosťou 150D/3, 210D/3 a 250D/3 a nylonovú priadzu s veľkosťou 150D/6, 210D/6 a 250D. /6 (D, denier; merná jednotka používaná na určenie hrúbky vlákna jednotlivých nití; tkaniny s vysokým počtom denierov bývajú hrubé).Potom sme vybrali tieto dve priadze s rôznymi veľkosťami, aby sme ich uplietli do senzora, a rozmer TATSA bol dodržaný na 3 cm x 3 cm s číslom slučky 16 v smere stĺpika a 10 v smere kurzu.Takto boli získané senzory s deviatimi pletacími vzormi.Najtenší bol snímač pri vodivej priadzi veľkosti 150D/3 a nylonovej priadzi s veľkosťou 150D/6 a snímač pri vodivej priadzi veľkosti 250D/3 a nylonovej priadzi veľkosti 250D/. 6 bola najhrubšia.Pri mechanickom budení 0,1 až 7 kPa sa systematicky skúmali a testovali elektrické výstupy pre tieto vzory, ako je znázornené na obr. 3A.Výstupné napätie deviatich TATSA sa zvýšilo so zvýšeným aplikovaným tlakom z 0,1 na 4 kPa.Konkrétne, zo všetkých pletacích vzorov, špecifikácia vodivej priadze 210D/3 a nylonovej priadze 210D/6 poskytla najvyšší elektrický výkon a vykazovala najvyššiu citlivosť.Výstupné napätie malo stúpajúcu tendenciu s narastajúcou hrúbkou TATSA (kvôli dostatočnej kontaktnej ploche), až kým TATSA nebola upletená z vodivej priadze 210D/3 a nylonovej priadze 210D/6.Pretože ďalšie zväčšovanie hrúbky by viedlo k absorpcii vonkajšieho tlaku priadzami, výstupné napätie sa zodpovedajúcim spôsobom znížilo.Ďalej je potrebné poznamenať, že v oblasti nízkeho tlaku (<4 kPa) poskytla dobre riadená lineárna zmena výstupného napätia s tlakom vynikajúcu citlivosť na tlak 7,84 mV Pa-1.V oblasti vysokého tlaku (>4 kPa) bola experimentálne pozorovaná nižšia tlaková citlivosť 0,31 mV Pa-1 z dôvodu nasýtenia efektívnej trecej plochy.Podobná tlaková citlivosť bola preukázaná pri opačnom procese aplikácie sily.Konkrétne časové profily výstupného napätia a prúdu pri rôznych tlakoch sú uvedené na obr.S13 (A a B).
(A) Výstupné napätie pod deviatimi pletacími vzormi vodivej priadze (150D/3, 210D/3 a 250D/3) v kombinácii s nylonovou priadzou (150D/6, 210D/6 a 250D/6).(B) Napäťová odozva na rôzne počty jednotiek slučky v rovnakej oblasti tkaniny pri zachovaní čísla slučky v smere steny nezmenené.(C) Grafy zobrazujúce frekvenčné odozvy pri dynamickom tlaku 1 kPa a vstupnej frekvencii tlaku 1 Hz.(D) Rôzne výstupné a prúdové napätia pri frekvenciách 1, 5, 10 a 20 Hz.(E) Skúška trvanlivosti TATSA pod tlakom 1 kPa.(F) Výstupné charakteristiky TATSA po 20 a 40 premytí.
Citlivosť a výstupné napätie boli tiež ovplyvnené hustotou stehu TATSA, ktorá bola určená celkovým počtom slučiek v meranej oblasti tkaniny.Zvýšenie hustoty stehu by viedlo k väčšej kompaktnosti štruktúry tkaniny.Obrázok 3B ukazuje výstupné výkony pod rôznymi číslami slučiek v textilnej ploche 3 cm x 3 cm a vložka znázorňuje štruktúru jednotky slučky (číslo slučky v smere kurzu sme ponechali na 10 a číslo slučky v smer steny bol 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 a 26).Zvyšovaním čísla slučky výstupné napätie najprv vykazovalo rastúci trend z dôvodu zväčšujúcej sa kontaktnej plochy, až kým vrchol maximálneho výstupného napätia 7,5 V s číslom slučky 180. Po tomto bode malo výstupné napätie klesajúci trend, pretože TATSA sa stala tesnou a dve priadze mali zmenšený kontaktný oddeľovací priestor.Aby sme zistili, v akom smere má hustota veľký vplyv na výstup, ponechali sme číslo slučky TATSA v smere steny na 18 a číslo slučky v smere kurzu bolo nastavené na 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 a 14. Zodpovedajúce výstupné napätia sú znázornené na obr.S14.Porovnaním vidíme, že hustota v smere priebehu má väčší vplyv na výstupné napätie.Výsledkom bolo, že vzor pletenia vodivej priadze 210D/3 a nylonovej priadze 210D/6 a 180 slučkových jednotiek bol zvolený na pletenie TATSA po komplexnom vyhodnotení výstupných charakteristík.Ďalej sme porovnali výstupné signály dvoch textilných senzorov pomocou plného pleteného kardiganového stehu a hladkého stehu.Ako je znázornené na obr.S15, elektrický výstup a citlivosť pri použití plného cardiganového stehu sú oveľa vyššie ako pri použití obyčajného stehu.
Meral sa čas odozvy na monitorovanie signálov v reálnom čase.Aby sme preskúmali dobu odozvy nášho senzora na vonkajšie sily, porovnali sme výstupné napäťové signály so vstupmi dynamického tlaku pri frekvencii 1 až 20 Hz (obr. 3C a obr. S16).Priebehy výstupného napätia boli takmer totožné so vstupnými sínusovými tlakovými vlnami pod tlakom 1 kPa a výstupné priebehy mali rýchlu odozvu (asi 20 ms).Túto hysterézu možno pripísať tomu, že elastická štruktúra sa nevrátila do pôvodného stavu čo najskôr po pôsobení vonkajšej sily.Napriek tomu je táto malá hysteréza prijateľná pre monitorovanie v reálnom čase.Na získanie dynamického tlaku s určitým frekvenčným rozsahom sa očakáva vhodná frekvenčná odozva TATSA.Testovala sa teda aj frekvenčná charakteristika TATSA.Zvýšením externej budiacej frekvencie zostala amplitúda výstupného napätia takmer nezmenená, zatiaľ čo amplitúda prúdu sa zvýšila, keď sa odbočovacie frekvencie menili od 1 do 20 Hz (obr. 3D).
Na vyhodnotenie opakovateľnosti, stability a trvanlivosti TATSA sme testovali odozvy výstupného napätia a prúdu na cykly tlakového zaťaženia a vykládky.Na snímač bol aplikovaný tlak 1 kPa s frekvenciou 5 Hz.Vrcholové napätie a prúd boli zaznamenané po 100 000 cykloch nakladania a vykladania (obr. 3E a obr. S17).Zväčšené pohľady na priebeh napätia a prúdu sú znázornené vo vložke na obr. 3E a obr.S17, resp.Výsledky odhaľujú pozoruhodnú opakovateľnosť, stabilitu a odolnosť TATSA.Umývateľnosť je tiež základným hodnotiacim kritériom TATSA ako celotextilného zariadenia.Aby sme vyhodnotili schopnosť prania, otestovali sme výstupné napätie senzora potom, čo sme TATSA oprali v práčke podľa testovacej metódy Americkej asociácie textilných chemikov a koloristov (AATCC) 135-2017.Podrobný postup premývania je opísaný v časti Materiály a metódy.Ako je znázornené na obr. 3F, elektrické výstupy boli zaznamenané po premytí 20-krát a 40-krát, čo demonštrovalo, že nedošlo k žiadnym zreteľným zmenám výstupného napätia počas umývacích testov.Tieto výsledky potvrdzujú pozoruhodnú umývateľnosť TATSA.Ako nositeľný textilný senzor sme tiež skúmali výstupný výkon, keď bol TATSA v podmienkach ťahu (obr. S18), skrútenia (obr. S19) a rôznej vlhkosti (obr. S20).
Na základe mnohých výhod TATSA demonštrovaných vyššie sme vyvinuli bezdrôtový mobilný systém monitorovania zdravia (WMHMS), ktorý má schopnosť nepretržite získavať fyziologické signály a následne poskytovať odborné rady pre pacienta.Obrázok 4A ukazuje schému WMHMS založenú na TATSA.Systém má štyri komponenty: TATSA na získavanie analógových fyziologických signálov, analógový kondicionačný obvod s dolnopriepustným filtrom (MAX7427) a zosilňovač (MAX4465) na zabezpečenie dostatočných detailov a vynikajúcej synchronizácie signálov, analógovo-digitálny prevodník založený na jednotke mikrokontroléra na zber a konverziu analógových signálov na digitálne signály a modul Bluetooth (čip Bluetooth CC2640 s nízkou spotrebou energie) na prenos digitálneho signálu do terminálovej aplikácie mobilného telefónu (APP; Huawei Honor 9).V tejto štúdii sme TATSA hladko zošívali do čipky, náramku, podstavca na prsty a ponožky, ako je znázornené na obr. 4B.
(A) Ilustrácia WMHMS.(B) Fotografie TATSA všitých do náramku, podprsenky, ponožky a hrudného popruhu.Meranie pulzu na (C1) krku, (D1) zápästí, (E1) končeku prsta a (F1) členku.Tvar pulznej vlny na (C2) krku, (D2) zápästí, (E2) končeku prsta a (F2) členku.(G) Tvary impulzov rôzneho veku.(H) Analýza jednej pulznej vlny.Index radiálnej augmentácie (AIx) definovaný ako AIx (%) = P2/P1.P1 je vrchol postupujúcej vlny a P2 je vrchol odrazenej vlny.(I) Pulzný cyklus brachiálneho a členkového kĺbu.Rýchlosť pulznej vlny (PWV) je definovaná ako PWV = D/∆T.D je vzdialenosť medzi členkom a brachiálnou časťou.∆T je časové oneskorenie medzi vrcholmi členkovej a brachiálnej pulzovej vlny.PTT, čas prechodu impulzu.(J) Porovnanie AIx a PWV brachiálneho členku (BAPWV) medzi zdravými a CAD.*P < 0,01, **P < 0,001 a ***P < 0,05.HTN, hypertenzia;CHD, ischemická choroba srdca;DM, diabetes mellitus.Fotografický kredit: Jin Yang, Univerzita Chongqing.
Na sledovanie pulzných signálov rôznych častí ľudského tela sme pripevnili vyššie uvedené ozdoby pomocou TATSA na zodpovedajúce pozície: krk (obr. 4C1), zápästie (obr. 4D1), konček prstov (obr. 4E1) a členok (obr. 4F1 ), ako je rozpracované vo filmoch S3 až S6.V medicíne existujú tri podstatné charakteristické body pulznej vlny: vrchol postupujúcej vlny P1, vrchol odrazenej vlny P2 a vrchol dikrotickej vlny P3.Charakteristiky týchto charakteristických bodov odrážajú zdravotný stav arteriálnej elasticity, periférneho odporu a kontraktility ľavej komory súvisiacej s kardiovaskulárnym systémom.V našom teste boli získané a zaznamenané pulzové vlny 25-ročnej ženy vo vyššie uvedených štyroch polohách.Všimnite si, že tri rozlíšiteľné charakteristické body (P1 až P3) boli pozorované na pulznej vlne v polohách krku, zápästia a končekov prstov, ako je znázornené na obr. 4 (C2 až E2).Naproti tomu len P1 a P3 sa objavili na pulzovej vlne v polohe členka a P2 nebol prítomný (obr. 4F2).Tento výsledok bol spôsobený superpozíciou prichádzajúcej krvnej vlny vyvrhnutej ľavou komorou a vlny odrazenej od dolných končatín (44).Predchádzajúce štúdie ukázali, že P2 sa vyskytuje v krivkách meraných v horných končatinách, ale nie v členku (45, 46).Podobné výsledky sme pozorovali v priebehoch meraných pomocou TATSA, ako je znázornené na obr.S21, ktorý ukazuje typické údaje z populácie 80 tu študovaných pacientov.Môžeme vidieť, že P2 sa neobjavil v týchto pulzných vlnách meraných v členku, čo demonštruje schopnosť TATSA detegovať jemné črty v vlnovej forme.Tieto výsledky merania pulzu naznačujú, že náš WMHMS dokáže presne odhaliť charakteristiky pulzných vĺn hornej a dolnej časti tela a že je lepší ako iné práce (41, 47).Aby sme ďalej naznačili, že naša TATSA môže byť široko aplikovaná na rôzne vekové skupiny, zmerali sme pulzné vlny 80 subjektov v rôznom veku a ukázali sme niektoré typické údaje, ako je znázornené na obr.S22.Ako je znázornené na obr. 4G, vybrali sme troch účastníkov vo veku 25, 45 a 65 rokov a tri hlavné body boli zrejmé pre účastníkov v mladom a strednom veku.Podľa lekárskej literatúry (48) sa charakteristiky pulzných vĺn väčšiny ľudí s pribúdajúcim vekom menia, ako je napríklad zmiznutie bodu P2, čo je spôsobené odrazenou vlnou posunutou dopredu, aby sa superponovala na postupujúcu vlnu prostredníctvom poklesu cievna elasticita.Tento jav sa odráža aj v priebehoch, ktoré sme zhromaždili, čím sa ďalej overuje, že TATSA možno použiť na rôzne populácie.
Tvar pulzovej vlny je ovplyvnený nielen fyziologickým stavom jedinca, ale aj testovacími podmienkami.Preto sme merali pulzné signály pri rôznej tesnosti kontaktu medzi TATSA a kožou (obr. S23) a rôznych detekčných polohách na meracom mieste (obr. S24).Dá sa zistiť, že TATSA dokáže získať konzistentné pulzné krivky s podrobnými informáciami okolo cievy vo veľkej efektívnej detekčnej oblasti v mieste merania.Okrem toho existujú odlišné výstupné signály pri rôznej tesnosti kontaktu medzi TATSA a pokožkou.Okrem toho by pohyb osôb, ktoré nosili senzory, ovplyvnil pulzné signály.Keď je zápästie subjektu v statickom stave, amplitúda získanej pulznej vlny je stabilná (obr. S25A);naopak, keď sa zápästie pomaly pohybuje v uhle od -70° do 70° počas 30 s, amplitúda pulzovej vlny bude kolísať (obr. S25B).Obrys každej pulznej vlny je však viditeľný a frekvenciu pulzu je možné stále presne získať.Je zrejmé, že na dosiahnutie stabilného získavania pulzných vĺn v ľudskom pohybe je potrebná ďalšia práca vrátane návrhu snímača a spracovania signálu na konci.
Ďalej, aby sme analyzovali a kvantitatívne zhodnotili stav kardiovaskulárneho systému prostredníctvom získaných priebehov pulzu pomocou našej TATSA, zaviedli sme dva hemodynamické parametre podľa špecifikácie hodnotenia kardiovaskulárneho systému, a to index augmentácie (AIx) a rýchlosť pulzovej vlny. (PWV), ktoré predstavujú elasticitu tepien.Ako je znázornené na obr. 4H, na analýzu AIx bola použitá pulzová vlna v polohe zápästia 25-ročného zdravého muža.Podľa vzorca (časť S1) sa získalo AIx = 60 %, čo je normálna hodnota.Potom sme simultánne zhromaždili dve pulzné vlny v polohe ramena a členku tohto účastníka (podrobný spôsob merania pulzovej vlny je opísaný v časti Materiály a metódy).Ako je znázornené na obr. 41, charakteristické body dvoch kriviek impulzov boli odlišné.Potom sme vypočítali PWV podľa vzorca (časť S1).Bola získaná PWV = 1363 cm/s, čo je charakteristická hodnota očakávaná od zdravého dospelého muža.Na druhej strane môžeme vidieť, že metriky AIx alebo PWV nie sú ovplyvnené rozdielom amplitúd tvaru impulzu a hodnoty AIx v rôznych častiach tela sú rôzne.V našej štúdii bol použitý radiálny AIx.Na overenie použiteľnosti WMHMS u rôznych ľudí sme vybrali 20 účastníkov v skupine zdravých, 20 v skupine s hypertenziou (HTN), 20 v skupine s koronárnou chorobou srdca (ICHS) vo veku od 50 do 59 rokov a 20 v skupine skupina diabetes mellitus (DM).Zmerali sme ich pulzné vlny a porovnali sme ich dva parametre, AIx a PWV, ako je znázornené na obr. 4J.Dá sa zistiť, že hodnoty PWV skupín HTN, CHD a DM boli nižšie v porovnaní so zdravou skupinou a majú štatistický rozdiel (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 a PDM ≪ 0,001; hodnoty P boli vypočítané pomocou t test).Medzitým boli hodnoty AIx v skupinách HTN a CHD nižšie v porovnaní so zdravou skupinou a majú štatistický rozdiel (PHTN < 0,01, PCHD < 0,001 a PDM < 0,05).PWV a AIx účastníkov s CHD, HTN alebo DM boli vyššie ako v zdravej skupine.Výsledky ukazujú, že TATSA je schopný presne získať priebeh pulzu na výpočet kardiovaskulárneho parametra na posúdenie kardiovaskulárneho zdravotného stavu.Záverom možno konštatovať, že vďaka svojim bezdrôtovým charakteristikám s vysokým rozlíšením, vysokou citlivosťou a komfortom poskytuje WMHMS založený na TATSA efektívnejšiu alternatívu pre monitorovanie v reálnom čase ako súčasné drahé lekárske vybavenie používané v nemocniciach.
Okrem pulzovej vlny sú informácie o dýchaní tiež primárnym vitálnym znakom, ktorý pomáha posúdiť fyzický stav jednotlivca.Monitorovanie dýchania na základe našej TATSA je atraktívnejšie ako konvenčná polysomnografia, pretože sa dá bez problémov integrovať do oblečenia pre lepšie pohodlie.Všitý do bieleho elastického hrudného popruhu bol TATSA priamo priviazaný k ľudskému telu a pripevnený okolo hrudníka na monitorovanie dýchania (obr. 5A a film S7).TATSA sa deformovala s expanziou a kontrakciou hrudného koša, čo viedlo k elektrickému výstupu.Získaný tvar vlny je overený na obr. 5B.Signál s veľkými výkyvmi (amplitúda 1,8 V) a periodickými zmenami (frekvencia 0,5 Hz) zodpovedal dýchaciemu pohybu.Relatívne malý fluktuačný signál bol superponovaný na tento veľký fluktuačný signál, ktorým bol signál srdcového tepu.Podľa frekvenčných charakteristík signálov dýchania a srdcového tepu sme použili 0,8-Hz dolnopriepustný filter a 0,8- až 20-Hz pásmový filter na oddelenie respiračných signálov a signálov srdcového tepu, ako je znázornené na obr. 5C. .V tomto prípade sa stabilné respiračné a pulzné signály s bohatými fyziologickými informáciami (ako je frekvencia dýchania, srdcová frekvencia a hlavné body pulzovej vlny) získali súčasne a presne jednoduchým umiestnením jedného TATSA na hrudník.
(A) Fotografia zobrazujúca zobrazenie TATSA umiestneného na hrudníku na meranie signálu v tlaku spojenom s dýchaním.(B) Graf napätia a času pre TATSA namontovaný na hrudi.(C) Rozklad signálu (B) na tlkot srdca a priebeh dýchania.(D) Fotografia zobrazujúca dva TATSA umiestnené na bruchu a zápästí na meranie dýchania a pulzu počas spánku.(E) Respiračné a pulzné signály zdravého účastníka.HR, srdcová frekvencia;BPM, počet úderov za minútu.(F) Respiračné a pulzné signály účastníka SAS.(G) Respiračný signál a PTT zdravého účastníka.(H) Respiračný signál a PTT účastníka SAS.(I) Vzťah medzi indexom vzrušenia PTT a indexom apnoe-hypopnoe (AHI).Fotografický kredit: Wenjing Fan, Univerzita Chongqing.
Aby sme dokázali, že náš senzor dokáže presne a spoľahlivo monitorovať pulzové a respiračné signály, uskutočnili sme experiment na porovnanie výsledkov meraní pulzových a respiračných signálov medzi našimi TATSA a štandardným lekárskym prístrojom (MHM-6000B), ako je spracované vo filmoch S8 a S9.Pri meraní pulzovej vlny mal fotoelektrický senzor lekárskeho prístroja na ľavom ukazováku mladého dievčaťa a medzitým náš TATSA na pravom ukazováku.Z dvoch získaných kriviek pulzu môžeme vidieť, že ich obrysy a detaily boli identické, čo naznačuje, že pulz meraný prístrojom TATSA je rovnako presný ako pulz lekárskym prístrojom.Pri meraní respiračných vĺn bolo podľa lekárskeho predpisu na päť oblastí na tele mladého muža pripevnených päť elektrokardiografických elektród.Naproti tomu iba jeden TATSA bol priamo priviazaný k telu a zaistený okolo hrudníka.Zo zozbieraných respiračných signálov je možné vidieť, že tendencia variácií a rýchlosť detekovaného respiračného signálu pomocou nášho TATSA boli konzistentné s tendenciou a rýchlosťou podľa lekárskeho prístroja.Tieto dva porovnávacie experimenty potvrdili presnosť, spoľahlivosť a jednoduchosť nášho senzorového systému na monitorovanie pulzových a respiračných signálov.
Ďalej sme vyrobili kus inteligentného oblečenia a zošívali sme dve TATSA na bruchu a zápästí na monitorovanie respiračných a pulzných signálov.Konkrétne sa použil vyvinutý dvojkanálový WMHMS na súčasné zachytenie pulzových a respiračných signálov.Prostredníctvom tohto systému sme získali dýchacie a pulzné signály 25-ročného muža oblečeného v našom inteligentnom oblečení počas spánku (obr. 5D a film S10) a sedenia (obr. S26 a film S11).Získané respiračné a pulzné signály by sa mohli bezdrôtovo prenášať do APP mobilného telefónu.Ako bolo uvedené vyššie, TATSA má schopnosť zachytiť respiračné a pulzné signály.Tieto dva fyziologické signály sú tiež kritériami na lekársky odhad SAS.Preto sa naša TATSA dá použiť aj na sledovanie a hodnotenie kvality spánku a súvisiacich porúch spánku.Ako je znázornené na obr. 5 (E a F), kontinuálne sme merali pulzné a respiračné krivky dvoch účastníkov, zdravého a pacienta so SAS.U osoby bez apnoe zostala nameraná frekvencia dýchania a pulzu stabilná na 15 a 70, v tomto poradí.U pacienta so SAS bolo pozorované zreteľné apnoe na 24 s, čo je indikáciou obštrukčnej respiračnej príhody, a srdcová frekvencia sa po období apnoe mierne zvýšila v dôsledku regulácie nervového systému (49).Stručne povedané, stav dýchania môže vyhodnotiť naša TATSA.
Na ďalšie posúdenie typu SAS prostredníctvom pulzných a respiračných signálov sme analyzovali pulzný tranzitný čas (PTT), neinvazívny indikátor odrážajúci zmeny periférneho vaskulárneho odporu a vnútrohrudného tlaku (definované v časti S1) zdravého muža a pacienta s SAV.Pre zdravého účastníka zostala dychová frekvencia nezmenená a PTT bol relatívne stabilný od 180 do 310 ms (obr. 5G).U účastníka SAS sa však PTT počas apnoe kontinuálne zvyšovalo zo 120 na 310 ms (obr. 5H).Účastníkovi bola teda diagnostikovaná obštrukčná SAS (OSAS).Ak by sa zmena PTT počas apnoe znížila, potom by sa stav určil ako syndróm centrálneho spánkového apnoe (CSAS), a ak by oba tieto dva symptómy existovali súčasne, potom by sa diagnostikoval ako zmiešaný SAS (MSAS).Na posúdenie závažnosti SAS sme ďalej analyzovali zozbierané signály.Index PTT vzrušenia, čo je počet PTT vzrušení za hodinu (PTT vzrušenie je definované ako pokles PTT o ≥ 15 ms trvajúci ≥ 3 s), hrá zásadnú úlohu pri hodnotení stupňa SAS.Index apnoe-hypopnoe (AHI) je štandard na určenie stupňa SAS (apnoe je zastavenie dýchania a hypopnoe je príliš plytké dýchanie alebo abnormálne nízka frekvencia dýchania), ktorý je definovaný ako počet apnoe a hypopnoe za hodinu počas spánku (vzťah medzi AHI a hodnotiacimi kritériami pre OSAS je uvedený v tabuľke S2).Na preskúmanie vzťahu medzi AHI a indexom vzrušenia PTT sa vybrali respiračné signály 20 pacientov so SAS a analyzovali sa pomocou TATSA.Ako je znázornené na obr. 5I, index vzrušenia PTT pozitívne koreloval s AHI, pretože apnoe a hypopnoe počas spánku spôsobujú zjavné a prechodné zvýšenie krvného tlaku, čo vedie k poklesu PTT.Preto naša TATSA dokáže súčasne získavať stabilné a presné pulzové a respiračné signály, čím poskytuje dôležité fyziologické informácie o kardiovaskulárnom systéme a SAS na monitorovanie a hodnotenie súvisiacich ochorení.
Stručne povedané, vyvinuli sme TATSA s použitím úplného cardiganového stehu na detekciu rôznych fyziologických signálov súčasne.Tento snímač sa vyznačoval vysokou citlivosťou 7,84 mV Pa-1, rýchlou dobou odozvy 20 ms, vysokou stabilitou viac ako 100 000 cyklov a širokou pracovnou frekvenčnou šírkou pásma.Na základe TATSA bol vyvinutý aj WMHMS na prenos nameraných fyziologických parametrov do mobilného telefónu.TATSA možno začleniť do rôznych miest oblečenia pre estetický dizajn a použiť na súčasné monitorovanie pulzu a respiračných signálov v reálnom čase.Systém môže byť použitý na pomoc pri rozlišovaní medzi zdravými jednotlivcami a osobami s CAD alebo SAS, pretože je schopný zachytiť podrobné informácie.Táto štúdia poskytla pohodlný, efektívny a užívateľsky prívetivý prístup na meranie ľudského pulzu a dýchania, čo predstavuje pokrok vo vývoji nositeľnej textilnej elektroniky.
Nerezová oceľ opakovane prechádzala cez formu a naťahovala sa na vlákno s priemerom 10 μm.Vlákno z nehrdzavejúcej ocele ako elektróda bolo vložené do niekoľkých kusov komerčných jednovrstvových terylénových priadzí.
Funkčný generátor (Stanford DS345) a zosilňovač (LabworkPa-13) boli použité na poskytnutie signálu sínusového tlaku.Na meranie vonkajšieho tlaku aplikovaného na TATSA sa použil dvojrozsahový snímač sily (Vernier Software & Technology LLC).Na monitorovanie a zaznamenávanie výstupného napätia a prúdu TATSA bol použitý systémový elektrometer Keithley (Keithley 6514).
Podľa testovacej metódy AATCC 135-2017 sme použili TATSA a dostatok balastu ako 1,8 kg náplne a potom sme ich vložili do komerčnej práčky (Labtex LBT-M6T), aby sme vykonali jemné pracie cykly v práčke.Potom sme práčku naplnili 18 galónmi vody s teplotou 25 °C a nastavili práčku na zvolený prací cyklus a čas (rýchlosť miešania, 119 úderov za minútu; čas prania, 6 minút; konečná rýchlosť odstreďovania, 430 otáčok za minútu; konečná čas odstreďovania, 3 minúty).Nakoniec bol TATSA zavesený na sucho v pokojnom vzduchu pri izbovej teplote nie vyššej ako 26 °C.
Subjekty boli inštruované, aby ležali v polohe na chrbte na posteli.TATSA bola umiestnená na meracích miestach.Keď boli subjekty v štandardnej polohe na chrbte, udržiavali si úplne uvoľnený stav počas 5 až 10 minút.Potom začal merať pulzný signál.
Doplnkový materiál k tomuto článku je dostupný na https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Obr. S9.Výsledok simulácie rozloženia sily TATSA pri aplikovaných tlakoch pri 0,2 kPa pomocou softvéru COMSOL.
Obr. S10.Výsledky simulácie rozloženia síl kontaktnej jednotky pri aplikovaných tlakoch pri 0,2 a 2 kPa.
Obr. S11.Kompletné schematické znázornenia prenosu náboja kontaktnej jednotky v podmienkach skratu.
Obr. S13.Trvalé výstupné napätie a prúd TATSA v reakcii na nepretržite aplikovaný vonkajší tlak v meracom cykle.
Obr. S14.Napäťová odozva na rôzne počty jednotiek slučky v rovnakej oblasti tkaniny pri zachovaní nezmeneného počtu slučky v smere steny.
Obr. S15.Porovnanie medzi výstupnými výkonmi dvoch textilných senzorov s použitím plného kardiganového stehu a hladkého stehu.
Obr. S16.Grafy zobrazujúce frekvenčné odozvy pri dynamickom tlaku 1 kPa a vstupnej frekvencii tlaku 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 a 20 Hz.
Obr. S25.Výstupné napätie snímača, keď bol subjekt v statických a pohybových podmienkach.
Obr. S26.Fotografia zobrazujúca TATSA umiestnené na bruchu a zápästí súčasne na meranie dýchania a pulzu.
Toto je článok s otvoreným prístupom distribuovaný v súlade s podmienkami licencie Creative Commons Attribution-NonCommercial, ktorá povoľuje používanie, distribúciu a reprodukciu na akomkoľvek médiu, pokiaľ výsledné použitie nie je na komerčné účely a za predpokladu, že pôvodné dielo je správne. citované.
POZNÁMKA: Vašu e-mailovú adresu požadujeme len preto, aby osoba, ktorej stránku odporúčate, vedela, že chcete, aby ju videla, a že nejde o nevyžiadanú poštu.Nezachytávame žiadnu e-mailovú adresu.
Autor: Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Na monitorovanie zdravotného stavu bol vyvinutý triboelektrický celotextilný senzor s vysokou citlivosťou na tlak a komfortom.
Autor: Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Na monitorovanie zdravotného stavu bol vyvinutý triboelektrický celotextilný senzor s vysokou citlivosťou na tlak a komfortom.
© 2020 American Association for the Advancement of Science.Všetky práva vyhradené.AAAS je partnerom spoločností HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef a COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Čas odoslania: 27. marca 2020