Nosljiva tekstilna elektronika je zelo zaželena za uresničitev personaliziranega upravljanja zdravja.Vendar pa večina poročanih tekstilnih elektronikov lahko bodisi občasno cilja na en sam fiziološki signal ali zgreši eksplicitne podrobnosti signalov, kar vodi do delne ocene zdravja.Poleg tega ostajajo tekstil z odličnimi lastnostmi in udobjem še vedno izziv.Tukaj poročamo o triboelektričnem nizu senzorjev iz tekstila z visoko občutljivostjo na pritisk in udobjem.Izkazuje občutljivost na pritisk (7,84 mV Pa−1), hiter odzivni čas (20 ms), stabilnost (>100.000 ciklov), široko pasovno širino delovne frekvence (do 20 Hz) in možnost pranja v pralnem stroju (>40 pranj).Izdelane TATSA so bile všite v različne dele oblačil, da bi hkrati spremljali arterijske pulzne valove in dihalne signale.Nadalje smo razvili sistem za spremljanje zdravja za dolgoročno in neinvazivno oceno srčno-žilnih bolezni in sindroma apneje v spanju, ki kaže velik napredek za kvantitativno analizo nekaterih kroničnih bolezni.
Nosljiva elektronika predstavlja fascinantno priložnost zaradi svojih obetavnih aplikacij v personalizirani medicini.Posameznikovo zdravstveno stanje lahko spremljajo na neprekinjen, sproten in neinvaziven način (1–11).Pulz in dihanje kot dve nepogrešljivi komponenti vitalnih znakov lahko zagotovita tako natančno oceno fiziološkega stanja kot izjemen vpogled v diagnozo in prognozo povezanih bolezni (12–21).Do danes večina nosljive elektronike za zaznavanje subtilnih fizioloških signalov temelji na ultratankih substratih, kot so polietilen tereftalat, polidimetilsiloksan, poliimid, steklo in silikon (22–26).Pomanjkljivost teh podlag za uporabo na koži je njihova ploskovitost in togost.Posledično so za vzpostavitev kompaktnega stika med nosljivo elektroniko in človeško kožo potrebni trakovi, obliži ali druge mehanske naprave, kar lahko povzroči draženje in nevšečnosti med dolgotrajno uporabo (27, 28).Poleg tega imajo ti substrati slabo zračno prepustnost, kar povzroča nelagodje pri dolgotrajnem in neprekinjenem spremljanju zdravja.Za lajšanje omenjenih težav v skrbi za zdravje, predvsem pri vsakodnevni uporabi, ponujajo pametne tkanine zanesljivo rešitev.Ti tekstili imajo značilnosti mehkobe, majhne teže in zračnosti ter tako potencial za uresničitev udobja v nosljivi elektroniki.V zadnjih letih so bila intenzivna prizadevanja namenjena razvoju tekstilnih sistemov za občutljive senzorje, pridobivanje energije in shranjevanje (29–39).Poročali so zlasti o uspešnih raziskavah optičnih vlaken, piezoelektričnosti in pametnih tekstilij na osnovi upornosti, ki se uporabljajo pri spremljanju pulza in dihalnih signalov (40–43).Vendar imajo ti pametni tekstili običajno nizko občutljivost in en sam parameter spremljanja in jih ni mogoče izdelati v velikem obsegu (tabela S1).V primeru merjenja utripa je težko zajeti podrobne informacije zaradi šibkega in hitrega nihanja utripa (npr. njegovih značilnih točk), zato sta potrebna visoka občutljivost in ustrezen frekvenčni odziv.
V tej študiji predstavljamo triboelektrični popolnoma tekstilni niz senzorjev (TATSA) z visoko občutljivostjo za zajemanje epidermalnega subtilnega pritiska, pleten s prevodno in najlonsko prejo v polnem kardiganskem šivu.TATSA lahko zagotovi visoko tlačno občutljivost (7,84 mV Pa−1), hiter odzivni čas (20 ms), stabilnost (>100.000 ciklov), široko pasovno širino delovne frekvence (do 20 Hz) in možnost pranja v stroju (>40 pranj).Zmožen se je priročno vključiti v oblačila z diskretnostjo, udobjem in estetsko privlačnostjo.Naš TATSA je mogoče neposredno vključiti v različna mesta tkanine, ki ustrezajo pulznim valovom na vratu, zapestju, konicah prstov in položajih gležnjev ter dihalnim valovom v trebuhu in prsih.Da bi ocenili odlično delovanje TATSA pri spremljanju zdravja v realnem času in na daljavo, smo razvili personaliziran inteligentni sistem za spremljanje zdravja za nenehno pridobivanje in shranjevanje fizioloških signalov za analizo srčno-žilnih bolezni (CAD) in oceno sindroma apneje v spanju (SAS). ).
Kot je prikazano na sliki 1A, sta bili dve TATSA všiti v manšeto in prsni koš srajce, da sta omogočili dinamično in sočasno spremljanje pulza oziroma dihalnih signalov.Ti fiziološki signali so bili brezžično preneseni v aplikacijo inteligentnega mobilnega terminala (APP) za nadaljnjo analizo zdravstvenega stanja.Slika 1B prikazuje TATSA, všito v kos blaga, in vložek prikazuje povečan pogled na TATSA, ki je bil pleten z uporabo značilne prevodne preje in komercialne najlonske preje skupaj v polnem kardiganskem šivu.V primerjavi s temeljnim gladkim šivom, najpogostejšim in osnovnim načinom pletenja, je bil polni jopicni šiv izbran, ker je stik med glavo zanke prevodne preje in sosednjo glavo vboda najlonske preje (slika S1) površina namesto točkovnega stika, kar vodi do večjega območja delovanja za visok triboelektrični učinek.Za pripravo prevodne preje smo izbrali nerjavno jeklo kot fiksno jedrno vlakno in več kosov enoslojne terilenske preje smo zvili okoli jedrnega vlakna v eno prevodno prejo s premerom 0,2 mm (slika S2), ki je služila kot tako elektrifikacijsko površino kot prevodno elektrodo.Najlonska preja, ki je imela premer 0,15 mm in je služila kot druga elektrifikacijska površina, je imela močno natezno silo, ker so jo zvijale neizračunljive preje (slika S3).Slika 1 (C oziroma D) prikazuje fotografije izdelane prevodne preje in najlonske preje.Vložki prikazujejo ustrezne slike z vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM), ki predstavljajo tipičen presek prevodne preje in površino najlonske preje.Visoka natezna trdnost prevodnih in najlonskih niti je zagotovila njihovo sposobnost tkanja na industrijskem stroju, da se ohrani enakomerno delovanje vseh senzorjev.Kot je prikazano na sliki 1E, so bile prevodne niti, najlonske niti in navadne niti navite na svoje stožce, ki so bili nato naloženi na industrijski računalniški ploščati pletilni stroj za avtomatsko tkanje (film S1).Kot je prikazano na sl.S4 je bilo več TATSA pletenih skupaj z navadnim blagom z uporabo industrijskega stroja.Posamezen TATSA z debelino 0,85 mm in težo 0,28 g je mogoče oblikovati iz celotne strukture za individualno uporabo, kar kaže na odlično združljivost z drugimi tkaninami.Poleg tega so lahko TATSA oblikovani v različnih barvah, da bi izpolnili estetske in modne zahteve zaradi raznolikosti komercialnih najlonskih niti (slika 1F in slika S5).Izdelani TATSA imajo odlično mehkobo in sposobnost, da prenesejo močno upogibanje ali deformacijo (slika S6).Slika 1G prikazuje TATSA, všito neposredno v trebuh in manšeto puloverja.Postopek pletenja puloverja je prikazan na sl.S7 in film S2.Podrobnosti sprednje in zadnje strani raztegnjene TATSA v trebušnem položaju so prikazane na sl.S8 (A oziroma B), položaj prevodne preje in najlonske preje pa je prikazan na sl.S8C.Tukaj lahko vidite, da je TATSA mogoče neopazno vdelati v običajne tkanine za diskreten in eleganten videz.
(A) Dva TATSA, integrirana v srajco za spremljanje pulza in dihalnih signalov v realnem času.(B) Shematska ponazoritev kombinacije TATSA in oblačil.Vložek prikazuje povečan pogled na senzor.(C) Fotografija prevodne preje (merilo, 4 cm).Vložek je SEM slika preseka prevodne preje (lestvica, 100 μm), ki je sestavljena iz nerjavečega jekla in terilenske preje.(D) Fotografija najlonske preje (merilo, 4 cm).Vložek je SEM slika površine najlonske preje (lestvica, 100 μm).(E) Slika računalniško podprtega ploščatega pletilnega stroja, ki izvaja avtomatsko tkanje TATSA.(F) Fotografija TATSA v različnih barvah (merilo, 2 cm).Vložek je zvita TATSA, ki dokazuje svojo odlično mehkobo.(G) Fotografija dveh TATSA, popolnoma in brezšivno všitih v pulover.Avtor fotografije: Wenjing Fan, Univerza Chongqing.
Za analizo delovnega mehanizma TATSA, vključno z njegovimi mehanskimi in električnimi lastnostmi, smo izdelali geometrijski model pletenja TATSA, kot je prikazano na sliki 2A.Z uporabo polnega šiva jopice sta prevodna in najlonska preja prepleteni v obliki zank v smeri poteka in roba.Struktura ene same zanke (slika S1) je sestavljena iz glave zanke, roke zanke, dela, ki prečka rebra, roke vboda in glave vboda.Najdemo lahko dve obliki kontaktne površine med obema različnima prejama: (i) kontaktno površino med zančno glavo prevodne preje in glavo vbodnega vboda najlonske preje in (ii) stično površino med zančno glavo preje najlonsko prejo in glavo vbodnega vboda prevodne preje.
(A) TATSA s sprednjo, desno in zgornjo stranjo pletenih zank.(B) Rezultat simulacije porazdelitve sile TATSA pod uporabljenim tlakom 2 kPa z uporabo programske opreme COMSOL.(C) Shematski prikazi prenosa naboja kontaktne enote v pogojih kratkega stika.(D) Rezultati simulacije porazdelitve naboja kontaktne enote v stanju odprtega tokokroga z uporabo programske opreme COMSOL.
Načelo delovanja TATSA je mogoče razložiti z dveh vidikov: stimulacija zunanje sile in njen inducirani naboj.Da bi intuitivno razumeli porazdelitev napetosti kot odziv na zunanji dražljaj sile, smo uporabili analizo končnih elementov z uporabo programske opreme COMSOL pri različnih zunanjih silah 2 oziroma 0,2 kPa, kot je prikazano na sliki 2B in sl.S9.Napetost se pojavi na stičnih površinah dveh preje.Kot je prikazano na sl.S10 smo upoštevali dve enoti zanke, da bi razjasnili porazdelitev napetosti.Pri primerjavi porazdelitve napetosti pod dvema različnima zunanjima silama se napetost na površinah prevodne in najlonske niti poveča s povečano zunanjo silo, kar povzroči stik in ekstruzijo med obema prejama.Ko se zunanja sila sprosti, se preji ločita in odmakneta druga od druge.
Premiki ločevanja kontaktov med prevodno prejo in najlonsko prejo inducirajo prenos naboja, kar se pripisuje povezavi triboelektrifikacije in elektrostatične indukcije.Za razjasnitev procesa pridobivanja električne energije analiziramo prečni prerez območja, kjer se preje dotikata druga druge (slika 2C1).Kot je prikazano na sliki 2 (C2 oziroma C3), ko TATSA stimulira zunanja sila in se dve preji medsebojno dotakneta, pride do elektrifikacije na površini prevodne in najlonske preje ter do ekvivalentnih nabojev z nasprotnimi polarnosti se ustvarijo na površini obeh preje.Ko se preji ločita, se zaradi učinka elektrostatične indukcije v notranjem nerjavnem jeklu inducirajo pozitivni naboji.Celotna shema je prikazana na sl.S11.Da bi pridobili bolj kvantitativno razumevanje procesa proizvodnje električne energije, smo simulirali potencialno porazdelitev TATSA z uporabo programske opreme COMSOL (slika 2D).Ko sta oba materiala v stiku, se naboj v glavnem zbira na tornem materialu, na elektrodi pa je prisotna le majhna količina induciranega naboja, kar ima za posledico majhen potencial (slika 2D, spodaj).Ko sta oba materiala ločena (slika 2D, zgoraj), se inducirani naboj na elektrodi poveča zaradi potencialne razlike, ustrezen potencial pa se poveča, kar kaže na dobro skladnost med rezultati, pridobljenimi s poskusi, in tistimi iz simulacij. .Poleg tega, ker je prevodna elektroda TATSA ovita v terilensko prejo in je koža v stiku z obema tornima materialoma, je naboj, ko nosite TATSA neposredno na koži, odvisen od zunanje sile in ne bo biti oslabljen zaradi kože.
Za karakterizacijo delovanja našega TATSA v različnih vidikih smo zagotovili merilni sistem, ki vsebuje funkcijski generator, ojačevalnik moči, elektrodinamični stresalnik, merilnik sile, elektrometer in računalnik (slika S12).Ta sistem ustvari zunanji dinamični tlak do 7 kPa.V poskusu je bil TATSA postavljen na ravno plastično ploščo v prostem stanju, izhodne električne signale pa beleži elektrometer.
Specifikacije prevodne in najlonske preje vplivajo na izhodno zmogljivost TATSA, ker določajo kontaktno površino in sposobnost zaznavanja zunanjega pritiska.Da bi to raziskali, smo izdelali tri velikosti obeh prej: prevodno prejo z velikostjo 150D/3, 210D/3 in 250D/3 ter najlonsko prejo z velikostjo 150D/6, 210D/6 in 250D /6 (D, denier; merska enota, ki se uporablja za določanje debeline vlaken posameznih niti; tkanine z visokim številom denijev so običajno debele).Nato smo izbrali ti dve preji različnih velikosti, da ju spletemo v senzor, dimenzija TATSA pa je ostala 3 cm krat 3 cm s številom zank 16 v smeri roba in 10 v smeri poteka.Tako smo dobili senzorje z devetimi vzorci pletenja.Senzor iz prevodne preje velikosti 150D/3 in najlonske preje velikosti 150D/6 je bil najtanjši, senzor iz prevodne preje velikosti 250D/3 in najlonske preje velikosti 250D/3. 6 je bil najdebelejši.Pri mehanskem vzbujanju od 0,1 do 7 kPa so bili električni izhodi za te vzorce sistematično raziskani in testirani, kot je prikazano na sliki 3A.Izhodne napetosti devetih TATSA so se povečale s povečanim uporabljenim tlakom, od 0,1 do 4 kPa.Natančneje, od vseh vzorcev pletenja je specifikacija prevodne preje 210D/3 in najlonske preje 210D/6 zagotovila najvišjo električno moč in pokazala največjo občutljivost.Izhodna napetost je kazala trend naraščanja s povečevanjem debeline TATSA (zaradi zadostne kontaktne površine), dokler TATSA ni bila pletena s prevodno prejo 210D/3 in najlonsko prejo 210D/6.Ker bi nadaljnje povečanje debeline povzročilo absorpcijo zunanjega pritiska s strani preje, se je izhodna napetost ustrezno zmanjšala.Poleg tega je treba opozoriti, da je v območju nizkega tlaka (<4 kPa) dobro obnašanje linearne variacije izhodne napetosti s tlakom dalo vrhunsko občutljivost na pritisk 7,84 mV Pa−1.V območju visokega tlaka (>4 kPa) so eksperimentalno opazili nižjo tlačno občutljivost 0,31 mV Pa−1 zaradi nasičenosti efektivnega trenja.Podobna občutljivost na pritisk je bila dokazana med nasprotnim postopkom uporabe sile.Konkretni časovni profili izhodne napetosti in toka pod različnimi pritiski so predstavljeni na sl.S13 (A oziroma B).
(A) Izhodna napetost pod devetimi vzorci pletenja prevodne preje (150D/3, 210D/3 in 250D/3) v kombinaciji z najlonsko prejo (150D/6, 210D/6 in 250D/6).(B) Napetostni odziv na različno število enot zanke na istem območju tkanine, ko je število zank v smeri roba nespremenjeno.(C) Grafi, ki prikazujejo frekvenčne odzive pri dinamičnem tlaku 1 kPa in vhodni frekvenci tlaka 1 Hz.(D) Različne izhodne in tokovne napetosti pod frekvencami 1, 5, 10 in 20 Hz.(E) Preskus vzdržljivosti TATSA pod tlakom 1 kPa.(F) Izhodne lastnosti TATSA po 20- in 40-kratnem pranju.
Na občutljivost in izhodno napetost je vplivala tudi gostota vboda TATSA, ki je bila določena s skupnim številom zank na izmerjeni površini blaga.Povečanje gostote vboda bi povzročilo večjo kompaktnost strukture blaga.Slika 3B prikazuje izhodne zmogljivosti pod različnimi številkami zank na tekstilnem območju 3 cm x 3 cm, vložek pa prikazuje strukturo enote zanke (število zanke v smeri tečaja smo ohranili 10, številko zanke pa v smer Wale je bila 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 in 26).S povečanjem števila zank je izhodna napetost najprej pokazala trend naraščanja zaradi naraščajoče kontaktne površine, dokler ni dosegel vrha največje izhodne napetosti 7,5 V s številom zanke 180. Po tej točki je izhodna napetost sledila trendu padanja, ker je TATSA je postala tesna in obe preji sta imeli zmanjšan prostor med stikom.Da bi raziskali, v kateri smeri ima gostota velik vpliv na izhod, smo ohranili številko zanke TATSA v smeri reke pri 18, številko zanke v smeri tečaja pa smo nastavili na 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 in 14. Ustrezne izhodne napetosti so prikazane na sl.S14.Za primerjavo vidimo, da ima gostota v smeri tečaja večji vpliv na izhodno napetost.Posledično je bil vzorec pletenja iz prevodne preje 210D/3 in najlonske preje 210D/6 ter enot 180 zank izbran za pletenje TATSA po celovitih ocenah izhodnih karakteristik.Poleg tega smo primerjali izhodne signale dveh tekstilnih senzorjev, ki uporabljata polni jopicni šiv in navadni šiv.Kot je prikazano na sl.S15 sta električni izhod in občutljivost pri polnem šivu jopice veliko višji kot pri navadnem šivu.
Izmerjen je bil odzivni čas za spremljanje signalov v realnem času.Da bi preverili odzivni čas našega senzorja na zunanje sile, smo primerjali signale izhodne napetosti z vhodi dinamičnega tlaka pri frekvenci od 1 do 20 Hz (sl. 3C oziroma sl. S16).Izhodne napetostne valovne oblike so bile skoraj enake vhodnim sinusoidnim tlačnim valovom pod tlakom 1 kPa, izhodne valovne oblike pa so imele hiter odzivni čas (približno 20 ms).To histerezo lahko pripišemo temu, da se elastična struktura ni vrnila v prvotno stanje čim prej po prejemu zunanje sile.Kljub temu je ta majhna histereza sprejemljiva za spremljanje v realnem času.Za pridobitev dinamičnega tlaka z določenim frekvenčnim območjem se pričakuje ustrezen frekvenčni odziv TATSA.Tako je bila testirana tudi frekvenčna karakteristika TATSA.S povečanjem zunanje vzbujalne frekvence je amplituda izhodne napetosti ostala skoraj nespremenjena, medtem ko se je amplituda toka povečala, ko so se frekvence dotikanja spreminjale od 1 do 20 Hz (slika 3D).
Da bi ocenili ponovljivost, stabilnost in vzdržljivost TATSA, smo preizkusili odzive izhodne napetosti in toka na cikle obremenitve in razbremenitve tlaka.Na senzor je bil uporabljen tlak 1 kPa s frekvenco 5 Hz.Napetost in tok od vrha do vrha sta bila zabeležena po 100.000 ciklih nakladanja-razkladanja (sl. 3E oziroma sl. S17).Povečani pogledi napetosti in tokovne valovne oblike so prikazani na vstavku slike 3E in sl.S17 oz.Rezultati razkrivajo izjemno ponovljivost, stabilnost in vzdržljivost TATSA.Pralnost je tudi bistveno merilo ocenjevanja TATSA kot popolnoma tekstilne naprave.Za ovrednotenje sposobnosti pranja smo testirali izhodno napetost senzorja po strojnem pranju TATSA v skladu s preskusno metodo 135-2017 Ameriškega združenja tekstilnih kemikov in barvistov (AATCC).Podroben postopek pranja je opisan v Materialih in metodah.Kot je prikazano na sliki 3F, so bili električni izhodi zabeleženi po 20-kratnem in 40-kratnem pranju, kar je pokazalo, da med preskusi pranja ni bilo izrazitih sprememb izhodne napetosti.Ti rezultati potrjujejo izjemno pralnost TATSA.Kot nosljivi tekstilni senzor smo raziskali tudi izhodno zmogljivost, ko je bil TATSA v nateznih (sl. S18), zvitih (sl. S19) in pogojih različne vlažnosti (sl. S20).
Na podlagi zgoraj navedenih številnih prednosti TATSA smo razvili brezžični mobilni sistem za spremljanje zdravja (WMHMS), ki ima zmožnost neprekinjenega pridobivanja fizioloških signalov in nato strokovnega svetovanja pacientu.Slika 4A prikazuje diagram sheme WMHMS, ki temelji na TATSA.Sistem ima štiri komponente: TATSA za pridobivanje analognih fizioloških signalov, analogno kondicionirno vezje z nizkopasovnim filtrom (MAX7427) in ojačevalnikom (MAX4465), ki zagotavlja dovolj podrobnosti in odlično sinhronizacijo signalov, analogno-digitalno pretvornik, ki temelji na mikrokrmilniški enoti za zbiranje in pretvorbo analognih signalov v digitalne signale, in modul Bluetooth (CC2640 low-power Bluetooth čip) za prenos digitalnega signala v aplikacijo terminala mobilnega telefona (APP; Huawei Honor 9).V tej študiji smo TATSA brezhibno všili v vezalko, zapestnico, nastavek za prste in nogavico, kot je prikazano na sliki 4B.
(A) Ilustracija WMHMS.(B) Fotografije TATSA-jev, všitih v zapestnico, držalo za prste, nogavico in naprsni trak.Merjenje utripa na (C1) vratu, (D1) zapestju, (E1) konici prsta in (F1) gležnju.Valovna oblika impulza na (C2) vratu, (D2) zapestju, (E2) konici prsta in (F2) gležnju.(G) Valovne oblike pulza različnih starosti.(H) Analiza posameznega pulznega vala.Indeks radialne povečave (AIx), opredeljen kot AIx (%) = P2/P1.P1 je vrh napredujočega vala, P2 pa vrh odbitega vala.(I) Utripni cikel brahialne mišice in gležnja.Hitrost pulznega vala (PWV) je definirana kot PWV = D/∆T.D je razdalja med gležnjem in brahialno kostjo.∆T je časovni zamik med vrhoma gleženjskih in brahialnih pulznih valov.PTT, čas prehoda impulza.(J) Primerjava AIx in brahialno-gleženjskega PWV (BAPWV) med zdravimi in CADs.*P <0,01, **P <0,001 in ***P <0,05.HTN, hipertenzija;CHD, koronarna bolezen srca;DM, diabetes mellitus.Avtor fotografije: Jin Yang, Univerza Chongqing.
Za spremljanje pulznih signalov različnih delov človeškega telesa smo zgoraj omenjene okraske s TATSA pritrdili na ustrezne položaje: vrat (slika 4C1), zapestje (slika 4D1), konico prsta (slika 4E1) in gleženj (slika 4F1). ), kot je razloženo v filmih S3 do S6.V medicini obstajajo tri bistvene značilnosti pulznega vala: vrh napredujočega vala P1, vrh odbitega vala P2 in vrh dikrotičnega vala P3.Značilnosti teh značilnih točk odražajo zdravstveno stanje arterijske elastičnosti, perifernega upora in kontraktilnosti levega prekata, povezane s kardiovaskularnim sistemom.Valovne oblike pulza 25-letne ženske na zgornjih štirih položajih smo pridobili in posneli v našem testu.Upoštevajte, da so bile tri značilne točke (P1 do P3) opažene na valovni obliki pulza na položajih vratu, zapestja in prstov, kot je prikazano na sliki 4 (C2 do E2).Nasprotno sta se na valovni obliki pulza na položaju gležnja pojavila samo P1 in P3, P2 pa ni bil prisoten (slika 4F2).Ta rezultat je povzročila superpozicija vhodnega krvnega vala, ki ga izloči levi prekat, in odbitega vala iz spodnjih okončin (44).Predhodne študije so pokazale, da se P2 pojavlja v valovnih oblikah, izmerjenih v zgornjih okončinah, ne pa v gležnju (45, 46).Opazili smo podobne rezultate v valovnih oblikah, izmerjenih s TATSA, kot je prikazano na sl.S21, ki prikazuje tipične podatke iz populacije 80 bolnikov, ki so jih preučevali tukaj.Vidimo lahko, da se P2 ni pojavil v teh valovnih oblikah pulza, izmerjenih v gležnju, kar dokazuje sposobnost TATSA, da zazna subtilne značilnosti znotraj valovne oblike.Ti rezultati merjenja pulza kažejo, da lahko naš WMHMS natančno razkrije značilnosti pulznega vala zgornjega in spodnjega dela telesa in da je boljši od drugih del (41, 47).Da bi dodatno pokazali, da je našo TATSA mogoče široko uporabiti za različne starosti, smo izmerili pulzne valovne oblike 80 oseb v različnih starostih in prikazali nekaj tipičnih podatkov, kot je prikazano na sl.S22.Kot je prikazano na sliki 4G, smo izbrali tri udeležence, stare 25, 45 in 65 let, in tri značilne točke so bile očitne za mlade in udeležence srednjih let.Glede na medicinsko literaturo (48) se značilnosti pulznih valovnih oblik večine ljudi s staranjem spreminjajo, na primer izginotje točke P2, ki je posledica odbitega vala, ki se premakne naprej in se prekriva z napredujočim valom z zmanjšanjem žilna elastičnost.Ta pojav se odraža tudi v valovnih oblikah, ki smo jih zbrali, kar dodatno potrjuje, da je TATSA mogoče uporabiti za različne populacije.
Na pulzno valovno obliko ne vpliva le fiziološko stanje posameznika, ampak tudi pogoji testiranja.Zato smo izmerili impulzne signale pri različni tesnosti stika med TATSA in kožo (slika S23) in različnih položajih zaznavanja na mestu merjenja (slika S24).Ugotovimo lahko, da lahko TATSA pridobi dosledne oblike impulznih valov s podrobnimi informacijami okoli žile v velikem učinkovitem območju zaznavanja na mestu merjenja.Poleg tega obstajajo različni izhodni signali pri različni tesnosti stika med TATSA in kožo.Poleg tega bi gibanje posameznikov, ki nosijo senzorje, vplivalo na impulzne signale.Ko je zapestje subjekta v statičnem stanju, je amplituda dobljene valovne oblike pulza stabilna (slika S25A);nasprotno, ko se zapestje v 30 s počasi premika pod kotom od –70° do 70°, bo amplituda valovne oblike pulza nihala (slika S25B).Vendar pa je obris vsake oblike pulza viden in še vedno je mogoče natančno določiti hitrost pulza.Očitno je treba raziskati nadaljnje delo, vključno z zasnovo senzorja in obdelavo signala v ozadju, da bi dosegli stabilno pridobivanje pulznega vala pri človeškem gibanju.
Poleg tega smo za analizo in kvantitativno oceno stanja srčno-žilnega sistema prek pridobljenih pulznih valovnih oblik z našo TATSA uvedli dva hemodinamska parametra v skladu s specifikacijo ocenjevanja kardiovaskularnega sistema, in sicer indeks povečanja (AIx) in hitrost pulznega vala. (PWV), ki predstavljajo elastičnost arterij.Kot je prikazano na sliki 4H, je bila za analizo AIx uporabljena oblika impulznega valovanja na položaju zapestja 25-letnega zdravega moškega.Po formuli (odsek S1) smo dobili AIx = 60 %, kar je normalna vrednost.Nato smo istočasno zbrali dve valovni obliki pulza na položajih roke in gležnja tega udeleženca (podrobna metoda merjenja valovne oblike pulza je opisana v Materialih in metodah).Kot je prikazano na sliki 4I, so bile značilne točke obeh valovnih oblik pulza različne.Nato smo izračunali PWV po formuli (razdelek S1).Dobili smo PWV = 1363 cm/s, kar je značilna vrednost, pričakovana za zdravega odraslega moškega.Po drugi strani pa lahko vidimo, da razlika amplitude pulzne valovne oblike ne vpliva na meritve AIx ali PWV, vrednosti AIx v različnih delih telesa pa so različne.V naši študiji je bil uporabljen radialni AIx.Da bi preverili uporabnost WMHMS pri različnih ljudeh, smo izbrali 20 udeležencev v skupini zdravih, 20 v skupini s hipertenzijo (HTN), 20 v skupini s koronarno srčno boleznijo (CHD), starih od 50 do 59 let, in 20 v skupini skupini sladkorne bolezni (DM).Izmerili smo njihove pulzne valove in primerjali njihova dva parametra, AIx in PWV, kot je prikazano na sliki 4J.Ugotovimo lahko, da so bile vrednosti PWV skupin HTN, CHD in DM nižje v primerjavi z vrednostmi zdrave skupine in imajo statistično razliko (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 in PDM ≪ 0,001; vrednosti P so bile izračunane s t test).Medtem so bile vrednosti AIx skupin s HTN in CHD nižje v primerjavi z zdravo skupino in imajo statistično razliko (PHTN <0,01, PCHD <0,001 in PDM <0,05).PWV in AIx udeležencev s CHD, HTN ali DM sta bila višja od tistih v zdravi skupini.Rezultati kažejo, da je TATSA sposoben natančno pridobiti obliko pulznega valovanja za izračun srčno-žilnega parametra za oceno kardiovaskularnega zdravstvenega stanja.Skratka, zaradi svojih brezžičnih lastnosti, visoke ločljivosti, visoke občutljivosti in udobja WMHMS, ki temelji na TATSA, zagotavlja učinkovitejšo alternativo za spremljanje v realnem času kot trenutna draga medicinska oprema, ki se uporablja v bolnišnicah.
Poleg pulznega vala so informacije o dihanju tudi primarni vitalni znak, ki pomaga oceniti fizično stanje posameznika.Spremljanje dihanja, ki temelji na naši TATSA, je privlačnejše od običajne polisomnografije, saj ga je mogoče neopazno vključiti v oblačila za večje udobje.TATSA, všita v bel elastičen prsni trak, je bila neposredno privezana na človeško telo in pritrjena okoli prsi za spremljanje dihanja (slika 5A in film S7).TATSA se je deformirala z razširitvijo in krčenjem prsnega koša, kar je povzročilo električni izhod.Pridobljena valovna oblika je preverjena na sliki 5B.Dihalnemu gibanju je ustrezal signal z velikimi nihanji (amplituda 1,8 V) in periodičnimi spremembami (frekvenca 0,5 Hz).Relativno majhen signal nihanja je bil nadgrajen s tem velikim signalom nihanja, ki je bil signal srčnega utripa.Glede na frekvenčne značilnosti signalov dihanja in srčnega utripa smo uporabili 0,8-Hz nizkopasovni filter in 0,8- do 20-Hz pasovni filter za ločevanje dihalnih in srčnih signalov, kot je prikazano na sliki 5C. .V tem primeru so bili stabilni dihalni in pulzni signali z bogatimi fiziološkimi informacijami (kot so frekvenca dihanja, frekvenca srčnega utripa in značilne točke pulznega vala) pridobljeni istočasno in natančno s preprosto postavitvijo ene same TATSA na prsni koš.
(A) Fotografija, ki prikazuje zaslon TATSA, nameščenega na prsih za merjenje signala v tlaku, povezanem z dihanjem.(B) Graf napetost-čas za TATSA, nameščeno na prsih.(C) Razčlenitev signala (B) na srčni utrip in dihalno valovno obliko.(D) Fotografija, ki prikazuje dve TATSA, nameščeni na trebuh in zapestje za merjenje dihanja oziroma utripa med spanjem.(E) Dihalni in pulzni signali zdravega udeleženca.HR, srčni utrip;BPM, utripi na minuto.(F) Dihalni in pulzni signali udeleženca SAS.(G) Dihalni signal in PTT zdravega udeleženca.(H) Dihalni signal in PTT udeleženca SAS.(I) Razmerje med indeksom vzburjenosti PTT in indeksom apneje-hipopneje (AHI).Avtor fotografije: Wenjing Fan, Univerza Chongqing.
Da bi dokazali, da lahko naš senzor natančno in zanesljivo spremlja signale pulza in dihanja, smo izvedli poskus primerjave rezultatov meritev signalov pulza in dihanja med našimi TATSA in standardnim medicinskim instrumentom (MHM-6000B), kot je opisano v filmih S8 in S9.Pri merjenju pulznega vala je deklica fotoelektrični senzor medicinskega instrumenta nosila na levem kazalcu, medtem pa je naša TATSA nosila na desnem kazalcu.Iz obeh pridobljenih valovnih oblik pulza lahko vidimo, da so bili njuni obrisi in podrobnosti enaki, kar kaže, da je pulz, izmerjen s TATSA, enako natančen kot tisti z medicinskim instrumentom.Pri merjenju dihalnih valov je bilo pet elektrokardiografskih elektrod pritrjenih na pet področij na telesu mladeniča po zdravniškem navodilu.Nasprotno pa je bila le ena TATSA neposredno privezana na telo in pritrjena okoli prsi.Iz zbranih respiratornih signalov je razvidno, da sta bila težnja variacije in stopnja zaznanega respiratornega signala z našo TATSA skladna s tistim z medicinskim instrumentom.Ta dva primerjalna poskusa sta potrdila natančnost, zanesljivost in preprostost našega senzorskega sistema za spremljanje pulza in dihalnih signalov.
Poleg tega smo izdelali kos pametnega oblačila in zašili dva TATSA na položaje trebuha in zapestja za spremljanje dihalnih oziroma pulznih signalov.Natančneje, razviti dvokanalni WMHMS je bil uporabljen za hkratno zajemanje pulza in dihalnih signalov.S tem sistemom smo pridobili dihalne in pulzne signale 25-letnega moškega, oblečenega v naša pametna oblačila med spanjem (slika 5D in film S10) in sedenjem (slika S26 in film S11).Pridobljene dihalne in pulzne signale je mogoče brezžično prenesti v APP mobilnega telefona.Kot je navedeno zgoraj, ima TATSA možnost zajemanja dihalnih in pulznih signalov.Ta dva fiziološka signala sta tudi merila za medicinsko oceno SAS.Zato se lahko naš TATSA uporablja tudi za spremljanje in ocenjevanje kakovosti spanja in s tem povezanih motenj spanja.Kot je prikazano na sliki 5 (E oziroma F), smo nenehno merili pulz in dihalne valove dveh udeležencev, zdravega in bolnika s SAS.Pri osebi brez apneje sta izmerjena hitrost dihanja in srčnega utripa ostala stabilna pri 15 oziroma 70.Pri bolniku s SAS je bila opažena izrazita apneja v trajanju 24 s, ki je pokazatelj obstruktivnega respiratornega dogodka, srčni utrip pa se je po obdobju apneje zaradi regulacije živčnega sistema nekoliko povečal (49).Če povzamemo, stanje dihal lahko oceni naš TATSA.
Za nadaljnjo oceno vrste SAS prek impulznih in dihalnih signalov smo analizirali tranzitni čas impulza (PTT), neinvazivni indikator, ki odraža spremembe perifernega žilnega upora in intratorakalnega tlaka (opredeljenega v razdelku S1) zdravega moškega in bolnika z SAS.Pri zdravem udeležencu je stopnja dihanja ostala nespremenjena, PTT pa relativno stabilen od 180 do 310 ms (slika 5G).Vendar se je pri udeležencu SAS PTT med apnejo nenehno povečeval s 120 na 310 ms (slika 5H).Tako so udeležencu postavili diagnozo obstruktivni SAS (OSAS).Če bi se sprememba PTT zmanjšala med apnejo, bi stanje določili kot centralni sindrom apneje med spanjem (CSAS), in če bi oba od teh dveh simptomov obstajala hkrati, bi bilo diagnosticirano kot mešani SAS (MSAS).Za oceno resnosti SAS smo dodatno analizirali zbrane signale.Indeks vzbujanja PTT, ki je število vzbujanja PTT na uro (vzbujanje PTT je definirano kot padec PTT za ≥15 ms, ki traja ≥3 s), ima ključno vlogo pri ocenjevanju stopnje SAS.Indeks apneje-hipopneje (AHI) je standard za določanje stopnje SAS (apneja je prenehanje dihanja, hipopneja pa pretirano plitko dihanje ali nenormalno nizka frekvenca dihanja), ki je opredeljen kot število apnej in hipopnej na uro med spanjem (razmerje med AHI in kriteriji ocenjevanja za OSAS je prikazano v tabeli S2).Da bi raziskali razmerje med AHI in indeksom vzburjenosti PTT, so bili dihalni signali 20 bolnikov s SAS izbrani in analizirani s TATSA.Kot je prikazano na sliki 5I, je indeks vzburjenosti PTT pozitivno koreliral z AHI, saj apneja in hipopneja med spanjem povzročata očitno in prehodno zvišanje krvnega tlaka, kar vodi do znižanja PTT.Zato lahko naša TATSA hkrati pridobi stabilne in natančne pulzne in dihalne signale ter tako zagotovi pomembne fiziološke informacije o kardiovaskularnem sistemu in SAS za spremljanje in vrednotenje povezanih bolezni.
Če povzamemo, razvili smo TATSA z uporabo celotnega šiva jopice za hkratno zaznavanje različnih fizioloških signalov.Ta senzor je imel visoko občutljivost 7,84 mV Pa−1, hiter odzivni čas 20 ms, visoko stabilnost več kot 100.000 ciklov in široko pasovno širino delovne frekvence.Na podlagi TATSA je bil razvit tudi WMHMS za prenos izmerjenih fizioloških parametrov na mobilni telefon.TATSA se lahko vključi v različna mesta oblačil za estetsko oblikovanje in se uporablja za hkratno spremljanje pulza in dihalnih signalov v realnem času.Sistem je mogoče uporabiti za pomoč pri razlikovanju med zdravimi posamezniki in tistimi s CAD ali SAS zaradi njegove zmožnosti zajemanja podrobnih informacij.Ta študija je zagotovila udoben, učinkovit in uporabniku prijazen pristop za merjenje človeškega utripa in dihanja, kar predstavlja napredek v razvoju nosljive tekstilne elektronike.
Nerjaveče jeklo je bilo večkrat prepuščeno skozi kalup in raztegnjeno, da je nastalo vlakno s premerom 10 μm.Vlakno iz nerjavečega jekla kot elektroda je bilo vstavljeno v več kosov komercialne enoslojne terilenske preje.
Za zagotavljanje signala sinusnega tlaka sta bila uporabljena funkcijski generator (Stanford DS345) in ojačevalnik (LabworkPa-13).Za merjenje zunanjega tlaka na TATSA je bil uporabljen senzor sile z dvojnim območjem (Vernier Software & Technology LLC).Sistemski elektrometer Keithley (Keithley 6514) je bil uporabljen za spremljanje in beleženje izhodne napetosti in toka TATSA.
V skladu s preskusno metodo AATCC 135-2017 smo uporabili TATSA in dovolj balasta kot 1,8-kg obremenitve in jih nato dali v komercialni pralni stroj (Labtex LBT-M6T) za izvedbo občutljivih pralnih ciklov v pralnem stroju.Nato smo pralni stroj napolnili z 18 litri vode pri 25 °C in nastavili pralni stroj na izbrani cikel pranja in čas (hitrost mešanja, 119 gibov na minuto; čas pranja 6 minut; končna hitrost centrifuge 430 vrt/min; končna čas ožemanja, 3 min).Nazadnje smo TATSA sušili na mirnem zraku pri sobni temperaturi, ki ni višja od 26 °C.
Preiskovancem je bilo naročeno, naj ležijo v ležečem položaju na postelji.TATSA je bila nameščena na merilnih mestih.Ko so bili subjekti v standardnem ležečem položaju, so vzdrževali popolnoma sproščeno stanje 5 do 10 minut.Nato se je začel meriti impulzni signal.
Dodatno gradivo za ta članek je na voljo na https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Slika S9.Rezultat simulacije porazdelitve sile TATSA pod uporabljenim pritiskom pri 0,2 kPa z uporabo programske opreme COMSOL.
Slika S10.Rezultati simulacije porazdelitve sile kontaktne enote pod uporabljenim tlakom pri 0,2 oziroma 2 kPa.
Slika S11.Popolne shematske ilustracije prenosa naboja kontaktne enote v pogojih kratkega stika.
Slika S13.Neprekinjena izhodna napetost in tok TATSA kot odziv na nenehno uporabljen zunanji tlak v merilnem ciklu.
Slika S14.Napetostni odziv na različno število enot zanke na istem območju tkanine, ko je število zank v smeri roba nespremenjeno.
Slika S15.Primerjava med izhodnimi zmogljivostmi dveh tekstilnih senzorjev z uporabo polnega in gladkega šiva.
Slika S16.Grafi, ki prikazujejo frekvenčne odzive pri dinamičnem tlaku 1 kPa in vhodni frekvenci tlaka 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 in 20 Hz.
Slika S25.Izhodne napetosti senzorja, ko je bil subjekt v statičnih pogojih in pogojih gibanja.
Slika S26.Fotografija, ki prikazuje TATSA, nameščene na trebuh in zapestje hkrati za merjenje dihanja oziroma utripa.
To je članek z odprtim dostopom, ki se distribuira pod pogoji licence Creative Commons Attribution-NonCommercial, ki dovoljuje uporabo, distribucijo in reprodukcijo v katerem koli mediju, če posledična uporaba ni v komercialne namene in če je izvirno delo pravilno citirano.
OPOMBA: Vaš e-poštni naslov zahtevamo samo zato, da oseba, ki ji priporočate stran, ve, da ste želeli, da jo vidi, in da to ni neželena pošta.Ne zajemamo nobenega e-poštnega naslova.
Avtor: Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Za spremljanje zdravja je bil razvit triboelektrični popolnoma tekstilni senzor z visoko občutljivostjo na pritisk in udobjem.
Avtor: Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Za spremljanje zdravja je bil razvit triboelektrični popolnoma tekstilni senzor z visoko občutljivostjo na pritisk in udobjem.
© 2020 Ameriško združenje za napredek znanosti.Vse pravice pridržane.AAAS je partner HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef in COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Čas objave: 27. marec 2020