ผ้าเซ็นเซอร์ที่ถักด้วยเครื่องซักได้เพื่อการตรวจสอบสัญญาณทางสรีรวิทยาของผิวหนังชั้นผิวหนังที่แม่นยำ

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สิ่งทอที่สวมใส่ได้เป็นที่ต้องการอย่างมากสำหรับการจัดการสุขภาพส่วนบุคคลอย่างไรก็ตาม อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สิ่งทอที่ได้รับรายงานส่วนใหญ่สามารถกำหนดเป้าหมายสัญญาณทางสรีรวิทยาเพียงสัญญาณเดียวเป็นระยะๆ หรือพลาดรายละเอียดที่ชัดเจนของสัญญาณ ซึ่งนำไปสู่การประเมินสุขภาพบางส่วนนอกจากนี้ สิ่งทอที่มีคุณสมบัติดีเยี่ยมและความสบายยังคงเป็นความท้าทายที่นี่ เรารายงานชุดเซ็นเซอร์ไทรโบอิเล็กทริกทุกสิ่งทอที่มีความไวต่อแรงกดสูงและความสบายโดยแสดงความไวต่อแรงกด (7.84 mV Pa−1) เวลาตอบสนองที่รวดเร็ว (20 ms) ความเสถียร (>100,000 รอบ) แบนด์วิธความถี่การทำงานที่กว้าง (สูงสุด 20 Hz) และการซักด้วยเครื่อง (>40 ล้าง)TATSA ที่ประดิษฐ์ขึ้นนั้นถูกเย็บเข้ากับส่วนต่างๆ ของเสื้อผ้าเพื่อติดตามคลื่นชีพจรของหลอดเลือดและสัญญาณทางเดินหายใจไปพร้อมๆ กันเรายังพัฒนาระบบติดตามสุขภาพเพิ่มเติมสำหรับการประเมินโรคหลอดเลือดหัวใจและภาวะหยุดหายใจขณะหลับในระยะยาวและไม่รุกล้ำ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าอย่างมากในการวิเคราะห์เชิงปริมาณของโรคเรื้อรังบางชนิด

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้ถือเป็นโอกาสอันน่าทึ่งเนื่องจากมีการใช้งานที่มีแนวโน้มในด้านการแพทย์เฉพาะบุคคลสามารถตรวจสอบสถานะสุขภาพของแต่ละบุคคลได้อย่างต่อเนื่อง เรียลไทม์ และไม่เป็นอันตราย (1–11)ชีพจรและการหายใจซึ่งเป็นองค์ประกอบที่ขาดไม่ได้ของสัญญาณชีพสามารถให้ทั้งการประเมินสถานะทางสรีรวิทยาที่แม่นยำและข้อมูลเชิงลึกที่น่าทึ่งในการวินิจฉัยและการพยากรณ์โรคที่เกี่ยวข้อง (12–21)ในปัจจุบัน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้ส่วนใหญ่สำหรับการตรวจจับสัญญาณทางสรีรวิทยาที่ละเอียดอ่อนนั้นใช้พื้นผิวบางเฉียบ เช่น โพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต โพลีไดเมทิลไซลอกเซน โพลีอิไมด์ แก้ว และซิลิโคน (22–26)ข้อเสียเปรียบของวัสดุพิมพ์เหล่านี้สำหรับใช้กับผิวหนังอยู่ที่รูปแบบระนาบและแข็งเป็นผลให้ต้องใช้เทป พลาสเตอร์ หรืออุปกรณ์อื่นๆ เพื่อสร้างการสัมผัสที่กะทัดรัดระหว่างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้กับผิวหนังของมนุษย์ ซึ่งอาจทำให้เกิดการระคายเคืองและความไม่สะดวกสบายในระหว่างการใช้งานเป็นเวลานาน (27, 28)นอกจากนี้ วัสดุพิมพ์เหล่านี้มีการซึมผ่านของอากาศได้ไม่ดี ส่งผลให้รู้สึกไม่สบายเมื่อใช้เพื่อการตรวจสอบสุขภาพอย่างต่อเนื่องในระยะยาวเพื่อบรรเทาปัญหาที่กล่าวมาข้างต้นในการดูแลสุขภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานในแต่ละวัน สิ่งทออัจฉริยะจึงนำเสนอโซลูชั่นที่เชื่อถือได้สิ่งทอเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะคือความนุ่ม น้ำหนักเบา และระบายอากาศได้ ดังนั้นจึงมีศักยภาพในการตระหนักถึงความสะดวกสบายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการทุ่มเทความพยายามอย่างเข้มข้นในการพัฒนาระบบที่ใช้สิ่งทอในเซ็นเซอร์ที่มีความละเอียดอ่อน การเก็บเกี่ยวพลังงาน และการจัดเก็บ (29–39)โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มีรายงานการวิจัยที่ประสบความสำเร็จเกี่ยวกับใยแก้วนำแสง เพียโซอิเล็กทริก และสิ่งทออัจฉริยะที่ใช้ความต้านทานไฟฟ้าที่ใช้ในการติดตามสัญญาณชีพจรและระบบทางเดินหายใจ (40–43)อย่างไรก็ตาม สิ่งทออัจฉริยะเหล่านี้มักจะมีความไวต่ำและมีพารามิเตอร์การตรวจสอบเดียว และไม่สามารถผลิตในขนาดใหญ่ได้ (ตาราง S1)ในกรณีของการวัดพัลส์ ข้อมูลรายละเอียดจะจับได้ยากเนื่องจากการผันผวนของพัลส์ที่จางๆ อย่างรวดเร็ว (เช่น จุดต่างๆ ของพัลส์) ดังนั้น จึงจำเป็นต้องมีความไวสูงและประสิทธิภาพการตอบสนองความถี่ที่เหมาะสม

ในการศึกษานี้ เราแนะนำชุดเซ็นเซอร์ไทรโบอิเล็กทริกทุกสิ่งทอ (TATSA) ที่มีความไวสูงสำหรับการจับแรงกดที่ละเอียดอ่อนของผิวหนังชั้นนอก ถักด้วยเส้นด้ายนำไฟฟ้าและไนลอนในตะเข็บคาร์ดิแกนเต็มตัวTATSA สามารถให้ความไวต่อแรงดันสูง (7.84 mV Pa−1) เวลาตอบสนองที่รวดเร็ว (20 ms) ความเสถียร (>100,000 รอบ) แบนด์วิธความถี่การทำงานที่กว้าง (สูงสุด 20 Hz) และการซักด้วยเครื่อง (>40 ล้าง)สามารถรวมตัวเองเข้ากับเสื้อผ้าได้อย่างสะดวกโดยมีความรอบคอบ สบาย และสวยงามโดยเฉพาะอย่างยิ่ง TATSA ของเราสามารถรวมเข้ากับตำแหน่งต่างๆ ของเนื้อผ้าได้โดยตรง ซึ่งสอดคล้องกับคลื่นชีพจรที่ตำแหน่งคอ ข้อมือ ปลายนิ้ว และข้อเท้า และกับคลื่นทางเดินหายใจในช่องท้องและหน้าอกเพื่อประเมินประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของ TATSA ในการติดตามสุขภาพแบบเรียลไทม์และระยะไกล เราได้พัฒนาระบบติดตามสุขภาพอัจฉริยะส่วนบุคคลเพื่อรับและบันทึกสัญญาณทางสรีรวิทยาอย่างต่อเนื่องสำหรับการวิเคราะห์โรคหลอดเลือดหัวใจ (CAD) และการประเมินกลุ่มอาการหยุดหายใจขณะหลับ (SAS ).

ดังที่แสดงในรูปที่ 1A มีการเย็บ TATSA สองตัวไว้ที่ข้อมือและหน้าอกของเสื้อเพื่อให้สามารถติดตามสัญญาณชีพจรและระบบทางเดินหายใจแบบไดนามิกและพร้อมกันตามลำดับสัญญาณทางสรีรวิทยาเหล่านี้ถูกส่งแบบไร้สายไปยังแอปพลิเคชันเทอร์มินัลมือถืออัจฉริยะ (APP) เพื่อการวิเคราะห์สถานะสุขภาพเพิ่มเติมรูปที่ 1B แสดง TATSA ที่เย็บเข้ากับผ้าชิ้นหนึ่ง และสิ่งที่ใส่เข้าไปแสดงมุมมองที่ขยายของ TATSA ซึ่งถักโดยใช้เส้นด้ายนำไฟฟ้าที่มีลักษณะเฉพาะและเส้นด้ายไนลอนเชิงพาณิชย์เข้าด้วยกันในตะเข็บคาร์ดิแกนเต็มตัวเมื่อเปรียบเทียบกับการเย็บธรรมดาแบบพื้นฐาน วิธีการถักแบบธรรมดาและพื้นฐานที่สุด เลือกใช้การเย็บแบบคาร์ดิแกนแบบเต็มตัว เนื่องจากการสัมผัสระหว่างหัวห่วงของเส้นด้ายนำไฟฟ้ากับหัวตะเข็บเหน็บที่อยู่ติดกันของเส้นด้ายไนลอน (รูปที่ S1) นั้นเป็นพื้นผิว แทนที่จะเป็นการสัมผัสแบบจุด ซึ่งนำไปสู่พื้นที่การแสดงที่ใหญ่ขึ้นสำหรับเอฟเฟกต์ไทรโบอิเล็กทริกสูงในการเตรียมเส้นด้ายนำไฟฟ้า เราเลือกสแตนเลสเป็นเส้นใยหลักคงที่ และเส้นด้าย Terylene ชั้นเดียวหลายชิ้นถูกบิดรอบๆ เส้นใยหลักเป็นเส้นด้ายนำไฟฟ้าเส้นเดียวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.2 มม. (รูปที่ S2) ซึ่งทำหน้าที่เป็น ทั้งพื้นผิวกระแสไฟฟ้าและอิเล็กโทรดนำไฟฟ้าเส้นด้ายไนลอนซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.15 มม. และทำหน้าที่เป็นพื้นผิวไฟฟ้าอีกประเภทหนึ่ง มีแรงดึงที่แข็งแกร่งเนื่องจากถูกบิดด้วยเส้นด้ายที่ไม่สามารถคำนวณได้ (รูปที่ S3)รูปที่ 1 (C และ D ตามลำดับ) แสดงภาพถ่ายของเส้นด้ายนำไฟฟ้าประดิษฐ์และเส้นด้ายไนลอนสิ่งที่ใส่เข้าไปจะแสดงภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ตามลำดับ ซึ่งนำเสนอภาพตัดขวางทั่วไปของเส้นด้ายนำไฟฟ้าและพื้นผิวของเส้นด้ายไนลอนความต้านทานแรงดึงสูงของเส้นด้ายนำไฟฟ้าและเส้นด้ายไนลอนทำให้มั่นใจได้ถึงความสามารถในการทอผ้าบนเครื่องจักรอุตสาหกรรม เพื่อรักษาประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอของเซ็นเซอร์ทั้งหมดดังที่แสดงในรูปที่ 1E เส้นด้ายนำไฟฟ้า เส้นด้ายไนลอน และด้ายธรรมดาถูกพันบนกรวยตามลำดับ ซึ่งจากนั้นถูกโหลดลงบนเครื่องถักแบนระบบคอมพิวเตอร์อุตสาหกรรมเพื่อการทออัตโนมัติ (ภาพยนตร์ S1)ดังแสดงในรูปS4, TATSA หลายผืนถูกถักด้วยผ้าธรรมดาโดยใช้เครื่องจักรอุตสาหกรรมTATSA เดี่ยวที่มีความหนา 0.85 มม. และน้ำหนัก 0.28 กรัมสามารถปรับแต่งจากโครงสร้างทั้งหมดสำหรับการใช้งานส่วนบุคคลได้ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเข้ากันได้ดีเยี่ยมกับผ้าชนิดอื่นนอกจากนี้ TATSA ยังสามารถออกแบบให้มีสีต่างๆ เพื่อตอบสนองความต้องการด้านสุนทรียศาสตร์และแฟชั่น เนื่องจากเส้นด้ายไนลอนเชิงพาณิชย์ที่หลากหลาย (รูปที่ 1F และรูปที่ S5)TATSA ที่ประดิษฐ์ขึ้นมีความนุ่มนวลเป็นเลิศและมีความสามารถในการทนต่อการโค้งงอหรือการเสียรูปอย่างรุนแรง (รูปที่ S6)รูปที่ 1G แสดง TATSA ที่เย็บเข้ากับหน้าท้องและข้อมือของเสื้อสเวตเตอร์โดยตรงขั้นตอนการถักเสื้อสเวตเตอร์ดังแสดงในรูปS7 และภาพยนตร์ S2รายละเอียดของด้านหน้าและด้านหลังของ TATSA ที่ยืดตรงตำแหน่งหน้าท้องแสดงไว้ในรูปที่ 1S8 (A และ B ตามลำดับ) และตำแหน่งของเส้นด้ายนำไฟฟ้าและเส้นด้ายไนลอนแสดงไว้ในรูปที่ 1S8C.จะเห็นได้ว่า TATSA สามารถฝังอยู่ในเนื้อผ้าธรรมดาได้อย่างลงตัวเพื่อรูปลักษณ์ที่สุขุมและชาญฉลาด

(A) TATSA สองตัวรวมอยู่ในเสื้อเพื่อติดตามสัญญาณชีพจรและระบบทางเดินหายใจแบบเรียลไทม์(B) ภาพประกอบแผนผังของการรวมกันของ TATSA และเสื้อผ้าสิ่งที่ใส่เข้าไปจะแสดงมุมมองที่ขยายใหญ่ขึ้นของเซ็นเซอร์(C) รูปถ่ายของเส้นด้ายนำไฟฟ้า (แท่งขนาด 4 ซม.)สิ่งที่ใส่เข้าไปคือภาพ SEM ของภาพตัดขวางของเส้นด้ายนำไฟฟ้า (แท่งมาตราส่วน 100 μm) ซึ่งประกอบด้วยเหล็กกล้าไร้สนิมและเส้นด้ายเทอร์ลีน(D) รูปถ่ายของเส้นด้ายไนลอน (แท่งขนาด 4 ซม.)สิ่งที่ใส่เข้าไปคือภาพ SEM ของพื้นผิวเส้นด้ายไนลอน (แท่งมาตราส่วน 100 μm)(E) รูปภาพของเครื่องถักแบบแบนที่ใช้คอมพิวเตอร์ทำการทอแบบอัตโนมัติของ TATSA(F) ภาพถ่ายของ TATSA ในสีต่างๆ (แถบมาตราส่วน 2 ซม.)สิ่งที่ใส่เข้าไปคือ TATSA ที่บิดเบี้ยว ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความนุ่มนวลที่ยอดเยี่ยม(G) รูปถ่ายของ TATSA สองตัวที่เย็บเข้ากับเสื้อสเวตเตอร์อย่างแนบเนียนและไร้รอยต่อเครดิตภาพ: Wenjing Fan, มหาวิทยาลัยฉงชิ่ง

เพื่อวิเคราะห์กลไกการทำงานของ TATSA รวมถึงคุณสมบัติทางกลและทางไฟฟ้า เราได้สร้างแบบจำลองการถักแบบเรขาคณิตของ TATSA ดังแสดงในรูปที่ 2Aการใช้ตะเข็บแบบคาร์ดิแกนทั้งเส้น เส้นด้ายนำไฟฟ้าและไนลอนจะเชื่อมต่อกันในรูปแบบของห่วงในทิศทางของเส้นด้ายและทิศทางของเส้นด้ายโครงสร้างห่วงเดี่ยว (รูปที่ S1) ประกอบด้วยส่วนหัวของห่วง แขนของห่วง ส่วนที่เป็นสันไขว้ แขนของตะเข็บเหน็บ และหัวของตะเข็บเหน็บพื้นผิวสัมผัสระหว่างเส้นด้ายทั้งสองชนิดมีพื้นผิวสัมผัสสองรูปแบบ: (i) พื้นผิวสัมผัสระหว่างหัวห่วงของเส้นด้ายนำไฟฟ้าและหัวเย็บตะเข็บของเส้นด้ายไนลอน และ (ii) พื้นผิวสัมผัสระหว่างหัวห่วงของเส้นด้ายนำไฟฟ้า เส้นด้ายไนลอนและหัวตะเข็บเหน็บของเส้นด้ายนำไฟฟ้า

(A) TATSA ที่มีห่วงถักด้านหน้า ขวา และด้านบนของห่วง(B) ผลการจำลองการกระจายแรงของ TATSA ภายใต้แรงดันที่ใช้ 2 kPa โดยใช้ซอฟต์แวร์ COMSOL(C) ภาพประกอบแผนผังของการถ่ายโอนประจุของหน่วยหน้าสัมผัสภายใต้สภาวะไฟฟ้าลัดวงจร(D) ผลการจำลองการกระจายประจุของหน่วยหน้าสัมผัสภายใต้สภาวะวงจรเปิดโดยใช้ซอฟต์แวร์ COMSOL

หลักการทำงานของ TATSA สามารถอธิบายได้ 2 ด้าน คือ การกระตุ้นแรงภายนอกและประจุเหนี่ยวนำเพื่อให้เข้าใจการกระจายความเครียดเพื่อตอบสนองต่อแรงกระตุ้นภายนอกอย่างสังหรณ์ใจ เราใช้การวิเคราะห์ไฟไนต์เอลิเมนต์โดยใช้ซอฟต์แวร์ COMSOL ที่แรงภายนอกต่างๆ ที่ 2 และ 0.2 kPa ดังแสดงในรูปที่ 2B และรูปที่ 2 ตามลำดับS9.ความเค้นปรากฏบนพื้นผิวสัมผัสของเส้นด้ายสองเส้นดังแสดงในรูปS10 เราพิจารณาสองหน่วยลูปเพื่อชี้แจงการกระจายความเค้นในการเปรียบเทียบการกระจายความเค้นภายใต้แรงภายนอกสองแรงที่แตกต่างกัน ความเค้นบนพื้นผิวของเส้นด้ายนำไฟฟ้าและเส้นด้ายไนลอนจะเพิ่มขึ้นตามแรงภายนอกที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดการสัมผัสและการอัดขึ้นรูประหว่างเส้นด้ายทั้งสองเมื่อแรงภายนอกถูกปล่อยออกมา เส้นด้ายทั้งสองจะแยกตัวและเคลื่อนตัวออกจากกัน

การเคลื่อนที่ของการสัมผัสและการแยกระหว่างเส้นด้ายนำไฟฟ้าและเส้นด้ายไนลอนทำให้เกิดการถ่ายโอนประจุ ซึ่งเป็นผลมาจากการรวมกันของไทรโบอิเล็กทริฟิเคชั่นและการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตเพื่อชี้แจงกระบวนการสร้างกระแสไฟฟ้า เราจะวิเคราะห์ภาพตัดขวางของบริเวณที่เส้นด้ายทั้งสองสัมผัสกัน (รูปที่ 2C1)ดังแสดงในรูปที่ 2 (C2 และ C3 ตามลำดับ) เมื่อ TATSA ถูกกระตุ้นโดยแรงภายนอกและเส้นด้ายทั้งสองสัมผัสกัน การเกิดกระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของเส้นด้ายนำไฟฟ้าและเส้นด้ายไนลอน และประจุที่เท่ากันกับเส้นด้ายที่อยู่ตรงข้ามกัน ขั้วจะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวของเส้นด้ายทั้งสองเมื่อเส้นด้ายทั้งสองแยกจากกัน ประจุบวกจะเกิดขึ้นที่สแตนเลสด้านในเนื่องจากผลของการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตแผนผังที่สมบูรณ์จะแสดงในรูปส11.เพื่อให้เข้าใจเชิงปริมาณมากขึ้นเกี่ยวกับกระบวนการผลิตไฟฟ้า เราได้จำลองการกระจายศักยภาพของ TATSA โดยใช้ซอฟต์แวร์ COMSOL (รูปที่ 2D)เมื่อวัสดุทั้งสองสัมผัสกัน ประจุจะสะสมบนวัสดุเสียดสีเป็นหลัก และมีประจุเหนี่ยวนำเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่ปรากฏบนอิเล็กโทรด ส่งผลให้ศักย์ไฟฟ้ามีน้อย (รูปที่ 2D ด้านล่าง)เมื่อวัสดุทั้งสองถูกแยกออกจากกัน (รูปที่ 2D ด้านบน) ประจุเหนี่ยวนำบนอิเล็กโทรดจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากความต่างศักย์ไฟฟ้า และความต่างศักย์ไฟฟ้าที่สอดคล้องกันเพิ่มขึ้น ซึ่งเผยให้เห็นความสอดคล้องที่ดีระหว่างผลลัพธ์ที่ได้จากการทดลองกับผลลัพธ์จากการจำลอง .นอกจากนี้ เนื่องจากอิเล็กโทรดนำไฟฟ้าของ TATSA ถูกพันด้วยเส้นด้าย Terylene และผิวหนังสัมผัสกับวัสดุเสียดสีทั้งสอง ดังนั้น เมื่อ TATSA ถูกสวมเข้ากับผิวหนังโดยตรง ประจุจะขึ้นอยู่กับแรงภายนอกและจะไม่ ผิวจะอ่อนแอลง

เพื่อระบุลักษณะการทำงานของ TATSA ของเราในด้านต่างๆ เราได้จัดเตรียมระบบการวัดซึ่งประกอบด้วยเครื่องกำเนิดฟังก์ชัน เครื่องขยายกำลัง เครื่องเขย่าไฟฟ้าไดนามิก เกจวัดแรง อิเล็กโตรมิเตอร์ และคอมพิวเตอร์ (รูปที่ S12)ระบบนี้สร้างแรงดันไดนามิกภายนอกสูงถึง 7 kPaในการทดลอง TATSA ถูกวางบนแผ่นพลาสติกแบนในสถานะอิสระ และสัญญาณไฟฟ้าเอาท์พุตจะถูกบันทึกโดยอิเล็กโตรมิเตอร์

ข้อมูลจำเพาะของเส้นด้ายนำไฟฟ้าและเส้นด้ายไนลอนส่งผลต่อประสิทธิภาพเอาท์พุตของ TATSA เนื่องจากเส้นด้ายเหล่านี้เป็นตัวกำหนดพื้นผิวสัมผัสและความสามารถในการรับรู้แรงกดภายนอกเพื่อตรวจสอบสิ่งนี้ เราได้ประดิษฐ์เส้นด้ายทั้งสองขนาดสามขนาดตามลำดับ: เส้นด้ายนำไฟฟ้าที่มีขนาด 150D/3, 210D/3 และ 250D/3 และเส้นด้ายไนลอนที่มีขนาด 150D/6, 210D/6 และ 250D /6 (D, ดีเนียร์; หน่วยวัดที่ใช้กำหนดความหนาของเส้นใยของแต่ละเส้นด้าย ผ้าที่มีจำนวนดีเนียร์สูงมักจะมีความหนา)จากนั้น เราเลือกเส้นด้ายทั้งสองที่มีขนาดแตกต่างกันเพื่อถักเข้ากับเซ็นเซอร์ และขนาดของ TATSA จะถูกเก็บไว้ที่ 3 ซม. x 3 ซม. โดยมีหมายเลขห่วงเป็น 16 ในทิศทางของ wale และ 10 ในทิศทางของเส้นทางดังนั้นจึงได้เซ็นเซอร์ที่มีรูปแบบการถักเก้าแบบเซ็นเซอร์โดยเส้นด้ายนำไฟฟ้าที่มีขนาด 150D/3 และเส้นด้ายไนลอนที่มีขนาด 150D/6 นั้นบางที่สุด และเซ็นเซอร์โดยเส้นด้ายนำไฟฟ้าที่มีขนาด 250D/3 และเส้นด้ายไนลอนที่มีขนาด 250D/ 6 หนาที่สุดภายใต้การกระตุ้นเชิงกลที่ 0.1 ถึง 7 kPa ผลลัพธ์ทางไฟฟ้าสำหรับรูปแบบเหล่านี้ได้รับการตรวจสอบและทดสอบอย่างเป็นระบบ ดังแสดงในรูปที่ 3Aแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตของ TATSA ทั้งเก้าเพิ่มขึ้นตามแรงดันที่เพิ่มขึ้นจาก 0.1 เป็น 4 kPaโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในบรรดารูปแบบการถักทั้งหมด ข้อมูลจำเพาะของเส้นด้ายนำไฟฟ้า 210D/3 และเส้นด้ายไนลอน 210D/6 ให้เอาต์พุตไฟฟ้าสูงสุดและมีความไวสูงสุดแรงดันไฟขาออกมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามความหนาของ TATSA (เนื่องจากมีพื้นผิวสัมผัสที่เพียงพอ) เพิ่มขึ้น จนกระทั่ง TATSA ถักโดยใช้เส้นด้ายนำไฟฟ้า 210D/3 และเส้นด้ายไนลอน 210D/6เนื่องจากความหนาที่เพิ่มขึ้นจะนำไปสู่การดูดซับแรงกดภายนอกโดยเส้นด้าย แรงดันไฟเอาท์พุตจึงลดลงตามไปด้วยนอกจากนี้ มีข้อสังเกตว่าในบริเวณแรงดันต่ำ (<4 kPa) การแปรผันเชิงเส้นที่ประพฤติดีในแรงดันเอาต์พุตพร้อมแรงดัน ให้ความไวต่อแรงกดที่เหนือกว่าที่ 7.84 mV Pa−1ในบริเวณแรงดันสูง (>4 kPa) ทดลองสังเกตความไวต่อแรงกดที่ต่ำกว่า 0.31 mV Pa−1 เนื่องจากความอิ่มตัวของพื้นที่แรงเสียดทานที่มีประสิทธิผลมีการแสดงความไวต่อแรงกดที่คล้ายกันในระหว่างกระบวนการใช้แรงตรงกันข้ามโปรไฟล์เวลาที่เป็นรูปธรรมของแรงดันเอาต์พุตและกระแสภายใต้แรงกดดันที่แตกต่างกันแสดงไว้ในรูปที่ 1S13 (A และ B ตามลำดับ)

(A) แรงดันไฟขาออกภายใต้รูปแบบการถักเก้าแบบของเส้นด้ายนำไฟฟ้า (150D/3, 210D/3 และ 250D/3) รวมกับเส้นด้ายไนลอน (150D/6, 210D/6 และ 250D/6)(B) การตอบสนองแรงดันไฟฟ้าต่อจำนวนลูปยูนิตต่างๆ ในพื้นที่แฟบริคเดียวกัน เมื่อรักษาหมายเลขลูปในทิศทางวอลไม่เปลี่ยนแปลง(C) แผนภาพแสดงการตอบสนองความถี่ภายใต้แรงดันไดนามิก 1 kPa และความถี่อินพุตแรงดัน 1 Hz(D) แรงดันไฟฟ้าด้านเอาท์พุตและกระแสไฟฟ้าที่แตกต่างกันภายใต้ความถี่ 1, 5, 10 และ 20 Hz(E) การทดสอบความทนทานของ TATSA ภายใต้ความดัน 1 kPa(F) ลักษณะเอาต์พุตของ TATSA หลังจากล้าง 20 และ 40 ครั้ง

ความไวและแรงดันไฟเอาท์พุตยังได้รับอิทธิพลจากความหนาแน่นของตะเข็บของ TATSA ซึ่งถูกกำหนดโดยจำนวนลูปทั้งหมดในพื้นที่ที่วัดของผ้าการเพิ่มความหนาแน่นของตะเข็บจะทำให้โครงสร้างผ้ามีความแน่นมากขึ้นรูปที่ 3B แสดงประสิทธิภาพเอาท์พุตภายใต้หมายเลขลูปที่แตกต่างกันในพื้นที่สิ่งทอขนาด 3 ซม. x 3 ซม. และสิ่งที่ใส่เข้าไปแสดงโครงสร้างของหน่วยลูป (เราเก็บหมายเลขลูปไว้ในทิศทางของหลักสูตรที่ 10 และหมายเลขลูปใน ทิศทางของวอลคือ 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 และ 26)โดยการเพิ่มหมายเลขลูป แรงดันไฟเอาท์พุตมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นในช่วงแรกเนื่องจากพื้นผิวสัมผัสที่เพิ่มขึ้น จนกระทั่งแรงดันไฟเอาท์พุตสูงสุดอยู่ที่ 7.5 V ด้วยหมายเลขลูป 180 หลังจากจุดนี้ แรงดันไฟเอาท์พุตมีแนวโน้มลดลงเนื่องจาก TATSA ตึงตัว และเส้นด้ายทั้งสองก็มีพื้นที่การแยกหน้าสัมผัสลดลงเพื่อสำรวจทิศทางที่ความหนาแน่นมีผลกระทบอย่างมากต่อเอาท์พุต เราเก็บหมายเลขลูปของ TATSA ไว้ในทิศทาง wale ไว้ที่ 18 และหมายเลขลูปในทิศทางของคอร์สถูกกำหนดเป็น 7, 8, 9, 10 11, 12, 13 และ 14 แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตที่สอดคล้องกันแสดงไว้ในรูปที่ 1ส14.จากการเปรียบเทียบ เราจะเห็นได้ว่าความหนาแน่นในทิศทางของสนามมีอิทธิพลต่อแรงดันไฟเอาท์พุตมากกว่าด้วยเหตุนี้ จึงเลือกรูปแบบการถักของเส้นด้ายนำไฟฟ้า 210D/3 และเส้นด้ายไนลอน 210D/6 และเส้นด้าย 180 ห่วงเพื่อถัก TATSA หลังจากการประเมินคุณลักษณะผลลัพธ์อย่างครอบคลุมนอกจากนี้ เรายังเปรียบเทียบสัญญาณเอาท์พุตของเซ็นเซอร์สิ่งทอสองตัวโดยใช้การเย็บคาร์ดิแกนทั้งชุดและการเย็บธรรมดาดังแสดงในรูปS15 เอาต์พุตทางไฟฟ้าและความไวโดยใช้ตะเข็บคาร์ดิแกนเต็มตัวจะสูงกว่าการใช้ตะเข็บธรรมดามาก

วัดเวลาตอบสนองสำหรับการตรวจสอบสัญญาณเรียลไทม์ในการตรวจสอบเวลาตอบสนองของเซ็นเซอร์กับแรงภายนอก เราได้เปรียบเทียบสัญญาณแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตกับอินพุตแรงดันไดนามิกที่ความถี่ 1 ถึง 20 Hz (รูปที่ 3C และรูปที่ S16 ตามลำดับ)รูปคลื่นของแรงดันเอาต์พุตเกือบจะเหมือนกันกับคลื่นแรงดันไซน์ซอยด์อินพุตภายใต้ความดัน 1 kPa และรูปคลื่นของเอาท์พุตมีเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว (ประมาณ 20 มิลลิวินาที)ฮิสเทรีซิสนี้อาจเป็นผลมาจากโครงสร้างยืดหยุ่นที่ไม่กลับสู่สถานะเดิมโดยเร็วที่สุดหลังจากได้รับแรงภายนอกอย่างไรก็ตาม ฮิสเทรีซีสเล็กๆ นี้เป็นที่ยอมรับสำหรับการตรวจสอบแบบเรียลไทม์เพื่อให้ได้แรงดันไดนามิกในช่วงความถี่ที่แน่นอน คาดว่าจะมีการตอบสนองความถี่ที่เหมาะสมของ TATSAดังนั้นจึงมีการทดสอบลักษณะความถี่ของ TATSA ด้วยด้วยการเพิ่มความถี่ที่น่าตื่นเต้นภายนอก แอมพลิจูดของแรงดันเอาต์พุตยังคงแทบไม่เปลี่ยนแปลง ในขณะที่แอมพลิจูดของกระแสจะเพิ่มขึ้นเมื่อความถี่การกรีดเปลี่ยนจาก 1 ถึง 20 Hz (รูปที่ 3D)

เพื่อประเมินความสามารถในการทำซ้ำ ความเสถียร และความทนทานของ TATSA เราได้ทดสอบแรงดันไฟเอาท์พุตและการตอบสนองต่อกระแสไฟต่อรอบการขนถ่ายแรงดันใช้แรงดัน 1 kPa ที่มีความถี่ 5 Hz ไปที่เซ็นเซอร์แรงดันและกระแสจากจุดสูงสุดถึงจุดสูงสุดถูกบันทึกหลังจากรอบการขนถ่ายโหลด 100,000 รอบ (รูปที่ 3E และรูปที่ S17 ตามลำดับ)มุมมองที่ขยายของแรงดันไฟฟ้าและรูปคลื่นของกระแสจะแสดงอยู่ในภาพประกอบของรูปที่ 3E และรูปที่S17 ตามลำดับผลลัพธ์เผยให้เห็นความสามารถในการทำซ้ำ ความเสถียร และความทนทานที่โดดเด่นของ TATSAความสามารถในการซักยังเป็นเกณฑ์การประเมินที่สำคัญของ TATSA ในฐานะอุปกรณ์สิ่งทอทั้งหมดเพื่อประเมินความสามารถในการซัก เราได้ทดสอบแรงดันไฟขาออกของเซ็นเซอร์หลังจากที่เราล้าง TATSA ด้วยเครื่อง ตามวิธีทดสอบของ American Association of Textile Chemists and Colourists (AATCC) Test Method 135-2017ขั้นตอนการซักโดยละเอียดอธิบายไว้ในวัสดุและวิธีการดังที่แสดงในรูปที่ 3F เอาต์พุตทางไฟฟ้าจะถูกบันทึกหลังจากการซัก 20 ครั้งและ 40 ครั้ง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่ชัดเจนของแรงดันเอาต์พุตตลอดการทดสอบการซักผลลัพธ์เหล่านี้ยืนยันความสามารถในการซักที่น่าทึ่งของ TATSAในฐานะเซ็นเซอร์สิ่งทอที่สวมใส่ได้ เรายังสำรวจประสิทธิภาพเอาท์พุตเมื่อ TATSA อยู่ในสภาวะแรงดึง (รูปที่ S18) บิดเบี้ยว (รูปที่ S19) และสภาวะความชื้นที่แตกต่างกัน (รูปที่ S20)

จากข้อดีหลายประการของ TATSA ที่แสดงให้เห็นข้างต้น เราได้พัฒนาระบบตรวจสุขภาพเคลื่อนที่แบบไร้สาย (WMHMS) ซึ่งมีความสามารถในการรับสัญญาณทางสรีรวิทยาอย่างต่อเนื่อง จากนั้นจึงให้คำแนะนำอย่างมืออาชีพแก่ผู้ป่วยรูปที่ 4A แสดงไดอะแกรมโครงร่างของ WMHMS ตาม TATSAระบบมีส่วนประกอบสี่ส่วน: TATSA เพื่อรับสัญญาณทางสรีรวิทยาแบบอะนาล็อก วงจรปรับสภาพแบบอะนาล็อกพร้อมตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน (MAX7427) และเครื่องขยายเสียง (MAX4465) เพื่อให้มั่นใจในรายละเอียดที่เพียงพอและการซิงโครไนซ์สัญญาณที่ดีเยี่ยม อะนาล็อกเป็นดิจิตอล ตัวแปลงที่ใช้หน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อรวบรวมและแปลงสัญญาณอะนาล็อกเป็นสัญญาณดิจิตอล และโมดูลบลูทูธ (ชิปบลูทูธพลังงานต่ำ CC2640) เพื่อส่งสัญญาณดิจิตอลไปยังแอปพลิเคชันเทอร์มินัลโทรศัพท์มือถือ (APP; Huawei Honor 9)ในการศึกษานี้ เราได้เย็บ TATSA เข้ากับลูกไม้ สายรัดข้อมือ ที่วางนิ้ว และถุงเท้าอย่างไร้รอยต่อ ดังแสดงในรูปที่ 4B

(A) ภาพประกอบของ WMHMS(B) ภาพถ่ายของ TATSA ที่เย็บเข้ากับสายรัดข้อมือ ที่วางนิ้ว ถุงเท้า และสายรัดหน้าอก ตามลำดับการวัดชีพจรที่คอ (C1) ข้อมือ (D1) ปลายนิ้ว (E1) และข้อเท้า (F1)รูปคลื่นชีพจรที่คอ (C2) ข้อมือ (D2) ปลายนิ้ว (E2) และข้อเท้า (F2)(G) รูปคลื่นของชีพจรในช่วงอายุต่างๆ(H) การวิเคราะห์คลื่นพัลส์เดี่ยวดัชนีการเสริมรัศมี (AIx) ที่กำหนดเป็น AIx (%) = P2/P1P1 คือจุดสูงสุดของคลื่นที่กำลังรุก และ P2 คือจุดสูงสุดของคลื่นสะท้อน(I) วงจรชีพจรของแขนและข้อเท้าความเร็วคลื่นพัลส์ (PWV) ถูกกำหนดให้เป็น PWV = D/∆TD คือระยะห่างระหว่างข้อเท้าและแขน∆T คือการหน่วงเวลาระหว่างจุดสูงสุดของข้อเท้าและคลื่นชีพจรของแขนปตท. เวลาขนส่งพัลส์(J) การเปรียบเทียบ AIx และ brachial-ankle PWV (BAPWV) ระหว่างสุขภาพกับ CAD*P < 0.01, **P < 0.001 และ ***P < 0.05HTN, ความดันโลหิตสูง;โรคหลอดเลือดหัวใจ, โรคหลอดเลือดหัวใจ;DM เบาหวานเครดิตภาพ: Jin Yang, มหาวิทยาลัยฉงชิ่ง

ในการตรวจสอบสัญญาณชีพจรของส่วนต่างๆ ของร่างกายมนุษย์ เราได้ติดการตกแต่งดังกล่าวด้วย TATSA ในตำแหน่งที่เกี่ยวข้อง: คอ (รูปที่ 4C1) ข้อมือ (รูปที่ 4D1) ปลายนิ้ว (รูปที่ 4E1) และข้อเท้า (รูปที่ 4F1) ) ตามที่อธิบายไว้ในภาพยนตร์ S3 ถึง S6ในทางการแพทย์ มีจุดสำคัญสามจุดในคลื่นพัลส์: จุดสูงสุดของคลื่นที่กำลังรุก P1, จุดสูงสุดของคลื่นสะท้อน P2 และจุดสูงสุดของคลื่นไดโครติก P3คุณลักษณะของจุดคุณลักษณะเหล่านี้สะท้อนถึงสภาวะสุขภาพของความยืดหยุ่นของหลอดเลือดแดง ความต้านทานต่ออุปกรณ์ต่อพ่วง และความหดตัวของหัวใจห้องล่างซ้ายที่เกี่ยวข้องกับระบบหัวใจและหลอดเลือดรูปคลื่นชีพจรของผู้หญิงอายุ 25 ปีในสี่ตำแหน่งข้างต้นได้รับและบันทึกไว้ในการทดสอบของเราโปรดทราบว่าจุดคุณลักษณะที่สามารถแยกแยะได้สามจุด (P1 ถึง P3) ถูกสังเกตบนรูปคลื่นชีพจรที่ตำแหน่งคอ ข้อมือ และปลายนิ้ว ดังแสดงในรูปที่ 4 (C2 ถึง E2)ในทางตรงกันข้าม มีเพียง P1 และ P3 เท่านั้นที่ปรากฏบนรูปคลื่นของชีพจรที่ตำแหน่งข้อเท้า และไม่มี P2 (รูปที่ 4F2)ผลลัพธ์นี้เกิดจากการซ้อนทับกันของคลื่นเลือดที่เข้ามาซึ่งถูกดีดออกจากช่องซ้ายและคลื่นสะท้อนจากแขนขาส่วนล่าง (44)การศึกษาก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่า P2 แสดงในรูปคลื่นที่วัดที่แขนขาส่วนบน แต่ไม่ใช่ที่ข้อเท้า (45, 46)เราสังเกตเห็นผลลัพธ์ที่คล้ายกันในรูปคลื่นที่วัดด้วย TATSA ดังแสดงในรูปS21 ซึ่งแสดงข้อมูลทั่วไปจากประชากรผู้ป่วย 80 รายที่ศึกษาที่นี่เราจะเห็นได้ว่า P2 ไม่ปรากฏในรูปคลื่นชีพจรที่วัดที่ข้อเท้า ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสามารถของ TATSA ในการตรวจจับลักษณะที่ละเอียดอ่อนภายในรูปคลื่นผลการวัดชีพจรเหล่านี้บ่งชี้ว่า WMHMS ของเราสามารถเปิดเผยลักษณะคลื่นชีพจรของร่างกายส่วนบนและส่วนล่างได้อย่างแม่นยำ และเหนือกว่างานอื่นๆ (41, 47)เพื่อบ่งชี้เพิ่มเติมว่า TATSA ของเราสามารถนำมาใช้อย่างกว้างขวางกับช่วงอายุต่างๆ เราได้วัดรูปคลื่นชีพจรของอาสาสมัคร 80 รายในช่วงอายุต่างๆ กัน และเราได้แสดงข้อมูลทั่วไปบางอย่าง ดังแสดงในรูปที่ 1ส22.ดังที่แสดงในรูปที่ 4G เราเลือกผู้เข้าร่วมสามคนที่มีอายุ 25, 45 และ 65 ปี และประเด็นสำคัญสามประการนั้นชัดเจนสำหรับผู้เข้าร่วมที่อายุน้อยและวัยกลางคนตามวรรณกรรมทางการแพทย์ (48) ลักษณะของรูปคลื่นชีพจรของคนส่วนใหญ่เปลี่ยนแปลงไปตามอายุ เช่น การหายไปของจุด P2 ซึ่งเกิดจากการที่คลื่นสะท้อนเคลื่อนไปข้างหน้าเพื่อซ้อนทับตัวเองบนคลื่นที่กำลังรุกผ่านการลดลงใน ความยืดหยุ่นของหลอดเลือดปรากฏการณ์นี้ยังสะท้อนให้เห็นในรูปคลื่นที่เรารวบรวมไว้ เพื่อยืนยันเพิ่มเติมว่า TATSA สามารถนำไปใช้กับประชากรกลุ่มต่างๆ ได้

รูปคลื่นของพัลส์ได้รับผลกระทบไม่เพียงแต่จากสถานะทางสรีรวิทยาของแต่ละบุคคลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสภาวะการทดสอบด้วยดังนั้นเราจึงวัดสัญญาณพัลส์ภายใต้ความหนาแน่นของการสัมผัสที่แตกต่างกันระหว่าง TATSA และผิวหนัง (รูปที่ S23) และตำแหน่งการตรวจจับต่างๆ ที่บริเวณการวัด (รูปที่ S24)พบว่า TATSA สามารถรับรูปคลื่นพัลส์ที่สม่ำเสมอพร้อมข้อมูลโดยละเอียดรอบๆ ภาชนะในพื้นที่ตรวจจับขนาดใหญ่ที่มีประสิทธิผลที่บริเวณที่ทำการวัดนอกจากนี้ยังมีสัญญาณเอาต์พุตที่แตกต่างกันภายใต้ความหนาแน่นของการสัมผัสที่แตกต่างกันระหว่าง TATSA และผิวหนังนอกจากนี้การเคลื่อนไหวของบุคคลที่สวมเซ็นเซอร์จะส่งผลต่อสัญญาณพัลส์เมื่อข้อมือของวัตถุอยู่ในสภาพคงที่ แอมพลิจูดของรูปคลื่นพัลส์ที่ได้รับจะคงที่ (รูปที่ S25A)ในทางกลับกัน เมื่อข้อมือเคลื่อนที่ช้าๆ ในมุมตั้งแต่ −70° ถึง 70° ในช่วง 30 วินาที แอมพลิจูดของรูปคลื่นพัลส์จะผันผวน (รูปที่ S25B)อย่างไรก็ตาม สามารถมองเห็นรูปร่างของรูปคลื่นพัลส์แต่ละรูปได้ และยังสามารถรับอัตราพัลส์ได้อย่างแม่นยำแน่นอนว่าเพื่อให้ได้มาซึ่งคลื่นพัลส์ที่เสถียรในการเคลื่อนไหวของมนุษย์ จำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติม รวมถึงการออกแบบเซ็นเซอร์และการประมวลผลสัญญาณแบ็คเอนด์

นอกจากนี้ เพื่อวิเคราะห์และประเมินสภาพของระบบหัวใจและหลอดเลือดในเชิงปริมาณผ่านรูปคลื่นชีพจรที่ได้รับโดยใช้ TATSA ของเรา เราได้แนะนำพารามิเตอร์การไหลเวียนโลหิตสองตัวตามข้อกำหนดการประเมินของระบบหัวใจและหลอดเลือด ได้แก่ ดัชนีการเสริม (AIx) และความเร็วคลื่นชีพจร (PWV) ซึ่งแสดงถึงความยืดหยุ่นของหลอดเลือดแดงดังที่แสดงในรูปที่ 4H รูปคลื่นของชีพจรที่ตำแหน่งข้อมือของชายที่มีสุขภาพแข็งแรงอายุ 25 ปีถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ AIxตามสูตร (ส่วนที่ S1) จะได้ AIx = 60% ซึ่งเป็นค่าปกติจากนั้น เรารวบรวมรูปคลื่นของชีพจรสองรูปพร้อมกันที่ตำแหน่งแขนและข้อเท้าของผู้เข้าร่วมรายนี้ (รายละเอียดวิธีการวัดรูปคลื่นของชีพจรอธิบายไว้ในวัสดุและวิธีการ)ดังที่แสดงในรูปที่ 4I จุดคุณลักษณะของรูปคลื่นพัลส์ทั้งสองนั้นแตกต่างกันจากนั้นเราคำนวณ PWV ตามสูตร (ส่วนที่ S1)PWV = 1,363 cm/s ซึ่งเป็นค่าลักษณะเฉพาะที่คาดหวังของผู้ชายที่มีสุขภาพดีในทางกลับกัน เราจะเห็นว่าหน่วยเมตริกของ AIx หรือ PWV ไม่ได้รับผลกระทบจากความแตกต่างของแอมพลิจูดของรูปคลื่นพัลส์ และค่าของ AIx ในส่วนต่างๆ ของร่างกายก็มีความหลากหลายในการศึกษาของเรา รัศมี AIx ถูกใช้เพื่อตรวจสอบการบังคับใช้ WMHMS ในบุคคลต่างๆ เราได้เลือกผู้เข้าร่วม 20 รายในกลุ่มที่มีสุขภาพดี 20 รายในกลุ่มความดันโลหิตสูง (HTN) 20 รายในกลุ่มโรคหลอดเลือดหัวใจ (CHD) ที่มีอายุระหว่าง 50 ถึง 59 ปี และ 20 รายในกลุ่ม กลุ่มโรคเบาหวาน (DM)เราวัดคลื่นพัลส์และเปรียบเทียบพารามิเตอร์สองตัว AIx และ PWV ดังแสดงในรูปที่ 4Jพบว่าค่า PWV ของกลุ่ม HTN, CHD และ DM ต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับกลุ่มที่มีสุขภาพดี และมีความแตกต่างทางสถิติ (PHTN ≪ 0.001, PCHD ≪ 0.001 และ PDM ≪ 0.001 ค่า P ถูกคำนวณโดย t ทดสอบ).ในขณะเดียวกัน ค่า AIx ของกลุ่ม HTN และ CHD ต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับกลุ่มที่มีสุขภาพดี และมีความแตกต่างทางสถิติ (PHTN < 0.01, PCHD < 0.001 และ PDM < 0.05)PWV และ AIx ของผู้เข้าร่วมที่มี CHD, HTN หรือ DM สูงกว่ากลุ่มที่มีสุขภาพดีผลการวิจัยพบว่า TATSA สามารถรับรูปคลื่นชีพจรได้อย่างแม่นยำเพื่อคำนวณพารามิเตอร์หลอดเลือดและหัวใจเพื่อประเมินภาวะสุขภาพหัวใจและหลอดเลือดโดยสรุป เนื่องจากคุณสมบัติไร้สาย ความละเอียดสูง ความไวสูง และความสะดวกสบาย WMHMS ที่ใช้ TATSA จึงเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับการตรวจสอบแบบเรียลไทม์มากกว่าอุปกรณ์ทางการแพทย์ราคาแพงในปัจจุบันที่ใช้ในโรงพยาบาล

นอกเหนือจากคลื่นชีพจรแล้ว ข้อมูลระบบทางเดินหายใจยังเป็นสัญญาณชีพหลักที่ช่วยประเมินสภาพร่างกายของแต่ละบุคคลอีกด้วยการตรวจติดตามการหายใจโดยใช้ TATSA ของเรามีความน่าสนใจมากกว่าการตรวจการนอนหลับหลายส่วนแบบเดิมๆ เนื่องจากสามารถผสานรวมเข้ากับเสื้อผ้าได้อย่างราบรื่นเพื่อความสบายที่ดีขึ้นTATSA เย็บเข้ากับสายรัดหน้าอกแบบยืดหยุ่นสีขาว โดยผูกเข้ากับร่างกายมนุษย์โดยตรงและยึดไว้รอบหน้าอกเพื่อตรวจดูการหายใจ (รูปที่ 5A และภาพยนตร์ S7)TATSA เสียรูปตามการขยายตัวและการหดตัวของโครงซี่โครง ส่งผลให้เกิดไฟฟ้าเอาท์พุตรูปคลื่นที่ได้รับได้รับการตรวจสอบในรูปที่ 5Bสัญญาณที่มีความผันผวนมาก (แอมพลิจูด 1.8 V) และการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะ (ความถี่ 0.5 Hz) สอดคล้องกับการเคลื่อนไหวของระบบทางเดินหายใจสัญญาณความผันผวนที่ค่อนข้างเล็กถูกซ้อนทับบนสัญญาณความผันผวนขนาดใหญ่นี้ ซึ่งก็คือสัญญาณการเต้นของหัวใจตามลักษณะความถี่ของสัญญาณการหายใจและการเต้นของหัวใจ เราใช้ตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน 0.8 เฮิร์ตซ์ และตัวกรองความถี่ผ่านแบนด์ 0.8 ถึง 20 เฮิร์ตซ์ เพื่อแยกสัญญาณทางเดินหายใจและการเต้นของหัวใจ ตามลำดับ ดังแสดงในรูปที่ 5C .ในกรณีนี้ สัญญาณการหายใจและชีพจรที่เสถียรพร้อมข้อมูลทางสรีรวิทยามากมาย (เช่น อัตราการหายใจ อัตราการเต้นของหัวใจ และจุดสำคัญของคลื่นชีพจร) ได้รับพร้อมกันและแม่นยำโดยเพียงแค่วาง TATSA เดี่ยวบนหน้าอก

(ก) ภาพถ่ายแสดงจอ TATSA วางไว้บนหน้าอกเพื่อวัดสัญญาณความดันที่เกี่ยวข้องกับการหายใจ(B) กราฟแรงดันไฟฟ้า-เวลาสำหรับ TATSA ที่ติดตั้งบนหน้าอก(C) การสลายตัวของสัญญาณ (B) เข้าสู่การเต้นของหัวใจและรูปคลื่นของระบบทางเดินหายใจ(D) ภาพถ่ายแสดง TATSA สองอันบนหน้าท้องและข้อมือเพื่อวัดการหายใจและชีพจร ตามลำดับ ระหว่างการนอนหลับ(E) สัญญาณทางเดินหายใจและชีพจรของผู้เข้าร่วมที่มีสุขภาพดีทรัพยากรบุคคล อัตราการเต้นของหัวใจBPM, ครั้งต่อนาที(F) สัญญาณทางเดินหายใจและชีพจรของผู้เข้าร่วม SAS(G) สัญญาณทางเดินหายใจและ PTT ของผู้เข้าร่วมที่มีสุขภาพดี(H) สัญญาณทางเดินหายใจและ PTT ของผู้เข้าร่วม SAS(I) ความสัมพันธ์ระหว่างดัชนีความตื่นตัวของปตท. และดัชนีภาวะหยุดหายใจขณะหลับ (AHI)เครดิตภาพ: Wenjing Fan, มหาวิทยาลัยฉงชิ่ง

เพื่อพิสูจน์ว่าเซ็นเซอร์ของเราสามารถตรวจสอบสัญญาณชีพจรและการหายใจได้อย่างแม่นยำและเชื่อถือได้ เราได้ทำการทดลองเพื่อเปรียบเทียบผลการวัดสัญญาณชีพจรและการหายใจระหว่าง TATSA ของเรากับเครื่องมือทางการแพทย์มาตรฐาน (MHM-6000B) ตามที่อธิบายไว้ในภาพยนตร์ S8 และ S9ในการวัดคลื่นพัลส์ โฟโตอิเล็กทริคเซนเซอร์ของเครื่องมือทางการแพทย์สวมอยู่ที่นิ้วชี้ซ้ายของเด็กสาว และขณะเดียวกัน TATSA ของเราสวมบนนิ้วชี้ขวาของเธอจากรูปคลื่นพัลส์ที่ได้มาทั้งสองรูป เราจะเห็นว่ารูปทรงและรายละเอียดเหมือนกัน ซึ่งบ่งชี้ว่าพัลส์ที่วัดโดย TATSA นั้นแม่นยำพอๆ กับที่วัดโดยเครื่องมือทางการแพทย์ในการวัดคลื่นการหายใจ มีการติดอิเล็กโทรดคลื่นไฟฟ้าหัวใจ 5 อันเข้ากับพื้นที่ 5 จุดบนร่างกายของชายหนุ่มตามคำแนะนำทางการแพทย์ในทางตรงกันข้าม มี TATSA เพียงอันเดียวเท่านั้นที่ผูกติดกับลำตัวโดยตรงและพันไว้รอบหน้าอกจากสัญญาณการหายใจที่รวบรวมได้ จะเห็นได้ว่าแนวโน้มความแปรปรวนและอัตราของสัญญาณการหายใจที่ตรวจพบโดย TATSA ของเรามีความสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของเครื่องมือทางการแพทย์การทดลองเปรียบเทียบทั้งสองนี้ตรวจสอบความถูกต้อง ความน่าเชื่อถือ และความเรียบง่ายของระบบเซ็นเซอร์ของเราในการตรวจสอบสัญญาณชีพจรและการหายใจ

นอกจากนี้เรายังประดิษฐ์เสื้อผ้าอัจฉริยะชิ้นหนึ่งและเย็บ TATSA สองตัวที่ตำแหน่งหน้าท้องและข้อมือเพื่อติดตามสัญญาณทางเดินหายใจและชีพจรตามลำดับโดยเฉพาะอย่างยิ่ง WMHMS แบบดูอัลแชนเนลที่พัฒนาขึ้นนั้นใช้เพื่อจับสัญญาณชีพจรและทางเดินหายใจพร้อมกันผ่านระบบนี้ เรารับสัญญาณทางเดินหายใจและชีพจรของชายอายุ 25 ปีที่สวมชุดอัจฉริยะของเราขณะนอนหลับ (รูปที่ 5D และภาพยนตร์ S10) และกำลังนั่ง (รูปที่ S26 และภาพยนตร์ S11)สัญญาณทางเดินหายใจและชีพจรที่ได้รับสามารถส่งแบบไร้สายไปยังแอปของโทรศัพท์มือถือได้ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น TATSA มีความสามารถในการจับสัญญาณทางเดินหายใจและชีพจรสัญญาณทางสรีรวิทยาทั้งสองนี้เป็นเกณฑ์ในการประมาณค่า SAS ในทางการแพทย์ด้วยดังนั้น TATSA ของเราจึงสามารถใช้เพื่อติดตามและประเมินคุณภาพการนอนหลับและความผิดปกติของการนอนหลับที่เกี่ยวข้องได้ดังที่แสดงในรูปที่ 5 (E และ F ตามลำดับ) เราวัดชีพจรและรูปคลื่นทางเดินหายใจของผู้เข้าร่วมสองคนอย่างต่อเนื่อง ผู้ที่มีสุขภาพดีและผู้ป่วยที่มี SASสำหรับผู้ที่ไม่มีภาวะหยุดหายใจขณะหลับ อัตราการหายใจและชีพจรที่วัดได้ยังคงที่ 15 และ 70 ตามลำดับสำหรับผู้ป่วยที่เป็นโรค SAS จะพบว่ามีการหยุดหายใจขณะหลับอย่างชัดเจนเป็นเวลา 24 วินาที ซึ่งเป็นข้อบ่งชี้ถึงเหตุการณ์ทางเดินหายใจอุดกั้น และอัตราการเต้นของหัวใจเพิ่มขึ้นเล็กน้อยหลังจากช่วงหยุดหายใจขณะหลับเนื่องจากการควบคุมของระบบประสาท (49)โดยสรุป TATSA ของเราสามารถประเมินสถานะการหายใจได้

เพื่อประเมินประเภทของ SAS เพิ่มเติมผ่านสัญญาณชีพจรและทางเดินหายใจ เราได้วิเคราะห์เวลาการขนส่งของชีพจร (PTT) ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ที่ไม่รุกล้ำซึ่งสะท้อนถึงการเปลี่ยนแปลงความต้านทานของหลอดเลือดส่วนปลายและความดันในช่องอก (กำหนดไว้ในส่วน S1) ของชายที่มีสุขภาพดีและผู้ป่วยที่มี เอสเอเอสสำหรับผู้เข้าร่วมที่มีสุขภาพดี อัตราการหายใจยังคงไม่เปลี่ยนแปลง และปตท. ค่อนข้างคงที่จาก 180 ถึง 310 มิลลิวินาที (รูปที่ 5G)อย่างไรก็ตาม สำหรับผู้เข้าร่วม SAS นั้น PTT เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจาก 120 เป็น 310 ms ในระหว่างภาวะหยุดหายใจขณะหลับ (รูปที่ 5H)ดังนั้น ผู้เข้าร่วมจึงได้รับการวินิจฉัยว่าเป็นโรค SAS จากการอุดกั้น (OSAS)หากการเปลี่ยนแปลงของ PTT ลดลงระหว่างภาวะหยุดหายใจขณะหลับ ภาวะดังกล่าวจะถูกพิจารณาว่าเป็นกลุ่มอาการหยุดหายใจขณะหลับส่วนกลาง (CSAS) และหากทั้งสองอาการเกิดขึ้นพร้อมกัน ก็จะถูกวินิจฉัยว่าเป็น Mixed SAS (MSAS)เพื่อประเมินความรุนแรงของ SAS เราได้วิเคราะห์สัญญาณที่รวบรวมเพิ่มเติมดัชนีความเร้าอารมณ์ของ PTT ซึ่งเป็นจำนวนความตื่นตัวของ PTT ต่อชั่วโมง (ความเร้าอารมณ์ของ PTT หมายถึงการลดลงของ PTT ที่ ≥15 ms เป็นเวลา ≥3 วินาที) มีบทบาทสำคัญในการประเมินระดับของ SASดัชนีภาวะหยุดหายใจขณะหลับ-hypopnea (AHI) เป็นมาตรฐานในการกำหนดระดับของ SAS (ภาวะหยุดหายใจขณะหลับคือการหยุดหายใจ และภาวะหายใจลำบากคือการหายใจตื้นเกินไปหรืออัตราการหายใจต่ำผิดปกติ) ซึ่งกำหนดเป็นจำนวนภาวะหยุดหายใจขณะหลับและภาวะหายใจลำบากต่อ ชั่วโมงขณะนอนหลับ (ความสัมพันธ์ระหว่าง AHI และเกณฑ์การให้คะแนนสำหรับ OSAS แสดงไว้ในตาราง S2)เพื่อตรวจสอบความสัมพันธ์ระหว่าง AHI และดัชนีความเร้าอารมณ์ของ PTT สัญญาณการหายใจของผู้ป่วย SAS จำนวน 20 รายได้รับการคัดเลือกและวิเคราะห์ด้วย TATSAดังที่แสดงในรูปที่ 5I ดัชนีความตื่นตัวของ PTT มีความสัมพันธ์เชิงบวกกับ AHI เนื่องจากภาวะหยุดหายใจขณะหลับและภาวะ hypopnea ในระหว่างการนอนหลับทำให้ความดันโลหิตสูงขึ้นชั่วคราวอย่างเห็นได้ชัด ส่งผลให้ค่า PTT ลดลงดังนั้น TATSA ของเราจึงสามารถรับสัญญาณชีพจรและระบบทางเดินหายใจที่เสถียรและแม่นยำไปพร้อมๆ กัน จึงให้ข้อมูลทางสรีรวิทยาที่สำคัญเกี่ยวกับระบบหัวใจและหลอดเลือดและ SAS สำหรับการติดตามและประเมินผลโรคที่เกี่ยวข้อง

โดยสรุป เราได้พัฒนา TATSA โดยใช้การเย็บคาร์ดิแกนเต็มรูปแบบเพื่อตรวจจับสัญญาณทางสรีรวิทยาที่แตกต่างกันไปพร้อมๆ กันเซ็นเซอร์นี้มีความไวสูง 7.84 mV Pa−1 เวลาตอบสนองที่รวดเร็ว 20 ms ความเสถียรสูงมากกว่า 100,000 รอบ และแบนด์วิดท์ความถี่การทำงานที่กว้างบนพื้นฐานของ TATSA นั้น WMHMS ยังได้รับการพัฒนาเพื่อส่งพารามิเตอร์ทางสรีรวิทยาที่วัดได้ไปยังโทรศัพท์มือถือTATSA สามารถรวมเข้ากับบริเวณต่างๆ ของเสื้อผ้าเพื่อการออกแบบที่สวยงาม และใช้เพื่อตรวจสอบสัญญาณชีพจรและทางเดินหายใจพร้อมกันแบบเรียลไทม์ระบบนี้สามารถนำไปใช้เพื่อช่วยแยกแยะระหว่างบุคคลที่มีสุขภาพดีกับผู้ที่มี CAD หรือ SAS ได้ เนื่องจากความสามารถในการรวบรวมข้อมูลโดยละเอียดการศึกษาครั้งนี้ให้แนวทางที่สะดวกสบาย มีประสิทธิภาพ และเป็นมิตรกับผู้ใช้ในการวัดชีพจรและการหายใจของมนุษย์ ซึ่งแสดงถึงความก้าวหน้าในการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สิ่งทอที่สวมใส่ได้

สแตนเลสถูกส่งผ่านแม่พิมพ์ซ้ำแล้วซ้ำอีกและยืดออกเป็นเส้นใยที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 μmเส้นใยสแตนเลสที่ใช้เป็นอิเล็กโทรดถูกสอดเข้าไปในเส้นด้าย Terylene ชั้นเดียวเชิงพาณิชย์หลายชิ้น

เครื่องกำเนิดฟังก์ชัน (Stanford DS345) และเครื่องขยายเสียง (LabworkPa-13) ถูกนำมาใช้เพื่อให้สัญญาณแรงดันไซน์ซอยด์เซ็นเซอร์แรงช่วงคู่ (Vernier Software & Technology LLC) ถูกนำมาใช้เพื่อวัดความดันภายนอกที่ใช้กับ TATSAอิเล็กโทรมิเตอร์ระบบ Keithley (Keithley 6514) ใช้ในการตรวจสอบและบันทึกแรงดันเอาต์พุตและกระแสของ TATSA

ตามวิธีทดสอบ AATCC 135-2017 เราใช้ TATSA และบัลลาสต์ที่เพียงพอเป็นน้ำหนัก 1.8 กก. จากนั้นนำไปใส่ในเครื่องซักผ้าเชิงพาณิชย์ (Labtex LBT-M6T) เพื่อดำเนินการรอบการซักด้วยเครื่องที่ละเอียดอ่อนจากนั้น เราเติมน้ำ 18 แกลลอนลงในเครื่องซักผ้าที่อุณหภูมิ 25°C และตั้งเครื่องซักผ้าสำหรับรอบการซักและเวลาที่เลือก (ความเร็วในการปั่น 119 รอบต่อนาที เวลาในการซัก 6 นาที ความเร็วในการปั่นครั้งสุดท้าย 430 รอบต่อนาที ขั้นสุดท้าย เวลาหมุน 3 นาที)สุดท้าย TATSA แขวนให้แห้งในอากาศนิ่งที่อุณหภูมิห้องไม่สูงกว่า 26°C

ผู้ถูกทดสอบได้รับคำสั่งให้นอนหงายบนเตียงTATSA ถูกวางไว้บนพื้นที่วัดเมื่อผู้เข้ารับการทดสอบอยู่ในท่าหงายมาตรฐาน พวกเขาจะคงสภาพที่ผ่อนคลายอย่างสมบูรณ์เป็นเวลา 5 ถึง 10 นาทีจากนั้นสัญญาณพัลส์ก็เริ่มวัด

มีเนื้อหาเสริมสำหรับบทความนี้อยู่ที่ https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1

มะเดื่อ S9.ผลการจำลองการกระจายแรงของ TATSA ภายใต้แรงกดดันที่ใช้ที่ 0.2 kPa โดยใช้ซอฟต์แวร์ COMSOL

มะเดื่อ S10.ผลการจำลองการกระจายแรงของหน่วยหน้าสัมผัสภายใต้แรงกดดันที่ใช้ที่ 0.2 และ 2 kPa ตามลำดับ

มะเดื่อ S11.ภาพประกอบแผนผังที่สมบูรณ์ของการถ่ายโอนประจุของหน่วยหน้าสัมผัสภายใต้สภาวะไฟฟ้าลัดวงจร

มะเดื่อ S13.แรงดันเอาต์พุตและกระแสต่อเนื่องของ TATSA เพื่อตอบสนองต่อแรงดันภายนอกที่ใช้อย่างต่อเนื่องในวงจรการวัด

มะเดื่อ S14.การตอบสนองแรงดันไฟฟ้าต่อจำนวนลูปยูนิตต่างๆ ในพื้นที่แฟบริคเดียวกัน เมื่อรักษาหมายเลขลูปในทิศทางของวอลไม่เปลี่ยนแปลง

มะเดื่อ S15.การเปรียบเทียบระหว่างประสิทธิภาพเอาท์พุตของเซ็นเซอร์สิ่งทอสองตัวโดยใช้ตะเข็บคาร์ดิแกนเต็มตัวและตะเข็บธรรมดา

มะเดื่อ S16.แผนภาพแสดงการตอบสนองความถี่ที่ความดันไดนามิก 1 kPa และความถี่อินพุตความดัน 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 และ 20 Hz

มะเดื่อ S25.แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตของเซ็นเซอร์เมื่อวัตถุอยู่ในสภาวะคงที่และการเคลื่อนไหว

มะเดื่อ S26.ภาพถ่ายแสดง TATSA ที่วางบนหน้าท้องและข้อมือพร้อมกันเพื่อวัดการหายใจและชีพจร ตามลำดับ

นี่เป็นบทความแบบเปิดที่เผยแพร่ภายใต้เงื่อนไขของใบอนุญาต Creative Commons Attribution-NonCommercial ซึ่งอนุญาตให้ใช้ แจกจ่าย และทำซ้ำในสื่อใดๆ ก็ได้ ตราบใดที่ผลลัพธ์การใช้งานนั้นไม่แสวงหาผลประโยชน์ทางการค้าและต้องจัดให้มีงานต้นฉบับอย่างเหมาะสม อ้างถึง

หมายเหตุ: เราเพียงขอที่อยู่อีเมลของคุณเพื่อให้ผู้ที่คุณแนะนำเพจทราบว่าคุณต้องการให้พวกเขาเห็นและไม่ใช่อีเมลขยะเราไม่ได้บันทึกที่อยู่อีเมลใด ๆ

โดย เหวินจิง ฟาน, เฉียงเหอ, เคอหยูเหมิง, ซูหลง ตัน, จือห่าว โจว, เกาเฉียง จาง, จิน หยาง, จง ลิน หวาง

เซ็นเซอร์ไทรโบอิเล็กทริกทุกสิ่งทอที่มีความไวต่อแรงกดสูงและความสบายได้รับการพัฒนาเพื่อการตรวจติดตามสุขภาพ

โดย เหวินจิง ฟาน, เฉียงเหอ, เคอหยูเหมิง, ซูหลง ตัน, จือห่าว โจว, เกาเฉียง จาง, จิน หยาง, จง ลิน หวาง

เซ็นเซอร์ไทรโบอิเล็กทริกทุกสิ่งทอที่มีความไวต่อแรงกดสูงและความสบายได้รับการพัฒนาเพื่อการตรวจติดตามสุขภาพ

© 2020 สมาคมอเมริกันเพื่อความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์สงวนลิขสิทธิ์.AAAS เป็นหุ้นส่วนของ HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef และ COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548