La electrónica textil portátil es muy deseable para realizar una gestión personalizada de la salud.Sin embargo, la mayoría de los productos electrónicos textiles informados pueden apuntar periódicamente a una sola señal fisiológica o perder los detalles explícitos de las señales, lo que lleva a una evaluación de salud parcial.Además, los textiles con excelentes propiedades y comodidad siguen siendo un desafío.Aquí, informamos una matriz de sensores triboeléctricos completamente textiles con alta sensibilidad a la presión y comodidad.Presenta sensibilidad a la presión (7,84 mV Pa−1), tiempo de respuesta rápido (20 ms), estabilidad (>100 000 ciclos), amplio ancho de banda de frecuencia de trabajo (hasta 20 Hz) y lavabilidad a máquina (>40 lavados).Los TATSA fabricados se cosieron en diferentes partes de la ropa para monitorear las ondas del pulso arterial y las señales respiratorias simultáneamente.Además, desarrollamos un sistema de control de la salud para la evaluación no invasiva y a largo plazo de las enfermedades cardiovasculares y el síndrome de apnea del sueño, que muestra un gran avance para el análisis cuantitativo de algunas enfermedades crónicas.
La electrónica portátil representa una oportunidad fascinante debido a sus prometedoras aplicaciones en medicina personalizada.Pueden monitorear el estado de salud de un individuo de manera continua, en tiempo real y no invasiva (1–11).El pulso y la respiración, como dos componentes indispensables de los signos vitales, pueden proporcionar tanto una evaluación precisa del estado fisiológico como una comprensión notable del diagnóstico y pronóstico de enfermedades relacionadas (12–21).Hasta la fecha, la mayoría de los dispositivos electrónicos portátiles para detectar señales fisiológicas sutiles se basan en sustratos ultrafinos como el tereftalato de polietileno, el polidimetilsiloxano, la poliimida, el vidrio y la silicona (22–26).Un inconveniente de estos sustratos para uso sobre la piel radica en sus formatos planos y rígidos.Como resultado, se requieren cintas, curitas u otros accesorios mecánicos para establecer un contacto compacto entre los dispositivos electrónicos portátiles y la piel humana, lo que puede causar irritación e inconvenientes durante períodos prolongados de uso (27, 28).Además, estos sustratos tienen poca permeabilidad al aire, lo que genera molestias cuando se utilizan para el control continuo de la salud a largo plazo.Para aliviar los problemas antes mencionados en el cuidado de la salud, especialmente en el uso diario, los textiles inteligentes ofrecen una solución confiable.Estos textiles tienen las características de suavidad, peso ligero y transpirabilidad y, por lo tanto, el potencial para lograr la comodidad en la electrónica portátil.En los últimos años, se han dedicado intensos esfuerzos para desarrollar sistemas basados en textiles en sensores sensibles, recolección y almacenamiento de energía (29–39).En particular, se han informado investigaciones exitosas sobre fibras ópticas, piezoelectricidad y textiles inteligentes basados en resistividad aplicados en el monitoreo de pulso y señales respiratorias (40–43).Sin embargo, estos textiles inteligentes suelen tener una baja sensibilidad y un único parámetro de control y no pueden fabricarse a gran escala (tabla S1).En el caso de la medición del pulso, la información detallada es difícil de capturar debido a la débil y rápida fluctuación del pulso (por ejemplo, sus puntos característicos) y, por lo tanto, se requiere una alta sensibilidad y un rendimiento de respuesta de frecuencia adecuado.
En este estudio, presentamos una matriz de sensores triboeléctricos totalmente textiles (TATSA) con alta sensibilidad para capturar la presión epidérmica sutil, tejida con hilos conductores y de nailon en una puntada de cárdigan completa.El TATSA puede proporcionar alta sensibilidad a la presión (7,84 mV Pa−1), tiempo de respuesta rápido (20 ms), estabilidad (>100 000 ciclos), amplio ancho de banda de frecuencia de trabajo (hasta 20 Hz) y lavabilidad a máquina (>40 lavados).Es capaz de integrarse cómodamente en la ropa con discreción, comodidad y atractivo estético.En particular, nuestro TATSA se puede incorporar directamente en diferentes sitios de la tela que corresponden a las ondas de pulso en las posiciones del cuello, la muñeca, la yema de los dedos y los tobillos y a las ondas respiratorias en el abdomen y el pecho.Para evaluar el excelente desempeño de TATSA en el monitoreo de salud remoto y en tiempo real, desarrollamos un sistema de monitoreo de salud inteligente personalizado para adquirir y guardar continuamente señales fisiológicas para el análisis de enfermedades cardiovasculares (CAD) y la evaluación del síndrome de apnea del sueño (SAS). ).
Como se ilustra en la Fig. 1A, se cosieron dos TATSA en el puño y el pecho de una camisa para permitir el monitoreo dinámico y simultáneo del pulso y las señales respiratorias, respectivamente.Estas señales fisiológicas se transmitieron de forma inalámbrica a la aplicación de terminal móvil inteligente (APP) para su posterior análisis del estado de salud.La figura 1B muestra el TATSA cosido en una pieza de tela, y el recuadro muestra la vista ampliada del TATSA, que se tejió usando el hilo conductor característico y el hilo de nailon comercial juntos en una puntada de cárdigan completa.En comparación con la puntada plana fundamental, el método de tejido más común y básico, se eligió la puntada de cárdigan completo porque el contacto entre la cabeza de bucle del hilo conductor y la cabeza de puntada de pliegue adyacente del hilo de nailon (fig. S1) es una superficie. en lugar de un punto de contacto, lo que conduce a un área de actuación más grande para un alto efecto triboeléctrico.Para preparar el hilo conductor, seleccionamos acero inoxidable como fibra de núcleo fijo, y varias piezas de hilos de terileno de una sola capa se enrollaron alrededor de la fibra de núcleo en un hilo conductor con un diámetro de 0,2 mm (fig. S2), que sirvió como tanto la superficie de electrificación como el electrodo conductor.El hilo de nailon, que tenía un diámetro de 0,15 mm y servía como otra superficie de electrificación, tenía una gran fuerza de tracción porque estaba torcido por hilos incomputables (fig. S3).La Figura 1 (C y D, respectivamente) muestra fotografías del hilo conductor fabricado y el hilo de nailon.Los recuadros muestran sus respectivas imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM), que presentan una sección transversal típica del hilo conductor y la superficie del hilo de nailon.La alta resistencia a la tracción de los hilos conductores y de nailon aseguró su capacidad de tejido en una máquina industrial para mantener un rendimiento uniforme de todos los sensores.Como se muestra en la Fig. 1E, los hilos conductores, los hilos de nailon y los hilos ordinarios se enrollaron en sus respectivos conos, que luego se cargaron en la máquina de tejer plana industrial computarizada para tejido automático (película S1).Como se muestra en la fig.S4, se tejieron varios TATSA con tela ordinaria utilizando la máquina industrial.Un solo TATSA con un grosor de 0,85 mm y un peso de 0,28 g podría adaptarse a partir de toda la estructura para uso individual, exhibiendo su excelente compatibilidad con otras telas.Además, los TATSA se pueden diseñar en varios colores para cumplir con los requisitos estéticos y de moda debido a la diversidad de hilos de nailon comerciales (Fig. 1F y fig. S5).Los TATSA fabricados tienen una excelente suavidad y la capacidad de soportar fuertes flexiones o deformaciones (fig. S6).La figura 1G muestra el TATSA cosido directamente en el abdomen y el puño de un suéter.El proceso de tejer el suéter se muestra en la fig.S7 y película S2.Los detalles de la parte delantera y trasera del TATSA estirado en la posición del abdomen se muestran en la fig.S8 (A y B, respectivamente), y la posición del hilo conductor y el hilo de nailon se ilustra en la fig.S8C.Aquí se puede ver que el TATSA se puede incrustar en telas ordinarias sin costuras para una apariencia discreta y elegante.
(A) Dos TATSA integrados en una camiseta para la monitorización de pulso y señales respiratorias en tiempo real.(B) Ilustración esquemática de la combinación de TATSA y ropa.El recuadro muestra la vista ampliada del sensor.(C) Fotografía del hilo conductor (barra de escala, 4 cm).El recuadro es la imagen SEM de la sección transversal del hilo conductor (barra de escala, 100 μm), que consiste en acero inoxidable e hilos de terileno.(D) Fotografía del hilo de nailon (barra de escala, 4 cm).El recuadro es la imagen SEM de la superficie del hilo de nailon (barra de escala, 100 μm).(E) Imagen de la máquina de tejer plana computarizada que realiza el tejido automático de los TATSA.(F) Fotografía de TATSA en diferentes colores (barra de escala, 2 cm).El inserto es el TATSA torcido, que demuestra su excelente suavidad.(G) Fotografía de dos TATSA cosidos completamente y sin costuras en un suéter.Crédito de la foto: Wenjing Fan, Universidad de Chongqing.
Para analizar el mecanismo de trabajo del TATSA, incluidas sus propiedades mecánicas y eléctricas, construimos un modelo de tejido geométrico del TATSA, como se muestra en la Fig. 2A.Usando la puntada completa de cárdigan, los hilos conductores y de nailon se entrelazan en forma de unidades de bucle en la dirección del curso y la columna.Una estructura de un solo lazo (fig. S1) consta de una cabeza de lazo, un brazo de lazo, una parte de cruce de costillas, un brazo de puntada de pliegue y una cabeza de puntada de pliegue.Se pueden encontrar dos formas de la superficie de contacto entre los dos hilos diferentes: (i) la superficie de contacto entre la cabeza de bucle del hilo conductor y la cabeza de puntada del hilo de nailon y (ii) la superficie de contacto entre la cabeza de bucle de el hilo de nailon y la puntada del hilo conductor.
(A) El TATSA con los lados frontal, derecho y superior de los lazos tejidos.(B) Resultado de la simulación de la distribución de fuerzas de un TATSA bajo una presión aplicada de 2 kPa utilizando el software COMSOL.(C) Ilustraciones esquemáticas de la transferencia de carga de una unidad de contacto en condiciones de cortocircuito.(D) Resultados de la simulación de la distribución de carga de una unidad de contacto en condiciones de circuito abierto utilizando el software COMSOL.
El principio de funcionamiento del TATSA se puede explicar en dos aspectos: la estimulación de fuerza externa y su carga inducida.Para comprender intuitivamente la distribución de la tensión en respuesta al estímulo de una fuerza externa, utilizamos el análisis de elementos finitos con el software COMSOL a diferentes fuerzas externas de 2 y 0,2 kPa, como se muestra respectivamente en la Fig. 2B y la fig.S9.La tensión aparece en las superficies de contacto de dos hilos.Como se muestra en la fig.S10, consideramos dos unidades de bucle para aclarar la distribución de tensiones.Al comparar la distribución de tensiones bajo dos fuerzas externas diferentes, la tensión sobre las superficies de los hilos conductores y de nailon aumenta con el aumento de la fuerza externa, lo que da como resultado el contacto y la extrusión entre los dos hilos.Una vez que se libera la fuerza externa, los dos hilos se separan y se alejan el uno del otro.
Los movimientos de contacto-separación entre el hilo conductor y el hilo de nylon inducen transferencia de carga, lo que se atribuye a la conjunción de triboelectrificación e inducción electrostática.Para aclarar el proceso de generación de electricidad, analizamos la sección transversal del área donde los dos hilos entran en contacto entre sí (Fig. 2C1).Como se demuestra en la Fig. 2 (C2 y C3, respectivamente), cuando el TATSA es estimulado por la fuerza externa y los dos hilos entran en contacto entre sí, se produce electrificación en la superficie de los hilos conductores y de nailon, y las cargas equivalentes con opuestos se generan polaridades en la superficie de los dos hilos.Una vez que los dos hilos se separan, se inducen cargas positivas en el acero inoxidable interior debido al efecto de inducción electrostática.El esquema completo se muestra en la fig.S11.Para adquirir una comprensión más cuantitativa del proceso de generación de electricidad, simulamos la distribución potencial de TATSA utilizando el software COMSOL (Fig. 2D).Cuando los dos materiales están en contacto, la carga se acumula principalmente en el material de fricción y solo una pequeña cantidad de carga inducida está presente en el electrodo, lo que da como resultado un potencial pequeño (Fig. 2D, abajo).Cuando los dos materiales se separan (Fig. 2D, arriba), la carga inducida en el electrodo aumenta debido a la diferencia de potencial y el potencial correspondiente aumenta, lo que revela una buena concordancia entre los resultados obtenidos de los experimentos y los de las simulaciones. .Además, dado que el electrodo conductor del TATSA está envuelto en hilos de terileno y la piel está en contacto con los dos materiales de fricción, por lo tanto, cuando el TATSA se usa directamente sobre la piel, la carga depende de la fuerza externa y no ser debilitado por la piel.
Para caracterizar el desempeño de nuestro TATSA en varios aspectos, proporcionamos un sistema de medición que contiene un generador de funciones, un amplificador de potencia, un agitador electrodinámico, un dinamómetro, un electrómetro y una computadora (fig. S12).Este sistema genera una presión dinámica externa de hasta 7 kPa.En el experimento, el TATSA se colocó sobre una lámina de plástico plana en estado libre, y las señales eléctricas de salida son registradas por el electrómetro.
Las especificaciones de los hilos conductores y de nylon afectan el rendimiento de salida del TATSA porque determinan la superficie de contacto y la capacidad de percibir la presión externa.Para investigar esto, fabricamos tres tamaños de los dos hilos, respectivamente: hilo conductor con un tamaño de 150D/3, 210D/3 y 250D/3 e hilo de nailon con un tamaño de 150D/6, 210D/6 y 250D /6 (D, denier; una unidad de medida utilizada para determinar el grosor de la fibra de hilos individuales; las telas con un denier alto tienden a ser gruesas).Luego, seleccionamos estos dos hilos con diferentes tamaños para tejerlos en un sensor, y la dimensión del TATSA se mantuvo en 3 cm por 3 cm con el número de bucle de 16 en la dirección de la columna y 10 en la dirección de la hilera.Así, se obtuvieron los sensores con nueve patrones de tejido.El sensor del hilo conductor con el tamaño de 150D/3 y el hilo de nailon con el tamaño de 150D/6 fue el más delgado, y el sensor del hilo conductor con el tamaño de 250D/3 y el hilo de nailon con el tamaño de 250D/ 6 fue el más grueso.Bajo una excitación mecánica de 0,1 a 7 kPa, las salidas eléctricas para estos patrones se investigaron y probaron sistemáticamente, como se muestra en la Fig. 3A.Los voltajes de salida de los nueve TATSA aumentaron con el aumento de la presión aplicada, de 0,1 a 4 kPa.Específicamente, de todos los patrones de tejido, la especificación del hilo conductor 210D/3 y el hilo de nailon 210D/6 proporcionó la salida eléctrica más alta y exhibió la sensibilidad más alta.El voltaje de salida mostró una tendencia creciente con el aumento en el grosor del TATSA (debido a la superficie de contacto suficiente) hasta que el TATSA se tejió usando el hilo conductor 210D/3 y el hilo de nailon 210D/6.Como mayores aumentos en el grosor conducirían a la absorción de presión externa por parte de los hilos, el voltaje de salida disminuyó en consecuencia.Además, se observa que en la región de baja presión (<4 kPa), una variación lineal de buen comportamiento en el voltaje de salida con la presión dio una sensibilidad a la presión superior de 7,84 mV Pa−1.En la región de alta presión (>4 kPa), se observó experimentalmente una menor sensibilidad a la presión de 0,31 mV Pa−1 debido a la saturación del área de fricción efectiva.Se demostró una sensibilidad a la presión similar durante el proceso opuesto de aplicación de fuerza.Los perfiles temporales concretos de la tensión y corriente de salida bajo diferentes presiones se presentan en la fig.S13 (A y B, respectivamente).
(A) Voltaje de salida bajo nueve patrones de tejido del hilo conductor (150D/3, 210D/3 y 250D/3) combinado con el hilo de nailon (150D/6, 210D/6 y 250D/6).(B) Respuesta de voltaje a varios números de unidades de bucle en la misma área de tejido cuando se mantiene sin cambios el número de bucle en la dirección de la columna.(C) Gráficos que muestran las respuestas de frecuencia bajo una presión dinámica de 1 kPa y una frecuencia de entrada de presión de 1 Hz.(D) Diferentes voltajes de salida y corriente bajo las frecuencias de 1, 5, 10 y 20 Hz.(E) Prueba de durabilidad de un TATSA bajo una presión de 1 kPa.(F) Características de salida del TATSA después de 20 y 40 lavados.
La sensibilidad y el voltaje de salida también fueron influenciados por la densidad de puntada del TATSA, que fue determinada por el número total de bucles en un área medida de tela.Un aumento en la densidad de la puntada conduciría a una mayor compacidad de la estructura del tejido.La Figura 3B muestra los rendimientos de salida bajo diferentes números de bucle en el área textil de 3 cm por 3 cm, y el recuadro ilustra la estructura de una unidad de bucle (mantuvimos el número de bucle en la dirección del curso en 10, y el número de bucle en el la dirección de la columna era 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 y 26).Al aumentar el número de bucles, el voltaje de salida exhibió primero una tendencia creciente debido al aumento de la superficie de contacto, hasta el pico máximo de voltaje de salida de 7,5 V con un número de bucle de 180. Después de este punto, el voltaje de salida siguió una tendencia decreciente porque el TATSA se tensó y los dos hilos tenían un espacio de separación de contacto reducido.Para explorar en qué dirección la densidad tiene un gran impacto en la salida, mantuvimos el número de bucle del TATSA en la dirección de la columna en 18, y el número de bucle en la dirección del curso se estableció en 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 y 14. Los voltajes de salida correspondientes se muestran en la fig.S14.En comparación, podemos ver que la densidad en la dirección del curso tiene una mayor influencia en el voltaje de salida.Como resultado, se eligió el patrón de tejido del hilo conductor 210D/3 y el hilo de nailon 210D/6 y 180 bucles para tejer el TATSA después de evaluaciones exhaustivas de las características de salida.Además, comparamos las señales de salida de dos sensores textiles usando la puntada de cárdigan completa y la puntada plana.Como se muestra en la fig.S15, la salida eléctrica y la sensibilidad con puntada de cárdigan completa son mucho más altas que con puntada simple.
Se midió el tiempo de respuesta para monitorear señales en tiempo real.Para examinar el tiempo de respuesta de nuestro sensor a fuerzas externas, comparamos las señales de voltaje de salida con las entradas de presión dinámica a una frecuencia de 1 a 20 Hz (Fig. 3C y fig. S16, respectivamente).Las formas de onda del voltaje de salida eran casi idénticas a las ondas de presión sinusoidal de entrada bajo una presión de 1 kPa, y las formas de onda de salida tenían un tiempo de respuesta rápido (alrededor de 20 ms).Esta histéresis puede atribuirse a que la estructura elástica no ha vuelto al estado original lo antes posible después de recibir la fuerza externa.Sin embargo, esta pequeña histéresis es aceptable para el monitoreo en tiempo real.Para obtener la presión dinámica con un rango de frecuencia determinado, se espera una respuesta de frecuencia adecuada de TATSA.Por lo tanto, también se probó la característica de frecuencia de TATSA.Al aumentar la frecuencia de excitación externa, la amplitud del voltaje de salida permaneció casi sin cambios, mientras que la amplitud de la corriente aumentó cuando las frecuencias de toma variaron de 1 a 20 Hz (Fig. 3D).
Para evaluar la repetibilidad, la estabilidad y la durabilidad del TATSA, probamos las respuestas de voltaje y corriente de salida a los ciclos de carga y descarga de presión.Se aplicó al sensor una presión de 1 kPa con una frecuencia de 5 Hz.El voltaje y la corriente de pico a pico se registraron después de 100,000 ciclos de carga y descarga (Fig. 3E y fig. S17, respectivamente).Las vistas ampliadas de la forma de onda de voltaje y corriente se muestran en el recuadro de la Fig. 3E y la fig.S17, respectivamente.Los resultados revelan la notable repetibilidad, estabilidad y durabilidad de TATSA.La lavabilidad también es un criterio de evaluación esencial del TATSA como dispositivo completamente textil.Para evaluar la capacidad de lavado, probamos el voltaje de salida del sensor después de lavar a máquina el TATSA de acuerdo con el método de prueba 135-2017 de la Asociación Estadounidense de Químicos y Coloristas Textiles (AATCC).El procedimiento de lavado detallado se describe en Materiales y Métodos.Como se muestra en la Fig. 3F, las salidas eléctricas se registraron después de 20 y 40 lavados, lo que demostró que no hubo cambios claros en el voltaje de salida durante las pruebas de lavado.Estos resultados verifican la notable lavabilidad del TATSA.Como sensor textil portátil, también exploramos el rendimiento de salida cuando el TATSA estaba en condiciones de tracción (fig. S18), torcido (fig. S19) y diferentes condiciones de humedad (fig. S20).
Sobre la base de las numerosas ventajas de TATSA demostradas anteriormente, desarrollamos un sistema de monitoreo de salud móvil inalámbrico (WMHMS), que tiene la capacidad de adquirir continuamente señales fisiológicas y luego brindar asesoramiento profesional a un paciente.La Figura 4A muestra el diagrama de esquema del WMHMS basado en el TATSA.El sistema tiene cuatro componentes: el TATSA para adquirir las señales fisiológicas analógicas, un circuito de acondicionamiento analógico con un filtro de paso bajo (MAX7427) y un amplificador (MAX4465) para garantizar suficientes detalles y un excelente sincronismo de señales, un circuito analógico a digital convertidor basado en una unidad de microcontrolador para recolectar y convertir las señales analógicas en señales digitales, y un módulo Bluetooth (chip Bluetooth CC2640 de bajo consumo) para transmitir la señal digital a la aplicación del terminal del teléfono móvil (APP; Huawei Honor 9).En este estudio, cosimos el TATSA sin costuras en un cordón, muñequera, dedil y calcetín, como se muestra en la Fig. 4B.
(A) Ilustración del WMHMS.(B) Fotografías de los TATSA cosidos en una muñequera, un dedo, un calcetín y una correa para el pecho, respectivamente.Medición del pulso en (C1) cuello, (D1) muñeca, (E1) punta de los dedos y (F1) tobillo.Forma de onda del pulso en el cuello (C2), la muñeca (D2), la yema del dedo (E2) y el tobillo (F2).(G) Formas de onda de pulso de diferentes edades.(H) Análisis de una sola onda de pulso.Índice de aumento radial (AIx) definido como AIx (%) = P2/P1.P1 es el pico de la onda que avanza y P2 es el pico de la onda reflejada.(I) Un ciclo de pulso del braquial y el tobillo.La velocidad de la onda de pulso (PWV) se define como PWV = D/∆T.D es la distancia entre el tobillo y el braquial.∆T es el tiempo de retardo entre los picos de las ondas de pulso braquial y del tobillo.PTT, tiempo de tránsito del pulso.(J) Comparación de AIx y PWV de tobillo braquial (BAPWV) entre sanos y CAD.*P < 0,01, **P < 0,001 y ***P < 0,05.HTA, hipertensión;CC, cardiopatía coronaria;DM, diabetes mellitus.Crédito de la foto: Jin Yang, Universidad de Chongqing.
Para monitorear las señales de pulso de las diferentes partes del cuerpo humano, colocamos las decoraciones antes mencionadas con TATSA en las posiciones correspondientes: cuello (Fig. 4C1), muñeca (Fig. 4D1), punta de los dedos (Fig. 4E1) y tobillo (Fig. 4F1). ), como se explica en las películas S3 a S6.En medicina, hay tres puntos característicos sustanciales en la onda del pulso: el pico de la onda de avance P1, el pico de la onda reflejada P2 y el pico de la onda dicrótica P3.Las características de estos puntos característicos reflejan el estado de salud de la elasticidad arterial, la resistencia periférica y la contractilidad del ventrículo izquierdo relacionadas con el sistema cardiovascular.Las formas de onda del pulso de una mujer de 25 años en las cuatro posiciones anteriores fueron adquiridas y registradas en nuestra prueba.Tenga en cuenta que los tres puntos característicos distinguibles (P1 a P3) se observaron en la forma de onda del pulso en las posiciones del cuello, la muñeca y la punta de los dedos, como se muestra en la Fig. 4 (C2 a E2).Por el contrario, solo P1 y P3 aparecían en la forma de onda del pulso en la posición del tobillo y P2 no estaba presente (Fig. 4F2).Este resultado fue causado por la superposición de la onda de sangre entrante expulsada por el ventrículo izquierdo y la onda reflejada de los miembros inferiores (44).Estudios previos han demostrado que P2 se presenta en formas de onda medidas en las extremidades superiores pero no en el tobillo (45, 46).Observamos resultados similares en las formas de onda medidas con el TATSA, como se muestra en la fig.S21, que muestra datos típicos de la población de 80 pacientes aquí estudiada.Podemos ver que P2 no apareció en estas formas de onda de pulso medidas en el tobillo, lo que demuestra la capacidad del TATSA para detectar características sutiles dentro de la forma de onda.Estos resultados de medición del pulso indican que nuestro WMHMS puede revelar con precisión las características de la onda del pulso de la parte superior e inferior del cuerpo y que es superior a otros trabajos (41, 47).Para indicar aún más que nuestro TATSA se puede aplicar ampliamente a diferentes edades, medimos formas de onda de pulso de 80 sujetos a diferentes edades y mostramos algunos datos típicos, como se muestra en la fig.S22.Como se muestra en la Fig. 4G, elegimos tres participantes de 25, 45 y 65 años, y los tres puntos característicos eran obvios para los participantes jóvenes y de mediana edad.De acuerdo con la literatura médica (48), las características de las formas de onda del pulso de la mayoría de las personas cambian a medida que envejecen, como la desaparición del punto P2, que es causado por la onda reflejada que avanza para superponerse a la onda que avanza a través de la disminución de elasticidad vascular.Este fenómeno también se refleja en las formas de onda que recolectamos, verificando además que el TATSA se puede aplicar a diferentes poblaciones.
La forma de onda del pulso se ve afectada no solo por el estado fisiológico del individuo sino también por las condiciones de la prueba.Por lo tanto, medimos las señales de pulso bajo diferentes tensiones de contacto entre el TATSA y la piel (fig. S23) y varias posiciones de detección en el sitio de medición (fig. S24).Se puede encontrar que el TATSA puede obtener formas de onda de pulso consistentes con información detallada alrededor del barco en un área de detección efectiva grande en el sitio de medición.Además, hay distintas señales de salida bajo diferente tensión de contacto entre el TATSA y la piel.Además, el movimiento de las personas que usan los sensores afectaría las señales de pulso.Cuando la muñeca del sujeto está en una condición estática, la amplitud de la forma de onda del pulso obtenida es estable (fig. S25A);por el contrario, cuando la muñeca se mueve lentamente en un ángulo de -70° a 70° durante 30 s, la amplitud de la forma de onda del pulso fluctuará (fig. S25B).Sin embargo, el contorno de cada forma de onda de pulso es visible y la frecuencia del pulso todavía se puede obtener con precisión.Obviamente, para lograr una adquisición estable de ondas de pulso en el movimiento humano, se necesita investigar más, incluido el diseño de sensores y el procesamiento de señales de back-end.
Además, para analizar y evaluar cuantitativamente la condición del sistema cardiovascular a través de las formas de onda de pulso adquiridas utilizando nuestro TATSA, introdujimos dos parámetros hemodinámicos de acuerdo con la especificación de evaluación del sistema cardiovascular, a saber, el índice de aumento (AIx) y la velocidad de onda de pulso. (PWV), que representan la elasticidad de las arterias.Como se muestra en la Fig. 4H, se utilizó la forma de onda del pulso en la posición de la muñeca del hombre sano de 25 años para el análisis de AIx.De acuerdo con la fórmula (sección S1), se obtuvo AIx = 60%, que es un valor normal.Luego, recolectamos simultáneamente dos formas de onda de pulso en las posiciones de brazo y tobillo de este participante (el método detallado de medición de la forma de onda de pulso se describe en Materiales y Métodos).Como se muestra en la Fig. 4I, los puntos característicos de las dos formas de onda de pulso eran distintos.Luego calculamos el PWV de acuerdo con la fórmula (sección S1).Se obtuvo PWV = 1363 cm/s, que es un valor característico esperado de un varón adulto sano.Por otro lado, podemos ver que las métricas de AIx o PWV no se ven afectadas por la diferencia de amplitud de la forma de onda del pulso, y los valores de AIx en diferentes partes del cuerpo son diversos.En nuestro estudio se utilizó el AIx radial.Para verificar la aplicabilidad de WMHMS en diferentes personas, seleccionamos 20 participantes en el grupo sano, 20 en el grupo de hipertensión (HTA), 20 en el grupo de enfermedad coronaria (CHD) con edades de 50 a 59 años y 20 en el grupo de grupo de diabetes mellitus (DM).Medimos sus ondas de pulso y comparamos sus dos parámetros, AIx y PWV, como se presenta en la Fig. 4J.Se puede encontrar que los valores de PWV de los grupos HTN, CHD y DM fueron más bajos en comparación con los del grupo sano y tienen una diferencia estadística (PHTN ≪ 0.001, PCHD ≪ 0.001 y PDM ≪ 0.001; los valores P se calcularon por t prueba).Mientras tanto, los valores de AIx de los grupos HTN y CHD fueron más bajos en comparación con el grupo sano y tienen una diferencia estadística (PHTN <0.01, PCHD <0.001 y PDM <0.05).El PWV y AIx de los participantes con CC, HTA o DM fueron más altos que los del grupo sano.Los resultados muestran que el TATSA es capaz de obtener con precisión la forma de onda del pulso para calcular el parámetro cardiovascular para evaluar el estado de salud cardiovascular.En conclusión, debido a sus características inalámbricas, de alta resolución y alta sensibilidad y su comodidad, el WMHMS basado en TATSA ofrece una alternativa más eficiente para el monitoreo en tiempo real que los costosos equipos médicos actuales que se usan en los hospitales.
Aparte de la onda del pulso, la información respiratoria también es un signo vital primario para ayudar a evaluar la condición física de un individuo.La monitorización de la respiración basada en nuestro TATSA es más atractiva que la polisomnografía convencional porque se puede integrar perfectamente en la ropa para una mayor comodidad.Cosido en una correa de pecho elástica blanca, el TATSA se ató directamente al cuerpo humano y se aseguró alrededor del pecho para monitorear la respiración (Fig. 5A y película S7).El TATSA se deformó con la expansión y contracción de la caja torácica, lo que resultó en una salida eléctrica.La forma de onda adquirida se verifica en la Fig. 5B.La señal con grandes fluctuaciones (una amplitud de 1,8 V) y cambios periódicos (una frecuencia de 0,5 Hz) correspondía al movimiento respiratorio.La señal de fluctuación relativamente pequeña se superpuso a esta gran señal de fluctuación, que era la señal del latido del corazón.De acuerdo con las características de frecuencia de las señales de respiración y latidos cardíacos, utilizamos un filtro de paso bajo de 0,8 Hz y un filtro de paso de banda de 0,8 a 20 Hz para separar las señales respiratorias y de latidos cardíacos, respectivamente, como se muestra en la Fig. 5C .En este caso, las señales respiratorias y de pulso estables con abundante información fisiológica (como la frecuencia respiratoria, la frecuencia cardíaca y los puntos característicos de la onda del pulso) se obtuvieron de forma simultánea y precisa simplemente colocando el único TATSA en el pecho.
(A) Fotografía que muestra la pantalla del TATSA colocado en el pecho para medir la señal en la presión asociada a la respiración.(B) Diagrama de voltaje-tiempo para el TATSA montado en el cofre.(C) Descomposición de la señal (B) en el latido del corazón y la forma de onda respiratoria.(D) Fotografía que muestra dos TATSA colocados en el abdomen y la muñeca para medir la respiración y el pulso, respectivamente, durante el sueño.(E) Señales respiratorias y de pulso de un participante sano.FC, frecuencia cardiaca;BPM, latidos por minuto.(F) Señales respiratorias y de pulso de un participante de SAS.(G) Señal respiratoria y PTT de un participante sano.(H) Señal respiratoria y PTT de un participante de SAS.(I) Relación entre el índice de activación del PTT y el índice de apnea-hipopnea (IAH).Crédito de la foto: Wenjing Fan, Universidad de Chongqing.
Para demostrar que nuestro sensor puede monitorear de manera precisa y confiable el pulso y las señales respiratorias, llevamos a cabo un experimento para comparar los resultados de medición de las señales de pulso y respiración entre nuestros TATSA y un instrumento médico estándar (MHM-6000B), como se explica en las películas S8 y S9.En la medición de ondas de pulso, el sensor fotoeléctrico del instrumento médico se usó en el dedo índice izquierdo de una niña y, mientras tanto, nuestro TATSA se usó en su dedo índice derecho.De las dos formas de onda de pulso adquiridas, podemos ver que sus contornos y detalles eran idénticos, lo que indica que el pulso medido por el TATSA es tan preciso como el del instrumento médico.En la medición de la onda respiratoria, se colocaron cinco electrodos electrocardiográficos en cinco áreas del cuerpo de un hombre joven de acuerdo con las instrucciones médicas.En cambio, solo un TATSA estaba directamente atado al cuerpo y asegurado alrededor del pecho.A partir de las señales respiratorias recopiladas, se puede ver que la tendencia de variación y la tasa de la señal de respiración detectada por nuestro TATSA eran consistentes con las del instrumento médico.Estos dos experimentos de comparación validaron la precisión, confiabilidad y simplicidad de nuestro sistema de sensores para monitorear el pulso y las señales respiratorias.
Además, fabricamos una prenda de ropa inteligente y cosimos dos TATSA en las posiciones del abdomen y la muñeca para monitorear las señales respiratorias y del pulso, respectivamente.Específicamente, se utilizó un WMHMS de doble canal desarrollado para capturar el pulso y las señales respiratorias simultáneamente.A través de este sistema, obtuvimos las señales respiratorias y de pulso de un hombre de 25 años vestido con nuestra ropa inteligente mientras dormía (Fig. 5D y película S10) y sentado (fig. S26 y película S11).Las señales respiratorias y de pulso adquiridas podrían transmitirse de forma inalámbrica a la aplicación del teléfono móvil.Como se mencionó anteriormente, el TATSA tiene la capacidad de capturar señales respiratorias y de pulso.Estas dos señales fisiológicas también son los criterios para estimar médicamente el SAS.Por lo tanto, nuestro TATSA también se puede utilizar para controlar y evaluar la calidad del sueño y los trastornos del sueño relacionados.Como se muestra en la Fig. 5 (E y F, respectivamente), medimos continuamente las formas de onda respiratoria y del pulso de dos participantes, uno sano y un paciente con SAS.Para la persona sin apnea, las frecuencias respiratoria y del pulso medidas se mantuvieron estables en 15 y 70, respectivamente.Para el paciente con SAS, se observó una clara apnea durante 24 s, que es una indicación de un evento respiratorio obstructivo, y la frecuencia cardíaca aumentó ligeramente después de un período de apnea debido a la regulación del sistema nervioso (49).En resumen, nuestro TATSA puede evaluar el estado respiratorio.
Para evaluar más a fondo el tipo de SAS a través del pulso y las señales respiratorias, analizamos el tiempo de tránsito del pulso (PTT), un indicador no invasivo que refleja los cambios en la resistencia vascular periférica y la presión intratorácica (definida en la sección S1) de un hombre sano y un paciente con SAS.Para el participante sano, la frecuencia respiratoria se mantuvo sin cambios y el PTT fue relativamente estable de 180 a 310 ms (Fig. 5G).Sin embargo, para el participante de SAS, el PTT aumentó continuamente de 120 a 310 ms durante la apnea (Fig. 5H).Por lo tanto, el participante fue diagnosticado con SAS obstructivo (SAOS).Si el cambio en el PTT disminuyó durante la apnea, entonces la condición se determinaría como un síndrome de apnea central del sueño (CSAS), y si estos dos síntomas existieran simultáneamente, entonces se diagnosticaría como un SAS mixto (MSAS).Para evaluar la gravedad de SAS, analizamos más a fondo las señales recopiladas.El índice de activación del PTT, que es el número de activaciones del PTT por hora (la activación del PTT se define como una caída del PTT de ≥15 ms con una duración de ≥3 s), juega un papel vital en la evaluación del grado de SAS.El índice de apnea-hipopnea (IAH) es un estándar para determinar el grado de SAS (apnea es el cese de la respiración e hipopnea es una respiración excesivamente superficial o una frecuencia respiratoria anormalmente baja), que se define como el número de apneas e hipopneas por hora mientras duerme (la relación entre el AHI y los criterios de calificación para OSAS se muestra en la tabla S2).Para investigar la relación entre el AHI y el índice de activación del PTT, se seleccionaron y analizaron con TATSA las señales respiratorias de 20 pacientes con SAS.Como se muestra en la Fig. 5I, el índice de activación del PTT se correlacionó positivamente con el IAH, ya que la apnea y la hipopnea durante el sueño provocan una elevación evidente y transitoria de la presión arterial, lo que conduce a la disminución del PTT.Por lo tanto, nuestro TATSA puede obtener pulso y señales respiratorias estables y precisas simultáneamente, proporcionando así información fisiológica importante sobre el sistema cardiovascular y SAS para el seguimiento y evaluación de enfermedades relacionadas.
En resumen, desarrollamos un TATSA utilizando la puntada de cárdigan completa para detectar diferentes señales fisiológicas simultáneamente.Este sensor presentaba una alta sensibilidad de 7,84 mV Pa−1, un tiempo de respuesta rápido de 20 ms, una alta estabilidad de más de 100 000 ciclos y un amplio ancho de banda de frecuencia de trabajo.Sobre la base de TATSA, también se desarrolló un WMHMS para transmitir los parámetros fisiológicos medidos a un teléfono móvil.TATSA se puede incorporar en diferentes sitios de ropa para el diseño estético y se utiliza para monitorear simultáneamente el pulso y las señales respiratorias en tiempo real.El sistema se puede aplicar para ayudar a distinguir entre individuos sanos y aquellos con CAD o SAS debido a su capacidad para capturar información detallada.Este estudio proporcionó un enfoque cómodo, eficiente y fácil de usar para medir el pulso y la respiración humana, lo que representa un avance en el desarrollo de la electrónica textil portátil.
El acero inoxidable se pasó repetidamente por el molde y se estiró para formar una fibra con un diámetro de 10 μm.Se insertó una fibra de acero inoxidable como electrodo en varias piezas de hilos comerciales de terileno de una sola capa.
Se utilizó un generador de funciones (Stanford DS345) y un amplificador (LabworkPa-13) para proporcionar una señal de presión sinusoidal.Se utilizó un sensor de fuerza de doble rango (Vernier Software & Technology LLC) para medir la presión externa aplicada al TATSA.Se usó un electrómetro del sistema Keithley (Keithley 6514) para monitorear y registrar el voltaje y la corriente de salida del TATSA.
De acuerdo con el Método de prueba 135-2017 de AATCC, usamos el TATSA y suficiente lastre como una carga de 1,8 kg y luego los pusimos en una máquina de lavado comercial (Labtex LBT-M6T) para realizar ciclos delicados de lavado en máquina.Luego, llenamos la lavadora con 18 galones de agua a 25°C y configuramos la lavadora para el ciclo y tiempo de lavado seleccionado (velocidad de agitación, 119 golpes por minuto; tiempo de lavado, 6 min; velocidad de centrifugado final, 430 rpm; tiempo de centrifugado, 3 min).Por último, el TATSA se colgó seco en aire quieto a temperatura ambiente no superior a 26°C.
Se instruyó a los sujetos para que se tumbaran en posición supina sobre la cama.El TATSA se colocó en los sitios de medición.Una vez que los sujetos estuvieron en posición supina estándar, mantuvieron un estado completamente relajado durante 5 a 10 min.La señal de pulso luego comenzó a medir.
El material complementario para este artículo está disponible en https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Figura S9.Resultado de la simulación de la distribución de fuerzas de un TATSA bajo presiones aplicadas a 0,2 kPa utilizando el software COMSOL.
Figura S10.Resultados de la simulación de la distribución de fuerzas de una unidad de contacto bajo las presiones aplicadas a 0,2 y 2 kPa, respectivamente.
Figura S11.Ilustraciones esquemáticas completas de la transferencia de carga de una unidad de contacto en condiciones de cortocircuito.
Figura S13.Voltaje y corriente de salida continuos de TATSA en respuesta a la presión externa aplicada continuamente en un ciclo de medición.
Figura S14.Respuesta de voltaje a varios números de unidades de bucle en la misma área de tejido cuando se mantiene sin cambios el número de bucle en la dirección de la columna.
Figura S15.Una comparación entre los rendimientos de salida de los dos sensores textiles usando la puntada de cárdigan completa y la puntada simple.
Figura S16.Gráficos que muestran respuestas de frecuencia a la presión dinámica de 1 kPa y frecuencia de entrada de presión de 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 y 20 Hz.
Figura S25.Los voltajes de salida del sensor cuando el sujeto estaba en condiciones estáticas y de movimiento.
Figura S26.Fotografía que muestra los TATSA colocados en el abdomen y la muñeca simultáneamente para medir la respiración y el pulso, respectivamente.
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Por Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Se desarrolló un sensor triboeléctrico totalmente textil con alta sensibilidad a la presión y comodidad para el monitoreo de la salud.
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© 2020 Asociación Americana para el Avance de la Ciencia.Reservados todos los derechos.AAAS es socio de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef y COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Hora de publicación: 27-mar-2020