Kantav tekstiilelektroonika on isikupärastatud tervisejuhtimise teostamiseks väga soovitav.Enamik teatatud tekstiilelektroonikatest võib aga perioodiliselt sihtida ühte füsioloogilist signaali või jätta märkamata signaalide täpsed üksikasjad, mis viib osalise tervisehinnanguni.Lisaks on suurepäraste omaduste ja mugavusega tekstiilid endiselt väljakutseks.Siin kirjeldame triboelektrilist tekstiilist anduri massiivi, millel on kõrge rõhutundlikkus ja mugavus.Sellel on rõhutundlikkus (7,84 mV Pa−1), kiire reageerimisaeg (20 ms), stabiilsus (>100 000 tsüklit), lai töösagedusriba (kuni 20 Hz) ja masinpestavus (>40 pesu).Valmistatud TATSA-d õmmeldi rõivaste erinevatesse osadesse, et jälgida samaaegselt arteriaalseid pulsilaineid ja hingamissignaale.Töötasime edasi terviseseiresüsteemi südame-veresoonkonna haiguste ja uneapnoe sündroomi pikaajaliseks ja mitteinvasiivseks hindamiseks, mis näitab mõningate krooniliste haiguste kvantitatiivse analüüsi osas suuri edusamme.
Kantav elektroonika kujutab endast põnevat võimalust oma paljutõotavate rakenduste tõttu isikupärastatud meditsiinis.Nad saavad jälgida indiviidi tervislikku seisundit pidevalt, reaalajas ja mitteinvasiivselt (1–11).Pulss ja hingamine kui elutähtsate näitajate kaks asendamatut komponenti võivad anda nii füsioloogilise seisundi täpse hinnangu kui ka märkimisväärse ülevaate seotud haiguste diagnoosimisest ja prognoosist (12–21).Praeguseks põhineb enamik peente füsioloogiliste signaalide tuvastamiseks kasutatavat elektroonikat üliõhukestel substraatidel, nagu polüetüleentereftalaat, polüdimetüülsiloksaan, polüimiid, klaas ja silikoon (22–26).Nende nahal kasutatavate substraatide puuduseks on nende tasapinnaline ja jäik vorming.Seetõttu on kantavate elektroonikaseadmete ja inimese naha vahel kompaktse kontakti loomiseks vaja teipe, ribaabisid või muid mehaanilisi kinnitusvahendeid, mis võib pikemaajalisel kasutamisel põhjustada ärritust ja ebamugavusi (27, 28).Lisaks on neil substraatidel halb õhu läbilaskvus, mis põhjustab pikaajaliseks pidevaks tervisekontrolliks kasutamisel ebamugavust.Eelnimetatud probleemide leevendamiseks tervishoius, eriti igapäevases kasutuses, pakuvad nutikad tekstiilid usaldusväärse lahenduse.Nendel tekstiilidel on pehmuse, kerge kaalu ja hingavuse omadused ning seega potentsiaal mugavuse tagamiseks kantavas elektroonikas.Viimastel aastatel on tehtud intensiivseid jõupingutusi tundlike andurite, energia kogumise ja ladustamise tekstiilipõhiste süsteemide väljatöötamiseks (29–39).Eelkõige on edukatest uuringutest teatatud optiliste kiudude, piesoelektrilisuse ja takistuspõhiste nutikate tekstiilide kohta, mida kasutatakse pulsi- ja hingamissignaalide jälgimisel (40–43).Kuid need nutikad tekstiilid on tavaliselt madala tundlikkusega ja ühe jälgimisparameetriga ning neid ei saa suures mahus toota (tabel S1).Impulsi mõõtmise korral on üksikasjalikku teavet raske tabada, kuna impulss on nõrk ja kiire kõikumine (nt selle tunnuspunktid), mistõttu on vaja suurt tundlikkust ja sobivat sagedusreaktsiooni jõudlust.
Selles uuringus tutvustame kõrge tundlikkusega triboelektrilist tekstiilist sensori massiivi (TATSA), mis on epidermise peene rõhu hõivamiseks ja mis on kootud juhtivatest ja nailonlõngadest täiskardiganõmbluses.TATSA suudab pakkuda kõrget survetundlikkust (7,84 mV Pa−1), kiiret reaktsiooniaega (20 ms), stabiilsust (>100 000 tsüklit), laia töösagedusriba (kuni 20 Hz) ja masinas pestatavust (>40 pesu).See suudab end mugavalt riietesse integreerida diskreetsuse, mugavuse ja esteetilise atraktiivsusega.Eelkõige saab meie TATSA-d lisada otse kanga erinevatesse kohtadesse, mis vastavad pulsilainetele kaela, randme, sõrmeotste ja pahkluu asendis ning hingamislainetele kõhus ja rinnus.Et hinnata TATSA suurepärast jõudlust tervise reaalajas ja kaugjälgimisel, töötame välja personaliseeritud intelligentse terviseseiresüsteemi, mis võimaldab pidevalt koguda ja salvestada füsioloogilisi signaale südame-veresoonkonna haiguste (CAD) analüüsiks ja uneapnoe sündroomi (SAS) hindamiseks. ).
Nagu on näidatud joonisel fig 1A, õmmeldi kaks TATSA-d särgi mansetti ja rinnakorvi, et võimaldada vastavalt pulsi ja hingamissignaalide dünaamilist ja samaaegset jälgimist.Need füsioloogilised signaalid edastati juhtmevabalt intelligentsele mobiilterminali rakendusele (APP) terviseseisundi edasiseks analüüsiks.Joonisel 1B on kujutatud riidetükiks õmmeldud TATSA ja siseküljel on TATSA suurendatud vaade, mis kooti, kasutades iseloomulikku juhtivat lõnga ja kaubanduslikku nailonlõnga koos täiskardiganõmbluses.Võrreldes põhilise lihtpistega, mis on kõige levinum ja põhilisem kudumisviis, valiti täiskardiganõmblus, kuna elektrit juhtiva lõnga silmusepea ja külgneva nailonlõnga silmuspea (joonis S1) vaheline kontakt on pind. punktkontakti asemel, mis viib suurema triboelektrilise efekti saavutamiseks suurema toimealani.Juhtiva lõnga ettevalmistamiseks valisime fikseeritud südamikukiuks roostevaba terase ja mitu ühekihilist terüleenlõnga keerutati südamiku ümber üheks 0,2 mm läbimõõduga juhtivaks lõngaks (joonis S2), mis toimis nii elektrifitseerimispind kui ka juhtiv elektrood.Nailonlõngal, mille läbimõõt oli 0,15 mm ja mis toimis teise elektrifitseerimispinnana, oli tugev tõmbejõud, kuna seda keerdusid arvutamatud lõngad (joonis S3).Joonisel 1 (vastavalt C ja D) on kujutatud valmistatud juhtiva lõnga ja nailonlõnga fotosid.Sisetükid näitavad nende vastavaid skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) pilte, mis kujutavad juhtiva lõnga tüüpilist ristlõiget ja nailonlõnga pinda.Juhtivate ja nailonlõngade kõrge tõmbetugevus tagas nende kudumisvõime tööstuslikul masinal, et säilitada kõigi andurite ühtlane jõudlus.Nagu on näidatud joonisel fig 1E, keriti juhtivad lõngad, nailonlõngad ja tavalised niidid vastavatele koonustele, mis seejärel laaditi automaatseks kudumiseks mõeldud tööstuslikku arvutipõhisesse lamedasse kudumismasinasse (film S1).Nagu on näidatud joonisel fig.S4, mitmed TATSAd kooti tööstusliku masinaga tavalise lapiga kokku.Üksiku TATSA paksusega 0,85 mm ja kaaluga 0,28 g saab kohandada kogu konstruktsioonist individuaalseks kasutamiseks, mis näitab selle suurepärast ühilduvust teiste lapidega.Lisaks saab TATSA-sid kujundada erinevates värvides, et need vastaksid esteetilistele ja moekatele nõuetele, kuna kaubanduses kasutatavad nailonlõngad on erinevad (joonis 1F ja joonis S5).Valmistatud TATSA-d on suurepärase pehmuse ja vastupidavusega tugevale paindumisele või deformatsioonile (joonis S6).Joonisel 1G on kujutatud TATSA, mis on õmmeldud otse kampsuni kõhtu ja mansetti.Kampsuni kudumise protsess on näidatud joonisel fig.S7 ja film S2.Kõhuasendis venitatud TATSA esi- ja tagakülje detailid on näidatud joonisel fig.S8 (vastavalt A ja B) ning juhtiva lõnga ja nailonlõnga asukoht on illustreeritud joonisel fig.S8C.Siin on näha, et TATSA saab diskreetse ja nutika välimuse jaoks sujuvalt tavaliste kangaste sisse põimida.
(A) Kaks särki integreeritud TATSA-d pulsi- ja hingamissignaalide jälgimiseks reaalajas.(B) TATSA ja riiete kombinatsiooni skemaatiline illustratsioon.Sisend näitab anduri suurendatud vaadet.(C) Foto juhtivast lõngast (skaala riba, 4 cm).Sisend on roostevabast terasest ja terüleenlõngast koosneva juhtiva lõnga ristlõike SEM-kujutis (skaala riba, 100 μm).(D) Foto nailonlõngast (skaala riba, 4 cm).Sisend on nailonlõnga pinna SEM-kujutis (skaala riba, 100 μm).(E) Pilt arvutipõhisest lamedast kudumismasinast, mis teostab TATSA-de automaatset kudumist.(F) Erinevate värvidega TATSA-de foto (skaala riba, 2 cm).Siseosa on keeratud TATSA, mis demonstreerib oma suurepärast pehmust.(G) Foto kahest TATSAst, mis on täielikult ja sujuvalt kampsuniks õmmeldud.Fotokrediit: Wenjing Fan, Chongqingi ülikool.
TATSA töömehhanismi, sealhulgas selle mehaaniliste ja elektriliste omaduste analüüsimiseks koostasime TATSA geomeetrilise kudumismudeli, nagu on näidatud joonisel 2A.Kasutades täielikku kardiganiõmblust, on juhtiv ja nailonlõng omavahel seotud silmusüksustena nii kursi kui ka jala suunas.Ühe silmuse struktuur (joonis S1) koosneb silmusepeast, silmusõlast, ribi ristuvast osast, tikkõmbluse õlast ja tikkpistepeast.Kahe erineva lõnga vahelisel kontaktpinnal on kaks vormi: (i) juhtiva lõnga silmuspea ja nailonlõnga silmuspea vaheline kontaktpind ja (ii) kontaktpind silmuspea vahel. nailonlõng ja juhtiva lõnga tikkpistepea.
(A) TATSA kootud silmuste esi-, parempoolse ja ülemise küljega.(B) TATSA jõujaotuse simulatsiooni tulemus rõhul 2 kPa, kasutades tarkvara COMSOL.(C) Skemaatilised illustratsioonid kontaktüksuse laengu ülekandmisest lühise tingimustes.(D) Simulatsioonitulemused kontaktüksuse laengu jaotuse kohta avatud vooluahela tingimustes, kasutades tarkvara COMSOL.
TATSA tööpõhimõtet saab selgitada kahes aspektis: välise jõu stimuleerimine ja selle indutseeritud laeng.Pingejaotuse intuitiivseks mõistmiseks vastuseks välisele jõu stiimulile kasutasime lõplike elementide analüüsi, kasutades tarkvara COMSOL erinevatel välisjõududel 2 ja 0,2 kPa, nagu on näidatud vastavalt joonistel 2B ja fig.S9.Pinge ilmneb kahe lõnga kontaktpindadel.Nagu on näidatud joonisel fig.S10, kaalusime pingejaotuse selgitamiseks kahte silmusüksust.Võrreldes pingejaotust kahe erineva välisjõu mõjul, suureneb juhtiva ja nailonlõnga pindade pinge koos välisjõu suurenemisega, mille tulemuseks on kahe lõnga kontakt ja ekstrusioon.Kui väline jõud on vabastatud, eralduvad kaks lõnga ja eemalduvad üksteisest.
Juhtiva lõnga ja nailonlõnga vahelised kontakt-eraldusliigutused kutsuvad esile laengu ülekande, mis on tingitud triboelektrifitseerimise ja elektrostaatilise induktsiooni koosmõjust.Elektritootmisprotsessi selgitamiseks analüüsime kahe lõnga kokkupuuteala ristlõiget (joonis 2C1).Nagu on näidatud joonisel 2 (vastavalt C2 ja C3), kui TATSA-d stimuleerib välisjõud ja kaks lõnga puutuvad üksteisega kokku, toimub juhtiva ja nailonlõnga pinnal elektrifitseerimine ning samaväärsed laengud vastandlike laengutega. kahe lõnga pinnale tekivad polaarsused.Kui kaks lõnga eralduvad, indutseeritakse sisemises roostevabas terases elektrostaatilise induktsiooniefekti tõttu positiivsed laengud.Täielik skeem on näidatud joonisel fig.S11.Elektritootmisprotsessi kvantitatiivsema arusaamise saamiseks simuleerisime TATSA potentsiaalset jaotust, kasutades tarkvara COMSOL (joonis 2D).Kui kaks materjali puutuvad kokku, koguneb laeng peamiselt hõõrdematerjalile ja elektroodil on vaid väike kogus indutseeritud laengut, mille tulemuseks on väike potentsiaal (joonis 2D, alumine).Kahe materjali eraldamisel (joonis 2D, ülemine) suureneb potentsiaalide erinevuse tõttu elektroodi indutseeritud laeng ja vastav potentsiaal suureneb, mis näitab head kooskõla katsetest ja simulatsioonidest saadud tulemuste vahel. .Lisaks, kuna TATSA juhtiv elektrood on mähitud terüleenlõngadesse ja nahk puutub kokku mõlema kahe hõõrdematerjaliga, siis kui TATSA kantakse otse nahale, sõltub laeng välisjõust ja seda ei teki. olla naha poolt nõrgestatud.
Meie TATSA toimivuse iseloomustamiseks erinevates aspektides pakusime mõõtesüsteemi, mis sisaldab funktsioonigeneraatorit, võimsusvõimendit, elektrodünaamilist loksutit, jõumõõturit, elektromeetrit ja arvutit (joonis S12).See süsteem tekitab välise dünaamilise rõhu kuni 7 kPa.Katses asetati TATSA tasasele plastlehele vabas olekus ja väljundelektrisignaalid registreeriti elektromeetriga.
Juhtivate ja nailonlõngade spetsifikatsioonid mõjutavad TATSA väljundjõudlust, kuna need määravad kontaktpinna ja välise rõhu tajumise võime.Selle uurimiseks valmistasime vastavalt kolmes suuruses kahest lõngast: juhtiva lõnga suurusega 150D/3, 210D/3 ja 250D/3 ning nailonlõnga suurusega 150D/6, 210D/6 ja 250D. /6 (D, denjeer; üksikute niitide kiu paksuse määramiseks kasutatav mõõtühik; suure denjeearvuga kangad kipuvad olema paksud).Seejärel valisime need kaks erineva suurusega lõnga, et need anduriks kududa, ja TATSA mõõtmed hoiti 3 cm x 3 cm silmuse numbriga 16 käigu suunas ja 10 kursi suunas.Nii saadi üheksa kudumismustriga andurid.Kõige peenem oli andur juhtiva lõnga mõõtmetega 150D/3 ja nailonlõnga mõõtmetega 150D/6 juures ning andur juhtiva lõnga juures suurusega 250D/3 ja nailonlõnga juures suurusega 250D/ 6 oli kõige paksem.Mehaanilise ergastusega 0,1 kuni 7 kPa uuriti ja testiti nende mustrite elektriväljundeid süstemaatiliselt, nagu on näidatud joonisel 3A.Üheksa TATSA väljundpinged tõusid suurenenud rakendatud rõhuga 0,1-lt 4 kPa-le.Täpsemalt, kõigist kudumismustritest andsid 210D/3 juhtiva lõnga ja 210D/6 nailonlõnga spetsifikatsioonid suurima elektriväljundi ja tundlikkuse.Väljundpinge näitas tõusutrendi TATSA paksuse suurenemisega (piisava kontaktpinna tõttu), kuni TATSA kooti kasutades 210D/3 juhtivat lõnga ja 210D/6 nailonlõnga.Kuna jämeduse edasine suurenemine tooks kaasa välisrõhu neeldumise lõngade poolt, vähenes väljundpinge vastavalt.Lisaks tuleb märkida, et madala rõhu piirkonnas (<4 kPa) andis väljundpinge hästi käitunud lineaarne varieerumine rõhuga kõrgema rõhutundlikkuse 7, 84 mV Pa−1.Kõrgsurve piirkonnas (> 4 kPa) täheldati efektiivse hõõrdeala küllastumise tõttu eksperimentaalselt madalamat rõhutundlikkust 0, 31 mV Pa−1.Sarnast rõhutundlikkust demonstreeriti ka vastupidise jõu rakendamise ajal.Väljundpinge ja voolu konkreetsed ajaprofiilid erinevatel rõhkudel on toodud joonisel fig.S13 (vastavalt A ja B).
(A) Juhtivast lõngast (150D/3, 210D/3 ja 250D/3) koos nailonlõngaga (150D/6, 210D/6 ja 250D/6) koosneva üheksa kudumismustri väljundpinge.(B) Pingereaktsioon erinevale arvule silmusüksustele samas kangapiirkonnas, kui ahela numbrit ei muudeta.(C) graafikud, mis näitavad sagedusreaktsioone dünaamilise rõhu 1 kPa ja rõhu sisendsageduse 1 Hz korral.(D) Erinevad väljund- ja voolupinged sagedustel 1, 5, 10 ja 20 Hz.(E) TATSA vastupidavuskatse 1 kPa rõhu all.(F) TATSA väljundomadused pärast 20- ja 40-kordset pesemist.
Tundlikkust ja väljundpinget mõjutas ka TATSA pistetihedus, mille määras silmuste koguarv kanga mõõdetud alal.Õmbluste tiheduse suurendamine tooks kaasa kanga struktuuri suurema kompaktsuse.Joonisel 3B on näidatud väljundtulemused erinevate ahelanumbrite all 3 cm x 3 cm suurusel tekstiilialal ja sisetükk illustreerib silmuseüksuse struktuuri (jätsime kursisuunalise ahela numbri väärtuseks 10 ja silmuse numbriks Wale suund oli 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 ja 26).Silmuse arvu suurendamisega näitas väljundpinge esmalt suurenevat kontaktpinda tõusutendentsi kuni maksimaalse väljundpinge tipuni 7,5 V ahela arvuga 180. Pärast seda punkti järgis väljundpinge langustrendi, kuna TATSA muutus tihedaks ja kahe lõnga kontaktide eraldusruum vähenes.Et uurida, millises suunas tihedus väljundile suurt mõju avaldab, hoidsime TATSA tsükli numbrit wale-suunas 18 juures ja kursisuunaliseks ahela numbriks määrati 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ja 14. Vastavad väljundpinged on näidatud joonisel fig.S14.Võrdluseks näeme, et kursisuunalisel tihedusel on suurem mõju väljundpingele.Selle tulemusena valiti TATSA kudumiseks pärast väljundomaduste põhjalikku hindamist juhtiva lõnga 210D/3 ja 210D/6 nailonlõnga kudumismuster ja 180 silmust.Lisaks võrdlesime kahe tekstiilanduri väljundsignaale, kasutades täiskardiganiõmblust ja tavalist õmblust.Nagu on näidatud joonisel fig.S15, elektriline väljund ja tundlikkus täiskardigani õmbluse kasutamisel on palju suuremad kui tavaõmbluse puhul.
Mõõdeti reaalajas signaalide jälgimise reaktsiooniaega.Et uurida meie anduri reageerimisaega välisjõududele, võrdlesime väljundpinge signaale dünaamilise rõhu sisenditega sagedusel 1 kuni 20 Hz (vastavalt joonis 3C ja joonis S16).Väljundpinge lainekujud olid peaaegu identsed sisendsinusoidaalsete rõhulainetega rõhul 1 kPa ja väljundlainekujudel oli kiire reageerimisaeg (umbes 20 ms).Selle hüstereesi põhjuseks võib olla elastne struktuur, mis ei ole pärast välisjõu vastuvõtmist võimalikult kiiresti algsesse olekusse naasnud.Sellegipoolest on see väike hüsterees reaalajas jälgimiseks vastuvõetav.Teatud sagedusvahemikuga dünaamilise rõhu saamiseks eeldatakse TATSA sobivat sagedusreaktsiooni.Seega testiti ka TATSA sageduskarakteristikut.Suurendades välist ergutussagedust, jäi väljundpinge amplituud peaaegu muutumatuks, voolu amplituud aga suurenes, kui koputussagedused kõikusid vahemikus 1 kuni 20 Hz (joonis 3D).
TATSA korratavuse, stabiilsuse ja vastupidavuse hindamiseks testisime väljundpinget ja voolu reaktsioone rõhu laadimis- ja mahalaadimistsüklitele.Andurile rakendati rõhku 1 kPa sagedusega 5 Hz.Pinge tipptasemeni ja vool registreeriti pärast 100 000 laadimis- ja mahalaadimistsüklit (vastavalt joonis 3E ja joonis S17).Pinge ja voolu lainekuju suurendatud vaated on näidatud joonise 3E ja fig.vastavalt S17.Tulemused näitavad TATSA märkimisväärset korratavust, stabiilsust ja vastupidavust.Pestavus on ka TATSA kui tekstiilist valmistatud seadme oluline hindamiskriteerium.Pesemisvõime hindamiseks testisime anduri väljundpinget pärast TATSA masinpesu vastavalt Ameerika tekstiilikeemikute ja koloristide ühingu (AATCC) katsemeetodile 135-2017.Üksikasjalikku pesemisprotseduuri on kirjeldatud jaotises Materjalid ja meetodid.Nagu on näidatud joonisel 3F, registreeriti elektrilised väljundid pärast 20- ja 40-kordset pesemist, mis näitas, et väljundpinges ei toimunud pesukatsete jooksul selgeid muutusi.Need tulemused kinnitavad TATSA märkimisväärset pestavust.Kantava tekstiilist andurina uurisime ka väljundjõudlust, kui TATSA oli tõmbe (joonis S18), keerdunud (joonis S19) ja erineva niiskuse (joonis S20) tingimustes.
Eespool näidatud TATSA arvukate eeliste põhjal töötasime välja juhtmevaba mobiilse terviseseiresüsteemi (WMHMS), mis suudab pidevalt hankida füsioloogilisi signaale ja seejärel anda patsiendile professionaalset nõu.Joonisel 4A on näidatud TATSA-l põhineva WMHMS-i skeem.Süsteemil on neli komponenti: TATSA füsioloogiliste analoogsignaalide saamiseks, madalpääsfiltriga analoogkonditsioneerimisahel (MAX7427) ja võimendi (MAX4465), et tagada piisavad detailid ja suurepärane signaalide sünkroniseerimine, analoog-digitaalsignaal. mikrokontrolleri üksusel põhinev muundur, mis kogub ja teisendab analoogsignaale digitaalsignaalideks, ning Bluetooth-moodul (CC2640 väikese võimsusega Bluetoothi kiip), et edastada digitaalne signaal mobiiltelefoni terminalirakendusse (APP; Huawei Honor 9).Selles uuringus õmblesime TATSA sujuvalt pitsiks, randmepaelaks, sõrmeotsaks ja sokiks, nagu on näidatud joonisel 4B.
(A) WMHMS-i illustratsioon.(B) Fotod TATSA-dest, mis on õmmeldud vastavalt randmepaela, sõrmeotsa, soki ja rinnarihma külge.Pulsi mõõtmine (C1) kaelas, (D1) randmes, (E1) sõrmeotsas ja (F1) pahkluus.Pulsi lainekuju (C2) kaelal, (D2) randmel, (E2) sõrmeotsas ja (F2) pahkluus.(G) Erineva vanusega pulsilainekujud.(H) Ühe impulsi laine analüüs.Radiaalne augmentatsiooniindeks (AIx) defineeritud kui AIx (%) = P2/P1.P1 on edasiliikuva laine tipp ja P2 on peegeldunud laine tipp.(I) õlavarre ja pahkluu pulsitsükkel.Impulssilaine kiirus (PWV) on määratletud kui PWV = D/∆T.D on pahkluu ja õlavarre vaheline kaugus.∆T on ajaline viivitus hüppeliigese tippude ja õlavarre pulsilainete vahel.PTT, impulsi ülekandeaeg.(J) AIx ja õlavarreliigese PWV (BAPWV) võrdlus tervete ja CAD-de vahel.*P < 0,01, **P < 0,001 ja ***P < 0,05.HTN, hüpertensioon;CHD, südame isheemiatõbi;DM, suhkurtõbi.Fotokrediit: Jin Yang, Chongqingi ülikool.
Inimese erinevate kehaosade pulsisignaalide jälgimiseks kinnitasime eelnimetatud TATSA-dega kaunistused vastavatesse kohtadesse: kael (joonis 4C1), randme (joonis 4D1), sõrmeots (joonis 4E1) ja pahkluu (joonis 4F1). ), nagu on kirjeldatud filmides S3 kuni S6.Meditsiinis on pulsilainel kolm olulist tunnuspunkti: edasiliikuva laine P1 tipp, peegeldunud laine P2 tipp ja dikrootilise laine P3 tipp.Nende tunnuspunktide omadused peegeldavad südame-veresoonkonna süsteemiga seotud arterite elastsuse, perifeerse resistentsuse ja vasaku vatsakese kontraktiilsuse tervislikku seisundit.Meie testis saadi ja registreeriti 25-aastase naise pulsi lainekujud ülaltoodud neljas asendis.Pange tähele, et kolme eristatavat tunnuspunkti (P1 kuni P3) täheldati pulsi lainekujul kaela, randme ja sõrmeotste asendis, nagu on näidatud joonisel 4 (C2 kuni E2).Seevastu pahkluu asendis ilmusid impulsi lainekujule ainult P1 ja P3 ja P2 puudus (joonis 4F2).Selle tulemuse põhjustas vasaku vatsakese poolt väljutatud sissetuleva verelaine ja alajäsemetelt peegeldunud laine superpositsioon (44).Varasemad uuringud on näidanud, et P2 esineb lainekujudes, mida mõõdetakse ülemistes jäsemetes, kuid mitte pahkluus (45, 46).Me täheldasime sarnaseid tulemusi TATSA-ga mõõdetud lainekujudes, nagu on näidatud joonisel fig.S21, mis näitab tüüpilisi andmeid siin uuritud 80 patsiendi populatsioonist.Näeme, et P2 ei ilmnenud nendes pahkluus mõõdetud impulsi lainekujudes, mis näitab TATSA võimet tuvastada lainekuju peeneid tunnuseid.Need impulsi mõõtmistulemused näitavad, et meie WMHMS suudab täpselt paljastada üla- ja alakeha pulsilaine omadused ning see on teistest töödest parem (41, 47).Et veelgi näidata, et meie TATSA-d saab laialdaselt rakendada erinevas vanuses, mõõtsime 80 erinevas vanuses katsealuse impulsi lainekujusid ja näitasime mõningaid tüüpilisi andmeid, nagu on näidatud joonisel fig.S22.Nagu on näidatud joonisel 4G, valisime kolm osalejat vanuses 25, 45 ja 65 aastat ning kolm tunnuspunkti olid noorte ja keskealiste osalejate jaoks ilmsed.Meditsiinilise kirjanduse (48) andmetel muutuvad enamiku inimeste pulsi lainekujude omadused vananedes, näiteks punkti P2 kadumine, mis on tingitud sellest, et peegeldunud laine liigub edasi, et kattuda edasiliikuvale lainele impulsi vähenemise kaudu. veresoonte elastsus.See nähtus kajastub ka kogutud lainekujudes, kontrollides veelgi, et TATSA-d saab rakendada erinevatele populatsioonidele.
Impulsi lainekuju ei mõjuta mitte ainult indiviidi füsioloogiline seisund, vaid ka katsetingimused.Seetõttu mõõtsime impulsi signaale erineva kontakti tiheduse all TATSA ja naha vahel (joonis S23) ja mõõtmiskohas erinevates tuvastamispositsioonides (joonis S24).Võib avastada, et TATSA suudab mõõtmiskohas suurel tõhusal tuvastamisalal saada järjepidevaid impulsi lainekujusid koos üksikasjaliku teabega veresoone ümber.Lisaks on TATSA ja naha vahel erineva kontakti tiheduse korral erinevad väljundsignaalid.Lisaks mõjutaks andureid kandvate inimeste liikumine pulsisignaale.Kui katsealuse ranne on staatilises seisundis, on saadud impulsi lainekuju amplituud stabiilne (joonis S25A);vastupidi, kui ranne liigub aeglaselt –70° kuni 70° nurga all 30 sekundi jooksul, siis impulsi lainekuju amplituud kõikub (joonis S25B).Siiski on iga impulsi lainekuju kontuur nähtav ja pulsisagedust saab siiski täpselt saada.Ilmselgelt on inimese liikumisel stabiilse impulsilaine omandamise saavutamiseks vaja täiendavat tööd, sealhulgas andurite kavandamist ja taustasignaali töötlemist.
Lisaks sellele, et analüüsida ja kvantitatiivselt hinnata südame-veresoonkonna süsteemi seisundit omandatud pulsi lainekujude kaudu meie TATSA abil, võtsime kasutusele kaks hemodünaamilist parameetrit vastavalt kardiovaskulaarsüsteemi hindamisspetsifikatsioonidele, nimelt augmentatsiooniindeksi (AIx) ja pulsilaine kiiruse. (PWV), mis tähistavad arterite elastsust.Nagu on näidatud joonisel 4H, kasutati AIx analüüsiks 25-aastase terve mehe randmeasendis olevat pulsi lainekuju.Vastavalt valemile (jaotis S1) saadi AIx = 60%, mis on normaalväärtus.Seejärel kogusime selle osaleja käsivarre ja pahkluu asendites samaaegselt kaks impulsi lainekuju (pulsi lainekuju mõõtmise üksikasjalikku meetodit on kirjeldatud jaotises Materjalid ja meetodid).Nagu on näidatud joonisel 4I, olid kahe impulsi lainekuju tunnuspunktid erinevad.Seejärel arvutasime PWV valemi järgi (jaotis S1).Saadi PWV = 1363 cm/s, mis on terve täiskasvanud meessoost oodatav näitaja.Teisest küljest näeme, et AIx või PWV mõõdikuid ei mõjuta impulsi lainekuju amplituudide erinevus ja AIx väärtused erinevates kehaosades on erinevad.Meie uuringus kasutati radiaalset AIx-i.Et kontrollida WMHMS-i rakendatavust erinevatel inimestel, valisime tervete rühmast 20, hüpertensiooni (HTN) rühmast 20, südame isheemiatõve (CHD) rühmast 20 osalejat vanuses 50–59 aastat ja 20 osalejat. suhkurtõve (DM) rühma.Mõõtsime nende pulsilaineid ja võrdlesime nende kahte parameetrit, AIx ja PWV, nagu on näidatud joonisel 4J.Võib leida, et HTN, CHD ja DM rühmade PWV väärtused olid tervete rühmade omadega võrreldes madalamad ja neil on statistiline erinevus (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 ja PDM ≪ 0,001; P väärtused arvutati t järgi test).Samal ajal olid HTN ja CHD rühmade AIx väärtused madalamad kui terve rühmaga ja neil oli statistiline erinevus (PHTN < 0, 01, PCHD < 0, 001 ja PDM < 0, 05).CHD, HTN või DM-ga osalejate PWV ja AIx olid kõrgemad kui tervetel rühmadel.Tulemused näitavad, et TATSA on võimeline täpselt saama pulsi lainekuju, et arvutada kardiovaskulaarne parameeter, et hinnata kardiovaskulaarset tervislikku seisundit.Kokkuvõtteks võib öelda, et TATSA-l põhinev WMHMS pakub oma traadita, kõrge eraldusvõimega, kõrge tundlikkusega omaduste ja mugavuse tõttu tõhusamat alternatiivi reaalajas jälgimiseks kui praegune haiglates kasutatav kallis meditsiiniaparatuur.
Lisaks pulsilainele on hingamisteave ka esmane elutähtis märk, mis aitab hinnata inimese füüsilist seisundit.Meie TATSA-l põhinev hingamise jälgimine on tavapärasest polüsomnograafiast atraktiivsem, kuna seda saab suurema mugavuse huvides sujuvalt riietesse integreerida.Valge elastse rinnarihma külge õmmeldud TATSA seoti otse inimkeha külge ja kinnitati hingamise jälgimiseks ümber rinna (joonis 5A ja film S7).TATSA deformeerus rinnakorvi laienemise ja kokkutõmbumisega, mille tulemuseks oli elektriline väljund.Saadud lainekuju on kinnitatud joonisel 5B.Suurte kõikumiste (amplituud 1,8 V) ja perioodiliste muutustega (sagedus 0,5 Hz) signaal vastas hingamise liikumisele.Suhteliselt väike fluktuatsioonisignaal kanti selle suure kõikumise signaali peale, mis oli südamelöögi signaal.Vastavalt hingamis- ja südamelöögisignaalide sageduskarakteristikutele kasutasime hingamis- ja südamelöögisignaalide eraldamiseks vastavalt 0,8 Hz madalpääsfiltrit ja 0,8 kuni 20 Hz ribapääsfiltrit, nagu on näidatud joonisel 5C. .Sel juhul saadi stabiilsed hingamis- ja pulsisignaalid koos rikkaliku füsioloogilise teabega (nt hingamissagedus, südamelöögisagedus ja pulsilaine tunnuspunktid) üheaegselt ja täpselt, asetades lihtsalt ühe TATSA rinnale.
(A) Foto, mis näitab rinnale asetatud TATSA ekraani, et mõõta signaali hingamisega seotud rõhus.(B) Pinge-aja graafik rinnale paigaldatud TATSA jaoks.(C) Signaali (B) lagunemine südamelöögiks ja hingamislainekujuks.(D) Foto, millel on kaks kõhule ja randmele asetatud TATSA-d, et mõõta hingamist ja pulssi une ajal.(E) Terve osaleja hingamis- ja pulsisignaalid.HR, pulss;BPM, lööki minutis.(F) SAS-i osaleja hingamis- ja pulsisignaalid.(G) Terve osaleja hingamissignaal ja PTT.(H) SAS-i osaleja hingamissignaal ja PTT.(I) PTT erutusindeksi ja apnoe-hüpopnoe indeksi (AHI) seos.Fotokrediit: Wenjing Fan, Chongqingi ülikool.
Tõestamaks, et meie andur suudab täpselt ja usaldusväärselt jälgida pulsi- ja hingamissignaale, viisime läbi katse, et võrrelda pulsi- ja hingamissignaalide mõõtmistulemusi meie TATSAde ja standardse meditsiiniinstrumendi (MHM-6000B) vahel, nagu on kirjeldatud filmides S8. ja S9.Pulsilaine mõõtmisel kanti meditsiiniinstrumendi fotoandurit noore tüdruku vasaku nimetissõrme küljes ja vahepeal meie TATSA paremas nimetissõrmes.Kahe omandatud impulsi lainekuju põhjal näeme, et nende kontuurid ja detailid olid identsed, mis näitab, et TATSA mõõdetud pulss on sama täpne kui meditsiiniinstrumendiga.Hingamislaine mõõtmisel kinnitati noormehe kehal meditsiinilise juhendi järgi viiele alale viis elektrokardiograafilist elektroodi.Seevastu ainult üks TATSA seoti otse keha külge ja kinnitati rinna ümber.Kogutud hingamisteede signaalidest on näha, et meie TATSA tuvastatud hingamissignaali varieerumistendents ja kiirus olid kooskõlas meditsiinilise instrumendi omaga.Need kaks võrdluskatset kinnitasid meie pulsi- ja hingamissignaalide jälgimise andurisüsteemi täpsust, töökindlust ja lihtsust.
Lisaks valmistasime nutika riidetüki ja õmblesime kaks TATSA-d kõhu- ja randmeasendisse, et jälgida vastavalt hingamis- ja pulsisignaale.Täpsemalt, pulsi- ja hingamissignaalide üheaegseks hõivamiseks kasutati välja töötatud kahekanalilist WMHMS-i.Selle süsteemi kaudu saime meie nutikas riietuses riietatud 25-aastase mehe hingamis- ja pulsisignaalid magades (joonis 5D ja film S10) ja istudes (joonis S26 ja film S11).Saadud hingamis- ja pulsisignaalid saab juhtmevabalt edastada mobiiltelefoni APP-sse.Nagu eespool mainitud, on TATSA-l võime püüda hingamis- ja pulsisignaale.Need kaks füsioloogilist signaali on ka SAS-i meditsiinilise hindamise kriteeriumid.Seetõttu saab meie TATSA-d kasutada ka unekvaliteedi ja sellega seotud unehäirete jälgimiseks ja hindamiseks.Nagu on näidatud joonisel 5 (vastavalt E ja F), mõõtsime pidevalt kahe osaleja, terve ja SAS-iga patsiendi pulsi ja hingamise lainekuju.Apnoeta inimesel jäid mõõdetud hingamis- ja pulsisagedus stabiilseks, vastavalt 15 ja 70.SAS-iga patsiendil täheldati selget 24-sekundilist apnoed, mis viitab obstruktiivsele hingamissündmusele, ja südame löögisagedus veidi tõusis pärast apnoe perioodi närvisüsteemi reguleerimise tõttu (49).Kokkuvõttes saab meie TATSA hinnata hingamisteede seisundit.
SAS-i tüübi edasiseks hindamiseks pulsi- ja hingamissignaalide kaudu analüüsisime impulsi läbimise aega (PTT), mitteinvasiivset indikaatorit, mis peegeldab perifeerse vaskulaarse resistentsuse ja rindkeresisese rõhu (määratletud jaotises S1) muutusi tervel mehel ja patsiendil. SAS.Tervel osalejal jäi hingamissagedus muutumatuks ja PTT oli suhteliselt stabiilne vahemikus 180 kuni 310 ms (joonis 5G).Kuid SAS-i osaleja puhul suurenes PTT apnoe ajal pidevalt 120 ms-lt 310 ms-ni (joonis 5H).Seega diagnoositi osalejal obstruktiivne SAS (OSAS).Kui PTT muutus apnoe ajal väheneks, määratakse haigusseisund tsentraalse uneapnoe sündroomina (CSAS) ja kui need kaks sümptomit esinevad samaaegselt, siis diagnoositakse see segatud SAS-ina (MSAS).SAS-i tõsiduse hindamiseks analüüsisime täiendavalt kogutud signaale.PTT erutusindeks, mis on PTT erutuste arv tunnis (PTT erutus on defineeritud kui PTT langus ≥15 ms, mis kestab ≥3 s), mängib SAS-i astme hindamisel üliolulist rolli.Apnoe-hüpopnoe indeks (AHI) on standard SAS-i astme määramiseks (apnoe on hingamise seiskumine ja hüpopnoe on liiga pindmine hingamine või ebanormaalselt madal hingamissagedus), mis on defineeritud kui apnoe ja hüpopnoe arv ühe kohta. tund magades (AHI ja OSAS-i reitingukriteeriumide vaheline seos on näidatud tabelis S2).AHI ja PTT erutusindeksi vahelise seose uurimiseks valiti välja 20 SAS-iga patsiendi hingamissignaalid ja analüüsiti neid TATSA-dega.Nagu on näidatud joonisel 5I, korreleerus PTT erutusindeks positiivselt AHI-ga, kuna uneaegne apnoe ja hüpopnoe põhjustavad vererõhu ilmset ja mööduvat tõusu, mis viib PTT vähenemiseni.Seetõttu saab meie TATSA üheaegselt saada stabiilseid ja täpseid pulsi- ja hingamissignaale, pakkudes seega olulist füsioloogilist teavet kardiovaskulaarsüsteemi ja SAS-i kohta seotud haiguste jälgimiseks ja hindamiseks.
Kokkuvõttes töötasime välja TATSA, kasutades täiskardiganiõmblust, et tuvastada samaaegselt erinevaid füsioloogilisi signaale.Sellel anduril oli kõrge tundlikkus 7,84 mV Pa−1, kiire reageerimisaeg 20 ms, kõrge stabiilsus üle 100 000 tsükli ja lai töösagedusriba.TATSA alusel töötati välja ka WMHMS, mis edastab mõõdetud füsioloogilised parameetrid mobiiltelefoni.TATSA saab esteetilise disaini jaoks lisada erinevatesse rõivastesse ning seda saab kasutada pulsi- ja hingamissignaalide samaaegseks jälgimiseks reaalajas.Süsteemi saab kasutada selleks, et aidata eristada terveid inimesi CAD- või SAS-i põdevatest isikutest, kuna see suudab koguda üksikasjalikku teavet.See uuring pakkus mugava, tõhusa ja kasutajasõbraliku lähenemisviisi inimese pulsi ja hingamise mõõtmiseks, mis kujutab endast edusamme kantava tekstiilelektroonika arendamisel.
Roostevaba teras lasti korduvalt läbi vormi ja venitati, et moodustada 10 μm läbimõõduga kiud.Roostevabast terasest kiud elektroodina sisestati mitmesse kaubanduslikku ühekihilise terüleenlõnga tükki.
Sinusoidaalse rõhusignaali andmiseks kasutati funktsioonigeneraatorit (Stanford DS345) ja võimendit (LabworkPa-13).TATSA-le rakendatud välisrõhu mõõtmiseks kasutati kahe ulatusega jõuandurit (Vernier Software & Technology LLC).TATSA väljundpinge ja voolu jälgimiseks ja registreerimiseks kasutati Keithley süsteemi elektromeetrit (Keithley 6514).
Vastavalt AATCC katsemeetodile 135-2017 kasutasime TATSA-t ja piisavalt ballasti 1,8-kilose koormana ning seejärel panime need kaubanduslikku pesumasinasse (Labtex LBT-M6T), et teostada delikaatseid pesumasinaid.Seejärel täitsime pesumasina 18 galloni veega temperatuuril 25 °C ja seadisime pesuri valitud pesutsüklile ja -ajale (segamiskiirus, 119 lööki minutis; pesemisaeg, 6 min; lõplik tsentrifuugimise kiirus, 430 pööret minutis; lõplik tsentrifuugimisaeg, 3 min).Viimasena riputati TATSA kuivaks vaikses õhus toatemperatuuril, mis ei ületa 26 °C.
Katsealustel kästi lamada voodil lamavas asendis.TATSA paigutati mõõtmiskohtadele.Kui katsealused olid tavalises lamavas asendis, säilitasid nad 5–10 minutit täiesti lõdvestunud olekut.Seejärel hakkas pulsisignaal mõõtma.
Selle artikli lisamaterjal on saadaval aadressil https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Joonis S9.TATSA jõu jaotuse simulatsiooni tulemus surve all 0,2 kPa, kasutades tarkvara COMSOL.
Joonis S10.Kontaktseadme jõujaotuse simulatsioonitulemused rakendatud rõhkude korral vastavalt 0,2 ja 2 kPa juures.
Joonis S11.Täielikud skemaatilised illustratsioonid kontaktseadme laengu ülekandmisest lühise tingimustes.
Joonis S13.TATSA pidev väljundpinge ja vool vastusena mõõtmistsüklis pidevalt rakendatavale välisrõhule.
Joonis S14.Pingereaktsioon erinevale arvule silmusüksustele samas kangapiirkonnas, kui ahela numbrit ei muudeta.
Joonis S15.Kahe tekstiilanduri väljundjõudluse võrdlus, kasutades täiskardiganiõmblust ja tavalist õmblust.
Joonis S16.Graafikud, mis näitavad sagedusreaktsioone dünaamilise rõhu 1 kPa ja rõhu sisendsageduse 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 ja 20 Hz juures.
Joonis S25.Anduri väljundpinged, kui objekt oli staatilises ja liikumises.
Joonis S26.Foto, mis näitab kõhule ja randmele samaaegselt asetatud TATSA-sid, et mõõta vastavalt hingamist ja pulssi.
See on avatud juurdepääsuga artikkel, mida levitatakse Creative Commons Attribution-Noncommercial litsentsi tingimuste alusel, mis lubab kasutada, levitada ja reprodutseerida mis tahes andmekandjal tingimusel, et sellest tulenev kasutamine ei ole ärilise kasu saamiseks ja kui originaalteos on korralikult viidatud.
MÄRKUS. Küsime teie e-posti aadressi ainult selleks, et inimene, kellele lehte soovitate, teaks, et soovite, et nad seda näeksid, ja et see pole rämpspost.Me ei jäädvusta ühtegi e-posti aadressi.
Autorid Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Tervise jälgimiseks töötati välja kõrge rõhutundlikkuse ja mugavusega triboelektriline täistekstiilist andur.
Autorid Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Tervise jälgimiseks töötati välja kõrge rõhutundlikkuse ja mugavusega triboelektriline täistekstiilist andur.
© 2020 American Association for the Advancement of Science.Kõik õigused kaitstud.AAAS on HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ja COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 partner.
Postitusaeg: 27.03.2020