Wearbere tekstylelektronika is heul winsklik foar it realisearjen fan personaliseare sûnensbehear.De measte rapporteare tekstylelektronika kin lykwols periodyk op ien fysiologysk sinjaal rjochtsje of de eksplisite details fan 'e sinjalen misse, wat liedt ta in parsjele sûnensevaluaasje.Fierder bliuwt tekstyl mei poerbêste eigendom en komfort noch in útdaging.Hjir melde wy in triboelectric all-textile sensor array mei hege druk gefoelichheid en komfort.It toant de drukgefoelichheid (7.84 mV Pa-1), snelle reaksjetiid (20 ms), stabiliteit (> 100.000 syklusen), brede wurkfrekwinsje bânbreedte (oant 20 Hz), en masinewasberens (> 40 waskjen).De fabrisearre TATSA's waarden stitched yn ferskate dielen fan klean om de arteriële pulswellen en respiratory sinjalen tagelyk te kontrolearjen.Wy ûntwikkele fierder in sûnensmonitorsysteem foar lange termyn en net-invasive beoardieling fan kardiovaskulêre sykte en sliepapneasyndroam, dy't grutte foarútgong toant foar kwantitative analyze fan guon chronike sykten.
Wearbere elektroanika fertsjintwurdigje in fassinearjende kâns fanwegen har tasizzende applikaasjes yn personaliseare medisinen.Se kinne de sûnensstân fan in yndividu kontrolearje op in trochgeande, realtime en net-invasive manier (1-11).Pulse en respiraasje, as twa ûnmisbere komponinten fan fitale tekens, kinne sawol in krekte beoardieling fan 'e fysiologyske steat as opmerklike ynsjoch leverje yn' e diagnoaze en prognoaze fan relatearre sykten (12-21).Oant no ta binne de meast draachbere elektroanika foar it opspoaren fan subtile fysiologyske sinjalen basearre op ultratinne substraten lykas polyetyleentereftalaat, polydimethylsiloxane, polyimide, glês en silikon (22-26).In nadeel fan dizze substraten foar gebrûk op 'e hûd leit op har plane en rigide formaten.As gefolch binne tapes, Band-Aids, of oare meganyske fixtures nedich om in kompakt kontakt te meitsjen tusken draachbere elektroanika en minsklike hûd, wat irriteraasje en oerlêst kin feroarsaakje yn langere perioaden fan gebrûk (27, 28).Boppedat hawwe dizze substraten in minne luchtpermeabiliteit, wat resulteart yn ûngemak as se brûkt wurde foar lange termyn, trochgeande sûnensmonitoring.Om de earder neamde problemen yn 'e sûnenssoarch te ferminderjen, foaral yn deistich gebrûk, biede tûke tekstyl in betroubere oplossing.Dizze tekstylen hawwe de skaaimerken fan sêftens, lichtgewicht en ademend en dus it potensjeel om komfort te realisearjen yn draachbere elektroanika.Yn 'e ôfrûne jierren binne yntinsive ynspanningen wijd oan it ûntwikkeljen fan tekstyl-basearre systemen yn gefoelige sensoren, enerzjywinning en opslach (29-39).Benammen súksesfol ûndersyk is rapportearre oer optyske glêstried, piëzoelektrisiteit, en resistiviteit-basearre tûke tekstylen tapast yn it kontrolearjen fan puls- en respiratory sinjalen (40-43).Dizze tûke tekstylen hawwe lykwols typysk lege gefoelichheid en in inkele tafersjochparameter en kinne net op grutte skaal wurde produsearre (tabel S1).Yn it gefal fan polsmjitting is detaillearre ynformaasje lestich te fangen fanwegen de swakke en rappe fluktuaasje fan 'e pols (bygelyks syn funksjepunten), en dus binne hege gefoelichheid en passende prestaasjes fan frekwinsje-antwurd nedich.
Yn dizze stúdzje yntrodusearje wy in triboelectric all-textile sensor array (TATSA) mei hege gefoelichheid foar epidermal subtile druk capture, breide mei conductive en nylon garen yn in folsleine cardigan stitch.De TATSA kin hege druksensitiviteit leverje (7.84 mV Pa-1), snelle reaksjetiid (20 ms), stabiliteit (> 100.000 syklusen), brede wurkfrekwinsje bânbreedte (oant 20 Hz), en masinewasberens (> 40 waskjen).It is yn steat om himsels handich te yntegrearjen yn klean mei diskresje, komfort en estetyske berop.Opmerklik kin ús TATSA direkt wurde opnaam yn ferskate plakken fan 'e stof dy't oerienkomme mei de pulswellen op' e hals, pols, fingertop, en enkelposysjes en mei de respiratorywellen yn 'e abdij en boarst.Om de treflike prestaasjes fan 'e TATSA te evaluearjen yn real-time en sûnensmonitoring op ôfstân, ûntwikkelje wy in personaliseare yntelliginte sûnensmonitoringsysteem om kontinu fysiologyske sinjalen te krijen en te bewarjen foar de analyze fan kardiovaskulêre sykte (CAD) en de beoardieling fan sliepapneasyndroam (SAS) ).
Lykas yllustrearre yn Fig.Dizze fysiologyske sinjalen waarden draadloos oerbrocht nei de yntelliginte mobile terminalapplikaasje (APP) foar fierdere analyze fan sûnensstatus.Figuer 1B toant de TATSA stitched yn in stik stof, en de ynset toant de fergrutte werjefte fan de TATSA, dat waard breide mei de karakteristike conductive garen en kommersjele nylon garen tegearre yn in folsleine cardigan stitch.Yn ferliking mei de fûnemintele gewoane stitch, de meast foarkommende en basale strickende metoade, waard de folsleine cardigan stitch keazen om't it kontakt tusken de loopkop fan it liedende garen en de neistlizzende tuckstitchkop fan it nylongaren (fig. S1) in oerflak is ynstee fan in punt kontakt, liedt ta in grutter aktearjen gebiet foar hege triboelectric effekt.Foar it tarieden fan de conductive yarn, wy selektearre RVS as de fêste kearn fiber, en ferskate stikken fan ien-ply Terylene yarns waarden twisted om de kearn fiber yn ien conductive garen mei in diameter fan 0,2 mm (fig. S2), dy't tsjinne as sawol de elektrifikaasje oerflak en de conductive elektrodes.It nylongaren, dat in diameter fan 0,15 mm hie en tsjinne as in oar elektrifikaasjeflak, hie in sterke trekkrêft, om't it troch ûnberikbere garen ferdraaid waard (fig. S3).Figure 1 (C en D, respektivelik) toant foto's fan de fabrisearre conductive garen en nylon garen.De ynsetten litte har respektivelike scanningelektronenmikroskopy (SEM) bylden sjen, dy't in typyske dwerstrochsneed fan it konduktyf garen en it oerflak fan it nylongaren presintearje.De hege treksterkte fan de conductive en nylon garens soarge foar harren weaving fermogen op in yndustriële masine te behâlden in unifoarme prestaasjes fan alle sensoren.Lykas werjûn yn Fig.. 1E, de conductive yarns, nylon yarns, en gewoane triedden waarden wûn op harren respektive cones, dy't waarden doe laden op 'e yndustriële kompjûterisearre flat knitting masine foar automatyske weaving (film S1).As werjûn yn fig.S4, ferskate TATSAs waarden breide tegearre mei gewoane doek mei help fan de yndustriële masine.In inkele TATSA mei in dikte fan 0,85 mm en in gewicht fan 0,28 g koe wurde ôfstimd fan 'e hiele struktuer foar yndividueel gebrûk, eksposearje syn treflike kompatibiliteit mei oare doeken.Dêrneist koe TATSA wurde ûntwurpen yn ferskate kleuren foar in moetsje estetyske en modieuze easken fanwege it ferskaat oan kommersjele nylon garen (figuer 1F en fig. S5).De fabrisearre TATSA's hawwe poerbêste sêftens en de kapasiteit om hurde bûgen of ferfoarming te wjerstean (fig. S6).Ofbylding 1G toant de TATSA direkt stitched yn 'e buik en manchet fan in sweater.It proses fan it breidzjen fan 'e sweater wurdt werjûn yn fig.S7 en film S2.De details fan 'e foar- en efterkant fan' e útwreide TATSA op 'e abdominale posysje wurde werjûn yn fig.S8 (A en B, respektivelik), en de posysje fan conductive yarn en nylon yarn wurdt yllustrearre yn fig.S8C.It kin hjir sjoen wurde dat de TATSA naadloos yn gewoane stoffen ynbêde kin wurde foar in diskrete en tûke uterlik.
(A) Twa TATSA's yntegrearre yn in shirt foar it kontrolearjen fan puls- en respiratory sinjalen yn echte tiid.(B) Skematyske yllustraasje fan 'e kombinaasje fan TATSA en klean.De ynset toant de fergrutte werjefte fan 'e sensor.(C) Foto fan it conductive garen (skaalbalke, 4 sm).De ynset is it SEM-ôfbylding fan 'e dwerstrochsneed fan' e conductive yarn (skaalbalke, 100 μm), dy't bestiet út roestfrij stiel en Terylene yarns.(D) Foto fan it nylon garen (skaalbalke, 4 sm).De ynset is de SEM-ôfbylding fan it oerflak fan nylongaren (skaalbalke, 100 μm).(E) Ofbylding fan 'e komputerisearre platte breimasjine dy't it automatysk weven fan' e TATSA's útfiert.(F) Foto fan TATSA's yn ferskate kleuren (skaalbalke, 2 sm).De ynset is de twisted TATSA, dy't syn treflike sêftens toant.(G) Foto fan twa TATSA's folslein en naadloos stitched yn in sweater.Photo credit: Wenjing Fan, Chongqing University.
Om it wurkmeganisme fan 'e TATSA te analysearjen, ynklusyf har meganyske en elektryske eigenskippen, konstruearre wy in geometrysk strickenmodel fan' e TATSA, lykas werjûn yn figuer 2A.Mei help fan de folsleine cardigan stitch, de conductive en nylon garens wurde yninoar keppele yn foarmen fan lus ienheden yn de kursus en wale rjochting.In inkele loop struktuer (fig. S1) bestiet út in loop kop, loop earm, rib-crossing diel, tuck stitch earm en tuck stitch holle.Twa foarmen fan it kontaktflak tusken de twa ferskillende garens kinne fûn wurde: (i) it kontaktflak tusken de luskop fan it liedende garen en de tuckstitchkop fan it nylongaren en (ii) it kontaktflak tusken de loopkop fan de nylon garen en de tuck stitch kop fan de conductive garen.
(A) De TATSA mei de foar-, rjochter- en boppekant fan 'e breide loops.(B) Simulaasjeresultaat fan 'e krêftferdieling fan in TATSA ûnder in tapaste druk fan 2 kPa mei de COMSOL-software.(C) Skematyske yllustraasjes fan de lading oerdracht fan in kontakt ienheid ûnder koartsluting betingsten.(D) Simulaasje resultaten fan de lading ferdieling fan in kontakt ienheid ûnder in iepen circuit betingst mei help fan de COMSOL software.
It wurkprinsipe fan 'e TATSA kin yn twa aspekten ferklearre wurde: eksterne krêftstimulaasje en har yndusearre lading.Foar in yntuïtyf begripe de stress distribúsje yn reaksje op eksterne krêft stimulus, wy brûkte einige elemint analyze mei help fan COMSOL software op ferskillende eksterne krêften fan 2 en 0,2 kPa, as respektivelik werjûn yn Fig.. 2B en fig.S9.De spanning ferskynt op 'e kontaktflakken fan twa garens.As werjûn yn fig.S10, wy beskôge twa loop ienheden te ferdúdlikjen de stress distribúsje.By it fergelykjen fan de stressferdieling ûnder twa ferskillende eksterne krêften, nimt de spanning op 'e oerflakken fan' e conductive en nylongaren ta mei de ferhege eksterne krêft, wat resulteart yn it kontakt en extrusion tusken de twa garens.Sadree't de eksterne krêft wurdt frijlitten, de twa garen skieden en fuortgean fan elkoar.
De kontakt-skiedingsbewegingen tusken de conductive garen en nylon garen induce lading oerdracht, dat wurdt taskreaun oan de gearhing fan triboelectrification en elektrostatyske ynduksje.Om it proses fan elektrisiteit te ferdúdlikjen, analysearje wy de dwerstrochsneed fan it gebiet dêr't de twa yarns mei elkoar kontakt opnimme (Fig. 2C1).Lykas oantoand yn figuer 2 (C2 en C3, respektivelik), doe't de TATSA wurdt stimulearre troch de eksterne krêft en de twa yarns kontakt mei elkoar, elektrifikaasje optreedt op it oerflak fan de conductive en nylon garen, en de lykweardige ladingen mei tsjinoerstelde polarities wurde oanmakke op it oerflak fan de twa garens.Sadree't de twa garens skieden binne, wurde positive ladingen feroarsake yn 'e binnenste roestfrij stiel fanwege it elektrostatyske ynduksje-effekt.It folsleine skema wurdt werjûn yn fig.S11.Om in mear kwantitatyf begryp fan it proses fan elektrisiteit te krijen, hawwe wy de potinsjele ferdieling fan 'e TATSA simulearre mei COMSOL-software (fig. 2D).Wannear't de twa materialen binne yn kontakt, sammelet de lading benammen op 'e wriuwing materiaal, en mar in lyts bedrach fan induced lading is oanwêzich op' e elektrodes, resultearret yn de lytse potinsje (figuer 2D, boaiem).Wannear't de twa materialen wurde skieden (fig. 2D, boppe), de induced lading op 'e elektrodes ferheget fanwegen de potinsjele ferskil, en de oerienkommende potinsje nimt ta, dat docht bliken in goede oerienstimming tusken de resultaten krigen út de eksperiminten en dy fan de simulaasjes .Fierder, om't de liedende elektrode fan 'e TATSA is ferpakt yn Terylene-garens en de hûd yn kontakt is mei beide beide wriuwingsmaterialen, dêrom, as de TATSA direkt oan' e hûd droegen wurdt, is de lading ôfhinklik fan 'e eksterne krêft en sil net wurde ferswakke troch de hûd.
Om de prestaasjes fan ús TATSA yn ferskate aspekten te karakterisearjen, levere wy in mjitsysteem mei in funksjegenerator, machtfersterker, elektrodynamyske shaker, krêftmeter, elektrometer en kompjûter (fig. S12).Dit systeem genereart in eksterne dynamyske druk fan maksimaal 7 kPa.Yn eksperimint waard de TATSA pleatst op in platte plestik blêd yn in frije steat, en de útfier elektryske sinjalen wurde opnommen troch de electrometer.
De spesifikaasjes fan de conductive en nylon garen beynfloedzje de útfier prestaasjes fan de TATSA omdat se bepale it kontakt oerflak en kapasiteit foar waarnimme de eksterne druk.Om dit te ûndersykjen makken wy respektivelik trije maten fan de twa garens: geleidend garen mei in grutte fan 150D/3, 210D/3, en 250D/3 en nylongaren mei in grutte fan 150D/6, 210D/6 en 250D /6 (D, denier; in ienheid fan mjitting dy't brûkt wurdt om de glêstrieddikte fan yndividuele triedden te bepalen; stoffen mei in hege deniertelling hawwe de neiging om dik te wêzen).Dan selekteare wy dizze twa garen mei ferskillende dimensjes om se yn in sensor te breidzjen, en de dimensje fan 'e TATSA waard hâlden op 3 cm by 3 cm mei it loopnûmer fan 16 yn 'e wale rjochting en 10 yn' e kursusrjochting.Sa binne de sensoren mei njoggen breidpatroanen krigen.De sensor troch de conductive garen mei de grutte fan 150D/3 en nylon garen mei de grutte fan 150D/6 wie de tinste, en de sensor troch de conductive garen mei de grutte fan 250D/3 en nylon garen mei de grutte fan 250D/ 6 wie de dikste.Under in meganyske excitation fan 0,1 oan 7 kPa, de elektryske útgongen foar dizze patroanen waarden systematysk ûndersocht en hifke, lykas werjûn yn figuer 3A.De útfierspanningen fan 'e njoggen TATSA's ferhege mei de ferhege tapaste druk, fan 0,1 oant 4 kPa.Spesifyk, fan alle breipatroanen, levere de spesifikaasje fan it 210D / 3 konduktyf garen en 210D / 6 nylongaren de heechste elektryske útfier en eksposearre de heechste gefoelichheid.De útfierspanning toande in tanimmende trend mei de tanimming fan 'e dikte fan' e TATSA (fanwege it genôch kontaktflak) oant de TATSA waard breide mei it 210D / 3 konduktyf garen en 210D / 6 nylongaren.As fierdere ferheging fan dikte soe liede ta it opnimmen fan eksterne druk troch de garens, fermindere de útfierspanning dienlik.Fierder wurdt opmurken dat yn 'e leechdrukregio (<4 kPa), in goed gedrage lineêre fariaasje yn' e útfierspanning mei druk in superieure drukgefoelichheid fan 7,84 mV Pa−1 joech.Yn 'e hege drukregio (>4 kPa) waard in legere druksensitiviteit fan 0.31 mV Pa-1 eksperiminteel waarnommen fanwegen de sêding fan it effektive wriuwingsgebiet.In ferlykbere druksensitiviteit waard oantoand tidens it tsjinoerstelde proses fan it tapassen fan krêft.De konkrete tiidprofilen fan 'e útfierspanning en stroom ûnder ferskate druk wurde presintearre yn fig.S13 (A en B, respektivelik).
(A) Utfierspanning ûnder njoggen stricken patroanen fan de conductive garen (150D/3, 210D/3, en 250D/3) kombinearre mei de nylon garen (150D/6, 210D/6, en 250D/6).(B) Spanningsantwurd op ferskate oantallen loop-ienheden yn itselde stofgebiet by it hâlden fan it loopnûmer yn 'e wale-rjochting net feroare.(C) Plots toant de frekwinsje antwurden ûnder in dynamyske druk fan 1 kPa en druk input frekwinsje fan 1 Hz.(D) Ferskillende útfier- en stroomspanningen ûnder de frekwinsjes fan 1, 5, 10 en 20 Hz.(E) Duorsumenstest fan in TATSA ûnder in druk fan 1 kPa.(F) Utfier skaaimerken fan de TATSA nei wassen 20 en 40 kear.
De gefoelichheid en útfierspanning waarden ek beynfloede troch de stitchdichtheid fan 'e TATSA, dy't bepaald waard troch it totale oantal loops yn in mjitten gebiet fan stof.In ferheging fan 'e stitchdichtheid soe liede ta de gruttere kompaktheid fan' e stofstruktuer.Figuer 3B toant de útfierprestaasjes ûnder ferskate loopnûmers yn it tekstylgebiet fan 3 cm by 3 cm, en it ynset yllustrearret de struktuer fan in loop-ienheid (wy hâlden it loopnûmer yn 'e kursusrjochting op 10, en it loopnûmer yn' e wale rjochting wie 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 en 26).Troch it ferheegjen fan it lusnûmer liet de útfierspanning earst in tanimmende trend sjen fanwege it tanimmende kontaktflak, oant de maksimale útfierspanningspiek fan 7,5 V mei in lusnûmer fan 180. Nei dit punt folge de útfierspanning in ôfnimmende trend omdat de TATSA waard strak, en de twa garen hie in fermindere kontakt-skieding romte.Om te ûndersiikjen yn hokker rjochting de tichtheid in grutte ynfloed hat op 'e útfier, hawwe wy it loopnûmer fan' e TATSA yn 'e wale-rjochting hâlden op 18, en it loopnûmer yn' e kursusrjochting waard ynsteld op 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 en 14. De oerienkommende útgongsspanningen wurde werjûn yn fig.S14.By ferliking kinne wy sjen dat de tichtheid yn 'e kursus rjochting hat in gruttere ynfloed op de útfier spanning.As resultaat waard it breidpatroan fan 'e 210D / 3 konduktyf garen en 210D / 6 nylongaren en 180 loop-ienheden keazen om de TATSA te breidzjen nei wiidweidige evaluaasjes fan 'e útfierkarakteristiken.Fierder fergelike wy de útfiersinjalen fan twa tekstylsensors mei de folsleine cardiganstik en gewoane stitch.As werjûn yn fig.S15, de elektryske útfier en gefoelichheid mei help fan folsleine cardigan stitch binne folle heger as dat mei help fan gewoane stitch.
De reaksjetiid foar it kontrolearjen fan real-time sinjalen waard mjitten.Om de reaksjetiid fan ús sensor nei eksterne krêften te ûndersiikjen, fergelike wy de útfierspanningsinjalen mei de dynamyske drukynputen op in frekwinsje fan 1 oant 20 Hz (resp. Fig. 3C en Fig. S16).De útgongsspanningsgolffoarmen wiene hast identyk oan de sinusoïdale drukwellen yn 'e ynfier ûnder in druk fan 1 kPa, en de útfiergolffoarmen hienen in rappe reaksjetiid (sawat 20 ms).Dizze hysteresis kin wurde taskreaun oan 'e elastyske struktuer dy't net sa gau mooglik werom nei de oarspronklike steat is nei it ûntfangen fan de eksterne krêft.Dochs is dizze lytse hysteresis akseptabel foar realtime tafersjoch.Om de dynamyske druk te krijen mei in bepaald frekwinsjeberik, wurdt in passende frekwinsjeantwurd fan TATSA ferwachte.Sa waard de frekwinsje karakteristyk fan TATSA ek hifke.Troch it fergrutsjen fan de eksterne spannende frekwinsje, de amplitude fan de útfier spanning bleau hast net feroare, wylst de amplitude fan de hjoeddeiske tanommen doe't de tapping frekwinsjes fariearre fan 1 oan 20 Hz (Fig. 3D).
Om de werhelling, stabiliteit en duorsumens fan 'e TATSA te evaluearjen, testen wy de útfierspanning en aktuele antwurden op syklussen foar drukladen en lossen.In druk fan 1 kPa mei in frekwinsje fan 5 Hz waard tapast op de sensor.De peak-to-peak spanning en aktuele waarden opnommen nei 100.000 laden-ûntladen syklusen (resp. Fig. 3E en Fig. S17).De fergrutte werjeften fan 'e spanning en de hjoeddeistige golffoarm wurde werjûn yn' e ynset fan figuer 3E en fig.S17, respektivelik.De resultaten litte de opmerklike werhelling, stabiliteit en duorsumens fan 'e TATSA sjen.Waskberens is ek in essinsjeel beoardielingskritearium fan 'e TATSA as in all-textile apparaat.Om de waskfeardigens te evaluearjen, testen wy de útfierspanning fan 'e sensor nei't wy de TATSA yn masine wosken hawwe neffens de American Association of Textile Chemists and Colorists (AATCC) Testmetoade 135-2017.De detaillearre waskproseduere wurdt beskreaun yn Materialen en metoaden.Lykas yn Fig.Dizze resultaten ferifiearje de opmerklike waskberens fan 'e TATSA.As in wearable tekstyl sensor, wy ûndersocht ek de útfier prestaasjes doe't de TATSA wie yn tensile (fig. S18), twisted (fig. S19) en ferskillende vochtigheid (fig. S20) betingsten.
Op basis fan 'e hjirboppe oantoand ferskate foardielen fan' e TATSA, hawwe wy in draadloos mobyl sûnensmonitorsysteem (WMHMS) ûntwikkele, dat de mooglikheid hat om kontinu fysiologyske sinjalen te krijen en dan profesjoneel advys foar in pasjint te jaan.Figuer 4A toant it skemadiagram fan 'e WMHMS basearre op' e TATSA.It systeem hat fjouwer komponinten: de TATSA om de analoge fysiologyske sinjalen te krijen, in analoge kondysjekring mei in leechpassfilter (MAX7427) en in fersterker (MAX4465) om genôch details en poerbêste syngronisaasje fan sinjalen te garandearjen, in analoog-nei-digitaal converter basearre op in mikrocontroller-ienheid om de analoge sinjalen te sammeljen en te konvertearjen nei digitale sinjalen, en in Bluetooth-module (CC2640 low-power Bluetooth-chip) om it digitale sinjaal oer te stjoeren nei de mobile tillefoanterminalapplikaasje (APP; Huawei Honor 9).Yn dizze stúdzje stieken wy de TATSA naadloos yn in kant, polsbân, fingerstall en sok, lykas werjûn yn Fig.. 4B.
(A) Yllustraasje fan de WMHMS.(B) Foto's fan 'e TATSA's stitched yn respektivelik in polsbân, fingerstall, sok, en boarstriem.Mjitting fan 'e pols by de (C1) nekke, (D1) pols, (E1) fingertop, en (F1) enkel.Pulsgolffoarm by de (C2) nekke, (D2) pols, (E2) fingertop, en (F2) enkel.(G) Pulse waveforms fan ferskillende leeftiden.(H) Analyse fan in inkele pulswelle.Radiale fergruttingsyndeks (AIx) definiearre as AIx (%) = P2 / P1.P1 is de peak fan 'e foarútrinnende welle, en P2 is de peak fan' e reflektearre welle.(I) In pulssyklus fan 'e brachiale en de enkel.Pulse wave Velocity (PWV) wurdt definiearre as PWV = D/∆T.D is de ôfstân tusken de ankel en de brachial.∆T is de tiidfertraging tusken de peaks fan 'e enkel en brachiale polswellen.PTT, puls transit tiid.(J) Fergeliking fan AIx en brachial-ankel PWV (BAPWV) tusken sûn en CAD's.*P < 0,01, **P < 0,001, en ***P < 0,05.HTN, hypertensie;CHD, coronary hert sykte;DM, diabetes mellitus.Foto credit: Jin Yang, Chongqing University.
Om de polssignalen fan 'e ferskate minsklike lichemsdielen te kontrolearjen, hechte wy boppeneamde dekoraasjes mei TATSA's oan' e oerienkommende posysjes: nekke (fig. 4C1), pols (fig. 4D1), fingertop (fig. 4E1), en ankel (fig. 4F1). ), lykas útwurke yn films S3 oant S6.Yn 'e medisinen binne d'r trije substansjele funksjepunten yn' e pulswelle: de peak fan 'e foarútrinnende welle P1, de peak fan' e reflektearre welle P2, en de peak fan 'e dikrotyske welle P3.De skaaimerken fan dizze funksje punten wjerspegelje de sûnens tastân fan arteriële elastisiteit, perifeare wjerstân, en linker ventricular kontraktility yn ferbân mei it kardiovaskulêre systeem.De pulswellefoarmen fan in 25-jierrige frou op 'e boppesteande fjouwer posysjes waarden oernaam en opnommen yn ús test.Tink derom dat de trije te ûnderskieden funksjepunten (P1 oant P3) waarden waarnommen op 'e polsgolffoarm op' e hals-, pols- en fingertopposysjes, lykas werjûn yn figuer 4 (C2 oant E2).Yn tsjinstelling, allinnich P1 en P3 ferskynde op de puls waveform by de enkel posysje, en P2 wie net oanwêzich (fig. 4F2).Dit resultaat waard feroarsake troch de superposysje fan 'e ynkommende bloedwelle útstutsen troch de linker ventrikel en de reflektearre welle fan' e legere lidden (44).Foarôfgeande stúdzjes hawwe oantoand dat P2 presintearret yn golffoarmen mjitten yn 'e boppeste extremiteiten, mar net yn' e ankel (45, 46).Wy observearre ferlykbere resultaten yn 'e golffoarmen mjitten mei de TATSA, lykas werjûn yn fig.S21, dy't typyske gegevens toant fan 'e befolking fan 80 pasjinten dy't hjir studearre.Wy kinne sjen dat P2 net ferskynde yn dizze pulsgolffoarmen mjitten yn 'e knibbel, wat it fermogen fan' e TATSA oantoand om subtile funksjes binnen de golffoarm te detektearjen.Dizze resultaten fan 'e pulsmjitting jouwe oan dat ús WMHMS de pulswelle-karakteristiken fan' e boppeste en legere lichem sekuer iepenbierje kin en dat it superieur is oan oare wurken (41, 47).Om fierder oan te jaan dat ús TATSA breed kin wurde tapast op ferskate leeftiden, mjitten wy pulsgolffoarmen fan 80-ûnderwerpen op ferskate leeftyd, en wy lieten wat typyske gegevens sjen, lykas werjûn yn fig.S22.Lykas werjûn yn Fig. 4G, wy keas trije dielnimmers aged 25, 45, en 65 jier âld, en de trije funksje punten wiene fanselssprekkend foar de jonge en middelbere leeftyd dielnimmers.Neffens de medyske literatuer (48), feroarje de skaaimerken fan 'e measte minsken syn polsgolffoarmen as se âlder wurde, lykas it ferdwinen fan it punt P2, dat wurdt feroarsake troch de reflektearre welle dy't nei foaren ferpleatst wurdt om himsels op' e foarútrinnende welle troch de ôfnimming fan vascular elastisiteit.Dit ferskynsel wurdt ek wjerspegele yn 'e golffoarmen dy't wy sammele, fierder ferifiearje dat de TATSA kin wurde tapast op ferskate populaasjes.
Pulsgolffoarm wurdt net allinich beynfloede troch de fysiologyske tastân fan it yndividu, mar ek troch de testbetingsten.Dêrom mjitten wy de puls sinjalen ûnder ferskillende kontakt tightness tusken de TATSA en de hûd (fig. S23) en ferskate detecting posysjes op it mjitten site (fig. S24).It kin fûn wurde dat de TATSA konsekwinte pulsgolffoarmen kin krije mei detaillearre ynformaasje oer it skip yn in grut effektyf detectiegebiet op 'e mjitplak.Derneist binne d'r ûnderskate útfiersinjalen ûnder ferskate kontaktdichtheid tusken de TATSA en de hûd.Derneist soe de beweging fan persoanen dy't de sensoren drage, ynfloed hawwe op 'e pulssinjalen.Doe't de pols fan it ûnderwerp is yn in statyske tastân, is de amplitude fan de krigen puls waveform stabyl (figuer S25A);oarsom, doe't de pols stadich beweecht yn in hoeke fan -70 ° oan 70 ° yn 30 s, sil de amplitude fan de pols golffoarm fluktuearje (fig. S25B).De kontoer fan elke polsgolffoarm is lykwols sichtber, en de polsfrekwinsje kin noch krekt wurde krigen.Fansels, om stabile pulswelle-oanwinst yn minsklike beweging te berikken, is fierder wurk nedich, ynklusyf sensorûntwerp en efterkant-sinjaalferwurking.
Fierder, om de betingst fan it kardiovaskulêre systeem te analysearjen en kwantitatyf te beoardieljen fia de oernommen pulsgolffoarmen mei ús TATSA, hawwe wy twa hemodynamyske parameters yntrodusearre neffens de beoardielingsspesifikaasje fan it kardiovaskulêre systeem, nammentlik de augmentaasje-yndeks (AIx) en de pulswellesnelheid (PWV), dy't de elastisiteit fan arterijen fertsjintwurdigje.As werjûn yn Fig.Neffens de formule (seksje S1) waard AIx = 60% krigen, dat is in normale wearde.Dêrnei sammele wy tagelyk twa pulsgolffoarmen op 'e earm- en ankelposysjes fan dizze dielnimmer (de detaillearre metoade foar it mjitten fan' e pulsgolffoarm wurdt beskreaun yn Materialen en metoaden).Lykas werjûn yn figuer 4I, wie de funksje punten fan de twa puls waveforms ûnderskieden.Wy hawwe doe de PWV berekkene neffens de formule (seksje S1).PWV = 1363 cm / s, dat is in karakteristike wearde ferwachte fan in sûn folwoeksen man, waard krigen.Oan 'e oare kant kinne wy sjogge dat de metriken fan AIx of PWV net beynfloede wurde troch it amplitudeferskil fan 'e pulsgolffoarm, en de wearden fan AIx yn ferskate lichemsdielen binne ferskillend.Yn ús stúdzje waard de radiale AIx brûkt.Om de tapasberens fan WMHMS yn ferskate minsken te ferifiearjen, selekteare wy 20 dielnimmers yn 'e sûne groep, 20 yn' e hypertensie (HTN) groep, 20 yn 'e koronary hert sykte (CHD) groep fan 50 oant 59 jier âld, en 20 yn' e diabetes mellitus (DM) groep.Wy mjitten har pulswellen en fergelike har twa parameters, AIx en PWV, lykas presintearre yn Fig.. 4J.It kin fûn wurde dat de PWV-wearden fan 'e HTN-, CHD- en DM-groepen leger wiene yn ferliking mei dy fan sûne groep en statistysk ferskil hawwe (PHTN ≪ 0.001, PCHD ≪ 0.001, en PDM ≪ 0.001; de P-wearden waarden berekkene troch t toets).Underwilens wiene de AIx-wearden fan 'e HTN- en CHD-groepen leger yn ferliking mei de sûne groep en hawwe statistysk ferskil (PHTN <0.01, PCHD <0.001, en PDM <0.05).De PWV en AIx fan 'e dielnimmers mei CHD, HTN, of DM wiene heger as dy yn' e sûne groep.De resultaten litte sjen dat de TATSA yn steat is om de pulsgolffoarm sekuer te krijen om de kardiovaskulêre parameter te berekkenjen om kardiovaskulêre sûnensstatus te beoardieljen.Ta beslút, fanwegen syn draadloze, hege resolúsje, hege gefoelige skaaimerken en komfort, leveret de WMHMS basearre op 'e TATSA in effisjinter alternatyf foar real-time monitoring dan de hjoeddeistige djoere medyske apparatuer dy't brûkt wurdt yn sikehûzen.
Njonken de pulswelle is respiratory ynformaasje ek in primêr fitaal teken om te helpen de fysike tastân fan in yndividu te beoardieljen.De monitoring fan respiraasje basearre op ús TATSA is oantrekliker dan de konvinsjonele polysomnografy, om't it naadloos kin wurde yntegreare yn klean foar better komfort.Stitched yn in wite elastyske boarst riem, de TATSA waard direkt bûn oan it minsklik lichem en befeilige om 'e boarst foar tafersjoch op respiraasje (Fig. 5A en film S7).De TATSA misfoarme mei de útwreiding en krimp fan 'e ribben, wat resultearre yn in elektryske útfier.De oernommen golffoarm wurdt ferifiearre yn figuer 5B.It sinjaal mei grutte fluktuaasjes (in amplitude fan 1,8 V) en periodike feroarings (in frekwinsje fan 0,5 Hz) kaam oerien mei de respiratory beweging.De relatyf lytse fluktuaasje sinjaal waard boppe op dit grutte fluktuaasje sinjaal, dat wie it hertbeat sinjaal.Neffens de frekwinsje-kenmerken fan 'e respiraasje- en hertslachsinjalen brûkten wy in 0.8-Hz leechpassfilter en in 0.8- oant 20-Hz bandpassfilter om respektivelik de respiratory- en hertslachsinjalen te skieden, lykas werjûn yn Fig. 5C .Yn dit gefal waarden stabile respiratory- en pulssignalen mei in protte fysiologyske ynformaasje (lykas respiratory rate, heartbeat rate, en funksjepunten fan 'e pulswelle) tagelyk en krekt krigen troch gewoan de single TATSA op' e boarst te pleatsen.
(A) Foto toant de werjefte fan 'e TATSA pleatst op' e boarst foar it mjitten fan it sinjaal yn 'e druk ferbûn mei respiraasje.(B) Voltage-tiid plot foar de TATSA monteard op 'e boarst.(C) Dekomposysje fan it sinjaal (B) yn 'e hertslach en de respiratory waveform.(D) Foto dy't twa TATSA's sjen litte pleatst op 'e abdij en pols foar it mjitten fan respiraasje en puls, respektivelik, tidens sliep.(E) Respiratory en pulssignalen fan in sûne dielnimmer.HR, hertslach;BPM, beats per minuut.(F) Respiratory en polssignalen fan in SAS-dielnimmer.(G) Respiratory sinjaal en PTT fan in sûne dielnimmer.(H) Respiratory sinjaal en PTT fan in SAS-dielnimmer.(I) Relaasje tusken PTT arousal yndeks en apnea-hypopnea yndeks (AHI).Photo credit: Wenjing Fan, Chongqing University.
Om te bewizen dat ús sensor puls- en respiratoire sinjalen sekuer en betrouber kin kontrolearje, hawwe wy in eksperimint útfierd om de mjitresultaten fan 'e puls- en respiraasjesinjalen te fergelykjen tusken ús TATSA's en in standert medysk ynstrumint (MHM-6000B), lykas útwurke yn films S8 en s9.Yn pulswave mjitting waard de fotoelektryske sensor fan it medyske ynstrumint droegen op 'e lofter wiisfinger fan in jong famke, en ûnderwilens waard ús TATSA op har rjochter wiisfinger droegen.Fan 'e twa oernommen pulsgolffoarmen kinne wy sjogge dat har kontoeren en details identyk wiene, wat oanjout dat de puls mjitten troch de TATSA sa krekt is as dy troch it medyske ynstrumint.By mjitting fan respiraasjewellen waarden fiif elektrokardiografyske elektroden befestige oan fiif gebieten op it lichem fan in jonge man neffens de medyske ynstruksje.Yn tsjinstelling, mar ien TATSA waard direkt bûn oan it lichem en befeilige om 'e boarst.Ut de sammele respiratory sinjalen kin sjoen wurde dat de fariaasjetendens en taryf fan it ûntdutsen respiraasjesinjaal troch ús TATSA konsistint wiene mei dat fan it medyske ynstrumint.Dizze twa fergelikingseksperiminten valideare de krektens, betrouberens en ienfâld fan ús sensorsysteem foar it kontrolearjen fan puls- en respiratoire sinjalen.
Fierder hawwe wy in stik tûke klean makke en twa TATSA's op 'e buik- en polsposysjes genaaid foar it kontrolearjen fan respiratory- en polssignalen, respektivelik.Spesifyk waard in ûntwikkele dual-channel WMHMS brûkt om de puls en respiratory sinjalen tagelyk te fangen.Troch dit systeem krigen wy de respiratory- en polssignalen fan in 25-jierrige man dy't yn ús tûke klean klaaid wie by it sliepen (fig. 5D en film S10) en sittend (fig. S26 en film S11).De oernommen respiratoire en polssignalen kinne draadloos wurde oerbrocht nei de APP fan 'e mobile tillefoan.Lykas hjirboppe neamd, hat de TATSA de mooglikheid om respiratory- en pulssignalen te fangen.Dizze twa fysiologyske sinjalen binne ek de kritearia om SAS medysk te skatten.Dêrom kin ús TATSA ek brûkt wurde om de sliepkwaliteit en besibbe sliepsteuringen te kontrolearjen en te beoardieljen.As werjûn yn Fig.Foar de persoan sûnder apnea bleaunen de mjitten respiratory en pulsraten stabyl op respektivelik 15 en 70.Foar de pasjint mei SAS waard in ûnderskate apnea foar 24 s beoardiele, wat in yndikaasje is fan in obstruktyf respiratory barren, en de hertslach is wat ferhege nei in perioade fan apnea fanwegen de regeling fan it nervous systeem (49).Gearfetsjend, respiratory status kin wurde evaluearre troch ús TATSA.
Om it type SAS fierder te beoardieljen fia puls- en respiratory sinjalen, analysearren wy de pulstransittiid (PTT), in net-invasive yndikator dy't de feroaringen yn peripherale vaskulêre wjerstân en intrathoracyske druk (definieare yn seksje S1) fan in sûne man en in pasjint mei SAS.Foar de sûne dielnimmer bleau de respiratory rate ûnferoare, en de PTT wie relatyf stabyl fan 180 oant 310 ms (Fig. 5G).Lykwols, foar de SAS dielnimmer, ferhege de PTT kontinu út 120 oan 310 ms tidens apnea (figuer 5H).Sa waard de dielnimmer diagnostearre mei obstruktyf SAS (OSAS).As de feroaring yn PTT yn 'e apnea fermindere, dan soe de betingst wurde bepaald as in sintraal sliepapneasyndroam (CSAS), en as beide fan dizze twa symptomen tagelyk bestien, dan soe it diagnostearre wurde as in mingde SAS (MSAS).Om de earnst fan SAS te beoardieljen, analysearren wy de sammele sinjalen fierder.PTT arousal index, dat is it oantal PTT arousals per oere (PTT arousal wurdt definiearre as in fal yn PTT fan ≥15 ms dy't duorret foar ≥3 s), spilet in fitale rol by it evaluearjen fan de graad fan SAS.De apnea-hypopnea-yndeks (AHI) is in standert foar it bepalen fan de mjitte fan SAS (apnea is it stopjen fan sykheljen, en hypopnea is te ûndjippe sykheljen of in abnormaal lege respiratory rate), dat wurdt definiearre as it oantal apnea en hypopnea per oere by it sliepen (de relaasje tusken de AHI en de beoardielingskritearia foar OSAS wurdt werjûn yn tabel S2).Om de relaasje tusken de AHI en de PTT-arousal-yndeks te ûndersykjen, waarden de respiratory sinjalen fan 20-pasjinten mei SAS selektearre en analysearre mei TATSA's.As yn Fig.Dêrom kin ús TATSA tagelyk stabile en krekte puls- en respiratory sinjalen krije, sadat wichtige fysiologyske ynformaasje oer it kardiovaskulêre systeem en SAS leveret foar it kontrolearjen en evaluearjen fan relatearre sykten.
Gearfetsjend hawwe wy in TATSA ûntwikkele mei de folsleine cardiganstik om ferskate fysiologyske sinjalen tagelyk te detektearjen.Dizze sensor hat in hege gefoelichheid fan 7,84 mV Pa-1, snelle reaksjetiid fan 20 ms, hege stabiliteit fan mear dan 100.000 syklusen, en brede wurkfrekwinsjebânbreedte.Op grûn fan de TATSA is ek in WMHMS ûntwikkele om de mjitten fysiologyske parameters nei in mobile telefoan oer te bringen.TATSA kin wurde opnaam yn ferskate plakken fan klean foar estetysk ûntwerp en brûkt om tagelyk de pols en respiratory sinjalen yn realtime te kontrolearjen.It systeem kin tapast wurde om te helpen ûnderskied te meitsjen tusken sûne persoanen en dyjingen mei CAD of SAS fanwegen syn fermogen om detaillearre ynformaasje te fangen.Dizze stúdzje levere in noflike, effisjinte en brûkerfreonlike oanpak foar it mjitten fan minsklike pols en respiraasje, wat in foarútgong yn 'e ûntwikkeling fan draachbere tekstylelektronika fertsjintwurdiget.
It roestfrij stiel waard ferskate kearen troch de skimmel trochjûn en útwreide om in glêstried te foarmjen mei in diameter fan 10 μm.In RVS fiber as de elektrodes waard ynfoege yn ferskate stikken fan kommersjele ien-ply Terylene yarns.
In funksje generator (Stanford DS345) en in fersterker (LabworkPa-13) waarden brûkt om in sinusoidal druk sinjaal.In dual-range force sensor (Vernier Software & Technology LLC) waard brûkt om de eksterne druk te mjitten tapast op de TATSA.In Keithley-systeemelektrometer (Keithley 6514) waard brûkt om de útfierspanning en stroom fan 'e TATSA te kontrolearjen en op te nimmen.
Neffens AATCC Testmetoade 135-2017 brûkten wy de TATSA en genôch ballast as 1,8 kg lading en sette se dan yn in kommersjele wytwasmachine (Labtex LBT-M6T) om delikate masinewasksyklusen út te fieren.Dêrnei folje wy de waskmasine mei 18 gallons wetter op 25 ° C en set de waskmasine yn foar de selektearre wasksyklus en tiid (agitaasjesnelheid, 119 slagen per minút; wasktiid, 6 min; lêste spinsnelheid, 430 rpm; lêste spintiid, 3 min).As lêste, de TATSA waard hong droech yn stille loft by keamertemperatuer net heger as 26 ° C.
De proefpersoanen waarden ynstruearre om yn 'e rêch op it bêd te lizzen.De TATSA waard op de mjitplakken pleatst.Sadree't de proefpersoanen wiene yn standert supine posysje, se behâlden in folslein ûntspannen steat foar 5 oant 10 min.It polssinjaal begûn doe te mjitten.
Oanfoljend materiaal foar dit artikel is beskikber op https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Fig. S9.Simulaasjeresultaat fan 'e krêftferdieling fan in TATSA ûnder tapaste druk by 0,2 kPa mei de COMSOL-software.
Fig. S10.Simulaasje resultaten fan de krêft ferdieling fan in kontakt ienheid ûnder de tapaste druk op 0,2 en 2 kPa, respektivelik.
Fig. S11.Folsleine skematyske yllustraasjes fan de lading oerdracht fan in kontakt ienheid ûnder koartsluting betingsten.
Fig. S13.Trochrinnende útfierspanning en stroom fan TATSA yn reaksje op de kontinu tapaste eksterne druk yn in mjitsyklus.
Fig. S14.Spanningsantwurd op ferskate oantallen loop-ienheden yn itselde stofgebiet by it hâlden fan it loopnûmer yn 'e wale-rjochting net feroare.
Fig. S15.In ferliking tusken de útfier prestaasjes fan de twa tekstyl sensors mei help fan de folsleine cardigan stitch en gewoane stitch.
Fig. S16.Plots dy't frekwinsje-antwurden sjen litte by de dynamyske druk fan 1 kPa en drukynputfrekwinsje fan 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 en 20 Hz.
Fig. S25.De útfier spanningen fan de sensor doe't it ûnderwerp wie yn de statyske en beweging betingsten.
Fig. S26.Foto dy't de TATSA's sjen litte dy't tagelyk op 'e abdij en pols pleatst wurde foar respiraasje en pols mjitten, respektivelik.
Dit is in artikel mei iepen tagong ferspraat ûnder de betingsten fan de Creative Commons Attribution-NonCommercial lisinsje, dy't gebrûk, distribúsje en reproduksje yn elk medium tastiet, salang't it resultearjende gebrûk net foar kommersjeel foardiel is en mits it orizjinele wurk goed is oanhelle.
OPMERKING: Wy freegje allinich jo e-postadres sadat de persoan dy't jo de side oanbefelje wit dat jo woene dat se it sjogge, en dat it gjin junkmail is.Wy fange gjin e-mailadres.
By Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
In triboelectric all-textile sensor mei hege druk gefoelichheid en komfort waard ûntwikkele foar sûnens monitoring.
By Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
In triboelectric all-textile sensor mei hege druk gefoelichheid en komfort waard ûntwikkele foar sûnens monitoring.
© 2020 American Association for the Advancement of Science.Alle rjochten foarbehâlden.AAAS is in partner fan HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef en COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Post tiid: Mar-27-2020