Elektronik tekstil yang dapat dipakai sangat diinginkan untuk mewujudkan manajemen kesehatan yang dipersonalisasi.Namun, sebagian besar elektronik tekstil yang dilaporkan dapat secara berkala menargetkan satu sinyal fisiologis atau melewatkan detail eksplisit dari sinyal, yang mengarah ke penilaian kesehatan parsial.Selain itu, tekstil dengan properti dan kenyamanan yang sangat baik masih menjadi tantangan.Di sini, kami melaporkan rangkaian sensor semua-tekstil triboelektrik dengan sensitivitas dan kenyamanan tekanan tinggi.Ini menunjukkan sensitivitas tekanan (7,84 mV Pa−1), waktu respons cepat (20 ms), stabilitas (>100.000 siklus), bandwidth frekuensi kerja yang lebar (hingga 20 Hz), dan kemampuan dicuci dengan mesin (>40 pencucian).TATSA yang dibuat dijahit ke bagian pakaian yang berbeda untuk memantau gelombang nadi arteri dan sinyal pernapasan secara bersamaan.Kami lebih lanjut mengembangkan sistem pemantauan kesehatan untuk penilaian jangka panjang dan noninvasif penyakit kardiovaskular dan sindrom apnea tidur, yang menunjukkan kemajuan besar untuk analisis kuantitatif beberapa penyakit kronis.
Barang elektronik yang dapat dipakai merupakan peluang yang menarik karena aplikasinya yang menjanjikan dalam pengobatan yang dipersonalisasi.Mereka dapat memantau kondisi kesehatan individu secara terus menerus, real-time, dan non-invasif (1-11).Denyut nadi dan pernapasan, sebagai dua komponen tanda vital yang sangat diperlukan, dapat memberikan penilaian yang akurat tentang keadaan fisiologis dan wawasan yang luar biasa tentang diagnosis dan prognosis penyakit terkait (12-21).Sampai saat ini, sebagian besar perangkat elektronik yang dapat dikenakan untuk mendeteksi sinyal fisiologis halus didasarkan pada substrat ultra tipis seperti polietilena tereftalat, polidimetilsiloxane, polimida, kaca, dan silikon (22-26).Kelemahan dari substrat ini untuk digunakan pada kulit terletak pada format planar dan kakunya.Akibatnya, pita perekat, Band-Aid, atau perlengkapan mekanis lainnya diperlukan untuk membuat kontak yang kompak antara perangkat elektronik yang dapat dikenakan dan kulit manusia, yang dapat menyebabkan iritasi dan ketidaknyamanan selama penggunaan jangka panjang (27, 28).Selain itu, substrat ini memiliki permeabilitas udara yang buruk, yang mengakibatkan ketidaknyamanan saat digunakan untuk pemantauan kesehatan jangka panjang dan berkelanjutan.Untuk mengatasi masalah tersebut dalam perawatan kesehatan, terutama dalam penggunaan sehari-hari, tekstil pintar menawarkan solusi yang andal.Tekstil ini memiliki karakteristik kelembutan, bobot ringan, dan breathability dan, dengan demikian, potensi untuk mewujudkan kenyamanan dalam perangkat elektronik yang dapat dikenakan.Dalam beberapa tahun terakhir, upaya intensif telah dikhususkan untuk mengembangkan sistem berbasis tekstil di sensor sensitif, pemanenan energi, dan penyimpanan (29-39).Secara khusus, penelitian yang berhasil telah dilaporkan pada serat optik, piezoelektrik, dan tekstil pintar berbasis resistivitas yang diterapkan dalam pemantauan sinyal nadi dan pernapasan (40-43).Namun, tekstil pintar ini biasanya memiliki sensitivitas rendah dan parameter pemantauan tunggal dan tidak dapat diproduksi dalam skala besar (tabel S1).Dalam hal pengukuran denyut nadi, informasi rinci sulit ditangkap karena fluktuasi nadi yang redup dan cepat (misalnya, titik fiturnya), dan dengan demikian, sensitivitas tinggi dan kinerja respons frekuensi yang tepat diperlukan.
Dalam studi ini, kami memperkenalkan triboelectric all-textile sensor array (TATSA) dengan sensitivitas tinggi untuk menangkap tekanan halus epidermis, dirajut dengan benang konduktif dan nilon dalam jahitan kardigan penuh.TATSA dapat memberikan sensitivitas tekanan tinggi (7,84 mV Pa−1), waktu respons cepat (20 ms), stabilitas (>100.000 siklus), lebar pita frekuensi kerja (hingga 20 Hz), dan kemampuan dicuci dengan mesin (>40 pencucian).Itu mampu mengintegrasikan dirinya dengan nyaman ke dalam pakaian dengan kebijaksanaan, kenyamanan, dan daya tarik estetika.Khususnya, TATSA kami dapat langsung digabungkan ke berbagai tempat kain yang sesuai dengan gelombang denyut di leher, pergelangan tangan, ujung jari, dan posisi pergelangan kaki serta gelombang pernapasan di perut dan dada.Untuk mengevaluasi kinerja TATSA yang sangat baik secara real-time dan pemantauan kesehatan jarak jauh, kami mengembangkan sistem pemantauan kesehatan cerdas yang dipersonalisasi untuk terus memperoleh dan menyimpan sinyal fisiologis untuk analisis penyakit kardiovaskular (CAD) dan penilaian sindrom apnea tidur (SAS). ).
Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1A, dua TATSA dijahit ke dalam manset dan dada kemeja untuk memungkinkan pemantauan denyut nadi dan sinyal pernapasan secara dinamis dan simultan.Sinyal fisiologis ini ditransmisikan secara nirkabel ke aplikasi terminal seluler cerdas (APP) untuk analisis status kesehatan lebih lanjut.Gambar 1B menunjukkan TATSA dijahit menjadi sepotong kain, dan sisipan menunjukkan tampilan TATSA yang diperbesar, yang dirajut menggunakan benang konduktif karakteristik dan benang nilon komersial bersama-sama dalam jahitan kardigan penuh.Dibandingkan dengan jahitan polos dasar, metode merajut yang paling umum dan dasar, jahitan kardigan penuh dipilih karena kontak antara kepala loop dari benang konduktif dan kepala jahitan tuck yang berdekatan dari benang nilon (gbr. S1) adalah permukaan daripada kontak titik, yang mengarah ke area kerja yang lebih besar untuk efek triboelektrik yang tinggi.Untuk menyiapkan benang konduktif, kami memilih baja tahan karat sebagai serat inti tetap, dan beberapa potong benang Terylene satu lapis dipilin di sekitar serat inti menjadi satu benang konduktif dengan diameter 0,2 mm (gbr. S2), yang berfungsi sebagai permukaan elektrifikasi dan elektroda penghantar.Benang nilon, yang memiliki diameter 0,15 mm dan berfungsi sebagai permukaan elektrifikasi lainnya, memiliki gaya tarik yang kuat karena dipelintir oleh benang yang tidak dapat dihitung (gbr. S3).Gambar 1 (C dan D, masing-masing) menunjukkan foto-foto dari benang konduktif fabrikasi dan benang nilon.Sisipan menunjukkan gambar pemindaian mikroskop elektron (SEM) masing-masing, yang menyajikan penampang khas benang konduktif dan permukaan benang nilon.Kekuatan tarik tinggi dari benang konduktif dan nilon memastikan kemampuan menenunnya pada mesin industri untuk mempertahankan kinerja yang seragam dari semua sensor.Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1E, benang konduktif, benang nilon, dan benang biasa dililitkan pada kerucutnya masing-masing, yang kemudian dimuat ke mesin rajut datar terkomputerisasi industri untuk penenunan otomatis (film S1).Seperti yang ditunjukkan pada gambar.S4, beberapa TATSA dirajut bersama dengan kain biasa menggunakan mesin industri.TATSA tunggal dengan ketebalan 0,85 mm dan berat 0,28 g dapat disesuaikan dari seluruh struktur untuk penggunaan individu, menunjukkan kompatibilitas yang sangat baik dengan kain lain.Selain itu, TATSA dapat dirancang dalam berbagai warna untuk memenuhi persyaratan estetika dan mode karena keragaman benang nilon komersial (Gbr. 1F dan Gbr. S5).TATSA fabrikasi memiliki kelembutan yang sangat baik dan kapasitas untuk menahan pembengkokan atau deformasi yang keras (gbr. S6).Gambar 1G menunjukkan TATSA dijahit langsung ke bagian perut dan ujung sweater.Proses merajut sweter ditunjukkan pada gambar.S7 dan film S2.Detail sisi depan dan belakang TATSA yang diregangkan pada posisi perut ditunjukkan pada gambar.S8 (A dan B, masing-masing), dan posisi benang konduktif dan benang nilon diilustrasikan pada gambar.S8C.Dapat dilihat di sini bahwa TATSA dapat disematkan pada kain biasa dengan mulus untuk tampilan yang bijaksana dan cerdas.
(A) Dua TATSA diintegrasikan ke dalam kemeja untuk memantau sinyal nadi dan pernapasan secara real time.(B) Ilustrasi skema kombinasi TATSA dan pakaian.Sisipan menunjukkan tampilan sensor yang diperbesar.(C) Foto benang konduktif (batang skala, 4 cm).Inset adalah gambar SEM dari penampang benang konduktif (batang skala, 100 m), yang terdiri dari benang stainless steel dan Terylene.(D) Foto benang nilon (batang skala, 4 cm).Inset adalah gambar SEM dari permukaan benang nilon (bilah skala, 100 m).(E) Gambar mesin rajut datar terkomputerisasi yang melakukan penenunan otomatis TATSA.(F) Foto TATSA dalam berbagai warna (bilah skala, 2 cm).Sisipannya adalah TATSA bengkok, yang menunjukkan kelembutannya yang luar biasa.(G) Foto dua TATSA yang dijahit dengan sempurna dan mulus menjadi sweter.Kredit foto: Wenjing Fan, Universitas Chongqing.
Untuk menganalisis mekanisme kerja TATSA, termasuk sifat mekanik dan listriknya, kami membuat model rajutan geometris TATSA, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2A.Menggunakan jahitan kardigan penuh, benang konduktif dan nilon saling bertautan dalam bentuk unit loop dalam arah lintasan dan alur.Struktur loop tunggal (gbr. S1) terdiri dari kepala loop, lengan loop, bagian rib-crossing, lengan jahitan tuck, dan kepala jahitan tuck.Dua bentuk permukaan kontak antara dua benang yang berbeda dapat ditemukan: (i) permukaan kontak antara kepala loop dari benang konduktif dan kepala jahitan selip dari benang nilon dan (ii) permukaan kontak antara kepala loop dari benang nilon. benang nilon dan kepala jahitan selip dari benang konduktif.
(A) TATSA dengan sisi depan, kanan, dan atas loop rajutan.(B) Hasil simulasi distribusi gaya TATSA di bawah tekanan 2 kPa menggunakan perangkat lunak COMSOL.(C) Ilustrasi skema transfer muatan unit kontak dalam kondisi hubung singkat.(D) Hasil simulasi distribusi muatan unit kontak dalam kondisi rangkaian terbuka menggunakan perangkat lunak COMSOL.
Prinsip kerja TATSA dapat dijelaskan dalam dua aspek: rangsangan gaya eksternal dan muatan induksinya.Untuk memahami secara intuitif distribusi tegangan dalam menanggapi stimulus kekuatan eksternal, kami menggunakan analisis elemen hingga menggunakan perangkat lunak COMSOL pada kekuatan eksternal yang berbeda dari 2 dan 0,2 kPa, masing-masing ditunjukkan pada Gambar. 2B dan gambar.S9.Tegangan muncul pada permukaan kontak dua benang.Seperti yang ditunjukkan pada gambar.S10, kami mempertimbangkan dua unit loop untuk memperjelas distribusi tegangan.Dalam membandingkan distribusi tegangan di bawah dua gaya eksternal yang berbeda, tegangan pada permukaan benang konduktif dan nilon meningkat dengan meningkatnya gaya eksternal, menghasilkan kontak dan ekstrusi antara dua benang.Setelah gaya eksternal dilepaskan, kedua benang terpisah dan menjauh satu sama lain.
Gerakan pemisahan kontak antara benang konduktif dan benang nilon menginduksi transfer muatan, yang dikaitkan dengan hubungan triboelektrik dan induksi elektrostatik.Untuk memperjelas proses pembangkitan listrik, kami menganalisis penampang area di mana kedua benang saling bersentuhan (Gbr. 2C1).Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2 (C2 dan C3, masing-masing), ketika TATSA dirangsang oleh gaya eksternal dan dua benang kontak satu sama lain, elektrifikasi terjadi pada permukaan benang konduktif dan nilon, dan muatan setara dengan berlawanan polaritas yang dihasilkan pada permukaan dua benang.Setelah dua benang terpisah, muatan positif diinduksi dalam baja tahan karat bagian dalam karena efek induksi elektrostatik.Skema lengkap ditunjukkan pada gambar.S11.Untuk memperoleh pemahaman yang lebih kuantitatif tentang proses pembangkitan listrik, kami mensimulasikan distribusi potensial TATSA menggunakan perangkat lunak COMSOL (Gbr. 2D).Ketika kedua bahan bersentuhan, muatan terutama terkumpul pada bahan gesekan, dan hanya sejumlah kecil muatan induksi yang ada pada elektroda, menghasilkan potensial yang kecil (Gbr. 2D, bawah).Ketika kedua bahan dipisahkan (Gbr. 2D, atas), muatan induksi pada elektroda meningkat karena perbedaan potensial, dan potensial yang sesuai meningkat, yang menunjukkan kesesuaian yang baik antara hasil yang diperoleh dari eksperimen dan simulasi. .Selanjutnya, karena elektroda penghantar TATSA dibungkus dengan benang Terylene dan kulit bersentuhan dengan kedua bahan gesekan, oleh karena itu, ketika TATSA dikenakan langsung ke kulit, muatannya tergantung pada gaya eksternal dan tidak akan menjadi lemah oleh kulit.
Untuk mengkarakterisasi kinerja TATSA kami dalam berbagai aspek, kami menyediakan sistem pengukuran yang berisi generator fungsi, penguat daya, shaker elektrodinamik, pengukur gaya, elektrometer, dan komputer (gbr. S12).Sistem ini menghasilkan tekanan dinamis eksternal hingga 7 kPa.Dalam percobaan, TATSA ditempatkan pada lembaran plastik datar dalam keadaan bebas, dan sinyal listrik keluaran direkam oleh elektrometer.
Spesifikasi benang konduktif dan nilon mempengaruhi kinerja keluaran TATSA karena mereka menentukan permukaan kontak dan kapasitas untuk menerima tekanan eksternal.Untuk menyelidiki hal ini, kami membuat tiga ukuran dari dua benang, masing-masing: benang konduktif dengan ukuran 150D/3, 210D/3, dan 250D/3 dan benang nilon dengan ukuran 150D/6, 210D/6, dan 250D /6 (D, denier; unit pengukuran yang digunakan untuk menentukan ketebalan serat dari masing-masing benang; kain dengan jumlah denier tinggi cenderung tebal).Kemudian, kami memilih dua benang ini dengan ukuran berbeda untuk merajutnya menjadi sensor, dan dimensi TATSA dipertahankan pada 3 cm kali 3 cm dengan nomor loop 16 pada arah wale dan 10 pada arah course.Dengan demikian, sensor dengan sembilan pola rajutan diperoleh.Sensor oleh benang konduktif dengan ukuran 150D/3 dan benang nilon dengan ukuran 150D/6 adalah yang paling tipis, dan sensor oleh benang konduktif dengan ukuran 250D/3 dan benang nilon dengan ukuran 250D/ 6 adalah yang paling tebal.Di bawah eksitasi mekanis 0,1 hingga 7 kPa, keluaran listrik untuk pola-pola ini diselidiki dan diuji secara sistematis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3A.Tegangan keluaran dari sembilan TATSA meningkat dengan meningkatnya tekanan yang diberikan, dari 0,1 menjadi 4 kPa.Secara khusus, dari semua pola rajutan, spesifikasi benang konduktif 210D/3 dan benang nilon 210D/6 menghasilkan keluaran listrik tertinggi dan menunjukkan sensitivitas tertinggi.Tegangan keluaran menunjukkan tren yang meningkat dengan bertambahnya ketebalan TATSA (karena permukaan kontak yang cukup) hingga TATSA dirajut menggunakan benang konduktif 210D/3 dan benang nilon 210D/6.Karena peningkatan lebih lanjut dalam ketebalan akan menyebabkan penyerapan tekanan eksternal oleh benang, tegangan keluaran menurun.Lebih lanjut, dicatat bahwa di wilayah tekanan rendah (<4 kPa), variasi linier yang berperilaku baik pada tegangan output dengan tekanan memberikan sensitivitas tekanan yang unggul sebesar 7,84 mV Pa−1.Di wilayah tekanan tinggi (>4 kPa), sensitivitas tekanan yang lebih rendah dari 0,31 mV Pa−1 diamati secara eksperimental karena kejenuhan area gesekan efektif.Sensitivitas tekanan yang sama ditunjukkan selama proses kebalikan dari penerapan kekuatan.Profil waktu konkret dari tegangan dan arus keluaran di bawah tekanan yang berbeda disajikan pada gambar.S13 (A dan B, masing-masing).
(A) Tegangan keluaran di bawah sembilan pola rajutan dari benang konduktif (150D/3, 210D/3, dan 250D/3) dikombinasikan dengan benang nilon (150D/6, 210D/6, dan 250D/6).(B) Respon tegangan ke berbagai nomor unit loop di area kain yang sama ketika menjaga nomor loop dalam arah wale tidak berubah.(C) Plot yang menunjukkan respons frekuensi di bawah tekanan dinamis 1 kPa dan frekuensi input tekanan 1 Hz.(D) Tegangan keluaran dan arus berbeda di bawah frekuensi 1, 5, 10, dan 20 Hz.(E) Uji daya tahan TATSA di bawah tekanan 1 kPa.(F) Karakteristik keluaran TATSA setelah dicuci 20 dan 40 kali.
Sensitivitas dan tegangan keluaran juga dipengaruhi oleh kerapatan jahitan TATSA, yang ditentukan oleh jumlah total loop di area kain yang diukur.Peningkatan kepadatan jahitan akan menyebabkan kekompakan yang lebih besar dari struktur kain.Gambar 3B menunjukkan kinerja keluaran di bawah nomor loop yang berbeda di area tekstil 3 cm kali 3 cm, dan inset menggambarkan struktur unit loop (kami menyimpan nomor loop dalam arah kursus di 10, dan nomor loop di arah wale adalah 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, dan 26).Dengan meningkatkan nomor loop, tegangan output pertama menunjukkan tren meningkat karena permukaan kontak meningkat, sampai puncak tegangan output maksimum 7,5 V dengan jumlah loop 180. Setelah titik ini, tegangan output mengikuti tren menurun karena TATSA menjadi kencang, dan kedua benang memiliki ruang pemisah kontak yang berkurang.Untuk mengeksplorasi ke arah mana densitas memiliki dampak besar pada output, kami mempertahankan nomor loop TATSA dalam arah wale pada 18, dan nomor loop pada arah course ditetapkan menjadi 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, dan 14. Tegangan keluaran yang sesuai ditunjukkan pada gambar.S14.Sebagai perbandingan, kita dapat melihat bahwa kerapatan dalam arah kursus memiliki pengaruh yang lebih besar pada tegangan keluaran.Hasilnya, pola rajutan dari benang konduktif 210D/3 dan benang nilon 210D/6 serta 180 unit loop dipilih untuk merajut TATSA setelah evaluasi komprehensif dari karakteristik keluaran.Selanjutnya, kami membandingkan sinyal output dari dua sensor tekstil menggunakan jahitan kardigan penuh dan jahitan polos.Seperti yang ditunjukkan pada gambar.S15, output listrik dan sensitivitas menggunakan jahitan kardigan penuh jauh lebih tinggi daripada yang menggunakan jahitan biasa.
Waktu respons untuk memantau sinyal waktu nyata diukur.Untuk menguji waktu respons sensor kami terhadap gaya eksternal, kami membandingkan sinyal tegangan keluaran dengan masukan tekanan dinamis pada frekuensi 1 hingga 20 Hz (Gbr. 3C dan Gbr. S16, masing-masing).Bentuk gelombang tegangan keluaran hampir identik dengan gelombang tekanan sinusoidal masukan di bawah tekanan 1 kPa, dan bentuk gelombang keluaran memiliki waktu respon yang cepat (sekitar 20 ms).Histeresis ini dapat dikaitkan dengan struktur elastis yang tidak kembali ke keadaan semula sesegera mungkin setelah menerima gaya eksternal.Namun demikian, histeresis kecil ini dapat diterima untuk pemantauan waktu nyata.Untuk mendapatkan tekanan dinamis dengan rentang frekuensi tertentu, diharapkan respon frekuensi TATSA yang sesuai.Dengan demikian, karakteristik frekuensi TATSA juga diuji.Dengan meningkatkan frekuensi eksitasi eksternal, amplitudo tegangan keluaran tetap hampir tidak berubah, sedangkan amplitudo arus meningkat ketika frekuensi sadapan bervariasi dari 1 hingga 20 Hz (Gbr. 3D).
Untuk mengevaluasi pengulangan, stabilitas, dan daya tahan TATSA, kami menguji tegangan keluaran dan respons arus terhadap siklus bongkar muat tekanan.Tekanan 1 kPa dengan frekuensi 5 Hz diterapkan ke sensor.Tegangan dan arus puncak-ke-puncak dicatat setelah 100.000 siklus bongkar muat (Gbr. 3E dan Gbr. S17, masing-masing).Tampilan tegangan dan bentuk gelombang arus yang diperbesar ditunjukkan pada sisipan Gambar 3E dan Gambar.S17 masing-masing.Hasilnya mengungkapkan pengulangan, stabilitas, dan daya tahan TATSA yang luar biasa.Kemampuan untuk dicuci juga merupakan kriteria penilaian penting dari TATSA sebagai perangkat semua-tekstil.Untuk mengevaluasi kemampuan mencuci, kami menguji tegangan keluaran sensor setelah kami mencuci mesin TATSA menurut American Association of Textile Chemists and Colorists (AATCC) Metode Uji 135-2017.Prosedur pencucian rinci dijelaskan dalam Bahan dan Metode.Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3F, keluaran listrik dicatat setelah pencucian 20 kali dan 40 kali, yang menunjukkan bahwa tidak ada perubahan nyata dari tegangan keluaran selama pengujian pencucian.Hasil ini memverifikasi kemampuan mencuci TATSA yang luar biasa.Sebagai sensor tekstil yang dapat dikenakan, kami juga mengeksplorasi kinerja keluaran saat TATSA dalam kondisi tarik (gbr. S18), terpuntir (gbr. S19), dan kelembapan yang berbeda (gbr. S20).
Berdasarkan banyak keuntungan dari TATSA yang ditunjukkan di atas, kami mengembangkan sistem pemantauan kesehatan seluler nirkabel (WMHMS), yang memiliki kemampuan untuk terus memperoleh sinyal fisiologis dan kemudian memberikan saran profesional untuk pasien.Gambar 4A menunjukkan diagram skema WMHMS berdasarkan TATSA.Sistem ini memiliki empat komponen: TATSA untuk memperoleh sinyal fisiologis analog, sirkuit pengkondisian analog dengan filter low-pass (MAX7427) dan penguat (MAX4465) untuk memastikan detail yang cukup dan sinkronisasi sinyal yang sangat baik, analog-ke-digital konverter berdasarkan unit mikrokontroler untuk mengumpulkan dan mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital, dan modul Bluetooth (chip Bluetooth berdaya rendah CC2640) untuk mengirimkan sinyal digital ke aplikasi terminal ponsel (APP; Huawei Honor 9).Dalam penelitian ini, kami menjahit TATSA dengan mulus menjadi renda, gelang, fingerstall, dan kaus kaki, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4B.
(A) Ilustrasi WMHMS.(B) Foto-foto TATSA masing-masing dijahit menjadi gelang, fingerstall, kaus kaki, dan tali dada.Pengukuran denyut nadi di leher (C1), (D1) pergelangan tangan, (E1) ujung jari, dan (F1) pergelangan kaki.Bentuk gelombang nadi di leher (C2), pergelangan tangan (D2), ujung jari (E2), dan pergelangan kaki (F2).(G) Bentuk gelombang pulsa dari berbagai usia.(H) Analisis gelombang pulsa tunggal.Indeks augmentasi radial (AIx) didefinisikan sebagai AIx (%) = P2/P1.P1 adalah puncak gelombang maju, dan P2 adalah puncak gelombang pantul.(I) Siklus nadi brakialis dan pergelangan kaki.Kecepatan gelombang pulsa (PWV) didefinisikan sebagai PWV = D/∆T.D adalah jarak antara pergelangan kaki dan brakialis.T adalah waktu tunda antara puncak pergelangan kaki dan gelombang nadi brakialis.PTT, waktu transit pulsa.(J) Perbandingan AIx dan brachial-ankle PWV (BAPWV) antara sehat dan CAD.*P < 0,01, **P < 0,001, dan ***P < 0,05.hipertensi, hipertensi;PJK, penyakit jantung koroner;DM, diabetes melitus.Kredit foto: Jin Yang, Universitas Chongqing.
Untuk memantau sinyal denyut dari bagian tubuh manusia yang berbeda, kami memasang dekorasi yang disebutkan di atas dengan TATSA ke posisi yang sesuai: leher (Gbr. 4C1), pergelangan tangan (Gbr. 4D1), ujung jari (Gbr. 4E1), dan pergelangan kaki (Gbr. 4F1 ), seperti yang dijelaskan dalam film S3 hingga S6.Dalam kedokteran, ada tiga titik fitur penting dalam gelombang pulsa: puncak gelombang maju P1, puncak gelombang pantul P2, dan puncak gelombang dikrotik P3.Karakteristik titik fitur ini mencerminkan keadaan kesehatan elastisitas arteri, resistensi perifer, dan kontraktilitas ventrikel kiri yang terkait dengan sistem kardiovaskular.Bentuk gelombang nadi seorang wanita berusia 25 tahun pada empat posisi di atas diperoleh dan dicatat dalam pengujian kami.Perhatikan bahwa tiga titik fitur yang dapat dibedakan (P1 hingga P3) diamati pada bentuk gelombang pulsa pada posisi leher, pergelangan tangan, dan ujung jari, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4 (C2 hingga E2).Sebaliknya, hanya P1 dan P3 yang muncul pada bentuk gelombang nadi pada posisi pergelangan kaki, dan P2 tidak muncul (Gbr. 4F2).Hasil ini disebabkan oleh superposisi gelombang darah masuk yang dikeluarkan oleh ventrikel kiri dan gelombang pantul dari tungkai bawah (44).Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa P2 hadir dalam bentuk gelombang yang diukur di ekstremitas atas tetapi tidak di pergelangan kaki (45, 46).Kami mengamati hasil serupa dalam bentuk gelombang yang diukur dengan TATSA, seperti yang ditunjukkan pada gambar.S21, yang menunjukkan data khas dari populasi 80 pasien yang diteliti di sini.Kita dapat melihat bahwa P2 tidak muncul dalam bentuk gelombang pulsa yang diukur di pergelangan kaki, menunjukkan kemampuan TATSA untuk mendeteksi fitur halus dalam bentuk gelombang.Hasil pengukuran pulsa ini menunjukkan bahwa WMHMS kami dapat secara akurat mengungkapkan karakteristik gelombang pulsa dari tubuh bagian atas dan bawah dan lebih unggul dari karya lain (41, 47).Untuk menunjukkan lebih lanjut bahwa TATSA kami dapat diterapkan secara luas pada usia yang berbeda, kami mengukur bentuk gelombang pulsa dari 80 subjek pada usia yang berbeda, dan kami menunjukkan beberapa data tipikal, seperti yang ditunjukkan pada gambar.S22.Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4G, kami memilih tiga peserta berusia 25, 45, dan 65 tahun, dan tiga poin fitur jelas untuk peserta muda dan setengah baya.Menurut literatur medis (48), karakteristik bentuk gelombang denyut nadi kebanyakan orang berubah seiring bertambahnya usia, seperti hilangnya titik P2, yang disebabkan oleh gelombang pantul yang bergerak maju untuk melapiskan dirinya pada gelombang maju melalui penurunan elastisitas pembuluh darah.Fenomena ini juga tercermin dalam bentuk gelombang yang kami kumpulkan, yang selanjutnya memverifikasi bahwa TATSA dapat diterapkan pada populasi yang berbeda.
Bentuk gelombang pulsa tidak hanya dipengaruhi oleh keadaan fisiologis individu tetapi juga oleh kondisi pengujian.Oleh karena itu, kami mengukur sinyal pulsa di bawah keketatan kontak yang berbeda antara TATSA dan kulit (gbr. S23) dan berbagai posisi pendeteksian di lokasi pengukuran (gbr. S24).Dapat ditemukan bahwa TATSA dapat memperoleh bentuk gelombang pulsa yang konsisten dengan informasi rinci di sekitar kapal di area pendeteksian efektif yang besar di lokasi pengukuran.Selain itu, ada sinyal keluaran yang berbeda di bawah keketatan kontak yang berbeda antara TATSA dan kulit.Selain itu, gerakan individu yang memakai sensor akan mempengaruhi sinyal pulsa.Ketika pergelangan tangan subjek dalam kondisi statis, amplitudo bentuk gelombang pulsa yang diperoleh stabil (gbr. S25A);sebaliknya, ketika pergelangan tangan bergerak perlahan pada sudut dari -70° hingga 70° selama 30 detik, amplitudo bentuk gelombang pulsa akan berfluktuasi (gbr. S25B).Namun, kontur setiap bentuk gelombang pulsa terlihat, dan denyut nadi masih dapat diperoleh secara akurat.Jelas, untuk mencapai akuisisi gelombang pulsa yang stabil dalam gerakan manusia, pekerjaan lebih lanjut termasuk desain sensor dan pemrosesan sinyal back-end perlu diteliti.
Selanjutnya, untuk menganalisis dan menilai secara kuantitatif kondisi sistem kardiovaskular melalui bentuk gelombang nadi yang diperoleh menggunakan TATSA kami, kami memperkenalkan dua parameter hemodinamik sesuai dengan spesifikasi penilaian sistem kardiovaskular, yaitu indeks augmentasi (AIx) dan kecepatan gelombang nadi. (PWV), yang mewakili elastisitas arteri.Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4H, bentuk gelombang nadi pada posisi pergelangan tangan pria sehat berusia 25 tahun digunakan untuk analisis AIx.Menurut rumus (bagian S1), AIx = 60% diperoleh, yang merupakan nilai normal.Kemudian, kami secara bersamaan mengumpulkan dua bentuk gelombang denyut pada posisi lengan dan pergelangan kaki dari peserta ini (metode rinci pengukuran bentuk gelombang denyut dijelaskan dalam Bahan dan Metode).Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4I, titik fitur dari dua bentuk gelombang pulsa berbeda.Kami kemudian menghitung PWV sesuai dengan rumus (bagian S1).PWV = 1363 cm/s, yang merupakan nilai karakteristik yang diharapkan dari pria dewasa yang sehat, diperoleh.Di sisi lain, kita dapat melihat bahwa metrik AIx atau PWV tidak terpengaruh oleh perbedaan amplitudo bentuk gelombang pulsa, dan nilai AIx di berbagai bagian tubuh berbeda.Dalam penelitian kami, radial AIx digunakan.Untuk memverifikasi penerapan WMHMS pada orang yang berbeda, kami memilih 20 peserta dalam kelompok sehat, 20 pada kelompok hipertensi (HTN), 20 pada kelompok penyakit jantung koroner (PJK) berusia 50 hingga 59 tahun, dan 20 pada kelompok kelompok diabetes melitus (DM).Kami mengukur gelombang pulsa mereka dan membandingkan dua parameter mereka, AIx dan PWV, seperti yang disajikan pada Gambar. 4J.Dapat diketahui bahwa nilai PWV pada kelompok HTN, PJK, dan DM lebih rendah dibandingkan dengan kelompok sehat dan memiliki perbedaan statistik (PHTN 0,001, PCHD 0,001, dan PDM 0,001; nilai P dihitung dengan t uji).Sedangkan nilai AIx pada kelompok HTN dan PJK lebih rendah dibandingkan dengan kelompok sehat dan memiliki perbedaan statistik (PHTN < 0,01, PCHD < 0,001, dan PDM < 0,05).PWV dan AIx peserta dengan PJK, HTN, atau DM lebih tinggi dibandingkan dengan kelompok sehat.Hasil penelitian menunjukkan bahwa TATSA mampu secara akurat memperoleh bentuk gelombang denyut nadi untuk menghitung parameter kardiovaskular untuk menilai status kesehatan kardiovaskular.Kesimpulannya, karena karakteristik dan kenyamanan nirkabel, resolusi tinggi, sensitivitas tinggi, WMHMS berdasarkan TATSA memberikan alternatif yang lebih efisien untuk pemantauan waktu nyata daripada peralatan medis mahal saat ini yang digunakan di rumah sakit.
Selain gelombang nadi, informasi pernapasan juga merupakan tanda vital utama untuk membantu menilai kondisi fisik seseorang.Pemantauan pernapasan berdasarkan TATSA kami lebih menarik daripada polisomnografi konvensional karena dapat diintegrasikan dengan mulus ke dalam pakaian untuk kenyamanan yang lebih baik.Dijahit menjadi tali dada elastis putih, TATSA diikat langsung ke tubuh manusia dan diamankan di sekitar dada untuk memantau pernapasan (Gbr. 5A dan film S7).TATSA berubah bentuk dengan ekspansi dan kontraksi tulang rusuk, menghasilkan output listrik.Bentuk gelombang yang diperoleh diverifikasi pada Gambar. 5B.Sinyal dengan fluktuasi besar (amplitudo 1,8 V) dan perubahan periodik (frekuensi 0,5 Hz) berhubungan dengan gerakan pernapasan.Sinyal fluktuasi yang relatif kecil ditumpangkan pada sinyal fluktuasi besar ini, yang merupakan sinyal detak jantung.Menurut karakteristik frekuensi sinyal respirasi dan detak jantung, kami menggunakan filter low-pass 0,8 Hz dan filter band-pass 0,8 hingga 20 Hz untuk memisahkan sinyal pernapasan dan detak jantung, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5C. .Dalam hal ini, sinyal pernapasan dan denyut nadi yang stabil dengan informasi fisiologis yang melimpah (seperti laju pernapasan, denyut jantung, dan titik fitur gelombang nadi) diperoleh secara bersamaan dan akurat hanya dengan menempatkan TATSA tunggal di dada.
(A) Foto yang menunjukkan tampilan TATSA yang ditempatkan di dada untuk mengukur sinyal dalam tekanan yang terkait dengan pernapasan.(B) Plot tegangan-waktu untuk TATSA yang dipasang di peti.(C) Dekomposisi sinyal (B) menjadi detak jantung dan bentuk gelombang pernapasan.(D) Foto yang menunjukkan dua TATSA ditempatkan di perut dan pergelangan tangan untuk mengukur pernapasan dan denyut nadi, masing-masing, selama tidur.(E) Sinyal pernapasan dan denyut nadi peserta yang sehat.HR, detak jantung;BPM, denyut per menit.(F) Sinyal pernapasan dan denyut nadi peserta SAS.(G) Sinyal pernapasan dan PTT dari peserta yang sehat.(H) Sinyal pernapasan dan PTT dari peserta SAS.(I) Hubungan antara indeks gairah PTT dan indeks apnea-hypopnea (AHI).Kredit foto: Wenjing Fan, Universitas Chongqing.
Untuk membuktikan bahwa sensor kami dapat secara akurat dan andal memantau denyut nadi dan sinyal pernapasan, kami melakukan eksperimen untuk membandingkan hasil pengukuran sinyal nadi dan pernapasan antara TATSA kami dan instrumen medis standar (MHM-6000B), seperti yang dijelaskan dalam film S8 dan S9.Dalam pengukuran gelombang nadi, sensor fotolistrik alat medis dikenakan di jari telunjuk kiri seorang gadis muda, dan sementara itu, TATSA kami dikenakan di jari telunjuk kanannya.Dari dua bentuk gelombang denyut nadi yang diperoleh, kita dapat melihat bahwa kontur dan detailnya identik, menunjukkan bahwa denyut nadi yang diukur oleh TATSA sama presisinya dengan yang dilakukan oleh instrumen medis.Dalam pengukuran gelombang pernapasan, lima elektroda elektrokardiografi ditempelkan pada lima area di tubuh seorang pemuda sesuai instruksi medis.Sebaliknya, hanya satu TATSA yang langsung diikat ke tubuh dan diikat di sekitar dada.Dari sinyal pernapasan yang dikumpulkan, dapat dilihat bahwa kecenderungan variasi dan laju sinyal pernapasan yang terdeteksi oleh TATSA kami konsisten dengan instrumen medis.Kedua eksperimen perbandingan ini memvalidasi keakuratan, keandalan, dan kesederhanaan sistem sensor kami untuk memantau sinyal nadi dan pernapasan.
Selanjutnya, kami membuat sepotong pakaian pintar dan menjahit dua TATSA di posisi perut dan pergelangan tangan masing-masing untuk memantau sinyal pernapasan dan denyut nadi.Secara khusus, WMHMS saluran ganda yang dikembangkan digunakan untuk menangkap sinyal nadi dan pernapasan secara bersamaan.Melalui sistem ini, kami memperoleh sinyal pernapasan dan denyut nadi seorang pria berusia 25 tahun yang mengenakan pakaian pintar kami saat tidur (Gbr. 5D dan film S10) dan duduk (gbr. S26 dan film S11).Sinyal pernapasan dan denyut nadi yang diperoleh dapat ditransmisikan secara nirkabel ke APLIKASI ponsel.Seperti disebutkan di atas, TATSA memiliki kemampuan untuk menangkap sinyal pernapasan dan denyut nadi.Kedua sinyal fisiologis ini juga menjadi kriteria untuk memperkirakan SAS secara medis.Oleh karena itu, TATSA kami juga dapat digunakan untuk memantau dan menilai kualitas tidur dan gangguan tidur terkait.Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5 (E dan F, masing-masing), kami terus mengukur denyut nadi dan bentuk gelombang pernapasan dari dua peserta, yang sehat dan pasien dengan SAS.Untuk orang tanpa apnea, laju pernapasan dan denyut nadi yang diukur tetap stabil masing-masing pada 15 dan 70.Untuk pasien dengan SAS, apnea yang berbeda selama 24 detik, yang merupakan indikasi dari peristiwa pernapasan obstruktif, diamati, dan denyut jantung sedikit meningkat setelah periode apnea karena regulasi sistem saraf (49).Singkatnya, status pernapasan dapat dievaluasi oleh TATSA kami.
Untuk menilai lebih lanjut jenis SAS melalui pulsa dan sinyal pernapasan, kami menganalisis waktu transit pulsa (PTT), indikator noninvasif yang mencerminkan perubahan resistensi pembuluh darah perifer dan tekanan intratoraks (didefinisikan dalam bagian S1) dari pria sehat dan pasien dengan SAS.Untuk peserta yang sehat, laju pernapasan tetap tidak berubah, dan PTT relatif stabil dari 180 hingga 310 ms (Gbr. 5G).Namun, untuk peserta SAS, PTT meningkat terus menerus dari 120 menjadi 310 ms selama apnea (Gbr. 5H).Dengan demikian, peserta didiagnosis dengan SAS obstruktif (OSAS).Jika perubahan PTT menurun selama apnea, maka kondisinya akan ditentukan sebagai sindrom apnea tidur sentral (CSAS), dan jika kedua gejala ini ada secara bersamaan, maka akan didiagnosis sebagai SAS campuran (MSAS).Untuk menilai tingkat keparahan SAS, kami menganalisis lebih lanjut sinyal yang dikumpulkan.Indeks gairah PTT, yang merupakan jumlah gairah PTT per jam (PTT gairah didefinisikan sebagai penurunan PTT 15 ms yang berlangsung selama 3 detik), memainkan peran penting dalam mengevaluasi derajat SAS.Indeks apnea-hipopnea (AHI) adalah standar untuk menentukan derajat SAS (apnea adalah penghentian pernapasan, dan hipopnea adalah pernapasan yang terlalu dangkal atau laju pernapasan yang sangat rendah), yang didefinisikan sebagai jumlah apnea dan hipopnea per jam saat tidur (hubungan antara AHI dan kriteria penilaian untuk OSAS ditunjukkan pada tabel S2).Untuk menyelidiki hubungan antara AHI dan indeks gairah PTT, sinyal pernapasan dari 20 pasien dengan SAS dipilih dan dianalisis dengan TATSA.Seperti ditunjukkan pada Gambar. 5I, indeks gairah PTT berkorelasi positif dengan AHI, karena apnea dan hipopnea selama tidur menyebabkan peningkatan tekanan darah yang jelas dan sementara, yang menyebabkan penurunan PTT.Oleh karena itu, TATSA kami dapat memperoleh denyut nadi dan sinyal pernapasan yang stabil dan akurat secara bersamaan, sehingga memberikan informasi fisiologis penting pada sistem kardiovaskular dan SAS untuk pemantauan dan evaluasi penyakit terkait.
Singkatnya, kami mengembangkan TATSA menggunakan jahitan kardigan penuh untuk mendeteksi sinyal fisiologis yang berbeda secara bersamaan.Sensor ini menampilkan sensitivitas tinggi 7,84 mV Pa−1, waktu respons cepat 20 ms, stabilitas tinggi lebih dari 100.000 siklus, dan bandwidth frekuensi kerja lebar.Atas dasar TATSA, WMHMS juga dikembangkan untuk mengirimkan parameter fisiologis yang diukur ke ponsel.TATSA dapat dimasukkan ke dalam berbagai tempat pakaian untuk desain estetika dan digunakan untuk secara bersamaan memantau denyut nadi dan sinyal pernapasan secara real time.Sistem ini dapat diterapkan untuk membantu membedakan antara individu yang sehat dan mereka yang menderita CAD atau SAS karena kemampuannya untuk menangkap informasi rinci.Studi ini memberikan pendekatan yang nyaman, efisien, dan mudah digunakan untuk mengukur denyut nadi dan pernapasan manusia, yang merupakan kemajuan dalam pengembangan elektronik tekstil yang dapat dipakai.
Baja tahan karat berulang kali melewati cetakan dan diregangkan untuk membentuk serat dengan diameter 10 m.Serat baja tahan karat sebagai elektroda dimasukkan ke dalam beberapa potong benang Terylene komersial satu lapis.
Generator fungsi (Stanford DS345) dan penguat (LabworkPa-13) digunakan untuk memberikan sinyal tekanan sinusoidal.Sensor kekuatan jarak ganda (Vernier Software & Technology LLC) digunakan untuk mengukur tekanan eksternal yang diterapkan pada TATSA.Elektrometer sistem Keithley (Keithley 6514) digunakan untuk memantau dan merekam tegangan dan arus keluaran TATSA.
Menurut Metode Uji AATCC 135-2017, kami menggunakan TATSA dan pemberat yang cukup sebagai beban 1,8 kg dan kemudian memasukkannya ke dalam mesin cuci komersial (Labtex LBT-M6T) untuk melakukan siklus pencucian mesin yang rumit.Kemudian, kami mengisi mesin cuci dengan 18 galon air pada 25°C dan mengatur mesin cuci untuk siklus dan waktu pencucian yang dipilih (kecepatan pengadukan, 119 langkah per menit; waktu pencucian, 6 menit; kecepatan putaran akhir, 430 rpm; akhir waktu putaran, 3 menit).Terakhir, TATSA digantung kering di udara diam pada suhu kamar tidak lebih tinggi dari 26°C.
Subyek diinstruksikan untuk berbaring dalam posisi terlentang di tempat tidur.TATSA ditempatkan di lokasi pengukuran.Setelah subjek berada dalam posisi terlentang standar, mereka mempertahankan keadaan benar-benar rileks selama 5 hingga 10 menit.Sinyal pulsa kemudian mulai mengukur.
Materi tambahan untuk artikel ini tersedia di https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Gambar S9.Hasil simulasi distribusi gaya TATSA di bawah tekanan yang diterapkan pada 0,2 kPa menggunakan perangkat lunak COMSOL.
Gambar S10.Hasil simulasi distribusi gaya unit kontak di bawah tekanan yang diterapkan masing-masing pada 0,2 dan 2 kPa.
Gambar S11.Ilustrasi skema lengkap dari transfer muatan unit kontak dalam kondisi hubung singkat.
Gambar S13.Tegangan keluaran kontinu dan arus TATSA sebagai respons terhadap tekanan eksternal yang diterapkan secara terus-menerus dalam siklus pengukuran.
Gambar S14.Respon tegangan ke berbagai nomor unit loop di area fabric yang sama saat menjaga nomor loop dalam arah wale tidak berubah.
Gambar S15.Perbandingan performa keluaran kedua sensor tekstil menggunakan full cardigan stitch dan plain stitch.
Gambar S16.Plot menunjukkan respon frekuensi pada tekanan dinamis 1 kPa dan frekuensi input tekanan 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18, dan 20 Hz.
Gambar S25.Tegangan keluaran sensor saat subjek dalam kondisi statis dan gerak.
Gambar S26.Foto yang menunjukkan TATSA ditempatkan di perut dan pergelangan tangan secara bersamaan untuk mengukur pernapasan dan denyut nadi.
Ini adalah artikel akses terbuka yang didistribusikan di bawah persyaratan lisensi Creative Commons Attribution-NonCommercial, yang mengizinkan penggunaan, distribusi, dan reproduksi dalam media apa pun, selama penggunaan yang dihasilkan bukan untuk keuntungan komersial dan asalkan karya aslinya benar. dikutip.
CATATAN: Kami hanya meminta alamat email Anda sehingga orang yang Anda rekomendasikan untuk mengetahui halaman tersebut mengetahui bahwa Anda ingin mereka melihatnya, dan itu bukan surat sampah.Kami tidak menangkap alamat email apa pun.
Oleh Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Sensor semua-tekstil triboelektrik dengan sensitivitas dan kenyamanan tekanan tinggi telah dikembangkan untuk pemantauan kesehatan.
Oleh Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Sensor semua-tekstil triboelektrik dengan sensitivitas dan kenyamanan tekanan tinggi telah dikembangkan untuk pemantauan kesehatan.
© 2020 Asosiasi Amerika untuk Kemajuan Ilmu Pengetahuan.Seluruh hak cipta.AAAS adalah mitra dari HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef dan COUNTER.Science Maju ISSN 2375-2548.
Waktu posting: 27-Mar-2020