טקסטיל של מערך חיישנים סרוג במכונה לניטור אותות פיזיולוגיים אפידרמיס מדויק

מוצרי טקסטיל לבישים רצויים מאוד למימוש ניהול בריאות מותאם אישית.עם זאת, רוב מוצרי האלקטרוניקה הטקסטיל המדווחים יכולים למקד מעת לעת לאות פיזיולוגי בודד או להחמיץ את הפרטים המפורשים של האותות, מה שמוביל להערכת בריאות חלקית.יתר על כן, טקסטיל עם תכונה ונוחות מעולים עדיין נשארים אתגר.כאן אנו מדווחים על מערך חיישני טקסטיל טריבו-אלקטרי עם רגישות ונוחות ללחץ גבוהים.הוא מציג רגישות ללחץ (7.84 mV Pa−1), זמן תגובה מהיר (20 אלפיות השנייה), יציבות (>100,000 מחזורים), רוחב פס רחב של תדר עבודה (עד 20 הרץ), ויכולת כביסה במכונה (מעל 40 כביסות).ה-TATSAs המיוצרים נתפרו לחלקים שונים של בגדים כדי לנטר את גלי הדופק העורקים ואותות הנשימה בו זמנית.פיתחנו עוד מערכת ניטור בריאות להערכה ארוכת טווח ולא פולשנית של מחלות לב וכלי דם ותסמונת דום נשימה בשינה, אשר מציגה התקדמות רבה בניתוח כמותי של כמה מחלות כרוניות.

מוצרי אלקטרוניקה לבישים מייצגים הזדמנות מרתקת בגלל היישומים המבטיחים שלהם ברפואה מותאמת אישית.הם יכולים לפקח על מצב בריאותו של אדם באופן רציף, בזמן אמת ולא פולשני (1-11).דופק ונשימה, כשני מרכיבים חיוניים של סימנים חיוניים, יכולים לספק גם הערכה מדויקת של המצב הפיזיולוגי וגם תובנות יוצאות דופן לגבי האבחנה והפרוגנוזה של מחלות קשורות (12-21).עד כה, רוב האלקטרוניקה הלבישה לזיהוי אותות פיזיולוגיים עדינים מבוססת על מצעים דקים במיוחד כגון פוליאתילן טרפתלט, פולידימתילסילוקסן, פולימיד, זכוכית וסיליקון (22-26).החיסרון של מצעים אלה לשימוש על העור טמון בפורמטים המישוריים והנוקשים שלהם.כתוצאה מכך, קלטות, פלסטרים או מתקנים מכניים אחרים נדרשים כדי ליצור מגע קומפקטי בין מוצרי אלקטרוניקה לבישים לעור אנושי, שעלול לגרום לגירוי ואי נוחות במהלך תקופות שימוש ממושכות (27, 28).יתר על כן, למצעים אלה יש חדירות אוויר ירודה, וכתוצאה מכך לאי נוחות כאשר משתמשים בהם לניטור בריאות מתמשך ארוך טווח.כדי להקל על הבעיות האמורות בתחום הבריאות, במיוחד בשימוש יומיומי, טקסטיל חכם מציע פתרון אמין.לטקסטיל אלו מאפיינים של רכות, משקל קל ויכולת נשימה, ובכך, פוטנציאל למימוש נוחות באלקטרוניקה לבישה.בשנים האחרונות הוקדשו מאמצים אינטנסיביים לפיתוח מערכות מבוססות טקסטיל בחיישנים רגישים, קצירת אנרגיה ואחסון (29-39).בפרט, דווח על מחקר מוצלח על סיבים אופטיים, פיזואלקטריות וטקסטיל חכם מבוסס התנגדות המיושמים בניטור של אותות דופק ונשימה (40-43).עם זאת, לטקסטיל חכם אלה יש בדרך כלל רגישות נמוכה ופרמטר ניטור יחיד ואינם ניתנים לייצור בקנה מידה גדול (טבלה S1).במקרה של מדידת דופק, מידע מפורט קשה ללכוד בגלל תנודתיות קלה ומהירה של הדופק (למשל, נקודות התכונה שלו), ולכן נדרשות רגישות גבוהה וביצועי תגובת תדרים מתאימים.

במחקר זה, אנו מציגים מערך חיישני טקסטיל טריבו-אלקטרי (TATSA) עם רגישות גבוהה ללכידת לחץ עדינה באפידרמיס, סרוג בחוטי מוליכים וניילון בתפר קרדיגן מלא.ה-TATSA יכול לספק רגישות לחץ גבוהה (7.84 mV Pa−1), זמן תגובה מהיר (20 אלפיות השנייה), יציבות (>100,000 מחזורים), רוחב פס רחב של תדר עבודה (עד 20 הרץ), ויכולת כביסה במכונה (מעל 40 כביסות).הוא מסוגל לשלב את עצמו בנוחות בבגדים עם דיסקרטיות, נוחות ומשיכה אסתטית.יש לציין כי ניתן לשלב את ה-TATSA שלנו ישירות באתרים שונים של הבד התואמים לגלי הדופק בצוואר, בפרק כף היד, בקצות האצבעות ובקרסול ולגלי הנשימה בבטן ובחזה.כדי להעריך את הביצועים המצוינים של ה-TATSA בניטור בריאות בזמן אמת ומרחוק, אנו מפתחים מערכת ניטור בריאות חכמה מותאמת אישית כדי לרכוש ולשמור אותות פיזיולוגיים באופן רציף לניתוח מחלות לב וכלי דם (CAD) והערכת תסמונת דום נשימה בשינה (SAS) ).

כפי שמוצג באיור 1A, שני TATSAs נתפרו לתוך השרוול והחזה של החולצה כדי לאפשר ניטור דינמי ובו-זמני של אותות הדופק והנשימה, בהתאמה.האותות הפיזיולוגיים הללו הועברו באופן אלחוטי לאפליקציית המסוף הנייד החכם (APP) לצורך ניתוח נוסף של מצב הבריאות.איור 1B מציג את ה-TATSA תפור לתוך פיסת בד, והתוספת מציגה את התצוגה המוגדלת של ה-TATSA, אשר נסרגה באמצעות החוט המוליך האופייני וחוט ניילון מסחרי יחד בתפר קרדיגן מלא.בהשוואה לתפר הפשוט הבסיסי, שיטת הסריגה הנפוצה והבסיסית ביותר, תפר הקרדיגן המלא נבחר מכיוון שהמגע בין ראש הלולאה של החוט המוליך לבין ראש התפר הסמוך של חוט הניילון (איור S1) הוא משטח. במקום מגע נקודתי, מה שמוביל לאזור פעולה גדול יותר להשפעה טריבו-אלקטרית גבוהה.להכנת החוט המוליך, בחרנו בפלדת אל-חלד כסיבי הליבה הקבועה, ומספר חתיכות של חוטי טרילין חד-שכבתיים נפתלו סביב סיב הליבה לחוט מוליך אחד בקוטר של 0.2 מ"מ (איור S2), ששימש בתור גם משטח החשמול וגם האלקטרודה המוליכה.חוט הניילון, שקוטרו 0.15 מ"מ ושימש כמשטח חשמול נוסף, היה בעל כוח מתיחה חזק מכיוון שהוא נפתל על ידי חוטים בלתי ניתנים לחישוב (איור S3).איור 1 (C ו-D, בהתאמה) מציג צילומים של החוט המוליך המיוצר וחוט הניילון.התוספות מציגות את תמונות מיקרוסקופ האלקטרון הסורק (SEM), המציגות חתך אופייני של החוט המוליך ומשטח חוט הניילון.חוזק המתיחה הגבוה של חוטי המוליכים והניילון הבטיח את יכולת האריגה שלהם במכונה תעשייתית כדי לשמור על ביצועים אחידים של כל החיישנים.כפי שמוצג באיור 1E, החוטים המוליכים, חוטי הניילון והחוטים הרגילים נכרכו על הקונוסים שלהם, אשר הועמסו לאחר מכן על מכונת הסריגה השטוחה הממוחשבת התעשייתית לאריגה אוטומטית (סרט S1).כפי שמוצג באיור.S4, מספר TATSAs נסרגו יחד עם בד רגיל באמצעות המכונה התעשייתית.TATSA בודד בעובי של 0.85 מ"מ ומשקל של 0.28 גרם יכול להיות מותאם מכל המבנה לשימוש פרטני, תוך הצגת תאימות מעולה שלו עם בדים אחרים.בנוסף, ניתן לעצב TATSA בצבעים שונים כדי לענות על דרישות אסתטיות ואופנתיות בגלל המגוון של חוטי ניילון מסחריים (איור 1F ואיור S5).ל-TATSA המיוצרים יש רכות מצוינת ויכולת לעמוד בפני כיפוף או עיוות קשים (איור S6).איור 1G מציג את ה-TATSA תפור ישירות לתוך הבטן והשרוול של סוודר.תהליך סריגת הסוודר מוצג באיור.S7 וסרט S2.הפרטים של הצד הקדמי והאחורי של ה-TATSA המתוח בתנוחת הבטן מוצגים באיור.S8 (A ו-B, בהתאמה), והמיקום של חוט מוליך וחוט ניילון מודגם באיור.S8C.ניתן לראות כאן שניתן להטביע את ה-TATSA בבדים רגילים בצורה חלקה למראה דיסקרטי וחכם.

(א) שני TATSAs משולבים בחולצה לניטור של אותות דופק ונשימה בזמן אמת.(ב) המחשה סכמטית של השילוב של TATSA ובגדים.התוספת מציגה את התצוגה המוגדלת של החיישן.(ג) צילום של החוט המוליך (סרגל קנה מידה, 4 ס"מ).ההכנסה היא תמונת SEM של חתך החוט המוליך (מוט בקנה מידה, 100 מיקרומטר), המורכב מחוטי נירוסטה וחוטי טרילין.(ד) צילום של חוט הניילון (מוט קנה מידה, 4 ס"מ).התוספת היא תמונת SEM של משטח חוט הניילון (סרגל קנה מידה, 100 מיקרומטר).(ה) תמונה של מכונת הסריגה השטוחה הממוחשבת המבצעת את האריגה האוטומטית של ה-TATSAs.(ו) צילום של TATSAs בצבעים שונים (פס קנה מידה, 2 ס"מ).השיבוץ הוא TATSA המעוות, שמפגין את הרכות המעולה שלו.(ז) תצלום של שני TATSAs תפורים לחלוטין וללא חלק לתוך סוודר.קרדיט תמונה: Wenjing Fan, University Chongqing.

כדי לנתח את מנגנון העבודה של ה-TATSA, כולל תכונותיו המכניות והחשמליות, בנינו מודל סריגה גיאומטרי של ה-TATSA, כפי שמוצג באיור 2A.באמצעות תפר הקרדיגן המלא, חוטי המוליכים והניילון שלובים זה בזה בצורות של יחידות לולאות בכיוון המסלול והוול.מבנה לולאה בודדת (איור S1) מורכב מראש לולאה, זרוע לולאה, חלק חוצה צלעות, זרוע תפר תפר, וראש תפר תחוב.ניתן למצוא שתי צורות של משטח המגע בין שני החוטים השונים: (i) משטח המגע בין ראש הלולאה של החוט המוליך לראש התפר התפר של חוט הניילון ו-(ii) משטח המגע בין ראש הלולאה של חוט הניילון וראש תפר התפר של החוט המוליך.

(א) ה-TATSA עם הצד הקדמי, הימני והעליון של הלולאות הסרוגות.(ב) תוצאת סימולציה של חלוקת הכוח של TATSA בלחץ מופעל של 2 kPa באמצעות תוכנת COMSOL.(ג) איורים סכמטיים של העברת המטען של יחידת מגע בתנאי קצר חשמלי.(ד) תוצאות סימולציה של חלוקת המטען של יחידת מגע בתנאי מעגל פתוח באמצעות תוכנת COMSOL.

ניתן להסביר את עקרון העבודה של ה-TATSA בשני היבטים: גירוי כוח חיצוני והמטען המושרה שלו.כדי להבין באופן אינטואיטיבי את התפלגות המתח בתגובה לגירוי כוח חיצוני, השתמשנו בניתוח אלמנטים סופיים באמצעות תוכנת COMSOL בכוחות חיצוניים שונים של 2 ו-0.2 kPa, כפי שמוצג בהתאמה באיור 2B ובאיור.S9.הלחץ מופיע על משטחי המגע של שני חוטים.כפי שמוצג באיור.S10, שקלנו שתי יחידות לולאה כדי להבהיר את התפלגות המתח.בהשוואת התפלגות המתח תחת שני כוחות חיצוניים שונים, הלחץ על משטחי החוטים המוליכים והניילון גדל עם הכוח החיצוני המוגבר, וכתוצאה מכך מגע ושחול בין שני החוטים.ברגע שהכוח החיצוני משתחרר, שני החוטים נפרדים ומתרחקים זה מזה.

תנועות ההפרדה בין המגע בין החוט המוליך לחוט הניילון גורמות להעברת מטען, המיוחסת לשילוב של טריבו-חשמול ואינדוקציה אלקטרוסטטית.כדי להבהיר את תהליך ייצור החשמל, אנו מנתחים את החתך של האזור שבו שני החוטים מתקשרים זה עם זה (איור 2C1).כפי שהודגם באיור 2 (C2 ו-C3, בהתאמה), כאשר ה-TATSA מגורה על ידי הכוח החיצוני ושני החוטים מתקשרים זה עם זה, מתרחשת חשמול על פני החוטים המוליכים והניילון, והמטענים המקבילים עם הפוכים קוטביות נוצרות על פני השטח של שני החוטים.ברגע ששני החוטים נפרדים, מטענים חיוביים מושרים בפלדת אל-חלד הפנימית בגלל אפקט האינדוקציה האלקטרוסטטית.הסכימה המלאה מוצגת באיור.S11.כדי להשיג הבנה כמותית יותר של תהליך ייצור החשמל, דימיינו את התפלגות הפוטנציאל של ה-TATSA באמצעות תוכנת COMSOL (איור 2D).כאשר שני החומרים נמצאים במגע, המטען נאסף בעיקר על חומר החיכוך, ורק כמות קטנה של מטען מושרה קיים על האלקטרודה, וכתוצאה מכך הפוטנציאל הקטן (איור 2D, למטה).כאשר שני החומרים מופרדים (איור 2D, למעלה), המטען המושרה על האלקטרודה גדל בגלל הפרש הפוטנציאלים, והפוטנציאל המקביל עולה, מה שמגלה התאמה טובה בין התוצאות שהתקבלו מהניסויים לאלו מהסימולציות .יתר על כן, מכיוון שהאלקטרודה המוליכה של ה-TATSA עטופה בחוטי טרילין והעור נמצא במגע עם שני חומרי החיכוך, לכן, כאשר ה-TATSA נלבש ישירות לעור, המטען תלוי בכוח החיצוני ולא יהיה להיות נחלש על ידי העור.

כדי לאפיין את הביצועים של ה-TATSA שלנו בהיבטים שונים, סיפקנו מערכת מדידה המכילה מחולל פונקציות, מגבר כוח, שייקר אלקטרודינמי, מד כוח, אלקטרומטר ומחשב (איור S12).מערכת זו מייצרת לחץ דינמי חיצוני של עד 7 kPa.בניסוי, ה-TATSA הונח על יריעת פלסטיק שטוחה במצב חופשי, והאותות החשמליים המוצאים מתועדים על ידי האלקטרומטר.

המפרט של חוטי המוליכים והניילון משפיעים על ביצועי הפלט של ה-TATSA מכיוון שהם קובעים את משטח המגע והיכולת לתפיסת הלחץ החיצוני.כדי לחקור זאת, יצרנו שלושה גדלים של שני החוטים, בהתאמה: חוט מוליך בגודל 150D/3, 210D/3 ו-250D/3 וחוט ניילון בגודל 150D/6, 210D/6 ו-250D /6 (D, denier; יחידת מדידה המשמשת לקביעת עובי הסיבים של חוטים בודדים; בדים עם ספירת דנייר גבוהה נוטים להיות עבים).לאחר מכן, בחרנו את שני החוטים האלה בגדלים שונים כדי לסרוג אותם לחיישן, והממד של ה-TATSA נשמר ב-3 ס"מ על 3 ס"מ עם מספר הלולאה של 16 בכיוון הוול ו-10 בכיוון המסלול.כך התקבלו החיישנים בעלי תשע דוגמאות סריגה.החיישן על ידי החוט המוליך בגודל 150D/3 וחוט ניילון בגודל 150D/6 היה הדק ביותר, והחיישן על ידי החוט המוליך בגודל 250D/3 וחוט ניילון בגודל 250D/ 6 היה העבה ביותר.תחת עירור מכני של 0.1 עד 7 kPa, התפוקות החשמליות עבור דפוסים אלה נחקרו ונבדקו באופן שיטתי, כפי שמוצג באיור 3A.מתחי המוצא של תשעת ה-TATSA גדלו עם הלחץ המופעל המוגבר, מ-0.1 ל-4 kPa.ספציפית, מכל דפוסי הסריגה, המפרט של חוט מוליך 210D/3 וחוט ניילון 210D/6 סיפק את התפוקה החשמלית הגבוהה ביותר והפגין את הרגישות הגבוהה ביותר.מתח המוצא הראה מגמת עלייה עם העלייה בעובי ה-TATSA (בגלל משטח המגע המספיק) עד לסריגת ה-TATSA באמצעות חוט מוליך 210D/3 וחוט ניילון 210D/6.מכיוון שעלייה נוספת בעובי תוביל לספיגת לחץ חיצוני על ידי החוטים, מתח המוצא ירד בהתאם.יתר על כן, יצוין כי באזור הלחץ הנמוך (<4 kPa), וריאציה ליניארית מתנהגת היטב במתח המוצא עם הלחץ נתנה רגישות לחץ מעולה של 7.84 mV Pa−1.באזור הלחץ הגבוה (>4 kPa), נצפתה בניסוי רגישות לחץ נמוכה יותר של 0.31 mV Pa−1 בגלל הרוויה של אזור החיכוך היעיל.רגישות דומה ללחץ הוכחה בתהליך ההפוך של הפעלת כוח.פרופילי הזמן הקונקרטיים של מתח המוצא והזרם בלחצים שונים מוצגים באיור.S13 (A ו-B, בהתאמה).

(א) מתח פלט תחת תשע תבניות סריגה של החוט המוליך (150D/3, 210D/3 ו-250D/3) בשילוב עם חוט הניילון (150D/6, 210D/6 ו-250D/6).(ב) תגובת מתח למספרים שונים של יחידות לולאה באותו אזור בד כאשר שומרים על מספר הלולאה בכיוון הוול ללא שינוי.(ג) עלילות המציגות את תגובות התדר תחת לחץ דינמי של 1 kPa ותדר כניסת לחץ של 1 הרץ.(ד) מתחי פלט וזרם שונים תחת תדרים של 1, 5, 10 ו-20 הרץ.(ה) בדיקת עמידות של TATSA בלחץ של 1 kPa.(ו) מאפייני הפלט של ה-TATSA לאחר כביסה 20 ו-40 פעמים.

הרגישות ומתח המוצא הושפעו גם מצפיפות התפרים של ה-TATSA, שנקבעה על ידי המספר הכולל של לולאות בשטח נמדד של בד.עלייה בצפיפות התפרים תוביל לדחיסות רבה יותר של מבנה הבד.איור 3B מציג את ביצועי הפלט תחת מספרי לולאה שונים באזור הטקסטיל של 3 ס"מ על 3 ס"מ, והכניסה ממחישה את המבנה של יחידת לולאה (שמרנו את מספר הלולאה בכיוון המסלול על 10, ואת מספר הלולאה ב- כיוון וול היה 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 ו-26).על ידי הגדלת מספר הלולאה, מתח המוצא הפגין לראשונה מגמת עלייה בגלל משטח המגע הגובר, עד לשיא מתח המוצא המרבי של 7.5 וולט עם מספר לולאה של 180. לאחר נקודה זו, מתח המוצא עקב אחר מגמת ירידה מכיוון ש- TATSA הפכה הדוקה, ולשני החוטים היה מרווח מופחת של הפרדת מגע.כדי לחקור באיזה כיוון לצפיפות יש השפעה רבה על הפלט, שמרנו על מספר הלולאה של ה-TATSA בכיוון ה-Wale על 18, ומספר הלולאה בכיוון הקורס נקבע ל-7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ו-14. מתחי המוצא המתאימים מוצגים באיור.S14.לשם השוואה, אנו יכולים לראות שלצפיפות בכיוון הקורס יש השפעה רבה יותר על מתח המוצא.כתוצאה מכך, תבנית הסריגה של חוט מוליך 210D/3 וחוט ניילון 210D/6 ו-180 יחידות לולאות נבחרו לסריגת ה-TATSA לאחר הערכות מקיפות של מאפייני הפלט.יתר על כן, השווינו את אותות הפלט של שני חיישני טקסטיל באמצעות תפר קרדיגן מלא ותפר רגיל.כפי שמוצג באיור.S15, התפוקה החשמלית והרגישות באמצעות תפר קרדיגן מלא גבוהים בהרבה מזו של שימוש בתפר רגיל.

זמן התגובה לניטור אותות בזמן אמת נמדד.כדי לבחון את זמן התגובה של החיישן שלנו לכוחות חיצוניים, השווינו את אותות מתח המוצא עם כניסות הלחץ הדינמי בתדר של 1 עד 20 הרץ (איור 3C ואיור S16, בהתאמה).צורות הגל של מתח המוצא היו כמעט זהות לגלי הלחץ הסינוסואידים בכניסה בלחץ של 1 kPa, ולצורות הגל של המוצא היה זמן תגובה מהיר (כ-20 אלפיות השנייה).ניתן לייחס היסטרזיס זה לכך שהמבנה האלסטי לא חזר למצב המקורי בהקדם האפשרי לאחר קבלת הכוח החיצוני.עם זאת, היסטרזיס זעיר זה מקובל לניטור בזמן אמת.כדי להשיג את הלחץ הדינמי עם טווח תדרים מסוים, צפויה תגובת תדרים מתאימה של TATSA.לפיכך, נבדקה גם התדר המאפיין TATSA.על ידי הגדלת תדר המרגש החיצוני, משרעת מתח המוצא נותרה כמעט ללא שינוי, בעוד שהמשרעת של הזרם גדלה כאשר תדרי ההקשה השתנו בין 1 ל-20 הרץ (איור 3D).

כדי להעריך את יכולת החזרה, היציבות והעמידות של ה-TATSA, בדקנו את תגובות מתח המוצא והזרם למחזורי טעינת-פריקת לחץ.לחץ של 1 kPa עם תדר של 5 הרץ הופעל על החיישן.המתח והזרם של שיא לשיא נרשמו לאחר 100,000 מחזורי טעינה-פריקה (איור 3E ואיור S17, בהתאמה).המבטים המוגדלים של המתח וצורת הגל הנוכחית מוצגים בתוספת של איור 3E ואיור.S17, בהתאמה.התוצאות חושפות את יכולת החזרה, היציבות והעמידות המדהימים של ה-TATSA.יכולת כביסה היא גם קריטריון הערכה חיוני של ה-TATSA כמכשיר שכולו טקסטיל.כדי להעריך את יכולת הכביסה, בדקנו את מתח המוצא של החיישן לאחר שטיפת ה-TATSA במכונה לפי שיטת הבדיקה של האגודה האמריקאית של כימאים וצבעוני טקסטיל (AATCC) 135-2017.הליך הכביסה המפורט מתואר בחומרים ושיטות.כפי שמוצג באיור 3F, תפוקות החשמל נרשמו לאחר כביסה 20 פעמים ו-40 פעמים, מה שהוכיח כי לא היו שינויים ברורים במתח המוצא לאורך בדיקות הכביסה.תוצאות אלו מאמתות את יכולת השטיפה המדהימה של ה-TATSA.כחיישן טקסטיל לביש, בדקנו גם את ביצועי הפלט כאשר ה-TATSA היה בתנאי מתיחה (איור S18), מעוות (איור S19) ולחות שונה (איור S20).

על בסיס היתרונות הרבים של ה-TATSA שהוצגו לעיל, פיתחנו מערכת אלחוטית ניידת לניטור בריאות (WMHMS), שיש לה את היכולת לרכוש אותות פיזיולוגיים באופן רציף ולאחר מכן לתת עצות מקצועיות למטופל.איור 4A מציג את תרשים הסכימה של ה-WMHMS המבוסס על TATSA.למערכת ארבעה מרכיבים: TATSA לרכישת האותות הפיזיולוגיים האנלוגיים, מעגל מיזוג אנלוגי עם מסנן נמוך (MAX7427) ומגבר (MAX4465) כדי להבטיח מספיק פרטים וסנכרון מצוין של אותות, אנלוגי-דיגיטלי ממיר המבוסס על יחידת מיקרו-בקר לאיסוף והמרת האותות האנלוגיים לאותות דיגיטליים, ומודול בלוטות' (שבב Bluetooth בעל הספק נמוך CC2640) להעברת האות הדיגיטלי לאפליקציית מסוף הטלפון הנייד (APP; Huawei Honor 9).במחקר זה, תפרנו את ה-TATSA בצורה חלקה לתוך תחרה, צמיד, דוכן אצבע וגרב, כפי שמוצג באיור 4B.

(א) איור של ה-WMHMS.(ב) תמונות של ה-TATSAs התפורות לצמיד יד, אצבע, גרב ורצועת חזה, בהתאמה.מדידת הדופק בצוואר (C1), בשורש כף היד (D1), בקצה האצבע (E1) ובקרסול (F1).צורת גל דופק בצוואר (C2), בשורש כף היד (D2), בקצה האצבע (E2) ובקרסול (F2).(ז) צורות גל דופק בגילאים שונים.(ח) ניתוח של גל דופק בודד.אינדקס הגדלת רדיאלי (AIx) מוגדר כ-AIx (%) = P2/P1.P1 הוא שיא הגל המתקדם, ו-P2 הוא שיא הגל המוחזר.(I) מחזור דופק של הזרוע והקרסול.מהירות גלי הדופק (PWV) מוגדרת כ-PWV = D/∆T.D הוא המרחק בין הקרסול לזרוע.∆T הוא עיכוב הזמן בין השיאים של גלי הדופק בקרסול וברכיאלי.PTT, זמן מעבר דופק.(J) השוואה של AIx ו-BAPWV (Brachial-ankle PWV) בין בריא ל-CADs.*P < 0.01, **P < 0.001 ו-***P < 0.05.HTN, יתר לחץ דם;CHD, מחלת לב כלילית;DM, סוכרת.קרדיט תמונה: ג'ין יאנג, אוניברסיטת צ'ונגצ'ינג.

כדי לנטר את אותות הדופק של חלקי גוף האדם השונים, הצמדנו עיטורים שהוזכרו לעיל עם TATSAs למיקומים המתאימים: צוואר (איור 4C1), פרק כף היד (איור 4D1), קצה האצבע (איור 4E1) וקרסול (איור 4F1 ), כפי שפורט בסרטים S3 עד S6.ברפואה, ישנן שלוש נקודות תכונה משמעותיות בגל הדופק: שיא הגל המתקדם P1, שיא הגל המוחזר P2 ושיא הגל הדיקרוטי P3.המאפיינים של נקודות תכונה אלו משקפות את המצב הבריאותי של גמישות העורקים, ההתנגדות ההיקפית והתכווצות החדר השמאלי הקשור למערכת הלב וכלי הדם.צורות גל הדופק של אישה בת 25 בארבע התנוחות הנ"ל נרכשו ונרשמו בבדיקה שלנו.שים לב ששלושת נקודות התכונה הניתנות להבחנה (P1 עד P3) נצפו בצורת גל הדופק במנחי הצוואר, פרק היד וקצות האצבעות, כפי שמוצג באיור 4 (C2 עד E2).לעומת זאת, רק P1 ו-P3 הופיעו על צורת הגל של הדופק בתנוחת הקרסול, ו-P2 לא היה קיים (איור 4F2).תוצאה זו נגרמה על ידי הסופרפוזיציה של גל הדם הנכנס שנפלט מהחדר השמאלי והגל המוחזר מהגפיים התחתונות (44).מחקרים קודמים הראו ש-P2 מופיע בצורות גל הנמדדות בגפיים העליונות אך לא בקרסול (45, 46).צפינו בתוצאות דומות בצורות הגל שנמדדו עם ה-TATSA, כפי שמוצג באיור.S21, המציג נתונים טיפוסיים מאוכלוסיית 80 חולים שנחקרו כאן.אנו יכולים לראות ש-P2 לא הופיע בצורות גל דופק אלו שנמדדו בקרסול, מה שמדגים את היכולת של ה-TATSA לזהות תכונות עדינות בתוך צורת הגל.תוצאות מדידת הדופק הללו מצביעות על כך שה-WMHMS שלנו יכול לחשוף במדויק את מאפייני גלי הדופק של פלג הגוף העליון והתחתון ושהוא עדיף על עבודות אחרות (41, 47).כדי לציין עוד יותר שניתן ליישם את ה-TATSA שלנו על גילאים שונים, מדדנו צורות גל דופק של 80 נבדקים בגילאים שונים, והצגנו כמה נתונים אופייניים, כפי שמוצג באיור.S22.כפי שמוצג באיור 4G, בחרנו שלושה משתתפים בגילאי 25, 45 ו-65 שנים, ושלוש נקודות התכונה היו ברורות עבור המשתתפים הצעירים ובגיל העמידה.על פי הספרות הרפואית (48), המאפיינים של צורות גל הדופק של רוב האנשים משתנים ככל שהם מתבגרים, כגון היעלמות הנקודה P2, אשר נגרמת על ידי הגל המשתקף שנע קדימה כדי להכפיל עצמו על הגל המתקדם דרך הירידה ב גמישות כלי הדם.תופעה זו באה לידי ביטוי גם בצורות הגל שאספנו, מה שמוודא עוד יותר שניתן ליישם את ה-TATSA על אוכלוסיות שונות.

צורת גל הדופק מושפעת לא רק מהמצב הפיזיולוגי של הפרט אלא גם מתנאי הבדיקה.לכן, מדדנו את אותות הדופק תחת אטימות מגע שונה בין ה-TATSA לעור (איור S23) ומצבי זיהוי שונים באתר המדידה (איור S24).ניתן למצוא שה-TATSA יכול להשיג צורות גל דופק עקביות עם מידע מפורט מסביב לכלי בשטח זיהוי יעיל גדול באתר המדידה.בנוסף, ישנם אותות פלט ברורים תחת אטימות מגע שונה בין ה-TATSA לעור.בנוסף, התנועה של אנשים העונדים את החיישנים תשפיע על אותות הדופק.כאשר פרק כף היד של הנבדק במצב סטטי, המשרעת של צורת גל הדופק המתקבלת יציבה (איור S25A);לעומת זאת, כאשר פרק כף היד נע באיטיות בזווית מ-70° ל-70° במהלך 30 שניות, המשרעת של צורת הגל של הדופק תשתנה (איור S25B).עם זאת, קו המתאר של כל צורת גל דופק נראה לעין, ועדיין ניתן לקבל את קצב הדופק במדויק.ברור שכדי להשיג רכישת גלי דופק יציבה בתנועה אנושית, יש צורך לחקור עבודה נוספת, כולל עיצוב חיישנים ועיבוד אותות אחורי.

יתר על כן, כדי לנתח ולהעריך כמותית את מצב מערכת הלב וכלי הדם באמצעות צורות גל הדופק הנרכשות באמצעות ה-TATSA שלנו, הצגנו שני פרמטרים המודינמיים בהתאם למפרט ההערכה של מערכת הלב וכלי הדם, כלומר, אינדקס ההגדלה (AIx) ומהירות גלי הדופק. (PWV), המייצגים את גמישות העורקים.כפי שמוצג באיור 4H, צורת גל הדופק בתנוחת פרק כף היד של הגבר הבריא בן ה-25 שימשה לניתוח של AIx.לפי הנוסחה (סעיף S1), התקבל AIx = 60%, שהוא ערך תקין.לאחר מכן, אספנו בו-זמנית שתי צורות גל דופק בתנוחי הזרוע והקרסול של משתתף זה (השיטה המפורטת למדידה של צורת גל הדופק מתוארת בחומרים ושיטות).כפי שמוצג באיור 4I, נקודות התכונה של שתי צורות הגל הפעימות היו שונות.לאחר מכן חישבנו את ה-PWV לפי הנוסחה (סעיף S1).התקבל PWV = 1363 ס"מ לשנייה, שהוא ערך אופייני המצופה מזכר בוגר בריא.מצד שני, אנו יכולים לראות שהמדדים של AIx או PWV אינם מושפעים מהפרש המשרעת של צורת גל הדופק, והערכים של AIx בחלקי גוף שונים שונים.במחקר שלנו נעשה שימוש ב-AIx הרדיאלי.כדי לאמת את הישימות של WMHMS באנשים שונים, בחרנו 20 משתתפים בקבוצה הבריאה, 20 בקבוצת יתר לחץ דם (HTN), 20 בקבוצת מחלת לב כלילית (CHD) בגילאי 50 עד 59 ו-20 בקבוצת קבוצת סוכרת (DM).מדדנו את גלי הדופק שלהם והשווינו את שני הפרמטרים שלהם, AIx ו-PWV, כפי שמוצג באיור 4J.ניתן למצוא שערכי PWV של קבוצות HTN, CHD ו-DM היו נמוכים יותר בהשוואה לזה של קבוצה בריאה ויש להם הבדל סטטיסטי (PHTN ≪ 0.001, PCHD ≪ 0.001 ו-PDM ≪ 0.001; ערכי P חושבו לפי t מִבְחָן).בינתיים, ערכי AIx של קבוצות HTN ו-CHD היו נמוכים יותר בהשוואה לקבוצה הבריאה ויש להם הבדל סטטיסטי (PHTN < 0.01, PCHD < 0.001 ו-PDM < 0.05).ה-PWV וה-AIx של המשתתפים עם CHD, HTN או DM היו גבוהים יותר מאלה בקבוצה הבריאה.התוצאות מראות שה-TATSA מסוגל להשיג במדויק את צורת גל הדופק כדי לחשב את הפרמטר הקרדיווסקולרי כדי להעריך את מצב בריאות הלב וכלי הדם.לסיכום, בגלל המאפיינים האלחוטיים, הרזולוציה הגבוהה, הרגישות הגבוהה והנוחות שלו, ה-WMHMS המבוסס על TATSA מספק אלטרנטיבה יעילה יותר לניטור בזמן אמת מאשר הציוד הרפואי היקר הנוכחי המשמש בבתי חולים.

מלבד גל הדופק, מידע נשימתי הוא גם סימן חיוני ראשוני המסייע להעריך את המצב הגופני של אדם.ניטור הנשימה המבוסס על ה-TATSA שלנו אטרקטיבי יותר מהפוליסומנוגרפיה הרגילה מכיוון שניתן לשלב אותה בצורה חלקה בבגדים לנוחות טובה יותר.תפור לתוך רצועת חזה אלסטית לבנה, ה-TATSA נקשר ישירות לגוף האדם ומאובטח סביב החזה לניטור הנשימה (איור 5A וסרט S7).ה-TATSA התעוות עם התרחבות והתכווצות של כלוב הצלעות, וכתוצאה מכך פלט חשמלי.צורת הגל הנרכשת מאומתת באיור 5B.האות עם תנודות גדולות (משרעת של 1.8 וולט) ושינויים תקופתיים (תדירות של 0.5 הרץ) תאמו את תנועת הנשימה.אות התנודה הקטן יחסית הונחה על אות התנודות הגדול הזה, שהיה אות פעימות הלב.על פי מאפייני התדר של אותות הנשימה ופעימות הלב, השתמשנו במסנן 0.8-Hz מעביר נמוך ומסנן פס-פס של 0.8- עד 20-Hz כדי להפריד את אותות הנשימה ופעימות הלב, בהתאמה, כפי שמוצג באיור 5C .במקרה זה, אותות נשימה ודופק יציבים עם מידע פיזיולוגי בשפע (כגון קצב נשימה, קצב פעימות לב ונקודות תכונה של גל הדופק) הושגו בו-זמנית ומדויקת על ידי הנחת ה-TATSA הבודד על החזה.

(א) צילום המראה את התצוגה של ה-TATSA המוצב על החזה למדידת האות בלחץ הקשור לנשימה.(ב) מגרש זמן מתח עבור ה-TATSA המותקן על החזה.(ג) פירוק האות (B) לתוך פעימות הלב וצורת הגל הנשימה.(ד) צילום המראה שני TATSAs המונחים על הבטן ושורש כף היד למדידת נשימה ודופק, בהתאמה, במהלך השינה.(ה) אותות נשימה ודופק של משתתף בריא.HR, קצב לב;BPM, פעימות לדקה.(ו) אותות נשימה ודופק של משתתף SAS.(ז) אות נשימה ו-PTT של משתתף בריא.(ח) אות נשימה ו-PTT של משתתף SAS.(I) קשר בין מדד עוררות PTT לבין מדד דום נשימה-היפופני (AHI).קרדיט תמונה: Wenjing Fan, University Chongqing.

כדי להוכיח שהחיישן שלנו יכול לנטר במדויק ובאמינות את אותות הדופק והנשימה, ביצענו ניסוי להשוואת תוצאות המדידה של אותות הדופק והנשימה בין ה-TATSAs שלנו לבין מכשיר רפואי סטנדרטי (MHM-6000B), כפי שפורט בסרטים S8 ו-S9.במדידת גלי דופק, החיישן הפוטואלקטרי של המכשיר הרפואי הולבש על האצבע השמאלית של נערה צעירה, ובינתיים, ה-TATSA שלנו הולבש על האצבע המורה הימנית שלה.משתי צורות הגל של הדופק שנרכשו, אנו יכולים לראות שקווי המתאר והפרטים שלהם היו זהים, מה שמצביע על כך שהדופק שנמדד על ידי ה-TATSA מדויק כמו זה על ידי המכשיר הרפואי.במדידת גלי נשימה הוצמדו חמש אלקטרודות אלקטרוקרדיוגרפיות לחמישה אזורים בגופו של צעיר לפי ההוראה הרפואית.לעומת זאת, רק TATSA אחד היה קשור ישירות לגוף ומאובטח סביב החזה.מהאותות הנשימה שנאספו, ניתן לראות שנטיית השונות והקצב של אות הנשימה שזוהה על ידי ה-TATSA שלנו היו עקביים עם זה של המכשיר הרפואי.שני ניסויי השוואה אלה אימתו את הדיוק, האמינות והפשטות של מערכת החיישנים שלנו לניטור אותות דופק ונשימה.

יתרה מזאת, יצרנו פריט לבוש חכם ותפרנו שני TATSAs במנחי הבטן ושורש כף היד לניטור אותות הנשימה והדופק, בהתאמה.באופן ספציפי, נעשה שימוש ב-WMHMS דו-ערוצי מפותח כדי ללכוד את הדופק ואת אותות הנשימה בו זמנית.באמצעות מערכת זו, השגנו את אותות הנשימה והדופק של גבר בן 25 לבוש בבגדים החכמים שלנו בזמן שינה (איור 5D וסרט S10) ובישיבה (איור S26 וסרט S11).ניתן היה להעביר את אותות הנשימה והדופק שנרכשו באופן אלחוטי ל-APP של הטלפון הנייד.כפי שהוזכר לעיל, ל-TATSA יש את היכולת ללכוד אותות נשימה ודופק.שני האותות הפיזיולוגיים הללו הם גם הקריטריונים להערכת SAS מבחינה רפואית.לכן, TATSA שלנו יכול לשמש גם לניטור ולהערכת איכות השינה והפרעות שינה קשורות.כפי שמוצג באיור 5 (E ו-F, בהתאמה), מדדנו ברציפות את הדופק ואת צורות הגל הנשימתיות של שני משתתפים, אחד בריא וחולה עם SAS.עבור האדם ללא דום נשימה, קצב הנשימה והדופק שנמדדו נשארו יציבים על 15 ו-70, בהתאמה.עבור המטופל עם SAS, נצפתה דום נשימה מובהק למשך 24 שניות, המהווה אינדיקציה לאירוע נשימה חסימתי, וקצב הלב עלה מעט לאחר תקופה של דום נשימה בגלל ויסות מערכת העצבים (49).לסיכום, ניתן להעריך את מצב הנשימה על ידי ה-TATSA שלנו.

כדי להעריך עוד יותר את סוג ה-SAS באמצעות דופק ואותות נשימה, ניתחנו את זמן מעבר הדופק (PTT), אינדיקטור לא פולשני המשקף את השינויים בהתנגדות כלי הדם ההיקפיים ובלחץ התוך-חזה (מוגדר בסעיף S1) של גבר בריא ומטופל עם SAS.עבור המשתתף הבריא, קצב הנשימה נותר ללא שינוי, וה-PTT היה יציב יחסית מ-180 ל-310 אלפיות השנייה (איור 5G).עם זאת, עבור משתתף ה-SAS, ה-PTT עלה ברציפות מ-120 ל-310 אלפיות השנייה במהלך דום נשימה (איור 5H).לפיכך, המשתתף אובחן עם SAS חסימתי (OSAS).אם השינוי ב-PTT ירד במהלך הפסקת נשימה, אזי המצב ייקבע כתסמונת דום נשימה בשינה מרכזית (CSAS), ואם שני התסמינים הללו היו קיימים בו-זמנית, אזי זה יאובחן כ-SAS מעורב (MSAS).כדי להעריך את חומרת SAS, ניתחנו עוד יותר את האותות שנאספו.אינדקס עוררות PTT, שהוא מספר עוררות PTT לשעה (גירוי PTT מוגדר כירידה ב-PTT של ≥15 אלפיות השנייה הנמשכת ≥3 שניות), ממלא תפקיד חיוני בהערכת מידת ה-SAS.מדד דום הנשימה (AHI) הוא תקן לקביעת דרגת ה-SAS (דום נשימה הוא הפסקת הנשימה, והיפופניאה היא נשימה רדודה מדי או קצב נשימה נמוך באופן חריג), המוגדר כמספר הפסקות נשימה והיפופניאה לכל. שעה בזמן השינה (הקשר בין ה-AHI לקריטריוני הדירוג של OSAS מוצג בטבלה S2).כדי לחקור את הקשר בין ה-AHI ל-PTT arousal index, אותות הנשימה של 20 חולים עם SAS נבחרו ונותחו עם TATSAs.כפי שמוצג באיור 5I, מדד העוררות PTT נמצא בקורלציה חיובית עם ה-AHI, שכן דום נשימה והיפופניאה במהלך השינה גורמים לעלייה ברורה וחולפת של לחץ הדם, מה שמוביל לירידה ב-PTT.לכן, ה-TATSA שלנו יכול להשיג אותות דופק ונשימה יציבים ומדויקים בו זמנית, ובכך לספק מידע פיזיולוגי חשוב על מערכת הלב וכלי הדם ו-SAS לניטור והערכה של מחלות קשורות.

לסיכום, פיתחנו TATSA באמצעות תפר הקרדיגן המלא כדי לזהות אותות פיזיולוגיים שונים בו זמנית.חיישן זה הציג רגישות גבוהה של 7.84 mV Pa−1, זמן תגובה מהיר של 20 ms, יציבות גבוהה של למעלה מ-100,000 מחזורים ורוחב פס רחב של תדר עבודה.על בסיס ה-TATSA פותח גם WMHMS להעברת הפרמטרים הפיזיולוגיים הנמדדים לטלפון נייד.ניתן לשלב את TATSA באתרים שונים של בגדים לעיצוב אסתטי ולהשתמש בו כדי לנטר בו זמנית את הדופק ואת אותות הנשימה בזמן אמת.ניתן ליישם את המערכת כדי לעזור להבחין בין אנשים בריאים לבעלי CAD או SAS בגלל יכולתה ללכוד מידע מפורט.מחקר זה סיפק גישה נוחה, יעילה וידידותית למדידת דופק ונשימה אנושית, המייצגת התקדמות בפיתוח של מוצרי טקסטיל לבישים.

הנירוסטה הועברה שוב ושוב דרך התבנית ונמתחה ליצירת סיב בקוטר 10 מיקרומטר.סיב נירוסטה כמו האלקטרודה הוכנס לכמה חתיכות של חוטי טרילין מסחריים חד-שכבתיים.

מחולל פונקציות (Stanford DS345) ומגבר (LabworkPa-13) שימשו לספק אות לחץ סינוסואידי.חיישן כוח דו-טווח (Vernier Software & Technology LLC) שימש למדידת הלחץ החיצוני המופעל על ה-TATSA.אלקטרומטר של מערכת Keithley (Keithley 6514) שימש לניטור ורישום מתח המוצא והזרם של ה-TATSA.

לפי AATCC Test Method 135-2017, השתמשנו ב-TATSA ובמספיק נטל כעומס של 1.8 ק"ג ולאחר מכן הכנסנו אותם למכונת כביסה מסחרית (Labtex LBT-M6T) כדי לבצע מחזורי כביסה עדינים במכונה.לאחר מכן, מילאנו את מכונת הכביסה ב-18 ליטר מים ב-25 מעלות צלזיוס והגדרנו את מכונת הכביסה למחזור הכביסה ולזמן שנבחרו (מהירות ערבול, 119 פעימות לדקה; זמן כביסה, 6 דקות; מהירות סחיטה סופית, 430 סל"ד; סופית זמן סיבוב, 3 דקות).לבסוף, ה-TATSA נתלה יבש באוויר שקט בטמפרטורת החדר לא גבוהה מ-26 מעלות צלזיוס.

הנבדקים קיבלו הוראה לשכב בשכיבה על המיטה.ה-TATSA הונח על אתרי המדידה.ברגע שהנבדקים היו במצב שכיבה סטנדרטי, הם שמרו על מצב רגוע לחלוטין למשך 5 עד 10 דקות.לאחר מכן אות הדופק החל במדידה.

חומר משלים למאמר זה זמין בכתובת https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1

איור S9.תוצאת סימולציה של חלוקת הכוח של TATSA בלחצים מופעלים ב-0.2 kPa באמצעות תוכנת COMSOL.

איור S10.תוצאות סימולציה של חלוקת הכוח של יחידת מגע תחת הלחצים המופעלים ב-0.2 ו-2 kPa, בהתאמה.

איור S11.איורים סכמטיים מלאים של העברת המטען של יחידת מגע בתנאי קצר חשמלי.

איור S13.מתח מוצא מתמשך וזרם של TATSA בתגובה ללחץ החיצוני המופעל ברציפות במחזור מדידה.

איור S14.תגובת מתח למספרים שונים של יחידות לולאה באותו אזור בד כאשר שומרים על מספר הלולאה בכיוון הוול ללא שינוי.

איור S15.השוואה בין ביצועי הפלט של שני חיישני הטקסטיל באמצעות תפר קרדיגן מלא ותפר רגיל.

איור S16.עלילות המציגות תגובות תדר בלחץ דינמי של 1 kPa ותדר כניסה של לחץ של 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 ו-20 הרץ.

איור S25.מתחי המוצא של החיישן כשהנבדק היה במצב סטטי ומצב תנועה.

איור S26.צילום המראה את ה-TATSAs המונחות על הבטן ושורש כף היד בו זמנית למדידת נשימה ודופק, בהתאמה.

זהו מאמר בגישה פתוחה המופץ תחת תנאי הרישיון Creative Commons Attribution-NonCommercial, המתיר שימוש, הפצה ושכפול בכל מדיום, כל עוד השימוש הנובע מכך אינו לטובת מסחרי ובתנאי שהיצירה המקורית היא כהלכה מְצוּטָט.

הערה: אנו מבקשים רק את כתובת האימייל שלך כדי שהאדם שאתה ממליץ לו על הדף ידע שרצית שהוא יראה אותו ושזה לא דואר זבל.אנחנו לא קולטים שום כתובת אימייל.

מאת Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang

חיישן טקסטיל טריבו-אלקטרי עם רגישות ונוחות ללחץ גבוהים פותח לניטור בריאות.

מאת Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang

חיישן טקסטיל טריבו-אלקטרי עם רגישות ונוחות ללחץ גבוהים פותח לניטור בריאות.

© 2020 האגודה האמריקאית לקידום המדע.כל הזכויות שמורות.AAAS הוא שותף של HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ו-COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.