Nešiojama tekstilės elektronika yra labai pageidautina, kad būtų galima pritaikyti individualų sveikatos valdymą.Tačiau dauguma pranešimų apie tekstilės elektroniką gali periodiškai nukreipti vieną fiziologinį signalą arba praleisti aiškias signalų detales, todėl atliekamas dalinis sveikatos įvertinimas.Be to, tekstilė, pasižyminti puikiomis savybėmis ir komfortu, vis dar išlieka iššūkiu.Čia mes pranešame apie triboelektrinį visos tekstilės jutiklio matricą, pasižyminčią dideliu jautrumu ir komfortu.Jam būdingas jautrumas slėgiui (7,84 mV Pa−1), greitas atsako laikas (20 ms), stabilumas (>100 000 ciklų), platus darbinio dažnio juostos plotis (iki 20 Hz) ir skalbimas mašinoje (>40 skalbimų).Pagamintos TATSA buvo susiuvamos į skirtingas drabužių dalis, kad vienu metu būtų galima stebėti arterijų pulso bangas ir kvėpavimo signalus.Toliau kūrėme sveikatos stebėjimo sistemą, skirtą ilgalaikiam ir neinvaziniam širdies ir kraujagyslių ligų bei miego apnėjos sindromo įvertinimui, kuri rodo didelę pažangą atliekant kiekybinę kai kurių lėtinių ligų analizę.
Nešiojama elektronika yra puiki galimybė, nes jos daug žada pritaikyti personalizuotoje medicinoje.Jie gali nuolat, realiu laiku ir neinvaziniu būdu stebėti asmens sveikatos būklę (1–11).Pulsas ir kvėpavimas, kaip du nepakeičiami gyvybinių požymių komponentai, gali suteikti tiek tikslų fiziologinės būklės įvertinimą, tiek puikių įžvalgų apie susijusių ligų diagnozę ir prognozę (12–21).Iki šiol dauguma nešiojamų elektronikos prietaisų, skirtų subtiliems fiziologiniams signalams aptikti, yra pagrįsti itin plonais substratais, tokiais kaip polietileno tereftalatas, polidimetilsiloksanas, poliimidas, stiklas ir silikonas (22–26).Šių substratų, skirtų naudoti ant odos, trūkumas yra jų plokščias ir standus formatas.Dėl to juostos, juostos pagalbinės priemonės ar kiti mechaniniai įtaisai reikalingi, kad būtų sukurtas kompaktiškas kontaktas tarp nešiojamos elektronikos ir žmogaus odos, o tai gali sudirginti ir sukelti nepatogumų ilgą laiką naudojant (27, 28).Be to, šie substratai yra prastai pralaidūs orui, todėl naudojant ilgalaikį ir nuolatinį sveikatos stebėjimą atsiranda diskomfortas.Siekiant palengvinti minėtas sveikatos priežiūros problemas, ypač kasdieniame gyvenime, išmanioji tekstilė yra patikimas sprendimas.Šiai tekstilei būdingos minkštumo, lengvumo ir pralaidumo orui ypatybės, taigi ir galimybė užtikrinti komfortą nešiojamoje elektronikoje.Pastaraisiais metais intensyviai stengiamasi sukurti tekstilės pagrindu sukurtas jautrių jutiklių, energijos surinkimo ir saugojimo sistemas (29–39).Visų pirma buvo pranešta apie sėkmingus optinio pluošto, pjezoelektros ir atsparumo pagrindu sukurtų išmaniųjų tekstilės gaminių, taikomų stebint pulso ir kvėpavimo signalus, tyrimus (40–43).Tačiau šios išmaniosios tekstilės gaminiai paprastai turi mažą jautrumą ir vieną stebėjimo parametrą, todėl jų negalima gaminti dideliu mastu (S1 lentelė).Impulso matavimo atveju detalią informaciją sunku užfiksuoti dėl silpno ir greito impulso svyravimų (pvz., jo ypatybių taškų), todėl reikalingas didelis jautrumas ir tinkamas dažnio atsakas.
Šiame tyrime pristatome triboelektrinį visos tekstilės jutiklių matricą (TATSA), pasižyminčią dideliu jautrumu, kad būtų galima užfiksuoti subtilų epidermio spaudimą, megztą iš laidžių ir nailoninių verpalų pilnais megztiniais.TATSA gali užtikrinti didelį jautrumą slėgiui (7,84 mV Pa−1), greitą atsako laiką (20 ms), stabilumą (>100 000 ciklų), platų darbinio dažnio juostos plotį (iki 20 Hz) ir skalbimo mašinoje (>40 skalbimų).Jis gali patogiai integruotis į drabužius diskretiškai, patogiai ir estetiškai.Pažymėtina, kad mūsų TATSA gali būti tiesiogiai įtrauktas į skirtingas audinio vietas, kurios atitinka pulso bangas kaklo, riešo, pirštų galiukų ir kulkšnių padėtyse bei kvėpavimo bangas pilvo ir krūtinės srityje.Siekdami įvertinti puikų TATSA veikimą stebint sveikatą realiuoju laiku ir nuotoliniu būdu, kuriame individualizuotą išmaniąją sveikatos stebėjimo sistemą, kuri nuolat kauptų ir saugotų fiziologinius signalus širdies ir kraujagyslių ligų (CAD) analizei ir miego apnėjos sindromo (SAS) įvertinimui. ).
Kaip parodyta 1A pav., dvi TATSA buvo susiūtos į marškinių rankogalį ir krūtinę, kad būtų galima dinamiškai ir vienu metu stebėti atitinkamai pulso ir kvėpavimo signalus.Šie fiziologiniai signalai buvo belaidžiu būdu perduodami į išmaniąją mobiliojo terminalo programą (APP), kad būtų galima toliau analizuoti sveikatos būklę.1B paveiksle pavaizduotas TATSA, susiūtas į audinio gabalą, o įdėkle parodytas padidintas TATSA vaizdas, kuris buvo megztas naudojant būdingus laidžius siūlus ir komercinius nailono siūlus kartu su visu megztiniu.Palyginti su pagrindiniu paprastu dygsniu, labiausiai paplitusiu ir pagrindiniu mezgimo būdu, buvo pasirinktas pilnas megztinis dygsnis, nes kontaktas tarp laidžių siūlų kilpos galvutės ir gretimos nailono siūlų užkimšimo dygsnio galvutės (S1 pav.) yra paviršius. o ne taškinis kontaktas, dėl kurio atsiranda didesnis veikimo plotas, užtikrinantis didelį triboelektrinį efektą.Norėdami paruošti laidžius siūlus, kaip fiksuotą šerdies pluoštą pasirinkome nerūdijantį plieną, o keli vieno sluoksnio terileno siūlai buvo susukti aplink šerdies pluoštą į vieną laidų siūlą, kurio skersmuo 0,2 mm (S2 pav.), kuris tarnavo kaip tiek elektrifikacijos paviršių, tiek laidųjį elektrodą.Nailono verpalai, kurių skersmuo buvo 0,15 mm ir tarnavo kaip kitas elektrifikavimo paviršius, turėjo didelę tempimo jėgą, nes buvo susukti neapskaičiuojamais siūlais (S3 pav.).1 paveiksle (atitinkamai C ir D) parodytos pagamintų laidžių verpalų ir nailono verpalų nuotraukos.Įdėklai rodo atitinkamus skenuojančios elektroninės mikroskopijos (SEM) vaizdus, kuriuose yra tipiškas laidžių siūlų skerspjūvis ir nailono siūlų paviršius.Didelis laidžių ir nailoninių siūlų atsparumas tempimui užtikrino jų audimo gebėjimą pramoninėje mašinoje išlaikyti vienodą visų jutiklių veikimą.Kaip parodyta 1E pav., laidūs siūlai, nailono siūlai ir įprasti siūlai buvo suvynioti ant atitinkamų kūgių, kurie vėliau buvo įkelti į pramoninę kompiuterizuotą plokščią mezgimo mašiną automatiniam audimui (filmas S1).Kaip parodyta pav.S4, keletas TATSA buvo megzti kartu su paprastu audiniu, naudojant pramoninę mašiną.Vieną 0,85 mm storio ir 0,28 g svorio TATSA galima pritaikyti iš visos konstrukcijos individualiam naudojimui, todėl jis puikiai suderinamas su kitais audiniais.Be to, TATSA gali būti suprojektuoti įvairių spalvų, kad atitiktų estetinius ir madingus reikalavimus dėl komercinių nailono siūlų įvairovės (1F pav. ir S5 pav.).Pagamintos TATSA pasižymi puikiu minkštumu ir gebėjimu atlaikyti stiprų lenkimą ar deformaciją (S6 pav.).1G paveiksle pavaizduotas TATSA, susiūtas tiesiai į megztinio pilvą ir rankogalius.Megztinio mezgimo procesas parodytas pav.S7 ir filmas S2.Ištemptos TATSA priekinės ir galinės pusės pilvo padėtyje detalės parodytos fig.S8 (atitinkamai A ir B), o laidžių siūlų ir nailono siūlų padėtis parodyta fig.S8C.Čia matyti, kad TATSA galima sklandžiai įterpti į paprastus audinius, kad išvaizda būtų diskretiška ir elegantiška.
(A) Du TATSA, integruoti į marškinius, kad būtų galima stebėti pulsą ir kvėpavimo signalus realiuoju laiku.(B) TATSA ir drabužių derinio schema.Įdėklas rodo padidintą jutiklio vaizdą.(C) Laidžių verpalų nuotrauka (4 cm mastelio juosta).Įdėklas yra laidžių verpalų (100 μm) skerspjūvio SEM vaizdas, kurį sudaro nerūdijančio plieno ir terileno siūlai.(D) Nailono verpalų nuotrauka (4 cm dydžio juosta).Įdėklas yra nailono verpalų paviršiaus SEM vaizdas (mastas, 100 μm).(E) Kompiuterinės plokščios mezgimo mašinos, atliekančios automatinį TATSA audimą, vaizdas.(F) Įvairių spalvų TATSA nuotrauka (2 cm mastelio juosta).Įdėklas yra susuktas TATSA, kuris demonstruoja puikų minkštumą.(G) Dviejų TATSA, visiškai ir sklandžiai susiūtų į megztinį, nuotrauka.Nuotraukų kreditas: Wenjing Fan, Čongčingo universitetas.
Norėdami išanalizuoti TATSA veikimo mechanizmą, įskaitant jo mechanines ir elektrines savybes, sukūrėme geometrinį TATSA mezgimo modelį, kaip parodyta 2A pav.Naudojant visą megztinį dygsnį, laidūs ir nailoniniai siūlai yra sujungti kilpų pavidalu eigos ir sijos kryptimi.Vienos kilpos struktūra (S1 pav.) susideda iš kilpos galvutės, kilpos svirties, briaunelės kryžminimo dalies, dygsnio svirties ir dygsnio galvutės.Galima rasti dvi kontaktinio paviršiaus tarp dviejų skirtingų siūlų formas: (i) kontaktinį paviršių tarp laidaus verpalo kilpos galvutės ir nailoninio verpalo dygsnio galvutės ir (ii) kontaktinį paviršių tarp kilpos galvutės. nailono verpalai ir laidžių verpalų dygsnio galvutė.
(A) TATSA su priekine, dešine ir viršutine megztų kilpų pusėmis.(B) TATSA jėgos pasiskirstymo, veikiant 2 kPa slėgiui, modeliavimas naudojant COMSOL programinę įrangą.(C) Scheminės kontaktinio bloko įkrovos perdavimo trumpojo jungimo sąlygomis iliustracijos.(D) Kontaktinio bloko įkrovos paskirstymo atviros grandinės sąlygomis modeliavimo rezultatai naudojant COMSOL programinę įrangą.
TATSA veikimo principą galima paaiškinti dviem aspektais: išorinės jėgos stimuliacija ir jos sukeliamu krūviu.Norėdami intuityviai suprasti įtempių pasiskirstymą reaguojant į išorinės jėgos dirgiklius, naudojome baigtinių elementų analizę naudodami COMSOL programinę įrangą esant skirtingoms išorinėms 2 ir 0, 2 kPa jėgoms, kaip parodyta atitinkamai 2B ir fig.S9.Įtempimas atsiranda ant dviejų siūlų kontaktinių paviršių.Kaip parodyta pav.S10, mes apsvarstėme du kilpos vienetus, kad paaiškintume įtempių pasiskirstymą.Lyginant įtempių pasiskirstymą veikiant dviem skirtingoms išorinėms jėgoms, laidžiųjų ir nailoninių siūlų paviršių įtempimas didėja didėjant išorinei jėgai, todėl tarp dviejų siūlų atsiranda kontaktas ir išspaudimas.Atleidus išorinę jėgą, du siūlai atsiskiria ir tolsta vienas nuo kito.
Kontaktinio atskyrimo judesiai tarp laidžių verpalų ir nailono siūlų sukelia krūvio perdavimą, kuris priskiriamas triboelektrifikacijos ir elektrostatinės indukcijos jungčiai.Norėdami išsiaiškinti elektros energijos gamybos procesą, analizuojame skerspjūvį tos srities, kurioje du siūlai liečiasi vienas su kitu (2C1 pav.).Kaip parodyta 2 pav. (atitinkamai C2 ir C3), kai TATSA stimuliuoja išorinė jėga ir du siūlai liečiasi vienas su kitu, laidžiųjų ir nailoninių siūlų paviršius elektrifikuojasi, o lygiaverčiai krūviai yra priešingi. dviejų siūlų paviršiuje susidaro poliškumas.Kai du siūlai atsiskiria, vidiniame nerūdijančio plieno viduje dėl elektrostatinės indukcijos efekto sukeliami teigiami krūviai.Visa schema parodyta fig.S11.Norėdami gauti kiekybinį supratimą apie elektros energijos gamybos procesą, mes modeliavome galimą TATSA pasiskirstymą naudodami COMSOL programinę įrangą (2D pav.).Kai abi medžiagos liečiasi, krūvis daugiausia kaupiasi ant trinties medžiagos, o elektrode yra tik nedidelis indukuoto krūvio kiekis, todėl potencialas yra mažas (2D pav., apačioje).Atskyrus dvi medžiagas (2D pav., viršuje), dėl potencialų skirtumo padidėja indukuotas elektrodo krūvis, o atitinkamas potencialas didėja, o tai rodo gerą eksperimentų ir modeliavimo rezultatų atitikimą. .Be to, kadangi laidus TATSA elektrodas yra apvyniotas terileno siūlais, o oda liečiasi su abiem trinties medžiagomis, todėl, kai TATSA yra dėvima tiesiai prie odos, įkrova priklauso nuo išorinės jėgos ir nebus. susilpninti oda.
Norėdami apibūdinti mūsų TATSA veikimą įvairiais aspektais, pateikėme matavimo sistemą, kurioje yra funkcijų generatorius, galios stiprintuvas, elektrodinaminis kratytuvas, jėgos matuoklis, elektrometras ir kompiuteris (S12 pav.).Ši sistema sukuria išorinį dinaminį slėgį iki 7 kPa.Eksperimento metu TATSA buvo padėtas ant plokščio plastikinio lakšto laisvoje būsenoje, o išvesties elektriniai signalai registruojami elektrometru.
Laidžių ir nailoninių siūlų specifikacijos turi įtakos TATSA išvesties našumui, nes jos nustato kontaktinį paviršių ir gebėjimą suvokti išorinį slėgį.Norėdami tai ištirti, pagaminome atitinkamai trijų dydžių dviejų verpalų: 150D/3, 210D/3 ir 250D/3 laidžių verpalų ir 150D/6, 210D/6 ir 250D nailoninių siūlų. /6 (D, denjė; matavimo vienetas, naudojamas atskirų siūlų pluošto storiui nustatyti; audiniai, kurių denjė yra daug, dažniausiai būna stori).Tada pasirinkome šiuos du skirtingų dydžių siūlus, kad juos sujungtume į jutiklį, o TATSA matmenys buvo 3 cm x 3 cm, o kilpos skaičius buvo 16 sijos kryptimi ir 10 eigos kryptimi.Taip buvo gauti jutikliai su devyniais mezgimo raštais.Ploniausias buvo 150D/3 dydžio laidžių verpalų ir 150D/6 nailoninių siūlų jutiklis, o 250D/3 dydžio laidžių verpalų ir 250D/6 dydžio nailoninių siūlų. 6 buvo storiausias.Esant mechaniniam sužadinimui nuo 0,1 iki 7 kPa, šių modelių elektriniai išėjimai buvo sistemingai tiriami ir tikrinami, kaip parodyta 3A pav.Devynių TATSA išėjimo įtampa padidėjo padidėjus slėgiui nuo 0,1 iki 4 kPa.Tiksliau, iš visų mezgimo modelių 210D/3 laidžių verpalų ir 210D/6 nailono siūlų specifikacijos užtikrino didžiausią elektros galią ir didžiausią jautrumą.Išėjimo įtampa rodė didėjimo tendenciją didėjant TATSA storiui (dėl pakankamo kontaktinio paviršiaus), kol TATSA buvo megzta naudojant 210D/3 laidžius siūlus ir 210D/6 nailono siūlus.Kadangi tolesnis storio padidėjimas sugertų išorinį slėgį siūlais, atitinkamai sumažėjo išėjimo įtampa.Be to, pažymima, kad žemo slėgio srityje (<4 kPa) gerai veikiantis tiesinis išėjimo įtampos pokytis su slėgiu padidino 7, 84 mV Pa−1 slėgio jautrumą.Aukšto slėgio srityje (> 4 kPa) eksperimentiškai buvo pastebėtas mažesnis 0, 31 mV Pa−1 slėgio jautrumas dėl efektyvios trinties srities prisotinimo.Panašus slėgio jautrumas buvo parodytas priešingo jėgos taikymo proceso metu.Konkretūs išėjimo įtampos ir srovės laiko profiliai esant skirtingiems slėgiams pateikti fig.S13 (atitinkamai A ir B).
(A) Išėjimo įtampa pagal devynis mezgimo modelius iš laidžių verpalų (150D/3, 210D/3 ir 250D/3) kartu su nailono siūlu (150D/6, 210D/6 ir 250D/6).(B) Įtampos atsakas į įvairų skaičių kilpų vienetų toje pačioje audinio srityje, kai kilpos numeris nekeičiamas.(C) Grafikai, rodantys dažnio atsakus esant dinaminiam 1 kPa slėgiui ir 1 Hz slėgio įvesties dažniui.(D) Skirtingos išėjimo ir srovės įtampos, kurių dažniai yra 1, 5, 10 ir 20 Hz.(E) TATSA patvarumo bandymas esant 1 kPa slėgiui.(F) TATSA išėjimo charakteristikos išplovus 20 ir 40 kartų.
Jautrumui ir išėjimo įtampai taip pat turėjo įtakos TATSA dygsnio tankis, kurį lėmė bendras kilpų skaičius išmatuotame audinio plote.Padidinus dygsnio tankį, audinio struktūra būtų kompaktiškesnė.3B paveiksle parodytas išvesties našumas su skirtingais kilpos numeriais 3 cm x 3 cm tekstilės srityje, o įdėklas iliustruoja kilpos vieneto struktūrą (kilpos numerį kurso kryptimi laikėme 10, o kilpos numerį Wale kryptis buvo 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 ir 26).Padidinus kilpos skaičių, išėjimo įtampa pirmiausia augo dėl didėjančio kontaktinio paviršiaus iki didžiausios išėjimo įtampos smailės 7,5 V, kai kilpos skaičius buvo 180. Po šio taško išėjimo įtampa mažėjo, nes TATSA tapo įtempta, o dviejų siūlų kontaktų atskyrimo erdvė sumažėjo.Norėdami ištirti, kuria kryptimi tankis turi didelę įtaką išėjimui, TATSA kilpos numerį laikėme 18, o kontūro numerį kurso kryptimi nustatėme kaip 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ir 14. Atitinkamos išėjimo įtampos parodytos fig.S14.Palyginimui, matome, kad tankis kurso kryptimi turi didesnę įtaką išėjimo įtampai.Dėl to TATSA mezgimui buvo pasirinktas 210D/3 laidžių verpalų ir 210D/6 nailono siūlų mezgimo modelis ir 180 kilpų vienetų, atlikus išsamų išvesties charakteristikų įvertinimą.Be to, palyginome dviejų tekstilės jutiklių išvesties signalus naudodami pilną megztinį ir paprastą dygsnį.Kaip parodyta pav.S15, elektros išvestis ir jautrumas naudojant visą megztinį dygsnį yra daug didesni nei naudojant paprastą dygsnį.
Buvo išmatuotas atsako laikas stebint realaus laiko signalus.Norėdami ištirti mūsų jutiklio reakcijos į išorines jėgas laiką, palyginome išėjimo įtampos signalus su dinaminio slėgio įėjimais, kurių dažnis yra nuo 1 iki 20 Hz (atitinkamai 3C pav. ir S16 pav.).Išėjimo įtampos bangos formos buvo beveik identiškos įėjimo sinusoidinio slėgio bangoms esant 1 kPa slėgiui, o išėjimo bangos formos turėjo greitą atsako laiką (apie 20 ms).Ši histerezė gali būti siejama su elastinės struktūros negrįžta į pradinę būseną kuo greičiau po išorinės jėgos gavimo.Nepaisant to, ši maža histerezė yra priimtina stebėti realiuoju laiku.Norint gauti dinaminį slėgį tam tikrame dažnių diapazone, tikimasi atitinkamo TATSA dažnio atsako.Taigi buvo išbandyta ir TATSA dažninė charakteristika.Padidinus išorinį sužadinimo dažnį, išėjimo įtampos amplitudė beveik nepakito, o srovės amplitudė padidėjo, kai čiurkšlių dažniai svyravo nuo 1 iki 20 Hz (3D pav.).
Norėdami įvertinti TATSA pakartojamumą, stabilumą ir ilgaamžiškumą, išbandėme išėjimo įtampą ir srovės reakciją į slėgio pakrovimo-iškrovimo ciklus.Jutikliui buvo pritaikytas 1 kPa slėgis 5 Hz dažniu.Įtampa ir srovė buvo užfiksuota po 100 000 pakrovimo-iškrovimo ciklų (atitinkamai 3E pav. ir S17 pav.).Padidinti įtampos ir srovės bangos formos vaizdai parodyti 3E ir fig.S17, atitinkamai.Rezultatai atskleidžia puikų TATSA pakartojamumą, stabilumą ir ilgaamžiškumą.Plaunamumas taip pat yra esminis TATSA, kaip visos tekstilės prietaiso, vertinimo kriterijus.Norėdami įvertinti skalbimo galimybes, išbandėme jutiklio išėjimo įtampą po to, kai TATSA išplovėme mašinoje pagal Amerikos tekstilės chemikų ir koloristų asociacijos (AATCC) bandymo metodą 135-2017.Išsami plovimo procedūra aprašyta skyriuje Medžiagos ir metodai.Kaip parodyta 3F pav., elektros išėjimai buvo užregistruoti po 20 ir 40 kartų plovimo, o tai parodė, kad plovimo bandymų metu nebuvo ryškių išėjimo įtampos pokyčių.Šie rezultatai patvirtina puikų TATSA plovimą.Kaip dėvimas tekstilės jutiklis, mes taip pat ištyrėme išėjimo našumą, kai TATSA buvo tempimo (S18 pav.), susukto (S19 pav.) ir skirtingos drėgmės (S20 pav.) sąlygomis.
Remdamiesi daugybe aukščiau parodytų TATSA privalumų, sukūrėme belaidę mobiliąją sveikatos stebėjimo sistemą (WMHMS), kuri gali nuolat gauti fiziologinius signalus ir teikti profesionalias konsultacijas pacientui.4A paveiksle parodyta WMHMS schema, pagrįsta TATSA.Sistemą sudaro keturi komponentai: TATSA analoginiams fiziologiniams signalams gauti, analoginė kondicionavimo grandinė su žemų dažnių filtru (MAX7427) ir stiprintuvas (MAX4465), užtikrinantis pakankamai detalių ir puikų signalų sinchronizavimą, analoginis-skaitmeninis. keitiklis, pagrįstas mikrovaldiklio bloku, renkančiu ir konvertuojančiu analoginius signalus į skaitmeninius signalus, ir „Bluetooth“ modulį (CC2640 mažos galios „Bluetooth“ lustą), kuris perduoda skaitmeninį signalą į mobiliojo telefono terminalo programą (APP; Huawei Honor 9).Šiame tyrime mes sklandžiai susiuvome TATSA į nėrinius, apyrankę, pirštų laikiklį ir kojines, kaip parodyta 4B pav.
(A) WMHMS iliustracija.(B) TATSA nuotraukos, susiūtos atitinkamai į apyrankę, pirštų laikiklį, kojines ir krūtinės dirželį.Pulso matavimas ties (C1) kakle, (D1) riešo, (E1) piršto galiuko ir (F1) kulkšnies srityje.Pulso bangos forma ties (C2) kakle, (D2) rieše, (E2) piršto galiuku ir (F2) kulkšnies srityje.(G) Įvairaus amžiaus impulsų bangos formos.(H) Vienos impulso bangos analizė.Radialinio padidėjimo indeksas (AIx) apibrėžiamas kaip AIx (%) = P2/P1.P1 yra besivystančios bangos smailė, o P2 yra atspindėtos bangos smailė.(I) žasto ir kulkšnies pulso ciklas.Impulso bangos greitis (PWV) apibrėžiamas kaip PWV = D/∆T.D yra atstumas tarp kulkšnies ir peties.∆T – laiko delsimas tarp kulkšnies smailių ir žasto pulso bangų.PTT, impulso perdavimo laikas.(J) AIx ir peties čiurnos PWV (BAPWV) palyginimas tarp sveikų ir CAD.*P < 0,01, **P < 0,001 ir ***P < 0,05.HTN, hipertenzija;ŠKL, koronarinė širdies liga;DM, cukrinis diabetas.Nuotraukų kreditas: Jin Yang, Čongčingo universitetas.
Norėdami stebėti skirtingų žmogaus kūno dalių pulso signalus, minėtas dekoracijas su TATSA pritvirtinome prie atitinkamų vietų: kaklo (4C1 pav.), riešo (4D1 pav.), piršto galiuko (4E1 pav.) ir kulkšnies (4F1 pav.) ), kaip aprašyta filmuose nuo S3 iki S6.Medicinoje yra trys esminiai pulso bangos ypatybių taškai: besivystančios bangos P1 smailė, atspindėtos bangos smailė P2 ir dikrotinės bangos smailė P3.Šių požymių charakteristikos atspindi arterijų elastingumo, periferinio pasipriešinimo ir kairiojo skilvelio susitraukimo sveikatos būklę, susijusią su širdies ir kraujagyslių sistema.25 metų moters pulso bangos formos aukščiau nurodytose keturiose padėtyse buvo gautos ir užfiksuotos mūsų testo metu.Atkreipkite dėmesį, kad trys skiriamieji ypatybių taškai (P1–P3) buvo stebimi pulso bangos formoje kaklo, riešo ir pirštų galiukų padėtyse, kaip parodyta 4 pav. (C2–E2).Priešingai, pulso bangos formoje kulkšnies padėtyje pasirodė tik P1 ir P3, o P2 nebuvo (4F2 pav.).Tokį rezultatą lėmė kairiojo skilvelio išstumtos kraujo bangos superpozicija ir apatinių galūnių atsispindėjusi banga (44).Ankstesni tyrimai parodė, kad P2 yra bangos formos, išmatuotos viršutinėse galūnėse, bet ne kulkšnies (45, 46).Mes stebėjome panašius rezultatus bangos formose, išmatuotose naudojant TATSA, kaip parodyta 1 pav.S21, kuriame rodomi tipiški 80 čia tirtų pacientų populiacijos duomenys.Matome, kad šiose kulkšnies išmatuotose pulso formose P2 nepasirodė, o tai rodo TATSA gebėjimą aptikti subtilius bangos formos bruožus.Šie pulso matavimo rezultatai rodo, kad mūsų WMHMS gali tiksliai atskleisti viršutinės ir apatinės kūno dalies pulso bangų charakteristikas ir yra pranašesnė už kitus darbus (41, 47).Norėdami dar labiau parodyti, kad mūsų TATSA gali būti plačiai taikomas įvairiems amžiams, mes išmatavome 80 skirtingo amžiaus subjektų pulso bangas ir parodėme kai kuriuos tipiškus duomenis, kaip parodyta 1 pav.S22.Kaip parodyta 4G pav., pasirinkome tris 25, 45 ir 65 metų amžiaus dalyvius, o trys ypatumai buvo akivaizdūs jauniems ir vidutinio amžiaus dalyviams.Remiantis medicinine literatūra (48), daugumos žmonių pulso formų charakteristikos keičiasi jiems senstant, pvz., išnyksta taškas P2, kurį sukelia atspindėtos bangos pasislinkimas į priekį, kad susidėvėtų su besivystančia banga mažėjant impulsui. kraujagyslių elastingumas.Šis reiškinys taip pat atsispindi mūsų surinktose bangų formose, toliau tikrinant, ar TATSA galima taikyti skirtingoms populiacijoms.
Impulso bangos formai įtakos turi ne tik asmens fiziologinė būklė, bet ir tyrimo sąlygos.Todėl mes matavome impulsų signalus esant skirtingam kontakto sandarumui tarp TATSA ir odos (S23 pav.) ir įvairiose matavimo vietos nustatymo vietose (S24 pav.).Galima pastebėti, kad TATSA gali gauti nuoseklias impulsų bangų formas su išsamia informacija apie kraujagyslę didelėje efektyvioje matavimo vietos aptikimo srityje.Be to, yra skirtingi išvesties signalai esant skirtingam kontakto sandarumui tarp TATSA ir odos.Be to, jutiklius nešiojančių asmenų judėjimas paveiktų pulso signalus.Kai tiriamojo riešas yra statinės būklės, gautos impulso formos amplitudė yra stabili (S25A pav.);ir atvirkščiai, kai riešas lėtai juda kampu nuo –70° iki 70° per 30 s, pulso bangos formos amplitudė svyruos (S25B pav.).Tačiau matomas kiekvienos impulso bangos formos kontūras, o pulso dažnį vis tiek galima tiksliai nustatyti.Akivaizdu, kad norint pasiekti stabilų impulsų bangų gavimą žmogaus judesyje, reikia atlikti tolesnį darbą, įskaitant jutiklio projektavimą ir galinio signalo apdorojimą.
Be to, norėdami analizuoti ir kiekybiškai įvertinti širdies ir kraujagyslių sistemos būklę pagal gautas pulso bangų formas naudojant mūsų TATSA, pagal širdies ir kraujagyslių sistemos vertinimo specifikaciją pristatėme du hemodinaminius parametrus, būtent augmentacijos indeksą (AIx) ir pulso bangos greitį. (PWV), kurie atspindi arterijų elastingumą.Kaip parodyta 4H pav., AIx analizei buvo naudojama pulso bangos forma 25 metų sveiko vyro riešo padėtyje.Pagal formulę (S1 skyrius) gauta AIx = 60%, tai yra normalioji vertė.Tada mes vienu metu surinkome dvi impulso bangos formas šio dalyvio rankos ir kulkšnies padėtyse (išsamus impulso bangos formos matavimo metodas aprašytas Medžiagos ir metodai).Kaip parodyta 4I pav., dviejų impulsų bangos formų ypatybių taškai buvo skirtingi.Tada apskaičiavome PWV pagal formulę (S1 skyrius).Gautas PWV = 1363 cm/s, o tai yra būdinga sveiko suaugusio vyro vertė.Kita vertus, matome, kad AIx ar PWV metrikai neturi įtakos impulso bangos formos amplitudės skirtumas, o AIx reikšmės skirtingose kūno dalyse yra įvairios.Mūsų tyrime buvo naudojamas radialinis AIx.Norėdami patikrinti WMHMS pritaikymą skirtingiems žmonėms, atrinkome 20 dalyvių iš sveikųjų grupės, 20 iš hipertenzijos (HTN) grupės, 20 iš koronarinės širdies ligos (ŠKL) grupės nuo 50 iki 59 metų amžiaus ir 20 iš pacientų. cukrinio diabeto (DM) grupėje.Išmatavome jų pulso bangas ir palyginome du parametrus – AIx ir PWV, kaip parodyta 4J pav.Galima pastebėti, kad HTN, CHD ir DM grupių PWV reikšmės buvo mažesnės, palyginti su sveikų grupe, ir turi statistinį skirtumą (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 ir PDM ≪ 0,001; P reikšmės apskaičiuotos t testas).Tuo tarpu HTN ir ŠKL grupių AIx reikšmės buvo mažesnės, palyginti su sveikųjų grupe, ir turi statistinį skirtumą (PHTN < 0,01, PCHD < 0,001 ir PDM < 0,05).Dalyvių, sergančių ŠKL, HTN ar DM, PWV ir AIx buvo didesni nei sveikųjų.Rezultatai rodo, kad TATSA gali tiksliai gauti pulso bangos formą, kad būtų galima apskaičiuoti širdies ir kraujagyslių sistemos parametrus, kad būtų galima įvertinti širdies ir kraujagyslių sistemos būklę.Apibendrinant galima pasakyti, kad dėl savo belaidžio ryšio, didelės raiškos, didelio jautrumo charakteristikų ir komforto WMHMS, pagrįstas TATSA, yra efektyvesnė alternatyva stebėti realiuoju laiku nei dabartinė brangi medicinos įranga, naudojama ligoninėse.
Be pulso bangos, kvėpavimo informacija taip pat yra pagrindinis gyvybiškai svarbus požymis, padedantis įvertinti asmens fizinę būklę.Kvėpavimo stebėjimas, pagrįstas mūsų TATSA, yra patrauklesnis nei įprastinė polisomnografija, nes jį galima sklandžiai integruoti į drabužius, kad būtų patogiau.Įsisegtas į baltą elastingą krūtinės dirželį, TATSA buvo tiesiogiai pririštas prie žmogaus kūno ir pritvirtintas aplink krūtinę, kad būtų galima stebėti kvėpavimą (5A pav. ir filmas S7).TATSA deformavosi plečiantis ir susitraukiant šonkauliui, todėl atsirado elektros išvestis.Gauta bangos forma patikrinta 5B pav.Signalas su dideliais svyravimais (amplitudė 1,8 V) ir periodiniais pokyčiais (dažnis 0,5 Hz) atitiko kvėpavimo judesį.Palyginti mažas svyravimų signalas buvo uždėtas ant šio didelio svyravimo signalo, kuris buvo širdies plakimo signalas.Atsižvelgdami į kvėpavimo ir širdies plakimo signalų dažnio charakteristikas, naudojome 0,8 Hz žemųjų dažnių filtrą ir 0,8–20 Hz dažnių juostos filtrą, kad atskirtume atitinkamai kvėpavimo ir širdies plakimo signalus, kaip parodyta 5C pav. .Šiuo atveju stabilūs kvėpavimo ir pulso signalai su gausia fiziologine informacija (pvz., Kvėpavimo dažnis, širdies plakimas ir pulso bangos ypatumai) buvo gauti vienu metu ir tiksliai, tiesiog uždėjus vieną TATSA ant krūtinės.
(A) Nuotrauka, kurioje parodytas TATSA ekranas, esantis ant krūtinės, kad būtų galima išmatuoti su kvėpavimu susijusį slėgį.(B) TATSA, sumontuoto ant krūtinės, įtampos ir laiko diagrama.(C) Signalo (B) skaidymas į širdies plakimą ir kvėpavimo bangų formą.(D) Nuotrauka, kurioje pavaizduoti du TATSA, uždedami ant pilvo ir riešo, norint išmatuoti atitinkamai kvėpavimą ir pulsą miego metu.(E) sveiko dalyvio kvėpavimo ir pulso signalai.ŠSD, širdies ritmas;BPM, dūžiai per minutę.(F) SAS dalyvio kvėpavimo ir pulso signalai.(G) sveiko dalyvio kvėpavimo signalas ir PTT.(H) SAS dalyvio kvėpavimo signalas ir PTT.(I) Ryšys tarp PTT susijaudinimo indekso ir apnėjos-hipopnėjos indekso (AHI).Nuotraukų kreditas: Wenjing Fan, Čongčingo universitetas.
Norėdami įrodyti, kad mūsų jutiklis gali tiksliai ir patikimai stebėti pulso ir kvėpavimo signalus, atlikome eksperimentą, kad palygintume pulso ir kvėpavimo signalų matavimo rezultatus tarp mūsų TATSA ir standartinio medicinos prietaiso (MHM-6000B), kaip aprašyta filmuose S8. ir S9.Matuojant pulso bangas, medicinos instrumento fotoelektrinis jutiklis buvo nešiojamas ant jaunos merginos kairiojo smiliaus, o tuo tarpu mūsų TATSA – ant dešiniojo smiliaus.Iš dviejų gautų impulsų bangų formų matome, kad jų kontūrai ir detalės buvo identiškos, o tai rodo, kad TATSA išmatuotas pulsas yra toks pat tikslus kaip ir medicinos prietaiso.Kvėpavimo bangos matavimo metu penki elektrokardiografiniai elektrodai buvo pritvirtinti prie penkių jaunuolio kūno vietų pagal medikų nurodymą.Priešingai, tik viena TATSA buvo tiesiogiai pririšta prie kūno ir pritvirtinta aplink krūtinę.Iš surinktų kvėpavimo signalų matyti, kad mūsų TATSA aptikto kvėpavimo signalo kitimo tendencija ir greitis atitiko medicinos prietaiso.Šie du palyginimo eksperimentai patvirtino mūsų jutiklių sistemos, skirtos pulso ir kvėpavimo signalams stebėti, tikslumą, patikimumą ir paprastumą.
Be to, mes pagaminome išmanųjį drabužį ir susiuvome du TATSA pilvo ir riešo padėtyse, kad galėtume stebėti atitinkamai kvėpavimo ir pulso signalus.Konkrečiai, sukurtas dviejų kanalų WMHMS buvo naudojamas pulso ir kvėpavimo signalams vienu metu užfiksuoti.Per šią sistemą gaudavome 25 metų vyro, apsirengusio mūsų išmaniaisiais drabužiais, kvėpavimo ir pulso signalus miegodami (5D pav. ir filmas S10) ir sėdėdami (S26 pav. ir filmas S11).Gauti kvėpavimo ir pulso signalai gali būti belaidžiu būdu perduodami į mobiliojo telefono APP.Kaip minėta aukščiau, TATSA turi galimybę užfiksuoti kvėpavimo ir pulso signalus.Šie du fiziologiniai signalai taip pat yra SAS medicininio įvertinimo kriterijai.Todėl mūsų TATSA taip pat gali būti naudojama miego kokybei ir susijusiems miego sutrikimams stebėti ir įvertinti.Kaip parodyta 5 pav. (atitinkamai E ir F), mes nuolat matavome dviejų dalyvių – sveiko ir paciento, sergančio SAS, pulso ir kvėpavimo bangų formas.Asmeniui, neturinčiam apnėjos, išmatuotas kvėpavimo ir pulso dažnis išliko stabilus – atitinkamai 15 ir 70.Pacientui, sergančiam SAS, buvo pastebėta ryški 24 s trukusi apnėja, kuri yra obstrukcinio kvėpavimo reiškinio požymis, o širdies susitraukimų dažnis po apnėjos periodo šiek tiek padažnėjo dėl nervų sistemos reguliavimo (49).Apibendrinant, kvėpavimo būklę gali įvertinti mūsų TATSA.
Norėdami toliau įvertinti SAS tipą pagal pulso ir kvėpavimo signalus, išanalizavome impulso tranzito laiką (PTT) – neinvazinį rodiklį, atspindintį sveiko žmogaus ir paciento, sergančio sergančiu pacientu, periferinio kraujagyslių pasipriešinimo ir intratorakalinio slėgio pokyčius (apibrėžta S1 skyriuje). SAS.Sveiko dalyvio kvėpavimo dažnis nepakito, o PTT buvo santykinai stabilus nuo 180 iki 310 ms (5G pav.).Tačiau SAS dalyviui apnėjos metu PTT nuolat didėjo nuo 120 iki 310 ms (5H pav.).Taigi dalyviui buvo diagnozuota obstrukcinė SAS (OSAS).Jei apnėjos metu PTT pokytis sumažėtų, būklė būtų nustatoma kaip centrinis miego apnėjos sindromas (CSAS), o jei abu šie simptomai pasireikštų vienu metu, tai būtų diagnozuojama kaip mišrus SAS (MSAS).Norėdami įvertinti SAS sunkumą, toliau analizavome surinktus signalus.PTT susijaudinimo indeksas, kuris yra PTT susijaudinimų skaičius per valandą (PTT sužadinimas apibrėžiamas kaip PTT sumažėjimas ≥15 ms, trunkantis ≥3 s), vaidina gyvybiškai svarbų vaidmenį vertinant SAS laipsnį.Apnėjos ir hipopnėjos indeksas (AHI) yra SAS laipsnio nustatymo standartas (apnėja yra kvėpavimo sustojimas, o hipopnėja yra pernelyg paviršutiniškas kvėpavimas arba neįprastai mažas kvėpavimo dažnis), kuris apibrėžiamas kaip apnėjos ir hipopnėjos skaičius per valandą miegant (santykis tarp AHI ir OSAS vertinimo kriterijų parodytas S2 lentelėje).Norint ištirti ryšį tarp AHI ir PTT susijaudinimo indekso, buvo atrinkti 20 pacientų, sergančių SAS, kvėpavimo signalai ir išanalizuoti naudojant TATSA.Kaip parodyta 5I pav., PTT susijaudinimo indeksas teigiamai koreliavo su AHI, nes apnėja ir hipopnėja miego metu sukelia akivaizdų ir trumpalaikį kraujospūdžio padidėjimą, dėl kurio sumažėja PTT.Todėl mūsų TATSA gali gauti stabilius ir tikslius pulso ir kvėpavimo signalus vienu metu ir taip teikti svarbią fiziologinę informaciją apie širdies ir kraujagyslių sistemą bei SAS susijusias ligas stebėti ir vertinti.
Apibendrinant, mes sukūrėme TATSA, naudodami visą megztinio dygsnį, kad vienu metu aptiktume skirtingus fiziologinius signalus.Šis jutiklis pasižymėjo dideliu 7,84 mV Pa−1 jautrumu, greitu 20 ms atsako laiku, dideliu stabilumu (daugiau nei 100 000 ciklų) ir plačiu darbinio dažnio juostos plotiu.TATSA pagrindu taip pat buvo sukurtas WMHMS, kuris išmatuotus fiziologinius parametrus perduoda į mobilųjį telefoną.TATSA galima integruoti į skirtingas drabužių vietas estetiniam dizainui ir vienu metu stebėti pulsą ir kvėpavimo signalus realiuoju laiku.Sistema gali būti taikoma siekiant atskirti sveikus asmenis nuo turinčių CAD arba SAS, nes ji gali užfiksuoti išsamią informaciją.Šis tyrimas suteikė patogų, efektyvų ir patogų žmogaus pulso ir kvėpavimo matavimo metodą, o tai rodo pažangą kuriant nešiojamą tekstilės elektroniką.
Nerūdijantis plienas buvo pakartotinai praleidžiamas per formą ir ištemptas, kad susidarytų 10 μm skersmens pluoštas.Nerūdijančio plieno pluoštas kaip elektrodas buvo įdėtas į keletą komercinių vieno sluoksnio terileno verpalų.
Sinusinio slėgio signalui pateikti buvo naudojamas funkcijų generatorius (Stanford DS345) ir stiprintuvas (LabworkPa-13).Dviejų diapazonų jėgos jutiklis („Vernier Software & Technology LLC“) buvo naudojamas išoriniam TATSA slėgiui matuoti.Keithley sistemos elektrometras (Keithley 6514) buvo naudojamas stebėti ir įrašyti TATSA išėjimo įtampą ir srovę.
Pagal AATCC bandymo metodą 135-2017, mes panaudojome TATSA ir pakankamai balasto kaip 1,8 kg sveriantį krovinį, o tada įdėjome juos į komercinę skalbimo mašiną (Labtex LBT-M6T), kad galėtume atlikti subtilius plovimo ciklus.Tada į skalbimo mašiną įpylėme 18 galonų 25°C vandens ir nustatėme skalbimo mašiną pasirinktam skalbimo ciklui ir laikui (maišymo greitis, 119 smūgių per minutę; skalbimo laikas 6 min., galutinis gręžimo greitis 430 aps./min., galutinis). gręžimo laikas, 3 min).Galiausiai TATSA buvo pakabintas sausas ramiame ore, kambario temperatūroje ne aukštesnėje kaip 26 °C.
Tiriamiesiems buvo liepta gulėti ant lovos.TATSA buvo patalpintas matavimo vietose.Kai tiriamieji buvo standartinėje gulimoje padėtyje, jie išlaikė visiškai atsipalaidavusią būseną 5–10 minučių.Tada pradėtas matuoti pulso signalas.
Papildomą šio straipsnio medžiagą rasite adresu https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
S9 pav.TATSA jėgos pasiskirstymo, veikiant 0,2 kPa slėgiui, modeliavimas naudojant COMSOL programinę įrangą.
S10 pav.Kontaktinio įrenginio jėgos pasiskirstymo, veikiant atitinkamai 0,2 ir 2 kPa slėgiams, modeliavimo rezultatai.
S11 pav.Išsamios scheminės kontaktinio bloko įkrovos perdavimo trumpojo jungimo sąlygomis iliustracijos.
S13 pav.TATSA nuolatinė išėjimo įtampa ir srovė, reaguojant į nuolat taikomą išorinį slėgį matavimo cikle.
S14 pav.Įtampos atsakas į įvairų skaičių kilpų vienetų toje pačioje audinio srityje, kai kilpos numeris nekeičiamas.
S15 pav.Dviejų tekstilinių jutiklių išvesties našumo palyginimas naudojant visą megztinį ir paprastą dygsnį.
S16 pav.Grafikai, rodantys dažnio atsakus, kai dinaminis slėgis yra 1 kPa ir slėgio įvesties dažnis 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 ir 20 Hz.
S25 pav.Jutiklio išėjimo įtampa, kai objektas buvo statinio ir judesio sąlygomis.
S26 pav.Nuotrauka, kurioje pavaizduoti TATSA, vienu metu dedami ant pilvo ir riešo, kad būtų galima išmatuoti atitinkamai kvėpavimą ir pulsą.
Tai yra atviros prieigos straipsnis, platinamas pagal Creative Commons Attribution-Noncommercial licenciją, leidžiančią naudoti, platinti ir dauginti bet kokioje laikmenoje, jei toks naudojimas nesiekia komercinės naudos ir jei originalus darbas yra tinkamai. cituojamas.
PASTABA: prašome jūsų el. pašto adreso tik tam, kad asmuo, kuriam rekomenduojate puslapį, žinotų, jog norėjote, kad jis jį matytų, ir kad tai nėra nepageidaujamas paštas.Mes nefiksuojame jokio el. pašto adreso.
Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Sveikatos stebėjimui buvo sukurtas triboelektrinis visos tekstilės jutiklis, pasižymintis dideliu jautrumu slėgiui ir komfortui.
Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Sveikatos stebėjimui buvo sukurtas triboelektrinis visos tekstilės jutiklis, pasižymintis dideliu jautrumu slėgiui ir komfortui.
© 2020 Amerikos mokslo pažangos asociacija.Visos teisės saugomos.AAAS yra HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ir COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 partneris.
Paskelbimo laikas: 2020-03-27