Eletrônicos têxteis vestíveis são altamente desejáveis para realizar o gerenciamento de saúde personalizado.No entanto, a maioria dos eletrônicos têxteis relatados pode atingir periodicamente um único sinal fisiológico ou perder os detalhes explícitos dos sinais, levando a uma avaliação parcial da saúde.Além disso, os têxteis com excelente propriedade e conforto continuam a ser um desafio.Aqui, relatamos um conjunto de sensores triboelétricos totalmente têxteis com alta sensibilidade e conforto à pressão.Ele exibe a sensibilidade à pressão (7,84 mV Pa−1), tempo de resposta rápido (20 ms), estabilidade (> 100.000 ciclos), ampla largura de banda de frequência de trabalho (até 20 Hz) e lavabilidade na máquina (> 40 lavagens).Os TATSAs fabricados foram costurados em diferentes partes da roupa para monitorar simultaneamente as ondas de pulso arterial e os sinais respiratórios.Desenvolvemos ainda um sistema de monitoramento de saúde para avaliação de longo prazo e não invasivo de doenças cardiovasculares e síndrome da apneia do sono, que apresenta grande avanço para análise quantitativa de algumas doenças crônicas.
A eletrônica vestível representa uma oportunidade fascinante por causa de suas aplicações promissoras na medicina personalizada.Eles podem monitorar o estado de saúde de um indivíduo de maneira contínua, em tempo real e não invasiva (1–11).O pulso e a respiração, como dois componentes indispensáveis dos sinais vitais, podem fornecer tanto uma avaliação precisa do estado fisiológico quanto insights notáveis no diagnóstico e prognóstico de doenças relacionadas (12-21).Até o momento, a maioria dos eletrônicos vestíveis para detectar sinais fisiológicos sutis são baseados em substratos ultrafinos, como tereftalato de polietileno, polidimetilsiloxano, poliimida, vidro e silicone (22-26).Uma desvantagem desses substratos para uso na pele reside em seus formatos planos e rígidos.Como resultado, fitas, band-aids ou outros acessórios mecânicos são necessários para estabelecer um contato compacto entre os eletrônicos vestíveis e a pele humana, o que pode causar irritação e inconveniência durante longos períodos de uso (27, 28).Além disso, esses substratos têm baixa permeabilidade ao ar, resultando em desconforto quando usados para monitoramento contínuo e de longo prazo da saúde.Para aliviar os problemas mencionados nos cuidados de saúde, especialmente no uso diário, os têxteis inteligentes oferecem uma solução confiável.Esses tecidos têm as características de suavidade, leveza e respirabilidade e, portanto, o potencial para proporcionar conforto em eletrônicos vestíveis.Nos últimos anos, esforços intensivos foram dedicados ao desenvolvimento de sistemas baseados em têxteis em sensores sensíveis, coleta de energia e armazenamento (29-39).Em particular, pesquisas bem-sucedidas foram relatadas sobre fibra óptica, piezoeletricidade e têxteis inteligentes baseados em resistividade aplicados no monitoramento de sinais respiratórios e de pulso (40-43).No entanto, esses têxteis inteligentes normalmente têm baixa sensibilidade e um único parâmetro de monitoramento e não podem ser fabricados em grande escala (tabela S1).No caso de medição de pulso, informações detalhadas são difíceis de capturar devido à flutuação fraca e rápida do pulso (por exemplo, seus pontos característicos) e, portanto, alta sensibilidade e desempenho de resposta de frequência apropriado são necessários.
Neste estudo, apresentamos uma matriz de sensores triboelétricos totalmente têxteis (TATSA) com alta sensibilidade para captura de pressão sutil epidérmica, tricotada com fios condutores e de nylon em um ponto de cardigã completo.O TATSA pode fornecer alta sensibilidade à pressão (7,84 mV Pa−1), tempo de resposta rápido (20 ms), estabilidade (> 100.000 ciclos), ampla largura de banda de frequência de trabalho (até 20 Hz) e lavabilidade na máquina (> 40 lavagens).É capaz de se integrar convenientemente na roupa com discrição, conforto e apelo estético.Notavelmente, nosso TATSA pode ser incorporado diretamente em diferentes locais do tecido que correspondem às ondas de pulso nas posições do pescoço, punho, ponta dos dedos e tornozelo e às ondas respiratórias no abdômen e tórax.Para avaliar o excelente desempenho do TATSA no monitoramento de saúde em tempo real e remoto, desenvolvemos um sistema de monitoramento de saúde inteligente personalizado para adquirir e salvar continuamente sinais fisiológicos para a análise de doenças cardiovasculares (CAD) e a avaliação da síndrome da apnéia do sono (SAS ).
Conforme ilustrado na Fig. 1A, dois TATSAs foram costurados no punho e no peito de uma camisa para permitir o monitoramento dinâmico e simultâneo do pulso e dos sinais respiratórios, respectivamente.Esses sinais fisiológicos foram transmitidos sem fio para o aplicativo de terminal móvel inteligente (APP) para análise posterior do estado de saúde.A Figura 1B mostra o TATSA costurado em um pedaço de pano, e a inserção mostra a visão ampliada do TATSA, que foi tricotado usando o fio condutor característico e o fio de nylon comercial juntos em um ponto de cardigã completo.Comparado com o ponto básico simples, o método de tricô mais comum e básico, o ponto cardigã completo foi escolhido porque o contato entre a cabeça do laço do fio condutor e a cabeça do ponto de dobra adjacente do fio de nylon (fig. S1) é uma superfície em vez de um contato pontual, levando a uma área de atuação maior para alto efeito triboelétrico.Para preparar o fio condutor, selecionamos o aço inoxidável como fibra de núcleo fixo, e vários pedaços de fios de Terylene de uma camada foram torcidos ao redor da fibra de núcleo em um fio condutor com diâmetro de 0,2 mm (fig. S2), que serviu como tanto a superfície de eletrificação quanto o eletrodo condutor.O fio de nylon, que tinha um diâmetro de 0,15 mm e servia como outra superfície de eletrificação, tinha uma forte força de tração porque era torcido por fios incomputáveis (fig. S3).A Figura 1 (C e D, respectivamente) mostra fotografias do fio condutor e fio de nylon fabricados.As inserções mostram suas respectivas imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV), que apresentam uma seção transversal típica do fio condutor e a superfície do fio de nylon.A alta resistência à tração dos fios condutores e de nylon garantiu sua capacidade de tecelagem em uma máquina industrial para manter um desempenho uniforme de todos os sensores.Conforme mostrado na Fig. 1E, os fios condutores, fios de nylon e fios comuns foram enrolados em seus respectivos cones, que foram então carregados na máquina industrial computadorizada de malharia plana para tecelagem automática (filme S1).Como mostrado na fig.S4, vários TATSAs foram tricotados em conjunto com tecido comum usando a máquina industrial.Um único TATSA com espessura de 0,85 mm e peso de 0,28 g pode ser adaptado de toda a estrutura para uso individual, exibindo sua excelente compatibilidade com outros tecidos.Além disso, os TATSAs podem ser projetados em várias cores para atender aos requisitos estéticos e da moda devido à diversidade de fios de nylon comerciais (Fig. 1F e fig. S5).Os TATSAs fabricados têm excelente maciez e capacidade de resistir a flexões ou deformações severas (fig. S6).A Figura 1G mostra o TATSA costurado diretamente no abdômen e no punho de um suéter.O processo de tricotar o suéter é mostrado na fig.S7 e filme S2.Os detalhes da parte frontal e posterior do TATSA alongado na posição do abdômen são mostrados na fig.S8 (A e B, respectivamente), e a posição do fio condutor e do fio de nylon está ilustrada na fig.S8C.Pode-se ver aqui que o TATSA pode ser embutido em tecidos comuns perfeitamente para uma aparência discreta e inteligente.
(A) Dois TATSAs integrados em uma camisa para monitoramento de pulso e sinais respiratórios em tempo real.(B) Ilustração esquemática da combinação de TATSA e roupas.A inserção mostra a visão ampliada do sensor.(C) Fotografia do fio condutor (barra de escala, 4 cm).A inserção é a imagem SEM da seção transversal do fio condutor (barra de escala, 100 μm), que consiste em fios de aço inoxidável e terileno.(D) Fotografia do fio de nylon (barra de escala, 4 cm).A inserção é a imagem SEM da superfície do fio de nylon (barra de escala, 100 μm).(E) Imagem da máquina de tricotar plana computadorizada realizando a tecelagem automática dos TATSAs.(F) Fotografia de TATSAs em cores diferentes (barra de escala, 2 cm).A inserção é o TATSA torcido, que demonstra sua excelente maciez.(G) Fotografia de dois TATSAs completa e perfeitamente costurados em um suéter.Crédito da foto: Wenjing Fan, Universidade de Chongqing.
Para analisar o mecanismo de trabalho do TATSA, incluindo suas propriedades mecânicas e elétricas, construímos um modelo geométrico de tricô do TATSA, conforme mostrado na Fig. 2A.Usando o ponto cardigã completo, os fios condutores e de nylon são entrelaçados em formas de unidades de laço na direção do curso e da coluna.Uma estrutura de laço único (fig. S1) consiste em uma cabeça de laço, braço de laço, parte de cruzamento de costelas, braço de ponto dobrado e cabeça de ponto dobrado.Duas formas da superfície de contato entre os dois fios diferentes podem ser encontradas: (i) a superfície de contato entre a cabeça do laço do fio condutor e a cabeça do ponto de dobra do fio de nylon e (ii) a superfície de contato entre a cabeça do laço do fio o fio de nylon e a cabeça do ponto de dobra do fio condutor.
(A) O TATSA com os lados frontal, direito e superior dos laços de malha.(B) Resultado da simulação da distribuição de força de um TATSA sob uma pressão aplicada de 2 kPa usando o software COMSOL.(C) Ilustrações esquemáticas da transferência de carga de uma unidade de contato sob condições de curto-circuito.(D) Resultados da simulação da distribuição de carga de uma unidade de contato em condição de circuito aberto usando o software COMSOL.
O princípio de funcionamento do TATSA pode ser explicado em dois aspectos: estimulação de força externa e sua carga induzida.Para entender intuitivamente a distribuição de tensão em resposta ao estímulo de força externa, usamos a análise de elementos finitos usando o software COMSOL em diferentes forças externas de 2 e 0,2 kPa, conforme mostrado respectivamente na Fig. 2B e na fig.S9.A tensão aparece nas superfícies de contato de dois fios.Como mostrado na fig.S10, consideramos duas unidades de loop para esclarecer a distribuição de tensão.Ao comparar a distribuição de tensão sob duas forças externas diferentes, a tensão nas superfícies dos fios condutor e de nylon aumenta com o aumento da força externa, resultando no contato e extrusão entre os dois fios.Uma vez que a força externa é liberada, os dois fios se separam e se afastam um do outro.
Os movimentos de separação de contato entre o fio condutor e o fio de nylon induzem a transferência de carga, que é atribuída à conjunção de triboeletrificação e indução eletrostática.Para esclarecer o processo de geração de eletricidade, analisamos a seção transversal da área onde os dois fios entram em contato um com o outro (Fig. 2C1).Conforme demonstrado na Fig. 2 (C2 e C3, respectivamente), quando o TATSA é estimulado pela força externa e os dois fios entram em contato um com o outro, a eletrificação ocorre na superfície dos fios condutor e de nylon, e as cargas equivalentes com cargas opostas polaridades são geradas na superfície dos dois fios.Uma vez que os dois fios se separam, cargas positivas são induzidas no aço inoxidável interno devido ao efeito de indução eletrostática.O esquema completo é mostrado na fig.S11.Para adquirir uma compreensão mais quantitativa do processo de geração de eletricidade, simulamos a distribuição potencial do TATSA usando o software COMSOL (Fig. 2D).Quando os dois materiais estão em contato, a carga se acumula principalmente no material de atrito, e apenas uma pequena quantidade de carga induzida está presente no eletrodo, resultando no pequeno potencial (Fig. 2D, inferior).Quando os dois materiais são separados (Fig. 2D, topo), a carga induzida no eletrodo aumenta por causa da diferença de potencial, e o potencial correspondente aumenta, o que revela uma boa concordância entre os resultados obtidos nos experimentos e os das simulações .Além disso, como o eletrodo condutor do TATSA é envolto em fios de terileno e a pele está em contato com os dois materiais de atrito, portanto, quando o TATSA é usado diretamente na pele, a carga depende da força externa e não ser enfraquecido pela pele.
Para caracterizar o desempenho do nosso TATSA em vários aspectos, fornecemos um sistema de medição contendo um gerador de funções, amplificador de potência, agitador eletrodinâmico, medidor de força, eletrômetro e computador (fig. S12).Este sistema gera uma pressão dinâmica externa de até 7 kPa.No experimento, o TATSA foi colocado em uma folha de plástico plana em estado livre, e os sinais elétricos de saída são registrados pelo eletrômetro.
As especificações dos fios condutores e de nylon afetam o desempenho de saída do TATSA porque determinam a superfície de contato e a capacidade de perceber a pressão externa.Para investigar isso, fabricamos três tamanhos dos dois fios, respectivamente: fio condutor com tamanho de 150D/3, 210D/3 e 250D/3 e fio de nylon com tamanho de 150D/6, 210D/6 e 250D /6 (D, denier; uma unidade de medida usada para determinar a espessura da fibra de fios individuais; tecidos com alta contagem de denier tendem a ser espessos).Em seguida, selecionamos esses dois fios com tamanhos diferentes para tricotá-los em um sensor, e a dimensão do TATSA foi mantida em 3 cm por 3 cm com o número do laço de 16 na direção da linha e 10 na direção do curso.Assim, foram obtidos os sensores com nove padrões de tricô.O sensor pelo fio condutor com tamanho de 150D/3 e fio de nylon com tamanho de 150D/6 foi o mais fino, e o sensor pelo fio condutor com tamanho de 250D/3 e fio de nylon com tamanho de 250D/ 6 foi o mais grosso.Sob uma excitação mecânica de 0,1 a 7 kPa, as saídas elétricas para esses padrões foram sistematicamente investigadas e testadas, conforme mostrado na Fig. 3A.As tensões de saída dos nove TATSAs aumentaram com o aumento da pressão aplicada, de 0,1 para 4 kPa.Especificamente, de todos os padrões de tricô, a especificação do fio condutor 210D/3 e do fio de nylon 210D/6 forneceu a maior potência elétrica e exibiu a maior sensibilidade.A tensão de saída mostrou uma tendência crescente com o aumento da espessura do TATSA (por causa da superfície de contato suficiente) até que o TATSA foi tricotado usando o fio condutor 210D/3 e o fio de nylon 210D/6.Como aumentos adicionais na espessura levariam à absorção de pressão externa pelos fios, a tensão de saída diminuiu em conformidade.Além disso, nota-se que na região de baixa pressão (<4 kPa), uma variação linear bem comportada na tensão de saída com a pressão deu uma sensibilidade de pressão superior de 7,84 mV Pa−1.Na região de alta pressão (>4 kPa), observou-se experimentalmente uma menor sensibilidade à pressão de 0,31 mV Pa−1 devido à saturação da área efetiva de atrito.Uma sensibilidade à pressão semelhante foi demonstrada durante o processo oposto de aplicação de força.Os perfis de tempo concreto da tensão e corrente de saída sob diferentes pressões são apresentados na fig.S13 (A e B, respectivamente).
(A) Tensão de saída sob nove padrões de tricô do fio condutor (150D/3, 210D/3 e 250D/3) combinado com o fio de nylon (150D/6, 210D/6 e 250D/6).(B) Resposta de tensão para vários números de unidades de loop na mesma área de malha ao manter o número de loop na direção da coluna inalterado.(C) Gráficos mostrando as respostas de frequência sob uma pressão dinâmica de 1 kPa e frequência de entrada de pressão de 1 Hz.(D) Diferentes tensões de saída e corrente nas frequências de 1, 5, 10 e 20 Hz.(E) Teste de durabilidade de um TATSA sob pressão de 1 kPa.(F) Características de saída do TATSA após lavagem 20 e 40 vezes.
A sensibilidade e a tensão de saída também foram influenciadas pela densidade do ponto do TATSA, que foi determinada pelo número total de voltas em uma área medida do tecido.Um aumento na densidade do ponto levaria a uma maior compacidade da estrutura do tecido.A Figura 3B mostra os desempenhos de saída sob diferentes números de loop na área têxtil de 3 cm por 3 cm, e a inserção ilustra a estrutura de uma unidade de loop (mantivemos o número do loop na direção do curso em 10 e o número do loop no direção do rio foi 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 e 26).Ao aumentar o número do loop, a tensão de saída primeiro exibiu uma tendência crescente devido ao aumento da superfície de contato, até o pico máximo de tensão de saída de 7,5 V com um número de loop de 180. Após este ponto, a tensão de saída seguiu uma tendência decrescente porque o TATSA ficou apertado e os dois fios tiveram um espaço reduzido de separação de contato.Para explorar em qual direção a densidade tem um grande impacto na saída, mantivemos o número do loop do TATSA na direção da linha em 18, e o número do loop na direção do curso foi definido como 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 e 14. As tensões de saída correspondentes são mostradas na fig.S14.Por comparação, podemos ver que a densidade na direção do curso tem uma influência maior na tensão de saída.Como resultado, o padrão de tricô do fio condutor 210D/3 e fio de nylon 210D/6 e unidades de 180 laços foram escolhidos para tricotar o TATSA após avaliações abrangentes das características de saída.Além disso, comparamos os sinais de saída de dois sensores têxteis usando o ponto cardigã completo e o ponto simples.Como mostrado na fig.S15, a saída elétrica e a sensibilidade usando ponto cardigã completo são muito maiores do que usando ponto simples.
O tempo de resposta para monitoramento de sinais em tempo real foi medido.Para examinar o tempo de resposta do nosso sensor a forças externas, comparamos os sinais de tensão de saída com as entradas de pressão dinâmica em uma frequência de 1 a 20 Hz (Fig. 3C e Fig. S16, respectivamente).As formas de onda de tensão de saída eram quase idênticas às ondas de pressão senoidais de entrada sob uma pressão de 1 kPa, e as formas de onda de saída tinham um tempo de resposta rápido (cerca de 20 ms).Essa histerese pode ser atribuída ao fato de a estrutura elástica não ter retornado ao estado original o mais rápido possível após receber a força externa.No entanto, essa pequena histerese é aceitável para monitoramento em tempo real.Para obter a pressão dinâmica com uma determinada faixa de frequência, espera-se uma resposta de frequência apropriada do TATSA.Assim, a característica de frequência do TATSA também foi testada.Ao aumentar a frequência de excitação externa, a amplitude da tensão de saída permaneceu quase inalterada, enquanto a amplitude da corrente aumentou quando as frequências de derivação variaram de 1 a 20 Hz (Fig. 3D).
Para avaliar a repetibilidade, estabilidade e durabilidade do TATSA, testamos a tensão de saída e as respostas de corrente aos ciclos de carga e descarga de pressão.Uma pressão de 1 kPa com uma frequência de 5 Hz foi aplicada ao sensor.A tensão e a corrente pico a pico foram registradas após 100.000 ciclos de carga e descarga (Fig. 3E e fig. S17, respectivamente).As vistas ampliadas da tensão e da forma de onda da corrente são mostradas na inserção da Fig. 3E e fig.S17, respectivamente.Os resultados revelam a notável repetibilidade, estabilidade e durabilidade do TATSA.A lavabilidade também é um critério de avaliação essencial do TATSA como um dispositivo totalmente têxtil.Para avaliar a capacidade de lavagem, testamos a tensão de saída do sensor depois de lavar o TATSA na máquina de acordo com o método de teste 135-2017 da Associação Americana de Químicos e Coloristas Têxteis (AATCC).O procedimento de lavagem detalhado é descrito em Materiais e Métodos.Conforme mostrado na Fig. 3F, as saídas elétricas foram registradas após a lavagem 20 vezes e 40 vezes, o que demonstrou que não houve alterações distintas da tensão de saída ao longo dos testes de lavagem.Estes resultados comprovam a notável lavabilidade do TATSA.Como um sensor têxtil vestível, também exploramos o desempenho de saída quando o TATSA estava em condições de tração (fig. S18), torção (fig. S19) e diferentes condições de umidade (fig. S20).
Com base nas inúmeras vantagens do TATSA demonstradas acima, desenvolvemos um sistema de monitoramento de saúde móvel sem fio (WMHMS), que tem a capacidade de adquirir continuamente sinais fisiológicos e, em seguida, fornecer aconselhamento profissional a um paciente.A Figura 4A mostra o diagrama de esquema do WMHMS baseado no TATSA.O sistema possui quatro componentes: o TATSA para adquirir os sinais fisiológicos analógicos, um circuito de condicionamento analógico com filtro passa-baixas (MAX7427) e um amplificador (MAX4465) para garantir detalhes suficientes e excelente sincronismo de sinais, um sistema analógico-digital conversor baseado em uma unidade de microcontrolador para coletar e converter os sinais analógicos em sinais digitais e um módulo Bluetooth (chip Bluetooth de baixa potência CC2640) para transmitir o sinal digital para o aplicativo de terminal de telefone celular (APP; Huawei Honor 9).Neste estudo, nós costuramos o TATSA sem costura em uma renda, pulseira, dedo e meia, como mostrado na Fig. 4B.
(A) Ilustração do WMHMS.(B) Fotografias dos TATSAs costuradas em uma pulseira, fingerstall, meia e cinta peitoral, respectivamente.Medição do pulso no (C1) pescoço, (D1) punho, (E1) ponta do dedo e (F1) tornozelo.Forma de onda de pulso no pescoço (C2), punho (D2), ponta do dedo (E2) e tornozelo (F2).(G) Formas de onda de pulso de diferentes idades.(H) Análise de uma única onda de pulso.Índice de aumento radial (AIx) definido como AIx (%) = P2/P1.P1 é o pico da onda que avança e P2 é o pico da onda refletida.(I) Um ciclo de pulso do braquial e do tornozelo.A velocidade da onda de pulso (PWV) é definida como PWV = D/∆T.D é a distância entre o tornozelo e o braquial.∆T é o atraso de tempo entre os picos das ondas de pulso do tornozelo e braquial.PTT, tempo de trânsito do pulso.(J) Comparação de AIx e VOP do tornozelo braquial (BAPWV) entre saudáveis e CADs.*P < 0,01, **P < 0,001 e ***P < 0,05.hipertensão, hipertensão;CHD, doença cardíaca coronária;DM, diabetes melito.Crédito da foto: Jin Yang, Universidade de Chongqing.
Para monitorar os sinais de pulso das diferentes partes do corpo humano, anexamos as decorações mencionadas com TATSAs nas posições correspondentes: pescoço (Fig. 4C1), pulso (Fig. 4D1), ponta do dedo (Fig. 4E1) e tornozelo (Fig. 4F1) ), conforme elaborado nos filmes S3 a S6.Na medicina, existem três pontos característicos substanciais na onda de pulso: o pico da onda de avanço P1, o pico da onda refletida P2 e o pico da onda dicrótica P3.As características desses pontos característicos refletem o estado de saúde da elasticidade arterial, resistência periférica e contratilidade ventricular esquerda relacionadas ao sistema cardiovascular.As formas de onda de pulso de uma mulher de 25 anos nas quatro posições acima foram adquiridas e registradas em nosso teste.Observe que os três pontos característicos distinguíveis (P1 a P3) foram observados na forma de onda de pulso nas posições do pescoço, punho e ponta dos dedos, conforme mostrado na Fig. 4 (C2 a E2).Em contraste, apenas P1 e P3 apareceram na forma de onda de pulso na posição do tornozelo, e P2 não estava presente (Fig. 4F2).Esse resultado foi causado pela superposição da onda de sangue recebida ejetada pelo ventrículo esquerdo e a onda refletida dos membros inferiores (44).Estudos anteriores mostraram que P2 se apresenta em formas de onda medidas nas extremidades superiores, mas não no tornozelo (45, 46).Observamos resultados semelhantes nas formas de onda medidas com o TATSA, conforme mostrado na fig.S21, que mostra dados típicos da população de 80 pacientes aqui estudados.Podemos ver que P2 não apareceu nessas formas de onda de pulso medidas no tornozelo, demonstrando a capacidade do TATSA de detectar características sutis dentro da forma de onda.Esses resultados de medição de pulso indicam que nosso WMHMS pode revelar com precisão as características de onda de pulso da parte superior e inferior do corpo e que é superior a outros trabalhos (41, 47).Para indicar ainda mais que nosso TATSA pode ser amplamente aplicado a diferentes idades, medimos formas de onda de pulso de 80 indivíduos em diferentes idades e mostramos alguns dados típicos, conforme mostrado na fig.S22.Conforme mostrado na Fig. 4G, escolhemos três participantes com idades entre 25, 45 e 65 anos, e os três pontos característicos eram óbvios para os participantes jovens e de meia-idade.De acordo com a literatura médica (48), as características das formas de onda de pulso da maioria das pessoas mudam à medida que envelhecem, como o desaparecimento do ponto P2, que é causado pela onda refletida movida para frente para se sobrepor à onda que avança através da diminuição da elasticidade vascular.Esse fenômeno também se reflete nas formas de onda que coletamos, verificando ainda que o TATSA pode ser aplicado a diferentes populações.
A forma de onda do pulso é afetada não apenas pelo estado fisiológico do indivíduo, mas também pelas condições do teste.Portanto, medimos os sinais de pulso sob diferentes tensões de contato entre o TATSA e a pele (fig. S23) e várias posições de detecção no local de medição (fig. S24).Pode-se descobrir que o TATSA pode obter formas de onda de pulso consistentes com informações detalhadas ao redor do vaso em uma grande área de detecção efetiva no local de medição.Além disso, existem sinais de saída distintos sob diferentes tensões de contato entre o TATSA e a pele.Além disso, o movimento dos indivíduos usando os sensores afetaria os sinais de pulso.Quando o pulso do sujeito está em condição estática, a amplitude da forma de onda de pulso obtida é estável (fig. S25A);inversamente, quando o pulso está se movendo lentamente em um ângulo de -70° a 70° durante 30 s, a amplitude da forma de onda do pulso flutuará (fig. S25B).No entanto, o contorno de cada forma de onda de pulso é visível e a taxa de pulso ainda pode ser obtida com precisão.Obviamente, para obter uma aquisição estável de ondas de pulso em movimento humano, é necessário pesquisar mais trabalhos, incluindo design de sensores e processamento de sinal de back-end.
Além disso, para analisar e avaliar quantitativamente a condição do sistema cardiovascular através das formas de onda de pulso adquiridas usando nosso TATSA, introduzimos dois parâmetros hemodinâmicos de acordo com a especificação de avaliação do sistema cardiovascular, a saber, o índice de aumento (AIx) e a velocidade da onda de pulso (PWV), que representam a elasticidade das artérias.Conforme mostrado na Fig. 4H, a forma de onda de pulso na posição do punho do homem saudável de 25 anos foi usada para a análise do AIx.De acordo com a fórmula (seção S1), obteve-se AIx = 60%, que é um valor normal.Em seguida, coletamos simultaneamente duas formas de onda de pulso nas posições do braço e tornozelo desse participante (o método detalhado de medição da forma de onda do pulso está descrito em Materiais e Métodos).Conforme mostrado na Fig. 4I, os pontos característicos das duas formas de onda de pulso eram distintos.Em seguida, calculamos o PWV de acordo com a fórmula (seção S1).Obteve-se VOP = 1363 cm/s, valor característico esperado de um homem adulto saudável.Por outro lado, podemos ver que as métricas de AIx ou PWV não são afetadas pela diferença de amplitude da forma de onda do pulso, e os valores de AIx em diferentes partes do corpo são variados.Em nosso estudo, foi utilizado o AIx radial.Para verificar a aplicabilidade do WMHMS em diferentes pessoas, selecionamos 20 participantes no grupo saudável, 20 no grupo hipertensão (HA), 20 no grupo doença coronariana (DAC) na faixa etária de 50 a 59 anos e 20 no grupo grupo diabetes mellitus (DM).Medimos suas ondas de pulso e comparamos seus dois parâmetros, AIx e PWV, conforme apresentado na Fig. 4J.Pode-se verificar que os valores de VOP dos grupos HA, CC e DM foram menores em relação ao grupo saudável e apresentam diferença estatística (PHTN ≪ 0,001, PCHD ≪ 0,001 e PDM ≪ 0,001; os valores de P foram calculados por t teste).Enquanto isso, os valores de AIx dos grupos HTN e CHD foram menores em comparação com o grupo saudável e apresentam diferença estatística (PHTN < 0,01, PCHD < 0,001 e PDM < 0,05).A VOP e AIx dos participantes com CC, HAS ou DM foram maiores do que os do grupo saudável.Os resultados mostram que o TATSA é capaz de obter com precisão a forma de onda de pulso para calcular o parâmetro cardiovascular para avaliar o estado de saúde cardiovascular.Em conclusão, devido às suas características sem fio, alta resolução, alta sensibilidade e conforto, o WMHMS baseado no TATSA oferece uma alternativa mais eficiente para monitoramento em tempo real do que os atuais equipamentos médicos caros usados em hospitais.
Além da onda de pulso, a informação respiratória também é um sinal vital primário para ajudar a avaliar a condição física de um indivíduo.O monitoramento da respiração baseado em nosso TATSA é mais atraente do que a polissonografia convencional, pois pode ser perfeitamente integrado à roupa para maior conforto.Costurado em uma cinta torácica elástica branca, o TATSA foi amarrado diretamente ao corpo humano e preso ao redor do tórax para monitoramento da respiração (Fig. 5A e filme S7).O TATSA deformou com a expansão e contração da caixa torácica, resultando em uma saída elétrica.A forma de onda adquirida é verificada na Fig. 5B.O sinal com grandes flutuações (amplitude de 1,8 V) e mudanças periódicas (frequência de 0,5 Hz) correspondia ao movimento respiratório.O sinal de flutuação relativamente pequeno foi sobreposto a este grande sinal de flutuação, que era o sinal de batimento cardíaco.De acordo com as características de frequência dos sinais de respiração e batimentos cardíacos, usamos um filtro passa-baixa de 0,8 Hz e um filtro passa-banda de 0,8 a 20 Hz para separar os sinais respiratórios e cardíacos, respectivamente, conforme mostrado na Fig. 5C .Nesse caso, sinais respiratórios e de pulso estáveis com informações fisiológicas abundantes (como frequência respiratória, frequência cardíaca e pontos característicos da onda de pulso) foram obtidos simultaneamente e com precisão simplesmente colocando o TATSA único no peito.
(A) Fotografia mostrando o display do TATSA colocado no tórax para medição do sinal na pressão associada à respiração.(B) Gráfico de tensão-tempo para o TATSA montado no peito.(C) Decomposição do sinal (B) em batimentos cardíacos e forma de onda respiratória.(D) Fotografia mostrando dois TATSAs colocados no abdome e no punho para medir a respiração e o pulso, respectivamente, durante o sono.(E) Sinais respiratórios e de pulso de um participante saudável.FC, frequência cardíaca;BPM, batimentos por minuto.(F) Sinais respiratórios e de pulso de um participante do SAS.(G) Sinal respiratório e PTT de um participante saudável.(H) Sinal respiratório e PTT de um participante SAS.(I) Relação entre o índice de despertar do PTT e o índice de apnéia-hipopnéia (IAH).Crédito da foto: Wenjing Fan, Universidade de Chongqing.
Para provar que nosso sensor pode monitorar com precisão e confiabilidade os sinais respiratórios e de pulso, realizamos um experimento para comparar os resultados da medição dos sinais de pulso e respiração entre nossos TATSAs e um instrumento médico padrão (MHM-6000B), conforme elaborado nos filmes S8 e S9.Na medição da onda de pulso, o sensor fotoelétrico do instrumento médico foi usado no dedo indicador esquerdo de uma jovem e, enquanto isso, nosso TATSA foi usado no dedo indicador direito.A partir das duas formas de onda de pulso adquiridas, podemos ver que seus contornos e detalhes eram idênticos, indicando que o pulso medido pelo TATSA é tão preciso quanto o do instrumento médico.Na medição das ondas respiratórias, cinco eletrodos eletrocardiográficos foram fixados em cinco áreas do corpo de um jovem, conforme orientação médica.Em contraste, apenas um TATSA estava diretamente amarrado ao corpo e preso ao redor do peito.A partir dos sinais respiratórios coletados, pode-se observar que a tendência de variação e a taxa do sinal respiratório detectado pelo nosso TATSA foram consistentes com a do instrumento médico.Esses dois experimentos de comparação validaram a precisão, confiabilidade e simplicidade de nosso sistema de sensores para monitorar sinais de pulso e respiratórios.
Além disso, confeccionamos uma peça de roupa inteligente e costuramos dois TATSAs nas posições do abdômen e do punho para monitorar os sinais respiratórios e de pulso, respectivamente.Especificamente, um WMHMS de canal duplo desenvolvido foi usado para capturar o pulso e os sinais respiratórios simultaneamente.Por meio desse sistema, obtivemos os sinais respiratórios e de pulso de um homem de 25 anos vestido com nossas roupas elegantes enquanto dormia (fig. 5D e filme S10) e sentado (fig. S26 e filme S11).Os sinais respiratórios e de pulso adquiridos podem ser transmitidos sem fio para o APP do telefone celular.Como mencionado acima, o TATSA tem a capacidade de capturar sinais respiratórios e de pulso.Esses dois sinais fisiológicos também são os critérios para estimar a SAS clinicamente.Portanto, nosso TATSA também pode ser usado para monitorar e avaliar a qualidade do sono e os distúrbios do sono relacionados.Conforme mostrado na Fig. 5 (E e F, respectivamente), medimos continuamente as formas de onda de pulso e respiração de dois participantes, um saudável e um paciente com SAS.Para a pessoa sem apnéia, as taxas respiratórias e de pulso medidas permaneceram estáveis em 15 e 70, respectivamente.Para o paciente com SAS, observou-se uma apnéia distinta por 24 s, que é uma indicação de um evento respiratório obstrutivo, e a frequência cardíaca aumentou discretamente após um período de apnéia devido à regulação do sistema nervoso (49).Em resumo, o estado respiratório pode ser avaliado pelo nosso TATSA.
Para avaliar ainda mais o tipo de SAS através de pulso e sinais respiratórios, analisamos o tempo de trânsito do pulso (PTT), um indicador não invasivo que reflete as mudanças na resistência vascular periférica e pressão intratorácica (definida na seção S1) de um homem saudável e um paciente com SAS.Para o participante saudável, a frequência respiratória permaneceu inalterada e o PTT foi relativamente estável de 180 a 310 ms (Fig. 5G).No entanto, para o participante SAS, o PTT aumentou continuamente de 120 a 310 ms durante a apnéia (Fig. 5H).Assim, o participante foi diagnosticado com SAS obstrutiva (SAOS).Se a alteração no PTT diminuísse durante a apnéia, a condição seria determinada como síndrome de apnéia central do sono (CSAS) e, se esses dois sintomas existissem simultaneamente, seria diagnosticado como SAS misto (MSAS).Para avaliar a gravidade da SAS, analisamos ainda mais os sinais coletados.O índice de despertar do PTT, que é o número de despertares do PTT por hora (o despertar do PTT é definido como uma queda no PTT de ≥15 ms com duração ≥3 s), desempenha um papel vital na avaliação do grau de SAS.O índice de apneia-hipopneia (IAH) é um padrão para determinar o grau de SAS (apneia é a cessação da respiração e hipopneia é uma respiração excessivamente superficial ou uma frequência respiratória anormalmente baixa), que é definido como o número de apneias e hipopneias por hora durante o sono (a relação entre o IAH e os critérios de classificação para SAOS é apresentada na tabela S2).Para investigar a relação entre o IAH e o índice de excitação PTT, os sinais respiratórios de 20 pacientes com SAS foram selecionados e analisados com TATSAs.Conforme mostrado na Fig. 5I, o índice de despertar do PTT correlacionou-se positivamente com o IAH, pois a apnéia e a hipopnéia durante o sono causam a elevação óbvia e transitória da pressão arterial, levando à diminuição do PTT.Portanto, nosso TATSA pode obter sinais de pulso e respiratórios estáveis e precisos simultaneamente, fornecendo informações fisiológicas importantes sobre o sistema cardiovascular e SAS para o monitoramento e avaliação de doenças relacionadas.
Em resumo, desenvolvemos um TATSA usando o ponto cardigã completo para detectar diferentes sinais fisiológicos simultaneamente.Este sensor apresentou uma alta sensibilidade de 7,84 mV Pa−1, tempo de resposta rápido de 20 ms, alta estabilidade de mais de 100.000 ciclos e ampla largura de banda de frequência de trabalho.Com base no TATSA, também foi desenvolvido um WMHMS para transmitir os parâmetros fisiológicos medidos para um telefone celular.O TATSA pode ser incorporado em diferentes locais de roupas para design estético e usado para monitorar simultaneamente o pulso e os sinais respiratórios em tempo real.O sistema pode ser aplicado para ajudar a distinguir entre indivíduos saudáveis e aqueles com CAD ou SAS devido à sua capacidade de capturar informações detalhadas.Este estudo forneceu uma abordagem confortável, eficiente e fácil de usar para medir o pulso e a respiração humana, representando um avanço no desenvolvimento de eletrônicos têxteis vestíveis.
O aço inoxidável foi repetidamente passado pelo molde e esticado para formar uma fibra com diâmetro de 10 μm.Uma fibra de aço inoxidável como eletrodo foi inserida em vários pedaços de fios comerciais de Terylene de uma camada.
Um gerador de função (Stanford DS345) e um amplificador (LabworkPa-13) foram usados para fornecer um sinal de pressão senoidal.Um sensor de força de alcance duplo (Vernier Software & Technology LLC) foi usado para medir a pressão externa aplicada ao TATSA.Um eletrômetro do sistema Keithley (Keithley 6514) foi usado para monitorar e registrar a tensão e corrente de saída do TATSA.
De acordo com o método de teste AATCC 135-2017, usamos o TATSA e lastro suficiente para uma carga de 1,8 kg e depois os colocamos em uma máquina de lavar comercial (Labtex LBT-M6T) para realizar ciclos de lavagem delicados na máquina.Em seguida, enchemos a máquina de lavar com 18 galões de água a 25°C e ajustamos a lavadora para o ciclo e tempo de lavagem selecionados (velocidade de agitação, 119 golpes por minuto; tempo de lavagem, 6 min; velocidade de centrifugação final, 430 rpm; tempo de centrifugação, 3 min).Por último, o TATSA foi pendurado seco ao ar livre em temperatura ambiente não superior a 26°C.
Os sujeitos foram instruídos a deitarem-se em decúbito dorsal na cama.O TATSA foi colocado nos locais de medição.Uma vez que os indivíduos estavam em posição supina padrão, eles mantiveram um estado completamente relaxado por 5 a 10 min.O sinal de pulso então começou a ser medido.
O material suplementar para este artigo está disponível em https://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/11/eaay2840/DC1
Fig. S9.Resultado da simulação da distribuição de força de um TATSA sob pressões aplicadas a 0,2 kPa usando o software COMSOL.
Fig. S10.Resultados de simulação da distribuição de força de uma unidade de contato sob as pressões aplicadas a 0,2 e 2 kPa, respectivamente.
Fig. S11.Ilustrações esquemáticas completas da transferência de carga de uma unidade de contato em condições de curto-circuito.
Fig. S13.Tensão de saída contínua e corrente do TATSA em resposta à pressão externa aplicada continuamente em um ciclo de medição.
Fig. S14.Resposta de tensão para vários números de unidades de loop na mesma área de malha ao manter o número de loop na direção da coluna inalterado.
Fig. S15.Uma comparação entre os desempenhos de saída dos dois sensores têxteis usando o ponto de cardigã completo e o ponto simples.
Fig. S16.Gráficos mostrando respostas de frequência na pressão dinâmica de 1 kPa e frequência de entrada de pressão de 3, 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18 e 20 Hz.
Fig. S25.As tensões de saída do sensor quando o sujeito estava nas condições estáticas e de movimento.
Fig. S26.Fotografia mostrando os TATSAs colocados no abdome e no punho simultaneamente para medir a respiração e o pulso, respectivamente.
Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos da licença Creative Commons Attribution-NonCommercial, que permite o uso, distribuição e reprodução em qualquer meio, desde que o uso resultante não seja para vantagem comercial e desde que o trabalho original seja devidamente citado.
NOTA: Só solicitamos seu endereço de e-mail para que a pessoa para quem você está recomendando a página saiba que você deseja que ela a veja e que não é lixo eletrônico.Nós não capturamos nenhum endereço de email.
Por Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Um sensor triboelétrico totalmente têxtil com alta sensibilidade à pressão e conforto foi desenvolvido para monitoramento da saúde.
Por Wenjing Fan, Qiang He, Keyu Meng, Xulong Tan, Zhihao Zhou, Gaoqiang Zhang, Jin Yang, Zhong Lin Wang
Um sensor triboelétrico totalmente têxtil com alta sensibilidade à pressão e conforto foi desenvolvido para monitoramento da saúde.
© 2020 Associação Americana para o Avanço da Ciência.Todos os direitos reservados.AAAS é parceira de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef e COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Horário da postagem: 27 de março de 2020