Inteligentní textilní senzorový systém pro monitorování zdraví

Postupy zahrnující lidi:

Senzory - elektrody, kanály vodičů a polovodičové kanály - jsou v přímém kontaktu (s tělem) nebo nepřímém kontaktu přes přechodnou vrstvu polyimidu nebo silikonové pryže. Zesilovače zesílí mikrovoltové signály do rozsahu, kde je lze přesně digitalizovat pomocí analogově digitálního převodníku. Následně bude bezdrátový datový komunikační systém vysílat a přijímat digitalizovaná data a osobní počítač (nebo jiné relevantní zařízení) uloží a zobrazí zaznamenaná data. Senzory používané pro měření bioimpedance budou propouštět modulovaný proud 1-5 mA (rms) při 30 kHz až 100 kHz kůží do těla subjektu. Tento systém bude napájen 3,7V bateriovým zdrojem. Senzorový systém (systémy) bude odebírat energii přes tento systém. Senzorové systémy, které budou použity pro tuto studii, jsou:

1. Opakovaně použitelné ploché zlaté a nanodrátové (zlaté nebo platinové nebo titanové) elektrody pro měření EKG, ICG, TTI, EEG, EOG, EMG.
2. Opakovaně použitelné nanotexturované textilie potažené tenkým filmem kovových (zlatých nebo stříbrných nebo platinových nebo titanových) elektrod pro měření EKG, ICG, TTI, EEG, EOG, EMG.
3. Opakovaně použitelný snímač srdečního zvuku, obvod zesilovače, pro měření srdečního zvuku.
4. Opakovaně použitelný senzor, teplotně závislý odporový obvod, pro měření tělesné teploty.
5. Opakovaně použitelný senzor, obvody rezistoru závislého na napětí, pro měření dechového úsilí.
6. Opakovaně použitelný senzor, piezoelektrický obvod, pro měření krevního tlaku.
7. Opakovaně použitelný senzor detekce zrychlení a rotace vzhledem k ose x,y,z. senzor, obvod zesilovače, pro měření aktivity (aktigrafie) subjektů.
8. Opakovaně použitelný optoelektronický senzor, obvod zesilovače, pro měření hladiny kyslíku v krvi.
9. Opakovaně použitelný senzor, piezoelektrický a optoelektronický obvod, pro měření tepové frekvence.
10. Nositelný bezdrátový systém: kompaktní vestavěné systémy a přenosná baterie, uzavřené v robustní ebonitové krabici.

Senzory budou vyrobeny na polyimidových (KAPTON®) a polyesterových filmech a textilních tkaninách a bude nutné je namontovat na kůži subjektu. Toho lze dosáhnout použitím standardní chirurgické vodotěsné pásky nebo rovnátek vyrobených z materiálů, jako je polyester, nylon, silikonová pryž a textilie. Po celou dobu bude tento polyimidový nebo polyesterový materiál jedinou složkou v kontaktu s kůží testovaného subjektu. Senzorové záznamy budou pořízeny od testovaných subjektů v různých fyzických stavech: vleže na zádech, vsedě a uvolněně, vstávání a/nebo rychlá chůze, zapojování se do středně náročného cvičení (ne kardiovaskulárního cvičení).

1 Protokoly specifické pro zařízení: 1.1 Měření EKG pomocí suchých elektrod:

1. Pohodlně se posaďte na postel nebo židli
2. Označte polohu elektrody na kůži.
3. Po očištění pokožky umístěte elektrody na místo s ortézou.
4. V závislosti na designu experimentu může testovaný subjekt zaujmout uvedené fyzické stavy (vleže, sezení, stání, chůze, mírné cvičení).
5. Typická doba trvání testu je 30 minut až 1 hodina.
6. Pozice elektrod na testovaném subjektu pro měření EKG v reálném čase budou takové, jak je znázorněno na obrázku 1. Elektrody 7, 8, 9 a 10 tvoří řízený systém Einthovenových rozšířených elektrod pro pravou nohu. Elektrody 1 až 6 jsou hrudní svody používané jako součást standardního systému 12 elektrod.

Obrázek 1: Mapa umístění elektrod pro akvizici signálu EKG v reálném čase. 1.2 Měření impedance kontaktu s pokožkou pomocí suchých elektrod:

Postup bude provádět vyškolený operátor. Postup je následující:

1. Subjekt bude požádán, aby se pohodlně posadil na postel nebo židli.
2. Polohy elektrod budou vyznačeny na paži.
3. Po očištění pokožky umístěte elektrody na místo pomocí rovnátek.
4. Elektrody jsou připojeny k měřiči impedance elektrod.
5. Naměřené hodnoty impedance budou tabulkově (manuálně) v intervalech až 15 minut. Doba trvání experimentu se bude pohybovat od 60 do 90 minut.

V pravidelných intervalech se operátor zeptá subjektu na jakékoli brnění na paži subjektu. To bude sloužit jako preventivní opatření. Měřič impedance (používá se) je však vyhrazené zařízení pro měření impedance kontaktu kůže-elektroda.

1.3 Senzor dýchání: Senzor dýchání byl vyroben s elektronikou zařízení na pružných substrátech (fólie): polyimid (KAPTON ®), silikonová pryž, polyethylennaftalát. Tyto snímače budou namontovány buď na elastickém polyesterovém popruhu nebo na neelastickém nylonovém popruhu. Jedinými materiály v přímém kontaktu s pokožkou bude nylon/polyesterový pásek a silikon nebo KAPTON. Popruh se bude muset nosit kolem bránice, kde je efektivní zvětšení a zmenšení průměru maximální během nádechu a výdechu. Všechny vodiče vedoucí k senzoru budou komerčně dostupné izolované měděné/niklové kabely.

1.3.1 Postup zahrnující testovaný subjekt:

1. Elastický/nylonový pásek bude subjekt nosit kolem spodní části břicha, jak je znázorněno na obrázku 2.

   Obrázek 2: Strategie montáže senzoru dýchání pro získávání signálu dechového úsilí v reálném čase

2. Subjekt bude požádán, aby provedl následující vzorce dýchání:

1. Krátké mělké nádechy. 2. Hluboké nádechy. 3. Po hlubokém nádechu zadržte dech. 4. Po hlubokém výdechu zadržte dech. 5. Normální dýchání po různých intervalech v rozmezí od 1 sekundy do 10 sekund.

Výše uvedené testy zahrnující různé vzorce dýchání jsou zamýšleny jako vyčerpávající z hlediska všech prakticky pozorovaných vzorců dýchání. Tyto podmínky také komplexně pokrývají fyzické stavy (leže na zádech, sezení, stání, chůze, mírné cvičení) popsané v úvodní části oddílu 2. Doba pořízení signálu bude subjektem kalibračního experimentu nebo testované hypotézy.

Pro standardizaci tohoto senzoru bude současně namontován i komerčně dostupný senzor dýchání a měření budou porovnána.

1.4 Senzor tělesné teploty: Tento senzor bude použit k měření tělesné teploty na kůži. Podobně jako u senzoru dýchání bude obvod zařízení na pružném substrátu. Jediným materiálem v kontaktu s pokožkou testovaného subjektu bude KAPTON®. Senzor bude zabalen tak, aby byl elektricky izolován od těla subjektu. Všechny vodiče vedoucí k senzoru budou komerčně dostupné izolované měděné/niklové kabely.

1.4.1 Postup zahrnující testovaný subjekt:

1. Senzor bude umístěn na straně testovaného subjektu pod podpaží (pro axiální teplotu), na hrudníku nad hrudní kostí, zády nebo obličejem, jak je znázorněno na obrázku 3.

2. Subjekt bude také požádán, aby nosil komerčně dostupný suchý teploměr na kůži v oblastech zvýrazněných na obrázku 3.

   Obrázek 3: Strategie montáže teplotního senzoru pro získávání signálu v reálném čase.

3. Měření se bude provádět ve vnitřním a venkovním prostředí.
4. Sběr dat bude prováděn, když je subjekt ve fyzických stavech (vleže, vsedě, stání, chůze, mírné cvičení) uvedených v části 2.

1.5 Senzor krevního tlaku a tepové frekvence: Tento senzor bude použit pro měření arteriálního krevního tlaku a tepové frekvence, srdečního zvuku a hladiny kyslíku v krvi neinvazivním způsobem. Obvod zařízení se skládá z MEMS mikrofonu, piezoelektrického nebo optoelektronického měniče(ů) namontovaných na polyimidové (KAPTON ®) nebo polyesterové fólii. Optoelektronické součástky mají ztrátu energie menší než 0,5 wattu. MEMS mikrofon je běžná elektronická součástka pracující na 1,8 až 3,3 V a odběr 180 až 250 µA. Tento film bude v kontaktu s pokožkou testovaného subjektu. Senzor se namontuje na levé předloktí, hrudní kost nebo záda subjektu, jak je znázorněno na obrázku 4. Senzor bude od těla subjektu elektricky izolován. Všechny vodiče vedoucí k senzoru budou komerčně dostupné izolované měděné/niklové kabely.

1.5.1 Postup zahrnující testovaný subjekt:

1. Před zahájením testu se pomocí komerčního pulzního oxymetru a manžety krevního tlaku změří standardní tepová frekvence, krevní tlak a hladina kyslíku v krvi.

2. Snímače krevního tlaku, srdečního zvuku a tepové frekvence budou namontovány na levém předloktí, hrudní kosti nebo zadní straně subjektu (obrázek 4).

   Obrázek 4: Strategie pro montáž systému snímačů krevního tlaku a tepové frekvence

3. Puls, hladina kyslíku v krvi, srdeční zvuk a údaje o krevním tlaku budou zaznamenávány, když je subjekt ve fyzickém stavu (vleže, vsedě, vestoje, chůze, mírné cvičení).
4. Během testu bude subjekt požádán, aby měl na sobě komerční pulzní oxymetr pro porovnání tepové frekvence a hodnot hladiny kyslíku v krvi v reálném čase.

1.6 Měření bioimpedance pomocí suchých elektrod

1. Pohodlně se posaďte na postel nebo židli
2. Označte polohu elektrody na kůži
3. Umístěte elektrody na místo na kůži pomocí ortézy
4. V závislosti na designu experimentu může testovaný subjekt zaujmout uvedené fyzické stavy (vleže, sezení, stání, chůze, mírné cvičení).
5. Typická doba trvání testu bude 15 minut až 12 hodin
6. Polohy elektrod na testovaném subjektu pro měření bioimpedance v reálném čase budou takové, jak je znázorněno na obrázku 5.
7. Měření bioimpedance bude provedeno pomocí 4 elektrod umístěných na kůži, jak je znázorněno na obrázku 5. Tělem subjektu mezi dvěma elektrodami 1,4 nebo 5,8 prochází modulovaný proud 1-5 mA (rms) při 30 kHz až 100 kHz a výsledná změna biopotenciálu se měří mezi dvěma elektrodami 2, 3 nebo 4, 6. Bioimpedance je měřena převodním obvodem, který je součástí bezdrátového datového komunikačního systému. Podobné umístění 4 elektrod bude provedeno na oblasti paže, čela, krku, trupu nebo nohou subjektu na základě cíle studie.

1.7 Měření srdečního zvuku pomocí snímače srdečního zvuku

1. Pohodlně se posaďte na postel nebo židli
2. Označte polohu elektrody na kůži
3. Umístěte snímač srdečního zvuku do polohy na kůži pomocí ortézy
4. V závislosti na designu experimentu může testovaný subjekt zaujmout uvedené fyzické stavy (vleže, sezení, stání, chůze, mírné cvičení).
5. Typická doba trvání testu bude 15 minut až 12 hodin
6. Poloha senzoru 9 na testovaném předmětu pro měření bioimpedance v reálném čase bude taková, jak je znázorněno na obrázku 5.

Obrázek 5 1.8 Měření EEG, EOG a EMG pomocí suchých elektrod

1. Pohodlně se posaďte na postel nebo židli
2. Označte polohu elektrody na kůži
3. Umístěte elektrody na místo na kůži pomocí ortézy nebo lepicích náplastí
4. Během testu bude subjekt požádán, aby provedl pohyby očí, čelistí a relaxoval se zavřenýma očima za účelem kalibrace senzorového systému.
5. V závislosti na designu experimentu může testovaný subjekt zaujmout uvedené fyzické stavy (bdělost vleže, spánek vleže, pravá a levá laterální bdělost, pravý a levý laterální spánek, sezení, stání, chůze).
6. Typická doba trvání testu bude 15 minut až 12 hodin
7. Polohy elektrod na testovaném subjektu pro měření EEG, EOG, EMG v reálném čase budou takové, jak je znázorněno na obrázku 6. Tam, kde jsou elektrody EEG umístěny v oblasti čela (pásu), jsou elektrody EOG umístěny kolem oka (očí) s referenční elektrodou na mastoidní kosti na obou stranách a párem elektrod EMG (2 elektrody umístěné alespoň 2 mm od sebe) na bradě .

Obrázek 6 1.9 Senzor detekce zrychlení a rotace pro měření aktivity (aktigrafie) subjektů

1. Pohodlně se posaďte na postel nebo židli
2. Umístěte senzor detekce zrychlení a rotace do polohy na kůži pomocí ortézy
3. V závislosti na designu experimentu může testovaný subjekt zaujmout uvedené fyzické stavy (vleže, sezení, stání, chůze, mírné cvičení).
4. Typická doba trvání testu bude 15 minut až 12 hodin
5. Poloha senzoru na testovaném předmětu pro měření aktivity v reálném čase bude taková, jak je znázorněno na obrázku 7.

Obrázek 7