Intelligentes Textilsensorsystem zur Gesundheitsüberwachung

Verfahren mit Personen:

Die Sensoren – Elektroden, Leiterkanäle und Halbleiterkanäle – stehen in direktem Kontakt (mit dem Körper) oder indirektem Kontakt durch eine vorübergehende Schicht aus Polyimid oder Silikonkautschuk. Die Verstärker verstärken die Mikrovolt-Signale in den Bereich, in dem sie mit einem Analog-Digital-Wandler genau digitalisiert werden können. Anschließend sendet und empfängt ein drahtloses Datenkommunikationssystem die digitalisierten Daten, und ein Personalcomputer (oder ein anderes relevantes Gerät) speichert und zeigt die aufgezeichneten Daten an. Die Sensoren, die zur Messung der Bioimpedanz verwendet werden, leiten einen modulierten Strom von 1–5 mA (rms) bei 30 kHz bis 100 kHz durch die Haut in den Körper der Testperson. Dieses System wird von einer 3,7-V-Batteriequelle gespeist. Das/die Sensorsystem(e) ziehen Strom durch dieses System. Die Sensorsysteme, die für diese Studie verwendet werden, sind:

1. Wiederverwendbare Flachelektroden aus Gold und Nanodraht (Gold oder Platin oder Titan) für EKG-, IKG-, TTI-, EEG-, EOG- und EMG-Messungen.
2. Wiederverwendbare, mit einem dünnen Metallfilm (Gold oder Silber oder Platin oder Titan) beschichtete Textilelektroden für EKG-, IKG-, TTI-, EEG-, EOG- und EMG-Messungen.
3. Wiederverwendbarer Herztonsensor, Verstärkerschaltkreis, zur Herztonmessung.
4. Wiederverwendbarer Sensor, temperaturabhängige Widerstandsschaltung, zur Messung der Körpertemperatur.
5. Wiederverwendbarer Sensor, belastungsabhängige Widerstandsschaltung, zur Messung der Atemanstrengung.
6. Wiederverwendbarer Sensor, piezoelektrische Schaltung, zur Blutdruckmessung.
7. Wiederverwendbarer Beschleunigungs- und Rotationserkennungssensor in Bezug auf die x-, y-, z-Achse. Sensor, Verstärkerschaltung, zur Aktivitätsmessung (Aktigraphie) der Probanden.
8. Wiederverwendbarer optoelektronischer Sensor, Verstärkerschaltkreis, zur Messung des Blutsauerstoffgehalts.
9. Wiederverwendbarer Sensor, piezoelektrische und optoelektronische Schaltkreise zur Pulsfrequenzmessung.
10. Ein tragbares drahtloses System: kompakte eingebettete Systeme und eine tragbare Batterie, eingeschlossen in einer robusten Ebonitbox.

Die Sensoren werden auf Polyimid- (KAPTON®) und Polyesterfolien sowie Textilgewebe hergestellt und müssen auf der Haut des Probanden angebracht werden. Dies wird durch die Verwendung von wasserdichtem Standard-Klebeband oder -Klammern aus Materialien wie Polyester, Nylon, Silikonkautschuk und Textilgewebe erreicht. Dieses Polyimid- oder Polyestermaterial ist zu jeder Zeit die einzige Komponente, die mit der Haut der Testperson in Kontakt kommt. Die Sensoraufzeichnungen werden von den Probanden in verschiedenen körperlichen Zuständen aufgenommen: Rückenlage, sitzend und entspannt, im Stehen und/oder zügiges Gehen, bei mäßig anstrengender körperlicher Betätigung (keine Herz-Kreislauf-Übung).

1 Gerätespezifische Protokolle: 1.1 EKG-Messungen mit Trockenelektroden:

1. Setzen Sie sich bequem auf ein Bett oder einen Stuhl
2. Markieren Sie die Elektrodenposition auf der Haut.
3. Bringen Sie die Elektroden nach der Reinigung der Haut mit einer Klammer an.
4. Je nach Versuchsdesign kann die Versuchsperson die genannten körperlichen Zustände einnehmen (Ruhe, Sitzen, Stehen, Gehen, mäßige Belastung).
5. Die typische Testdauer beträgt 30 Minuten bis 1 Stunde.
6. Die Elektrodenpositionen an der Testperson für die Echtzeit-EKG-Messung sind wie in Abbildung 1 gezeigt. Die Elektroden 7, 8, 9 und 10 bilden das erweiterte Einthoven-Ableitungssystem für das getriebene rechte Bein. Die Elektroden 1 bis 6 sind Brustableitungen, die als Teil des standardmäßigen 12-Elektroden-Systems verwendet werden.

Abbildung 1: Elektrodenplatzierungskarte für die EKG-Signalerfassung in Echtzeit. 1.2 Hautkontakt-Impedanzmessung mit Trockenelektroden:

Das Verfahren wird von einem geschulten Bediener durchgeführt. Die Schritte sind wie folgt:

1. Die Testperson wird gebeten, sich bequem auf ein Bett oder einen Stuhl zu setzen.
2. Die Elektrodenpositionen werden am Arm markiert.
3. Bringen Sie nach der Reinigung der Haut die Elektroden mit Hilfe von Klammern an.
4. Die Elektroden sind mit dem Elektrodenimpedanzmessgerät verbunden.
5. Die Impedanzwerte werden (manuell) in Intervallen von bis zu 15 Minuten tabelliert. Die Versuchsdauer liegt zwischen 60 und 90 Minuten.

In regelmäßigen Abständen wird der Bediener die Testperson nach einem Kribbeln am Arm der Testperson fragen. Dies dient als Vorsichtsmaßnahme. Das Impedanzmessgerät (in Gebrauch) ist jedoch ein spezielles Gerät zum Messen der Haut-Elektroden-Kontaktimpedanz.

1.3 Atmungssensor: Der Atmungssensor ist mit der Geräteelektronik auf flexiblen Substraten (Folien) gefertigt: Polyimid (KAPTON ®), Silikonkautschuk, Polyethylennaphthalat. Diese Sensoren werden entweder auf einem elastischen Polyesterband oder einem unelastischen Nylonband montiert. Die einzigen Materialien in direktem Kontakt mit der Haut sind das Nylon-/Polyesterband und Silikon oder KAPTON. Der Gurt muss um die Taille herum getragen werden, wo die effektive Zunahme und Abnahme des Durchmessers beim Einatmen bzw. Ausatmen maximal ist. Alle zum Sensor führenden Drähte sind handelsübliche isolierte Kupfer-/Nickelkabel.

1.3.1 Verfahren mit Testsubjekt:

1. Der Gummi-/Nylongurt wird vom Probanden wie in Abbildung 2 dargestellt um den Unterbauch getragen.

   Abbildung 2: Strategie zur Montage des Atmungssensors für die Erfassung des Atemanstrengungssignals in Echtzeit

2. Der Proband wird aufgefordert, die folgenden Atemmuster auszuführen:

1. Kurze flache Atemzüge. 2. Tiefes Atmen. 3. Halten Sie nach dem tiefen Einatmen den Atem an. 4. Halten Sie den Atem an, nachdem Sie tief ausgeatmet haben. 5. Normale Atemzüge nach unterschiedlichen Intervallen von 1 Sekunde bis 10 Sekunden.

Die obigen Tests mit unterschiedlichen Atemmustern sollen in Bezug auf alle praktisch beobachteten Atemmuster erschöpfend sein. Außerdem decken diese Bedingungen umfassend die im Anfangsteil von Abschnitt 2 beschriebenen körperlichen Zustände (Ruheliegend, Sitzen, Stehen, Gehen, mäßige körperliche Betätigung) ab.

Zur Standardisierung dieses Sensors werden gleichzeitig auch handelsübliche Respirationssensoren montiert und Messungen verglichen.

1.4 Körpertemperatursensor: Mit diesem Sensor wird die Körpertemperatur an der Haut gemessen. Ähnlich wie beim Atmungssensor befindet sich die Geräteschaltung auf einem flexiblen Substrat. Das einzige Material, das mit der Haut der Testperson in Kontakt kommt, ist KAPTON®. Der Sensor wird verpackt, um ihn elektrisch vom Körper der Testperson zu isolieren. Alle zum Sensor führenden Drähte sind handelsübliche isolierte Kupfer-/Nickelkabel.

1.4.1 Verfahren mit Testsubjekt:

1. Der Sensor wird an der Seite der Testperson unterhalb der Achsel (für axiale Temperatur), auf der Brust über dem Brustbein, Rücken oder Gesicht platziert, wie in Abbildung 3 gezeigt.

2. Der Proband wird außerdem gebeten, einen handelsüblichen Trockentemperatursensor auf der Haut in den in Abbildung 3 hervorgehobenen Regionen zu tragen.

   Abbildung 3: Strategie zur Montage des Temperatursensors für die Echtzeit-Signalerfassung.

3. Die Messungen werden im Innen- und Außenbereich durchgeführt.
4. Die Datenerfassung erfolgt, während sich das Subjekt in den in Abschnitt 2 genannten körperlichen Zuständen (Rückenlage, Sitzen, Stehen, Gehen, mäßige Bewegung) befindet.

1.5 Blutdruck- und Pulsfrequenzsensor: Dieser Sensor wird zur nicht-invasiven Messung des arteriellen Blutdrucks und der Pulsfrequenz, des Herztons und des Blutsauerstoffgehalts verwendet. Die Geräteschaltung besteht aus einem MEMS-Mikrofon, piezoelektrischen oder optoelektronischen Wandler(n), die auf einer Polyimid- (KAPTON ® ) oder Polyesterfolie montiert sind. Optoelektronische Bauelemente haben eine Verlustleistung von weniger als 0,5 Watt. Das MEMS-Mikrofon ist eine handelsübliche elektronische Komponente, die mit 1,8 bis 3,3 V betrieben wird und 180 bis 250 µA zieht. Dieser Film kommt in Kontakt mit der Haut der Testperson. Der Sensor wird am linken Unterarm, Brustbein oder Rücken der Testperson angebracht, wie in Abbildung 4 gezeigt. Der Sensor wird elektrisch vom Körper der Testperson isoliert. Alle zum Sensor führenden Drähte sind handelsübliche isolierte Kupfer-/Nickelkabel.

1.5.1 Verfahren mit Testsubjekt:

1. Vor Beginn des Tests werden mit Hilfe eines handelsüblichen Pulsoximeters und einer Blutdruckmanschette Standardpulsfrequenz, Blutdruck und Blutsauerstoffgehalt gemessen.

2. Die Blutdruck-, Herzton- und Pulsfrequenzsensoren werden am linken Unterarm, Brustbein oder Rücken des Probanden angebracht (Abbildung 4).

   Abbildung 4: Strategie zur Montage des Blutdruck- und Pulsfrequenzsensorsystems

3. Puls, Blutsauerstoffgehalt, Herzton und Blutdruckdaten werden aufgezeichnet, während sich das Subjekt in den körperlichen Zuständen befindet (liegend, sitzend, stehend, gehend, mäßige körperliche Betätigung).
4. Während des Tests wird der Proband gebeten, das kommerzielle Pulsoxymeter für den Echtzeitvergleich der Pulsfrequenz und der Werte des Blutsauerstoffgehalts zu tragen.

1.6 Bioimpedanzmessung mit Trockenelektroden

1. Setzen Sie sich bequem auf das Bett oder den Stuhl
2. Elektrodenposition auf der Haut markieren
3. Platzieren Sie die Elektroden mit einer Schiene auf der Haut
4. Je nach Versuchsdesign kann die Versuchsperson die genannten körperlichen Zustände einnehmen (Ruhe, Sitzen, Stehen, Gehen, mäßige Belastung).
5. Die typische Dauer des Tests beträgt 15 Minuten bis 12 Stunden
6. Die Elektrodenpositionen an der Testperson für die Echtzeit-Bioimpedanzmessung sind wie in Abbildung 5 dargestellt.
7. Die Bioimpedanzmessung erfolgt mithilfe von 4 Elektroden, die auf der Haut angebracht werden, wie in Abbildung 5 dargestellt. Ein modulierter Strom von 1-5 mA (rms) bei 30 kHz bis 100 kHz wird zwischen zwei Elektroden 1, 4 oder 5, 8 durch den Körper des Subjekts geleitet, und die resultierende Änderung des Biopotentials wird zwischen zwei Elektroden 2, 3 oder 4, 6 gemessen. Die Bioimpedanz wird durch eine Umwandlungsschaltung gemessen, die Teil des drahtlosen Datenkommunikationssystems ist. Eine ähnliche 4-Elektroden-Platzierung wird je nach Studienziel am Arm, an der Stirn, am Hals, am Rumpf oder an den Beinen des Körpers des Probanden vorgenommen.

1.7 Herztonmessung mit Herztonsensor

1. Setzen Sie sich bequem auf das Bett oder den Stuhl
2. Elektrodenposition auf der Haut markieren
3. Platzieren Sie den Herzgeräuschsensor mit einer Klammer auf der Haut
4. Je nach Versuchsdesign kann die Versuchsperson die genannten körperlichen Zustände einnehmen (Ruhe, Sitzen, Stehen, Gehen, mäßige Belastung).
5. Die typische Dauer des Tests beträgt 15 Minuten bis 12 Stunden
6. Die Sensorposition 9 am Testsubjekt für die Echtzeit-Bioimpedanzmessung ist wie in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5 1.8 EEG-, EOG- und EMG-Messung mit Trockenelektroden

1. Setzen Sie sich bequem auf das Bett oder den Stuhl
2. Elektrodenposition auf der Haut markieren
3. Platzieren Sie die Elektroden mit einer Schiene oder mit Klebepflastern auf der Haut
4. Während des Tests wird der Proband aufgefordert, Augenbewegungen und Kieferbewegungen durchzuführen und sich bei geschlossenen Augen zu entspannen, um das Sensorsystem zu kalibrieren.
5. Je nach Versuchsdesign kann die Versuchsperson die genannten körperlichen Zustände einnehmen (wach in Rückenlage, schlafend in Rückenlage, rechts und links seitlich wach, rechts und links seitlich schlafend, Sitzen, Stehen, Gehen).
6. Die typische Dauer des Tests beträgt 15 Minuten bis 12 Stunden
7. Die Elektrodenpositionen an der Testperson für EEG-, EOG- und EMG-Messungen in Echtzeit sind wie in Abbildung 6 dargestellt. Wenn EEG-Elektroden auf der Stirnregion (Band) platziert werden, werden EOG-Elektroden um das/die Auge(n) mit einer Referenzelektrode auf dem Warzenbein auf beiden Seiten und einem EMG-Elektrodenpaar (2 Elektroden im Abstand von mindestens 2 mm) am Kinn platziert .

Abbildung 6 1.9 Beschleunigungs- und Rotationserfassungssensor zur Aktivitätsmessung (Aktigraphie) der Probanden

1. Setzen Sie sich bequem auf das Bett oder den Stuhl
2. Platzieren Sie den Beschleunigungs- und Rotationserkennungssensor mit einer Schiene auf der Haut
3. Je nach Versuchsdesign kann die Versuchsperson die genannten körperlichen Zustände einnehmen (Ruhe, Sitzen, Stehen, Gehen, mäßige Belastung).
4. Die typische Dauer des Tests beträgt 15 Minuten bis 12 Stunden
5. Die Sensorposition am Testsubjekt für die Aktivitätsmessung in Echtzeit ist wie in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7