ヘルスモニタリング用スマートテキスタイルセンサーシステム

人が関与する手順:

センサー - 電極、導体チャネル、および半導体チャネル - は、ポリイミドまたはシリコン ゴムの一時的な層を介して、(身体と) 直接接触するか、または間接的に接触します。 増幅器は、マイクロボルト信号を、アナログからデジタルへのコンバーターを使用して正確にデジタル化できる範囲にブーストします。 続いて、ワイヤレスデータ通信システムがデジタル化されたデータを送受信し、パーソナルコンピュータ（または他の関連デバイス）が記録されたデータを保存および表示します。 生体インピーダンスの測定に使用されるセンサーは、30kHz から 100kHz で 1 から 5 mA (rms) の変調電流を皮膚を通して被験者の身体に通過させます。 このシステムは、3.7 V バッテリ電源から電力を供給されます。 センサー システムは、このシステムを介して電力を引き出します。 この研究に使用されるセンサー システムは次のとおりです。

1. ECG、ICG、TTI、EEG、EOG、EMG 測定用の再利用可能な平らな金およびナノワイヤ (金またはプラチナまたはチタン) 電極。
2. ECG、ICG、TTI、EEG、EOG、EMG測定用の金属（金または銀またはプラチナまたはチタン）電極の薄膜でコーティングされた再利用可能なNanotexturedテキスタイル。
3. 心音測定用の再利用可能な心音センサー、アンプ回路。
4. 体温測定用の再利用可能なセンサー、温度依存抵抗回路。
5. 呼吸努力の測定のための再利用可能なセンサー、ひずみ依存抵抗回路。
6. 血圧測定用の再利用可能なセンサー、圧電回路。
7. x、y、z 軸に対する再利用可能な加速度および回転検出センサー。 被験者の活動（アクティグラフィー）の測定のためのセンサー、アンプ回路。
8. 血中酸素レベル測定用の再利用可能な光電子センサー、アンプ回路。
9. 脈拍数測定用の再利用可能なセンサー、圧電および光電子回路。
10. ウェアラブル ワイヤレス システム: コンパクトな組み込みシステムとポータブル バッテリーが頑丈なエボナイト ボックスに収められています。

センサーは、ポリイミド (KAPTON®) およびポリエステル フィルム、織物で製造され、被験者の皮膚に取り付ける必要があります。 これは、ポリエステル、ナイロン、シリコーンゴムシート、織物などの素材から作られた標準的な外科用防水テープまたはブレースを使用することによって達成されます. このポリイミドまたはポリエステル素材は常に、被験者の皮膚に接触する唯一のコンポーネントです。 センサーの記録は、さまざまな物理的状態の被験者から取得されます: 仰臥位、座ってリラックスしている、立っている、および/または活発に歩いている、適度に厳しい運動をしている (有酸素運動ではない)。

1 デバイス固有のプロトコル: 1.1 乾式電極を使用した ECG 測定:

1. ベッドや椅子にゆったりと座る
2. 皮膚に電極の位置をマークします。
3. 皮膚を洗浄した後、装具で電極を所定の位置に配置します。
4. 実験計画に応じて、被験者は上記の物理的状態 (仰臥位、座位、立位、歩行、適度な運動) を想定する場合があります。
5. 通常のテスト時間は 30 分から 1 時間です。
6. 被験者のリアルタイム ECG 測定用の電極位置は、図 1 に示すようになります。電極 7、8、9、および 10 は、駆動された右脚のアイントホーフェン オーギュメント リード システムを構成します。 電極 1 ～ 6 は、標準の 12 電極システムの一部として使用される胸部リードです。

図 1: リアルタイム ECG 信号取得のための電極配置マップ。 1.2 乾式電極による皮膚接触インピーダンス測定:

施術は訓練を受けたオペレーターが行います。 手順は次のとおりです。

1. 被験者は、ベッドまたは椅子に快適に座るように求められます。
2. 電極の位置は腕にマークされます。
3. 皮膚を洗浄した後、ブレースを使用して電極を所定の位置に配置します。
4. 電極は、電極インピーダンス メーターに接続されます。
5. インピーダンスの読み取り値は、最大 15 分間隔で (手動で) 表にまとめられます。 実験の所要時間は 60 分から 90 分です。

一定の間隔で、オペレーターは対象の腕にチクチクする感じがないか尋ねます。 これは予防策として機能します。 ただし、インピーダンスメーター（使用中）は、皮膚電極接触インピーダンスを測定するための専用デバイスです。

1.3 呼吸センサー: 呼吸センサーは、柔軟な基板 (フィルム) 上のデバイス エレクトロニクスで製造されています: ポリイミド (KAPTON ®)、シリコン ゴム、ポリエチレン ナフタレート。 これらのセンサーは、弾性ポリエステル ストラップまたは非弾性ナイロン ストラップのいずれかに取り付けられます。 肌に直接触れる素材はナイロン/ポ​​リエステルバンドとシリコンまたはカプトンのみ。 ストラップは、吸入時と呼気時に直径の効果的な増加と減少がそれぞれ最大になる上腹部の周りに着用する必要があります。 センサーにつながるすべてのワイヤは、市販の絶縁された銅/ニッケル ケーブルになります。

1.3.1 被験者が関与する手順:

1. 図 2 に示すように、被験者は下腹部の周りに弾性/ナイロン ストラップを着用します。

   図 2: リアルタイムの呼吸努力信号取得のための呼吸センサーの取り付け方法

2. 被験者は、次の呼吸パターンを実行するように求められます。

1. 短く浅い呼吸。 2.深呼吸。 3. 息を深く吸った後、息を止めます。 4. 息を深く吐いた後、息を止めます。 5. 通常の呼吸は、1 秒から 10 秒までのさまざまな間隔で行われます。

さまざまな呼吸パターンを含む上記のテストは、実際に観察されたすべての呼吸パターンに関して網羅的なものであることを意図しています。 また、これらの条件は、セクション 2 の最初の部分で説明した物理的状態 (仰臥位、座位、立位、歩行、適度な運動) を包括的にカバーしています。信号取得期間は、キャリブレーション実験またはテストされる仮説に対して主観的になります。

このセンサーの標準化のために、市販の呼吸センサーも同時に取り付けて測定値を比較します。

1.4 体温センサー: このセンサーは、皮膚の体温を測定するために使用されます。 呼吸センサーと同様に、デバイス回路はフレキシブル基板上にあります。 被験者の皮膚と接触する唯一の素材は KAPTON® です。 センサーは、被験者の体から電気的に絶縁するためにパッケージ化されます。 センサーにつながるすべてのワイヤは、市販の絶縁された銅/ニッケル ケーブルになります。

1.4.1 被験者が関与する手順:

1. センサーは、図 3 に示すように、被験者の脇の下 (軸方向温度の場合)、胸骨の上の胸、背中、または顔に配置されます。

2. また、被験者は、図 3 で強調表示されている領域の皮膚に市販の乾球温度センサーを装着するよう求められます。

   図 3: リアルタイム信号取得用の温度センサーを取り付けるための戦略。

3. 測定値は、屋内および屋外の設定で取得されます。
4. データ取得は、被験者がセクション 2 で述べた物理的状態 (仰臥位、座位、立位、歩行、適度な運動) で行われます。

1.5 血圧および脈拍数センサー: このセンサーは、動脈血圧および脈拍数、心音、血中酸素レベルを非侵襲的に測定するために使用されます。 デバイス回路は、ポリイミド (KAPTON ®) またはポリエステル フィルムに取り付けられた MEMS マイクロフォン、圧電または光電子変換器で構成されます。 光電子部品のエネルギー消費は 0.5 ワット未満です。 MEMS マイクロフォンは、1.8 ～ 3.3 V で動作し、180 ～ 250 µA を消費する市販の電子部品です。 このフィルムは被験者の皮膚に接触します。 センサーは、図 4 に示すように、被験者の左前腕、胸骨、または背中に取り付けられます。センサーは、被験者の体から電気的に絶縁されます。 センサーにつながるすべてのワイヤは、市販の絶縁された銅/ニッケル ケーブルになります。

1.5.1 被験者が関与する手順:

1. テストを開始する前に、市販のパルスオキシメーターと血圧カフを使用して、標準的な脈拍数と血圧、血中酸素レベルを測定します。

2. 血圧、心音、および脈拍数のセンサーは、被験者の左前腕、胸骨、または背中に取り付けられます (図 4)。

   図 4: 血圧および脈拍数センサー システムの取り付け方法

3. 脈拍、血中酸素レベル、心音、血圧のデータは、被験者が物理的状態 (仰臥位、座位、立位、歩行、適度な運動) にあるときに記録されます。
4. テスト中、被験者は、脈拍数と血中酸素レベル値をリアルタイムで比較するために、市販のパルスオキシメータを着用するよう求められます。

1.6 乾式電極による生体インピーダンス測定

1. ベッドや椅子に楽に座る
2. 皮膚に電極の位置をマークします
3. ブレースで皮膚の所定の位置に電極を配置します
4. 実験計画に応じて、被験者は上記の物理的状態 (仰臥位、座位、立位、歩行、適度な運動) を想定する場合があります。
5. 通常、テストの所要時間は 15 分から 12 時間です。
6. 生体インピーダンスをリアルタイムで測定するための被験者の電極位置は、図 5 のようになります。
7. 生体インピーダンス測定は、図 5 に示すように皮膚に配置された 4 つの電極を使用して行われます。 ３０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚで１〜５ｍＡ（ｒｍｓ）の変調電流が、２つの電極１、４または５、８の間で被験者の身体を通過し、結果として生じる生体電位の変化が２つの電極２、３または４、６の間で測定される。 生体インピーダンスは、無線データ通信システムの一部である変換回路によって測定されます。 同様の 4 つの電極配置は、研究の目的に基づいて、被験者の体の腕、額、首、胴体、または脚の領域で行われます。

1.7 心音センサーによる心音測定

1. ベッドや椅子に楽に座る
2. 皮膚に電極の位置をマークします
3. ブレースを使用して心音センサーを皮膚の所定の位置に配置します
4. 実験計画に応じて、被験者は上記の物理的状態 (仰臥位、座位、立位、歩行、適度な運動) を想定する場合があります。
5. 通常、テストの所要時間は 15 分から 12 時間です。
6. リアルタイムの生体インピーダンス測定のための被験者 9 上のセンサー位置 9 は、図 5 に示すようになります。

図 5 1.8 乾式電極を使用した EEG、EOG、および EMG 測定

1. ベッドや椅子に楽に座る
2. 皮膚に電極の位置をマークします
3. ブレースまたは粘着パッチを使用して、電極を皮膚の所定の位置に配置します
4. 試験中、被験者は眼球運動、顎運動を行い、センサーシステムのキャリブレーションのために目を閉じてリラックスするよう求められます。
5. 実験計画に応じて、被験者は上記の物理的状態（仰臥位覚醒、仰臥位睡眠、左右横臥位覚醒、左右横臥位、座位、立位、歩行）を想定することができる。
6. 通常、テストの所要時間は 15 分から 12 時間です。
7. リアルタイムEEG、EOG、EMG測定のための被験者上の電極位置は、図6に示すようになります。 EEG 電極が額領域 (バンド) に配置されている場合、EOG 電極は目の周りに配置され、基準電極は両側の乳様突起骨にあり、EMG 電極ペア (2 つの電極は少なくとも 2mm 離れて配置されています) があごにあります。 .

図 6 1.9 被験者の活動量（アクチグラフィ）計測用加速度・回転検出センサ

1. ベッドや椅子に楽に座る
2. ブレースを使用して、加速度および回転検出センサーを皮膚の所定の位置に配置します
3. 実験計画に応じて、被験者は上記の物理的状態 (仰臥位、座位、立位、歩行、適度な運動) を想定する場合があります。
4. 通常、テストの所要時間は 15 分から 12 時間です。
5. リアルタイム活動測定のための被験者のセンサー位置は、図 7 に示すようになります。

図 7