Slim textielsensorsysteem voor gezondheidsmonitoring

Procedures waarbij mensen betrokken zijn:

De sensoren - elektroden, geleiderkanalen en halfgeleiderkanalen - staan ​​in direct contact (met het lichaam) of indirect contact via een tijdelijke laag polyimide of siliconenrubber. De versterkers versterken de microvolt-signalen naar het bereik waar ze nauwkeurig kunnen worden gedigitaliseerd met behulp van een analoog-naar-digitaalomzetter. Vervolgens zal een draadloos datacommunicatiesysteem de gedigitaliseerde gegevens verzenden en ontvangen en zal een personal computer (of ander relevant apparaat) de geregistreerde gegevens opslaan en weergeven. De sensoren die worden gebruikt voor het meten van bio-impedantie zullen een gemoduleerde stroom van 1-5 mA (rms) bij 30 kHz tot 100 kHz door de huid in het lichaam van de patiënt sturen. Dit systeem wordt gevoed door een batterij van 3,7 V. Het (de) sensorsysteem(en) zullen stroom trekken via dit systeem. De sensorsystemen die voor dit onderzoek gebruikt zullen worden zijn:

1. Herbruikbare platte goud- en nanodraadelektroden (goud of platina of titanium) voor ECG-, ICG-, TTI-, EEG-, EOG-, EMG-metingen.
2. Herbruikbaar textiel met nanotextuur gecoat met een dunne film van metalen (goud of zilver of platina of titanium) elektroden voor ECG-, ICG-, TTI-, EEG-, EOG-, EMG-metingen.
3. Herbruikbare hartgeluidsensor, versterkercircuits, voor hartgeluidmeting.
4. Herbruikbare sensor, temperatuurafhankelijk weerstandscircuit, voor het meten van de lichaamstemperatuur.
5. Herbruikbare sensor, spanningsafhankelijk weerstandscircuit, voor het meten van ademhalingsinspanning.
6. Herbruikbare sensor, piëzo-elektrisch circuit, voor bloeddrukmeting.
7. Herbruikbare sensor voor versnellings- en rotatiedetectie ten opzichte van de x-, y- en z-as. sensor, versterkercircuits, voor het meten van activiteit (actigrafie) van de proefpersonen.
8. Herbruikbare opto-elektronische sensor, versterkerschakeling, voor meting van het zuurstofgehalte in het bloed.
9. Herbruikbare sensor, piëzo-elektrische en opto-elektronische circuits, voor hartslagmeting.
10. Een draagbaar draadloos systeem: compacte embedded systemen en een draagbare batterij, verpakt in een stevige ebonieten doos.

De sensoren worden vervaardigd op polyimide (KAPTON®) en polyesterfilms en textielweefsel en moeten op de huid van de proefpersoon worden gemonteerd. Dit wordt bereikt door standaard chirurgische waterdichte tape of beugels te gebruiken die zijn gemaakt van materialen zoals polyester, nylon, siliconenrubber en textiel. Dit polyimide- of polyestermateriaal zal te allen tijde het enige bestanddeel zijn dat in contact komt met de huid van de proefpersoon. De sensoropnamen worden gemaakt van de proefpersonen in verschillende fysieke toestanden: rugligging, zitten en ontspannen, opstaan ​​en/of snel lopen, matig zware inspanning leveren (geen cardiovasculaire inspanning).

1 Apparaatspecifieke protocollen: 1.1 ECG-metingen met droge elektroden:

1. Ga comfortabel op een bed of stoel zitten
2. Markeer de positie van de elektrode op de huid.
3. Plaats de elektroden na het reinigen van de huid op hun plaats met een beugel.
4. Afhankelijk van de opzet van het experiment kan de proefpersoon de genoemde fysieke toestanden (liggen, zitten, staan, lopen, matige inspanning) aannemen.
5. De typische duur van de test duurt 30 min - 1 uur.
6. De elektrodeposities, op de proefpersoon, voor real-time ECG-meting zullen zijn zoals getoond in figuur 1. Elektroden 7, 8, 9 en 10 vormen het aangedreven rechterbeen Einthoven augmented lead-systeem. Elektroden 1 tot en met 6 zijn borstkasafleidingen die worden gebruikt als onderdeel van het standaardsysteem met 12 elektroden.

Afbeelding 1: kaart voor plaatsing van elektroden voor real-time ECG-signaalacquisitie. 1.2 Huidcontactimpedantiemeting met droge elektroden:

De procedure wordt uitgevoerd door een getrainde operator. De stappen zijn als volgt:

1. De proefpersoon wordt gevraagd comfortabel op een bed of stoel te gaan zitten.
2. De elektrodeposities worden op de arm gemarkeerd.
3. Plaats na het reinigen van de huid de elektroden met behulp van beugels op hun plaats.
4. De elektroden zijn verbonden met de elektrode-impedantiemeter.
5. De impedantiemetingen worden (handmatig) getabelleerd met intervallen van maximaal 15 minuten. De duur van het experiment varieert van 60 tot 90 minuten.

Met regelmatige tussenpozen zal de operator de proefpersoon vragen naar een tintelend gevoel op de arm van de proefpersoon. Dit zal dienen als voorzorgsmaatregel. De impedantiemeter (in gebruik) is echter een speciaal apparaat voor het meten van de contactimpedantie van de huidelektrode.

1.3 Ademhalingssensor: De ademhalingssensor is gefabriceerd met de elektronica van het apparaat op flexibele substraten (films): polyimide (KAPTON ®), siliconenrubber, polyethyleennaftalaat. Deze sensoren worden gemonteerd op een elastische polyester band of een niet-elastische nylon band. De enige materialen die in direct contact komen met de huid zijn de nylon/polyester band en siliconen of KAPTON. De band zal rond het middenrif gedragen moeten worden waar de effectieve toename en afname in diameter maximaal is tijdens respectievelijk inademen en uitademen. Alle draden die naar de sensor leiden, zijn in de handel verkrijgbare geïsoleerde koperen/nikkelkabels.

1.3.1 Werkwijze proefpersoon:

1. De elastische/nylonband wordt door de proefpersoon rond de onderbuik gedragen, zoals aangegeven in afbeelding 2.

   Figuur 2: Strategie voor het monteren van de ademhalingssensor voor real-time signaalverwerving van ademhalingsinspanning

2. Het onderwerp zal worden gevraagd om de volgende ademhalingspatronen uit te voeren:

1. Korte, oppervlakkige ademhalingen. 2. Diep ademhalen. 3. Houd de adem in na diep inademen. 4. Houd de adem in na een diepe uitademing. 5. Normaal ademt na verschillende intervallen variërend van 1 seconde tot 10 seconden.

De bovenstaande tests met verschillende ademhalingspatronen zijn bedoeld als uitputtend overzicht van alle praktisch waargenomen ademhalingspatronen. Deze omstandigheden dekken ook volledig de fysieke toestanden (liggen, zitten, staan, lopen, matige lichaamsbeweging) beschreven in het eerste deel van sectie 2. De tijdsperiode voor signaalverwerving zal afhankelijk zijn van het kalibratie-experiment of de hypothese die wordt getest.

Voor de standaardisatie van deze sensor zal gelijktijdig ook een in de handel verkrijgbare ademhalingssensor worden gemonteerd en zullen metingen worden vergeleken.

1.4 Lichaamstemperatuursensor: Deze sensor wordt gebruikt om de lichaamstemperatuur op de huid te meten. Net als bij de ademhalingssensor, bevindt het circuit van het apparaat zich op een flexibel substraat. Het enige materiaal dat in contact komt met de huid van de proefpersoon is KAPTON®. De sensor wordt verpakt om hem elektrisch te isoleren van het lichaam van de proefpersoon. Alle draden die naar de sensor leiden, zijn in de handel verkrijgbare geïsoleerde koperen/nikkelkabels.

1.4.1 Werkwijze proefpersoon:

1. De sensor wordt aan de zijkant van de proefpersoon onder de oksel (voor axiale temperatuur), op de borst boven het borstbeen, rug of gezicht geplaatst zoals weergegeven in figuur 3.

2. De proefpersoon zal ook worden gevraagd om een ​​in de handel verkrijgbare droge bol-temperatuursensor op de huid te dragen in de gebieden die zijn gemarkeerd in figuur 3.

   Afbeelding 3: Strategie voor het monteren van de temperatuursensor voor real-time signaalverwerving.

3. De metingen worden zowel binnen als buiten uitgevoerd.
4. Data-acquisitie zal worden gedaan terwijl de proefpersoon zich in de fysieke toestand bevindt (liggend, zittend, staand, lopend, matige lichaamsbeweging) zoals vermeld in sectie 2.

1.5 Bloeddruk- en hartslagsensor: Deze sensor wordt gebruikt voor het op niet-invasieve wijze meten van de arteriële bloeddruk en hartslag, hartgeluid en zuurstofgehalte in het bloed. Het apparaatcircuit bestaat uit een MEMS-microfoon, piëzo-elektrische of opto-elektronische transducer(s) gemonteerd op een polyimide (KAPTON®) of polyesterfilm. Opto-elektronische componenten hebben een energiedissipatie van minder dan 0,5 Watt. MEMS-microfoon is een standaard elektronisch onderdeel dat werkt op 1,8 tot 3,3 V en 180 tot 250 µA trekt. Deze film komt in contact met de huid van de proefpersoon. De sensor wordt op de linker onderarm, borstbeen of rug van de proefpersoon gemonteerd, zoals weergegeven in figuur 4. De sensor wordt elektrisch geïsoleerd van het lichaam van de proefpersoon. Alle draden die naar de sensor leiden, zijn in de handel verkrijgbare geïsoleerde koperen/nikkelkabels.

1.5.1 Werkwijze proefpersoon:

1. Voordat met de test wordt begonnen, worden standaard polsslag- en bloeddruk- en bloedzuurstofwaarden gemeten met behulp van een in de handel verkrijgbare pulsoxymeter en bloeddrukmanchet.

2. De bloeddruk-, hartgeluid- en hartslagsensoren worden op de linker onderarm, het borstbeen of de achterkant van de proefpersoon gemonteerd (figuur 4).

   Afbeelding 4: Strategie voor het monteren van een bloeddruk- en hartslagsensorsysteem

3. Puls, zuurstofgehalte in het bloed, hartgeluid en bloeddrukgegevens worden geregistreerd terwijl de proefpersoon zich in de fysieke toestand bevindt (liggend, zittend, staand, lopend, matige inspanning).
4. Tijdens de test wordt de proefpersoon gevraagd om de in de handel verkrijgbare pulsoxymeter te dragen voor real-time vergelijking van polsslag en bloedzuurstofniveauwaarden.

1.6 Bio-impedantiemeting met droge elektroden

1. Ga comfortabel op bed of stoel zitten
2. Markeer de positie van de elektrode op de huid
3. Plaats elektroden in positie op de huid met een beugel
4. Afhankelijk van de opzet van het experiment kan de proefpersoon de genoemde fysieke toestanden (liggen, zitten, staan, lopen, matige inspanning) aannemen.
5. De typische duur van de test duurt 15 minuten tot 12 uur
6. De elektrodeposities, op de proefpersoon, voor real-time bio-impedantiemeting zullen zijn zoals getoond in figuur 5.
7. De bio-impedantiemeting wordt uitgevoerd met behulp van 4 elektroden die op de huid worden geplaatst, zoals weergegeven in figuur 5. Een gemoduleerde stroom van 1-5 mA (rms) bij 30 kHz tot 100 kHz wordt door het lichaam van de patiënt gevoerd tussen twee elektroden 1,4 of 5,8 en de resulterende verandering in biopotentiaal wordt gemeten tussen twee elektroden 2,3 of 4,6. Bio-impedantie wordt gemeten door een conversiecircuit dat deel uitmaakt van het draadloze datacommunicatiesysteem. Een vergelijkbare plaatsing van 4 elektroden zal worden gedaan op de arm, het voorhoofd, de nek, de romp of het beengebied van het lichaam van de proefpersoon op basis van het doel van de studie.

1.7 Hartgeluidmeting met hartgeluidsensor

1. Ga comfortabel op bed of stoel zitten
2. Markeer de positie van de elektrode op de huid
3. Plaats de hartgeluidsensor met een beugel op de huid
4. Afhankelijk van de opzet van het experiment kan de proefpersoon de genoemde fysieke toestanden (liggen, zitten, staan, lopen, matige inspanning) aannemen.
5. De typische duur van de test duurt 15 minuten tot 12 uur
6. De sensorpositie 9, op de proefpersoon, voor real-time bio-impedantiemeting zal zijn zoals getoond in figuur 5.

Afbeelding 5 1.8 EEG-, EOG- en EMG-meting met droge elektroden

1. Ga comfortabel op bed of stoel zitten
2. Markeer de positie van de elektrode op de huid
3. Plaats elektroden op hun plaats op de huid met een beugel of met zelfklevende pleisters
4. Tijdens de test wordt de proefpersoon gevraagd om oogbewegingen en kaakbewegingen uit te voeren en te ontspannen met gesloten ogen om het sensorsysteem te kalibreren.
5. Afhankelijk van de opzet van het experiment kan de proefpersoon de genoemde fysieke toestanden aannemen (liggend wakker, liggend slapen, rechts en links lateraal wakker, rechts en links lateraal slapen, zitten, staan, lopen).
6. De typische duur van de test duurt 15 minuten tot 12 uur
7. De elektrodeposities, op de proefpersoon, voor real-time EEG-, EOG-, EMG-metingen zijn zoals getoond in figuur 6. Waar EEG-elektroden op het voorhoofdgebied (band) worden geplaatst, worden EOG-elektroden rond het oog (de ogen) geplaatst met een referentie-elektrode op het mastoïdbot aan weerszijden en een EMG-elektrodenpaar (2 elektroden minstens 2 mm uit elkaar geplaatst) op de kin .

Figuur 6 1.9 Versnellings- en rotatiedetectiesensor voor het meten van activiteit (actigrafie) van proefpersonen

1. Ga comfortabel op bed of stoel zitten
2. Plaats de versnellings- en rotatiedetectiesensor met een beugel op de huid
3. Afhankelijk van de opzet van het experiment kan de proefpersoon de genoemde fysieke toestanden (liggen, zitten, staan, lopen, matige inspanning) aannemen.
4. De typische duur van de test duurt 15 minuten tot 12 uur
5. De positie van de sensor, op de proefpersoon, voor real-time activiteitsmeting is zoals getoond in figuur 7.

Figuur 7