Smart tekstilsensorsystem for helseovervåking

Prosedyrer som involverer mennesker:

Sensorene - elektroder, lederkanaler og halvlederkanaler - er i direkte kontakt (med kroppen) eller indirekte kontakt gjennom et forbigående lag av polyimid eller silikongummi. Forsterkerne vil øke mikrovoltsignalene inn i området hvor de kan digitaliseres nøyaktig ved hjelp av analog til digital omformer. Deretter vil et trådløst datakommunikasjonssystem overføre og motta de digitaliserte dataene og en personlig datamaskin (eller annen relevant enhet) vil lagre og vise de registrerte dataene. Sensorene som brukes til måling av bioimpedans vil sende en modulert strøm på 1-5 mA (rms) ved 30kHz til 100kHz gjennom huden inn i objektets kropp. Dette systemet vil bli drevet av en 3,7 V batterikilde. Sensorsystemet(e) vil trekke strøm gjennom dette systemet. Sensorsystemene som vil bli brukt til denne studien er:

1. Gjenbrukbare flate gull- og nanotrådelektroder (gull eller platina eller titan) for EKG, ICG, TTI, EEG, EOG, EMG måling.
2. Gjenbrukbar nanoteksturert tekstil belagt med en tynn film av metall (gull eller sølv eller platina eller titan) elektroder for EKG, ICG, TTI, EEG, EOG, EMG måling.
3. Gjenbrukbar hjertelydsensor, forsterkerkrets, for hjertelydmåling.
4. Gjenbrukbar sensor, temperaturavhengig motstandskrets, for måling av kroppstemperatur.
5. Gjenbrukbar sensor, belastningsavhengig motstandskrets, for måling av respirasjonsanstrengelse.
6. Gjenbrukbar sensor, piezoelektriske kretser, for blodtrykksmåling.
7. Gjenbrukbar akselerasjons- og rotasjonsdeteksjonssensor med hensyn til x,y,z-aksen. sensor, forsterkerkretser, for måling av aktivitet (aktigrafi) til forsøkspersonene.
8. Gjenbrukbar optoelektronisk sensor, forsterkerkretser, for måling av oksygennivå i blodet.
9. Gjenbrukbar sensor, piezoelektriske og optoelektroniske kretser, for pulsmåling.
10. Et bærbart trådløst system: kompakte innebygde systemer og et bærbart batteri, innelukket i en solid ebonittboks.

Sensorene vil bli produsert på polyimid (KAPTON®) og polyesterfilmer, og tekstilstoff og må monteres på motivets hud. Dette vil bli oppnådd ved å bruke standard kirurgisk vanntett tape eller seler laget av materialer som polyester, nylon, silikongummi og tekstilstoff. Til enhver tid vil dette polyimid- eller polyestermaterialet være den eneste komponenten i kontakt med testpersonens hud. Sensoropptakene vil bli tatt fra testpersonene i forskjellige fysiske tilstander: ryggleie, sittende og avslappet, stå opp og/eller gå raskt, delta i moderat streng trening (ikke kardiovaskulær trening).

1 Enhetsspesifikke protokoller: 1.1 EKG-målinger med tørre elektroder:

1. Sitt komfortabelt på en seng eller stol
2. Merk elektrodeposisjonen på huden.
3. Etter rengjøring av huden, plasser elektrodene på plass med en bøyle.
4. Avhengig av eksperimentdesignet kan testpersonen anta de nevnte fysiske tilstandene (ryggliggende, sittende, stående, gå, moderat trening).
5. Typisk varighet av testen vil vare i 30 min - 1 time.
6. Elektrodeposisjonene, på testpersonen, for sanntids EKG-måling vil være som vist i figur 1. Elektrodene 7, 8, 9 og 10 utgjør det drevne høyrebenet Einthoven utvidet ledningssystem. Elektrodene 1 til 6 er brystkabler som brukes som en del av standard 12-elektrodesystem.

Figur 1: Elektrodeplasseringskart for EKG-signalinnsamling i sanntid. 1.2 Måling av hudkontaktimpedans med tørre elektroder:

Prosedyren vil bli utført av en utdannet operatør. Trinnene er som følger:

1. Personen vil bli bedt om å sitte komfortabelt på en seng eller stol.
2. Elektrodeposisjonene vil være merket på armen.
3. Etter rengjøring av huden, plasser elektrodene på plass ved hjelp av seler.
4. Elektrodene er koblet til elektrodeimpedansmåleren.
5. Impedansavlesningene vil bli tabellert (manuelt) med intervaller på opptil 15 minutter. Varigheten av eksperimentet vil variere fra 60 til 90 minutter.

Med jevne mellomrom vil operatøren spørre forsøkspersonen om noen prikkefølelse på forsøkspersonens arm. Dette vil tjene som en forholdsregel. Imidlertid er impedansmåleren (i bruk) en dedikert enhet for måling av hud-elektrode-kontaktimpedans.

1.3 Respirasjonssensor: Respirasjonssensoren er produsert med enhetens elektronikk på fleksible underlag (filmer): polyimid (KAPTON ®), silikongummi, polyetylennaftalat. Disse sensorene vil bli montert på enten elastisk polyesterstropp eller uelastisk nylonstropp. De eneste materialene som kommer i direkte kontakt med huden vil være nylon/polyesterbånd og silikon eller KAPTON. Stroppen vil måtte bæres rundt midriffen der den effektive økningen og reduksjonen i diameter er maksimal under henholdsvis inn- og utpust. Alle ledninger som fører til sensoren vil være kommersielt tilgjengelige isolerte kobber/nikkelkabler.

1.3.1 Prosedyre som involverer testperson:

1. Den elastiske/nylonstroppen vil bæres av motivet rundt nedre del av magen som angitt i figur 2.

   Figur 2: Strategi for montering av respirasjonssensoren for innhenting av respirasjonsanstrengelsessignaler i sanntid

2. Personen vil bli bedt om å utføre følgende pustemønstre:

1. Korte grunne pust. 2. Dype pust. 3. Hold pusten etter dyp innånding. 4. Hold pusten etter dyp utpust. 5. Normal pust etter forskjellige intervaller fra 1 sekund til 10 sekunder.

Testene ovenfor som involverer forskjellige pustemønstre er ment å være uttømmende når det gjelder alle praktisk observerte pustemønstre. Disse forholdene dekker også de fysiske tilstandene (ryggliggende, sittende, stående, gå, moderat trening) beskrevet i den innledende delen av avsnitt 2. Tidsperioden for signalinnsamling vil være subjektiv for kalibreringseksperimentet eller hypotesen som testes.

For standardisering av denne sensoren vil også kommersielt tilgjengelig respirasjonssensor monteres samtidig og målinger sammenlignes.

1.4 Kroppstemperatursensor: Denne sensoren brukes til å måle kroppstemperaturen ved huden. I likhet med respirasjonssensoren vil enhetens kretsløp være på fleksibelt underlag. Det eneste materialet som kommer i kontakt med huden til testpersonen vil være KAPTON®. Sensoren vil bli pakket for å isolere den elektrisk fra individets kropp. Alle ledninger som fører til sensoren vil være kommersielt tilgjengelige isolerte kobber/nikkelkabler.

1.4.1 Prosedyre som involverer testperson:

1. Sensoren vil bli plassert på siden av testpersonen under armhulen (for aksial temperatur), på brystet over brystbenet, ryggen eller ansiktet som vist i figur 3.

2. Forsøkspersonen vil også bli bedt om å bære en kommersielt tilgjengelig tørrpæretemperatursensor på huden i områdene som er uthevet i figur 3.

   Figur 3: Strategi for montering av temperatursensor for sanntidssignalinnsamling.

3. Avlesningene vil bli tatt innendørs og utendørs.
4. Datainnsamling vil gjøres mens forsøkspersonen er i de fysiske tilstandene (ryggliggende, sittende, stående, gå, moderat trening) nevnt i seksjon 2.

1.5 Blodtrykks- og pulsfrekvenssensor: Denne sensoren vil bli brukt til måling av arterielt blodtrykk og pulsfrekvens, hjertelyd og oksygennivå i blodet på en ikke-invasiv måte. Enhetens kretser består av MEMS-mikrofon, piezoelektrisk eller optoelektronisk transduser(er) montert på en polyimid (KAPTON ®) eller polyesterfilm. Optoelektroniske komponenter har energispredning på mindre enn 0,5 watt. MEMS-mikrofonen er en hyllevare elektronisk komponent som opererer på 1,8 til 3,3 V og trekker 180 til 250 µA. Denne filmen vil være i kontakt med testpersonens hud. Sensoren vil bli montert på forsøkspersonens venstre underarm, brystben eller rygg, som vist i figur 4. Sensoren vil være elektrisk isolert fra forsøkspersonens kropp. Alle ledninger som fører til sensoren vil være kommersielt tilgjengelige isolerte kobber/nikkelkabler.

1.5.1 Prosedyre som involverer testperson:

1. Før testen påbegynnes, vil standard pulsfrekvens og blodtrykk og oksygennivå i blodet bli tatt ved hjelp av et kommersielt pulsoksymeter og blodtrykksmansjett.

2. Blodtrykks-, hjertelyd- og pulssensorene vil være montert på venstre underarm, brystbenet eller baksiden av motivet (Figur 4).

   Figur 4: Strategi for montering av blodtrykks- og pulssensorsystem

3. Puls, oksygennivå i blodet, hjertelyd og blodtrykksdata vil bli registrert mens personen er i fysiske tilstander (ryggliggende, sittende, stående, gå, moderat trening).
4. Under testen vil forsøkspersonen bli bedt om å bruke det kommersielle pulsoksymeteret for sanntidssammenligning av pulsfrekvens og oksygennivå i blodet.

1.6 Bioimpedansmåling med tørre elektroder

1. Sitt komfortabelt på sengen eller stolen
2. Merk elektrodeposisjonen på huden
3. Plasser elektrodene på plass på huden med en bøyle
4. Avhengig av eksperimentdesignet kan testpersonen anta de nevnte fysiske tilstandene (ryggliggende, sittende, stående, gå, moderat trening).
5. Typisk varighet av testen vil vare i 15 minutter til 12 timer
6. Elektrodeposisjonene på testpersonen for sanntids bioimpedansmåling vil være som vist i figur 5.
7. Bioimpedansmåling vil bli utført ved å bruke 4 elektroder plassert på huden som vist i figur 5. En modulert strøm på 1-5 mA (rms) ved 30kHz til 100kHz føres gjennom individets kropp mellom to elektrodene 1,4 eller 5,8 og resulterende endring i biopotensialet måles mellom to elektrodene 2,3 eller 4,6. Bioimpedans måles av en konverteringskrets som er en del av det trådløse datakommunikasjonssystemet. En lignende plassering av 4 elektroder vil bli gjort på armen, pannen, nakken, overkroppen eller benregionen til forsøkspersonens kropp basert på studiemålet.

1.7 Hjertelydmåling med hjertelydsensor

1. Sitt komfortabelt på sengen eller stolen
2. Merk elektrodeposisjonen på huden
3. Plasser hjertelydsensoren på plass på huden med en bøyle
4. Avhengig av eksperimentdesignet kan testpersonen anta de nevnte fysiske tilstandene (ryggliggende, sittende, stående, gå, moderat trening).
5. Typisk varighet av testen vil vare i 15 minutter til 12 timer
6. Sensorposisjonen 9, på testpersonen, for sanntids bioimpedansmåling vil være som vist i figur 5.

Figur 5 1.8 EEG-, EOG- og EMG-måling med tørre elektroder

1. Sitt komfortabelt på sengen eller stolen
2. Merk elektrodeposisjonen på huden
3. Plasser elektrodene på plass på huden med en bøyle eller med selvklebende lapper
4. Under testen vil forsøkspersonen bli bedt om å utføre øyebevegelser, kjevebevegelser og slappe av med øynene lukket for å kalibrere sensorsystemet.
5. Avhengig av eksperimentdesignet kan testpersonen anta de nevnte fysiske tilstandene (ryggliggende våken, liggende søvn, høyre og venstre lateral våken, høyre og venstre lateral søvn, sittende, stående, gå).
6. Typisk varighet av testen vil vare i 15 minutter til 12 timer
7. Elektrodeposisjonene, på testpersonen, for sanntidsmåling av EEG, EOG, EMG vil være som vist i figur 6. Der EEG-elektroder er plassert på panneregionen (båndet), plasseres EOG-elektrodene rundt øyet(e) med en referanseelektrode på mastoidbenet på hver side og EMG-elektrodeparet (2 elektroder plassert minst 2 mm fra hverandre) på haken .

Figur 6 1.9 Akselerasjons- og rotasjonsdeteksjonssensor for måling av aktivitet (aktigrafi) til forsøkspersonene

1. Sitt komfortabelt på sengen eller stolen
2. Plasser akselerasjons- og rotasjonsdeteksjonssensoren på plass på huden med en bøyle
3. Avhengig av eksperimentdesignet kan testpersonen anta de nevnte fysiske tilstandene (ryggliggende, sittende, stående, gå, moderat trening).
4. Typisk varighet av testen vil vare i 15 minutter til 12 timer
5. Sensorposisjonen på testpersonen for sanntidsaktivitetsmåling vil være som vist i figur 7.

Figur 7