Sistema de Sensor Têxtil Inteligente para Monitoramento de Saúde

Procedimentos envolvendo pessoas:

Os sensores - eletrodos, canais condutores e canais semicondutores - estão em contato direto (com o corpo) ou indireto através de uma camada transitória de poliimida ou borracha de silicone. Os amplificadores aumentarão os sinais de microvolt na faixa em que podem ser digitalizados com precisão usando o conversor analógico para digital. Posteriormente, um sistema de comunicação de dados sem fio transmitirá e receberá os dados digitalizados e um computador pessoal (ou outro dispositivo relevante) armazenará e exibirá os dados gravados. Os sensores usados ​​para medição de bioimpedância passarão uma corrente modulada de 1-5 mA (rms) a 30 kHz a 100 kHz através da pele até o corpo do sujeito. Este sistema será alimentado por uma fonte de bateria de 3,7 V. O(s) sistema(s) de sensor(es) consumirão energia através deste sistema. Os sistemas de sensores que serão utilizados para este estudo são:

1. Eletrodos planos reutilizáveis ​​de ouro e nanofios (ouro ou platina ou titânio) para medição de ECG, ICG, TTI, EEG, EOG, EMG.
2. Têxtil nanotexturizado reutilizável revestido com uma película fina de eletrodos de metal (ouro ou prata ou platina ou titânio) para medição de ECG, ICG, TTI, EEG, EOG, EMG.
3. Sensor de som cardíaco reutilizável, circuito amplificador, para medição de som cardíaco.
4. Sensor reutilizável, circuito de resistor dependente de temperatura, para medição de temperatura corporal.
5. Sensor reutilizável, circuito de resistor dependente de tensão, para medição do esforço respiratório.
6. Sensor reutilizável, circuito piezoelétrico, para medição de pressão arterial.
7. Sensor de detecção de aceleração e rotação reutilizável em relação ao eixo x,y,z. sensor, circuito amplificador, para medição da atividade (actigrafia) dos sujeitos.
8. Sensor optoeletrônico reutilizável, circuito amplificador, para medição do nível de oxigênio no sangue.
9. Sensor reutilizável, circuitos piezoelétricos e optoeletrônicos, para medição de frequência de pulso.
10. Um sistema sem fio vestível: sistemas embutidos compactos e uma bateria portátil, embalados em uma caixa resistente de ebonite.

Os sensores serão fabricados em poliimida (KAPTON®) e filmes de poliéster e tecido têxtil e precisarão ser montados na pele do indivíduo. Isso será feito usando fita cirúrgica à prova d'água padrão ou braçadeiras feitas de materiais como poliéster, náilon, folha de borracha de silicone e tecido têxtil. Em todos os momentos, este material de poliimida ou poliéster será o único componente em contato com a pele do sujeito do teste. As gravações do sensor serão tiradas dos participantes do teste em diferentes estados físicos: posição supina, sentado e relaxado, em pé e/ou andando rapidamente, praticando exercícios moderadamente rigorosos (não exercícios cardiovasculares).

1 Protocolos específicos do dispositivo: 1.1 Medições de ECG com eletrodos secos:

1. Sente-se confortavelmente em uma cama ou cadeira
2. Marque a posição do eletrodo na pele.
3. Depois de limpar a pele, coloque os eletrodos na posição com um suporte.
4. Dependendo do desenho do experimento, o sujeito do teste pode assumir os referidos estados físicos (supino, sentado, em pé, andando, exercício moderado).
5. A duração típica do teste será de 30 minutos a 1 hora.
6. As posições dos eletrodos, no sujeito do teste, para medição de ECG em tempo real serão as mostradas na figura 1. Os eletrodos 7, 8, 9 e 10 constituem o sistema de eletrodos aumentados de Einthoven da perna direita acionada. Os eletrodos de 1 a 6 são eletrodos torácicos usados ​​como parte do sistema padrão de 12 eletrodos.

Figura 1: Mapa de colocação de eletrodos para aquisição de sinal de ECG em tempo real. 1.2 Medição de impedância de contato com a pele com eletrodos secos:

O procedimento será realizado por um operador treinado. As etapas são as seguintes:

1. O sujeito será solicitado a sentar-se confortavelmente em uma cama ou cadeira.
2. As posições dos eletrodos serão marcadas no braço.
3. Após a limpeza da pele, coloque os eletrodos em posição com o auxílio de órteses.
4. Os eletrodos são conectados ao medidor de impedância do eletrodo.
5. As leituras de impedância serão tabuladas (manualmente) em intervalos de até 15 minutos. A duração do experimento varia de 60 a 90 minutos.

Em intervalos regulares, o operador perguntará ao sujeito sobre qualquer sensação de formigamento no braço do sujeito. Isso servirá como precaução. No entanto, o medidor de impedância (em uso) é um dispositivo dedicado para medir a impedância de contato do eletrodo com a pele.

1.3 Sensor de respiração: O sensor de respiração foi fabricado com a eletrônica do dispositivo em substratos flexíveis (filmes): poliimida (KAPTON ®), borracha de silicone, naftalato de polietileno. Esses sensores serão montados em cinta de poliéster elástica ou cinta de náilon inelástica. Os únicos materiais em contato direto com a pele serão a cinta de nylon/poliéster e o silicone ou KAPTON. A cinta terá que ser usada ao redor do diafragma, onde o aumento efetivo e a diminuição do diâmetro são máximos durante a inspiração e expiração, respectivamente. Todos os fios que levam ao sensor serão cabos de cobre/níquel isolados disponíveis comercialmente.

1.3.1 Procedimento envolvendo a cobaia:

1. A cinta elástica/nylon será usada pelo sujeito ao redor do abdome inferior conforme indicado na figura 2.

   Figura 2: Estratégia para montagem do sensor de respiração para aquisição do sinal de esforço respiratório em tempo real

2. O sujeito será solicitado a realizar os seguintes padrões de respiração:

1. Respirações curtas e superficiais. 2. Respire fundo. 3. Prenda a respiração após a inspiração profunda. 4. Prenda a respiração após uma expiração profunda. 5. Respirações normais após diferentes intervalos variando de 1 segundo a 10 segundos.

Os testes acima envolvendo diferentes padrões de respiração pretendem ser exaustivos em termos de todos os padrões de respiração observados na prática. Além disso, essas condições cobrem de forma abrangente os estados físicos (supino, sentado, em pé, andando, exercício moderado) descritos na parte inicial da seção 2. O período de tempo de aquisição do sinal será subjetivo ao experimento de calibração ou à hipótese sendo testada.

Para a padronização deste sensor, um sensor de respiração disponível comercialmente também será montado simultaneamente e as medições serão comparadas.

1.4 Sensor de Temperatura Corporal: Este sensor será utilizado para medir a temperatura corporal na pele. Semelhante ao sensor de respiração, o circuito do dispositivo estará em um substrato flexível. O único material em contato com a pele do sujeito do teste será o KAPTON®. O sensor será embalado para isolá-lo eletricamente do corpo do sujeito. Todos os fios que levam ao sensor serão cabos de cobre/níquel isolados disponíveis comercialmente.

1.4.1 Procedimento envolvendo a cobaia:

1. O sensor será colocado na lateral do sujeito do teste abaixo da axila (para Temperatura Axial), no peito acima do esterno, nas costas ou no rosto, conforme mostrado na figura 3.

2. O sujeito também será solicitado a usar um sensor de temperatura de bulbo seco disponível comercialmente na pele nas regiões destacadas na figura 3.

   Figura 3: Estratégia para montagem do sensor de temperatura para aquisição de sinal em tempo real.

3. As leituras serão feitas em ambientes internos e externos.
4. A aquisição de dados será feita enquanto o sujeito estiver nos estados físicos (supino, sentado, em pé, andando, exercício moderado) mencionados na seção 2.

1.5 Sensor de pressão arterial e frequência cardíaca: Este sensor será usado para medição da pressão arterial e frequência cardíaca, som cardíaco e nível de oxigênio no sangue de forma não invasiva. O circuito do dispositivo compreende um microfone MEMS, transdutor(es) piezoelétrico(s) ou optoeletrônico(s) montado(s) em um filme de poliimida (KAPTON ®) ou poliéster. Os componentes optoeletrônicos têm dissipação de energia inferior a 0,5 Watt. O microfone MEMS é um componente eletrônico pronto para uso operando em 1,8 a 3,3 V e consumindo 180 a 250 µA. Este filme estará em contato com a pele do sujeito do teste. O sensor será montado no antebraço esquerdo, esterno ou costas do sujeito, conforme mostrado na figura 4. O sensor será eletricamente isolado do corpo do sujeito. Todos os fios que levam ao sensor serão cabos de cobre/níquel isolados disponíveis comercialmente.

1.5.1 Procedimento envolvendo a cobaia:

1. Antes de iniciar o teste, as leituras padrão da pulsação, da pressão arterial e do nível de oxigênio no sangue serão feitas com a ajuda de um oxímetro de pulso comercial e um manguito de pressão arterial.

2. Os sensores de pressão arterial, som cardíaco e frequência de pulso serão montados no antebraço esquerdo, esterno ou nas costas do sujeito (Figura 4).

   Figura 4: Estratégia para montagem do sistema de sensores de pressão arterial e pulsação

3. Os dados de pulso, nível de oxigênio no sangue, som cardíaco e pressão arterial serão registrados enquanto o sujeito estiver nos estados físicos (supino, sentado, em pé, andando, exercício moderado).
4. Durante o teste, o sujeito será solicitado a usar o oxímetro de pulso comercial para comparação em tempo real da taxa de pulso e dos valores do nível de oxigênio no sangue.

1.6 Medição de Bioimpedância com Eletrodos Secos

1. Sente-se confortavelmente na cama ou cadeira
2. Marque a posição do eletrodo na pele
3. Coloque os eletrodos em posição na pele com uma cinta
4. Dependendo do desenho do experimento, o sujeito do teste pode assumir os referidos estados físicos (supino, sentado, em pé, andando, exercício moderado).
5. A duração típica do teste será de 15 minutos a 12 horas
6. As posições dos eletrodos, no sujeito do teste, para medição de bioimpedância em tempo real serão as mostradas na figura 5.
7. A medição da bioimpedância será feita usando 4 eletrodos colocados na pele conforme mostrado na figura 5. Uma corrente modulada de 1-5 mA (rms) a 30 kHz a 100 kHz é passada através do corpo do sujeito entre dois eletrodos 1,4 ou 5,8 e a mudança resultante no biopotencial é medida entre dois eletrodos 2,3 ou 4,6. A bioimpedância é medida por um circuito de conversão que faz parte do sistema de comunicação de dados sem fio. Uma colocação semelhante de 4 eletrodos será feita no braço, testa, pescoço, tronco ou região da perna do corpo do sujeito com base no objetivo do estudo.

1.7 Medição do som cardíaco com sensor de som cardíaco

1. Sente-se confortavelmente na cama ou cadeira
2. Marque a posição do eletrodo na pele
3. Coloque o sensor de som cardíaco na posição na pele com uma cinta
4. Dependendo do desenho do experimento, o sujeito do teste pode assumir os referidos estados físicos (supino, sentado, em pé, andando, exercício moderado).
5. A duração típica do teste será de 15 minutos a 12 horas
6. A posição do sensor 9, no sujeito de teste, para medição de bioimpedância em tempo real será conforme a figura 5.

Figura 5 1.8 Medição de EEG, EOG e EMG com eletrodos secos

1. Sente-se confortavelmente na cama ou cadeira
2. Marque a posição do eletrodo na pele
3. Posicione os eletrodos na pele com uma cinta ou adesivos
4. Durante o teste o sujeito será solicitado a realizar movimentos oculares, movimentos mandibulares e relaxar com os olhos fechados para fins de calibração do sistema sensor.
5. Dependendo do desenho do experimento, o sujeito do teste pode assumir os referidos estados físicos (supino acordado, supino dormindo, direito e esquerdo acordado, direito e esquerdo dormindo, sentado, em pé, andando).
6. A duração típica do teste será de 15 minutos a 12 horas
7. As posições dos eletrodos, no sujeito do teste, para medições de EEG, EOG, EMG em tempo real serão as mostradas na figura 6. Onde os eletrodos de EEG são colocados na região da testa (faixa), os eletrodos de EOG são colocados ao redor do(s) olho(s) com um eletrodo de referência no osso mastóide de cada lado e um par de eletrodos de EMG (2 eletrodos colocados a pelo menos 2 mm de distância) no queixo .

Figura 6 1.9 Sensor de detecção de aceleração e rotação para medição da atividade (actigrafia) dos sujeitos

1. Sente-se confortavelmente na cama ou cadeira
2. Coloque o sensor de detecção de aceleração e rotação em posição na pele com uma cinta
3. Dependendo do desenho do experimento, o sujeito do teste pode assumir os referidos estados físicos (supino, sentado, em pé, andando, exercício moderado).
4. A duração típica do teste será de 15 minutos a 12 horas
5. A posição do sensor, no sujeito de teste, para medição de atividade em tempo real será conforme mostrado na figura 7.

Figura 7