Умная текстильная сенсорная система для мониторинга здоровья

Процедуры с участием людей:

Датчики-электроды, проводящие каналы и полупроводниковые каналы находятся в прямом контакте (с телом) или косвенном контакте через переходный слой полиимида или силиконового каучука. Усилители будут повышать микровольтные сигналы до диапазона, в котором их можно будет точно оцифровать с помощью аналого-цифрового преобразователя. Затем система беспроводной передачи данных будет передавать и принимать оцифрованные данные, а персональный компьютер (или другое соответствующее устройство) будет хранить и отображать записанные данные. Датчики, используемые для измерения биоимпеданса, пропускают модулированный ток 1–5 мА (среднеквадратичное значение) с частотой от 30 до 100 кГц через кожу в тело субъекта. Эта система будет питаться от источника питания 3,7 В. Сенсорная(ые) система(ы) будет потреблять энергию через эту систему. Сенсорные системы, которые будут использоваться для этого исследования:

1. Многоразовые плоские золотые и нанопроволочные (золотые, платиновые или титановые) электроды для измерения ЭКГ, ИКГ, ТТИ, ЭЭГ, ЭОГ, ЭМГ.
2. Многоразовые нанотекстурированные текстильные покрытые тонкой пленкой металлические (золотые или серебряные, платиновые или титановые) электроды для измерения ЭКГ, ИКГ, ТТИ, ЭЭГ, ЭОГ, ЭМГ.
3. Многоразовый датчик звука сердца, схема усилителя, для измерения звука сердца.
4. Многоразовый датчик, термозависимая схема резистора, для измерения температуры тела.
5. Многоразовый датчик, схема резистора, зависящего от напряжения, для измерения усилия дыхания.
6. Многоразовый датчик с пьезоэлектрической схемой для измерения артериального давления.
7. Многоразовый датчик ускорения и обнаружения вращения относительно осей x, y, z. датчик, схема усилителя, для измерения активности (актиграфии) испытуемых.
8. Многоразовый оптоэлектронный датчик, схема усилителя, для измерения уровня кислорода в крови.
9. Многоразовый датчик с пьезоэлектрической и оптоэлектронной схемой для измерения частоты пульса.
10. Носимая беспроводная система: компактные встраиваемые системы и портативный аккумулятор, заключенные в прочный эбонитовый ящик.

Датчики будут изготовлены на полиимидной (KAPTON®) и полиэфирной пленке, а также текстильной ткани и должны быть закреплены на коже субъекта. Это будет достигнуто с помощью стандартной хирургической водонепроницаемой ленты или брекетов, изготовленных из таких материалов, как полиэстер, нейлон, лист силиконовой резины и текстильная ткань. Этот полиимидный или полиэфирный материал всегда будет единственным компонентом, контактирующим с кожей испытуемого. Записи сенсоров будут браться у испытуемых в различных физических состояниях: лежа на спине, сидя и расслабленно, вставая и/или быстро идя, занимаясь умеренно интенсивными упражнениями (не сердечно-сосудистыми).

1 Протоколы для конкретных устройств: 1.1 Измерения ЭКГ с помощью сухих электродов:

1. Удобно сядьте на кровать или стул
2. Отметьте положение электрода на коже.
3. После очистки кожи установите электроды на место с помощью скобы.
4. В зависимости от плана эксперимента испытуемый может принимать указанные физические состояния (лежа на спине, сидя, стоя, ходьба, умеренные физические нагрузки).
5. Типичная продолжительность теста будет длиться от 30 минут до 1 часа.
6. Положения электродов на испытуемом для измерения ЭКГ в реальном времени будут такими, как показано на рисунке 1. Электроды 7, 8, 9 и 10 составляют систему усиленных отведений Эйнтховена для правой ноги. Электроды с 1 по 6 представляют собой грудные отведения, используемые как часть стандартной 12-электродной системы.

Рисунок 1: Карта размещения электродов для получения сигнала ЭКГ в реальном времени. 1.2 Измерение импеданса контакта с кожей с помощью сухих электродов:

Процедуру проводит обученный оператор. Шаги следующие:

1. Субъекту будет предложено удобно сесть на кровать или стул.
2. Положения электродов будут отмечены на руке.
3. После очистки кожи установите электроды на место с помощью брекетов.
4. Электроды подключаются к измерителю импеданса электродов.
5. Показания импеданса будут сведены в таблицу (вручную) с интервалом до 15 минут. Продолжительность эксперимента составит от 60 до 90 минут.

Через равные промежутки времени оператор будет спрашивать субъекта о любых покалываниях на руке субъекта. Это послужит предосторожностью. Однако измеритель импеданса (используемый) представляет собой специальное устройство для измерения контактного импеданса электрода кожи.

1.3 Датчик дыхания: Датчик дыхания изготовлен с электронной частью прибора на гибких подложках (пленках): полиимид (KAPTON®), силиконовый каучук, полиэтиленнафталат. Эти датчики крепятся либо на эластичной полиэфирной ленте, либо на неэластичной нейлоновой ленте. Единственными материалами, непосредственно контактирующими с кожей, будут лента из нейлона/полиэстера и силикон или КАПТОН. Ремешок необходимо носить вокруг живота, где эффективное увеличение и уменьшение диаметра максимально во время вдоха и выдоха соответственно. Все провода, ведущие к датчику, представляют собой имеющиеся в продаже медно-никелевые кабели с изоляцией.

1.3.1 Процедура с участием испытуемого:

1. Субъект будет носить эластичный/нейлоновый ремешок вокруг нижней части живота, как показано на рисунке 2.

   Рис. 2. Стратегия установки датчика дыхания для получения сигнала усилия дыхания в режиме реального времени.

2. Испытуемому будет предложено выполнить следующие модели дыхания:

1. Короткие неглубокие вдохи. 2. Глубоко дышит. 3. Задержите дыхание после глубокого вдоха. 4. Задержите дыхание после глубокого выдоха. 5. Нормальное дыхание через разные промежутки времени от 1 секунды до 10 секунд.

Вышеупомянутые тесты, включающие различные паттерны дыхания, должны быть исчерпывающими с точки зрения всех практически наблюдаемых паттернов дыхания. Кроме того, эти условия всесторонне охватывают физические состояния (лежа на спине, сидя, стоя, ходьба, умеренные физические нагрузки), описанные в начальной части раздела 2. Период времени получения сигнала будет зависеть от калибровочного эксперимента или проверяемой гипотезы.

Для стандартизации этого датчика одновременно будет установлен имеющийся в продаже датчик дыхания, и измерения будут сравниваться.

1.4 Датчик температуры тела: Этот датчик будет использоваться для измерения температуры тела на коже. Подобно датчику дыхания, схема устройства будет на гибкой подложке. Единственным материалом, контактирующим с кожей испытуемого, будет КАПТОН®. Датчик будет упакован так, чтобы электрически изолировать его от тела субъекта. Все провода, ведущие к датчику, представляют собой имеющиеся в продаже медно-никелевые кабели с изоляцией.

1.4.1 Процедура с участием испытуемого:

1. Датчик будет помещен сбоку от испытуемого под подмышкой (для осевой температуры), на груди над грудиной, на спине или лице, как показано на рисунке 3.

2. Субъекта также попросят надеть имеющийся в продаже датчик температуры сухого термометра на кожу в областях, выделенных на рисунке 3.

   Рисунок 3: Стратегия монтажа датчика температуры для получения сигнала в режиме реального времени.

3. Показания будут сниматься в помещении и на улице.
4. Сбор данных будет осуществляться, когда субъект находится в физических состояниях (лежа на спине, сидя, стоя, ходьба, умеренные физические нагрузки), упомянутых в разделе 2.

1.5 Датчик артериального давления и частоты пульса: Этот датчик будет использоваться для измерения артериального давления и частоты пульса, сердечного ритма и уровня кислорода в крови неинвазивным способом. Схема устройства состоит из МЭМС-микрофона, пьезоэлектрического или оптоэлектронного преобразователя (преобразователей), закрепленных на полиимидной (KAPTON®) или полиэфирной пленке. Оптоэлектронные компоненты имеют рассеиваемую энергию менее 0,5 Вт. Микрофон MEMS представляет собой готовый электронный компонент, работающий от 1,8 до 3,3 В и потребляющий от 180 до 250 мкА. Эта пленка будет соприкасаться с кожей испытуемого. Датчик будет установлен на левом предплечье, грудине или спине субъекта, как показано на рисунке 4. Датчик будет электрически изолирован от тела субъекта. Все провода, ведущие к датчику, представляют собой имеющиеся в продаже медно-никелевые кабели с изоляцией.

1.5.1 Процедура с участием испытуемого:

1. Перед началом теста с помощью имеющегося в продаже пульсоксиметра и манжеты для измерения артериального давления будут измерены стандартная частота пульса, артериальное давление и уровень кислорода в крови.

2. Датчики артериального давления, звука сердца и частоты пульса будут установлены на левом предплечье, грудине или спине субъекта (рис. 4).

   Рисунок 4: Стратегия установки системы датчиков артериального давления и частоты пульса

3. Пульс, уровень кислорода в крови, звук сердца и данные артериального давления будут записываться, когда субъект находится в физическом состоянии (лежа на спине, сидя, стоя, ходьба, умеренные физические нагрузки).
4. Во время теста испытуемому будет предложено надеть имеющийся в продаже пульсоксиметр для сравнения частоты пульса и уровня кислорода в крови в режиме реального времени.

1.6 Измерение биоимпеданса с помощью сухих электродов

1. Удобно сядьте на кровать или стул
2. Отметьте положение электрода на коже
3. Поместите электроды на кожу с помощью скобы
4. В зависимости от плана эксперимента испытуемый может принимать указанные физические состояния (лежа на спине, сидя, стоя, ходьба, умеренные физические нагрузки).
5. Типичная продолжительность теста будет длиться от 15 минут до 12 часов.
6. Положения электродов на испытуемом для измерения биоимпеданса в реальном времени будут такими, как показано на рисунке 5.
7. Измерение биоимпеданса будет проводиться с помощью 4 электродов, размещенных на коже, как показано на рисунке 5. Модулированный ток силой 1-5 мА (среднеквадратичное значение) частотой от 30 кГц до 100 кГц пропускают через тело субъекта между двумя электродами 1, 4 или 5, 8, и результирующее изменение биопотенциала измеряют между двумя электродами 2, 3 или 4, 6. Биоимпеданс измеряется схемой преобразования, которая является частью системы беспроводной передачи данных. Аналогичное размещение 4 электродов будет выполнено на руке, лбу, шее, туловище или области ног субъекта в зависимости от цели исследования.

1.7 Измерение звука сердца с помощью датчика звука сердца

1. Удобно сядьте на кровать или стул
2. Отметьте положение электрода на коже
3. Поместите датчик сердечного ритма на кожу с помощью скобы.
4. В зависимости от плана эксперимента испытуемый может принимать указанные физические состояния (лежа на спине, сидя, стоя, ходьба, умеренные физические нагрузки).
5. Типичная продолжительность теста будет длиться от 15 минут до 12 часов.
6. Положение датчика 9 на испытуемом для измерения биоимпеданса в реальном времени будет таким, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5 1.8 Измерение ЭЭГ, ЭОГ и ЭМГ с помощью сухих электродов

1. Удобно сядьте на кровать или стул
2. Отметьте положение электрода на коже
3. Поместите электроды на кожу с помощью скобы или лейкопластырей.
4. Во время теста испытуемому будет предложено выполнить движения глаз, челюсти и расслабиться с закрытыми глазами с целью калибровки сенсорной системы.
5. В зависимости от плана эксперимента испытуемый может принимать указанные физические состояния (бодрствование на спине, сон на спине, бодрствование на правом и левом боку, сон на правом и левом боку, сидение, стояние, ходьба).
6. Типичная продолжительность теста будет длиться от 15 минут до 12 часов.
7. Положения электродов на испытуемом для измерения ЭЭГ, ЭОГ и ЭМГ в реальном времени будут такими, как показано на рисунке 6. Когда электроды ЭЭГ размещаются на области лба (полосе), электроды ЭОГ размещаются вокруг глаз (глаз) с контрольным электродом на сосцевидном отростке с обеих сторон, а пара электродов ЭМГ (2 электрода, расположенных на расстоянии не менее 2 мм друг от друга) на подбородке. .

Рисунок 6 1.9 Датчик обнаружения ускорения и вращения для измерения активности (актиграфии) испытуемых

1. Удобно сядьте на кровать или стул
2. Поместите датчик обнаружения ускорения и вращения на кожу с помощью скобы.
3. В зависимости от плана эксперимента испытуемый может принимать указанные физические состояния (лежа на спине, сидя, стоя, ходьба, умеренные физические нагрузки).
4. Типичная продолжительность теста будет длиться от 15 минут до 12 часов.
5. Положение датчика на испытуемом для измерения активности в реальном времени будет таким, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7