Smart textilsensorsystem för hälsoövervakning

Rutiner som involverar människor:

Sensorerna - elektroder, ledarkanaler och halvledarkanaler - är i direkt kontakt (med kroppen) eller indirekt kontakt genom ett övergående lager av polyimid eller silikongummi. Förstärkarna kommer att öka mikrovoltsignalerna till det område där de kan digitaliseras exakt med hjälp av analog till digital omvandlare. Därefter kommer ett trådlöst datakommunikationssystem att sända och ta emot den digitaliserade datan och en persondator (eller annan relevant anordning) kommer att lagra och visa den inspelade datan. Sensorerna som används för mätning av bioimpedans kommer att leda en modulerad ström på 1-5 mA (rms) vid 30 kHz till 100 kHz genom huden in i patientens kropp. Detta system kommer att drivas av en 3,7 V batterikälla. Sensorsystemet/sensorerna drar ström genom detta system. Sensorsystemen som kommer att användas för denna studie är:

1. Återanvändbara platta guld- och nanotrådselektroder (guld eller platina eller titan) för EKG, ICG, TTI, EEG, EOG, EMG-mätning.
2. Återanvändbar nanotexturerad textil belagd med en tunn film av metall (guld eller silver eller platina eller titan) elektroder för EKG, ICG, TTI, EEG, EOG, EMG-mätning.
3. Återanvändbar Hjärtljudssensor, förstärkarkretsar, för hjärtljudsmätning.
4. Återanvändbar sensor, temperaturberoende motståndskrets, för kroppstemperaturmätning.
5. Återanvändbar sensor, töjningsberoende motståndskrets, för mätning av andningsansträngning.
6. Återanvändbar sensor, piezoelektriska kretsar, för blodtrycksmätning.
7. Återanvändbar accelerations- och rotationsdetekteringssensor med avseende på x,y,z-axeln. sensor, förstärkarkretsar, för mätning av aktivitet (aktigrafi) hos försökspersonerna.
8. Återanvändbar optoelektronisk sensor, förstärkarkretsar, för mätning av blodsyrenivå.
9. Återanvändbar sensor, piezoelektrisk och optoelektronisk krets, för pulsmätning.
10. Ett trådlöst bärbart system: kompakta inbyggda system och ett bärbart batteri, inneslutet i en robust ebonitlåda.

Sensorerna kommer att tillverkas på polyimid (KAPTON®) och polyesterfilmer och textiltyg och kommer att behöva monteras på motivets hud. Detta kommer att uppnås genom att använda standard kirurgisk vattentät tejp eller hängslen tillverkade av material som polyester, nylon, silikongummi och textiltyg. Detta polyimid- eller polyestermaterial kommer alltid att vara den enda komponenten som kommer i kontakt med testpersonens hud. Sensorinspelningarna kommer att tas från testpersonerna i olika fysiska tillstånd: ryggläge, sittande och avslappnad, stående och/eller gå snabbt, ägnade sig åt måttligt rigorös träning (inte kardiovaskulär träning).

1 Enhetsspecifika protokoll: 1.1 EKG-mätningar med torra elektroder:

1. Sitt bekvämt på en säng eller stol
2. Markera elektrodpositionen på huden.
3. Efter rengöring av huden, placera elektroderna på plats med ett stag.
4. Beroende på experimentets design kan testpersonen anta nämnda fysiska tillstånd (ryggläge, sittande, stående, gå, måttlig träning).
5. Typisk varaktighet av testet kommer att pågå i 30 min - 1 timme.
6. Elektrodpositionerna, på testpersonen, för realtids-EKG-mätning kommer att vara som visas i figur 1. Elektroderna 7, 8, 9 och 10 utgör det drivna högerbenet Einthovens förstärkta elektrodsystem. Elektroderna 1 till 6 är bröstkablar som används som en del av standardsystemet med 12 elektroder.

Figur 1: Elektrodplaceringskarta för realtids-EKG-signalinsamling. 1.2 Mätning av hudkontaktimpedans med torra elektroder:

Proceduren kommer att utföras av en utbildad operatör. Stegen är som följer:

1. Försökspersonen kommer att bli ombedd att sitta bekvämt på en säng eller stol.
2. Elektrodpositionerna kommer att vara markerade på armen.
3. Efter rengöring av huden, placera elektroderna på plats med hjälp av hängslen.
4. Elektroderna är anslutna till elektrodimpedansmätaren.
5. Impedansavläsningarna kommer att tabelleras (manuellt) med intervaller på upp till 15 minuter. Experimentets varaktighet kommer att sträcka sig från 60 till 90 minuter.

Med jämna mellanrum kommer operatören att fråga försökspersonen om någon stickande känsla på patientens arm. Detta kommer att fungera som en försiktighetsåtgärd. Emellertid är impedansmätaren (som används) en dedikerad enhet för att mäta hud-elektrodkontaktimpedans.

1.3 Andningssensor: Andningssensorn har tillverkats med enhetens elektronik på flexibla substrat (filmer): polyimid (KAPTON ®), silikongummi, polyetylennaftalat. Dessa sensorer kommer att monteras på antingen elastiskt polyesterband eller oelastiskt nylonband. Det enda material som kommer i direkt kontakt med huden är nylon/polyesterband och silikon eller KAPTON. Remmen kommer att behöva bäras runt mellanriffen där den effektiva ökningen och minskningen av diametern är maximal under inandning respektive utandning. Alla ledningar som leder till sensorn kommer att vara kommersiellt tillgängliga isolerade koppar/nickelkablar.

1.3.1 Procedur som involverar testperson:

1. Den elastiska/nylonremmen kommer att bäras av försökspersonen runt nedre delen av buken som visas i figur 2.

   Figur 2: Strategi för montering av andningssensorn för inhämtning av andningsansträngningssignal i realtid

2. Försökspersonen kommer att uppmanas att utföra följande andningsmönster:

1. Korta grunda andetag. 2. Djupa andetag. 3. Håll andan efter djup inandning. 4. Håll andan efter djup utandning. 5. Normala andningar efter olika intervall från 1 sekund till 10 sekunder.

Ovanstående tester som involverar olika andningsmönster är avsedda att vara uttömmande när det gäller alla praktiskt observerade andningsmönster. Dessa tillstånd täcker också heltäckande de fysiska tillstånden (ryggläge, sittande, stående, gå, måttlig träning) som beskrivs i den inledande delen av avsnitt 2. Tidsperioden för signalinsamlingen kommer att vara subjektiv för kalibreringsexperimentet eller hypotesen som testas.

För standardisering av denna sensor kommer även kommersiellt tillgängliga andningssensorer att monteras samtidigt och mätningar kommer att jämföras.

1.4 Kroppstemperatursensor: Denna sensor kommer att användas för att mäta kroppstemperaturen på huden. I likhet med andningssensorn kommer enhetens kretsar att vara på ett flexibelt underlag. Det enda material som kommer i kontakt med testpersonens hud kommer att vara KAPTON®. Sensorn kommer att förpackas för att elektriskt isolera den från patientens kropp. Alla ledningar som leder till sensorn kommer att vara kommersiellt tillgängliga isolerade koppar/nickelkablar.

1.4.1 Procedur som involverar testperson:

1. Sensorn kommer att placeras på sidan av testpersonen under armhålan (för Axial Temperature), på bröstet ovanför bröstbenet, ryggen eller ansiktet som visas i figur 3.

2. Försökspersonen kommer också att bli ombedd att bära en kommersiellt tillgänglig torr bulb temperatursensor på huden i de områden som är markerade i figur 3.

   Figur 3: Strategi för montering av temperatursensorn för realtidssignalinsamling.

3. Avläsningarna kommer att tas inomhus och utomhus.
4. Datainsamling kommer att göras medan försökspersonen befinner sig i de fysiska tillstånden (ryggläge, sittande, stående, gå, måttlig träning) som nämns i avsnitt 2.

1.5 Blodtrycks- och pulsfrekvenssensor: Denna sensor kommer att användas för mätning av arteriellt blodtryck och pulsfrekvens, hjärtljud och blodsyrenivå på ett icke-invasivt sätt. Enhetens kretsar består av MEMS-mikrofon, piezoelektriska eller optoelektroniska givare monterade på en polyimid (KAPTON ®) eller polyesterfilm. Optoelektroniska komponenter har en energiförlust på mindre än 0,5 watt. MEMS-mikrofonen är en elektronisk komponent från hyllan som fungerar på 1,8 till 3,3 V och drar 180 till 250 µA. Denna film kommer att vara i kontakt med testpersonens hud. Sensorn kommer att monteras på försökspersonens vänstra underarm, bröstben eller rygg, som visas i figur 4. Sensorn kommer att vara elektriskt isolerad från försökspersonens kropp. Alla ledningar som leder till sensorn kommer att vara kommersiellt tillgängliga isolerade koppar/nickelkablar.

1.5.1 Procedur som involverar testperson:

1. Innan testet påbörjas kommer standardpuls och blodtrycks- och blodsyrenivåavläsningar att tas med hjälp av en kommersiell pulsoximeter och blodtrycksmanschett.

2. Blodtrycks-, hjärtljuds- och pulssensorerna kommer att monteras på vänster underarm, bröstbenet eller baksidan av patienten (Figur 4).

   Figur 4: Strategi för montering av blodtrycks- och pulssensorsystem

3. Puls, syrenivå i blodet, hjärtljud och blodtrycksdata kommer att registreras medan försökspersonen är i fysiska tillstånd (ryggläge, sittande, stående, promenader, måttlig träning).
4. Under testet kommer försökspersonen att bli ombedd att bära den kommersiella pulsoximetern för jämförelse av pulsfrekvens och blodsyrenivåer i realtid.

1.6 Bioimpedansmätning med torra elektroder

1. Sitt bekvämt på sängen eller stolen
2. Markera elektrodens position på huden
3. Placera elektroderna på plats på huden med en stag
4. Beroende på experimentets design kan testpersonen anta nämnda fysiska tillstånd (ryggläge, sittande, stående, gå, måttlig träning).
5. Typisk varaktighet av testet kommer att pågå i 15 minuter till 12 timmar
6. Elektrodpositionerna på testpersonen för bioimpedansmätning i realtid kommer att vara som visas i figur 5.
7. Bioimpedansmätning kommer att göras med hjälp av 4 elektroder placerade på huden som visas i figur 5. En modulerad ström på 1-5 mA (rms) vid 30kHz till 100kHz passerar genom patientens kropp mellan två elektroder 1,4 eller 5,8 och resulterande förändring i biopotential mäts mellan två elektroder 2,3 eller 4,6. Bioimpedans mäts av en omvandlingskrets som är en del av det trådlösa datakommunikationssystemet. En liknande placering med fyra elektroder kommer att göras på arm, panna, nacke, bål eller benregion på försökspersonens kropp baserat på studiens syfte.

1.7 Hjärtljudsmätning med hjärtljudsensor

1. Sitt bekvämt på sängen eller stolen
2. Markera elektrodens position på huden
3. Placera hjärtljudsensorn på plats på huden med en stag
4. Beroende på experimentets design kan testpersonen anta nämnda fysiska tillstånd (ryggläge, sittande, stående, gå, måttlig träning).
5. Typisk varaktighet av testet kommer att pågå i 15 minuter till 12 timmar
6. Sensorpositionen 9, på testpersonen, för bioimpedansmätning i realtid kommer att vara som visas i figur 5.

Figur 5 1.8 EEG-, EOG- och EMG-mätning med torra elektroder

1. Sitt bekvämt på sängen eller stolen
2. Markera elektrodens position på huden
3. Placera elektroderna på plats på huden med ett stag eller med självhäftande plåster
4. Under testet kommer försökspersonen att bli ombedd att utföra ögonrörelser, käkrörelser och slappna av med slutna ögon i syfte att kalibrera sensorsystemet.
5. Beroende på experimentets utformning kan försökspersonen anta nämnda fysiska tillstånd (sömn i liggande, liggande sömn, höger och vänster lateral vaken, höger och vänster lateral sömn, sittande, stående, gående).
6. Typisk varaktighet av testet kommer att pågå i 15 minuter till 12 timmar
7. Elektrodpositionerna, på testpersonen, för realtidsmätning av EEG, EOG, EMG kommer att vara som visas i figur 6. Där EEG-elektroder är placerade på pannområdet (bandet), placeras EOG-elektroder runt ögat/ögonen med en referenselektrod på mastoidbenet på vardera sidan och EMG-elektrodpar (2 elektroder placerade minst 2 mm från varandra) på hakan .

Figur 6 1.9 Accelerations- och rotationsdetekteringssensor för mätning av aktivitet (aktigrafi) hos försökspersonerna

1. Sitt bekvämt på sängen eller stolen
2. Placera accelerations- och rotationsdetekteringssensorn på plats på huden med en stag
3. Beroende på experimentets design kan testpersonen anta nämnda fysiska tillstånd (ryggläge, sittande, stående, gå, måttlig träning).
4. Typisk varaktighet av testet kommer att pågå i 15 minuter till 12 timmar
5. Sensorpositionen, på testpersonen, för realtidsaktivitetsmätning kommer att vara som visas i figur 7.

Bild 7