Um Nanogerador Triboelétrico Portátil para Monitoramento Respiratório em Tempo Real

Resumo

Como um indicador confiável da saúde fisiológica humana, a frequência respiratória tem sido utilizada em cada vez mais casos para predição e diagnóstico de doenças respiratórias potenciais e disfunção respiratória causada pela fibrose cística. No entanto, em comparação com a eletrônica móvel inteligente, os sistemas tradicionais de monitoramento da respiração clínica não são convenientes para funcionar como um dispositivo doméstico vestível para o monitoramento da respiração em tempo real na vida diária devido à sua estrutura pesada, operabilidade complexa e dependência de fontes de energia externas. Assim, propomos um sensor de respiração sem fio vestível baseado em nanogerador triboelétrico de modo deslizante lateral (TENG) para monitorar as taxas respiratórias detectando a variação da circunferência abdominal. Neste artigo, validamos a possibilidade do dispositivo como um sensor de monitoramento da respiração por meio de um modelo teórico estabelecido e investigamos o desempenho de saída do sensor por meio de uma série de testes mecânicos. Além disso, as aplicações do sensor de respiração em diferentes indivíduos, diferentes ritmos respiratórios, diferentes estados ativos e transmissão sem fio foram verificadas por uma série de testes de voluntários. Todos os resultados demonstram o potencial do sensor vestível proposto como uma nova alternativa para detectar e monitorar as taxas respiratórias em tempo real com aplicabilidade e sensibilidade gerais.

Introdução

Acompanhada da deterioração do clima global, do aumento da poluição atmosférica grave e da tendência de agravamento da população idosa, a saúde humana, em especial a do aparelho respiratório, está exposta a cada vez mais ameaças [1,2,3]. Enquanto isso, o monitoramento da saúde física humana passa a ser o foco das atenções para a prevenção de doenças latentes [4,5,6,7]. A frequência respiratória, como um dos indicadores mais importantes e confiáveis ​​que refletem diretamente a saúde fisiológica humana, pode fornecer informações importantes para a previsão e diagnóstico de doenças respiratórias potenciais, como a síndrome da apneia obstrutiva do sono (SAOS) e a disfunção respiratória causada pela fibrose cística [8, 9,10,11]. Vários equipamentos médicos tradicionais foram utilizados para monitorar o estado da respiração, e esforços extraordinários também foram comprometidos para desenvolver tecnologias inovadoras para o monitoramento da respiração. Apesar da grande aplicabilidade clínica e precisão de monitoramento, a estrutura incômoda, operabilidade complexa, dependência de fontes de alimentação externas e portabilidade ruim restringem seu desenvolvimento futuro como eletrônicos médicos móveis inteligentes. Nos últimos anos, os avanços na rede móvel e na eletrônica de baixa potência impulsionaram os dispositivos médicos móveis inteligentes a um ritmo tremendo e despertaram um interesse crescente em cuidados de saúde domésticos e eletrônicos portáteis flexíveis [6, 12,13,14,15,16, 17,18]. Portanto, os sensores de saúde vestíveis sem bateria com grande potencial para monitoramento da respiração, de forma inteligente, são onipresentes.

Em comparação com algumas tecnologias de eliminação de bioenergia relativamente maduras, como eletromagnética [19, 20] e piezoelétrica [21,22,23,24,25], nanogeradores triboelétricos (TENGs) [26,27,28,29,30], com os méritos de peso leve, alta densidade de energia e alta sensibilidade de detecção possuem melhor potencial em aplicações como coletores de bioenergia, eletrônicos vestíveis e dispositivos de monitoramento de saúde com alimentação própria. Além disso, os coletores de energia baseados em TENG são mais capazes de eliminar bioenergia em ambiente de trabalho com a largura de banda de frequência abaixo de 10 Hz, como respiração humana [31, 32], e os materiais usados ​​para TENGs são livres de chumbo, que são seguros para serem usados ​​por sensores de saúde. Portanto, o TENG é, sem dúvida, uma das melhores escolhas para dispositivos de monitoramento respiratório com alimentação própria e vestíveis. Para atender às crescentes demandas por tecnologia vestível e com alimentação própria de monitoramento de saúde, muitos novos sensores baseados em TENG foram desenvolvidos para monitorar o estado fisiológico humano. Lin et al. propôs um sistema de rede de sensores corporais sem fio com alimentação própria (BSN) para monitoramento da frequência cardíaca via integração de um TENG baseado em estrutura downy (D-TENG), um circuito de gerenciamento de energia, um sensor de frequência cardíaca baseado em TENG, uma unidade de processamento de sinal e módulo Bluetooth para transmissão de dados sem fio em 2018 [13]. P. Maharjan et al. projetou um novo TENG eletromagnético hibridizado em forma de curva em forma de curva (WHEM-TENG) em 2018, funcionando como um relógio de pulso eletrônico alimentado por energia biomecânica colhida de um braço oscilante, que também foi demonstrado para alimentar um sinal de pulso e monitoramento de frequência cardíaca [ 17]. Chen et al. relataram um nanogerador híbrido flexível de propriedades piezoelétricas e triboelétricas em 2017 que pode ser conformalmente ligado em superfícies macias como pele humana para colher energias de toque de diversidade com base em manta de nanofibra eletrofiada e monitorar os sinais fisiológicos em tempo real, como informações respiratórias e pulso da artéria radial [ 33]. Cu et al. relataram um sensor de pulso baseado em um único eletrodo TENG com alta flexibilidade e conforto para a pele humana em 2018, com o qual uma forma de onda de pulso humana típica que representa a onda de pressão da artéria radial pode ser obtida com sucesso [34]. Os trabalhos acima mencionados impulsionaram fortemente o desenvolvimento de dispositivos inteligentes vestíveis e autoalimentados baseados em TENG no monitoramento físico humano.

A variação da circunferência abdominal é um comportamento físico natural do ser humano durante o processo de respiração, de modo que a captura de informações das deformações abdominais é uma abordagem de detecção e não tem efeito negativo nas atividades normais dos seres humanos, que também pode ser uma possível fonte de energia, eliminando a energia biocinética . Neste artigo, propomos um sensor de respiração sem fio integrado para vestir na cintura baseado no modo deslizante TENG, com os méritos de portabilidade, mobilidade e inteligência, simultaneamente. Pode ser aplicado em diferentes atividades diárias para monitoramento contínuo da respiração em tempo real e detecção de SAOS, sem efeito adverso no funcionamento normal do dispositivo, nem influência adversa nas atividades diárias do usuário. Um cinto inteligente é construído com o sensor TENG para detectar a variação da circunferência abdominal do usuário durante a respiração e transferir a variação periódica para a oscilação recíproca do tribo-par do TENG, de modo que os sinais elétricos contendo informações de respiração possam ser emitidos por o TENG. Todo o processo de detecção não precisa de fonte de alimentação externa. O dispositivo também é equipado com um chip de transmissão sem fio alimentado por uma fonte externa para realizar a transmissão do sinal de respiração. As informações do status da respiração serão finalmente exibidas em um telefone celular. Aqui, relatamos o trabalho de pesquisa no sensor de respiração baseado em TENG para mostrar seu excelente potencial como um possível dispositivo inteligente vestível e com alimentação própria para monitoramento de respiração em tempo real.

Métodos

Arquitetura do sensor respiratório

A Figura 1a mostra a estrutura esquemática do sensor de respiração com base no modo deslizante TENG. O sensor de respiração que pode ser usado na cintura é projetado para detectar o estado respiratório em tempo real do usuário na vida diária, conforme mostrado na Fig. 1a (i). Este tipo de estratégia de monitoramento não perturba as atividades diárias do usuário, como caminhar, dormir, cozinhar, trabalhar no escritório, etc. O dispositivo é composto por um cinto bicamada vestível, um sensor TENG de modo deslizante embutido no cinto e um sistema sem fio sistema de transmissão. Cada camada da cinta de duas camadas, como mostrado na Fig. 1a (ii), inclui uma parte inextensível marcada pela linha preta e uma parte deformável pela linha vermelha. O sensor TENG é construído na cinta de bicamada vestível com a estrutura detalhada mostrada na Fig. 1a (iii-iv). Um filme de politetrafluoroetileno (PTFE) com espessura de 100 μm e um filme de náilon com espessura de 30 μm são empregados como tribo-materiais negativos e positivos, respectivamente. Duas folhas de cobre, cada uma com uma espessura de 50 μm, são fixadas nas superfícies externas das tribo-camadas como eletrodos condutores. Duas folhas de acrílico são utilizadas como suportes para manter os materiais dielétricos planos. O tamanho da plaina do dispositivo TENG é 5 × 5 cm ² . O dispositivo TENG é revestido por uma capa de plástico para garantir o contato entre o tribo-par durante o processo de monitoramento da respiração.

Fabricação do sensor de respiração para vestir na cintura e sistema de transmissão sem fio. a Projeto esquemático do sensor de respiração sem fio. (i) Esquema de uso, (ii) esboço estrutural do dispositivo vestível, (iii) visão expandida do TENG e (iv) ilustração do material do TENG e (v) Módulos funcionais contidos no sistema de transmissão sem fio. b O diagrama de circuito do sistema de transmissão sem fio

A estrutura do dispositivo é projetada com uma série de méritos óbvios. Em primeiro lugar, as partes deformáveis ​​da cinta são utilizadas aqui para acomodar a expansão do abdômen durante a respiração e oferecer a força restauradora no procedimento de contração do abdômen durante o processo de inalação, de modo que a detecção em tempo real com sinal contínuo seja realizado através do cinto inteligente sem sentimentos de desconforto e influência negativa nas atividades normais do usuário. Em segundo lugar, as partes inextensíveis da correia são usadas para restringir a deformação da correia para garantir que parte da variação da circunferência abdominal seja usada para conduzir o comportamento de deslizamento do tribo-par. Além disso, a estrutura simples e os materiais comerciais adotados no dispositivo tornam-no de baixo custo e fácil de fabricar, o que pode facilitar sua perspectiva de promoção comercial.

Além disso, um conjunto de módulos de hardware e software são aplicados para formar um sistema de transmissão sem fio para transmissão de sinal, e a informação da respiração em tempo real é considerada exibida em um telefone móvel (Fig. 1a (v)). Conforme mostrado na Fig. 1b, o módulo de hardware, que consiste em um seguidor de voltagem, um circuito de aumento de voltagem e um chip de transmissão sem fio, são integrados em uma placa de circuito. Percebe-se que o TENG emite alta tensão, mas corrente relativamente baixa, resultando em uma alta impedância de saída e afetando sua aplicabilidade no sistema de transmissão sem fio. A este respeito, o seguidor de tensão é integrado no circuito para diminuir a impedância de saída do TENG para que possa corresponder aproximadamente à da unidade de transmissão sem fio. Ainda, como preocupação de aplicabilidade prática, a saída elétrica do TENG é caracterizada como corrente alternada, cujos valores de sinal negativo não podem ser utilizados como sinal de entrada para o Conversor Analógico Digital (ADC). Portanto, o circuito elétrico de aumento de nível é usado para elevar toda a curva de sinal da tensão de saída do TENG a um nível positivo para que o ADC adquira todos os sinais. O chip de transmissão sem fio consiste em um ADC, um microprocessador, uma antena e uma bateria para fornecer energia para a unidade. O módulo de software inclui amostragem de sinal, processamento de sinal, armazenamento de sinal e unidades de exibição de sinal. Através das unidades de amostragem e processamento de sinal, os sinais transmitidos ao telefone móvel são convertidos de volta para a oscilação com componentes positivos e negativos, mas as formas de onda e amplitudes do sinal não são convertidas de volta proporcionalmente aos valores originais da saída TENG; portanto, é apenas indicativo das taxas de respiração. E por meio das unidades de exibição e armazenamento de sinal, os sinais transmitidos das taxas de respiração em tempo real são sistematicamente armazenados e exibidos em um telefone móvel.

Princípio de detecção e mecanismo de trabalho

A respiração humana é geralmente categorizada em respiração torácica e abdominal, e a maioria de nós usa o primeiro tipo em nossa vida diária. Durante o processo de respiração torácica, a cavidade abdominal se expande e se contrai periodicamente à medida que os processos de expiração e inspiração ocorrem, respectivamente, o que pode induzir o alongamento e a contração do cinto vestível preso ao redor da cintura. Enquanto isso, o par tribo é forçado a deslizar para fora e para dentro por meio da deformação da circunferência do abdômen. Durante o processo de deslizamento alternativo, o status da respiração será obtido por meio do cinto inteligente com o dispositivo TENG.

A Figura 2 mostra o mecanismo de funcionamento do sensor de respiração com base no modo deslizante TENG. A variação da circunferência da cavidade abdominal pode facilitar o deslizamento relativo do tribo-par através da cinta de bicamada vestível, induzindo uma corrente alternada que passa pelo circuito externo, que será capturada e tratada como o sinal no monitoramento da respiração. Em cada ciclo de trabalho, haverá quatro processos:um contato íntimo inicial, um deslizamento para fora, uma pausa curta e um deslizamento para dentro. Como o estado inicial mostrado na Fig. 2a, as superfícies do par tribo se sobrepõem totalmente e em contato íntimo entre si, e a superfície da película de náilon e da película de PTFE são carregadas positiva e negativamente, respectivamente, devido ao efeito triboelétrico e indução eletrostática. Nesta fase, não existe um comportamento de deslizamento entre o tribo-par, cujas cargas superficiais estão em equilíbrio estático sem transferência de carga no circuito. Quando a expiração começa e o tribo-par começa a deslizar para fora com a expansão da cavidade abdominal (Fig. 2b), a separação da carga triboelétrica induz uma diferença de potencial entre o tribo-par. Assim, os elétrons livres serão transferidos de um eletrodo para outro através do circuito externo e um pulso de tensão de saída com amplitude positiva será gerado. Uma vez que o par tribo atinge a distância máxima de deslizamento durante o processo de expiração (Fig. 2c), as cargas transferidas atingirão seu valor de pico e não haverá mais corrente passando pelo circuito. Em seguida, vem o processo de inalação (Fig. 2d), no qual o tribo-par começa a deslizar para dentro com a contração da cavidade abdominal. As cargas redundantes transferidas nos eletrodos fluirão de volta para um novo equilíbrio eletrostático e um pulso da tensão de saída com amplitude negativa será gerado. Não haverá transferência de carga conforme as superfícies carregadas do tribo-par ficam totalmente sobrepostas, e o dispositivo TENG voltará ao estado de contato íntimo, conforme mostrado na Fig. 2a. Desta forma, com a ocorrência das oscilações repetidas para fora e para dentro entre o tribo-par, os elétrons são conduzidos para frente e para trás no circuito entre os dois eletrodos, criando uma saída de corrente alternada.

Diagrama do mecanismo de trabalho do sensor de respiração e seus quatro processos de trabalho. a Processo de “contato íntimo”:o usuário inspira e as superfícies do tribo-par se sobrepõem totalmente. b Processo de “deslizamento para fora”:o usuário expira e o par tribo desliza para fora. c Processo de “pausa curta”:o usuário expira e o par tribo desliza para fora ao máximo. d Processo de "deslizamento para dentro":o usuário inspira e o par tribo desliza para dentro

Sistema de medição

Os desempenhos de saída elétrica do sensor de respiração foram registrados por um eletrômetro do sistema Keysight B2983A.

Resultados e discussão

Para aplicações clínicas, as taxas respiratórias podem fornecer informações vitais para o alerta precoce e o diagnóstico imediato de doenças respiratórias como SAOS. O sensor de respiração sem fio para vestir na cintura é proposto neste artigo para oferecer uma estratégia alternativa para monitorar a respiração em tempo real, detectando a variação da circunferência abdominal no processo respiratório e exibindo o sinal sem fio em um telefone celular. A configuração do dispositivo contém uma cinta de bicamada vestível, um sensor TENG de modo deslizante embutido na cinta e um sistema de transmissão sem fio. E a aplicabilidade, portabilidade e precisão do dispositivo foram validadas por meio de análises teóricas, testes mecânicos e testes em tempo real por voluntários.

Previsão teórica

Em primeiro lugar, um modelo analítico é estabelecido para prever o desempenho de saída do TENG e validar a possibilidade do dispositivo como um sensor de monitoramento da respiração. Um teste em tempo real é realizado para examinar a precisão do modelo analítico. Além disso, a correlação entre os sinais elétricos do sensor e a excitação mecânica de entrada é estabelecida e investigada pelo modelo teórico, que fornece um melhor entendimento do mecanismo de funcionamento do sensor. Para tanto, é proposta uma função teórica para simular os processos respiratórios, que envolve as etapas de expiração e inspiração. Na fase de expiração, a cavidade abdominal se expande e o tribo-par desliza para fora de modo que o deslocamento x (t) do par tribo aumenta gradualmente de zero a A . Então, o par tribo permanece o deslocamento máximo A até o processo de inalação. Na fase de inalação, a cavidade abdominal se contrai e o par tribo começa a deslizar para dentro, de modo que o deslocamento x (t) diminui gradualmente de A a zero. Depois, o tribo-par permanece o deslocamento do zero até o próximo ciclo respiratório. De acordo com o regulamento de variação do x (t) no domínio do tempo, a excitação para o dispositivo é considerada uma onda trapezoidal (Fig. 3a), que é expressa como:
$$ x (t) =\ left \ {\ begin {array} {c} {v} _1t \\ {} A \\ {} A- {v} _2t \\ {} 0 \ end {array} \ kern0 .75em \ begin {array} {c} 0 onde T é o ponto final, η é a razão entre o tempo de expiração e todo o período T , v ₁ e v ₂ são as velocidades de deslizamento para fora e para dentro, respectivamente. Além disso, a tensão de saída V ( t ) é calculado de acordo com a teoria do modo deslizante TENG da seguinte forma [35, 36]:
$$ {\ displaystyle \ begin {array} {l} V (t) =\ frac {\ sigma {d} _0} {\ varejpsilon_0} \ left [\ frac {l} {lx (t)} \ exp \ left (- \ frac {d_0} {\ varepsilon_0 RS} {\ int} _0 ^ t \ frac {l} {lx (t)} d {t} ^ {\ prime} \ right) \ right. \\ {} \ kern1.5em \ left. + \ frac {d_0} {\ varepsilon_0 RS} \ frac {l} {lx (t)} {\ int} _0 ^ t \ exp \ left (\ frac {d_0} {\ varepsilon_0 RS} {\ int} _t ^ {t ^ {\ prime}} \ frac {l} {lx \ left (\ delta \ right)} d \ delta \ right) d {t} ^ {\ prime} -1 \ right] \ end {array}} $$ (2)
onde d ₀ = d ₁ / ε _{r 1} + d ₂ / ε _{r 2} é a espessura efetiva com d ₁ ( d ₂ ) e ε _{r 1} ( ε _{r 2} ) denotou a espessura e a constante dielétrica relativa da camada dielétrica, respectivamente, ε ₀ a constante dielétrica do vácuo, σ a densidade de carga superficial, R a resistência de carga, e S a área da placa dielétrica.

Correlação entre o movimento físico durante a respiração e a tensão de saída do sensor TENG. a A forma trapezoidal assumida de deslocamento para a previsão teórica. b Comparação da previsão teórica e os resultados experimentais

Um dispositivo é utilizado como caso para validar o modelo eletromecânico teoricamente, com os parâmetros das propriedades físicas e do processo de carregamento descritos na Tab. 1. O histórico de tempo da tensão de saída calculada é mostrado pela linha azul na Fig. 3b, enquanto os sinais de tensão medidos, pela linha vermelha. Excelente concordância é observada entre a previsão teórica e os sinais medidos, sugerindo que o modelo analítico é preciso para prever as saídas elétricas do dispositivo no processo de respiração. Além disso, os pulsos de voltagem dos sinais de respiração previstos mostram consistência com os processos de inalação e exalação. Os sinais sobem e descem, comportando-se com sinais positivos e negativos com a ocorrência dos processos de expiração e inspiração, respectivamente. E também pode ser utilizado para o projeto ideal do sensor de respiração baseado em TENG em parâmetros estruturais para aprimorar o desempenho e a sensibilidade.

Características de saída

Um ensaio mecânico foi realizado para investigar a influência do deslocamento deslizante do tribo-par no sinal de tensão de saída do dispositivo. Conforme mostrado na Fig. 4a, as duas extremidades do tribo-par foram fixadas na máquina de alongamento e o tribo-par foi forçado a uma oscilação deslizante recíproca periódica através da máquina de alongamento para simular o movimento do tribo-par na respiração processo. Enquanto isso, os históricos de tempo de deslocamento de deslizamento e força de tração no processo de alongamento foram registrados para comparação com os sinais de tensão medidos por um voltímetro com a resistência de carga no circuito elétrico de 11 MΩ. No ensaio mecânico, foi utilizada excitação de onda trapezoidal com frequência de 0,5 Hz e amplitude de deslocamento de 2,5 a 30 mm. A Figura 4b mostra os históricos de tempo de tensão de saída pela linha vermelha e os históricos de tempo correspondentes de deslocamento deslizante com amplitude de 30 mm e força de tração pelas linhas verde e azul, respectivamente. No estágio I, enquanto o deslocamento entre o tribo-par aumenta com a força de tração da máquina, o pulso positivo da tensão de saída é capturado. E no estágio II, a tensão de saída mostra sinais opostos enquanto a força de tração é gradualmente cancelada e o deslocamento diminui. As características periódicas dos sinais de tensão combinam bem com aquelas do deslocamento deslizante e força de tração da excitação mecânica de configuração, o que demonstra a viabilidade do sensor TENG para monitoramento da respiração em tempo real. Além disso, os sinais de voltagem obtidos variam obviamente sob diferentes amplitudes de deslizamento de 2,5 a 30 mm (Fig. 4c), o que permite investigar o efeito da amplitude de deslocamento (isto é, a profundidade de respiração). A tendência de variação da tensão de pico versus a amplitude de deslocamento é ilustrada na Fig. 4d. Obviamente, a tensão de pico aumenta linearmente com a amplitude de deslocamento e a relação de variação pode ser descrita como segue:
$$ {V} _ {\ mathrm {pico}} =0,01383 {X} _ {\ mathrm {max}} + 0,0092 $$ (3)
onde V _pico é o valor de pico da tensão de saída e o X _máximo significa o deslocamento máximo de deslizamento do par tribo. O regulamento na Eq. (3) revela a relação entre a tensão de pico e excitação de deslocamento do dispositivo com a faixa aplicável “2,5 mm≤ X _máximo ≤30 mm ”, que fornece uma base para aprendermos o efeito da circunferência abdominal na tensão de pico e uma concordância na previsão da tensão de pico do sensor no processo respiratório. Por outro lado, a Figura 4d também ilustra que os sinais elétricos úteis do sensor podem ser capturados com a amplitude da força de tração e o deslocamento de deslizamento tão pequeno quanto 3,09 N e 2,5 mm, o que significa que o dispositivo pode ser facilmente acionado por a variação da circunferência abdominal sem causar sensação de desconforto ao usuário.

Testes mecânicos no sensor de respiração baseado em TENG. a Fotografia do sensor TENG fixado na máquina de alongamento. b Os sinais de tensão de saída do sensor sob uma excitação na forma trapezoidal e os históricos de tempo correspondentes do deslocamento de deslizamento e da força. c Os históricos de tempo de tensão de saída do sensor com diferentes amplitudes de deslocamento. d Os valores de pico da tensão de saída e da força de tração como funções do deslocamento de deslizamento máximo

Monitoramento da respiração

Para verificar a viabilidade do dispositivo funcionar como sensor de respiração, foi realizado um conjunto de testes de monitoramento em tempo real (Fig. 5a), e os sinais elétricos foram medidos por meio de um voltímetro com resistência de carga no circuito elétrico de 100 MΩ . Durante o processo de respiração, o cinto do dispositivo é mantido em contato conformado com a cintura do usuário e a variação da circunstância abdominal do usuário é refletida pela oscilação deslizante recíproca periódica do tribo-par. Com o voluntário expirando e inspirando periodicamente, os sinais de tensão de saída, incluindo pulsos com amplitudes positivas e negativas, aparecem. Em aplicações reais, os sinais elétricos capturados podem conter mais informações relacionadas ao processo respiratório, ou seja, as taxas respiratórias e o processo de inspiração ou expiração, etc. Ao ilustrar a correlação entre a variação periódica dos sinais de voltagem e o mecanismo de trabalho da respiração sensor, será mais preciso extrair informações detalhadas da respiração dos sinais medidos. Assim, tomamos um ciclo respiratório dos testes em tempo real como um exemplo para ilustrar a correlação (Fig. 5b). Quando uma força é aplicada no processo de expiração, o tribo-par desliza para fora e gera um pulso da tensão de saída com amplitude positiva de acordo com a detecção para o processo de expiração. Então, correspondentemente, quando a força aplicada é revogada gradualmente no processo de inalação, o tribo-par desliza para dentro e gera um pulso de tensão de saída com amplitude negativa de acordo com o processo de detecção para inalação. Com base nas análises mencionadas acima, os sinais de tensão podem ser utilizados para fornecer um entendimento profundo dos processos respiratórios.

O sensor de respiração TENG modo deslizante para monitorar diferentes ritmos respiratórios. a Fotografia do sensor TENG usado na cintura para monitoramento da respiração. b A correspondência entre os sinais de tensão de saída e os processos de expirar e inspirar em um ciclo respiratório. c , d Histórias de tempo dos sinais de tensão de saída para dois voluntários com cinturas diferentes (72,8 cm para c e 98,6 cm para d ) e os resultados correspondentes de FFT para diferentes ritmos respiratórios

Além disso, dois voluntários, um de 22 anos com cintura de 72,8 cm e outro de 24 anos com cintura de 98,6 cm, foram convidados a testar a capacidade do cinto inteligente em refletir comportamentos respiratórios específicos de diferentes indivíduos. Para testar a sensibilidade do dispositivo a diferentes frequências respiratórias, os processos respiratórios oferecidos pelos voluntários envolvem três ritmos respiratórios diferentes, ou seja, respirações normais, rápidas e profundas. Durante o processo respiratório com ritmos diferentes, os sinais elétricos gerados pelo sensor TENG são detectados com sucesso e mostrados na Fig. 5c ed para os dois voluntários, respectivamente. Os sinais de voltagem são repetíveis e confiáveis ​​para cada ritmo, que apresenta diferença óbvia de frequências respiratórias no processo respiratório. Os históricos de tempo da tensão de saída (Fig. 5c e d) para os dois voluntários, respectivamente, exibem variação constante (frequência constante e valor de pico-vale) nos processos de três ritmos respiratórios. Refletida pelos resultados da transformada rápida de Fourier (FFT) na Fig. 5c e d, a frequência extraída das respirações normal, rápida e profunda são 0,68, 1,10 e 0,40 Hz, respectivamente para o voluntário de 22 anos e 0,60 , 1,40 e 0,47 Hz para o de 24 anos; essas são taxas respiratórias razoáveis ​​para adultos saudáveis ​​[37]. Isso significa que as principais informações das taxas respiratórias podem ser coletadas por meio de sinais elétricos. Por outro lado, as duas voluntárias nos testes são solicitadas a prender a respiração para simular a pausa respiratória causada pelo sintoma de apnéia. Correspondentemente, é apresentado na Fig. 5c ed que os sinais com valor de zero volt duram cerca de 10 s entre dois ritmos respiratórios diferentes. Pode ser utilizado como base de julgamento para SAOS e uma outra forma de diagnóstico e advertência. Esses resultados demonstram que este sensor TENG pode detectar não apenas as frequências respiratórias, mas também os sintomas de apnéia.

Além disso, uma série de testes em tempo real foram realizados pelo voluntário em diferentes estados para confirmar a praticabilidade do aparelho nas diversas atividades diárias. Os sinais de tensão foram medidos por meio de um voltímetro com resistência de carga de 100 MΩ em três estados diferentes, ou seja, deitado (caso I na Fig. 6a), sentado (caso II na Fig. 6b), em pé (caso III na Fig. 6c) e caminhar a uma velocidade de 3 km / h (caso IV na Fig. 6d). A Figura 6a exibe os sinais de voltagem obtidos com o voluntário deitado para simular o estado respiratório durante o sono, enquanto a Fig. 6b-d apresenta os sinais de voltagem capturados com o voluntário sentado, em pé e caminhando, respectivamente, para simular os processos respiratórios em atividades diurnas . Todos os sinais dos casos I a IV mostram pulsos de voltagem estáveis ​​e contínuos em ritmo com a variação da circunferência abdominal durante a respiração, que coincide com os processos reais de inspiração e expiração. E as frequências respiratórias são respectivamente de 0,54 Hz para o caso I, 0,52 Hz para o caso II, 0,72 Hz para o caso III e 0,65 Hz para o caso IV. É importante notar que existem alguns tremores existentes na forma de onda do sinal durante a caminhada na Fig. 6d, mas a funcionalidade para monitorar o ritmo respiratório ainda é alcançada. Os testes nos quatro casos demonstram a viabilidade do sensor de respiração como um dispositivo vestível para monitoramento da respiração em tempo real em diferentes atividades da vida diária. Além disso, realizamos um monitoramento contínuo da respiração por um longo tempo por 180 se os sinais detectados são apresentados no Arquivo Adicional 1:Figura S1. The time histories of the output voltage exhibit stable alteration with the breathing processes during the tests, which demonstrate the stability of the TENG sensor for long-time monitoring in practical applications.

The TENG sensor for real-time respiration monitoring in different daily activities. The captured voltage signals and the corresponding testing photographs in processes of respiration monitoring when volunteer is (a ) lying, (b ) sitting, (c ) standing, and (d ) walking at a speed of 3 km/h

To further improve the portability of the device as a wearable respiration sensor, a wireless transmission system was designed for the exhibition of the breathing information on a mobile electronic equipment. Specifically, a real-time monitoring test equipped with the wireless transmission system proposed in Fig. 1b was carried out and the electrical signals generated by the TENG sensor were wirelessly transmitted and displayed on a cell phone. Figure 7a shows the actual setup of the wireless transmission system and Fig. 7b shows the signal waveforms containing breathing information displayed on the phone via the wireless transmission system. The measured respiratory information of the volunteer in Fig. 7b have been further processed on a PC and shown in Fig. 7c for better viewing. The depicted waveforms in Fig. 7c suggest that the respiratory rate is about 0.625 Hz. And the exhalation and the inhalation stages of the breathing process are identified and marked in Fig. 7c, which indicates the perfect reflection of the electric signals displayed on the phone to the actual respiratory status and the reliability and practicality of the wireless transmission system. To further demonstrate the accuracy of the wireless signals, voltmeter signals (with electrical load resistance of 10 MΩ) after TENG and wireless signals after wireless system were captured in the same breathing test and compared in Additional file 1:Figure S2. It is worth to be mentioned that the amplitude of the wireless signals is not the true value of the output voltage of the TENG sensor, but being processed proportionally. On the one hand, the signal width of the wireless signals is much wider than the voltmeter signals, which can be attributed to a comprehensive outcome of the larger input impedance of voltage follower (100 TΩ) in the wireless transmission chip, the existing load loss of the circuit and the low sampling rate which make the signals distorted slightly. On the other hand, though the waveform and the peak value are changed after the wireless system, the information about the breathing cycle delivered by the wireless signals coincides well with that of the voltmeter signals, which means that the respiratory rates can be correctly reflected by the signals obtained from the wireless transmission chip.

Real-time respiration monitoring via the TENG sensor with the wireless transmission system. a Photograph of the actual setup of the wireless transmission system. b Photograph of volunteer’s real-time breathing signals displayed on a mobile phone. c The respiratory waveform depicted with the data stored by the wireless transmission system

Conclusões

In summary, we have designed and fabricated a waist-wearable wireless respiration sensor to monitor real-time respiratory status of humans in daily life and to transmit the breathing information to a mobile cell via a wireless transmission system. We furtherly illustrated its working mechanism in detail that it senses the variation of the abdominal circumference while breathing and output electrical signals containing rhythm information of the respiratory processes. In this study, theoretical analyses were performed to predict the output signals of the TENG and validate the possibility of the TENG to work as a respiration sensor. It was also demonstrated by a mechanical test that the sensor can be easily driven by a sliding displacement with an amplitude of 2.5 mm, which makes it feasible for use as a wearable sensor. To validate the applicability in reality, we carried out a series of tests by two volunteers to investigate the feasibility, accuracy, and sensitivity of the device to different individuals, different breathing rhythms, and different active states. The device was demonstrated applicable for not only the detection of apnea symptom but also the real-time monitoring of breath. Lastly, the wireless transmission system of the sensor was also proved to be efficient in wireless electrical signal transmission. Results stated above have shown the potential of the proposed sensor as a smart wearable respiration sensor and the household healthcare monitoring system comprehensively.

Disponibilidade de dados e materiais

The data and materials used are included in the manuscript.

Abreviações

ADC:

Analog digital converter

FFT:

Transformação rápida de Fourier

OSAS:

Obstructive sleep apnea syndrome

PTFE:

Politetrafluoroetileno

TENG:

Triboelectric nanogenerator

Caracterizações espectroscópicas Raman de nanoestruturas unidimensionais de InP / InAs / InP autocatalisadas em substrato InP (111) B usando um método de inclinação de substrato simples Ajuste totalmente óptico de luz em microfibra revestida WSe2