Un nanogénérateur triboélectrique portable pour la surveillance de la respiration en temps réel

Introduction

Accompagnée de la détérioration du climat mondial, de l'augmentation de la pollution atmosphérique grave et de la tendance à l'aggravation de la population âgée, la santé humaine, en particulier la santé du système respiratoire, est exposée à de plus en plus de menaces [1,2,3]. Pendant ce temps, la surveillance de la santé physique de l'homme devient le centre d'attention pour la prévention des maladies latentes [4,5,6,7]. La fréquence respiratoire, en tant que l'un des indicateurs les plus importants et les plus fiables reflétant directement la santé physiologique humaine, peut fournir des informations clés pour la prédiction et le diagnostic de maladies respiratoires potentielles comme le syndrome d'apnée obstructive du sommeil (SAOS) et le dysfonctionnement respiratoire causé par la mucoviscidose [8, 9,10,11]. Divers équipements médicaux traditionnels ont été utilisés pour surveiller l'état de la respiration, et des efforts extraordinaires ont également été déployés pour développer des technologies de surveillance de la respiration innovantes. Malgré la grande applicabilité clinique et la précision de la surveillance, la structure lourde, l'opérabilité complexe, la dépendance à des sources d'alimentation externes et la mauvaise portabilité limitent leur développement ultérieur en tant qu'électronique médicale mobile intelligente. Ces dernières années, les progrès des réseaux mobiles et de l'électronique à faible consommation ont entraîné les dispositifs médicaux mobiles intelligents à un rythme effréné et ont suscité un intérêt croissant pour les soins de santé à domicile et les appareils électroniques portables flexibles [6, 12, 13, 14, 15, 16, 17,18]. Par conséquent, les capteurs de santé portables sans batterie avec un grand potentiel pour la surveillance de la respiration, de manière intelligente, sont omniprésents.

Par rapport à certaines technologies de piégeage de la bioénergie relativement matures comme l'électromagnétique [19, 20] et la piézoélectrique [21,22,23,24,25], les nanogénérateurs triboélectriques (TENG) [26,27,28,29,30], avec les mérites de poids léger, haute densité d'énergie et sensibilité de détection élevée, possèdent un meilleur potentiel dans des applications comme les récupérateurs de bioénergie, les appareils électroniques portables et les dispositifs de surveillance de la santé auto-alimentés. De plus, les récupérateurs d'énergie à base de TENG sont plus capables de piéger la bioénergie dans un environnement de travail avec une bande passante de fréquence inférieure à 10 Hz comme la respiration humaine [31, 32], et les matériaux utilisés pour les TENG sont sans plomb et peuvent être utilisés en toute sécurité. capteurs de santé. Par conséquent, TENG est sans aucun doute l'un des meilleurs choix pour les appareils de surveillance respiratoire portables et auto-alimentés. Pour répondre aux demandes croissantes de technologies de surveillance de la santé portables et auto-alimentées, de nombreux nouveaux capteurs basés sur le TENG ont été développés pour surveiller l'état physiologique humain. Lin et al. a proposé un système de réseau de capteurs corporels sans fil (BSN) autoalimenté pour la surveillance de la fréquence cardiaque via intégration d'un TENG à structure duveteuse (D-TENG), d'un circuit de gestion de l'alimentation, d'un capteur de fréquence cardiaque à base de TENG, d'une unité de traitement du signal et d'un module Bluetooth pour la transmission de données sans fil en 2018 [13]. P. Maharjan et al. a conçu un nouveau TENG électromagnétique hybride portable en forme de courbe (WHEM-TENG) en 2018, fonctionnant comme une montre-bracelet électronique alimentée par l'énergie biomécanique récoltée à partir d'un bras oscillant, qui s'est également avérée efficace pour un signal de pouls et une surveillance de la fréquence cardiaque [ 17]. Chen et al. ont signalé un nanogénérateur hybride flexible de propriétés piézoélectriques et triboélectriques en 2017 qui peut être fixé de manière conforme sur des surfaces molles comme la peau humaine pour récolter des énergies tactiles diversifiées basées sur un tapis de nanofibres électrofilées et surveiller les signaux physiologiques en temps réel tels que les informations respiratoires et le pouls de l'artère radiale [ 33]. Cu et al. ont rapporté un capteur de pouls basé sur un TENG à électrode unique avec une flexibilité et un confort élevés pour la peau humaine en 2018, avec lequel une forme d'onde de pouls humain typique qui représente l'onde de pression artérielle radiale peut être obtenue avec succès [34]. Les travaux mentionnés ci-dessus ont considérablement propulsé le développement de dispositifs intelligents portables et auto-alimentés basés sur TENG pour la surveillance physique humaine.

La variation de la circonférence abdominale est un comportement physique naturel de l'homme pendant le processus respiratoire, de sorte que la capture d'informations à partir des déformations abdominales est une approche sensorielle et n'a aucun effet négatif sur les activités normales des êtres humains, qui peuvent également être une source d'énergie possible en piégeant l'énergie biocinétique. . Dans cet article, nous proposons un capteur de respiration sans fil intégré à la taille basé sur le mode coulissant TENG, avec les mérites de la portabilité, de la mobilité et de l'intelligence, simultanément. Il peut être appliqué dans différentes activités quotidiennes pour la surveillance continue de la respiration en temps réel et la détection du SAOS sans effet néfaste sur le fonctionnement normal de l'appareil ni influence défavorable sur les activités quotidiennes de l'utilisateur. Une ceinture intelligente est construite avec le capteur TENG pour détecter la variation de la circonférence abdominale de l'utilisateur pendant la respiration et transférer la variation périodique à l'oscillation alternative de la paire tribo du TENG, de sorte que les signaux électriques contenant des informations sur la respiration puissent être émis par le TENG. L'ensemble du processus de détection ne nécessite aucune source d'alimentation externe. L'appareil est également équipé d'une puce de transmission sans fil alimentée par une source externe pour réaliser la transmission du signal de respiration. Les informations sur l'état du souffle seront finalement affichées sur un téléphone mobile. Ici, nous rapportons les travaux de recherche sur le capteur de respiration basé sur TENG pour montrer son excellent potentiel en tant que possible dispositif portable intelligent et auto-alimenté pour la surveillance de la respiration en temps réel.

Méthodes

Architecture du capteur de respiration

La figure 1a montre la structure schématique du capteur de respiration basé sur le mode glissant TENG. Le capteur de respiration portable à la taille est conçu pour détecter l'état respiratoire en temps réel de l'utilisateur dans la vie quotidienne, comme le montre la figure 1a (i). Ce type de stratégie de surveillance ne perturbera pas les activités quotidiennes du porteur, telles que la marche, le sommeil, la cuisine, le travail de bureau, etc. L'appareil est composé d'une ceinture bicouche portable, d'un capteur TENG à mode coulissant intégré à la ceinture et d'un système sans fil. système de transmission. Chaque couche de la ceinture bicouche, comme le montre la figure 1a (ii), comprend une partie inextensible notée par la ligne noire et une partie déformable par la ligne rouge. Le capteur TENG est intégré à la ceinture bicouche portable avec la structure détaillée illustrée à la Fig. 1a (iii-iv). Un film de polytétrafluoroéthylène (PTFE) d'une épaisseur de 100 µm et un film de nylon d'une épaisseur de 30 µm sont utilisés comme matériaux tribo négatifs et positifs, respectivement. Deux feuilles de cuivre d'une épaisseur de 50 µm chacune sont fixées sur les surfaces externes des couches tribo comme électrodes conductrices. Deux feuilles acryliques sont utilisées comme supports pour maintenir les matériaux diélectriques à plat. La taille de la raboteuse de l'appareil TENG est de 5 × 5 cm ² . Le dispositif TENG est recouvert d'un manchon en plastique pour assurer le contact entre la paire tribo pendant le processus de surveillance de la respiration.

Fabrication du capteur respiratoire à porter à la taille et du système de transmission sans fil. un Conception schématique du capteur de respiration sans fil. (i) Schéma de port, (ii) croquis structurel du dispositif portable, (iii) vue agrandie du TENG et (iv) illustration matérielle du TENG, et (v) modules fonctionnels contenus dans le système de transmission sans fil. b Le schéma de circuit du système de transmission sans fil

La structure de l'appareil est conçue avec une série de mérites évidents. Tout d'abord, les parties déformables de la ceinture sont utilisées ici pour s'adapter à l'expansion de l'abdomen pendant la respiration et offrent la force de restauration dans la procédure de contraction de l'abdomen pendant le processus d'inhalation, de sorte que la détection en temps réel avec un signal continu sera réalisé via la ceinture intelligente sans sensation inconfortable et sans influence négative sur les activités normales de l'utilisateur. Deuxièmement, les parties inextensibles de la ceinture sont utilisées pour restreindre la déformation de la ceinture afin de s'assurer qu'une partie de la variation de la circonférence abdominale est utilisée pour entraîner le comportement de glissement de la paire tribo. En outre, la structure simple et les matériaux commerciaux adoptés dans le dispositif le rendent peu coûteux et facile à fabriquer, ce qui peut faciliter sa perspective de promotion commercialisable.

En outre, un ensemble de modules matériels et logiciels est appliqué pour former un système de transmission sans fil pour la transmission de signaux, et les informations de la respiration en temps réel sont supposées être affichées sur un téléphone mobile (Fig. 1a (v)). Comme le montre la figure 1b, le module matériel, composé d'un suiveur de tension, d'un circuit de montée de tension et d'une puce de transmission sans fil, est intégré dans une carte de circuit imprimé. Il est à noter que le TENG produit une tension élevée mais un courant relativement faible, ce qui entraîne une impédance de sortie élevée et affecte son applicabilité dans le système de transmission sans fil. À cet égard, le suiveur de tension est intégré dans le circuit pour abaisser l'impédance de sortie du TENG afin qu'elle puisse correspondre à peu près à celle de l'unité de transmission sans fil. De plus, par souci d'applicabilité pratique, la sortie électrique du TENG est caractérisée comme un courant alternatif, dont les valeurs de signal négatives ne peuvent pas être utilisées comme signal d'entrée pour le convertisseur analogique-numérique (ADC). Par conséquent, le circuit électrique d'élévation du niveau est utilisé pour élever toute la courbe de signal de la tension de sortie du TENG à un niveau positif pour que l'ADC acquière l'ensemble des signaux. La puce de transmission sans fil se compose d'un CAN, d'un microprocesseur, d'une antenne et d'une batterie pour alimenter l'unité. Le module logiciel comprend des unités d'échantillonnage de signal, de traitement de signal, de stockage de signal et d'affichage de signal. Grâce aux unités d'échantillonnage et de traitement du signal, les signaux transmis au téléphone mobile sont reconvertis en oscillation avec des composantes positives et négatives, mais les formes d'onde et les amplitudes du signal ne sont pas reconverties proportionnellement aux valeurs d'origine de la sortie TENG ; ainsi, il n'est qu'indicatif des taux de respiration. Et grâce aux unités d'affichage et de stockage des signaux, les signaux transmis des fréquences respiratoires en temps réel sont systématiquement stockés et affichés sur un téléphone mobile.

Principe de détection et mécanisme de travail

La respiration humaine est généralement classée en respiration thoracique et abdominale, et la plupart d'entre nous utilisons le premier type dans notre vie quotidienne. Au cours du processus de respiration thoracique, la cavité abdominale se dilate et se contracte périodiquement au fur et à mesure que les processus d'expiration et d'inspiration se produisent, respectivement, ce qui peut induire un étirement et une contraction de la ceinture portable attachée autour de la taille. Pendant ce temps, la paire tribo est forcée de glisser vers l'extérieur et l'intérieur via la déformation de la circonférence de l'abdomen. Pendant le processus de glissement alternatif, l'état de la respiration sera obtenu via la ceinture intelligente avec le dispositif TENG.

La figure 2 montre le mécanisme de fonctionnement du capteur de respiration basé sur le mode coulissant TENG. La variation de la circonférence de la cavité abdominale peut faciliter le glissement relatif de la paire tribo via la ceinture bicouche portable, induisant un courant alternatif traversant le circuit externe, qui sera capturé et traité comme le signal dans la surveillance de la respiration. Dans chaque cycle de travail, il y aura quatre processus :un premier contact intime, un glissement vers l'extérieur, une courte pause et un glissement vers l'intérieur. Comme l'état initial illustré sur la figure 2a, les surfaces de la paire tribo se chevauchent entièrement et sont en contact intime les unes avec les autres, et la surface du film de nylon et du film de PTFE sont chargées positivement et négativement, respectivement, en raison de l'effet triboélectrique et induction électrostatique. À ce stade, il n'y a pas de comportement de glissement entre la paire tribo, dont les charges de surface sont en équilibre statique sans transfert de charge dans le circuit. Lorsque l'expiration commence et que le tribo-paire commence à glisser vers l'extérieur avec l'expansion de la cavité abdominale (Fig. 2b), la séparation de la charge triboélectrique induira une différence de potentiel entre le tribo-paire. Par conséquent, les électrons libres seront transférés d'une électrode à une autre via le circuit externe et une impulsion de la tension de sortie d'amplitude positive sera générée. Une fois que la tribo-paire atteint la distance de glissement maximale pendant le processus d'expiration (Fig. 2c), les charges transférées atteindront leur valeur maximale et il n'y aura plus de courant traversant le circuit. Vient ensuite le processus d'inhalation (Fig. 2d), dans lequel la paire tribo commence à glisser vers l'intérieur avec la contraction de la cavité abdominale. Les charges redondantes transférées sur les électrodes reflueront pour un nouvel équilibre électrostatique et une impulsion de la tension de sortie avec une amplitude négative sera générée. Il n'y aura pas de transfert de charge car les surfaces chargées de la paire tribo se chevaucheront complètement, et le dispositif TENG reviendra à l'état de contact intime, comme illustré à la Fig. 2a. De cette façon, avec l'apparition des oscillations répétées vers l'extérieur et vers l'intérieur entre la paire tribo, les électrons sont entraînés d'avant en arrière dans le circuit entre les deux électrodes, créant une sortie de courant alternatif.

Schéma du mécanisme de fonctionnement du capteur de respiration et de ses quatre processus de fonctionnement. un Processus de « contact intime » :l'utilisateur inhale et les surfaces de la paire tribo se chevauchent complètement. b Processus de « glissement vers l'extérieur » :l'utilisateur expire et la paire de tribos glisse vers l'extérieur. c Processus de « courte pause » :l'utilisateur expire et la paire de tribos glisse vers l'extérieur au maximum. d Processus de « glissement vers l'intérieur » :l'utilisateur inspire et la paire de tribos glisse vers l'intérieur

Système de mesure

Les performances de sortie électrique du capteur de respiration ont été enregistrées par un électromètre du système Keysight B2983A.

Résultats et discussion

Pour les applications cliniques, les fréquences respiratoires peuvent fournir des informations vitales pour une alerte précoce et un diagnostic rapide des maladies respiratoires comme le SAOS. Le capteur de respiration sans fil portable à la taille est proposé dans cet article pour offrir une stratégie alternative pour surveiller la respiration en temps réel en détectant la variation de la circonférence abdominale dans le processus respiratoire et en affichant le signal sans fil sur un téléphone mobile. La configuration de l'appareil contient une ceinture bicouche portable, un capteur TENG à mode coulissant intégré à la ceinture et un système de transmission sans fil. Et l'applicabilité, la portabilité et la précision de l'appareil ont été validées par des analyses théoriques, des tests mécaniques et des tests en temps réel par des volontaires.

Prédiction théorique

Tout d'abord, un modèle analytique est établi pour prédire les performances de sortie du TENG et valider la possibilité de l'appareil en tant que capteur de surveillance de la respiration. Un test en temps réel est effectué pour examiner la précision du modèle analytique. De plus, la corrélation entre les signaux électriques du capteur et l'excitation mécanique d'entrée est établie et étudiée par le modèle théorique, ce qui permet de mieux comprendre le mécanisme de fonctionnement du capteur. À ces fins, une fonction théorique est proposée pour simuler les processus respiratoires, ce qui implique des étapes d'expiration et d'inspiration. Au stade de l'expiration, la cavité abdominale se dilate et la paire tribolique glisse vers l'extérieur de sorte que le déplacement x(t) de la paire tribo augmente progressivement de zéro à A . Alors le tribo-paire reste le déplacement maximum A jusqu'au processus d'inhalation. Au stade de l'inhalation, la cavité abdominale se contracte et la paire de tribos commence à glisser vers l'intérieur, de sorte que le déplacement x(t) diminue progressivement de A à zéro. Ensuite, la paire tribo reste le déplacement de zéro jusqu'au prochain cycle respiratoire. Selon le règlement de variation du x(t) dans le domaine temporel, l'excitation de l'appareil est supposée être une onde trapézoïdale (Fig. 3a), qui s'exprime par :

où T est le point, η est le rapport entre le temps d'expiration et toute la période T , v ₁ et v ₂ sont les vitesses de glissement vers l'extérieur et vers l'intérieur, respectivement. De plus, la tension de sortie V (t ) est calculé selon la théorie du mode glissant TENG comme suit [35, 36] :

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}V(t)=\frac{\sigma {d}_0}{\varepsilon_0}\left[\frac{l}{lx(t)}\exp \left (-\frac{d_0}{\varepsilon_0 RS}{\int}_0^t\frac{l}{lx(t)}d{t}^{\prime}\right)\right.\\ {}\ kern1.5em \left.+\frac{d_0}{\varepsilon_0 RS}\frac{l}{lx(t)}{\int}_0^t\exp \left(\frac{d_0}{\varepsilon_0 RS} {\int}_t^{t^{\prime }}\frac{l}{lx\left(\delta \right)} d\delta \right)d{t}^{\prime }-1\right] \end{tableau}} $$ (2)

où d ₀ = d ₁ /ε _{r 1} + d ₂ /ε _{r 2} est l'épaisseur effective avec d ₁ (d ₂ ) et ε _{r 1} (ε _{r 2} ) dénotaient respectivement l'épaisseur et la constante diélectrique relative de la couche diélectrique, ε ₀ la constante diélectrique du vide, la densité de charge surfacique, R la résistance de charge, et S la surface de la plaque diélectrique.

Corrélation entre le mouvement physique pendant la respiration et la tension de sortie du capteur TENG. un Forme trapézoïdale supposée du déplacement pour la prédiction théorique. b Comparaison de la prédiction théorique et des résultats expérimentaux

Un dispositif est utilisé comme boîtier pour valider théoriquement le modèle électromécanique, avec les paramètres des propriétés physiques et le processus de chargement décrits dans le Tab. 1. L'historique temporel de la tension de sortie calculée est indiqué par la ligne bleue sur la Fig. 3b, tandis que les signaux de tension mesurés sont représentés par la ligne rouge. Un excellent accord est observé entre la prédiction théorique et les signaux mesurés, suggérant que le modèle analytique est précis pour prédire les sorties électriques de l'appareil en cours de respiration. De plus, les impulsions de tension des signaux de respiration prédits montrent une cohérence avec les processus d'inspiration et d'expiration. Les signaux montent et descendent, se comportant avec des signaux positifs et négatifs avec l'apparition des processus d'expiration et d'inspiration, respectivement. Et il peut également être utilisé pour une conception optimale du capteur de respiration basé sur TENG dans les paramètres structurels afin d'améliorer les performances et la sensibilité.

Caractéristiques de sortie

Un test mécanique a été effectué pour étudier l'influence du déplacement glissant de la tribo-paire sur le signal de tension de sortie de l'appareil. Comme le montre la Fig. 4a, les deux extrémités de la paire de tribos étaient fixées sur la machine d'étirement et la paire de tribos a été forcée dans une oscillation glissante alternative périodique via la machine d'étirement pour simuler le mouvement de la paire de tribo dans la respiration traiter. Pendant ce temps, les histoires temporelles du déplacement de glissement et de la force de traction dans le processus d'étirement ont été enregistrées pour faire la comparaison avec les signaux de tension mesurés par un voltmètre avec la résistance de charge dans le circuit électrique de 11 MΩ. Dans le test mécanique, une excitation d'onde trapézoïdale a été utilisée avec une fréquence de 0,5 Hz et l'amplitude de déplacement de 2,5  à 30 mm. La figure 4b montre les historiques temporels de la tension de sortie par la ligne rouge et les historiques temporels correspondants du déplacement glissant avec une amplitude de 30  mm et de la force de traction par les lignes verte et bleue, respectivement. Au stade I, alors que le déplacement entre la paire tribo augmente avec la force de traction de la machine, l'impulsion positive de la tension de sortie est capturée. Et au stade II, la tension de sortie montre des signaux opposés tandis que la force de traction s'annule progressivement et le déplacement diminue. La caractéristique périodique des signaux de tension correspond bien à celles du déplacement glissant et de la force de traction de l'excitation mécanique de réglage, ce qui démontre la faisabilité du capteur TENG pour la surveillance de la respiration en temps réel. De plus, les signaux de tension obtenus varient évidemment sous différentes amplitudes glissantes de 2,5  à 30 mm (Fig. 4c), ce qui permet d'étudier l'effet de l'amplitude de déplacement (c'est-à-dire la profondeur de respiration). La tendance à la variation de la tension de crête en fonction de l'amplitude de déplacement est illustrée à la figure 4d. Évidemment, la tension de crête augmente linéairement avec l'amplitude de déplacement et la relation de variation peut être décrite comme suit :

$$ {V}_{\mathrm{pic}}=0.01383{X}_{\mathrm{max}}+0.0092 $$ (3)

où V _pic est la valeur de crête de la tension de sortie et le X _max signifie le déplacement glissant maximum de la paire tribo. La régulation dans l'Eq. (3) révèle la relation entre la tension de crête et l'excitation de déplacement de l'appareil avec la plage applicable « 2,5 mm≤ X _max ≤30 mm", qui nous fournit une base pour apprendre l'effet de la circonférence abdominale sur la tension de crête et une conformité pour prédire la tension de crête du capteur dans le processus respiratoire. D'autre part, la figure 4d illustre également que les signaux électriques utiles du capteur peuvent être capturés avec l'amplitude de la force de traction et le déplacement de glissement aussi petits que 3,09  N et 2,5  mm, ce qui signifie que l'appareil peut être facilement entraîné par la variation de la circonférence abdominale sans provoquer de sensations inconfortables de l'utilisateur.

Tests mécaniques sur le capteur de respiration basé sur TENG. un Photographie du capteur TENG fixé sur la machine à étirer. b Les signaux de tension de sortie du capteur sous une excitation sous forme trapézoïdale et les historiques de temps correspondants du déplacement et de la force de glissement. c Les historiques temporels de la tension de sortie du capteur avec différentes amplitudes de déplacement. d Les valeurs de crête de la tension de sortie et de la force de traction en fonction du déplacement de glissement maximal

Surveillance de la respiration

Pour vérifier la faisabilité de l'appareil fonctionnant comme un capteur de respiration, une série de tests de surveillance en temps réel ont été effectués (Fig. 5a), et les signaux électriques ont été mesurés via un voltmètre avec la résistance de charge dans le circuit électrique de 100 MΩ . Pendant le processus de respiration, la ceinture de l'appareil est maintenue en contact conforme avec la taille de l'utilisateur, et la variation de la situation abdominale de l'utilisateur est reflétée par l'oscillation périodique de glissement alternatif de la paire tribo. Avec le volontaire expirant et inspirant périodiquement, les signaux de tension de sortie comprenant des impulsions avec des amplitudes positives et négatives apparaissent. Dans les applications réelles, les signaux électriques capturés peuvent contenir plus d'informations liées au processus respiratoire, c'est-à-dire les fréquences respiratoires et le processus d'inspiration ou d'expiration, etc. En illustrant la corrélation entre la variation périodique des signaux de tension et le mécanisme de fonctionnement de la respiration capteur, il sera plus précis d'extraire des informations détaillées sur la respiration à partir des signaux mesurés. Ainsi, nous prenons un cycle respiratoire des tests en temps réel comme exemple pour illustrer la corrélation (Fig. 5b). Lorsqu'une force est appliquée dans le processus d'expiration, la paire de tribos glisse vers l'extérieur et génère une impulsion de la tension de sortie avec une amplitude positive en fonction de la détection du processus d'expiration. Ensuite, de manière correspondante, lorsque la force appliquée est révoquée progressivement dans le processus d'inhalation, la paire de tribos glisse vers l'intérieur et génère une impulsion de tension de sortie avec une amplitude négative en fonction de la détection du processus d'inhalation. Sur la base des analyses mentionnées ci-dessus, les signaux de tension peuvent être utilisés pour fournir une compréhension approfondie des processus respiratoires.

Le capteur de respiration TENG à mode coulissant pour surveiller différents rythmes respiratoires. un Photographie du capteur TENG porté à la taille pour la surveillance de la respiration. b La correspondance entre les signaux de tension de sortie et les processus d'expiration et d'inspiration dans un cycle respiratoire. c , d Historiques temporels des signaux de tension de sortie pour deux volontaires avec des tours de taille différents (72,8 cm pour c et 98,6 cm pour d ) et les résultats correspondants de la FFT pour différents rythmes respiratoires

En outre, deux volontaires, l'un âgé de 22 ans avec un tour de taille de 72,8 cm et un autre âgé de 24 ans avec un tour de taille de 98,6 cm, ont été invités à tester la capacité de la ceinture intelligente à refléter les comportements respiratoires spécifiques de différents individus. Pour tester la sensibilité de l'appareil à différentes fréquences respiratoires, les processus respiratoires proposés par les volontaires impliquent trois rythmes respiratoires différents, c'est-à-dire des respirations normales, rapides et profondes. Au cours du processus de respiration avec des rythmes différents, les signaux électriques générés par le capteur TENG sont détectés avec succès et illustrés sur les figures 5c et d pour les deux volontaires, respectivement. Les signaux de tension sont reproductibles et fiables pour chaque rythme, ce qui présente une différence évidente de fréquence respiratoire dans le processus respiratoire. Les histoires temporelles de la tension de sortie (Fig. 5c et d) pour les deux volontaires présentent respectivement une variation constante (fréquence constante et valeur crête-vallée) dans les processus de trois rythmes respiratoires. Reflétée par les résultats de la transformée de Fourier rapide (FFT) sur les figures 5c et d, la fréquence extraite des respirations normale, rapide et profonde est de 0,68, 1,10 et 0,40 Hz, respectivement pour le volontaire de 22 ans et 0,60 , 1,40 et 0,47 Hz pour celui de 24 ans ; ce sont des fréquences respiratoires raisonnables pour les adultes en bonne santé [37]. Cela signifie que les informations clés des fréquences respiratoires peuvent être collectées via les signaux électriques. En revanche, il est demandé aux deux volontaires des tests de retenir leur souffle pour simuler la pause respiratoire provoquée par le symptôme d'apnée. De manière correspondante, il est présenté sur les Fig. 5c et d que les signaux avec une valeur de zéro volt durent environ 10 s entre deux rythmes respiratoires différents. Il peut être utilisé comme base de jugement pour le SAOS et un accord supplémentaire pour son diagnostic et son avertissement. Ces résultats démontrent que ce capteur TENG peut détecter non seulement les fréquences respiratoires mais aussi les symptômes de l'apnée.

De plus, une série de tests en temps réel ont été effectués par le volontaire dans différents états pour confirmer la faisabilité de l'appareil dans différentes activités quotidiennes. Les signaux de tension ont été mesurés via un voltmètre avec une résistance de charge de 100 MΩ dans trois états différents, c'est-à-dire couché (cas I sur la figure 6a), assis (cas II sur la figure 6b), debout (cas III sur la figure 6c) , et marchant à une vitesse de 3 km/h (cas IV de la Fig. 6d). La figure 6a présente les signaux de tension obtenus avec le volontaire couché pour simuler l'état respiratoire pendant le sommeil, tandis que la figure 6b-d présente les signaux de tension capturés avec le volontaire assis, debout et marchant, respectivement, pour simuler les processus respiratoires dans les activités diurnes . Tous les signaux des cas I à IV montrent des impulsions de tension stables et continues au rythme de la variation de la circonférence abdominale pendant la respiration, qui coïncident avec les processus réels d'inspiration et d'expiration. Et les fréquences respiratoires détectées sont respectivement de 0,54 Hz pour le cas I, 0,52 Hz pour le cas II, 0,72 Hz pour le cas III et 0,65 Hz pour le cas IV. Il convient de noter qu'il existe des instabilités dans la forme d'onde du signal lors de la marche sur la figure 6d, mais la fonctionnalité de surveillance du rythme respiratoire est toujours atteinte. Les tests dans les quatre cas démontrent la faisabilité du capteur de respiration en tant qu'appareil portable pour la surveillance de la respiration en temps réel dans différentes activités de la vie quotidienne. De plus, nous avons effectué une surveillance continue de la respiration à long terme pendant 180 s et les signaux détectés sont présentés dans le fichier supplémentaire 1 :Figure 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. un 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

Conclusions

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.

Disponibilité des données et des matériaux

The data and materials used are included in the manuscript.

Abréviations

ADC:

Analog digital converter

FFT :

Transformée de Fourier rapide

OSAS:

Obstructive sleep apnea syndrome

PTFE :

Polytétrafluoroéthylène

TENG :

Nanogénérateur triboélectrique