Носимый беспроводной трибоэлектрический наногенератор для мониторинга дыхания в реальном времени

Аннотация

Частота дыхания — критичный биомаркер для обнаружения респираторных расстройств, таких как обструктивное апноэ сна и кистозный фиброз. Традиционные клинические мониторы громоздки и неудобны для повседневного использования, тогда как мобильные медицинские устройства требуют лёгких, беспитательных решений. Мы представляем носимый на талии беспроводной трибоэлектрический наногенератор (TENG), который чувствует изменения окружности живота для генерации самопитного электрического сигнала. Теоретическое моделирование, механические испытания и испытания на волонтёрах подтверждают, что устройство точно отслеживает частоту дыхания при разных ритмах, состояниях активности и размерах тела, передавая данные беспроводно на смартфон. Это демонстрирует практичную, низкозатратную альтернативу для непрерывного респираторного мониторинга в быту.

Введение

Глобальное ухудшение качества воздуха и стареющее население повышают распространённость респираторных заболеваний. Непрерывный неинвазивный мониторинг дыхания может дать раннее предупреждение о состояниях вроде синдрома обструктивного апноэ сна (ОАС) и кистозного фиброза. Традиционное мониторинговое оборудование часто громоздко, требует внешнего питания и непригодно для длительного домашнего использования. Недавние достижения в мобильных сетях и маломощной электронике заинтересовали гибкие носимые медицинские датчики. Трибоэлектрические наногенераторы (TENG) идеальны для этого: они лёгкие, дают высокую плотность энергии и безопасны для контакта с кожей. Многочисленные TENG-устройства разработаны для пульса, сердечного ритма и общего физиологического мониторинга, но мало кто нацеливается на респирацию.

Наша работа представляет умный пояс, использующий естественное расширение и сокращение живота при дыхании. Пояс содержит скользящий-режим TENG, преобразующий механическую деформацию в переменное напряжение без внешнего питания. Сигнал усиливается, оцифровывается и передаётся через беспроводной модуль на смартфон, предоставляя данные о дыхании в реальном времени.

Методы

Архитектура устройства

Носимая система состоит из двухслойного пояса, скользящего-режима TENG и беспроводного модуля передачи. Нескучный и деформируемый слои пояса позволяют контролируемое скольжение трибопары TENG, сохраняя комфорт. TENG использует 100 мкм ПТФЭ пленку (негативный трибоматериал) и 30 мкм нейлоновую пленку (позитивный трибоматериал) с 50 мкм медными электродами. Устройство 5×5 см помещено в пластиковый чехол для обеспечения постоянного контакта при дыхании.

Электрические измерения

Выходное напряжение записывали Keysight B2983A электрометром. Высокоимпедансный выход TENG требовал следящего усилителя для согласования с входом беспроводного модуля и схемы сдвига уровня для преобразования биполярного сигнала в униполярный для АЦП.

Принцип чувствительности

Дыхание вызывает трапецеидальное смещение окружности живота. Это смещение заставляет трибопару скользить наружу при выдохе и вовнутрь при вдохе, производя синусоидальную волну напряжения. Четыре стадии — интимный контакт, наружное скольжение, пауза и внутреннее скольжение — соответствуют дыхательному циклу.

Теоретическая модель

Мы моделируем смещение x(t) как трапецеидальную волну и выводим выходное напряжение V(t) используя установленную TENG теорию. Модель предсказывает линейную связь между пиковым напряжением и амплитудой скольжения, подтверждённую экспериментами (Ур. 3: V_peak = 0,01383 X_max + 0,0092).

Результаты и обсуждение

Валидация модели

Аналитическое предсказание близко совпало с измеренным напряжением при симулированном дыхании, подтверждая точность модели и направляя оптимизацию дизайна.

Механические испытания

Используя растягивающий станок, варировали амплитуду скольжения от 2,5 до 30 мм при 0,5 Гц. Выходное напряжение линейно росло со смещением, с пиковым напряжением 1,2 В при 30 мм. Даже 2,5 мм смещение давало измеримый сигнал, указывая на пригодность для человеческого дыхания.

Мониторинг в реальном времени

Испытания на волонтёрах в положениях лежа, сидя, стоя и ходя демонстрировали стабильные импульсы напряжения, соответствующие дыханию. Респираторные частоты варьировали от 0,54 Гц (лежа) до 0,72 Гц (стоя). FFT анализ подтвердил точную извлечение частоты для нормального, быстрого и глубокого дыхания. 10-секундная пауза апноэ также была детектирована, демонстрируя потенциал для скрининга ОАС.

Беспроводная передача

Беспроводной модуль, питаемый малой батареей, оцифровывает выход TENG и передаёт его через Bluetooth на смартфон. Хотя амплитуда сигнала аттенуируется из-за высокого входного импеданса и частоты дискретизации, форма волны верно представляет дыхательные циклы и позволяет точное вычисление респираторной частоты.

Заключение

Мы изготовили лёгкий, беспитательный поясной ремень, преобразующий брюшное дыхание в измеримый электрический сигнал с использованием скользящего-режима TENG. Устройство точно отслеживает респираторную частоту при различных активностях, детектирует события апноэ и передаёт данные беспроводно на мобильное устройство. Низкая стоимость, простота и высокая чувствительность делают его перспективной платформой для непрерывного домашнего респираторного мониторинга и раннего обнаружения заболеваний.

Доступность данных и материалов

Все данные и материалы включены в рукопись.