柔軟なセンサーにより、呼吸の監視が容易になります

ビデオ: 柔軟なセンサーにより、呼吸の監視が容易になります

ビデオ: 【格闘ニュース】 ⚪平本蓮が堀口恭司 敗戦のキッカケになるかもしれない⚪萩原京平 敗戦後メディア初登場 ⚪シバター「朝倉未来 金が目的だろ!」⚪五味隆典「お前らで試合やれ」⚪吉成名高の次戦 55kg 2022, 12月
柔軟なセンサーにより、呼吸の監視が容易になります
柔軟なセンサーにより、呼吸の監視が容易になります
Anonim
Image
Image

中国の科学者は、吸入空気と呼気の温度差に基づいて呼吸を監視するためのコンパクトで柔軟なセンサーを開発しました。信号を自動的に処理し、呼吸が停止したかどうかを検出します。このようなセンサーは、鼻や口からの呼吸を監視するのに適しており、運動中と睡眠中の両方で使用できます。記事はジャーナルAdvancedElectronicMaterialsに掲載されました。

定期的な睡眠時無呼吸(睡眠中に10秒以上呼吸を停止する)は、日中の疲労につながり、高血圧、心臓発作、脳卒中、または肝臓の問題のリスクを高めます。この病気の医学的診断には呼吸モニタリングが必要であり、現在は2つの方法で行われています。 1つ目は、顔に直接センサーを使用して呼吸を登録することを可能にします。センサーは、温度、湿度、および圧力の変化を測定します。このアプローチは、睡眠中にいくつかの異なる生理学的パラメータを測定する睡眠ポリグラフに実装されていますが、患者にいくらかの不快感をもたらします。

2番目のアプローチは、呼吸中の患者の胸部または腹部の動きを測定することであり、これらはすでに商用利用されています(例:Spire)。たとえば、昨年、アメリカのエンジニアは、眠っている人の心拍数、呼吸、姿勢を追跡する特別な睡眠パジャマを開発しました。

ただし、どちらの機械的監視方法も、人間の自発的な動きによってエラーが発生する傾向があります。そのため、科学者は、人の呼吸を測定し、干渉しないコンパクトで正確なセンサーを作成しようとしています。清華大学のXueFengは、吸入および呼気の温度を変化させることによって機能する柔軟な呼吸モニタリングデバイスを開発しました。このデバイスは、ユーザーの鼻孔の下に配置された温度センサーと、鼻の尾根にある集積回路で構成されています。センサーの位置はユーザーの動きを妨げず、その測定値はユーザーの動きとは無関係です。

センサーが温度差を呼吸サイクルに変換するために、科学者は呼吸パターンを予測するための熱モデルを開発しました。彼らは、呼吸流量は正弦波であり、温度流量にはステップ依存性があると仮定しました。さまざまな条件下で呼吸をシミュレートした後、研究者は、平均温度(最高と最低の間の平均)が一定のままである一方で、流量が指数関数的に変化することに気づきました。同時に、センサーの応答時間は対流熱伝達係数に正比例し、対流熱伝達係数はセンサー自体の表面積に依存します-したがって、可能な限り小さくする必要がありました彼らはまた、検出器の信号振幅が、吸入された空気の温度とは対照的に、吐き出された空気の温度とともに直線的に増加することを発見しました。ただし、このようなシステムは、周囲温度が体温と同じである場合は機能しません。

科学者たちは次のようにデバイスの構造を作成しました。クロム(10マイクロメートル)と金(150マイクロメートル)の薄層をポリジメチルシロキサンとポリイミドで基板に塗布しました。フォトリソグラフィーとウェットエッチングを使用して、金属層に所望の形状を与え、次に、反応性イオンエッチングを使用して、ポリイミドの形状を金属の形状に調整した。次の段階で、科学者は金属層とポリイミド層を粘着テープと硬化ポリジメチルシロキサンで基板に転写し、導電性接点に接続し、保護ベースを備えた半透性層を適用しました。

ポリジメチルシロキサンの層と保護ベースを取り除いた後、センサーの準備が整い、半透性の表面が接着しているため、どの領域にも簡単に適用できました。このようなセンサーでは、抵抗は温度から変化します。温度は、電圧計を使用して間接的に測定されます。回路はアナログデータを数値データに変換し、Bluetooth経由でスマートフォンのアプリに送信しました。小型のリチウムイオン電池を搭載していました。

Image
Image

a)柔軟な温度センサーを取得する段階的なプロセス。 b)そのような柔軟なセンサーで包まれたとげ。 c)ポリジメチルシロキサンの球面上のセンサー

Image
Image

鼻の解剖学的形状を備えたデバイスの最終的な外観

Image
Image

人間の顔のデバイスの外観

科学者は、運動、食物消費、睡眠、休息などのさまざまな条件下でセンサーのパフォーマンスをテストしました。すべての場合において、ユーザーは快適でした。さらに、テスト中の運動は信号にまったく影響しませんでした。センサーの応答時間は0.8〜1.2秒でしたが、人間の1回の呼吸サイクルの標準的な期間は3〜5秒です。被験者が口から呼吸した場合、信号の振幅は減少しましたが、呼吸は記録できました。

Image
Image

ランニング中の呼吸の頻度(左)と振幅(右):青い領域-準備、緑-運動、黄色-回復

Image
Image

実行前、開始、中間、実行後のセンサーからの温度変化データ

睡眠時無呼吸を検出するセンサーの能力を実証するために、研究者らは、睡眠時無呼吸が確認された参加者で睡眠中にデバイスをテストしました。被験者の睡眠中に、彼らは呼吸数の低い領域を発見し、綿密な調査の結果、40秒の呼吸サイクルの中断を発見しました。

さらに、研究者たちは自動睡眠時無呼吸追跡システムも開発しました。これを行うために、彼らは1分あたりの平均呼吸数を監視し、それを10分間の平均呼吸数と比較しました。1分あたりの平均呼吸数が10未満の場合、そのような間隔で息止めを検出できます。科学者は元のデータをチェックし、システムは無呼吸の別の症状を発見しました。

Image
Image

睡眠中の呼吸の頻度(左)と振幅(右)。赤い円は無呼吸の時間を示します(挿入図)-拡大された呼吸グラフ

Image
Image

生データ(黒)、1分あたりの平均呼吸数(青い四角)、平均呼吸振幅(青い円)、10分間の平均頻度(紫色の線)

Image
Image

呼吸数偏差のおおよその位置-無呼吸の症状

著者らは、デバイスの商用実装には、強力な多層インターフェースを開発し、フレキシブルセンサーの大量生産とフレキシブル集積回路への自動統合のプロセスを確立する必要があることを示唆しています。フレキシブルエレクトロニクスを取得するこのアプローチは、わずか2年で提案されました。前に。

呼吸パターンは、身体的状態と精神的状態の両方を反映します。たとえば、呼吸が速いと、ストレス、パニック、または恐怖の状態を示し、呼気の温度が上昇すると、喘息の気道の炎症を示す場合があります。呼吸法は、ストレス、不安、PTSD、または慢性閉塞性肺疾患を緩和するために使用されます。

トピックによって人気があります

人気の投稿