ワイヤレスひずみおよび温度センサーとバッテリーレスNFCタグを備えたスマート包帯(スマート絆創膏)

センサーを搭載したウェアラブルシステムは、主要な健康パラメータの測定を可能にし、臨床医の接触時間数を減らすことにより、費用効果の高い自己健康モニタリングの可能性を秘めているため、近年大きな関心を集めています[1] – [2] [3 ]。健康モニタリングの非侵襲的手段として、これらのデジタルヘルスソリューションは、個人の処方箋への順守を改善する可能性があります[4] – [5] [6]。その結果、ケーブルを介して患者につながれたいくつかのタイプのウェアラブルセンサーが、従来のラボベースの測定システムの代替として検討されてきました[7] – [8] [9]。これらのウェアラブルシステムは、説得力のある生理学的データをキャプチャしますが、受け入れを拡大するには、目立たないことも重要です。この点で、さまざまなタイプのセンサーを低電力電子機器や無線無線通信インターフェースと統合する必要もあります。同じ柔軟で順応性のある基板[10] – [11] [12] [13]。ここでは、図1に示すように、スマート包帯フォームファクターでそのようなソリューションの1つを提示します。そのようなウェアラブルシステムの大部分はフレキシブルセンサーを採用していますが、フレキシブル電子機器も含む完全にフレキシブルまたは適合性のあるシステムはまだ登場していません。

図1.-ワイヤレスひずみおよび温度のリアルタイム監視用のNFCベースのスマート包帯の概要。 電力供給と双方向通信は、カスタム開発されたスマートフォンアプリケーションによって実現されます。

図1。

ワイヤレスひずみと温度のリアルタイム監視のためのNFCベースのスマート包帯の概要。電力供給と双方向通信は、カスタム開発されたスマートフォンアプリケーションによって実現されます。

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スマート包帯は、2種類のセンサー(ひずみと温度)とバッテリーレス近距離無線通信(NFC)タグで構成され、創傷評価などのアプリケーションで重要な情報をワイヤレスで提供します[14] – [15] [16]。センシングタグに必要な電力を供給し、両方のパラメーターをリアルタイムで測定するために、カスタムスマートフォンアプリも開発されました。創傷評価のための文献で報告されているスマート包帯のいくつかの例は、補足情報(SI)の表S1に要約されています。これらは、pH [17] – [18] [19] [20] [21] [22]、温度[23] – [24] [25]などのモニタリングパラメータに基づいています、尿酸[21][26]、水分[27]、酸素[28][29]、乳酸[29]、圧力とひずみ[30] – [31] [32] [33]、その他[ 14][15][34][35]。ただし、これらのスマート包帯はいずれも、創傷の状態に関する重要な情報を提供している場合でも、温度とひずみを同時に測定することはできません。たとえば、温度は創傷の炎症または感染の確立されたマーカーであり、創傷の外観に違いはないかもしれませんが、慢性の初期の指標または治癒の予測因子となります[15][36] – [37] [38]。同様に、皮膚のひずみは、創傷治癒中の創傷閉鎖または皮膚成長を追跡するための効果的なルーチンとして使用できます[32][39] – [40] [41]。創傷に制御された機械的力を加えることで、血管新生と細胞増殖を促進し、創傷治癒を改善することもできます[42]。したがって、ひずみセンサーと温度センサーを使用して、提示されたスマート包帯は、温度とひずみを同時に監視する必要性に対処します。さらに、提示されたシステムは、喘息やCOVID-19 [5][43][44]などの呼吸器疾患のモニタリングに役立つ可能性があり、ウェアラブルひずみおよび温度センサーが呼吸量や体温[33][45][46]。低電力デバイスの要件[47][48]このようなIoTベースのシステムでは望ましいものであり、提案されたセンサーもこれを念頭に置いて製造されました。センサーとそのインターフェースの低消費電力は、NFCハーベスターによって取得されたエネルギーから直接操作できることを意味します。

提示されたシステムは、次の3つの主要な側面を同時に組み合わせることにより、以前の作品とは異なります。1)センサーと電子機器の両方がフレキシブル基板に統合されている。2)温度とひずみを同時に測定することができます。これは、創傷評価のためにこれまでほとんど組み合わされていなかった2つのパラメータです。3)NFCテクノロジーを使用してワイヤレス電源とデータ送信を実装し、カスタム開発されたスマートフォンアプリケーションを通じてシステムをNFC対応のスマートフォンと互換性のあるものにします。センサーからのデータは、RFID(Radio-Frequency Identification)、NFC、Bluetoothなどのテクノロジーを使用してワイヤレスで読み取りおよび送信できます。[49][50]。NFCは、短距離無線システム用のRFIDテクノロジーファミリ内の特殊なサブセットです。一般的なRFIDに対するNFCの明確な利点は、NFCベースのシステムとリモートリーダーとして機能するNFC対応スマートフォンとの間で実現できるピアツーピア通信にあり、このテクノロジーを個々のユーザーの手の届く範囲に配置します。セクションII。

材料および方法

A.ひずみセンサーの設計と製造

透明ポリマーのポリジメチルシロキサン(PDMS)を使用してひずみセンサーを製造しました[51]。この場合、マイクロチャネルはレプリカ成形技術を使用してPDMSで実現されました。この目的のために、PDMSと架橋剤の10:1混合物を調製し、ガラス棒を使用して適切に混合しました。次に、調製した混合物を真空デシケーター内で1時間脱気して、閉じ込められた空気をすべて除去しました。その後、混合物を直径5.5cmの円形型に注いだ。金属線(dia〜 275μメートル )は、PDMS内にマイクロチャネルを作成するために金型で使用されました。次に、型を対流式オーブンで70°Cで2時間乾燥させました。乾燥後、硬化したPDMSを型から取り出し、ワイヤーを取り外してマイクロチャネルを得た。その後、導電性液体ポリマーPEDOT:PSSをシリンジを使用してマイクロチャネルに注入し、70°Cでさらに3時間硬化させました。射出と硬化のプロセスを3回繰り返しました。最適化は、注入と硬化のサイクル後、毎回センサーの電気抵抗を測定することによって行われました。この後、作製したセンサーを長方形(3cm)に切断しました。××2 cm)さらなる実験のため。市販の直径付き円筒形Al電極〜 275μメートル 次に、電気接続のためにマイクロチャネルの両端に挿入されました。2つの電極間のマイクロチャネル内に約1.5mmのギャップが維持されました。

B.温度センサーの設計と製造

フレキシブル温度センサーは、市販のPVC基板上に導電性銀塗料(RS 186-3600)を使用して製造されました[52]。PVCはにカットされました2 × 2 銀ペーストを使用して、柔軟なPVC基板上にAgインクを使用してcm個のピース​​と2つの電極を形成しました。次に、サンプルを50°Cの熱風オーブンで30分間乾燥させました。2つの電極間のギャップは約2mmでした。さらに、10 μ L  マイクロピペットを使用して、2mmのギャップにPEDOT:PSSを分注しました。次に、サンプルをエアオーブン内で50°Cで1時間乾燥させました。その後、温度応答を評価するために、サンプルの電気的特性が評価されました。

C.NFCアンテナの設計と特性評価

スマート包帯の主な電子部品は、Texas Instruments(Dallas、Texas、USA)のNFCISO15693センサートランスポンダーRF430FRL152Hです。このトランスポンダに基づくフレキシブルプリント回路基板(PCB)の設計と製造の詳細については、SIのセクションIIを参照してください。このNFCチップは、完全パッシブモードでの動作に最適化されており、ポータブルおよびワイヤレスセンシングアプリケーションでバッテリーレス設計を開発します。これは、外部RFIDリーダー(この場合はNFC対応のスマートフォン)によって誘導された電磁界からエネルギーを収集することによって実現されます。カスタムアンテナは、インダクタンスが内部コンデンサ値(NSi n t )RF430FRL152H ICの13.56MHzで共振を実現します。これは、NFCプロトコルで必要な中心周波数です。共振が達成されることを考慮するとNS0= 1 / 2 πL C−−−√ と NSi n t= 35 対象の周波数でのpFの場合、タグの共振に必要なインダクタンス値は約3.9です。 μ H 。ただし、アンテナの寸法を小さくするには、La n t= 1.85 μ H 方形平面インダクタが設計され、外部コンデンサは NSe x t= 39 pFはに並列に配置されました NSi n t 共振回路を完成させます。初期インダクタンス設計は、グローバー法によって推定されました(詳細はSIのセクションIIIを参照)。

最初の見積もりの​​後、COMSOL Multiphysics(COMSOLグループ、ストックホルム、スウェーデン)とAdvanced Design Simulator(ADS、Keysight Technologies、カリフォルニア州サンタクララ)を使用したEMシミュレーションによる最適化プロセスを通じて、アンテナの最終的な寸法と巻数が取得されました。米国)。図2(a)に示すように、最終的に設計されたコイルアンテナはNS= 7 で回る w =400μメートル 導体幅として、 s =350μメートル ライン26 [mm]の全体の寸法との間のinterspacingとして2。製造後、アンテナの周波数応答は、インピーダンスプローブキット4294A1(Keysight Technologies、Santa Rosa、CA、USA)とともに高精度インピーダンスアナライザ4294Aを使用して測定されました。図2(b)は、設計されたコイルのシミュレートされた表面電流密度とその周囲の磁場を示し、図2(c)と(d)は、外部コンデンサとRFIDチップ。図2(c)に見られるように、La n t= 1.816±±0.004μ H 13.56 MHzで得られました。これは、設計されたインダクタンス値に近い値です。同じ周波数で測定された品質係数はQ =74.9 ± 0.3 。図2(d)に示すように、外部コンデンサとチップを取り付けた後、共振の最大ピークは13.61 MHzで達成され、目標の共振周波数である13.56MHzに非常に近くなりました。NFC対応のスマートフォンをデータ通信と電源供給の両方の目的で外部リーダーとして使用できるようにするために、ユーザーフレンドリーなAndroidアプリケーション(SenseAbleアプリ)が開発されました。詳細とスクリーンショットは、SIのセクションIVにあります。サポートビデオ(SIのムービーS1)は、SenseAbleアプリケーションで使用可能なオプションの例を含む、ひずみおよび温度測定用の作業タグのデモンストレーションを提供します。

図2 .-(a)NFCアンテナとして機能する設計された平面コイルの幾何学的寸法。 (b)シミュレートされた磁束密度$({T})$とコイルの表面電流密度。 (c)製造された平面インダクタの測定された周波数応答。 (d)外部コンデンサとRFIDチップを取り付けた後の並列LC回路のインピーダンスと位相のシミュレーションと測定。

図2。

(a)NFCアンテナとして機能する設計された平面コイルの幾何学的寸法。(b)シミュレートされた磁束密度(T)。 コイルの表面電流密度。(c)製造された平面インダクタの測定された周波数応答。(d)外部コンデンサとRFIDチップを取り付けた後の並列LC回路のインピーダンスと位相のシミュレーションと測定。

すべて表示するセクションIII。

結果と考察

A.ひずみ検知

開発されたひずみセンサーは、LabVIEW制御のひずみ生成セットアップと、デジタルマルチメーター(Agilent 34461A)を使用した電気的応答の測定によって特徴付けられました。ひずみ生成セットアップには2つのホルダーがあり、センサー内で制御可能な速度で一軸ひずみを生成するために前後に移動することができました。センサーはホルダーを使用してセットアップに取り付けられ、電気接続には細い金属線が使用されました。最大30%のひずみが速度VNS= 0.1 mm / s。ひずみセンサーは、最大30%のひずみについてテストされました。これは、指、手首、膝、肘などのさまざまな体の部分で、コラーゲン線維や組織が狭窄する人間の皮膚に関連する典型的なひずみ限界です[53]。[54]。曲げ効果の実像と概略図をそれぞれ図3(a)〜(c)に示します。私たちは3つの順序を観察しました(Δ R /NS0〜 1250年 )センサーの電気抵抗の変化。この場合のベース抵抗は〜 140Ω  最高ひずみでの抵抗は 〜 180KΩ  。これは、次のセクションで説明するように、ポリマーに欠陥と電気的不連続性が形成されるためです。図3(c)は、実際の使用中にスマート包帯が受けるひずみの概略図を示しています。ユーザーが包帯を体の関節または体の任意の部分に配置すると、センサーを曲げるとセンサーに直接ひずみが生じ、角度が曲がります。θ 、図3(c)に概略的に示されているように、Δ L =l′= 2 w s i n(θ / 2) 、 どこ l はセンサーの長さであり、 w ボディパーツの有効幅です。したがって、曲げ角度間の相関関係θ とストレッチ Δ L / L を使用して計算できます Δ L / L =l′/ l =(2 w s i n(θ / 2)) / l 、センサーのキャリブレーションに使用されました。

図3 .-(a)および(b)伸ばされた、リラックスした、曲げられた状態のセンサーの画像。 (c)ロボットの手などの曲げ可能なサポートに固定されたセンサーの概略図。 (d)さまざまなストレッチ(10%、20%、および30%)条件でのセンサーの応答($ \ Delta R / {R_ {0}} $)。 (e)ひずみ値によるセンサーの応答。 (f)さまざまなひずみ値に対するひずみセンサーのGF(実験およびシミュレーション)。 (g)異なる最大ひずみ値に対する製造されたひずみセンサーのヒステリシス曲線。

図3。

(a)および(b)伸ばされた、リラックスした、曲げられた状態でのセンサーの画像。(c)ロボットの手などの曲げ可能なサポートに固定されたセンサーの概略図。(d)応答(Δ R /NS0 )さまざまなストレッチ(10%、20%、および30%)条件でのセンサーの。(e)ひずみ値によるセンサーの応答。(f)さまざまなひずみ値に対するひずみセンサーのGF(実験およびシミュレーション)。(g)異なる最大ひずみ値に対する製造されたひずみセンサーのヒステリシス曲線。

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図3(d)は、さまざまなストレッチ(10%、20%、および30%)条件でのセンサーの時間応答を示し、図3(e)は応答(Δ R /NS0 )加えられたひずみに関するセンサーの。電気伝導率(σ )PEDOT:マイクロチャネルのPSSは、体積分率に依存します(VNS )欠陥とパーコレーションしきい値[55][56]またはフィラーの臨界体積分率(VNS ) なので σ∝((VNS−VNS)。NS 、ここで変数 NS は、実験データに最適なフィッティングパラメータです。この場合、効果的VNS チャネル内のポリマーPEDOT:PSSは、電気的な不連続性や欠陥を形成するため、チャネルの変形により減少します。これは、電気的パーコレーションメカニズム[55] – [56] [57]によって説明できます。

PEDOT:PSSの体積分率は、材料の体積分率に等しくなります。 VNS=NSNS と VNS=NSNS 、 どこ NSNS と NSNS PDMSマイクロチャネル内のPEDOT:PSSが均一に分布していると仮定した場合の、対応する面積分率の値です。この場合、加えられたひずみによるマイクロチャネルの拡張により、センサーの電気抵抗が増加します。この場合、電気伝導率は次のようになります。σ∝((NSNS−NSNS)。NS また Rのα((NSNS−NSNS)。− s 抵抗と導電率は反比例するため[すなわち、 R = (1 / σ)(l / A) 、 どこ l は導体の長さであり、 NS は断面積です]。

この場合、チャネルの有効な長さと直径は1.5 mmであり、 175 μメートル  、 それぞれ。さらに、システム内の電気的不連続性の数(NS )およびパーセントひずみの大きさ(γ= (Δ L / L)× 100 )センサーで面積分率を変更します NSNS センサーで。線形関係NS= M γ+NS0 この場合、ひずみは低かったと見なされました[58][59]。NS0 システムに存在する初期の電気的不連続性を表します。 NS(= (E1××NS1) / (E2××NS2)) は比例定数です。 E1 は活物質(すなわち、PEDOT:PSS)のヤング率であり、 NS1 それぞれ、チャネルの断面です。とE2 と NS2 埋め込まれた材料(すなわち、PDMS)の同じパラメータです。の値NS0 ひずみを加えた後に形成される電気的不連続性と比較して無視できるのに対し、 NS 低ひずみ領域での電気的不連続性の形成を決定します。より高いNS 特定のひずみ値に対してより高い亀裂形成を意味します。同様に、パーコレーションのしきい値は次の式で与えることができます。NSNS=VNS= (πNS2L) /(8個のπNS2L + πNSL2)。 、 どこ L と NS は、それぞれ不連続部の長さと半径です。図3(e)に示すように、理論結果は実験値とよく一致しています。GFの値を測定し(〜12000)、図3(f)の理論値と比較しました。GFの値は、以前に報告されたほとんどの抵抗性ポリマーひずみセンサーと比較してかなり高かった。図3(g)は、10%、20%、および30%の最大ひずみ値に対する提案されたひずみセンサーのヒステリシスを示しています。ヒステリシス応答は、センサーがスマート包帯アプリケーションにかなり適していることを示しています。

B.温度検知

図4(a)は、セクションII-Bで説明したフレキシブル温度センサーの製造ステップを概略的に示しています。センサーは、PEDOT:PSSが温度に敏感であるという事実に基づいています。温度が上昇すると、材料内のキャリア移動度が増加するため、抵抗が減少します。

図4 .-(a)フレキシブル温度センサーの製造ステップの概略図。 (b)センサー応答$ \ left({{R} / {R_ {0}}} \ right)$の時間($ {t} $)による変化。 (c)40°Cから45°Cへの約5°Cの温度上昇に対するセンサーの応答$ \ left({{R} / {R_ {0}}} \ right)$。 (d)異なる温度値(T)でのセンサーの応答。 (e)正規化されたコンダクタンス$ \ left({{\ sigma} / {\ sigma _ {0}}} \ right)$の温度による変化。

図4。

(a)フレキシブル温度センサーの製造ステップの概略図。(b)センサー応答の変化(R /NS0)。 時間とともに(NS )。(c)応答(R /NS0)。 40°Cから45°Cへの約5°Cの温度上昇のためのセンサーの。(d)異なる温度値(T)でのセンサーの応答。(e)正規化されたコンダクタンスの変化(σ/σ0)。 温度で。

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PEDOT:PSSベースの温度センサーは、25°C〜85°Cの温度範囲でテストされました。これは、創傷部位の一般的な温度をカバーします[25][60][61]。動作範囲が広いにもかかわらず、センサーは主に30°C〜50°Cの範囲で動作します。この場合、傷の周りの皮膚温度は、傷の状態の潜在的な指標である可能性があります。センサーは、デジタルディスプレイとLabVIEW対応のデジタルマルチメータを備えたホットプレートを使用して特性評価されました。2つのAg電極を備えた温度感受性PEDOT:PSSをデジタルホットプレートに配置し、温度を25°Cから80°Cまで変化させました。図4(b)示すように、温度の上昇とともに抵抗が減少していることがわかりました。センサーは、下のホットプレートの温度がより高い値に上昇する前に、飽和するまでしばらく放置されました。抵抗が低下し、温度上昇のために5-8約Sで安定状態に達する〜5°C、40°Cから45°Cまで、に示すように、図4の(c) 。さらに、センサーはさまざまな温度と応答にさらされました(R /NS0 ) 記録されました。図4(d)はR /NS0 温度とを有する、図4(e)に示す正規化コンダクタンスのために同じ(σ/σ0 )。この場合、正規化されたコンダクタンスの変化は、温度の変化との良好な二次適合を示しました。コンダクタンスの温度依存性は、2次方程式として表すことができます。Y= aNS2+ b x + c 、図4(e)に示すように、ここでa = 3.8 ×10− 4 、 b = 0.66 ×10− 4 、 と c = 0.51 。文献でも、抵抗と温度の二次関係が以前に報告されています[62][63]。ただし、この場合、抵抗は温度に対して線形です(Y= m x +NS′ )図4(d)に示すように、ここでm = 7.4 ×10− 3 と NS′= 1.12 。抵抗は約45変化しましたΩ 5°Cを40°Cから45°Cに変更した場合、ノイズは約2.2%でした。この値は、線形フィットと温度分解能からの応答の変動を測定することによって計算されました。つまり、2つの検出可能な連続した温度値間の最小差は約2°Cと計算されました。

C.スマート包帯の設計と操作

開発したスマート包帯システムの回路とシステムレベルのブロック図をそれぞれ図5(a)と(b)に示します。RF430FRL152Hトランスポンダーは、2つのセンサーとSenseAble間のインターフェイスとして使用されましたセンサーデータの取得と送信のためのスマートフォンアプリケーション。そのためには、2つの異なるインターフェースが必要でした。ISO / IEC 15693準拠のRFIDインターフェイスは、ワイヤレスプログラミング、構成、および双方向データ通信に使用されました。これを実現するために、設計されたフレキシブルループアンテナをANT1ピンとANT2ピンを使用してチップのRFアナログフロントエンドに接続しました。スマート包帯のバッテリーレス動作は、RFIDリーダー(この場合はカスタムアプリケーションSenseAbleを実行するNFC対応スマートフォン)のアプローチによるEMエネルギーハーベスティングによって実現されました。。ひずみセンサーと温度センサーはどちらも動作に外部電源を必要としないため、収集されたエネルギーはチップとその内部機能ブロックに電力を供給するためにのみ使用されました。センサーとRF430FRL152Hトランスポンダー間のインターフェースは、抵抗センサーバイアスインターフェースを介して行われました。これは、内部14 bシグマデルタアナログ-デジタルコンバーター(ADC)と非常に高い機能を備えたプログラマブルゲインアンプ(PGA)を使用します。フルオフセット補償、非常に低いオフセットドリフト、および低ノイズと組み合わされたインピーダンス入力とプログラム可能なゲイン。図5(a)に示すように、ひずみセンサーの調整回路として分圧器を実装しました。抵抗器の一端NS1 の安定化出力電圧であるVDDSWに接続されました Vd d s w〜1.5 最大450の電流でV μ A (NS、 〜 675μW  )チップがRFIDリーダーからの適切な電磁界を提供できること。のもう一方の端NS1 ひずみセンサーに接続されました(NSs t r a i n )およびアナログ-デジタルコンバータ入力(ADC0)の1つ。のもう一方の端末NSs t r a i n チップ上で仮想接地設定が有効になっている状態でSVSSに接地されました。このオプションを使用すると、SVSSの電圧が約125 mVに上昇し、グランド近くのADCの非線形動作による小さなエラーを防ぎます。ひずみ取得用の回路の実装に関する詳細は、SIのセクションVに記載されています。

図5 .-(a)回路およびシステムレベル。 (b)ワイヤレスひずみおよび温度監視用に開発されたスマート包帯のブロック図。 (c)カスタムスマートフォンアプリケーションを使用したワイヤレスひずみおよび温度監視の概念実証としてアームに取り付けられたNFCベースのスマート包帯の写真。 (d)フレキシブルポリイミドで製造され、PDMSに埋め込まれたNFCタグ。 (e)曲げ試験用の中空段ボールシリンダーに取り付けられたスマート包帯。

図5。

(a)回路およびシステムレベル。(b)ワイヤレスひずみおよび温度監視用に開発されたスマート包帯のブロック図。(c)カスタムスマートフォンアプリケーションを使用したワイヤレスひずみおよび温度監視の概念実証としてアームに取り付けられたNFCベースのスマート包帯の写真。(d)フレキシブルポリイミドで製造され、PDMSに埋め込まれたNFCタグ。(e)曲げ試験用の中空段ボールシリンダーに取り付けられたスマート包帯。

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温度センサー(NSt e m p )ADC2とSVSSの間に接続されました。より正確な温度測定を行うには、基準抵抗((NSr e f= 100K Ω )も使用され、ADC1とSVSSの間で接続されました。温度測定アプローチは、電流源が温度センサー(ADC2)ピンと参照(ADC1)ピンに適用されて抵抗を決定するという点で、ひずみ検出とは異なりました。通常、出力電流は〜 2.4μA  仕様に従って両方のピンにチップによって適用されますが、この電流源の正確なアンペア数はデバイスごとに異なる可能性があります。既知の抵抗を使用するNSr e f 、両方のピンを流れる正確な電流レベルを決定できるため、正確な電圧計算を実行できます。SIのセクションIVには、温度検知の取得と計算の手順に関する詳細が含まれています。両方のセンサーのサンプリングでは、ノイズリダクションを実現するために、14bシグマ-デルタコンバーターの後にデジタルデシメーションフィルターがプログラムされました。これは、デシメーション比が256にプログラムされたカスケード積分コーム(CIC)フィルターで構成されていました。これにより、変換時間は128ミリ秒になり、アプリケーションにとって十分な速さでした。チップは、3つのADCピンの電圧値を順次サンプリングし、FRAMの特定の場所に保存するようにプログラムされています。これらのメモリ位置は、SenseAbleによってアクセスされましたNFCコマンドを使用してアプリケーションを実行し、上記のキャリブレーションを使用して電圧値をひずみ値と温度値に変換しました。チップ内で読み出しルーチンを実行するプログラムを開発するために、コードコンポーザースタジオ(CCS)バージョン7.4が使用されました。ファームウェアは、Texas InstrumentsのTRF7970A RFIDリーダーを介して無線プログラミング(OTA)を使用してRF430FRL152HROMにアップロードされました。

概念実証として、図5(c)は、人間の腕に取り付けられたシステム全体の写真を示していますここで、柔軟なパッシブタグ[図5(d)]は、標準的な創傷被覆材に温度センサーとひずみセンサーとともに統合されています。構造全体を環境から保護するために、透明な粘着性のサージカルテープが使用されました。システムのモジュラー設計を考えると、温度センサーとひずみセンサーは、写真に示されている場所とは異なる便利な場所に配置できるため、それぞれの特定の要件に適応できます。たとえば、温度センサーを創傷被覆材の下に配置して、皮膚との接触を増やすことができます。サポートビデオ(SIのMovie S1)は、ひずみと温度を監視するための作業タグと、カスタム開発されたSenseAbleスマートフォンアプリケーションでの操作のデモンストレーションを提供します。

タグをリーダーとして携帯電話でスキャンした場合、NFCタグの一般的な読み取り距離は1〜5cmです。NFCチップ内のテクノロジー、タグアンテナのサイズとデザイン、タグの品質、リーダーアンテナなど、いくつかの要因がパフォーマンスに影響を与える可能性があります。平らな位置で、この作業で使用したXiaomi Mi6スマートフォン(Xiaomi Inc.、北京、中国)を使用すると、最大垂直読み取り距離43mmが達成されました。タグの読み取り距離への影響を調べるために、いくつかの曲率がテストされました。そのために、タグを半径の異なる中空の段ボールシリンダーの凸面に合わせて曲げました(NS )。選択した円柱の半径はR =100 、50、20、および10mm。例として、図5(e)はR =20 んん。曲げ角度(θ )ラジアン単位は、曲率方向のコンポーネントの長さとして計算できます(L )を円柱の半径で割った値(NS )。長さはL =26 mmは、設計された方形アンテナのサイズです。したがって、選択した半径では、曲げ角度は約15°から最大150°の範囲でした。これらの値は、たとえば、人間の手足に合わせるために必要な曲げに相当します。R =100 と20mmは、それぞれ成人の太ももと指のおおよその曲率に相当します。読み取り半径は曲げ半径とともに減少し、ケースでは40mmになりました。R =100 23mmまでのmm R =10 んん。の中間の場合R =50 と20mm、測定された読み取り距離はそれぞれ35と32mmでした。以前の結果は体から外されましたが、タグが異なる人体部分に取り付けられた場合、読み取り距離に大きな違いは観察されませんでした。たとえば、太もも、手首、親指にそれぞれタグを付けて、最大読み取り距離41、38、25mmを測定しました。

最後に、スマート包帯は、ひずみセンサーを使用して呼吸中の胸部の拡張と収縮をワイヤレスで監視するための医療用解剖学的マネキンの概念実証としてテストされました[64][65]。これは、喘息やCOVID-19などの呼吸器疾患のワイヤレス評価にとって特に興味深いものです。そのために、図6(a)示すように、スマート包帯を心肺蘇生法(CPR)マネキンの胸部に配置しました。CPRマネキンは、私たちのグループによって開発された低コストの緊急用人工呼吸器であるGlasVentと組み合わせて使用​​されました[44]図6(a)に示すように、GlasVentは、バッグマスク換気(BVMまたはAMBUバッグ)として一般に知られている手動蘇生装置の自動バージョンであり、機械的換気を開始する前に臨床医によって広く使用されています。スマート包帯を胸に固定すると、図6(b)と図6(b)示すようにSenseAbleアプリを使用して、吸入と呼気(胸の拡張と収縮)に関連する相対抵抗の上下の傾斜によって呼吸をワイヤレスで監視できます。 (c)。サポートビデオ(SIのMovie S2)は、CPRマネキンで開発されたスマート包帯とGlasVentを使用して、呼吸中の胸部の拡張と収縮をリアルタイムでワイヤレスで監視するデモを提供します。

図6 .-(a)医療用CPRマネキンのスマート包帯とGlasVent人工呼吸器を使用して、呼吸中の胸部の拡張と収縮をワイヤレスで監視するための実験装置。 (b)呼吸中の吸気および呼気サイクルに関連するスマート包帯によって測定された経時的なセンサー応答。 この場合、ひずみセンサーの抵抗は、吸入による胸部拡張中に得られた最大抵抗に正規化されました。 (c)2つの時間要素、つまり吸気($ I $)と呼気($ E $)で構成される1つの呼吸サイクルの詳細図。

図6。

(a)医療用CPRマネキンのスマート包帯とGlasVent人工呼吸器を使用して、呼吸中の胸部の拡張と収縮をワイヤレスで監視するための実験装置。(b)呼吸中の吸気および呼気サイクルに関連するスマート包帯によって測定された経時的なセンサー応答。この場合、ひずみセンサーの抵抗は、吸入による胸部拡張中に得られた最大抵抗に正規化されました。(c)2つの時間要素、すなわちインスピレーションからなる1つの呼吸サイクルの詳細図(私 )と有効期限(E )。

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結論

要約すると、ワイヤレスのひずみと温度の検知のために、柔軟で順応性のあるスマート包帯が提示されます。ひずみセンサーと温度センサーの両方が、柔軟なポリイミド基板に基づくバッテリーレスNFCタグと統合されました。PEDOT:PSSポリマーベースのセンサーは使い捨てであり、このアプリケーションでかなり優れた性能を発揮します。マイクロチャネルベースのひずみセンサーは、PDMSとPEDOT:PSSを使用して製造され、平均GF(GF=(Δ R /NS0) / (Δ L / L) )〜12 500であり、このアプリケーションではかなり高い値です。前記ひずみセンサーについて、自由曲げの程度あたり約150%および伸長のパーセンテージあたり約12k%の電気的分解能が観察された。同様に、PEDOT:PSSベースの温度センサーは、25°Cから90°Cへの温度変化に対して抵抗が約70%減少し、温度変化ごとに約1.2%の感度を示しました。さらに、提案されたタグはバッテリーレスであり、標準のNFC対応スマートフォンからのEMフィールドを使用して電力が供給されていました。センサーのリアルタイムデータは、ユーザーフレンドリーなカスタム開発のスマートフォンアプリケーションであるSenseAbleアプリを使用して記録および処理されました。タグはまた、標準的な創傷被覆材と統合されました。スマート包帯を人間の手足に取り付けた後、最小読み取り距離は約25mmに達しました。しかし、タグが平らな位置にある場合、最大読み取り距離は約43mmであることが観察されました。このタグは、喘息やCOVID-19などの創傷状態や呼吸器疾患をワイヤレスで監視するためのさまざまなヘルスケアアプリケーションで使用できます。ウェアラブルひずみ(呼吸量など)や温度センサーによる監視が重要です。

karahiro

.NEWS3サイトの発行元

広告収入目的のwebサイト乱立による情報過多や、ロシアによるウクライナ侵攻をきっかけに皆の目が“情報の出処”にも行く様になったでしょう

当サイトは「書き手がバイアスを掛ける事なく当事者が出した内容をそのままに」を理念としており、また以前熱海でカフェ店を運営していた際に感じた“情報に対する不正確さ不公平さ”を反面教師として発行を開始

当初はドメイン・サーバー代を賄う程度にAdSense広告を入れてたが仮に1円でも得ていたら説得力に欠けるし、自分の理念に時代が少しはマッチして来たかなと感じこれを契機に広告を全て撤廃し自信もって「金が目的ではない」を謡う

※詳細説明は個人blogにて

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