柔軟な圧力と温度のデュアル

Scientific Reports volume 12、記事番号: 17434 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

呼吸状態は人間の健康と密接に関係する重要な生理学的指標です。呼吸パターン認識用のウェアラブルでフレキシブルな呼吸センサーは、個人の医療診断や健康状態のモニタリングなどのために生理学的信号の詳細を提供できるため、多くの注目を集めています。しかし、シングルモード検出を使用したフレキシブルな呼吸センサーに基づく現在のスマートマスクは、比較的小さな呼吸音しか検出できません。多くの呼吸パターンがあり、特に口呼吸と鼻呼吸を正確に区別する能力が欠けています。ここでは、最大 8 つの人間の呼吸パターンを認識できるデュアルセンシングモード呼吸センサーを組み込んだスマートフェイスマスクを作製します。呼吸センサーは、新しい三次元 (3D) 座屈カーボンナノファイバーマットを活性材料として使用し、圧力と温度を同時に感知する機能を実現します。センサーの圧力モデルは呼吸気流によって生成される圧力を正確に検出できる高感度を示し、温度モデルは呼気によって引き起こされる温度変化を非接触で実現できます。リアルタイム認識能力と、口呼吸と鼻呼吸を正確に区別する能力の恩恵を受け、フェイスマスクは口呼吸症候群の発症を監視するためにさらに開発されました。デュアルセンシングモードセンサーには、健康状態の監視において大きな応用の可能性があります。

2019 年コロナウイルス感染症 (COVID-19) の世界的な急速な蔓延を緩和するために多大な努力が払われてきましたが、ワクチンは急速に変異する新型コロナウイルスの蔓延を抑制するには不十分です 1,2。公共の場所でのマスクの着用は、新型コロナウイルス感染症のパンデミックにおいて病気の蔓延を防ぎ、個人の健康を守るために、世界保健機関によって推奨されており、大多数の国で広く義務付けられています。ただし、マスクを長時間着用すると副作用が生じる可能性があります。喘息患者や子供の場合、呼吸困難や急性呼吸器疾患は気づかれないでしょう。重度の呼吸障害は口呼吸異常を引き起こし、場合によっては呼吸不全を引き起こす可能性があるため、早めに警告する必要があります。したがって、ポータブルウェアラブルデバイスに基づく毎日の呼吸モニタリングは、子供や呼吸器疾患のある患者に異常な呼吸状態を早期に警告する上で非常に重要です。呼吸は、個人の健康状態の臨床評価において重要な役割を果たす必須の生理学的指標です3,4。通常、鼻呼吸が難しい場合、空気の取り込み量を増やすために口から呼吸する傾向があります。喘息のある子供は、口で呼吸する可能性が高くなります5。習慣的または長期的な口呼吸の傾向は、子供の顎の発達、頭蓋骨の形状、歯の噛み合わせに悪影響を与えるだけでなく、睡眠時無呼吸症候群にも関連します。口呼吸症候群の発症を防ぐために、この集団の早期の集学的診断には呼吸のリアルタイムモニタリングが必要です5,6。マスクによる呼吸抵抗の増加により、この問題が悪化する可能性があります。さらに、口呼吸と喘息との有意な関連性を示唆する結果が数多くあります7。したがって、日常生活におけるユーザーの呼吸状態を継続的に監視すること、特に鼻呼吸と口呼吸を正確に認識することにより、個人の健康状態の監視、急性呼吸器疾患の早期警告、医学的診断などの機会を提供できます。

柔軟な呼吸センサーをベースにしたスマートマスクは、継続的な呼吸モニタリングとパンデミックの予防を実現する重要な方法です。現在、多くの研究が、湿度、圧力、温度センサーなど、呼吸モニタリングを実現するためのさまざまな感知機構に基づく柔軟なセンサーを提案しています8、9、10、11、12、13。ごく最近、染谷ら。は、呼吸モニタリングを実現するために超薄型および最軽量の静電圧力センサーを統合したスマートフェイスマスクを設計しました13。ダオら。は、柔軟な CNT 糸を熱線として使用することにより、リアルタイムの人間の呼吸のためのウェアラブル熱流量センサーを実証しました8。 Peng らは、リアルタイムの呼吸モニタリングと閉塞性睡眠時無呼吸・低呼吸症候群の診断のための、摩擦電気ナノ発電機に基づく自己給電型電子スキン (e-skin) を報告しました 14。また、吸入ガスと呼気ガス中の水分量の変化を検出することで呼吸を監視するために、多くの湿度センサーが製造されています3、10、15、16、17、18。しかし、シングルモード検出に基づくこれらの呼吸センサーは、比較的少数の呼吸パターンしか監視できず、特に口呼吸と鼻呼吸を区別する能力が不足しています。それらの単一の検出機能は、さまざまな呼吸パターン監視に対する増大する需要を満たすことができません。シングルモード検出センサーには、口呼吸と鼻呼吸の干渉により制限があります。たとえば、鼻での深呼吸と口呼吸の流量強度が同じ範囲にある場合、それらは同じ周波数下にあるため区別することが困難です。シングルモードセンサーユニットでのさまざまな呼吸状態の検出は大まかに実現できますが、信号の結合と相互干渉により測定精度が低下し、作業条件が変化した場合には校正が必要になります11,19。さらに、これらの既存のデュアルモードセンサーは、呼吸気流によって引き起こされるさまざまな物理的刺激を同時に監視できるほど感度が高くありません19、20、21、22、23、24。マルチセンシング機能を備えた一種のセンシング材料では、異なるセンシングモデル構造を構築することで人体の複数のバイタルサインを同時に監視することが望ましい25、26。

20 kPa), the fibers are pressed together closely and the sensor exhibited a relatively low sensitivity of about 14.36 kPa−1. A sensor device without CNT exhibits a pressure sensitivity four orders of magnitude lower than that with CNT (Fig. S3, Supplementary Information), indicating that the decoration of carbon nanofibers with CNT is crucial for the sensing performance. Figure 2b shows the current–voltage curves of the pressure sensor for different pressures, with voltages ranging from −1 to 1 V. The observed curves are consistent with Ohm’s law. We tested the repeated current-response for different pressures (Fig. 2c) and found an excellent steady sensing-performance and repeatability for the sensors. A pressure sensor that is easily triggered by low pressure is desirable for flow pressure detection of smart masks. The real time current-pressure curve in Fig. 2d shows a good linearity in low pressure range. Figure 2e shows the detection of extremely small pressure variation of about 6 Pa in the background pressure of about 30–40 Pa. As indicated in Fig. 2f, driven by airflow pulse with a pressure of ~ 120 Pa, the pressure sensor was able to generate a periodic current peak. To further demonstrate the merit of ultrahigh sensitivity, a flexible pressure sensor is attached to the skin above throat to recognize words with different numbers of syllables (Fig. S4, Supplementary Information)./p>

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