Doppia pressione e temperatura flessibili

Dec 21, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 17434 (2022) Citare questo articolo

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La condizione respiratoria è un indicatore fisiologico essenziale strettamente correlato alla salute umana. I sensori del respiro flessibili indossabili per il riconoscimento del pattern respiratorio hanno attirato molta attenzione in quanto possono fornire dettagli del segnale fisiologico per la diagnosi medica personale, il monitoraggio della salute, ecc. Tuttavia, l'attuale maschera intelligente basata su sensori del respiro flessibili che utilizzano il rilevamento monomodale può rilevare solo un'area relativamente piccola numero di schemi respiratori, in particolare manca la capacità di distinguere accuratamente il respiro orale da quello nasale. Qui viene fabbricata una maschera facciale intelligente incorporata con un sensore di respirazione in modalità a doppio rilevamento in grado di riconoscere fino a otto modelli di respirazione umana. Il sensore di respirazione utilizza nuovi tappetini in nanofibra di carbonio con deformazione tridimensionale (3D) come materiali attivi per realizzare simultaneamente la funzione di rilevamento della pressione e della temperatura. Il modello di pressione dei sensori mostra un'elevata sensibilità in grado di rilevare con precisione la pressione generata dal flusso d'aria respiratorio, mentre il modello di temperatura può realizzare variazioni di temperatura senza contatto causate dal respiro. Beneficiando della capacità di riconoscimento in tempo reale e della distinzione accurata tra respiro orale e respiro nasale, la maschera facciale è stata ulteriormente sviluppata per monitorare lo sviluppo della sindrome della respirazione orale. Il sensore con modalità a doppio rilevamento ha grandi potenzialità di applicazione nel monitoraggio della salute.

È stato compiuto un grande sforzo per mitigare la rapida diffusione mondiale della malattia da Coronavirus 2019 (COVID-19), ma il vaccino non è sufficiente per frenare la diffusione del nuovo coronavirus che muta rapidamente1,2. Indossare la maschera nei luoghi pubblici è stato raccomandato dall’Organizzazione Mondiale della Sanità e ampiamente imposto dalla maggior parte dei paesi per prevenire la diffusione della malattia e proteggere la salute delle persone nella pandemia di COVID-19. Tuttavia, indossare le mascherine per un lungo periodo può causare possibili effetti negativi. Per i pazienti asmatici o i bambini, la difficoltà respiratoria o la malattia respiratoria acuta sarebbero impercettibili. Gravi problemi respiratori potrebbero causare una respirazione anomala dalla bocca e persino causare insufficienza respiratoria, che è necessario allarmare in tempo. Pertanto, il monitoraggio quotidiano del respiro basato su dispositivi indossabili portatili è di grande importanza nel fornire un allarme tempestivo di condizioni respiratorie anomale per bambini o pazienti con problemi respiratori. La respirazione è un indicatore fisiologico essenziale che svolge un ruolo importante nella valutazione clinica delle prestazioni di salute dell'individuo3,4. Di solito, quando la respirazione nasale è difficile, le persone tendono a respirare attraverso la bocca per aumentare l’assunzione di aria. I bambini con asma potrebbero avere maggiori probabilità di respirare attraverso la bocca5. La tendenza alla respirazione orale abituale o prolungata non solo influisce negativamente sullo sviluppo della mascella, sulla forma del cranio e sull'occlusione dei denti del bambino, ma si associa anche alla sindrome dell'apnea notturna. Il monitoraggio in tempo reale della respirazione è necessario per una diagnosi multidisciplinare precoce di questa popolazione al fine di prevenire lo sviluppo della sindrome della respirazione orale5,6. Una maggiore resistenza respiratoria causata da una maschera può esacerbare questo problema. Inoltre, ci sono molti risultati che suggeriscono un’associazione significativa tra la respirazione orale e l’asma7. Pertanto, il monitoraggio continuo delle condizioni respiratorie degli utenti nella vita quotidiana, in particolare con il riconoscimento accurato della respirazione tramite naso e bocca, può fornire un’opportunità per il monitoraggio sanitario personale, l’allarme precoce di malattie respiratorie acute e la diagnosi medica, ecc.

Una maschera intelligente basata su un sensore del respiro flessibile è un modo importante per realizzare il monitoraggio continuo del respiro e la prevenzione della pandemia. Allo stato attuale, molti studi hanno proposto sensori flessibili basati su diversi meccanismi di rilevamento per realizzare il monitoraggio del respiro, come sensori di umidità, pressione o temperatura8,9,10,11,12,13. Molto recentemente, Someya et al. ha progettato una maschera facciale intelligente che integra il sensore di pressione elettrostatica ultrasottile e leggero per realizzare il monitoraggio del respiro13. Dao et al. hanno dimostrato un sensore di flusso termico indossabile per la respirazione umana in tempo reale utilizzando fili CNT flessibili come fili caldi8. Peng et al. hanno riportato una pelle elettronica autoalimentata (e-skin) basata su un nanogeneratore triboelettrico per il monitoraggio respiratorio in tempo reale e la diagnosi della sindrome da apnea-ipopnea ostruttiva del sonno14. Sono stati realizzati anche molti sensori di umidità per monitorare la respirazione rilevando la variazione della quantità di acqua nei gas inalati ed espirati3,10,15,16,17,18. Tuttavia, questi sensori del respiro basati sul rilevamento monomodale possono monitorare solo un numero relativamente piccolo di modelli respiratori, in particolare non hanno la capacità di distinguere il respiro orale da quello nasale. La loro funzionalità di rilevamento unitaria non può soddisfare le crescenti richieste di monitoraggio dei vari modelli respiratori. Esistono limitazioni associate al sensore di rilevamento monomodale a causa dell'interferenza tra la respirazione dalla bocca e dal naso. Ad esempio, quando le intensità del flusso della respirazione nasale profonda e della respirazione orale si trovano nello stesso intervallo, è difficile distinguerle poiché hanno la stessa frequenza. Sebbene il rilevamento di diversi stati respiratori in un'unità sensore monomodale possa essere realizzato in modo approssimativo, l'accoppiamento del segnale e l'interferenza reciproca riducono la precisione della misurazione e richiedono la calibrazione quando le condizioni di lavoro cambiano11,19. Inoltre, questi sensori a doppia modalità esistenti non sono sufficientemente sensibili per monitorare simultaneamente diversi stimoli fisici causati dal flusso d'aria respiratorio19,20,21,22,23,24. È auspicabile che un tipo di materiale di rilevamento con capacità multirilevamento monitori simultaneamente più segni vitali del corpo umano attraverso la costruzione di diverse strutture di modelli di rilevamento25,26.