Pressão e temperatura flexíveis duplas

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 17434 (2022) Citar este artigo

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A condição respiratória é um indicador fisiológico essencial intimamente relacionado à saúde humana. Sensores respiratórios flexíveis vestíveis para reconhecimento de padrões respiratórios atraíram muita atenção, pois podem fornecer detalhes de sinais fisiológicos para diagnóstico médico pessoal, monitoramento de saúde, etc. No entanto, a máscara inteligente atual baseada em sensores respiratórios flexíveis usando detecção de modo único só pode detectar uma quantidade relativamente pequena vários padrões respiratórios, especialmente sem a capacidade de distinguir com precisão a respiração bucal da nasal. Aqui, é fabricada uma máscara facial inteligente incorporada com um sensor respiratório de modo de detecção dupla que pode reconhecer até oito padrões de respiração humana. O sensor de respiração usa novos tapetes de nanofibra de carbono tridimensionais (3D) como materiais ativos para realizar a função de detecção de pressão e temperatura simultaneamente. O modelo de pressão dos sensores apresenta alta sensibilidade capaz de detectar com precisão a pressão gerada pelo fluxo de ar respiratório, enquanto o modelo de temperatura pode perceber a variação de temperatura sem contato causada pela respiração. Beneficiando-se da capacidade de reconhecimento em tempo real e da distinção precisa entre respiração bucal e respiração nasal, a máscara facial foi desenvolvida para monitorar o desenvolvimento da síndrome de respiração bucal. O sensor de modo de detecção dupla tem grandes aplicações potenciais no monitoramento de saúde.

Foi feito um grande esforço para mitigar a rápida propagação mundial da doença do Coronavírus 2019 (COVID-19), mas a vacina é insuficiente para conter a propagação do novo coronavírus que sofre mutações rápidas1,2. O uso de máscara em locais públicos tem sido recomendado pela Organização Mundial da Saúde e amplamente imposto pela maioria dos países para prevenir a propagação da doença e proteger a saúde dos indivíduos na pandemia da COVID-19. No entanto, o uso prolongado de máscaras pode causar possíveis efeitos adversos. Para pacientes asmáticos ou crianças, a dificuldade respiratória ou a doença respiratória aguda seriam imperceptíveis. Problemas respiratórios graves podem causar respiração bucal anormal e até mesmo insuficiência respiratória, o que é necessário para alertar a tempo. Portanto, o monitoramento diário da respiração baseado em dispositivos portáteis é de grande importância no fornecimento de alerta precoce de condições respiratórias anormais para crianças ou pacientes com problemas respiratórios. A respiração é um indicador fisiológico essencial que desempenha um papel importante na avaliação clínica do desempenho de saúde do indivíduo3,4. Normalmente, quando a respiração nasal é difícil, as pessoas tendem a respirar pela boca para aumentar a ingestão de ar. As crianças com asma podem ter maior probabilidade de respirar pela boca5. A tendência à respiração bucal habitual ou prolongada não apenas afeta negativamente o desenvolvimento da mandíbula, o formato do crânio e a oclusão dentária da criança, mas também está associada à síndrome da apneia do sono. O monitoramento da respiração em tempo real é necessário para o diagnóstico multidisciplinar precoce dessa população, a fim de prevenir o desenvolvimento da síndrome do respiratório oral5,6. Um aumento da resistência respiratória causado por uma máscara pode agravar este problema. Além disso, muitos resultados sugerem uma associação significativa entre respiração oral e asma7. Assim, o monitoramento contínuo das condições respiratórias dos usuários na vida diária, especialmente com o reconhecimento preciso da respiração nasal e bucal, pode proporcionar uma oportunidade para o monitoramento da saúde pessoal, alerta precoce de doenças respiratórias agudas e diagnóstico médico, etc.

Uma máscara inteligente baseada em um sensor respiratório flexível é uma forma importante de realizar o monitoramento contínuo da respiração e a prevenção de pandemias. Atualmente, muitos estudos propuseram sensores flexíveis baseados em diferentes mecanismos de detecção para realizar o monitoramento da respiração, como sensores de umidade, pressão ou temperatura8,9,10,11,12,13. Muito recentemente, Someya et al. projetou uma máscara facial inteligente que integra o sensor de pressão eletrostática ultrafino e leve para realizar o monitoramento da respiração13. Dao et al. demonstraram um sensor de fluxo térmico vestível para respiração humana em tempo real usando fios CNT flexíveis como fios quentes8. Peng et al. relataram uma pele eletrônica autoalimentada (e-skin) baseada em um nanogerador triboelétrico para monitoramento respiratório em tempo real e diagnóstico da síndrome de apneia-hipopneia obstrutiva do sono14. Muitos sensores de umidade também foram fabricados para monitorar a respiração, detectando a variação da quantidade de água nos gases inspirados e expirados3,10,15,16,17,18. No entanto, estes sensores respiratórios baseados na detecção de modo único só podem monitorar um número relativamente pequeno de padrões respiratórios, especialmente a falta de capacidade de distinguir a respiração bucal da nasal. Sua funcionalidade de detecção unitária não pode satisfazer as demandas crescentes de monitoramento de vários padrões respiratórios. Existem limitações associadas ao sensor de detecção de modo único devido à interferência entre a respiração pela boca e pelo nariz. Por exemplo, quando as intensidades de fluxo da respiração nasal profunda e da respiração bucal estão na mesma faixa, é difícil distinguir, pois estão na mesma frequência. Embora a detecção de diferentes estados respiratórios em uma unidade de sensor monomodo possa ser realizada aproximadamente, o acoplamento de sinal e a interferência mútua reduzem a precisão da medição e requerem calibração quando as condições de trabalho mudam11,19. Além disso, esses sensores de modo duplo existentes não são sensíveis o suficiente para monitorar simultaneamente diferentes estímulos físicos causados ​​pelo fluxo de ar respiratório19,20,21,22,23,24. É desejável que um tipo de material de detecção com capacidade de detecção múltipla monitore simultaneamente múltiplos sinais vitais do corpo humano através da construção de diferentes estruturas de modelos de detecção .