Double pression et température flexibles

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 17434 (2022) Citer cet article

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L’état respiratoire est un indicateur physiologique essentiel étroitement lié à la santé humaine. Les capteurs respiratoires flexibles portables pour la reconnaissance des schémas respiratoires ont attiré beaucoup d'attention car ils peuvent fournir des détails de signaux physiologiques pour le diagnostic médical personnel, la surveillance de la santé, etc. Cependant, les masques intelligents actuels basés sur des capteurs respiratoires flexibles utilisant la détection monomode ne peuvent détecter qu'un niveau relativement faible. nombre de schémas respiratoires, manquant particulièrement de capacité à distinguer avec précision la respiration buccale de la respiration nasale. L'invention concerne un masque facial intelligent doté d'un capteur respiratoire à double mode de détection capable de reconnaître jusqu'à huit schémas respiratoires humains. Le capteur respiratoire utilise de nouveaux tapis de nanofibres de carbone à flambage tridimensionnel (3D) comme matériaux actifs pour réaliser simultanément la fonction de détection de pression et de température. Le modèle de pression des capteurs présente une sensibilité élevée, capable de détecter avec précision la pression générée par le flux d'air respiratoire, tandis que le modèle de température peut réaliser une variation de température sans contact provoquée par la respiration. Bénéficiant de la capacité de reconnaissance en temps réel et d’une distinction précise entre la respiration buccale et la respiration nasale, le masque facial a été développé pour surveiller l’évolution du syndrome de respiration buccale. Le capteur à double mode de détection présente de grandes applications potentielles dans la surveillance de la santé.

De gros efforts ont été déployés pour atténuer la propagation mondiale rapide de la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19), mais le vaccin est insuffisant pour freiner la propagation du nouveau coronavirus qui mute rapidement1,2. Le port du masque dans les lieux publics a été recommandé par l'Organisation mondiale de la santé et largement imposé par la majorité des pays pour prévenir la propagation de la maladie et protéger la santé des individus lors de la pandémie de COVID-19. Cependant, le port prolongé de masques peut entraîner des effets indésirables. Pour les patients asthmatiques ou les enfants, les difficultés respiratoires ou les maladies respiratoires aiguës seraient imperceptibles. De graves problèmes respiratoires peuvent provoquer une respiration buccale anormale et même provoquer une insuffisance respiratoire, qu'il est nécessaire d'alarmer à temps. Par conséquent, la surveillance quotidienne de la respiration basée sur des appareils portables revêt une grande importance pour fournir une alerte précoce en cas de conditions respiratoires anormales chez les enfants ou les patients souffrant de problèmes respiratoires. La respiration est un indicateur physiologique essentiel qui joue un rôle important dans l'évaluation clinique des performances de santé des individus3,4. Habituellement, lorsque la respiration nasale est difficile, les gens ont tendance à respirer par la bouche pour augmenter la consommation d’air. Les enfants asthmatiques sont plus susceptibles de respirer par la bouche5. La tendance à la respiration buccale habituelle ou à long terme affecte non seulement le développement de la mâchoire de l'enfant, la forme du crâne et l'occlusion des dents, mais elle est également associée au syndrome d'apnée du sommeil. La surveillance en temps réel de la respiration est nécessaire pour un diagnostic multidisciplinaire précoce de cette population afin de prévenir le développement du syndrome respiratoire buccal5,6. Une résistance respiratoire accrue provoquée par un masque peut exacerber ce problème. De plus, de nombreux résultats suggèrent une association significative entre la respiration buccale et l’asthme7. Ainsi, la surveillance continue des conditions respiratoires des utilisateurs dans la vie quotidienne, notamment avec une reconnaissance précise de la respiration nasale et buccale, peut offrir l'opportunité d'une surveillance personnelle des soins de santé, d'une alerte précoce en cas de maladie respiratoire aiguë et d'un diagnostic médical, etc.

Un masque intelligent basé sur un capteur respiratoire flexible constitue un moyen important de réaliser une surveillance continue de la respiration et de prévenir les pandémies. À l'heure actuelle, de nombreuses études ont proposé des capteurs flexibles basés sur différents mécanismes de détection pour réaliser la surveillance de la respiration, tels que des capteurs d'humidité, de pression ou de température8,9,10,11,12,13. Très récemment, Someya et al. a conçu un masque facial intelligent qui intègre le capteur de pression électrostatique ultra fin et le plus léger pour réaliser la surveillance de la respiration13. Dao et coll. ont démontré un capteur de flux thermique portable pour la respiration humaine en temps réel en utilisant des fils flexibles de NTC comme fils chauds8. Peng et al. ont rapporté une peau électronique auto-alimentée (e-skin) basée sur un nanogénérateur triboélectrique pour la surveillance respiratoire en temps réel et le diagnostic du syndrome d'apnée-hypopnée obstructive du sommeil14. De nombreux capteurs d'humidité ont également été fabriqués pour surveiller la respiration en détectant la variation de la quantité d'eau dans les gaz inhalés et expirés3,10,15,16,17,18. Cependant, ces capteurs respiratoires basés sur la détection monomode ne peuvent surveiller qu’un nombre relativement restreint de schémas respiratoires, notamment en raison du manque de capacité à distinguer la respiration buccale de la respiration nasale. Leur fonctionnalité de détection unitaire ne peut pas satisfaire les demandes croissantes de surveillance de diverses configurations respiratoires. Il existe des limites associées au capteur de détection monomode en raison des interférences entre la respiration buccale et nasale. Par exemple, lorsque les intensités de débit de la respiration nasale profonde et de la respiration buccale sont dans la même plage, il est difficile de les distinguer car elles sont sous la même fréquence. Bien que la détection de différents états respiratoires dans une unité de capteur monomode puisse être réalisée de manière approximative, le couplage des signaux et les interférences mutuelles réduisent la précision des mesures et nécessitent un étalonnage lorsque les conditions de travail changent11,19. De plus, ces capteurs bimodes existants ne sont pas suffisamment sensibles pour surveiller simultanément différents stimuli physiques provoqués par le flux d’air respiratoire19,20,21,22,23,24. Il est souhaitable qu'un type de matériau de détection doté d'une capacité de détection multiple puisse surveiller simultanément plusieurs signes vitaux du corps humain en construisant différentes structures de modèles de détection25,26.