ウェアラブル無線トライボ電気ナノ発電機によるリアルタイム呼吸モニタリング

概要

呼吸数は、閉塞性睡眠時無呼吸症候群や嚢胞性線維症などの呼吸器疾患検出のための重要なバイオマーカーです。従来の臨床モニタは大型で日常使用に不向きですが、モバイルヘルスデバイスには軽量で電源不要のソリューションが求められます。本研究では、腹部周囲長の変化を感知して自己給電電気信号を生成する、腰装着型無線トライボ電気ナノ発電機（TENG）を提案します。理論モデリング、機械的試験、ボランティア試験により、本デバイスが異なる呼吸リズム、活動状態、体格において呼吸数を正確に追跡し、スマートフォンへデータを無線送信することを確認しました。これは日常生活における継続的呼吸モニタリングのための実用的かつ低コストな代替手段を実証します。

はじめに

地球規模の大気質悪化と高齢化により呼吸器疾患の有病率が増加しています。呼吸の継続的・非侵襲的モニタリングは、閉塞性睡眠時無呼吸症候群（OSAS）や嚢胞性線維症などの早期警戒に役立ちます。従来のモニタリング機器は往々にして嵩張り、外部電源を必要とし、長期在宅使用に不向きです。近年のモバイルネットワークと低消費電力エレクトロニクスの進歩により、柔軟なウェアラブルヘルスセンサへの関心が高まっています。トライボ電気ナノ発電機（TENG）は、軽量、高エネルギー密度、皮膚接触に安全という特性から、この用途に最適です。心拍、脈拍、一般的な生理モニタリング向けTENGベースデバイスは多数開発されていますが、呼吸を対象としたものは稀です。

本研究では、呼吸に伴う腹部の自然な膨張収縮を利用するスマートベルトを導入します。ベルト内のスライドモードTENGが機械的変形を外部電源なしで交流電圧に変換。信号は増幅、デジタル化され、無線モジュール経由でスマートフォンに送信され、リアルタイム呼吸データを提供します。

方法

デバイスアーキテクチャ

ウェアラブルシステムは、二層ベルト、スライドモードTENG、無線送信モジュールで構成されます。ベルトの非伸縮層と変形層により、TENGのトライボペアの制御されたスライドを快適性を保ちながら実現。TENGは100 µm PTFEフィルム（負トライボ材料）と30 µmナイロンフィルム（正トライボ材料）に50 µm銅電極を用い、5×5 cmデバイスをプラスチックスリーブで覆い、呼吸時の一貫した接触を確保。

電気測定

電圧出力をKeysight B2983Aエレクトロメータで記録。TENGの高インピーダンス出力には、無線モジュール入力にマッチさせる電圧フォロワと、バイポーラ信号をユニポーラに変換してADC変換可能にするレベルシフト回路を必要とします。

センシング原理

呼吸は腹部周囲長の台形変位を誘起。この変位がトライボペアを呼気時に外向き、吸気時に内向きにスライドさせ、正弦波電圧波形を生成。4段階（密着、外向きスライド、一時停止、内向きスライド）が呼吸サイクルに対応。

理論モデル

変位x(t)を台形波形としてモデル化し、既存のTENG理論を用いて出力電圧V(t)を導出。モデルはピーク電圧とスライド振幅の線形関係を予測し、実験で検証（式3：V_peak = 0.01383 X_max + 0.0092）。

結果と考察

モデル検証

解析予測が模擬呼吸時の実測電圧とよく一致し、モデルの精度と設計最適化への有用性を確認。

機械的試験

伸張試験機を用い、スライド振幅を2.5-30 mm、0.5 Hzで変化。出力電圧は変位に比例して増加し、30 mmでピーク電圧1.2 V。わずか2.5 mm変位でも測定可能な信号が得られ、人呼吸への適合性を示唆。

リアルタイムモニタリング

横臥、座位、立位、歩行のボランティア試験で、呼吸に対応する安定した電圧パルスを確認。呼吸数は0.54 Hz（横臥）から0.72 Hz（立位）の範囲。FFT解析で通常、速い、深い呼吸の周波数を正確に抽出。10秒の無呼吸ポーズも検出し、OSASスクリーニングへの可能性を示唆。

無線送信

小型電池で駆動する無線モジュールがTENG出力をデジタル化し、Bluetoothでスマートフォンに送信。高入力インピーダンスとサンプリングレートにより信号振幅は減衰するものの、波形は呼吸サイクルを忠実に表現し、正確な呼吸数算出を可能にします。

結論

腹部呼吸をスライドモードTENGで測定可能な電気信号に変換する、軽量・電池不要の腰ベルトを作製しました。本デバイスは多様な活動下で呼吸数を正確に追跡し、無呼吸イベントを検出し、データをモバイルデバイスに無線送信します。低コスト、シンプル、高感度という特徴により、継続的在宅呼吸モニタリングと早期疾病検出のための有望なプラットフォームとなります。

データと材料の入手可能性

すべてのデータと材料は原稿に含まれています。