Wearable smart textiles for long-term electrocardiography monitoring : a review

The continuous and long-term measurement and monitoring of physiological signals such as electrocardiography (ECG) are very important for the early detection and treatment of heart disorders at an early stage prior to a serious condition occurring. The increasing demand for the continuous monitoring of the ECG signal needs the rapid development of wearable electronic technology. During wearable ECG monitoring, the electrodes are the main components that affect the signal quality and comfort of the user. This review assesses the application of textile electrodes for ECG monitoring from the fundamentals to the latest developments and prospects for their future fate. The fabrication techniques of textile electrodes and their performance in terms of skin–electrode contact impedance, motion artifacts and signal quality are also reviewed and discussed. Textile electrodes can be fabricated by integrating thin metal fiber during the manufacturing stage of textile products or by coating textiles with conductive materials like metal inks, carbon mate-rials, or conductive polymers. The review also discusses how textile electrodes for ECG function via direct skin contact or via a non-contact capacitive coupling. Finally, the current intensive and promising research towards finding textile-based ECG electrodes with better comfort and signal quality in the fields of textile, material, medical and electrical engineering are presented as a perspective

Electronically active textiles

Electronically Active Textiles (e-textiles) are a type of textile material that has some form of electronic functionality. This can be achieved by attaching electronics onto the surface of the textile, incorporating electronic components as part of the fabrication of the textile itself, or by integrating electronics into the yarns or fibers that comprises the textile. The addition of electronic components can give textiles a wide range of new functions from lighting or heating to advanced sensing capabilities. As such, e-textiles have provided a platform for developing a range of new novel products in fields, such as healthcare, sports, protection, transport, and communications. The purpose of this volume is to report on the advances in the integration of electronics into textiles, and presents original research in the field of e-textiles as well as a comprehensive review of the evolution of e-Textiles. Topics include the fabrication and illumination of e-textiles and the use of e-textiles for temperature sensing

An investigation of textile sensors and their application in wearable electronics

Using a garment as a wearable sensing device has become a reality. New methods and techniques in the field of wearable sensors are being developed and can now be incorporated into the wearer’s everyday attire. This research focuses on two types of textile based sensors – a wearable textile electrode used for ECG continuous monitoring, and a stitch sensor for monitoring body movement. These sensors were designed into a purposely engineered Smart Sports Bra (SSB) which can be regarded as a sensor itself. After a thorough investigation, two optimum textile electrodes were created; a plain electrode using cut and sew method (CSM) and a net type knitted electrode using knitting method (KM). The CSM electrode was made with conductive fabric (MedTexTM P-130) and the KM electrode was made with conductive thread (silver-plated nylon 234/34 four-ply), these materials having the lowest tested contact impedance; 450Ω and 500Ω, respectively. Both electrodes demonstrated a level of noise and baseline drift comparable with standard commercial wet-gel electrodes, which was corrected by optimising their size to 20x40 mm, holding pressure of 4 kPa (30 mmHg) and the electrode position at the 6th intercostal space on the right and left mid-clavicular, with one placed at the scapular line in the rear side (i.e. back horizontal formation) which gives clear and reliable ECG signal. These optimum electrodes were integrated directly into SSBs, in which a novel high shear, net structure, acting as a shock absorber to body movement that shows more stable electrode to skin contact by reducing the body motion artefact. During the investigation of the stitch stretch sensor the single jersey nylon fabric (4.44 tex two-ply) with 25% spandex (7.78 tex) had the highest elastic recovery (93%). Using this fabric, the work went on to show that the stitch type 304 (Zig-zag lock stitch) using the 117/17 two-ply thread demonstrated the best results i.e., maximum working range 50%, gauge factor 1.61, hysteresis 6.25% ΔR, linearity (R2 ) is 0.98, and good repeatability (drift in R2 is -0.00). The stitch stretch sensor was also incorporated into a sports bra SSB and positioned across the chest for respiration monitoring. This thesis contributes to a growing body of research in wearable E -textile solutions to support health and well-being, with fully functional sensors and easy-to-use design, for continues health monitoring

Tactile and Touchless Sensors Printed on Flexible Textile Substrates for Gesture Recognition

Tesis por compendio[EN] The main objective of this thesis is the development of new sensors and actuators using Printed Electronics technology. For this, conductive, semiconductor and dielectric polymeric materials are used on flexible and/or elastic substrates. By means of suitable designs and application processes, it is possible to manufacture sensors capable of interacting with the environment. In this way, specific sensing functionalities can be incorporated into the substrates, such as textile fabrics. Additionally, it is necessary to include electronic systems capable of processing the data obtained, as well as its registration. In the development of these sensors and actuators, the physical properties of the different materials are precisely combined. For this, multilayer structures are designed where the properties of some materials interact with those of others. The result is a sensor capable of capturing physical variations of the environment, and convert them into signals that can be processed, and finally transformed into data. On the one hand, a tactile sensor printed on textile substrate for 2D gesture recognition was developed. This sensor consists of a matrix composed of small capacitive sensors based on a capacitor type structure. These sensors were designed in such a way that, if a finger or other object with capacitive properties, gets close enough, its behaviour varies, and it can be measured. The small sensors are arranged in this matrix as in a grid. Each sensor has a position that is determined by a row and a column. The capacity of each small sensor is periodically measured in order to assess whether significant variations have been produced. For this, it is necessary to convert the sensor capacity into a value that is subsequently digitally processed. On the other hand, to improve the effectiveness in the use of the developed 2D touch sensors, the way of incorporating an actuator system was studied. Thereby, the user receives feedback that the order or action was recognized. To achieve this, the capacitive sensor grid was complemented with an electroluminescent screen printed as well. The final prototype offers a solution that combines a 2D tactile sensor with an electroluminescent actuator on a printed textile substrate. Next, the development of a 3D gesture sensor was carried out using a combination of sensors also printed on textile substrate. In this type of 3D sensor, a signal is sent generating an electric field on the sensors. This is done using a transmission electrode located very close to them. The generated field is received by the reception sensors and converted to electrical signals. For this, the sensors are based on electrodes that act as receivers. If a person places their hands within the emission area, a disturbance of the electric field lines is created. This is due to the deviation of the lines to ground using the intrinsic conductivity of the human body. This disturbance affects the signals received by the electrodes. Variations captured by all electrodes are processed together and can determine the position and movement of the hand on the sensor surface. Finally, the development of an improved 3D gesture sensor was carried out. As in the previous development, the sensor allows contactless gesture detection, but increasing the detection range. In addition to printed electronic technology, two other textile manufacturing technologies were evaluated.[ES] La presente tesis doctoral tiene como objetivo fundamental el desarrollo de nuevos sensores y actuadores empleando la tecnología electrónica impresa, también conocida como Printed Electronics. Para ello, se emplean materiales poliméricos conductores, semiconductores y dieléctricos sobre sustratos flexibles y/o elásticos. Por medio de diseños y procesos de aplicación adecuados, es posible fabricar sensores capaces de interactuar con el entorno. De este modo, se pueden incorporar a los sustratos, como puedan ser tejidos textiles, funcionalidades específicas de medición del entorno y de respuesta ante cambios de este. Adicionalmente, es necesario incluir sistemas electrónicos, capaces de realizar el procesado de los datos obtenidos, así como de su registro. En el desarrollo de estos sensores y actuadores se combinan las propiedades físicas de los diferentes materiales de forma precisa. Para ello, se diseñan estructuras multicapa donde las propiedades de unos materiales interaccionan con las de los demás. El resultado es un sensor capaz de captar variaciones físicas del entorno, y convertirlas en señales que pueden ser procesadas y transformadas finalmente en datos. Por una parte, se ha desarrollado un sensor táctil impreso sobre sustrato textil para reconocimiento de gestos en 2D. Este sensor se compone de una matriz formada por pequeños sensores capacitivos basados en estructura de tipo condensador. Estos se han diseñado de forma que, si un dedo u otro objeto con propiedades capacitivas se aproxima suficientemente, su comportamiento varía, pudiendo ser medido. Los pequeños sensores están ordenados en dicha matriz como en una cuadrícula. Cada sensor tiene una posición que viene determinada por una fila y por una columna. Periódicamente se mide la capacidad de cada pequeño sensor con el fin de evaluar si ha sufrido variaciones significativas. Para ello es necesario convertir la capacidad del sensor en un valor que posteriormente es procesado digitalmente. Por otro lado, con el fin de mejorar la efectividad en el uso de los sensores táctiles 2D desarrollados, se ha estudiado el modo de incorporar un sistema actuador. De esta forma, el usuario recibe una retroalimentación indicando que la orden o acción ha sido reconocida. Para ello, se ha complementado la matriz de sensores capacitivos con una pantalla electroluminiscente también impresa. El resultado final ofrece una solución que combina un sensor táctil 2D con un actuador electroluminiscente realizado mediante impresión electrónica sobre sustrato textil. Posteriormente, se ha llevado a cabo el desarrollo de un sensor de gestos 3D empleando una combinación de sensores impresos también sobre sustrato textil. En este tipo de sensor 3D, se envía una señal que genera un campo eléctrico sobre los sensores impresos. Esto se lleva a cabo mediante un electrodo de transmisión situado muy cerca de ellos. El campo generado es recibido por los sensores y convertido a señales eléctricas. Para ello, los sensores se basan en electrodos que actúan de receptores. Si una persona coloca su mano dentro del área de emisión, se crea una perturbación de las líneas de los campos eléctricos. Esto es debido a la desviación de las líneas de campo a tierra utilizando la conductividad intrínseca del cuerpo humano. Esta perturbación cambia/afecta a las señales recibidas por los electrodos. Las variaciones captadas por todos los electrodos son procesadas de forma conjunta pudiendo determinar la posición y el movimiento de la mano sobre la superficie del sensor. Finalmente, se ha llevado a cabo el desarrollo de un sensor de gestos 3D mejorado. Al igual que el desarrollo anterior, permite la detección de gestos sin necesidad de contacto, pero incrementando la distancia de alcance. Además de la tecnología de impresión electrónica, se ha evaluado el empleo de otras dos tecnologías de fabricación textil.[CA] La present tesi doctoral té com a objectiu fonamental el desenvolupament de nous sensors i actuadors fent servir la tecnologia de electrònica impresa, també coneguda com Printed Electronics. Es va fer us de materials polimèrics conductors, semiconductors i dielèctrics sobre substrats flexibles i/o elàstics. Per mitjà de dissenys i processos d'aplicació adequats, és possible fabricar sensors capaços d'interactuar amb l'entorn. D'aquesta manera, es poden incorporar als substrats, com ara teixits tèxtils, funcionalitats específiques de mesurament de l'entorn i de resposta davant canvis d'aquest. Addicionalment, és necessari incloure sistemes electrònics, capaços de realitzar el processament de les dades obtingudes, així com del seu registre. En el desenvolupament d'aquests sensors i actuadors es combinen les propietats físiques dels diferents materials de forma precisa. Cal dissenyar estructures multicapa on les propietats d'uns materials interaccionen amb les de la resta. manera El resultat es un sensor capaç de captar variacions físiques de l'entorn, i convertirles en senyals que poden ser processades i convertides en dades. D'una banda, s'ha desenvolupat un sensor tàctil imprès sobre substrat tèxtil per a reconeixement de gestos en 2D. Aquest sensor es compon d'una matriu formada amb petits sensors capacitius basats en una estructura de tipus condensador. Aquests s'han dissenyat de manera que, si un dit o un altre objecte amb propietats capacitives s'aproxima prou, el seu comportament varia, podent ser mesurat. Els petits sensors estan ordenats en aquesta matriu com en una quadrícula. Cada sensor té una posició que ve determinada per una fila i per una columna. Periòdicament es mesura la capacitat de cada petit sensor per tal d'avaluar si ha sofert variacions significatives. Per a això cal convertir la capacitat del sensor a un valor que posteriorment és processat digitalment. D'altra banda, per tal de millorar l'efectivitat en l'ús dels sensors tàctils 2D desenvolupats, s'ha estudiat la manera d'incorporar un sistema actuador. D'aquesta forma, l'usuari rep una retroalimentació indicant que l'ordre o acció ha estat reconeguda. Per a això, s'ha complementat la matriu de sensors capacitius amb una pantalla electroluminescent també impresa. El resultat final ofereix una solució que combina un sensor tàctil 2D amb un actuador electroluminescent realitzat mitjançant impressió electrònica sobre substrat tèxtil. Posteriorment, s'ha dut a terme el desenvolupament d'un sensor de gestos 3D emprant una combinació d'un mínim de sensors impresos també sobre substrat tèxtil. En aquest tipus de sensor 3D, s'envia un senyal que genera un camp elèctric sobre els sensors impresos. Això es porta a terme mitjançant un elèctrode de transmissió situat molt a proper a ells. El camp generat és rebut pels sensors i convertit a senyals elèctrics. Per això, els sensors es basen en elèctrodes que actuen de receptors. Si una persona col·loca la seva mà dins de l'àrea d'emissió, es crea una pertorbació de les línies dels camps elèctrics. Això és a causa de la desviació de les línies de camp a terra utilitzant la conductivitat intrínseca de el cos humà. Aquesta pertorbació afecta als senyals rebudes pels elèctrodes. Les variacions captades per tots els elèctrodes són processades de manera conjunta per determinar la posició i el moviment de la mà sobre la superfície del sensor. Finalment, s'ha dut a terme el desenvolupament d'un sensor de gestos 3D millorat. A l'igual que el desenvolupament anterior, permet la detecció de gestos sense necessitat de contacte, però incrementant la distància d'abast. A més a més de la tecnologia d'impressió electrònica, s'ha avaluat emprar altres dues tecnologies de fabricació tèxtil.Ferri Pascual, J. (2020). Tactile and Touchless Sensors Printed on Flexible Textile Substrates for Gesture Recognition [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/153075TESISCompendi

Textile UHF-RFID antenna sensors based on material features, interfaces and application scenarios

Tesi en modalitat de compendi de publicacions, amb una secció retallada per drets de l'editor. In reference to IEEE copyrighted material which is used with permission in this thesis, the IEEE does not endorse any of Universitat Politècnica de Catalunya's products or services. Internal or personal use of this material is permitted. If interested in reprinting/republishing IEEE copyrighted material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution, please go to http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/rights_link.html to learn how to obtain a License from RightsLink.Radio frequency identification over measurable ultra-high frequency textile substrates (UHF-RFID) is a promising technology to develop new applications in the field of health and the Internet of Things (IOT), due to the massive use of fabrics and the technological maturity of embroidery techniques. This thesis is the result of a compendium of publications on this topic. First, as a result of the analysis of the state of art, a systematic review entitled 'Wearable textile UHF-RFID sensors: A systematic review' has been published. The thesis aims to improve research on UHF-RFID textile-based sensor technology. Thanks to the analysis of the state of art, three novel research objectives have been set that are worth exploring. The first is to study novel detection functions for textile UHF-RFID based sensor technology; the second is to find a connection/interface solution between textile antennas and integrated circuit (IC) chips and the third is to reduce the costs of such technology to promote future commercial applications. To contextualize the thesis, it includes the necessary theoretical fundamentals and the manufacturing and characterization methods used during it. As a result of the work derived from the first objective, a scientific article entitled “Textile UHF-RFID Antenna Sensor for Measurements of Sucrose Solutions in Different Levels of Concentration” has been published. In this work, a textile UHF-RFID tag with two detection positions is proposed for sucrose solution measurements. The two detection positions with the different detection functions show good performance and can offer two options for future full applications. In addition, another scientific article entitled “ Textile UHF-RFID Antenna Embroidered on Surgical Masks for Future Textile Sensing Applications” has been published to support the first objective. The inspiration for this work came from the current pandemic situation. This work develops three progressive designs of textile UHF-RFID antennas over surgical masks due to the current global epidemic situation. Reliability testing demonstrated that the proposed designs can be used for human healthcare focused applications. As a result of the second objective, a research article entitled 'Experimental Comparison of Three Electro-textile Interfaces for Textile UHF-RFID Tags on Clothes' has been published. This work proposes three electro-textile interfaces integrated with the corresponding textile UHF-RFID antennas and provides the chip-textile connection solutions (through sewing, push buttons and insertion). As a result of this objective, an electro-textile interconnect system has been proposed together with its electrical model, which allows the correct adaptation of impedances between the RFID antennas and the integrated circuit. It is worth noting that the mixed-use feasibility of the proposed electro-textile interfaces and the designed textile UHF-RFID antennas has been verified, reducing the cost in the design procedure in applications where the read range requirements of the order of 1 meter. The third objective has been achieved and exposed by a scientific article entitled 'Electro-textile UHF-RFID Compression Sensor for Health-caring Applications'. It proposes a single UHF-RFID based compression textile sensor that can be used simultaneously in two different healthcare application scenarios, which directly impacts on cost reduction.La identificación por radiofrecuencia sobre substratos textiles de ultra alta frecuencia (UHF-RFID) con capacidad de medida es una tecnología prometedora para desarrollar nuevas aplicaciones en el campo de la salud y el Internet de las cosas (IOT), debido a la masiva utilización de los tejidos y a la madurez tecnológica de las técnicas de bordado. Esta tesis es el resultado de un compendio de publicaciones sobre dicha temática. En primer lugar, como resultado del análisis del estado del arte se ha publicado una revisión sistemática titulada 'Wearable textile UHF-RFID sensors: A systematic review'. La tesis tiene como objetivo mejorar la investigación sobre la tecnología de sensores basada en textiles UHF-RFID. Gracias al análisis del estado del arte se han fijado tres objetivos de investigación novedosos que vale la pena explorar. El primero es estudiar funciones de detección novedosas para la tecnología de sensores basada en UHF-RFID textiles; el segundo es encontrar una solución de conexión/interfaz entre antenas textiles y chips de circuito integrado (IC) y el tercero es la reducción de costes de dicha tecnología para promover futuras aplicaciones comerciales. Para contextualizar la tesis, ésta incluye los fundamentos teóricos necesarios y los métodos de fabricación y caracterización utilizados durante la misma. Como resultado del trabajo derivado del primer objetivo, se ha publicado un artículo científico titulado “Textile UHF-RFID Antenna Sensor for Measurements of Sucrose Solutions in Different Levels of Concentration”. En este trabajo, se propone una etiqueta UHF-RFID textil con dos posiciones de detección para mediciones de solución de sacarosa. Las dos posiciones de detección con las diferentes funciones de detección muestran un buen rendimiento y pueden ofrecer dos opciones para futuras aplicaciones completas. Además, se ha publicado otro artículo científico titulado "Textile UHF-RFID Antenna Embroidered on Surgical Masks for Future Textile Sensing Applications" para respaldar el primer objetivo. La inspiración para este trabajo vino de la actual situación de pandemia. En este trabajo se desarrollan tres diseños progresivos de antenas UHF-RFID textiles sobre mascarillas quirúrgicas debido a la situación epidémica mundial actual. Las pruebas de fiabilidad demostraron que los diseños propuestos se pueden usar para aplicaciones centradas en el cuidado de las personas. Como resultado del segundo objetivo, se ha publicado un artículo de investigación titulado 'Experimental Comparison of Three Electro-textile Interfaces for Textile UHF-RFID Tags on Clothes'. En este trabajo se proponen tres interfaces electro-textiles integradas con las correspondientes antenas UHF-RFID textiles y se aportan las soluciones de conexión chip-textil (mediante costura, botones a presión e inserción). Como resultado de este objetivo, se ha propuesto un sistema de interconexión electro-textil junto con su modelo eléctrico, lo que permite la correcta adaptación de impedancias entre las antenas RFID y el circuito integrado. Vale la pena señalar que se ha verificado la viabilidad de uso mixto de las interfaces electro-textiles propuestas y las antenas UHF-RFID textiles diseñadas, lo que reduce el coste en el procedimiento de diseño en aplicaciones donde los requerimientos de rango de lectura del orden de 1 metro. El tercer objetivo se ha alcanzado y expuesto mediante un artículo científico titulado 'Electro-textile UHF-RFID Compression Sensor for Health-caring Applications'. En él, se propone un único sensor textil de compresión basado en UHF-RFID que puede ser utilizado a la vez en dosPostprint (published version

Blind Source Separation for the Processing of Contact-Less Biosignals

(Spatio-temporale) Blind Source Separation (BSS) eignet sich für die Verarbeitung von Multikanal-Messungen im Bereich der kontaktlosen Biosignalerfassung. Ziel der BSS ist dabei die Trennung von (z.B. kardialen) Nutzsignalen und Störsignalen typisch für die kontaktlosen Messtechniken. Das Potential der BSS kann praktisch nur ausgeschöpft werden, wenn (1) ein geeignetes BSS-Modell verwendet wird, welches der Komplexität der Multikanal-Messung gerecht wird und (2) die unbestimmte Permutation unter den BSS-Ausgangssignalen gelöst wird, d.h. das Nutzsignal praktisch automatisiert identifiziert werden kann. Die vorliegende Arbeit entwirft ein Framework, mit dessen Hilfe die Effizienz von BSS-Algorithmen im Kontext des kamera-basierten Photoplethysmogramms bewertet werden kann. Empfehlungen zur Auswahl bestimmter Algorithmen im Zusammenhang mit spezifischen Signal-Charakteristiken werden abgeleitet. Außerdem werden im Rahmen der Arbeit Konzepte für die automatisierte Kanalauswahl nach BSS im Bereich der kontaktlosen Messung des Elektrokardiogramms entwickelt und bewertet. Neuartige Algorithmen basierend auf Sparse Coding erwiesen sich dabei als besonders effizient im Vergleich zu Standard-Methoden.(Spatio-temporal) Blind Source Separation (BSS) provides a large potential to process distorted multichannel biosignal measurements in the context of novel contact-less recording techniques for separating distortions from the cardiac signal of interest. This potential can only be practically utilized (1) if a BSS model is applied that matches the complexity of the measurement, i.e. the signal mixture and (2) if permutation indeterminacy is solved among the BSS output components, i.e the component of interest can be practically selected. The present work, first, designs a framework to assess the efficacy of BSS algorithms in the context of the camera-based photoplethysmogram (cbPPG) and characterizes multiple BSS algorithms, accordingly. Algorithm selection recommendations for certain mixture characteristics are derived. Second, the present work develops and evaluates concepts to solve permutation indeterminacy for BSS outputs of contact-less electrocardiogram (ECG) recordings. The novel approach based on sparse coding is shown to outperform the existing concepts of higher order moments and frequency-domain features