Sistem Sensor Optik Berbantuan Tato untuk Penginderaan Fisiologis Diskrit Multimodal

Abstrak
Karya ini memperkenalkan metode baru untuk merekam sinyal elektrofisiologis dan merasakan kejadian fisiologis menggunakan sensor tato optik (OTS), yang menghilangkan kebutuhan untuk mengintegrasikan perangkat elektronik pada kulit. Sensor tradisional menghadapi tantangan karena ketidakcocokan mekanis antara sirkuit berbasis silikon yang kaku dan sensor yang lembut dan dapat diregangkan, yang menyebabkan kinerja yang buruk dan kegagalan antarmuka. OTS, yang dapat diaplikasikan sebagai tato temporer konvensional, menghilangkan cahaya yang tersebar dari bawah kulit. Saat digunakan dengan perangkat penginderaan bintik genggam, ia meningkatkan rasio sinyal terhadap derau dan stabilitas dalam menangkap aktivitas fisiologis di bawah kulit. Dengan menggunakan sistem penginderaan optik portabel yang dibantu tato, berbagai jenis perekaman sinyal elektrofisiologis dan penginderaan kejadian fisiologis, termasuk elektrokardiografi (EKG), elektromiografi (EMG), seismokardiografi (SCG), laju pernapasan, dan denyut nadi, dilakukan. Jaringan saraf dangkal dikembangkan untuk mengubah gerakan kulit yang terdeteksi menjadi sinyal elektrofisiologis seperti EKG. Perekaman elektrofisiologis menggunakan OTS menunjukkan konsistensi dengan sinyal yang diukur secara elektrik.

1 Pendahuluan
Berbagai jenis penginderaan fisiologis non-invasif dan perekaman elektrofisiologi, seperti EKG, EMG, SCG, denyut nadi, dan laju pernapasan, dapat dilakukan dengan menggunakan perangkat elektronik yang dapat dikenakan. [ 1 – 4 ] Perangkat elektronik yang dapat dikenakan terdiri dari sensor, sirkuit pengkondisian dan nirkabel, serta sirkuit sumber daya atau baterai. Telah diketahui secara umum bahwa untuk meningkatkan kesetiaan sinyal, rasio sinyal terhadap derau (SNR), dan sensitivitas sensor, sensor harus membentuk kontak yang konformal dan stabil dengan kulit. [ 5 – 7 ] Kesesuaian sensor dengan kulit dapat dicapai dengan mengurangi kekakuan mekanis sensor, baik melalui pemanfaatan bahan lunak, dengan mengurangi ketebalan sensor, atau dengan rekayasa regangan untuk mengurangi kekakuan efektif bahan yang secara intrinsik keras.

Sementara sensor/elektroda lunak dan konformal untuk akuisisi sinyal kulit dikembangkan secara luas dan dapat dibuat tipis dan konformal seperti tato; [ 1 , 3 , 5 , 6 , 8 ] namun, sirkuit elektronik yang sangat fungsional dan berkinerja tinggi yang diperlukan untuk diintegrasikan dengan sensor lunak untuk memungkinkan pengkondisian sinyal dan transmisi data nirkabel didasarkan pada silikon kaku dan semikonduktor konvensional lainnya. Membuat sirkuit elektronik yang lembut, tipis, konformal, dapat dideformasi, dan dapat diregangkan seperti sensor tato elektronik merupakan tantangan besar di bidang elektronika. Masalah ini berasal dari fakta bahwa fungsi listrik transistor dan perangkat elektronik aktif lainnya bergantung pada sifat kristal kisi atom semikonduktor konvensional, yang sangat sensitif terhadap deformasi apa pun. Hal ini membatasi pengoperasian sirkuit terpadu (IC) berbasis semikonduktor konvensional di bawah regangan dan deformasi mekanis. Upaya untuk membuat sirkuit listrik yang kompleks dan dapat diubah bentuknya dengan menggunakan transistor yang terbuat dari bahan lain, seperti bahan organik dan bahan berdimensi rendah, [ 9 – 13 ] masih jauh dari adopsi komersial.

Integrasi sirkuit listrik berbasis silikon, yang secara inheren kaku dan secara mekanis lebih kaku daripada sensor, menghasilkan ketidaksesuaian mekanis pada antarmuka sensor lunak dan sirkuit elektronik keras. Perbedaan signifikan dalam kekakuan material ini menimbulkan tantangan teknik karena konsentrasi tegangan pada antarmuka sambungan, yang mengakibatkan fraktur pada antarmuka sensor-sirkuit dan kegagalan perangkat yang dapat dikenakan. Kekurangan ini belum sepenuhnya diatasi, dan meskipun rekayasa regangan telah dilakukan dengan mengintegrasikan interkoneksi yang dapat diregangkan dengan IC silikon kaku untuk mengurangi regangan, [ 14 – 18 ] sirkuit tersebut masih puluhan kali lipat lebih tebal dan lebih kaku daripada sensor tato elektronik. Hingga saat ini, belum ada sirkuit tato elektronik yang dilaporkan, dan oleh karena itu, sensor ultralunak ini harus dihubungkan ke perangkat elektronik yang jauh lebih kaku untuk transmisi dan pemrosesan data. Diperlukan studi dan penemuan ilmu material fundamental lebih lanjut untuk memungkinkan terwujudnya IC yang tipis, lembut, dan dapat diregangkan seperti tato yang berfungsi penuh.

Pencitraan bintik laser (LSI) berfungsi sebagai alat untuk analisis gerakan dan telah dipelajari selama beberapa dekade karena sensitivitasnya yang tinggi. Bintik didefinisikan sebagai pola intensitas cahaya yang tersebar secara acak yang disebabkan oleh iluminasi cahaya yang koheren. Secara tradisional, teknik LSI mendeteksi perubahan berdasarkan pola bintik intensitas berurutan yang diterima oleh penerima multipiksel sementara setiap piksel melakukan pengukuran sinkron. [ 19 , 20 ] Metode deteksi yang banyak digunakan untuk menemukan korelasi silang antara gambar bintik yang berurutan dapat mencapai akurasi subpiksel, yang membuatnya ideal untuk mendeteksi gerakan kecil target yang diterangi oleh bintik. [ 19 ]

Dalam karya ini, dengan menggunakan konsep yang sama, kami memanfaatkan saluran optik untuk mengekstraksi sinyal biologis dari tato epidermis tanpa perlu mengintegrasikan perangkat elektronik apa pun pada kulit. Dengan menghilangkan penggunaan perangkat keras ekstraksi dan transmisi data dari tato, tato dapat sepenuhnya pasif dan sepenuhnya dapat dideformasi. Setelah menyinari laser pada sensor tato optik (OTS), melalui perangkat optoelektronik nirkabel genggam yang kami kembangkan, pola bintik akan dihasilkan di ruang angkasa. Deformasi tato akibat peristiwa fisiologis yang terjadi di bawah kulit dan di sekitar sensor dapat dideteksi dengan melacak gerakan pola bintik di ruang angkasa menggunakan larik CCD linier. Dalam kasus ini, deformasi tato akibat fungsi organ dan/atau jaringan tubuh mengakibatkan perubahan pola bintik yang terdeteksi pada tato oleh larik CCD dan mewakili sinyal biologis dan/atau peristiwa fisiologis yang sesuai. Metode berbasis korelasi silang diterapkan untuk melacak gerakan pola bintik, yang berisi informasi fisiologis. Dengan melakukan pemrosesan data lebih lanjut, data yang direkam secara optik dapat digunakan untuk mengekstrak Elektrokardiogram (EKG), elektromiogram (EMG), seismokardiogram (SCG), denyut nadi, dan laju pernapasan.

Penginderaan spackle untuk penginderaan biologis akustik jarak jauh dari suara jantung dan getaran pita suara telah dilaporkan, tetapi sejauh ini, belum ada penginderaan fisiologis serbaguna yang menggunakan metode penginderaan spackle yang telah dilaporkan, dan sistem penginderaan spackle yang dilaporkan bersifat stasioner dan tidak portabel. [ 21 , 22 ] MM da Silva dkk melaporkan perekaman denyut nadi menggunakan tetikus laser yang terhubung langsung ke komputer sebagai perangkat penginderaan gerakan. [ 23 ] Namun, selain menjadi perangkat modal tunggal, hasilnya tidak cukup stabil untuk penginderaan fisiologis karena tetikus laser dirancang untuk mendeteksi gerakan permukaan target planar, namun ketika dipasang pada kulit, gerakan ini akan terbatas. Kami telah mengembangkan perangkat LSI yang stabil dan bersensitivitas tinggi yang mampu mendeteksi gerakan kulit baik di dalam bidang maupun di luar bidang. Lebih lanjut, kami menemukan bahwa penggunaan tato temporer meningkatkan SNR dengan membatasi penetrasi energi cahaya ke dalam jaringan, mengurangi hamburan cahaya oleh jaringan dalam, dan memungkinkan penyetelan kekasaran permukaan reflektif. Sistem OTS serbaguna kami dapat digunakan untuk berbagai jenis penginderaan fisiologis. Kami mendemonstrasikan aplikasinya untuk perekaman ECG, EMG, SCG, dan penginderaan laju pernapasan dan denyut nadi. Teknologi yang diusulkan adalah platform penginderaan yang dapat membuka jalan menuju penginderaan fisiologis ruang bebas berkualitas tinggi.

2 Hasil dan Pembahasan
Gambar 1 menunjukkan skema sistem penginderaan berbantuan OTS, aliran proses fabrikasi OTS, dan kesesuaian OTS saat ditransfer pada kulit. Karena kesesuaian OTS, ia dapat ditransfer pada bagian tubuh yang berbeda dengan topologi yang berbeda dan dapat digunakan untuk merekam biosignal atau peristiwa biologis yang berbeda (Gambar 1a ). Dalam banyak skenario pelacakan kesehatan, pasien memerlukan pemantauan diskret dalam bentuk pengukuran singkat terjadwal yang dapat berlanjut selama berhari-hari, berminggu-minggu atau berbulan-bulan. Secara tradisional, pengukuran EMG, EKG, SCG, gelombang nadi dan laju pernapasan memerlukan lima perangkat komersial besar yang terpisah dengan kabel kompleks ke elektroda sensitif posisi yang harus dipasang pada kulit. Seperti yang ditunjukkan Gambar 1a , sistem yang kami kembangkan menyederhanakan proses ini dengan menghilangkan penggunaan elektroda dan kabel dan dengan hanya menggunakan satu perangkat genggam (8,2 cm × 4 cm × 6 cm) yang dapat dibawa dalam saku atau tas tangan kecil. Dikombinasikan dengan tato temporer berbiaya rendah, sistem ini memungkinkan pengukuran berbagai sinyal dan parameter terkait kesehatan secara terpisah dan real-time, sehingga menawarkan kemudahan dan efisiensi.

Gambar 1
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Skema sistem penginderaan berbantuan tato dan aliran proses fabrikasi OTS. a) Skema sistem menunjukkan lima jenis sinyal elektrofisiologis dan kejadian fisiologis yang dapat diukur oleh perangkat kami. Dibandingkan dengan perangkat komersial, saat merasakan rangkaian sinyal/kejadian fisiologis yang sama. Perangkat EKG yang ditunjukkan adalah Lepu PC-80B, gambar diperoleh dari www.lepucreative.com . Perangkat EMG yang ditunjukkan adalah sistem BTS FREEMG300, gambar diperoleh dari www.btsbioengineering.com/products/freeemg/ . Perangkat gelombang pulsa yang ditunjukkan adalah BPro®G2, gambar diperoleh dari www.bpro.ie/ . Perangkat respirasi adalah Go Direct® Respiration Belt, gambar diperoleh dari www.nsta.org/blog/go-directr-respiration-belt . b) Proses fabrikasi OTS, mentransfernya ke kulit, menempatkan cincin pemosisian pada kulit, dan menggunakan perangkat pembacaan nirkabel optoelektronik genggam kami untuk pengukuran. c) Skema bagian-bagian dan komponen sistem penginderaan berbantuan OTS. d) OTS pada kulit. e, f, dan g) OTS pada kulit yang mengalami kompresi, regangan tarik, dan puntiran, berturut-turut.
Skema yang disederhanakan dari pengaturan penginderaan OTS ditunjukkan pada Gambar 1c . Dioda laser 650 nm menghasilkan sinar yang difokuskan pada OTS, menciptakan titik iluminasi dengan diameter sekitar 400 µm. Susunan CCD linear (TCD1304) dengan 3648 piksel efektif dengan ukuran piksel 8 µm × 200 µm (ukuran pencitraan total 29,2 mm × 200 µm) digunakan untuk mengumpulkan pola intensitas cahaya yang dipantulkan secara terus-menerus. Rekaman dari CCD dikirimkan secara nirkabel dan melalui kabel. Laju pengambilan sampel nirkabel dibatasi hingga 20 Hz di perangkat kami karena beban komputasi onboard yang tinggi, pengambilan sampel dilakukan pada laju 60 Hz melalui kabel. Waktu pencahayaan 10 µs digunakan untuk semua bingkai yang direkam dalam pekerjaan ini. Sumbu optik penyinaran laser dan susunan CCD linear berada pada bidang yang sama.

OTS dibuat pada kertas tato temporer komersial (Kertas Tato MECOLOUR 8,5″ × 11″), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b proses pembuatannya. Lapisan reflektif dicat secara merata dengan spidol cat yang tersedia secara komersial (Overseas Oil based Paint Marker 2,5 mm, warna Hitam dan Emas) pada kertas tato (Gambar 1b,II ). Efek dari reflektivitas dan kekasaran permukaan (1 µm hingga 100 µm) dari tato yang ditransfer pada kulit pada kinerja penginderaan keseluruhan dapat diabaikan dalam sistem penginderaan kami karena kemampuan tambahan penyesuaian dinamis waktu pencahayaan dan ukuran titik cahaya yang dihasilkan sebesar 190 µm yang jauh lebih besar daripada tekstur mikroskopis tato yang ditransfer. [ 24 ] Pola OTS yang diinginkan dipotong menggunakan mesin pemotong plotter mekanis (Gambar 1b,III ), dan area berlebih dihilangkan dari kertas tato dengan membasahi sisi belakang kertas dengan air dan mengelupas area berlebih (Gambar 1b,IV–VI ). OTS kemudian dapat ditransfer ke kulit di area yang diinginkan untuk penginderaan fisiologis yang relevan (Gambar 1b,VII–X ). Tato yang ditransfer melekat sendiri pada kulit dan bertahan di kulit hingga tiga hari. Untuk memperpanjang masa pakai OTS di kulit, lapisan perban cair dapat disemprotkan ke kulit sebelum atau setelah mentransfer OTS.

OTS yang dilaminasi pada kulit menyesuaikan diri dengan kulit dan tetap melekat padanya dalam semua jenis deformasi kulit. Gambar 1d menunjukkan OTS yang ditransfer pada kulit dan deformasinya dengan menerapkan regangan tarik dan kompresi pada kulit dan memutar kulit.

Memperbaiki posisi perangkat pembacaan relatif terhadap tato dicapai dengan memperbaiki cincin pemosisian pada tato, yang memiliki lubang tengah yang sesuai dengan pola tengah tato. Perangkat pemosisian ini dapat dipasang dengan erat pada perangkat pembacaan. Cincin pemosisian ini memiliki lapisan PDMS perekat pada antarmukanya dengan kulit untuk mencegah gerakan relatif dalam bidang dan untuk mencegah titik iluminasi bergerak keluar dari batas tato dan degradasi sinyal (Gambar 1b,XI–XIII ).

Untuk membandingkan sinyal elektrofisiologi yang diekstraksi yang direkam oleh sistem penginderaan berbantuan OTS kami dengan sinyal terkait yang direkam menggunakan perangkat komersial/medis standar, kami menggunakan Papan Biosensing OpenBCI Cyton untuk mengumpulkan sinyal EKG dan EMG pada frekuensi pengambilan sampel 250 Hz.

2.1 Analisis Sensitivitas
Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa gerakan bintik berhubungan dengan gerakan objek dan posisi bintik. [ 25 , 26 ] Tidak seperti sistem penginderaan bintik dari karya sebelumnya, yang biasanya menggunakan sistem optik aperture numerik rendah untuk menyederhanakan hubungan antara gerakan bintik dan gerakan bidang target sebagai hubungan linier, sistem kami tidak memerlukan perkiraan NA kecil untuk mendapatkan gerakan target. [ 21 , 22 , 27 – 34 ]

Koefisien gerakan bintik, yang berkaitan dengan gerakan objek, dapat ditentukan oleh geometri sistem. Perhatikan bahwa koefisien pergeseran bintik tidak seragam di seluruh bidang pencitraan, dan ketergantungan ini berbeda untuk gerakan rotasi dan translasi.

Gambar 2a menunjukkan kerangka sistem untuk menganalisis hubungan antara gerakan objek dan gerakan bintik. Kerangka Ox t y t z t dan S x s y s z s masing -masing dipasang pada bidang target (tato) dan badan kerangka perangkat pembacaan. Titik O adalah titik kejadian ideal pada objek, dan titik S adalah pusat larik CCD. Bidang x t -y t didefinisikan pada bidang target ideal. Titik P merepresentasikan satu titik cahaya sembarang dalam bintik pantulan yang terletak pada sumbu x s ​​. Di sini, jarak, D, antara titik kejadian yang diinginkan dan bidang x’-y’ (larik CCD) adalah 25 mm, dan jarak antara titik kejadian yang diinginkan dan lensa pemfokus, L 0 , adalah 14,3 mm. Sudut kejadian, α, dan sudut antara sumbu z t dan sumbu z s , keduanya 25°.

Gambar 2
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Skema sistem sensor, diagram dan demonstrasi parameter. a) Definisi bingkai dan parameter yang digunakan dalam analisis gerakan bintik. b) Demonstrasi korespondensi antara gerakan target dan gerakan bintik.
Gambar 2b menunjukkan perpindahan 6 dimensi kecil dari tato yang ditargetkan, dan vektor yang sesuai
, di mana titik cahaya dalam bintik pantulan pada susunan CCD bergeser dari P ke P’ akibat pergerakan bidang target (OTS pada kulit).
diukur terhadap koordinat Sx s y s z s , dan merupakan hasil perpindahan koordinat Ox t y t z t (terbatas pada bidang target awal), sehingga menghasilkan koordinat baru O’-x t ‘ y t ‘ z t ‘ (terbatas pada bidang target yang dipindahkan). Hubungan perpindahan antara kedua koordinat ini dapat dinyatakan sebagai berikut. [ 25 ]

di mana δ x s ,δ y s ,δ z s adalah perpindahan satu titik cahaya yang diamati oleh susunan sensor gambar yang terletak di koordinat S x s y s z s . Relatif terhadap bingkai Ox t y t z t , δ x , δ y , δ z adalah perpindahan OTS transisional dan δφ x ,δφ y ,δφ z adalah perpindahan OTS rotasional, dan T mewakili transpos. Hubungan gerakan bintik transisional dan rotasional C trans dan C rot bergantung secara nonlinier pada jarak dari sumber cahaya titik ekivalen dari sinar terfokus ke permukaan tato yang ditargetkan. Dalam sistem kami, untuk berkas Gaussian yang mempunyai radius pinggang ω 0 = 190 µ m (diukur seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 a,b ) dan dengan deformasi objek vertikal yang cukup kecil, Δ z t , hubungan gerak bintik C rot dan C trans dapat dilinearisasi seperti yang dibahas dalam informasi tambahan. [ 25 ]

di mana α adalah sudut datang cahaya dan β adalah sudut kemiringan bidang detektor, γ adalah sudut posisi bintik terhadap sumbu z t , dan D adalah jarak terdekat dari detektor ke titik O. Selama penginderaan aktual dengan memperbaiki sistem pengukuran pada kulit menggunakan cincin pemosisian, pemindahan deformasi kulit yang tidak relevan terhadap area kulit yang ditargetkan yang berisi kejadian fisiologis yang diinginkan diminimalkan. Dalam kasus ini, gerakan relatif pada bidang x t -y t sebagian besar dapat dihilangkan, dan pergeseran terutama akan berasal dari deformasi sepanjang sumbu z t dan rotasi. Ketika hanya mempertimbangkan gerakan bintik sepanjang

arah, suku δ x s Persamaan ( 1 ) disederhanakan seperti di bawah ini.

Gambar 3
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Karakteristik optik perangkat pembacaan dan respons optik berbagai gaya OTS pada kulit. a) Skema pengaturan untuk pengukuran lebar berkas. b) Ukuran titik berkas laser terfokus yang diukur dengan radius titik () versus jarak dari lensa yang diukur dengan menyesuaikan distribusi medan Gaussian. c) Skema pengaturan untuk pengukuran ukuran bintik. d) Lebar puncak autokorelasi versus jarak bidang target aktual (bidang tato) dari bidang target yang dirancang (bidang bawah rangka perangkat) diukur dengan setengah maksimum lebar penuh (FWHM) dari puncak korelasi. e) Foto dari empat gaya tato yang diuji, termasuk: warna hitam dicat di bagian bawah (BPT), warna emas dicat di bagian atas (GPT), warna emas dicat di bagian bawah (GPB), dan tato yang tidak dicat (Clear). Skala batang adalah 5 mm. f) Pola intensitas cahaya langsung yang direkam diukur dengan hitungan ADC dari kulit telanjang untuk empat gaya tato yang berbeda. g) Autokorelasi yang diperoleh dengan menggunakan empat OTS yang berbeda dan kulit telanjang yang dinormalkan seperti yang dijelaskan dalam bagian ekstraksi peristiwa fisiologis. h) Foto OTS berwarna emas yang dilukis di bagian bawah (GPB) dipindahkan ke replika kulit dengan berbagai tingkat kekasaran. Skala batang adalah 3 mm. i) Autokorelasi yang dinormalkan dari pola intensitas cahaya yang dideteksi dari OTS yang dilaminasi pada replika kulit dengan berbagai tingkat kekasaran. j) Tinggi puncak korelasi silang, dihitung dengan bingkai pertama dan bingkai setelah interval waktu tertentu menggunakan metode yang dijelaskan dalam bagian ekstraksi peristiwa fisiologis.
Yang memiliki hubungan linear antara gerakan sepanjang sumbu z t dan bintik pada bidang pencitraan, tetapi hubungan nonlinier yang kompleks terhadap gerakan sudut sepanjang sumbu y t . Hal ini berpotensi menghasilkan arah gerakan bintik yang berbeda pada berbagai wilayah bidang pencitraan dan membahayakan sensitivitas keseluruhan dengan memperlebar puncak korelasi silang dan membatalkan pergeseran puncak keseluruhan.

2.2 Ukuran Titik (Penyelarasan Kedalaman)
Bahasa Indonesia: Ketika titik laser terfokus pada objek digunakan untuk membuat pola bintik karakteristik, objek dapat dianggap sebagai apertur pengkodean fase acak, yang ditentukan oleh struktur permukaan. [ 35 ] Untuk permukaan hamburan normal seperti kertas atau kulit, struktur permukaan ini menerapkan pengkodean fase terdistribusi Gaussian perkiraan ke cahaya insiden, yang akan membuat distribusi intensitas cahaya karakteristik di ruang tersebut. Sensor gambar mendeteksi pola intensitas cahaya karakteristik yang disebarkan dari titik yang disinari laser. Seperti yang dibahas dalam informasi tambahan, dari properti transformasi Fourier yang tertanam dalam algoritma difraksi Fresnel, radius titik mewakili apertur sistem, yang berkorelasi anti dengan ukuran bintik pada bidang sensor gambar.

Bahasa Indonesia: Untuk mengukur ukuran titik cahaya insiden pada bidang tato yang ditargetkan, pengaturan pengukuran langsung digunakan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a . Berkas laser terfokus diukur secara langsung pada jarak fokus oleh susunan CCD yang digunakan dalam pekerjaan ini, yang tegak lurus terhadap sumbu optik cahaya insiden. Distribusi intensitas cahaya berkas terfokus yang diukur kemudian disesuaikan dengan fungsi Gaussian untuk menentukan ukuran titik ekuivalen, yang merupakan radius pada 1/e dari akar kuadrat intensitas cahaya yang diukur. Ukuran titik iluminasi yang diukur bervariasi dengan jarak dari lensa pemfokus, ditunjukkan pada Gambar 3b . Karena aberasi optik lensa pemfokus, ukuran titik yang diukur tidak benar-benar mengikuti bentuk Gaussian yang ideal. Hubungan antara jarak dan ukuran titik menunjukkan wilayah fokus yang melebar, menghasilkan rentang operasional yang lebar dalam arah z dari koordinat bidang target. Bahasa Indonesia: Untuk meminimalkan ketidakselarasan antara cincin pemosisian dan rangka perangkat pembacaan dan memperhitungkan ketebalan lapisan perekat antara cincin pemosisian dan OTS, posisi bidang target terdekat dalam arah z, bagian bawah rangka perangkat pembacaan, ditetapkan pada batas bawah L 0 , yang didefinisikan sebagai bidang z t = 0 mm (L 0 = 14,3 mm). Lebar puncak korelasi-sendiri dari pola intensitas cahaya pantulan yang terekam menunjukkan ketergantungan yang jelas pada jarak dari bidang z t = 0 mm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c dan d , yang menunjukkan wilayah puncak korelasi-sendiri yang lebar dimulai dari bidang z t = 0 mm.

Karena ukuran spot yang lebih besar menghasilkan ukuran speckle yang lebih kecil, ini juga akan menghasilkan SNR yang rendah dan rentang dinamis sinyal efektif yang sempit saat melacak gerakan speckle. Karena sifat acak dari pola speckle, hanya ketika mempertimbangkan gerakan in-line speckle relatif terhadap array detektor (δ x s ), korelasi diri dan silang dari pola yang terdeteksi dimaksudkan untuk memiliki puncak utama di sekitar pusat. Ketika ukuran speckle lebih kecil, lebar puncak korelasi silang akan lebih sempit. Dalam hal ini, lebih sedikit titik sampel di sekitar puncak ini dapat digunakan untuk menentukan pusatnya, sehingga menghasilkan sinyal yang diekstraksi lebih berisik. Dalam kasus terburuk, di mana ukuran speckle sama dengan atau lebih kecil dari ukuran piksel, puncak korelasi akan sesempit dua piksel, dan kebisingan akan tinggi.

Bahasa Indonesia: Saat mempertimbangkan gerakan bintik yang keluar garis relatif terhadap susunan detektor (δ y s ,δ x s ), ukuran bintik yang kecil memengaruhi hasil pelacakan lebih parah. Karena susunan detektor linear yang digunakan dalam pekerjaan ini hanya mendapatkan garis 1D dalam pola bintik 3D di ruang angkasa, gerakan bintik yang keluar garis secara keseluruhan akan mengurangi kesamaan pola yang terekam relatif terhadap yang terekam dalam bingkai sebelumnya. Mempertimbangkan pergeseran bintik δ y s sepanjang sumbu y s dan mengasumsikan pola bintik tetap identik setelah pergeseran dilakukan, korelasi silang antara dua bingkai akan memiliki puncak utama yang bergeser sebesar δ y ′ sepanjang sumbu y s . Karena detektor hanya memiliki susunan satu dimensi sepanjang sumbu x s ​​, hasil korelasi silang yang dihitung hanya berisi irisan (y’ = 0, z’ = 0) dari korelasi silang. Ketika δ y ′ lebih besar dari lebar ukuran bintik umum sepanjang sumbu y s , korelasi silang yang dihitung tidak akan mencakup puncak utama, yang secara efektif membatasi jangkauan dinamis sinyal.

Untuk kulit telanjang, sinar laser 650 nm dapat menembus ke dalam jaringan hingga beberapa milimeter. [ 36 ] Hal ini menyebabkan kontras bintik rendah dan puncak korelasi silang yang sempit karena cahaya yang dipantulkan kembali dan dihamburkan dari lapisan jaringan kulit yang lebih dalam. Menerapkan OTS membatasi jumlah penetrasi cahaya ke dalam jaringan, dan pola bintik yang dipantulkan kembali mempertahankan kontras tinggi dan puncak korelasi silang yang lebar. Untuk menunjukkan ukuran bintik rata-rata dalam pola intensitas cahaya yang terekam, autokorelasi yang dinormalisasi sepanjang arah x s dihitung. Semakin dekat bintik umum dapat mengembang relatif terhadap pusatnya (ukuran bintik yang lebih kecil), semakin cepat autokorelasi meluruh. Dengan demikian, lebar puncak pusat korelasi silang dari pola intensitas cahaya mewakili ukuran bintik yang terekam.

Berbagai gaya pencetakan warna hitam yang dilukis di bagian bawah (BPB) tato, warna emas yang dilukis di bagian atas (GPT), dan warna emas yang dilukis di bagian bawah (GPB) tato dibuat. Tato yang dilukis warna hitam memiliki penyerapan cahaya maksimum dan pantulan cahaya minimum di antara semua warna tato. Pola intensitas cahaya pantulan yang terekam ditunjukkan pada Gambar 3f . Perangkat pembacaan kami dapat secara dinamis menyesuaikan waktu pencahayaan berdasarkan intensitas cahaya pantulan untuk memaksimalkan kinerja penginderaan. Oleh karena itu, reflektivitas keseluruhan tidak memengaruhi kualitas sinyal, seperti yang ditunjukkan pada Tabel S1 (Informasi Pendukung). Parameter desain sistem ini sangat penting untuk membatasi efek variasi reflektivitas tato pada kinerja penginderaan. Jika tidak, reflektivitas gaya tato yang berbeda akan berdampak signifikan pada kinerja penginderaan. Untuk sistem yang tidak dapat menyesuaikan waktu pencahayaannya, penting untuk mengontrol reflektivitas permukaan keseluruhan tato dengan hati-hati. Seperti yang ditunjukkan Gambar S13 (Informasi Pendukung), saat tato berwarna hitam selama waktu pencahayaan yang sama yaitu 10 µs, EKG yang direkonstruksi menggunakan tato BPB menunjukkan kualitas sinyal dan SNR yang jauh lebih rendah daripada saat tato GPT digunakan.

Meskipun penyesuaian waktu pencahayaan secara dinamis pada perangkat yang kami kembangkan dapat mengurangi efek reflektivitas tato pada kinerja penginderaan, pertimbangan penting lainnya harus diambil dalam desain tato. Tato harus buram untuk menghindari cahaya yang melewatinya dan penetrasinya ke jaringan untuk mempertahankan SNR tinggi dan kinerja penginderaan tinggi. Autokorelasi yang dinormalisasi dari pengukuran pola bintik tato transparan (Clear) menunjukkan puncak autokorelasi dengan lebar yang sama karena reflektivitas tinggi pada antarmuka antara udara dan tato; namun, cahaya yang dihamburkan kembali oleh jaringan di bawah tato mengurangi kontras bintik. Ketika diuji pada kulit telanjang, cahaya yang dihamburkan kembali mendominasi cahaya yang dipantulkan pada antarmuka udara-kulit dan membuat penginderaan tidak stabil. Umumnya, panjang koherensi khas dioda laser (2 mm) kurang dari kedalaman penetrasi pada kulit manusia pada panjang gelombang 650 nm (4 mm), [ 36 , 37 ] keterbatasan panjang koherensi sumber cahaya ini mengakibatkan cahaya yang tersebar sebagian koheren, menghasilkan pola bintik kontras rendah dan kurangnya titik cahaya yang dapat diidentifikasi untuk melakukan pelacakan gerakan yang andal. [ 38 ] Hasil pengujian untuk perangkat pembacaan kami pada kulit telanjang ditunjukkan pada Gambar S8–S10 , dan S12 (Informasi Pendukung), dan akan dibahas kemudian dalam makalah ini.

Meskipun jenis tato tidak terlalu memengaruhi ukuran bintik, dalam penelitian ini, demi kesederhanaan dan konsistensi, kami menggunakan tato GPB untuk eksperimen lainnya. Secara keseluruhan, penggunaan OTS menghasilkan SNR yang lebih tinggi dan meningkatkan sensitivitas serta stabilitas.

Efek tekstur kulit pada ukuran bintik juga diuji, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3h,i . Karena distribusi pola intensitas cahaya hanya sensitif terhadap kekasaran permukaan yang berada dalam urutan panjang gelombang cahaya yang datang dan fitur tekstur kulit berada dalam urutan besaran lebih besar daripada panjang gelombang cahaya, variasi tekstur kulit menghasilkan perbedaan yang dapat diabaikan dalam ukuran bintik, seperti yang ditunjukkan oleh hasil korelasi diri yang identik yang diperoleh dengan menyinari replika kulit dengan tingkat kekasaran yang berbeda.

Selain gerakan relatif antara objek dan perangkat yang menghasilkan perpindahan bintik, karakteristik sistem lainnya, seperti variasi panjang gelombang laser dan indeks bias, ekspansi dan ekstraksi objek, dll., menghasilkan perpindahan bintik. Masing-masing karakteristik ini terkait dengan suhu, tekanan dan kelembapan sekitar, dan regangan permukaan. Karena sebagian besar fitur ini tidak dapat dikontrol saat mengukur peristiwa fisiologis, efek keseluruhan ini menghasilkan pergeseran bertahap ke arah yang sembarangan. Ketika pergeseran ini terjadi ke arah selain sejajar dengan sumbu x s , maka secara bertahap kesamaan pola keseluruhan akan berkurang.

Gambar 3j menunjukkan tinggi puncak pusat korelasi silang antara bingkai pertama dan bingkai dengan interval waktu setelahnya. Saat diuji pada tato, kesamaan antara kedua bingkai ini, seperti yang ditunjukkan oleh tinggi puncak korelasi silang, tetap stabil selama 5 detik, setelah itu berkurang secara bertahap. Namun, pada kulit telanjang, kesamaan berkurang dengan cepat pada detik pertama, yang menunjukkan bahwa pola cahaya yang dihamburkan kembali yang dihasilkan oleh pantulan cahaya yang menembus ke dalam kulit memiliki efek buruk yang cukup besar pada kinerja penginderaan.

3 Pengolahan Data
3.1 Ekstraksi Peristiwa Fisiologis
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 , untuk mengekstrak peristiwa fisiologis yang relevan dengan gerakan OTS sehubungan dengan sumber cahaya dan susunan CCD, pada awalnya, satu bingkai pola intensitas cahaya yang direkam dari susunan CCD dinormalisasi dengan mengekstrak intensitas rata-rata dan membaginya dengan deviasi standar bingkai saat ini. Kemudian, korelasi silang dari bingkai saat ini yang dinormalisasi dan bingkai sebelumnya yang dinormalisasi dilakukan. Korelasi silang ini akan memiliki satu puncak utama di sekitar pusat jika kesamaan antara bingkai saat ini dan sebelumnya cukup tinggi. Setelah itu, metode ambang batas adaptif diterapkan dengan mengekstrak nilai rata-rata korelasi silang dalam kisaran -20 hingga +20 piksel yang bergeser untuk menyorot puncak pusat. Pusat ini, pada puncak fungsi korelasi silang, kemudian didefinisikan sebagai pusat bobotnya di atas nol (di atas ambang batas). Posisi pusat bobot menunjukkan gerakan diferensial antara bingkai saat ini dan sebelumnya. Akhirnya, gerakan yang diekstraksi dapat dihitung dengan mengintegrasikan gerakan diferensial. Karena sistem bersifat nonlinier, pergeseran garis dasar dapat terjadi dalam bentuk gerakan yang diekstraksi, yang dapat difilter dan dihilangkan menggunakan filter lolos tinggi. Kami menerapkan filter lolos tinggi dengan frekuensi batas 0,1 Hz untuk menghilangkan pergeseran garis dasar. Untuk semua filter digital yang digunakan dalam pekerjaan ini, filter Butterworth orde enam dengan frekuensi batas yang diperlukan digunakan.

Gambar 4
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Diagram blok aliran pemrosesan data dari serangkaian pola intensitas cahaya yang terdeteksi hingga peristiwa fisiologis yang diekstraksi.
Perlu dicatat bahwa meskipun resolusi ruang dari susunan CCD terbatas pada ukuran piksel 8 µm, metode pusat bobot menghasilkan pengambilan setiap titik pada fungsi korelasi silang di atas ambang batas dan dapat mencapai resolusi tingkat subpiksel yang dalam. Hal ini memastikan sensitivitas dan akurasi yang tinggi dalam mendeteksi gerakan.

3.2 Pemrosesan Biosignal
Akuisisi sinyal elektrofisiologis dan kejadian fisiologis yang berbeda dari gerakan yang direkam secara optik pada area yang ditargetkan memerlukan pendekatan yang berbeda. Pekerjaan ini juga berupaya merekonstruksi sinyal EKG dari gerakan kulit dada kiri yang diekstraksi dengan melatih jaringan saraf dangkal, yang dijelaskan lebih lanjut dalam informasi tambahan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5e , gerakan kulit yang direkam secara optik selama pernapasan normal dibagi menjadi empat sinyal pada empat pita frekuensi berbeda yaitu 0,3 Hz hingga 0,6 Hz , 1 Hz hingga 5 Hz, 8 Hz hingga 16 Hz, dan di atas 20 Hz dengan menerapkan filter digital yang tepat. Keempat sinyal ini dan sinyal gerakan yang direkam secara optik asli kemudian dimasukkan ke dalam model demonstrasi terlatih, yang menghasilkan sinyal EKG terekonstruksi.

Gambar 5
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Peristiwa fisiologis yang diekstraksi menggunakan sistem penginderaan berbantuan OTS dan sinyal terekam secara elektrik yang sesuai serta praproses rekonstruksi EKG jaringan saraf. a) Sinyal EKG diukur secara elektrik dan merekam gerakan kulit dari dada kiri antara tulang rusuk ke-4 dan ke-5 saat menahan napas. b) Potongan plot 0,96 d hingga 1,96 d yang ditunjukkan pada Gambar 5a, tempat karakteristik puncak EKG utama P, Q, R, S, dan T ditandai. S1 dan S2 mewakili dua bunyi jantung yang terdeteksi. c) Filter lolos tinggi dengan frekuensi batas 0,6 Hz diterapkan pada gerakan yang direkam karena detak jantung untuk kumpulan data yang sama yang ditunjukkan pada Gambar 5a saat subjek bernapas secara normal. d) Sinyal yang direkam secara optik yang sesuai dengan gerakan dada sebelum dan sesudah menerapkan filter dengan pita frekuensi yang berbeda. e) Diagram blok yang menunjukkan proses merekonstruksi sinyal EKG dari sinyal optik yang direkam yang sesuai dengan gerakan dada.

4 Hasil Pengukuran dan Analisis
Kami mendemonstrasikan penerapan sistem penginderaan optik berbantuan OTS yang kami kembangkan dalam rekonstruksi empat jenis sinyal/peristiwa biologis yang berbeda: gelombang denyut yang diukur dari arteri radial; sinyal EMG yang diukur dari lengan bawah; dan laju pernapasan, EKG, bunyi jantung, dan SCG yang diukur dari dada kiri. Hasil dalam bagian ini diperoleh dengan merekam pola bintik yang terdeteksi pada 60 Hz dan menggunakan algoritma pemrosesan data yang dijelaskan di atas. Proses pemrosesan data yang berbeda diterapkan pada gerakan kulit yang diekstraksi untuk mendapatkan hasil yang optimal untuk setiap situasi.

4.1 Pengukuran Arteri Radial
Untuk pengukuran volume arteri, sinyal gerakan berhubungan langsung dengan tekanan statis intravaskular. [ 39 ] Hubungan ini biasanya nonlinier, tergantung pada posisi relatif posisi target terhadap arteri, dan dapat dioptimalkan dalam hal linearitas dengan memilih posisi pengukuran yang ideal.

Dengan menempatkan tato dan perangkat pembacaan nirkabel optoelektronik genggam kami di atas arteri radial pergelangan tangan subjek, gerakan kulit yang diakibatkan oleh aliran darah di arteri radial terdeteksi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6a . Hasil tersebut dicapai dengan menerapkan filter high-pass dengan frekuensi batas 0,6 Hz yang menghilangkan pergeseran garis dasar dari gerakan yang terdeteksi. Perangkat kami mendeteksi gerakan kulit yang didorong oleh perubahan volume arteri. [ 39 , 40 ]

Gambar 6
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Sinyal elektrofisiologis dan kejadian fisiologis yang diekstraksi menggunakan perangkat kami dan perangkat listrik standar emas. a) Skema gerakan kulit yang terdeteksi sesuai dengan perubahan volume arteri dan denyut nadi. b) Titik target yang berbeda pada pergelangan tangan relatif terhadap arteri radial. Skala batang adalah 5 mm. c) Gerakan yang direkam diperoleh dari titik target yang berbeda yang ditunjukkan pada Gambar 3b . d) Skema penempatan sistem penginderaan optik berbantuan OTS pada otot lengan bawah untuk mengekstraksi sinyal EMG. Perangkat EMG Listrik yang didemonstrasikan adalah NeuroTrac® MyoPlus 2 Pro, gambar diperoleh dari remingtonmedical.com e) Gerakan yang diekstraksi dari otot fleksura di lengan bawah saat menekan pegangan tangan. Sinyal EMG yang direkam secara optik dan elektrik. Filter lolos tinggi 15 Hz diterapkan pada gerakan yang direkam secara optik dari otot fleksura lengan bawah selama kontraksi. f) Jendela 0,5 detik dari amplop akar-rata-kuadrat dari sinyal gerakan yang terdeteksi secara optik setelah menerapkan filter lolos tinggi, dan sinyal EMG referensi yang ditunjukkan pada Gambar 6e. g) Skema penempatan sistem penginderaan optik berbantuan OTS dan pengaturan EKG konvensional di dada. Perangkat EKG Listrik yang didemonstrasikan adalah Omron HeartScan HCG-801, gambar diperoleh dari www.omron.com h) Sinyal pernapasan diukur dari sisi kiri dada dengan dan tanpa menerapkan filter lolos rendah. i) EKG referensi yang direkam menggunakan sistem EKG konvensional. Sinyal EKG yang direkonstruksi, sinyal SCG, dan gerakan kulit diperoleh menggunakan sistem penginderaan optik berbantuan OTS dari sisi kiri dada.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6b,c . Pengukuran ini sensitif terhadap posisi, dan dengan menempatkan perangkat secara akurat pada arteri radial yang tegak lurus terhadap kulit, pengukuran ini dapat menghasilkan hasil yang paling akurat dalam hal bentuk gelombang dan intensitas cahaya pantulan yang terdeteksi.2

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar S8 (Informasi Pendukung), ketika pengukuran dilakukan pada kulit telanjang tanpa bantuan OTS, tingkat kebisingan dan konsistensi bentuk gelombang berkurang karena penetrasi cahaya ke dalam kulit dan pengaruh aliran darah.

4.2 Pengukuran Lengan Bawah
Elektromiograf (EMG) mengukur aktivitas listrik yang dihasilkan oleh otot selama kontraksi. Alat ini umumnya digunakan dalam diagnostik medis dan penelitian untuk menilai fungsi otot dan mendeteksi gangguan neuromuskular. Biasanya, setiap puncak EMG yang terdeteksi menunjukkan serangkaian kontraksi pada otot. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6d . Setiap puncak EMG secara mekanis dikaitkan dengan sinyal listrik yang dihasilkan di otot selama kontraksi pada subjek yang sehat; kontraksi ini menyebabkan getaran yang dapat dideteksi dari permukaan kulit.

Saat mengukur aktivitas otot dari kulit di atas otot, alih-alih menggunakan filter lolos tinggi 0,1 Hz, digunakan filter lolos tinggi Butterworth orde-6 dengan frekuensi batas 15 Hz untuk menghilangkan pergeseran garis dasar sinyal yang disebabkan oleh perubahan gerakan dan orientasi perangkat.

Gambar 6e menunjukkan perbandingan antara gerakan terdeteksi yang dinormalkan, gerakan terdeteksi setelah menerapkan filter di atas, dan EMG referensi yang diukur secara elektrik menggunakan perangkat EMG konvensional. Setelah menerapkan filter high-pass, dapat dilihat bahwa ada korelasi tinggi antara sinyal EMG yang diukur secara elektrik dan sinyal EMG yang diekstraksi menggunakan perangkat yang kami kembangkan. Korelasi dapat diamati lebih jelas dalam amplop root-mean-square sinyal yang digambarkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6f . Hasil ini juga menunjukkan bahwa memanfaatkan OTS sangat meningkatkan kesamaan sinyal EMG yang diperoleh secara optik dengan sinyal yang direkam secara elektrik dibandingkan dengan ketika sinyal diperoleh secara optik dari kulit telanjang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar S9 dan S10 , Informasi Pendukung.)

4.3 Pengukuran Dada Kiri
Bahasa Indonesia: Saat mengukur gerakan kulit dari dada, ada tiga kejadian fisiologis berbeda yang sesuai dengan gerakan dada: pernapasan, detak jantung, dan bunyi jantung. Ketiga gerakan tersebut umumnya terkandung dalam tiga pita frekuensi berbeda. Untuk orang dewasa yang sehat dalam keadaan istirahat, laju pernapasan umum di bawah 30 napas per menit. Oleh karena itu, frekuensi laju pernapasan kurang dari 0,5 Hz. [ 41 ] Namun, denyut jantung umumnya dalam kisaran 40 hingga 100 denyut per menit, menghasilkan frekuensi denyut jantung potensial 0,6 Hz hingga 1,6 Hz. [ 42 ] Untuk bunyi jantung, yang dalam karya ini didefinisikan sebagai rentang frekuensi yang dapat didengar, berada di atas 20 Hz. Pengukuran SCG banyak digunakan untuk mempelajari gerakan mekanis jantung, yang umumnya diperoleh dengan mengukur percepatan kulit yang disebabkan oleh detak jantung. [ 43 ] Sinyal percepatan yang diukur ini biasanya dalam pita frekuensi dengan ujung rendah sekitar 0,3 Hz hingga 5 Hz dan ujung tinggi 25 Hz hingga 50 Hz. Dalam pekerjaan ini, kami menggunakan rentang yang paling umum dari 0,5 Hz hingga 25 Hz. Oleh karena itu, mengekstraksi biosignal yang diinginkan dapat dicapai dengan menerapkan filter khusus pada gerakan yang terdeteksi secara optik. Ketika subjek menahan napas dan tetap diam, gerakan yang terdeteksi semata-mata dihasilkan oleh jantung. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a,b , ada sinkronisasi yang jelas antara setiap gerakan dada dan karakteristik puncak EKG. Untuk lebih spesifik, kontraksi jantung umumnya terdiri dari depolarisasi atrium yang menyebabkan sistol atrium yang ditandai oleh gelombang P, sistol ventrikel yang ditandai oleh kompleks QRS, periode depolarisasi yang ditandai oleh segmen ST, dan repolarisasi yang ditandai oleh gelombang T. [ 44 ] Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b , relevansi antara gerakan kulit dada yang terdeteksi di antara dua tulang rusuk dan sinyal EKG dapat dideteksi oleh perangkat kami. Relevansi ini dapat digunakan untuk merekonstruksi sinyal seperti EKG untuk banyak penggunaan klinis.

Untuk mengekstrak laju pernapasan, filter lolos tinggi 0,1 Hz dan filter lolos rendah 0,6 Hz diterapkan pada gerakan dada yang direkam secara optik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6g , dengan menempatkan tato di antara jari ke-4 dan ke-5 di dada, gerakan yang disebabkan oleh pernapasan, detak jantung, dan bunyi jantung dapat dideteksi secara bersamaan. Sinyal pernapasan dan aktivitas jantung dapat diperoleh dengan menerapkan metode pemrosesan data yang dijelaskan di bagian pemrosesan biosignal. Gambar 6h menunjukkan tiga pernapasan berbeda pada masing-masing tiga siklus.

Sinyal SCG biasanya diukur menggunakan accelerometer, yang memerlukan integrasi sirkuit elektronik dan sumber daya pada kulit. Dalam percobaan kami, untuk menemukan satu titik data SCG dalam arah x, tiga frame berturut-turut diperlukan untuk menghitung perpindahan setiap dua frame berturut-turut, seperti yang ditunjukkan Gambar 4a–e , yang akan digunakan untuk menghitung percepatan. Kemudian, filter high-pass Butterworth 0,5 Hz orde enam dan filter low-pass Butterworth 25 Hz orde enam diterapkan pada sinyal percepatan kulit untuk mengekstraksi sinyal SCG, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6i . Perhatikan bahwa perangkat kami sensitif terhadap gerakan translasi pada sumbu z dan gerakan rotasi pada sumbu y. Oleh karena itu, sinyal SCG yang direkam ini merupakan kombinasi dari sinyal SCG) dan girokardiogram (GCG).

Gambar 6i juga menunjukkan bentuk gelombang sinyal EKG yang direkonstruksi, yang meskipun tidak sepenuhnya sesuai dengan amplitudo sinyal EKG referensi yang terekam secara elektrik, namun berisi stempel waktu EKG penting dengan semua puncak karakteristik EKG, yang membawa informasi medis penting yang relevan tentang aktivitas jantung.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar S12 (Informasi Pendukung), pengukuran gerakan kulit yang sesuai dengan EKG yang diperoleh dari dada kiri tanpa bantuan OTS menunjukkan kualitas keseluruhan yang lebih rendah dan kurangnya konsistensi dan sinkronisasi dengan sinyal EKG yang diukur secara elektrik.

4.4 Keuntungan OTS
Untuk menunjukkan pentingnya penggunaan tato temporer sebagai lapisan reflektif konformal kulit untuk meningkatkan kualitas sinyal, film karet setebal 80µm yang merupakan permukaan reflektif nonkonformal yang lembut, dan film tembaga setebal 100µm yang merupakan permukaan reflektif nonkonformal yang kaku, ditempelkan pada rongga tengah cincin pemosisian dan digunakan sebagai pengganti tato untuk mengukur denyut nadi, EMG, SCG, dan sinyal EKG (Gambar S3 , Informasi Pendukung).

Gambar S4 (Informasi Pendukung) menunjukkan denyut nadi yang direkam yang diperoleh menggunakan OTS, karet, dan film tembaga. Denyut nadi yang direkam saat film karet digunakan sebagai lapisan pemantul menunjukkan saturasi selama fase diastol akhir setiap denyut nadi, yang disebabkan oleh pemisahan film dari permukaan kulit selama gerakan kulit ke bawah. Sebagai perbandingan, film tembaga yang digunakan sebagai lapisan pemantul memberikan sinyal yang sangat kecil dibandingkan dengan yang lain, karena kekakuannya yang tinggi dan ketidaksesuaiannya dengan kulit.

Ketika diuji di dada, dengan mengukur sinyal SCG, OTS menunjukkan keunggulan penting dibandingkan film karet dan tembaga. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar S5 (Informasi Pendukung), sinyal SCG frekuensi tinggi, yang mewakili bunyi jantung, tidak terekam dengan baik ketika film karet dan tembaga digunakan. Hal ini disebabkan oleh ketidaksesuaian impedansi akustik antara permukaan pemantul yang tidak konformal, yaitu tembaga dan karet serta kulit, yang dapat membahayakan kemampuan untuk merasakan sinyal frekuensi tinggi dan resolusi temporal tinggi, seperti yang juga ditunjukkan pada Gambar S6 (Informasi Pendukung).

Rekaman EKG menggunakan OTS, film tembaga, dan karet menunjukkan bahwa, karena kurangnya fitur frekuensi tinggi dari sinyal yang direkam menggunakan tembaga dan karet, saat sinyal gerakan yang direkam diumpankan ke jaringan kami untuk merekonstruksi sinyal EKG yang sesuai, hasilnya gagal atau menghasilkan sinyal yang tidak cocok seperti yang ditunjukkan pada Gambar S7 (Informasi Pendukung).

5. Kesimpulan
Kami mendemonstrasikan penerapan sistem penginderaan optik portabel (OTS) berbantuan tato temporer yang kami kembangkan untuk mengukur sinyal listrik dan kejadian fisiologis secara optik dengan mendeteksi gerakan kulit yang sesuai akibat kejadian tersebut. Tato temporer yang memantulkan/menyerap yang diaplikasikan pada kulit meningkatkan SNR sistem penginderaan gerakan bintik genggam kami, yang memungkinkan pengoperasian yang stabil pada kulit dan pengukuran akurat sinyal biologis yang dihasilkan di bawah kulit. Perekaman elektrokardiografi (EKG), elektromiografi (EMG), seismokardiografi (SCG), laju pernapasan, dan denyut nadi yang berhasil menunjukkan potensi sistem penginderaan tersebut untuk aplikasi yang lebih luas, terutama jika metode pemrosesan sinyal canggih, AI, dan algoritma pembelajaran mesin diterapkan. Dengan kemajuan lebih lanjut dari sensor dan sistem tato, kami yakin penginderaan jarak jauh optik dapat dicapai untuk merekam/mengindera berbagai jenis kejadian fisiologis dan elektrofisiologis yang menantang.