基于新型幾何形狀優(yōu)化的可穿戴干電極心電圖貼片

導(dǎo) 語(yǔ)

在《Applied Physics Reviews》期刊上，研究人員提出了一種新型可穿戴心電圖貼片，旨在增強(qiáng)床旁診斷，檢測(cè)心血管疾病并幫助評(píng)估整體心臟健康狀況。該研究的重點(diǎn)在于利用有源干電極進(jìn)行心電圖信號(hào)傳導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)，研究人員創(chuàng)造了一種緊湊、輕便、無(wú)凝膠的六角形心電圖貼片，并集成了無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙模塊，以實(shí)現(xiàn)遙感與數(shù)據(jù)傳輸功能。

01 研究背景

心血管疾病是全球主要的死亡原因之一，每年至少有兩千萬(wàn)人經(jīng)歷非致命性心臟病發(fā)作或中風(fēng)。心電圖在心血管疾病的早期發(fā)現(xiàn)和持續(xù)治療中扮演著至關(guān)重要的角色。然而，用于測(cè)量心電圖信號(hào)的傳統(tǒng)電極（Ag/AgCl電極）通常含有導(dǎo)電凝膠，可能引起患者的不適和刺激，不利于長(zhǎng)期心電信號(hào)的采集。相反，導(dǎo)電材料制作的干電極不使用導(dǎo)電凝膠，因此備受人們青睞，它更適合穩(wěn)定的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并且可以提供用戶(hù)所需的舒適度。然而，將干電極傳感器應(yīng)用于可穿戴心電圖監(jiān)測(cè)設(shè)備中，涉及到材料、設(shè)計(jì)、制作工藝、成本等方面的許多值得商榷的問(wèn)題。

02 研究概述

研究人員采用了150nm厚的金（Au）薄膜作為干電極材料，這種金屬具有化學(xué)惰性、高導(dǎo)電性和生物相容性的優(yōu)勢(shì)，適用于各種生物過(guò)程。在這種厚度下，輕質(zhì)電極具有良好的表面積和體積比，有助于采集心電信號(hào)。

圖2 電極制造中使用的分步光刻工藝

此外，研究人員比較了狹小空間內(nèi)不同幾何形狀的電極對(duì)傳感器性能的影響。結(jié)果表明，六角形迷宮形狀的電極在保證信號(hào)質(zhì)量的前提下，能夠覆蓋身體更大的面積區(qū)域，并最大限度地減少材料的消耗。

圖3 心電圖電極設(shè)計(jì)的CAD布局：(a) 三角形迷宮、(b) Peano曲線(xiàn)、(c) 圓形迷宮、(d) 六角形迷宮、(e) 方形迷宮和 (f) Hilbert曲線(xiàn)。

市售的十二導(dǎo)聯(lián)心電圖作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照，不同幾何形狀的電極構(gòu)成的傳感器與之相比，六角形的電極對(duì)施加刺激的響應(yīng)更加敏感，與標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)心電圖的信號(hào)更加密切相關(guān)。不僅如此，在皮膚阻抗（生物電電極設(shè)計(jì)中重要的參數(shù)，通常來(lái)說(shuō)越低的皮膚阻抗，生物電信號(hào)的質(zhì)量越高）的比較中，六角形的干電極在較低頻信號(hào)中比市售的Ag/AgCl濕電極具有更高的皮膚阻抗，但在較高頻信號(hào)中具有更低的皮膚阻抗。 除此之外，研究人員還對(duì)干電極心電圖傳感器的生物相容性和防水性能做了測(cè)試。在七天的貼身佩戴之后并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)受試者皮膚刺激或過(guò)敏的現(xiàn)象。

圖4 演示基于六角迷宮設(shè)計(jì)的3導(dǎo)聯(lián)心電圖傳感器，具有無(wú)線(xiàn)通信功能。

03 研究意義

便攜式心電圖貼片可以徹底改變遠(yuǎn)程和門(mén)診醫(yī)療保健，甚至還可能應(yīng)用于預(yù)防醫(yī)學(xué)。這種貼片非常輕便，可以無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)，并且能夠準(zhǔn)確識(shí)別異常狀態(tài)或突發(fā)的心臟疾病。無(wú)論是在臨床環(huán)境中使用，還是集成到日常服裝中作為可穿戴設(shè)備佩戴，它們都可以重新定義我們監(jiān)測(cè)心臟健康的方式。

審核編輯：劉清