編譯|芯東西 張昀

編輯|高歌

芯東西3月30日消息，今日，據(jù)國外科技媒體Tech Xplore報道，日本研究團(tuán)隊開發(fā)出了一種無線的、可穿戴和靈活的心電圖監(jiān)測器，而且能在App中顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。

這個日本研究團(tuán)隊從古老的民間剪紙藝術(shù)得到靈感，開發(fā)了一種傳感器，這個傳感器在收集心電圖數(shù)據(jù)的同時還能與皮膚一起伸展。

今日，此研究成果于物理領(lǐng)域知名期刊《應(yīng)用物理評論》上發(fā)表，題目為《無線、最小化、可拉伸和透氣的心電圖傳感器系統(tǒng)（Wireless, minimized, stretchable, and breathable electrocardiogram sensor system）》，論文對器件設(shè)計和架構(gòu)、透氣和可拉伸的傳感器材料、心電圖測量法均作了介紹。

根據(jù)論文，日本研究員使用銀電極印制的聚對苯二甲酸乙二醇酯薄片（PET）作為傳感器材料，置于人的胸口上以監(jiān)控其心率。

一、傳感器的棘手問題：與皮膚貼合性低

可穿戴設(shè)備被應(yīng)用在監(jiān)測身體健康上時，它能夠隨時收集各種類型的醫(yī)療數(shù)據(jù)。用于醫(yī)療健康的可穿戴設(shè)備可以提前識別或者預(yù)測疾病，正越來越多地保護(hù)人體健康。其中，心電圖的監(jiān)測至關(guān)重要。

根據(jù)論文，心臟的跳動會引起皮膚間微弱的電變化，如果在心臟周圍的皮膚上放置兩個電極，就可以捕捉到由心跳引起的電位變化。通過分析這些電信號，用于心電圖監(jiān)測的可穿戴設(shè)備可以根據(jù)信號峰值的時間間隔計算出心率（HR），從而診斷出特定的心臟狀況，如心律失常等。

日常生活中，能監(jiān)測心電圖的可穿戴設(shè)備若能連續(xù)、實時、方便且舒適地監(jiān)測心電圖信號，它將是醫(yī)療保健領(lǐng)域的一大突破。過去，大多數(shù)設(shè)備通過使傳感器變薄或者開發(fā)電極位置易變的器件，以追求傳感器和皮膚間更高的貼合性。

但是在傳感器的實際應(yīng)用中，若人們想長時間佩戴設(shè)備并且不會受出汗影響，研究人員就必須同時考慮設(shè)備的尺寸及其透氣性。

過去的傳感器僅減小尺寸，雖然其佩戴性和舒適性有所增強(qiáng)，但在其導(dǎo)電凝膠和皮膚之間會形成高阻抗，導(dǎo)致信噪比（S/N）水平降低。這樣的話，出現(xiàn)運(yùn)動偽影（運(yùn)動造成的圖像模糊）的可能性會增加。

二、反復(fù)使用1000次，傳感器薄膜仍保持粘附性

根據(jù)論文，由于PET能變形和彎曲，其薄膜可以拉伸，因此薄膜可以像繃帶一樣跟隨皮膚和身體運(yùn)動。在制造過程中用15W的CO2氣體激光器切割層壓的多層薄膜，可形成“kirigami”（剪紙）結(jié)構(gòu)。任何工具都可切割“kirigami”結(jié)構(gòu)。而且“kirigami”結(jié)構(gòu)在PET薄膜上有物理孔，皮膚可以很容易地通過這些孔呼吸。

“kirigami”結(jié)構(gòu)的粘附性可以使傳感器對皮膚的貼合更加完美。日本研究團(tuán)隊在豬皮上進(jìn)行測試，將薄膜貼上和取下1000多次后，薄膜仍能保持粘附性，表明這種傳感器結(jié)構(gòu)可以反復(fù)使用。

為了研究透氣性，該團(tuán)隊分別研究了復(fù)合醫(yī)用膠帶、雙面膠帶和PET薄膜的蒸氣透過率（WVT）。結(jié)果證明，具有“kirigami”結(jié)構(gòu)的薄膜表現(xiàn)出了卓越的水蒸氣滲透性。這表明具有“kirigami”結(jié)構(gòu)的傳感器具有良好的透氣性，可以用于長期的心電圖監(jiān)測。

日本研究團(tuán)隊開發(fā)的心電圖測量系統(tǒng)，由銀電極印刷的PET薄膜、導(dǎo)電凝膠、帶電池的無線電路系統(tǒng)組成。銀電極在拉伸情況下也足夠穩(wěn)定。日本研究團(tuán)隊做了300個拉伸周期，電阻的變化范圍在-10%~10%，該變化對此研究來說是足夠穩(wěn)定的。

同時，日本研究團(tuán)隊進(jìn)行了裝置演示，他們將最終的傳感器通過連接器和帶電池的電路系統(tǒng)相連。電路板可以實時記錄心電圖數(shù)據(jù)，這些結(jié)果可以通過藍(lán)牙傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)的App上。

為了在不降低信號質(zhì)量的情況下盡量減少傳感器的尺寸，日本研究團(tuán)隊需要對心電圖電極的尺寸和距離進(jìn)行優(yōu)化。該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)傳感器的最佳尺寸約為200mm2，此時電極之間的距離為1.5cm。在這個尺寸下，他們能夠檢測到足夠的來自心臟的信號，以便在智能手機(jī)應(yīng)用程序中使用。

三、下一步計劃：集成更多傳感器，建可穿戴醫(yī)療設(shè)備平臺

不論是人們坐在椅子上、走路或工作等多種日?；顒樱毡狙芯繄F(tuán)隊帶傳感器的設(shè)備都可以準(zhǔn)確地傳遞心臟數(shù)據(jù)。

來自大阪的作者Kuniharu Takei稱，本次研究的主要挑戰(zhàn)是在不使用銀電極和“kirigami”切割之間的精確對準(zhǔn)過程的情況下實現(xiàn)“kirigami”結(jié)構(gòu)?！発irigami”結(jié)構(gòu)透氣性強(qiáng)、粘附性強(qiáng)，非常適合用于心電圖監(jiān)測便攜式設(shè)備。優(yōu)化實現(xiàn)“kirigami”結(jié)構(gòu)的方式將是該團(tuán)隊的主要挑戰(zhàn)。

此外，保持可穿戴醫(yī)療設(shè)備的穩(wěn)定性也是一個挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊的研究人員說道：“他們知道新機(jī)制或新材料的開發(fā)對可穿戴醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域產(chǎn)生了更好的影響。但是，如果不提高穩(wěn)定性，即使傳感器性能出色，也無法用于實際應(yīng)用?！?/p>

該小組接下來的目標(biāo)是集成更多傳感器來收集來自皮膚表面的多種類型的數(shù)據(jù)，以幫助早期診斷疾病，包括未來的醫(yī)學(xué)試驗。

日本研究人員相信，這是個令人興奮的研究領(lǐng)域，他們希望在后續(xù)研究中通過傳感器集成和數(shù)據(jù)分析關(guān)聯(lián)多個數(shù)據(jù)集，并結(jié)合其他傳感器技術(shù)，建立一個可穿戴的醫(yī)療設(shè)備平臺。

結(jié)語：研究或有助于建立貼合人體醫(yī)療平臺

近年來，用于健康監(jiān)測的智能可穿戴設(shè)備因其便攜性風(fēng)頭正盛。攻下心率、血壓、呼吸頻率、溫度、血氧等健康指標(biāo)是與醫(yī)療結(jié)合的可穿戴設(shè)備的發(fā)展方向。

日本研究團(tuán)隊開發(fā)了更貼身的可穿戴設(shè)備，其透氣性、與皮膚間的貼合性更佳。若能集成更多傳感器，智能穿戴設(shè)備將能收集皮膚表面更多數(shù)據(jù)，或有助于建立可穿戴的醫(yī)療設(shè)備平臺。