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(bào)道，日本研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種無線的、可穿戴和靈活的心電圖監(jiān)測(cè)器，而且能在App中顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。
這個(gè)日本研究團(tuán)隊(duì)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(gè)傳感器在收集心電圖數(shù)據(jù)的同時(shí)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(píng)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(duì)器件設(shè)計(jì)和架構(gòu)、透氣和可拉伸的傳感器材料、心電圖測(cè)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(duì)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(cè)身體健康上時(shí)，它能夠隨時(shí)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(shí)別或者預(yù)測(cè)疾病，正越來越多地保護(hù)人體健康。其中，心電圖的監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。
根據(jù)論文，心臟的跳動(dòng)會(huì)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(gè)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(hào)，用于心電圖監(jiān)測(cè)的可穿戴設(shè)備可以根據(jù)信號(hào)峰值的時(shí)間間隔計(jì)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(cè)心電圖的可穿戴設(shè)備若能連續(xù)、實(shí)時(shí)、方便且舒適地監(jiān)測(cè)心電圖信號(hào)，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(shí)際應(yīng)用中，若人們想長時(shí)間佩戴設(shè)備并且不會(huì)受出汗影響，研究人員就必須同時(shí)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(huì)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(dòng)偽影（運(yùn)動(dòng)造成的圖像模糊）的可能性會(huì)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(dòng)。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(duì)皮膚的貼合更加完美。日本研究團(tuán)隊(duì)在豬皮上進(jìn)行測(cè)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(duì)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(cè)。
日本研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的心電圖測(cè)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(duì)做了300個(gè)拉伸周期，電阻的變化范圍在-10%~10%，該變化對(duì)此研究來說是足夠穩(wěn)定的。
同時(shí)，日本研究團(tuán)隊(duì)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(shí)時(shí)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(hào)質(zhì)量的情況下盡量減少傳感器的尺寸，日本研究團(tuán)隊(duì)需要對(duì)心電圖電極的尺寸和距離進(jìn)行優(yōu)化。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)傳感器的最佳尺寸約為200mm2，此時(shí)電極之間的距離為1.5cm。在這個(gè)尺寸下，他們能夠檢測(cè)到足夠的來自心臟的信號(hào)，以便在智能手機(jī)應(yīng)用程序中使用。
三、下一步計(jì)劃：集成更多傳感器，建可穿戴醫(yī)療設(shè)備平臺(tái)
不論是人們坐在椅子上、走路或工作等多種日?；顒?dòng)，日本研究團(tuán)隊(duì)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(duì)準(zhǔn)過程的情況下實(shí)現(xiàn)“kirigami”結(jié)構(gòu)。“kirigami”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(cè)便攜式設(shè)備。優(yōu)化實(shí)現(xiàn)“kirigami”結(jié)構(gòu)的方式將是該團(tuán)隊(duì)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(gè)挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)的研究人員說道：“他們知道新機(jī)制或新材料的開發(fā)對(duì)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(shí)際應(yīng)用。”
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(yàn)。
日本研究人員相信，這是個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)集，并結(jié)合其他傳感器技術(shù)，建立一個(gè)可穿戴的醫(yī)療設(shè)備平臺(tái)。
結(jié)語：研究或有助于建立貼合人體醫(yī)療平臺(tái)
近年來，用于健康監(jiān)測(cè)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(duì)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(tái)。