缝在衣服上的心电图传感器：基于新型几何形状优化的可穿戴干电极心电图贴片

MEMS 2023-12-13 00:01

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图1 附着在皮肤上的可穿戴无线干电极心电图装置示意图

导语

在《Applied Physics Reviews》期刊上，研究人员提出了一种新型可穿戴心电图贴片，旨在增强床旁诊断，检测心血管疾病并帮助评估整体心脏健康状况。该研究的重点在于利用有源干电极进行心电图信号传导的优势，研究人员创造了一种紧凑、轻便、无凝胶的六角形心电图贴片，并集成了无线蓝牙模块，以实现遥感与数据传输功能。

研究背景

心血管疾病是全球主要的死亡原因之一，每年至少有两千万人经历非致命性心脏病发作或中风。心电图在心血管疾病的早期发现和持续治疗中扮演着至关重要的角色。然而，用于测量心电图信号的传统电极（Ag/AgCl电极）通常含有导电凝胶，可能引起患者的不适和刺激，不利于长期心电信号的采集。相反，导电材料制作的干电极不使用导电凝胶，因此备受人们青睐，它更适合稳定的长期监测，并且可以提供用户所需的舒适度。然而，将干电极传感器应用于可穿戴心电图监测设备中，涉及到材料、设计、制作工艺、成本等方面的许多值得商榷的问题。

研究概述

研究人员采用了150nm厚的金（Au）薄膜作为干电极材料，这种金属具有化学惰性、高导电性和生物相容性的优势，适用于各种生物过程。在这种厚度下，轻质电极具有良好的表面积和体积比，有助于采集心电信号。

图2 电极制造中使用的分步光刻工艺

此外，研究人员比较了狭小空间内不同几何形状的电极对传感器性能的影响。结果表明，六角形迷宫形状的电极在保证信号质量的前提下，能够覆盖身体更大的面积区域，并最大限度地减少材料的消耗。

图3 心电图电极设计的CAD布局：(a) 三角形迷宫、(b) Peano曲线、(c) 圆形迷宫、(d) 六角形迷宫、(e) 方形迷宫和 (f) Hilbert曲线。

市售的十二导联心电图作为标准对照，不同几何形状的电极构成的传感器与之相比，六角形的电极对施加刺激的响应更加敏感，与标准十二导联心电图的信号更加密切相关。不仅如此，在皮肤阻抗（生物电电极设计中重要的参数，通常来说越低的皮肤阻抗，生物电信号的质量越高）的比较中，六角形的干电极在较低频信号中比市售的Ag/AgCl湿电极具有更高的皮肤阻抗，但在较高频信号中具有更低的皮肤阻抗。

除此之外，研究人员还对干电极心电图传感器的生物相容性和防水性能做了测试。在七天的贴身佩戴之后并没有发现受试者皮肤刺激或过敏的现象。

图4 演示基于六角迷宫设计的3导联心电图传感器，具有无线通信功能。

研究意义

便携式心电图贴片可以彻底改变远程和门诊医疗保健，甚至还可能应用于预防医学。这种贴片非常轻便，可以无线传输数据，并且能够准确识别异常状态或突发的心脏疾病。无论是在临床环境中使用，还是集成到日常服装中作为可穿戴设备佩戴，它们都可以重新定义我们监测心脏健康的方式。

参考文献：Elango, P. F. M., Dhanabalan, S. S., Robel, M. R., Elango, S. P., Walia, S., Sriram, S., & Bhaskaran, M. (2023). Dry electrode geometry optimization for wearable ECG devices. Applied Physics Reviews, 10(4), 041408. https://doi.org/10.1063/5.0152554

延伸阅读：
《可穿戴传感器技术及市场-2022版》
《可穿戴技术及市场-2023版》
《柔性混合电子（FHE）技术及市场-2023版》
《电子织物和智能服饰技术及市场-2023版》