芯東西3月30日消息，今日，據國外科技媒體Tech Xplore報道，日本研究團隊開發出了一種無線的、可穿戴和靈活的心電圖監測器，而且能在App中顯示相關數據。這個日本研究團隊從古老的民間剪紙藝術得到靈感，開發了一種傳感器，這個傳感器在收集心電圖數據的同時還能與皮膚一起伸展。
編譯| 張昀
編輯| 高歌
今日，此研究成果於物理領域知名期刊《應用物理評論》上發表，題目為《無線、最小化、可拉伸和透氣的心電圖傳感器系統（Wireless, minimized, stretchable, and breathable electrocardiogram sensor system）》，論文對器件設計和架構、透氣和可拉伸的傳感器材料、心電圖測量法均作了介紹。
根據論文，日本研究員使用銀電極印製的聚對苯二甲酸乙二醇酯薄片（PET）作為傳感器材料，置於人的胸口上以監控其心率。
論文鏈接：https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0082863
一、傳感器的棘手問題：與皮膚貼合性低
可穿戴設備被應用在監測身體健康上時，它能夠隨時收集各種類型的醫療數據。用於醫療健康的可穿戴設備可以提前識別或者預測疾病，正越來越多地保護人體健康。其中，心電圖的監測至關重要。
根據論文，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，用於心電圖監測的可穿戴設備可以根據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，能監測心電圖的可穿戴設備若能連續、實時、方便且舒適地監測心電圖信號，它將是醫療保健領域的一大突破。過去，大多數設備通過使傳感器變薄或者開發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用中，若人們想長時間佩戴設備並且不會受出汗影響，研究人員就必須同時考慮設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，但在其導電凝膠和皮膚之間會形成高阻抗，導致信噪比（S/N）水平降低。這樣的話，出現運動偽影（運動造成的圖像模糊）的可能性會增加。
二、反覆使用1000次，傳感器薄膜仍保持粘附性
根據論文，由於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動。在製造過程中用15W的CO2氣體激光器切割層壓的多層薄膜，可形成“kirigami”（剪紙）結構。任何工具都可切割“kirigami”結構。而且“kirigami”結構在PET薄膜上有物理孔，皮膚可以很容易地通過這些孔呼吸。
“kirigami”結構的粘附性可以使傳感器對皮膚的貼合更加完美。日本研究團隊在豬皮上進行測試，將薄膜貼上和取下1000多次后，薄膜仍能保持粘附性，表明這種傳感器結構可以反覆使用。
為了研究透氣性，該團隊分別研究了複合醫用膠帶、雙面膠帶和PET薄膜的蒸氣透過率（WVT）。結果證明，具有“kirigami”結構的薄膜表現出了卓越的水蒸氣滲透性。這表明具有“kirigami”結構的傳感器具有良好的透氣性，可以用於長期的心電圖監測。
▲“kirigami”結構
日本研究團隊開發的心電圖測量系統，由銀電極印刷的PET薄膜、導電凝膠、帶電池的無線電路系統組成。銀電極在拉伸情況下也足夠穩定。日本研究團隊做了300個拉伸周期，電阻的變化範圍在-10%~10%，該變化對此研究來說是足夠穩定的。
同時，日本研究團隊進行了裝置演示，他們將最終的傳感器通過連接器和帶電池的電路系統相連。電路板可以實時記錄心電圖數據，這些結果可以通過藍牙傳輸到智能手機的App上。
為了在不降低信號質量的情況下盡量減少傳感器的尺寸，日本研究團隊需要對心電圖電極的尺寸和距離進行優化。該團隊發現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，以便在智能手機應用程序中使用。
三、下一步計劃：集成更多傳感器，建可穿戴醫療設備平台
不論是人們坐在椅子上、走路或工作等多種日常活動，日本研究團隊帶傳感器的設備都可以準確地傳遞心臟數據。
來自大阪的作者Kuniharu Takei稱，本次研究的主要挑戰是在不使用銀電極和“kirigami”切割之間的精確對準過程的情況下實現“kirigami”結構。“kirigami”結構透氣性強、粘附性強，非常適合用於心電圖監測便攜式設備。優化實現“kirigami”結構的方式將是該團隊的主要挑戰。
此外，保持可穿戴醫療設備的穩定性也是一個挑戰。該團隊的研究人員說道：“他們知道新機制或新材料的開發對可穿戴醫療設備領域產生了更好的影響。但是，如果不提高穩定性，即使傳感器性能出色，也無法用於實際應用。”
該小組接下來的目標是集成更多傳感器來收集來自皮膚表面的多種類型的數據，以幫助早期診斷疾病，包括未來的醫學試驗。
日本研究人員相信，這是個令人興奮的研究領域，他們希望在後續研究中通過傳感器集成和數據分析關聯多個數據集，並結合其他傳感器技術，建立一個可穿戴的醫療設備平台。
結語：研究或有助於建立貼合人體醫療平台
近年來，用於健康監測的智能可穿戴設備因其便攜性風頭正盛。攻下心率、血壓、呼吸頻率、溫度、血氧等健康指標是與醫療結合的可穿戴設備的發展方向。
日本研究團隊開發了更貼身的可穿戴設備，其透氣性、與皮膚間的貼合性更佳。若能集成更多傳感器，智能穿戴設備將能收集皮膚表面更多數據，或有助於建立可穿戴的醫療設備平台。