據國(guo)外科(ke)技媒(mei)體(ti)Tech Xplore報道，日本研(yan)究團(tuan)隊(dui)開(kai)發(fa)出了一種無(wu)線的、可(ke)穿(chuan)戴(dai)和靈活的心(xin)電圖監測器，而且能(neng)在App中顯示相(xiang)關(guan)數據。
這個日本研究團(tuan)隊(dui)從古老(lao)的(de)民間剪紙藝術(shu)得到(dao)靈感(gan)，開發了一種(zhong)傳感(gan)器(qi)，這個傳感(gan)器(qi)在收集心電圖(tu)數(shu)據的(de)同時還(huan)能與皮膚一起伸展。
今日，此研(yan)究成果于物理領(ling)域知名期刊《應用物理評(ping)論》上發表，題目為(wei)《無線(xian)、最小化、可拉伸和透氣的(de)心(xin)(xin)電(dian)圖傳感(gan)器(qi)系統（Wireless, minimized, stretchable, and breathable electrocardiogram sensor system）》，論文對(dui)器(qi)件設計和架構、透氣和可拉伸的(de)傳感(gan)器(qi)材料、心(xin)(xin)電(dian)圖測(ce)量法均作了介紹。
根據(ju)論(lun)文，日(ri)本研究員使用銀(yin)電極(ji)印制的(de)(de)聚(ju)對(dui)苯(ben)二甲酸乙二醇(chun)酯薄片(pian)（PET）作為傳感(gan)器(qi)材料，置于人(ren)的(de)(de)胸口上以監控(kong)其(qi)心(xin)率。
一、傳感器的棘手問題：與皮膚貼合性低
可穿戴設備(bei)被應(ying)用(yong)在監測(ce)(ce)身體(ti)健康上(shang)時，它能夠隨時收集各種類型的(de)(de)醫(yi)療數據。用(yong)于(yu)醫(yi)療健康的(de)(de)可穿戴設備(bei)可以提(ti)前識別或者預測(ce)(ce)疾病，正越來越多地保護(hu)人體(ti)健康。其中，心電圖的(de)(de)監測(ce)(ce)至(zhi)關重(zhong)要。
根(gen)據論文，心(xin)(xin)臟(zang)的(de)跳(tiao)動(dong)會引(yin)起皮膚(fu)間(jian)(jian)微(wei)弱(ruo)的(de)電(dian)變(bian)化，如果在心(xin)(xin)臟(zang)周(zhou)圍的(de)皮膚(fu)上(shang)放置兩個電(dian)極，就可(ke)以(yi)捕捉到由心(xin)(xin)跳(tiao)引(yin)起的(de)電(dian)位(wei)變(bian)化。通(tong)過分(fen)析這些電(dian)信號，用于心(xin)(xin)電(dian)圖監測的(de)可(ke)穿戴設備可(ke)以(yi)根(gen)據信號峰值的(de)時間(jian)(jian)間(jian)(jian)隔計算出(chu)心(xin)(xin)率（HR），從而診斷出(chu)特定的(de)心(xin)(xin)臟(zang)狀況，如心(xin)(xin)律失常等。
日常(chang)生活中(zhong)，能(neng)監測心(xin)電圖的可穿(chuan)戴設備若能(neng)連續、實(shi)時(shi)、方便(bian)且舒適地監測心(xin)電圖信號，它將是醫療保健領域(yu)的一大突(tu)破。過(guo)去，大多數設備通過(guo)使(shi)傳(chuan)感器(qi)變薄或者開(kai)發電極(ji)位置易變的器(qi)件(jian)，以(yi)追求(qiu)傳(chuan)感器(qi)和(he)皮(pi)膚間更高的貼合性(xing)。
但(dan)是在(zai)傳感器的(de)(de)實際應(ying)用中，若人們想(xiang)長時間佩戴設(she)備(bei)(bei)并且不會受出汗影響，研究人員就必須同時考慮設(she)備(bei)(bei)的(de)(de)尺寸及其透氣性。
過去的(de)(de)傳感器僅減(jian)小尺寸，雖然其佩戴性和(he)舒適(shi)性有(you)所增強，但(dan)在(zai)其導電凝膠和(he)皮膚(fu)之間會形成(cheng)高阻抗，導致(zhi)信噪比（S/N）水平降(jiang)低(di)。這樣(yang)的(de)(de)話，出現運(yun)動偽影(ying)（運(yun)動造(zao)成(cheng)的(de)(de)圖像(xiang)模糊）的(de)(de)可能性會增加。
二、反復使用1000次，傳感器薄膜仍保持粘附性
根據論文(wen)，由于PET能變形(xing)和彎曲，其薄(bo)(bo)膜可(ke)以拉伸，因此薄(bo)(bo)膜可(ke)以像(xiang)繃帶(dai)一樣跟隨皮膚和身體運動。在(zai)制造(zao)過程中用15W的CO2氣體激(ji)光器(qi)切割(ge)(ge)層壓的多層薄(bo)(bo)膜，可(ke)形(xing)成“kirigami”（剪紙(zhi)）結構。任何工具都可(ke)切割(ge)(ge)“kirigami”結構。而且“kirigami”結構在(zai)PET薄(bo)(bo)膜上(shang)有物理孔，皮膚可(ke)以很(hen)容易地通過這些孔呼吸。
“kirigami”結構(gou)的粘附性(xing)(xing)可以(yi)使(shi)(shi)傳(chuan)感器對皮(pi)膚的貼合更加(jia)完美。日本(ben)研(yan)究團隊在豬皮(pi)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(xing)(xing)，表明這種傳(chuan)感器結構(gou)可以(yi)反(fan)復(fu)使(shi)(shi)用(yong)。
為了研(yan)究透氣性，該團隊分別研(yan)究了復合醫用膠帶(dai)、雙面膠帶(dai)和PET薄膜的(de)蒸氣透過率（WVT）。結果證明，具有(you)“kirigami”結構的(de)薄膜表(biao)現出了卓(zhuo)越的(de)水蒸氣滲透性。這表(biao)明具有(you)“kirigami”結構的(de)傳感器具有(you)良好的(de)透氣性，可(ke)以用于長期的(de)心電圖監測。
▲“kirigami”結構(gou)
日本(ben)研究(jiu)(jiu)團隊開(kai)發(fa)的(de)心電(dian)(dian)圖(tu)測量系統，由(you)銀電(dian)(dian)極印刷(shua)的(de)PET薄(bo)膜(mo)、導電(dian)(dian)凝(ning)膠、帶電(dian)(dian)池的(de)無(wu)線(xian)電(dian)(dian)路系統組(zu)成。銀電(dian)(dian)極在(zai)拉伸情(qing)況下也足(zu)夠穩(wen)定。日本(ben)研究(jiu)(jiu)團隊做了300個(ge)拉伸周期，電(dian)(dian)阻的(de)變化范圍在(zai)-10%~10%，該(gai)變化對(dui)此研究(jiu)(jiu)來說是足(zu)夠穩(wen)定的(de)。
同時(shi)，日本研究團隊(dui)進(jin)行了(le)裝置演示，他們將最終的(de)傳感器通過(guo)連接(jie)器和帶電池的(de)電路(lu)系統相連。電路(lu)板(ban)可(ke)以實時(shi)記錄心(xin)電圖數據，這些(xie)結果可(ke)以通過(guo)藍牙傳輸到(dao)智(zhi)能手機的(de)App上。
此外(wai)，保持可(ke)穿(chuan)戴醫(yi)療設備的(de)(de)穩(wen)定性(xing)也是(shi)一個挑戰。該團隊(dui)的(de)(de)研究人(ren)員說(shuo)道：“他(ta)們知(zhi)道新機制或新材料的(de)(de)開發對可(ke)穿(chuan)戴醫(yi)療設備領域(yu)產生了更(geng)好的(de)(de)影響(xiang)。但是(shi)，如(ru)果不提高穩(wen)定性(xing)，即使(shi)傳(chuan)感器性(xing)能(neng)出色，也無法(fa)用(yong)于實際應用(yong)。”
三、下一步計劃：集成更多傳感器，建可穿戴醫療設備平臺
不論是人們(men)坐(zuo)在椅子上、走路或(huo)工作等多種日常活動，日本研(yan)究(jiu)團隊帶傳(chuan)(chuan)感器(qi)的設備(bei)都(dou)可以準(zhun)確地傳(chuan)(chuan)遞心臟數據。
來自大阪的作(zuo)者Kuniharu Takei稱，本次(ci)研究的主要挑(tiao)戰是在不使用銀電(dian)極和“kirigami”切割(ge)之間(jian)的精確對準過程(cheng)的情況下實(shi)現(xian)“kirigami”結構(gou)。“kirigami”結構(gou)透氣性強、粘附性強，非常適合用于心電(dian)圖監(jian)測便攜(xie)式設備。優化實(shi)現(xian)“kirigami”結構(gou)的方(fang)式將是該團隊的主要挑(tiao)戰。
此外，保持(chi)可穿(chuan)戴(dai)醫(yi)療設備(bei)的(de)(de)穩定性也(ye)是(shi)一(yi)個挑戰(zhan)。該團隊的(de)(de)研究人員說道(dao)：“他們知道(dao)新(xin)機制或新(xin)材料的(de)(de)開發對可穿(chuan)戴(dai)醫(yi)療設備(bei)領域(yu)產生了更好的(de)(de)影響。但是(shi)，如果不提高穩定性，即使傳感器(qi)性能(neng)出(chu)色，也(ye)無法用于(yu)實(shi)際應用。”
該小組接下來(lai)的(de)(de)目標是集(ji)成更多傳感器來(lai)收(shou)集(ji)來(lai)自(zi)皮膚表(biao)面的(de)(de)多種類型的(de)(de)數據，以幫助早期(qi)診斷疾病(bing)，包括未來(lai)的(de)(de)醫學試(shi)驗。
日(ri)本研(yan)究(jiu)人(ren)員相信，這(zhe)是個令人(ren)興奮的研(yan)究(jiu)領域，他們希望在(zai)后續研(yan)究(jiu)中通過傳(chuan)感(gan)器(qi)集成和數據(ju)分析關(guan)聯多(duo)個數據(ju)集，并結合其他傳(chuan)感(gan)器(qi)技術，建立一(yi)個可穿戴的醫療設備(bei)平(ping)臺。
結語：研究或有助于建立貼合人體醫療平臺
近年來，用于健康監測的智能可穿戴設(she)備因(yin)其便(bian)攜(xie)性(xing)風頭正盛。攻下心率、血(xue)壓、呼吸頻率、溫度、血(xue)氧(yang)等健康指(zhi)標是與醫療結合的可穿戴設(she)備的發(fa)展方向。
日本(ben)研(yan)究團隊開發了(le)更(geng)貼(tie)身(shen)的可(ke)穿(chuan)(chuan)戴(dai)設(she)(she)備，其透氣性、與皮(pi)膚間的貼(tie)合性更(geng)佳。若能集(ji)成更(geng)多(duo)傳感器(qi)，智能穿(chuan)(chuan)戴(dai)設(she)(she)備將能收集(ji)皮(pi)膚表面更(geng)多(duo)數據，或有(you)助(zhu)于建(jian)立可(ke)穿(chuan)(chuan)戴(dai)的醫療設(she)(she)備平臺。
