導 語
在《Applied Physics Reviews》上，研究人員提出了一種新型可穿戴心電圖貼片，旨在增強床旁診斷，檢測心血管疾病并幫助評估整體心臟健康狀況。該研究的重點在于利用有源干電極進行心電圖信號傳導的優勢，研究人員創造了一種緊湊、輕便、無凝膠的六角形心電圖貼片，并集成了無線藍牙模塊，以實現遙感與數據傳輸功能。
圖1.附著在皮膚上的可穿戴無線干電極心電圖設備示意圖。圖源來自論文。
1、研究背景
心血管疾病是全球主要的死亡原因之一，每年至少有兩千萬人經歷非致命性心臟病發作或中風。心電圖在心血管疾病的早期發現和持續治療中扮演著至關重要的角色。然而，用于測量心電圖信號的傳統電極(Ag/AgCl電極)通常含有導電凝膠，可能引起患者的不適和刺激，不利于長期心電信號的采集。相反，導電材料制作的干電極不使用導電凝膠，因此備受人們青睞，它更適合穩定的長期監測，并且可以提供用戶所需的舒適度。然而，將干電極傳感器應用于可穿戴心電圖監測設備中，涉及到材料、設計、制作工藝、成本等方面的許多值得商榷的問題。
2、研究概述
研究人員采用了150nm厚的金（Au)薄膜作為干電極材料，這種金屬具有化學惰性、高導電性和生物相容性的優勢，適用于各種生物過程。在這種厚度下，輕質電極具有良好的表面積和體積比，有助于采集心電信號。
圖2. 電極制造中使用的分步光刻工藝。圖源來自論文。
此外，研究人員比較了狹小空間內不同幾何形狀的電極對傳感器性能的影響。結果表明，六角形迷宮形狀的電極在保證信號質量的前提下，能夠覆蓋身體更大的面積區域，并最大限度地減少材料的消耗。
圖3. 心電圖電極設計的CAD布局：(a) 三角形迷宮、(b) Peano曲線、(c) 圓形迷宮、(d) 六角形迷宮、(e) 方形迷宮和 (f) Hilbert曲線。圖源來自論文。
市售的十二導聯心電圖作為標準對照，不同幾何形狀的電極構成的傳感器與之相比，六角形的電極對施加刺激的響應更加敏感，與標準十二導聯心電圖的信號更加密切相關。不僅如此，在皮膚阻抗（生物電電極設計中重要的參數，通常來說越低的皮膚阻抗，生物電信號的質量越高）的比較中，六角形的干電極在較低頻信號中比市售的Ag/AgCl濕電極具有更高的皮膚阻抗，但在較高頻信號中具有更低的皮膚阻抗。
除此之外，研究人員還對干電極心電圖傳感器的生物相容性和防水性能做了測試。在七天的貼身佩戴之后并沒有發現受試者皮膚刺激或過敏的現象。
圖4. 演示基于六角迷宮設計的 3 導聯心電圖傳感器，具有無線通信功能。圖源來自論文。
3、研究意義
便攜式心電圖貼片可以徹底改變遠程和門診醫療保健，甚至還可能應用于預防醫學。這種貼片非常輕便，可以無線傳輸數據，并且能夠準確識別異常狀態或突發的心臟疾病。無論是在臨床環境中使用，還是集成到日常服裝中作為可穿戴設備佩戴，它們都可以重新定義我們監測心臟健康的方式。
參考文獻：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
