当你的T恤可以监测心电活动

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· 9月1日

惊!T恤也有智能的了?

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当你的T恤可以监测心电活动

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图片来源@莱斯大学

图片来源@莱斯大学

文丨学术头条,作者丨朱哼哼,编审丨王新凯

近年来,随着可穿戴电子产品的迅速发展,越来越多的年轻人开始青睐智能可穿戴电子配件,例如智能手表、智能手环等设备。

在智能可穿戴电子设备所有功能中,最具有挑战性,最炫酷,也最受人们关注的,就是心电监测功能了。然而,由于智能可穿戴设备的刚性和便携性限制,目前的市面上的绝大多数智能可穿戴电子设备,都无法准确监测用户心电图,仅具有参考价值。

而像心率胸带这类可以较准确监测人体心电图的设备,由于舒适性较为欠缺,一般只有较为专业的人员才会使用。

那么,如何在保证心电图监测准确性的同时,又兼顾舒适性呢?柔性电子纺织品或许是一种更好的解决方案。

近日,来自美国莱斯大学化学系和 Smalley-Curl 研究所的化学和生物分子工程师 Matteo Pasquali 博士带领的研究团队,利用新型可水洗、可缝纫、全碳纳米纤维,成功缝纫出了一款智能心电图监测 T 恤。
图 | 研究人员展示可以持续监测穿着者心脏活动的 T 恤(来源:莱斯大学)

图 | 研究人员展示可以持续监测穿着者心脏活动的 T 恤(来源:莱斯大学)

这款 T 恤由普通纤维和碳纳米纤维创建的可缝纫电极以及信号传输线组成。这些电极纤维和信号传导线与标准的缝纫纤维一样柔软,但具有金属级别的导电性和低阻抗。

在实验中,研究人员证实,智能心电图监测 T 恤穿着舒适,在心电图检测的准确性上明显优于市面的商业医用心电监护设备,且反复洗衣机洗涤不会影响其性能。

对于这一研究结果,论文作者 Lauren W. Taylor 表示,“纳米碳纤维柔软灵活,利用之字形图案将其植入纺织物中可以随着 T 恤拉伸而不折断,可以与普通织物一样放入洗衣机洗涤。同时,这些纤维还能与用户的皮肤稳定接触,收集用户身体上的电信号,并将数据传输到智能收集或其他设备上。”

该研究以“Washable, Sewable, All-Carbon Electrodes and Signal Wires for Electronic Clothing”为题,发表在美国化学学会会刊 Nano Letter 杂志上。

动辄好几千的智能健康监测设备并没有我们想象中准确

随着健康意识的提升以及互联网医疗的迅速发展,人们一直幻想有一天能够发明一种便携式智能监测设备,可以实时监测用户的机体状况,提前发现潜在危险,预防疾病的发生或做好患者疾病管理。

然而长期以来,由于技术限制,智能检测设备的发展较为缓慢,目前的各种智能监测设备功能主要集中在心率监测、睡眠监测等方向。尤其是心率监测,更是各大智能设备生产商关注和推广的重点。
图 | 市面上常见的智能手表(来源:Pixabay)

图 | 市面上常见的智能手表(来源:Pixabay)

目前,市面上主流的心率测量技术有两种。

一种是光电测量技术:

其学名全称为光电容积脉搏波描记法(PhotoPlethysmoGraphy),简称 PPG。这是目前市面上智能心率监测设备,如智能手表、手环等最常使用的方法,佩戴方便、体验好。这一名称虽然看起非常复杂,但是原理其实很简单。

当光束照射到皮肤表面时,光束可以穿透皮肤,然后通过透射或反射方式传送到发光源旁边的光接收器。心脏收缩时,血管血流量增加,血液对光的吸收增加,仪器就会检测到光强度变小。相反,当心脏舒张时,仪器就会检测到光强度变大。通过光电信号转换,我们就可以得出心率参数了。

虽然,这一原理看起来很靠谱,很多厂家也宣称自己的智能设备测量很准确,但其实这只是理论上的数据。

实际应用过程中,光电模式智能心率设备的干扰因素非常多,例如,运动过程中,皮肤、肌肉的抖动,佩戴不严实时环境光线变化对测量的影响,不同肤色人群以及纹身对光线吸收的影响等等。

因此,即使随着技术的发展,光电智能心率监测设备,例如手表、手环等,虽然测量精度不断提升,但是依旧无法从根本上解决测量不准确的问题。
图 | 光电测量技术测心率(来源:9to5mac)

图 | 光电测量技术测心率(来源:9to5mac)

第二种技术就是心率带测量技术:

其利用的就是心电图原理,侦测人体心电信号。而心电图测心率是目前心率测量的金标准,因此心率带测量准确度较高。

心率带测量心率的原理也非常简单。心脏收缩舒张会伴随电活动,将这种电活动信号引出放大滤波就形成了心电信号,窦房结通过发放节律的电信号并且将这种电信号传遍心脏,从而控制心脏的搏动,所以说心脏收缩舒张活动本质上是受到心电信号的控制。

而心率带就是模拟医疗用的心电监护仪,通过胶皮电极收集心电信号,并且在电极正负极之间的一个回路,就可以准确得出患者心电图等信息,所以心率带本质就是测量心电信号。

其优点是较为精准,但缺点也很明显,那就是必须通过介质比如胶皮电极、电极片等等测量心率,且为了测量准确性,最好将心率带的胶皮电极佩戴在胸口附近,这就容易导致运动受到一定程度障碍,不适合长期使用。

可水洗、可缝纫全碳纳米纤维 T 恤,优于医疗级心电监护仪

智能可穿戴技术的发展对于消费者日常健康状况监测以及患者疾病跟踪随访非常重要,然而由于传统传感器和电极等刚性配件无法简单地集成到柔韧的纺织物中,因此目前绝大多数智能可穿戴设备都是刚性的,例如手表、胸带或者眼镜。

同时,由于技术限制,上述设备显示数据仅供参考,在医疗卫生领域用处十分有限。例如,目前市售的各种智能设备,仅仅提供心率参考信息,对于心脏传导障碍、心率失常等严重突发性疾病几乎没有价值。

此外,目前的医疗级心电图电极必须使用导电凝胶来降低皮肤和电极之间的电阻,使用困难。而商业医用电极需要强力粘合剂与皮肤接触。显然,这些方法均不适合无创性连续性心电监测设备。

为了解决这些问题,Matteo Pasquali 博士带领的研究团队试图从纳米碳纤维领域出发,寻找既准确又方便舒适的智能心电监测设备。

早在 2013 年的时候,Pasquali 博士实验室就推出了碳纳米管纤维材料,这些纤维由数百亿个碳纳米管组成,被广泛应用于心脏损伤修复、脑电接口、人工耳蜗植入物、柔性天线以及汽车和航空领域。

由于这种碳纳米管纤维具有高强度、高导电性、高组织相容性、低电阻、柔软且有弹性。因此,Pasquali 博士试图利用标准的缝纫方法将碳纳米管纤维集成到普通的纺织品,例如在 T 恤中创建可以用于无创和连续心电图监测的柔软、可穿戴智能心电监测设备。

为此,Pasquali 博士首先将碳纳米纤维制成的心电图检测电极和信号传导线纺织物,以创建可以在手腕佩戴的电极。随后,利用碳纳米纤维电极和商用医疗级 3M 电极进行心电图监测对比,结果发现二者输出心电图信号几乎完全一致,初步证明了碳纳米纤维电极的可行性。

随后,Pasquali 博士又模拟日常纺织品洗涤,将碳纳米纤维电极放在洗衣机中洗涤然后干燥,重复 10 次后,重新测试电极,发现其功能并没有退化。同时,Pasquali 博士还将碳纳米纤维拉长到最大应变水平,重复了 1000 次,然后测试电极功能,结果其功能依旧没有退化。
(来源:莱斯大学)

(来源:莱斯大学)

最后,Pasquali 博士将碳纳米纤维电极和传感器缝制在运动 T 恤中。碳纳米纤维电极缝在T恤内侧肋骨区域周围以便与皮肤接触,碳纳米纤维电极蓝牙发射器被缝在 T 恤外侧,将心电图数据发送至智能手机。

在一项盲法研究中,三位心脏病专家对智能心电监测 T 恤收集的心电图信号和商用医疗级 3M 电极收集的信号进行对比,结果发现这种T恤收集的信号甚至略优于 3M 电极。

这一研究结果表明,碳纳米纤维材料是可穿戴智能纺织设备的理想选择,不仅柔软、有弹性、可机洗,并且非常容易融入普通衣服或纺织物中,与普通的纺织线几乎没有差别。同时,碳纳米纤维材料可以轻松的将各种传统电子元件和传感器连接起来,为新型纺织电子健康监测设备的研究开辟了诸可能性。

未来,Pasquali 博士计划对碳纳米纤维微电子设备进行修改,进一步开发多种医疗级健康监测设备,对血压、呼吸等多种健康相关指标进行监测。

参考资料:
https://news.rice.edu/2021/08/30/smart-shirt-keeps-tabs-on-the-heart-2/
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c01039

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