想象一下:監(jiān)測(cè)心臟健康就像呼吸一樣自然,無(wú)需任何束縛與不適。這不是科幻場(chǎng)景—— 無(wú)運(yùn)動(dòng)束縛動(dòng)態(tài)12導(dǎo)聯(lián)心電系統(tǒng)(MU-DCG)已將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)!
心血管疾病是全球范圍內(nèi)導(dǎo)致人類死亡的首要原因。心電圖(ECG)在心血管疾病的預(yù)防、診斷和預(yù)后中起著至關(guān)重要的作用。然而,目前缺乏用戶友好且高精度的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)12導(dǎo)聯(lián)心電圖監(jiān)測(cè)設(shè)備,導(dǎo)致心血管風(fēng)險(xiǎn)篩查和評(píng)估難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模普及與常態(tài)化應(yīng)用,進(jìn)而加劇了因病情惡化患者增多而引發(fā)的醫(yī)療資源緊張問(wèn)題。
為了實(shí)現(xiàn)日常態(tài)長(zhǎng)期心電智能監(jiān)測(cè),針對(duì)傳統(tǒng)12導(dǎo)聯(lián)心電設(shè)備佩戴不適、運(yùn)動(dòng)干擾以及續(xù)航不足三大問(wèn)題,清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種無(wú)運(yùn)動(dòng)束縛動(dòng)態(tài)12導(dǎo)聯(lián)心電系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了無(wú)感佩戴、有效抑制運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)以及低功耗原位實(shí)時(shí)信號(hào)處理的優(yōu)勢(shì)集成。該研究以題為“基于無(wú)感化電子的運(yùn)動(dòng)非束縛動(dòng)態(tài)心電系統(tǒng)”(Motion-unrestricted dynamic electrocardiogram system utilizing imperceptible electronics)發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)上,這一成果也是研究團(tuán)隊(duì)在紋身式電子皮膚領(lǐng)域的最新突破,為可穿戴醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展提供了新思路。
如圖1a所示,MU-DCG系統(tǒng)類似一位持續(xù)監(jiān)測(cè)心臟健康的“隱形醫(yī)生”,如影隨形卻又不影響用戶日常生活。MU-DCG系統(tǒng)結(jié)合了貼合皮膚的柔性電子技術(shù)以及先進(jìn)的邊緣AI加速硬件與軟件技術(shù)。如圖1b所示,MU-DCG分為貼附于皮膚的軟模塊(On-skin leads&electrodes)和外置硬模塊(AI module)。其中,皮膚上的軟模塊所包含的柔性電子器件具有優(yōu)異的皮膚適配性,其厚度小于50 μm (約等于人發(fā)絲直徑),可拉伸性超過(guò)50%,同時(shí)具備良好的粘附性和透氣性。外置硬模塊包含了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和傳輸所需的計(jì)算單元、無(wú)線通信模塊以及電池等組件,并封裝于時(shí)尚的吊墜式外殼中。此外,為了便于皮膚組裝,MU-DCG系統(tǒng)采用壓力激活式柔性皮膚插座(Skin socket),可以在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中穩(wěn)定連接軟模塊和硬模塊(圖2展示了實(shí)際佩戴效果,圖3呈現(xiàn)了動(dòng)態(tài)心電采集過(guò)程)。
圖1 | (a)MU-DCG系統(tǒng)類似一位持續(xù)監(jiān)測(cè)心臟健康的“隱形醫(yī)生”,實(shí)現(xiàn)無(wú)感佩戴、抗運(yùn)動(dòng)偽影以及低功耗原位實(shí)時(shí)信號(hào)處理的優(yōu)勢(shì)集成;(b)MU-DCG系統(tǒng)的實(shí)物照片和結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 | MU-DCG系統(tǒng)的使用演示
圖3 | MU-DCG系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)采集演示
MU-DCG的超舒適性(近乎無(wú)感佩戴)、卓越的抗運(yùn)動(dòng)偽影性能以及高效的邊緣AI低功耗計(jì)算使得它有望革新傳統(tǒng)心電采集方式。如圖4所示,用戶佩戴體驗(yàn)報(bào)告(a)、心血管專家盲法評(píng)估(b)以及功耗測(cè)試結(jié)果(c)分別證明了MU-DCG具有卓越的用戶友好性(不舒適性評(píng)分最低,僅0.55)、優(yōu)異的信號(hào)采集質(zhì)量(信噪比提升超5 dB)以及顯著低功耗優(yōu)勢(shì)(工作電流較對(duì)照組降低90%)。圖3d進(jìn)一步對(duì)比了MU-DCG與醫(yī)用Holter的抗運(yùn)動(dòng)干擾能力,結(jié)果凸顯其性能優(yōu)勢(shì)。
圖4 |(a)用戶佩戴體驗(yàn)報(bào)告打分統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖;(b)心血管專家盲法評(píng)分對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖;(c)功耗對(duì)比測(cè)試結(jié)果圖;(d)從靜止到慢跑過(guò)程中,MU-DCG和Holter采集心電信號(hào)的變化對(duì)比圖。
綜上所述,MU-DCG提供了卓越的舒適性、準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期可穿戴性,能夠在日;顒(dòng)中實(shí)現(xiàn)不受運(yùn)動(dòng)限制的持續(xù)心電監(jiān)測(cè),從而提升醫(yī)療診斷和研究水平。此外,該系統(tǒng)開(kāi)創(chuàng)性的人機(jī)融合策略,為開(kāi)發(fā)適應(yīng)不同環(huán)境的個(gè)性化持續(xù)健康監(jiān)測(cè)方案提供了新的技術(shù)路徑。
清華大學(xué)集成電路學(xué)院2021級(jí)博士生李鼎、2019級(jí)博士生崔天睿、2022級(jí)碩士生邵萬(wàn)成以及電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院2022級(jí)博士生劉嘉豪為本文共同第一作者,清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授、楊軼副教授,北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心劉厚方副研究員,以及電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院周軍教授為本文共同通訊作者。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、北京市自然基金委、清華大學(xué)國(guó)強(qiáng)研究院、北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心等的支持。
近年來(lái),任天令團(tuán)隊(duì)致力于柔性可穿戴智能器件芯片研究,探索面向元宇宙和醫(yī)療健康的新型感知技術(shù),在石墨烯聲學(xué)器件和多功能傳感器領(lǐng)域取得多項(xiàng)創(chuàng)新突破。相關(guān)成果已在《自然》(Nature)、《自然·電子》(Nature Electronics)、《自然·通訊》(Nature Communications)等頂級(jí)期刊,以及國(guó)際電子器件會(huì)議(IEDM)等權(quán)威學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表。
原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-025-58390-5
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