柔性电子技术在心电监测领域的应用

经过多年的广泛发展,柔性压力传感器阵列已被广泛应用于人类保健和医疗诊断,例如检测血压,眼压和脉搏等重要健康指标。

这些传感器阵列具有超出人类感知的高分辨率和快速响应能力。特别是,通过将PDMS阵列与类似弹簧的可压缩平台一起使用,来制造可拉伸压力传感器。传感器的潜在用途已经通过测量血压得到了进一步证明,如下图。

用于心血管监测的一次性生物可降解压力传感器贴片,将压力传感器附接到受试者的颈动脉,记录动脉脉搏波和心电图(ECG)。如上图所示,图中已展示了配备有复合传感器和执行器的智能假体皮肤。该设备根据各种外部刺激,显示出局部的机械性皮肤感觉。此外,设备对脉搏波测量,声音振动以及人类活动带有集中压力传感器的设备也进行了监控。

上图中还显示了带有无线发射器的便携式传感器,该传感器能够测量源自颈部肌肉深处的颈内静脉产生的微弱信号。测试结果表明,该设备能够检测出从健康受试者中检索到的波形,并且可以快速诊断出心血管和心脏疾病。

现在,生物电信号已广泛用于监视医学诊断和人类活动。与人体相关的常规生物电信号包括心电图(ECG),脑电图(EEG),肌电图(EMG)和眼电图(EOG)。心电图信号分析是连续和非侵入性诊断各种心脏病和评估运动员生理适应性的最广泛使用的策略。

常规的ECG信号采集系统通常由多个生物电极组成,这些电极在其与人体皮肤之间的接触阻抗非常大。在过去的几年中,已经特别关注电极的改进,以获得更好的ECG信号。在此期间,新材料和新结构设计正在迅速发展。如下图所示,涂有镍/铜的导电泡沫降低了电极的表面电阻。

引入柔性干电极时,阻抗测量表明该电极具有较低的皮肤电极接触阻抗,如下图所示。

复合电极可用于长期ECG测量,这些电极由聚二甲基硅氧烷基底,银纳米线(AgNW)和粘合层组成,如下图所示。

功能化纺织品和石墨烯也已用于开发导电纺织品电极,以及生物信号采集,特别是在心脏监测中,如下图所示。与传统的电极相比,具有新的石墨烯包覆的纺织电极的装置,具有出色的协调性和一致性。

现还研发出了用于ECG测量的商用柔性电子设备,制作了一种表皮碳纳米管电子设备用以可靠地记录ECG信号。该设备的自粘电极即使在皱纹的皮肤上也能保持出色的接触,该电极还可用于记录各种其他生物电信号,且不会损坏皮肤。

尽管在制造柔性生物传感器方面取得了重大进展,但是丰富的化学信息却经常被忽略。研究人员推出了一种混合传感系统,该系统可同时实时监测乳酸盐和ECG信号。在有汗和无汗的情况下,心电信号差异很大。上图显示了心电图中的单个波,该波识别出各种峰值,测量结果显示出极好的可重复性和稳定性。现已通过使用柔性印刷电路板的方法,兼容的工艺流程,来制造可穿戴传感器贴片。

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