圖片來源@萊斯大學

文丨學術頭條，作者丨朱哼哼，編審丨王新凱

近年來，隨著可穿戴電子產品的迅速發展，越來越多的年輕人開始青睞智能可穿戴電子配件，例如智能手表、智能手環等設備。

在智能可穿戴電子設備所有功能中，最具有挑戰性，最炫酷，也最受人們關注的，就是心電監測功能了。然而，由于智能可穿戴設備的剛性和便攜性限制，目前的市面上的絕大多數智能可穿戴電子設備，都無法準確監測用戶心電圖，僅具有參考價值。

而像心率胸帶這類可以較準確監測人體心電圖的設備，由于舒適性較為欠缺，一般只有較為專業的人員才會使用。

那么，如何在保證心電圖監測準確性的同時，又兼顧舒適性呢？柔性電子紡織品或許是一種更好的解決方案。

近日，來自美國萊斯大學化學系和 Smalley-Curl 研究所的化學和生物分子工程師 Matteo Pasquali 博士帶領的研究團隊，利用新型可水洗、可縫紉、全碳納米纖維，成功縫紉出了一款智能心電圖監測 T 恤。

圖 | 研究人員展示可以持續監測穿著者心臟活動的 T 恤（來源：萊斯大學）

這款 T 恤由普通纖維和碳納米纖維創建的可縫紉電極以及信號傳輸線組成。這些電極纖維和信號傳導線與標準的縫紉纖維一樣柔軟，但具有金屬級別的導電性和低阻抗。

在實驗中，研究人員證實，智能心電圖監測 T 恤穿著舒適，在心電圖檢測的準確性上明顯優于市面的商業醫用心電監護設備，且反復洗衣機洗滌不會影響其性能。

對于這一研究結果，論文作者 Lauren W. Taylor 表示，“納米碳纖維柔軟靈活，利用之字形圖案將其植入紡織物中可以隨著 T 恤拉伸而不折斷，可以與普通織物一樣放入洗衣機洗滌。同時，這些纖維還能與用戶的皮膚穩定接觸，收集用戶身體上的電信號，并將數據傳輸到智能收集或其他設備上。”

該研究以“Washable, Sewable, All-Carbon Electrodes and Signal Wires for Electronic Clothing”為題，發表在美國化學學會會刊 Nano Letter 雜志上。

動輒好幾千的智能健康監測設備并沒有我們想象中準確

隨著健康意識的提升以及互聯網醫療的迅速發展，人們一直幻想有一天能夠發明一種便攜式智能監測設備，可以實時監測用戶的機體狀況，提前發現潛在危險，預防疾病的發生或做好患者疾病管理。

然而長期以來，由于技術限制，智能檢測設備的發展較為緩慢，目前的各種智能監測設備功能主要集中在心率監測、睡眠監測等方向。尤其是心率監測，更是各大智能設備生產商關注和推廣的重點。

圖 | 市面上常見的智能手表（來源：Pixabay）

目前，市面上主流的心率測量技術有兩種。

一種是光電測量技術：

其學名全稱為光電容積脈搏波描記法（PhotoPlethysmoGraphy），簡稱 PPG。這是目前市面上智能心率監測設備，如智能手表、手環等最常使用的方法，佩戴方便、體驗好。這一名稱雖然看起非常復雜，但是原理其實很簡單。

當光束照射到皮膚表面時，光束可以穿透皮膚，然后通過透射或反射方式傳送到發光源旁邊的光接收器。心臟收縮時，血管血流量增加，血液對光的吸收增加，儀器就會檢測到光強度變小。相反，當心臟舒張時，儀器就會檢測到光強度變大。通過光電信號轉換，我們就可以得出心率參數了。

雖然，這一原理看起來很靠譜，很多廠家也宣稱自己的智能設備測量很準確，但其實這只是理論上的數據。

實際應用過程中，光電模式智能心率設備的干擾因素非常多，例如，運動過程中，皮膚、肌肉的抖動，佩戴不嚴實時環境光線變化對測量的影響，不同膚色人群以及紋身對光線吸收的影響等等。

因此，即使隨著技術的發展，光電智能心率監測設備，例如手表、手環等，雖然測量精度不斷提升，但是依舊無法從根本上解決測量不準確的問題。

圖 | 光電測量技術測心率（來源：9to5mac）

第二種技術就是心率帶測量技術：

其利用的就是心電圖原理，偵測人體心電信號。而心電圖測心率是目前心率測量的金標準，因此心率帶測量準確度較高。

心率帶測量心率的原理也非常簡單。心臟收縮舒張會伴隨電活動，將這種電活動信號引出放大濾波就形成了心電信號，竇房結通過發放節律的電信號并且將這種電信號傳遍心臟，從而控制心臟的搏動，所以說心臟收縮舒張活動本質上是受到心電信號的控制。

而心率帶就是模擬醫療用的心電監護儀，通過膠皮電極收集心電信號，并且在電極正負極之間的一個回路，就可以準確得出患者心電圖等信息，所以心率帶本質就是測量心電信號。

其優點是較為精準，但缺點也很明顯，那就是必須通過介質比如膠皮電極、電極片等等測量心率，且為了測量準確性，最好將心率帶的膠皮電極佩戴在胸口附近，這就容易導致運動受到一定程度障礙，不適合長期使用。

可水洗、可縫紉全碳納米纖維 T 恤，優于醫療級心電監護儀

智能可穿戴技術的發展對于消費者日常健康狀況監測以及患者疾病跟蹤隨訪非常重要，然而由于傳統傳感器和電極等剛性配件無法簡單地集成到柔韌的紡織物中，因此目前絕大多數智能可穿戴設備都是剛性的，例如手表、胸帶或者眼鏡。

同時，由于技術限制，上述設備顯示數據僅供參考，在醫療衛生領域用處十分有限。例如，目前市售的各種智能設備，僅僅提供心率參考信息，對于心臟傳導障礙、心率失常等嚴重突發性疾病幾乎沒有價值。

此外，目前的醫療級心電圖電極必須使用導電凝膠來降低皮膚和電極之間的電阻，使用困難。而商業醫用電極需要強力粘合劑與皮膚接觸。顯然，這些方法均不適合無創性連續性心電監測設備。

為了解決這些問題，Matteo Pasquali 博士帶領的研究團隊試圖從納米碳纖維領域出發，尋找既準確又方便舒適的智能心電監測設備。

早在 2013 年的時候，Pasquali 博士實驗室就推出了碳納米管纖維材料，這些纖維由數百億個碳納米管組成，被廣泛應用于心臟損傷修復、腦電接口、人工耳蝸植入物、柔性天線以及汽車和航空領域。

由于這種碳納米管纖維具有高強度、高導電性、高組織相容性、低電阻、柔軟且有彈性。因此，Pasquali 博士試圖利用標準的縫紉方法將碳納米管纖維集成到普通的紡織品，例如在 T 恤中創建可以用于無創和連續心電圖監測的柔軟、可穿戴智能心電監測設備。

為此，Pasquali 博士首先將碳納米纖維制成的心電圖檢測電極和信號傳導線紡織物，以創建可以在手腕佩戴的電極。隨后，利用碳納米纖維電極和商用醫療級 3M 電極進行心電圖監測對比，結果發現二者輸出心電圖信號幾乎完全一致，初步證明了碳納米纖維電極的可行性。

隨后，Pasquali 博士又模擬日常紡織品洗滌，將碳納米纖維電極放在洗衣機中洗滌然后干燥，重復 10 次后，重新測試電極，發現其功能并沒有退化。同時，Pasquali 博士還將碳納米纖維拉長到最大應變水平，重復了 1000 次，然后測試電極功能，結果其功能依舊沒有退化。

（來源：萊斯大學）

最后，Pasquali 博士將碳納米纖維電極和傳感器縫制在運動 T 恤中。碳納米纖維電極縫在T恤內側肋骨區域周圍以便與皮膚接觸，碳納米纖維電極藍牙發射器被縫在 T 恤外側，將心電圖數據發送至智能手機。

在一項盲法研究中，三位心臟病專家對智能心電監測 T 恤收集的心電圖信號和商用醫療級 3M 電極收集的信號進行對比，結果發現這種T恤收集的信號甚至略優于 3M 電極。

這一研究結果表明，碳納米纖維材料是可穿戴智能紡織設備的理想選擇，不僅柔軟、有彈性、可機洗，并且非常容易融入普通衣服或紡織物中，與普通的紡織線幾乎沒有差別。同時，碳納米纖維材料可以輕松的將各種傳統電子元件和傳感器連接起來，為新型紡織電子健康監測設備的研究開辟了諸可能性。

未來，Pasquali 博士計劃對碳納米纖維微電子設備進行修改，進一步開發多種醫療級健康監測設備，對血壓、呼吸等多種健康相關指標進行監測。

參考資料：
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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