當(dāng)你的T恤可以監(jiān)測(cè)心電活動(dòng)
圖片來源@萊斯大學(xué)
文丨學(xué)術(shù)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(chǎn)品的迅速發(fā)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(huán)等設(shè)備。
在智能可穿戴電子設(shè)備所有功能中，最具有挑戰(zhàn)性，最炫酷，也最受人們關(guān)注的，就是心電監(jiān)測(cè)功能了。然而，由于智能可穿戴設(shè)備的剛性和便攜性限制，目前的市面上的絕大多數(shù)智能可穿戴電子設(shè)備，都無法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)用戶心電圖，僅具有參考價(jià)值。
而像心率胸帶這類可以較準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)人體心電圖的設(shè)備，由于舒適性較為欠缺，一般只有較為專業(yè)的人員才會(huì)使用。
那么，如何在保證心電圖監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性的同時(shí)，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(guó)萊斯大學(xué)化學(xué)系和 Smalley-Curl 研究所的化學(xué)和生物分子工程師 Matteo Pasquali 博士帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，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(jiān)測(cè) T 恤。
圖 | 研究人員展示可以持續(xù)監(jiān)測(cè)穿著者心臟活動(dòng)的 T 恤（來源：萊斯大學(xué)）
這款 T 恤由普通纖維和碳納米纖維創(chuàng)建的可縫紉電極以及信號(hào)傳輸線組成。這些電極纖維和信號(hào)傳導(dǎo)線與標(biāo)準(zhǔn)的縫紉纖維一樣柔軟，但具有金屬級(jí)別的導(dǎo)電性和低阻抗。
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員證實(shí)，智能心電圖監(jiān)測(cè) T 恤穿著舒適，在心電圖檢測(cè)的準(zhǔn)確性上明顯優(yōu)于市面的商業(yè)醫(yī)用心電監(jiān)護(hù)設(shè)備，且反復(fù)洗衣機(jī)洗滌不會(huì)影響其性能。
對(duì)于這一研究結(jié)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(jī)洗滌。同時(shí)，這些纖維還能與用戶的皮膚穩(wěn)定接觸，收集用戶身體上的電信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁占蚱渌O(shè)備上?！?/strong>
該研究以“Washable, Sewable, All-Carbon Electrodes and Signal Wires for Electronic Clothing”為題，發(fā)表在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)刊 Nano Letter 雜志上。
動(dòng)輒好幾千的智能健康監(jiān)測(cè)設(shè)備并沒有我們想象中準(zhǔn)確
隨著健康意識(shí)的提升以及互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療的迅速發(fā)展，人們一直幻想有一天能夠發(fā)明一種便攜式智能監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的機(jī)體狀況，提前發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)，預(yù)防疾病的發(fā)生或做好患者疾病管理。
然而長(zhǎng)期以來，由于技術(shù)限制，智能檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展較為緩慢，目前的各種智能監(jiān)測(cè)設(shè)備功能主要集中在心率監(jiān)測(cè)、睡眠監(jiān)測(cè)等方向。尤其是心率監(jiān)測(cè)，更是各大智能設(shè)備生產(chǎn)商關(guān)注和推廣的重點(diǎn)。
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(cè)量技術(shù)有兩種。
一種是光電測(cè)量技術(shù)：
其學(xué)名全稱為光電容積脈搏波描記法（PhotoPlethysmoGraphy），簡(jiǎn)稱 PPG。這是目前市面上智能心率監(jiān)測(cè)設(shè)備，如智能手表、手環(huán)等最常使用的方法，佩戴方便、體驗(yàn)好。這一名稱雖然看起非常復(fù)雜，但是原理其實(shí)很簡(jiǎn)單。
當(dāng)光束照射到皮膚表面時(shí)，光束可以穿透皮膚，然后通過透射或反射方式傳送到發(fā)光源旁邊的光接收器。心臟收縮時(shí)，血管血流量增加，血液對(duì)光的吸收增加，儀器就會(huì)檢測(cè)到光強(qiáng)度變小。相反，當(dāng)心臟舒張時(shí)，儀器就會(huì)檢測(cè)到光強(qiáng)度變大。通過光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，我們就可以得出心率參數(shù)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(shè)備測(cè)量很準(zhǔn)確，但其實(shí)這只是理論上的數(shù)據(jù)。
實(shí)際應(yīng)用過程中，光電模式智能心率設(shè)備的干擾因素非常多，例如，運(yùn)動(dòng)過程中，皮膚、肌肉的抖動(dòng)，佩戴不嚴(yán)實(shí)時(shí)環(huán)境光線變化對(duì)測(cè)量的影響，不同膚色人群以及紋身對(duì)光線吸收的影響等等。
因此，即使隨著技術(shù)的發(fā)展，光電智能心率監(jiān)測(cè)設(shè)備，例如手表、手環(huán)等，雖然測(cè)量精度不斷提升，但是依舊無法從根本上解決測(cè)量不準(zhǔn)確的問題。
圖 | 光電測(cè)量技術(shù)測(cè)心率（來源：9to5mac）
第二種技術(shù)就是心率帶測(cè)量技術(shù)：
其利用的就是心電圖原理，偵測(cè)人體心電信號(hào)。而心電圖測(cè)心率是目前心率測(cè)量的金標(biāo)準(zhǔn)，因此心率帶測(cè)量準(zhǔn)確度較高。
心率帶測(cè)量心率的原理也非常簡(jiǎn)單。心臟收縮舒張會(huì)伴隨電活動(dòng)，將這種電活動(dòng)信號(hào)引出放大濾波就形成了心電信號(hào)，竇房結(jié)通過發(fā)放節(jié)律的電信號(hào)并且將這種電信號(hào)傳遍心臟，從而控制心臟的搏動(dòng)，所以說心臟收縮舒張活動(dòng)本質(zhì)上是受到心電信號(hào)的控制。
而心率帶就是模擬醫(yī)療用的心電監(jiān)護(hù)儀，通過膠皮電極收集心電信號(hào)，并且在電極正負(fù)極之間的一個(gè)回路，就可以準(zhǔn)確得出患者心電圖等信息，所以心率帶本質(zhì)就是測(cè)量心電信號(hào)。
其優(yōu)點(diǎn)是較為精準(zhǔn)，但缺點(diǎn)也很明顯，那就是必須通過介質(zhì)比如膠皮電極、電極片等等測(cè)量心率，且為了測(cè)量準(zhǔn)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(dǎo)致運(yùn)動(dòng)受到一定程度障礙，不適合長(zhǎng)期使用。
可水洗、可縫紉全碳納米纖維 T 恤，優(yōu)于醫(yī)療級(jí)心電監(jiān)護(hù)儀
智能可穿戴技術(shù)的發(fā)展對(duì)于消費(fèi)者日常健康狀況監(jiān)測(cè)以及患者疾病跟蹤隨訪非常重要，然而由于傳統(tǒng)傳感器和電極等剛性配件無法簡(jiǎn)單地集成到柔韌的紡織物中，因此目前絕大多數(shù)智能可穿戴設(shè)備都是剛性的，例如手表、胸帶或者眼鏡。
同時(shí)，由于技術(shù)限制，上述設(shè)備顯示數(shù)據(jù)僅供參考，在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域用處十分有限。例如，目前市售的各種智能設(shè)備，僅僅提供心率參考信息，對(duì)于心臟傳導(dǎo)障礙、心率失常等嚴(yán)重突發(fā)性疾病幾乎沒有價(jià)值。
此外，目前的醫(yī)療級(jí)心電圖電極必須使用導(dǎo)電凝膠來降低皮膚和電極之間的電阻，使用困難。而商業(yè)醫(yī)用電極需要強(qiáng)力粘合劑與皮膚接觸。顯然，這些方法均不適合無創(chuàng)性連續(xù)性心電監(jiān)測(cè)設(shè)備。
為了解決這些問題，Matteo Pasquali 博士帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)試圖從納米碳纖維領(lǐng)域出發(fā)，尋找既準(zhǔn)確又方便舒適的智能心電監(jiān)測(cè)設(shè)備。
早在 2013 年的時(shí)候，Pasquali 博士實(shí)驗(yàn)室就推出了碳納米管纖維材料，這些纖維由數(shù)百億個(gè)碳納米管組成，被廣泛應(yīng)用于心臟損傷修復(fù)、腦電接口、人工耳蝸植入物、柔性天線以及汽車和航空領(lǐng)域。
由于這種碳納米管纖維具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(chuàng)建可以用于無創(chuàng)和連續(xù)心電圖監(jiān)測(cè)的柔軟、可穿戴智能心電監(jiān)測(cè)設(shè)備。
為此，Pasquali 博士首先將碳納米纖維制成的心電圖檢測(cè)電極和信號(hào)傳導(dǎo)線紡織物，以創(chuàng)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(yī)療級(jí) 3M 電極進(jìn)行心電圖監(jiān)測(cè)對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者輸出心電圖信號(hào)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(jī)中洗滌然后干燥，重復(fù) 10 次后，重新測(cè)試電極，發(fā)現(xiàn)其功能并沒有退化。同時(shí)，Pasquali 博士還將碳納米纖維拉長(zhǎng)到最大應(yīng)變水平，重復(fù)了 1000 次，然后測(cè)試電極功能，結(jié)果其功能依舊沒有退化。
（來源：萊斯大學(xué)）
最后，Pasquali 博士將碳納米纖維電極和傳感器縫制在運(yùn)動(dòng) T 恤中。碳納米纖維電極縫在T恤內(nèi)側(cè)肋骨區(qū)域周圍以便與皮膚接觸，碳納米纖維電極藍(lán)牙發(fā)射器被縫在 T 恤外側(cè)，將心電圖數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機(jī)。
在一項(xiàng)盲法研究中，三位心臟病專家對(duì)智能心電監(jiān)測(cè) T 恤收集的心電圖信號(hào)和商用醫(yī)療級(jí) 3M 電極收集的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種T恤收集的信號(hào)甚至略優(yōu)于 3M 電極。
這一研究結(jié)果表明，碳納米纖維材料是可穿戴智能紡織設(shè)備的理想選擇，不僅柔軟、有彈性、可機(jī)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(shí)，碳納米纖維材料可以輕松的將各種傳統(tǒng)電子元件和傳感器連接起來，為新型紡織電子健康監(jiān)測(cè)設(shè)備的研究開辟了諸可能性。
未來，Pasquali 博士計(jì)劃對(duì)碳納米纖維微電子設(shè)備進(jìn)行修改，進(jìn)一步開發(fā)多種醫(yī)療級(jí)健康監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)血壓、呼吸等多種健康相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
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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