当你的T恤可以监测心电活动

图片起源@莱斯年夜学

文丨学术头条，作者丨朱哼哼，编审丨王新凯

近年来，跟着可穿着电子产物的敏捷成长，越来越多的年青人开端青睐智能可穿着电子配件，例如智能腕表、智能手环等装备。

在智能可穿着电子装备所有功效中，最具有挑战性，最炫酷，也最受人们存眷的，便是心电监测功效了。然而，因为智能可穿着装备的刚性和便携性限定，今朝的市道市情上的绝年夜多半智能可穿着电子装备，都无法精确监测用户心电图，仅具有参考代价。

而像心率胸带这类可以较精确监测人体心电图的装备，因为舒适性较为欠缺，一样平常只有较为专业的职员才会使用。

那么，若何在保证心电图监测精确性的同时，又统筹舒适性呢。柔性电子纺织品或许是一种更好的办理计划。

近日，来自美国莱斯年夜学化学系和 Smalley-Curl 研讨所的化学和生物分子工程师 Matteo Pasquali 博士率领的研讨团队，应用新型可水洗、可缝纫、全碳纳米纤维，胜利缝纫出了一款智能心电图监测 T 恤。

图 | 研讨职员展现可以连续监测穿戴者心脏运动的 T 恤（起源：莱斯年夜学）

这款 T 恤由通俗纤维和碳纳米纤维创立的可缝纫电极以及旌旗灯号传输线构成。这些电极纤维和旌旗灯号传导线与尺度的缝纫纤维一样柔软，但具有金属级其余导电性和低阻抗。

在试验中，研讨职员证明，智能心电图监测 T 恤穿戴舒适，在心电图检测的精确性上显著优于市道市情的贸易医用心电监护装备，且重复洗衣机洗涤不会影响其机能。

对付这一研讨成果，论文作者 Lauren W. Taylor 表现，“纳米碳纤维柔软机动，应用之字形图案将其植入纺织物中可以跟着 T 恤拉伸而不折断，可以与通俗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固打仗，网络用户身材上的电旌旗灯号，并将数据传输到智能网络或其他装备上。”

该研讨以“Washable, Sewable, All-Carbon Electrodes and Signal Wires for Electronic Clothing”为题，颁发在美国化学学会会刊 Nano Letter 杂志上。

动辄好几千的智能 康健 监测装备 并没有我们想象中精确

跟着康健意识的晋升以及互联网医疗的敏捷成长，人们一直空想有一天可以或许创造一种便携式智能监测装备，可以及时监测用户的机体状态，提前发现潜在危险，预防疾病的产生或做好患者疾病治理。

然而历久以来，因为技术限定，智能检测装备的成长较为迟缓，今朝的各类智能监测装备功效主要集中在心率监测、就寝监测等偏向。尤其是心率监测，更是各年夜智能装备临盆商存眷和推广的重点。

图 | 市道市情上常见的智能腕表（起源：Pixabay）

今朝，市道市情上主流的心率丈量技术有两种。

一种是光电丈量技术：

其学名全称为光电容积脉搏波描记法（PhotoPlethysmoGraphy），简称 PPG。这是今朝市道市情上智能心率监测装备，如智能腕表、手环等最常使用的办法，佩带便利、体验好。这一名称固然看起异常繁杂，然则原理实在很简单。

当光束照耀到皮肤外面时，光束可以穿透皮肤，然后经由过程透射或反射方式传送到发光源阁下的光接管器。心脏收缩时，血管血流量增长，血液对光的吸收增长，仪器就会检测到光强度变小。相反，小心脏舒张时，仪器就会检测到光强度变年夜。经由过程光电旌旗灯号转换，我们就可以得出心率参数了。

固然，这一原理看起来很靠谱，许多厂家也传播鼓吹本身的智能装备丈量很精确，但实在这只是理论上的数据。

现实利用进程中，光电模式智能心率装备的滋扰因素异常多，例如，活动进程中，皮肤、肌肉的发抖，佩带不严及时情况光芒变化对丈量的影响，分歧肤色人群以及纹身对光芒吸收的影响等等。

是以，纵然跟着技术的成长，光电智能心率监测装备，例如腕表、手环等，固然丈量精度赓续晋升，然则依旧无法从基本上办理丈量禁绝确的问题。

图 | 光电丈量技术测心率（起源：9to5mac）

第二种技术便是心率带丈量技术：

其应用的便是心电图原理，侦测人体心电旌旗灯号。而心电图测心率是今朝心率丈量的金尺度，是以心率带丈量精确度较高。

心率带丈量心率的原理也异常简单。心脏收缩舒张会随同电运动，将这种电运动旌旗灯号引出放年夜滤波就形成了心电旌旗灯号，窦房结经由过程发放节律的电旌旗灯号而且将这种电旌旗灯号传遍心脏，从而节制心脏的搏动，以是说心脏收缩舒张运动本色上是受到心电旌旗灯号的节制。

而心率带便是模拟医疗用的心电监护仪，经由过程胶皮电极网络心电旌旗灯号，而且在电极正负极之间的一个回路，就可以精确得出患者心电图等信息，以是心率带本色便是丈量心电旌旗灯号。

其长处是较为精准，但毛病也很显著，那便是必需经由过程介质好比胶皮电极、电极片等等丈量心率，且为了丈量精确性，最好将心率带的胶皮电极佩带在胸口邻近，这就容易导致活动受到必定水平障碍，不得当历久使用。

可水洗、可缝纫全碳纳米纤维 T 恤， 优于医疗级心电监护仪

智能可穿着技术的成长对付花费者日常康健状态监测以及患者疾病跟踪随访异常紧张，然而因为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，是以今朝绝年夜多半智能可穿着装备都是刚性的，例如腕表、胸带或者眼镜。

同时，因为技术限定，上述装备显示数据仅供参考，在医疗卫生范畴用场十分有限。例如，今朝市售的各类智能装备，仅仅提供心率参考信息，对付心脏传导障碍、心率变态等严重突发性疾病险些没有代价。

此外，今朝的医疗级心电图电极必需使用导电凝胶来低落皮肤和电极之间的电阻，使用艰苦。而贸易医用电极必要强力粘合剂与皮肤打仗。显然，这些办法均不得当无创性持续性心电监测装备。

为相识决这些问题，Matteo Pasquali 博士率领的研讨团队试图从纳米碳纤维范畴动身，探求既精确又便利舒适的智能心电监测装备。

早在 2013 年的时刻，Pasquali 博士试验室就推出了碳纳米管纤维资料，这些纤维由数百亿个碳纳米管构成，被普遍利用于心脏毁伤修复、脑电接口、人工耳蜗植入物、柔性天线以及汽车和航空范畴。

因为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。是以，Pasquali 博士试图应用尺度的缝纫办法将碳纳米管纤维集成到通俗的纺织品，例如在 T 恤中创立可以用于无创和持续心电图监测的柔软、可穿着智能心电监测装备。

为此，Pasquali 博士起首将碳纳米纤维制成的心电图检测电极和旌旗灯号传导线纺织物，以创立可以在手段佩带的电极。随后，应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照，成果发现二者输出心电图旌旗灯号险些完全同等，初步证实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，反复 10 次后，从新测试电极，发现其功效并没有退化。同时，Pasquali 博士还将碳纳米纤维拉长到最年夜应变程度，反复了 1000 次，然后测试电极功效，成果其功效依旧没有退化。

（起源：莱斯年夜学）

末了，Pasquali 博士将碳纳米纤维电极和传感器缝制在活动 T 恤中。碳纳米纤维电极缝在T恤内侧肋骨区域四周以便与皮肤打仗，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。

在一项盲法研讨中，三位心脏病专家对智能心电监测 T 恤网络的心电图旌旗灯号和商用医疗级 3M 电极网络的旌旗灯号进行对照，成果发现这种T恤网络的旌旗灯号乃至略优于 3M 电极。

这一研讨成果注解，碳纳米纤维资料是可穿着智能纺织装备的抱负选择，不仅柔软、有弹性、可机洗，而且异常容易融入通俗衣服或纺织物中，与通俗的纺织线险些没有差异。同时，碳纳米纤维资料可以轻松的将各类传统电子元件和传感器衔接起来，为新型纺织电子康健监测装备的研讨开拓了诸可能性。

将来，Pasquali 博士方案对碳纳米纤维微电子装备进行改动，进一步开发多种医疗级康健监测装备，对血压、呼吸等多种康健相关指标进行监测。

参考材料：
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