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打破传统,可穿戴心电监测技术最新突破

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研究背景

心血管疾病作为全球第一大致死疾病,每年致使约 1860 万人丧生 。心电图监测堪称临床诊断心血管疾病的 “金标准” 之一,在疾病的早期诊断及后续治疗里,具备极高的临床价值。然而,自心电图发明一百多年以来,始终依赖将电极连接到人体皮肤,以此捕捉反映心脏状态的电活动变化,这种方式给用户带来不适体验。日常生活中的长时间连续心电图监测,因此往往难以落实,致使转瞬即逝的异常心电状态记录错失,耽搁疾病的诊断。在此背景下,研发更便捷、舒适且精准的心电图监测技术迫在眉睫,可穿戴心电监测技术应运而生,尤其是那些致力于解决传统监测弊端的研究,备受关注。

研究成果

心电图(ECG)在心血管疾病(CVDs)的预防、诊断和预后中起着至关重要的作用。然而,目前缺乏一种在运动状态下使用方便且准确的长期动态心电图(DCG)设备,这使得许多日常心血管风险筛查和评估(如心脏骤停)难以开展,给社会带来了额外的经济负担。在此,清华大学任天令、杨毅教授&刘厚方教授联合电子科技大学周俊教授等人介绍一种运动不受限的动态心电图(MU-DCG)系统,该系统采用贴合皮肤、几乎无感的电子元件,可实现长期、舒适且准确的 12 导联动态心电图监测。为了便于在皮肤上组装使用,MU-DCG 系统配备了压力激活的柔性皮肤插座,能在动态运动过程中稳定地将皮肤表面的软模块与外部的硬模块进行软连接。至关重要的是,经过盲法评估,心脏病专家证实 MU-DCG 采集的心电图信号中运动伪影极少。我们的研究结果表明,MU-DCG 系统凭借大面积、超薄的皮肤表面电极 / 导联以及外部模块,在保持佩戴无感的同时,实现了抗运动干扰采集和原位分析。相关研究以Motion-unrestricted dynamic electrocardiogram system utilizing imperceptible electronics”为题发表在Nature Communications期刊上。

研究亮点

1. 新型可穿戴心电记录仪摒弃传统复杂、束缚性强的设计,采用轻薄、无线的形态,大大提升了患者的耐受性,使得患者能够长时间佩戴,将心律失常的检测概率从佩戴 Holter 24 小时的 55%,提升到 90% 甚至 96% 以上 。

2. 在电极设计上创新,如柔性电容电极的应用,从硬件层面减少运动伪影对心电信号的干扰;深入剖析运动伪影产生的物理和化学根源,提出针对性的基于皮肤 - 电极界面模型的降噪方案;运用先进算法,通过多源信息采集和处理减少运动伪影,多种方式共同发力,显著提高了动态心电监测的准确性 。

3. 基于毫米波雷达的非接触式心电监测技术,打破了百年来心电图仅能通过接触式传感器获取的禁锢,让被测者能够在无需佩戴电极、不脱衣物的无感状态下完成心电图监测,且在特定实验条件下,实现了高精度的监测性能,在时间和形态精度上表现出色,还能稳定监测对疾病诊断有重要价值的心跳间期指标 。

研究内容

1. 可穿戴设备的心电信号采集与传输:部分研究聚焦于研发新型可穿戴心电监测设备,如创新的可穿戴无线动态心电记录仪,产品设计为体积小巧、重量轻盈、无线连接且操作简易,不会对日常活动和运动造成影响 。其通过贴在胸部指定位置,能够记录长程的心电活动。一些设备还具备多种应用模式,在医疗机构中,可将采集的心电信号保存于 TF 卡,后续上传至后台分析检测系统;对于个人用户,可借助蓝牙将心电信号传输至手机等移动终端,再实时上传至后台系统,异常时能及时报警 。
Fig. 1 | Conceptual illustrations and images of the MU-DCG system. 
Fig. 2 | Structural of the flexible skin socket and performances for the connection between skin sockets and the on-skin component’s LM plugs (soft-soft connection).
2. 减少运动伪影的方法探索:运动伪影是可穿戴心电监测面临的一大难题。有研究提出使用带有特定设计的柔性电容电极,其表面有导电泡沫、屏蔽、最优输入偏置电阻及防护反馈,将这种电极集成在胸带中,可用于动态心率监测,实验验证了该系统在受试者站立和以一定速度在跑步机上行走时,能高精度检测心率 。还有研究从分析运动伪影产生根源入手,发现人体运动时心电图噪声不仅源于皮肤 - 电极阻抗变化,还与皮肤 - 电极界面氧化还原反应的电化学平衡被打破、运动导致的汗液厚度及皮肤 - 电极电容变化有关,并据此提出基于监测可变电容的降噪方案 。另外,通过冗余去噪独立成分分析方法,利用同步采集心电信号和运动信息、多通道处理等手段,也能有效减少运动伪影 。
Fig.3 | lllustrations and performances ofthe connection between skin socketsand FPCB plugs (soft-stiff connections).
3. 非接触式心电监测技术研究:中国科学技术大学团队利用毫米波雷达,通过测量体表心脏机械活动,提取四维心脏机械活动信号,再借助深度神经网络模型,建立心脏机械活动与电活动之间的非线性映射关系,从而还原心电波形,实现了非接触人体心电图实时监测 。
Fig. 4 | Illustrations of the off-skin module and performances of the MU-DCG system.

总结与展望

当前的可穿戴心电监测技术研究在多个方面取得了显著进展,无论是从设备的佩戴便捷性、信号准确性,还是监测方式的创新性上,都为心血管疾病的日常监测与诊断带来了新的可能。然而,这些技术在走向广泛临床应用和普及的过程中,仍面临一些挑战。例如,非接触式心电监测技术虽前景广阔,但目前仅在相对静止躺姿等约束条件下进行了实验,如何扩展到更多日常活动姿势,提升其普适性,还需深入研究;可穿戴设备的长期稳定性、数据安全性以及与现有医疗体系的深度融合,也是需要进一步解决的问题 。未来,随着材料学、电子技术、计算机科学等多学科的交叉融合发展,可穿戴心电监测技术有望在提升监测精度、拓展监测场景、优化用户体验等方面实现更大突破,为心血管疾病的防治提供更有力的支持,真正将便捷、高效的心脏健康监测带入人们的日常生活 。

来源:微波工程仿真
System非线性化学电子UG材料仿生
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首次发布时间:2025-07-12
最近编辑:19小时前
周末--电磁仿真
博士 微波电磁波
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非对称平面折叠偶极天线

在磁共振成像 (MRI) 领域,对超高场 (UHF) 成像的追求导致了成像分辨率和功能对比机制的空前进步。然而,过渡到超高场强,通常定义为静态磁场 (B0)≥7 T 提出了不同的技术挑战。偶极子天线的几何形状和设计在决定其在 UHF 成像中的功效方面起着至关重要的作用。目录 非对称平面折叠偶极子 (APFD) 比吸收率(SAR) 参考资料 *As shown below👇*非对称平面折叠偶极子 (APFD)非对称平面折叠偶极子(APFD)线圈在提升发射效率、均匀性和SAR管理方面的有效性,可归因于折叠偶极子天线的基本原理。如图所示,折叠偶极子可分解为两种模式:传输线模式和偶极子模式。 传输线模式中,折叠偶极子两侧存在两个反相电压源;偶极子模式中,两侧则为两个同相电压源。在传输线模式下,两端的反相电压源导致传输线末端形成短路;而在偶极子模式下,两端的同相电压源则形成开路。因此:传输线模式的电流强度在两端呈现峰值;偶极子模式的电流强度在两端呈现谷值。当折叠偶极子的总长度为λ/2时,传输线模式两端的短路会在距离末端λ/4的位置(即传输线中点)转换为开路;而偶极子模式两端的开路则在中点转换为短路。因此,两种模式的电流分布呈现相反但对称的特性。二者的叠加最终形成均匀的电流分布。*比吸收率(SAR)最大 10 克平均局部比吸收率(SAR)值:对于 UHF MRI 而言,计算 APFD 线圈和 FD 的最大 10 克平均局部 SAR 值至关重要,因为它决定了可安全施加到 UHF MRI 中射频线圈的功率极限。国际电工委员会(IEC)60601-2-33 指南规定,在 6 分钟的时间间隔内,头部和躯干的 SAR10g 阈值为 10 瓦 / 千克,四肢为 20 瓦 / 千克。局部 SAR 的计算定义如下 The B+1 field is defined as 此外,通过将B+1场相对于10 g平均峰值局部SAR进行归一化,确定SAR效率 参考文献 [1] H. Chen et al., “Asymmetrical Planar Folded Dipole Antennas for Human Body MRI at 7 T,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 73, no. 5, pp. 2766–2779, May 2025, doi: 10.1109/TAP.2024.3513639.[2] A. J. E. Raaijmakers, P. R. Luijten, and C. a. T. van den Berg, “Dipole antennas for ultrahigh-field body imaging: a comparison with loop coils,” NMR in Biomedicine, vol. 29, no. 9, pp. 1122–1130, 2016, doi: 10.1002/nbm.3356. #偶极子 #MRI #医学成像来源:微波工程仿真

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