清华大学Tian-Ling Ren课题组--多功能、透气性的MXene-PU网格电子皮肤用于可穿戴式12-导联智能心电监测系统

随着老龄化社会的到来和人们对心血管健康的日益关注，舒适的长期心电图(ECG)监测系统在日常生活中的需求越来越大。如果系统能像医生一样实时反馈心血管状况，及时提供个性化建议，将有利于促进心血管健康，缓解医疗资源不平衡。该工作报道了一种基于MXene-聚氨酯网(MPM)的多功能、共形、透气的电子皮肤（E-Skin）。作为心电电极时，E-Skin表现出超低的电极-皮肤接触阻抗（1 kHz时为4.68 kΩ)、高信噪比（16.5 dB）和高透气性（2.1838 kg/m²/天），可连续佩戴至少7天。作为应变传感器，E-skin具有较大的测量范围(>40%)和独特的节段灵敏度（GF在0～18.64%范围内为172.54,在18.64～50%范围内为79.38）,适合于细微和大的生理信号的检测。更重要的是，通过将MPM电子皮肤与柔性印刷电路板(FPCB)和融合的卷积神经网络&长短期记忆(CNN&LSTM)智能算法相结合，获得的可穿戴智能电子皮肤系统可实现每日12小时12导联心电监测，对四种心律失常的诊断准确率超过99%。这些结果表明MPM电子皮肤在多功能智能医疗系统中具有巨大的潜力。特别提出了一种类似“日常医生”的智能心电系统，用于日常长期心血管健康监测。

Figure 1. MPM电子皮肤的表征。 (a)Ti₃C₂ Mxene晶体结构示意图。 (b)MPM电子皮肤的制备过程包括(i)静电纺丝，(ii)喷涂MXene溶液，(iii)室温干燥，(iv)银浆与激光切割蛇形铜丝连接。 (c)MPM的X射线衍射光谱。 （d-e）MPM中C 1s和Ti 2p的高分辨X射线光电子能谱。 (f)在800 cm^-1之前的MPM的拉曼光谱。 (g)(i)pm和(ii)mpm的扫描电子显微镜图像，刻度值:1μm。 (iii)无伸长的MPM位移变化的COMSOL模拟结果。 (h)在40%伸长率下的(I)粉末冶金和(II)MPM的扫描电子显微镜图像，刻度值:1μm。 (iii)在40%伸长率下MPM位移变化的COMSOL模拟结果。

Figure 2. MPM电子皮肤的机械性能及其耐洗能力。 (a)MPM机械测试平台示意图。 (b)在40%伸长率下MPM的应变分布模拟结果。 (c)作为应变传感器的MPM的相对电阻变化，随分段规数的变化(0～18.64%为172.54,18.64～50%为79.38）。 (d)MPM的步进试验，每步延长5%、10%、15%、20%、30%和40%。 (e)在频率为0.05、0.2、0.1、0.4和0.8Hz的15%应变下，MPM电子皮肤在循环拉伸和释放过程中的相对电阻变化。 (f)MPM E-蒙皮在20%和40%应变下1000次循环的循环试验结果，以及(g)从第600次到第609次循环放大迹线10次循环的循环试验结果。 (h)经洗衣液洗涤试验的MPM E-皮肤。 (i)脉冲测量期间MPM应变传感器的位置。 洗涤过程前后检测的（J-K）脉冲信号。

Figure 3. 基于MPM电子皮肤的应变传感器和电极在多生理信号监测中的应用。(a)不同生理信号的检测位置示意图。(b)MPM电子皮肤附着在受试者的喉咙上，用于检测声带振动。(c)当受试者连续四次纱线、吞咽、咳嗽和打嗝时，喉咙运动和喉头运动时MPM电子皮肤的相对阻力变化。(d)当受试者连续说字母“M”、“X”、“E”和“N”四次时，MPM电子皮肤的相对电阻变化。(e)受试者的手指弯曲信号，插图显示贴在受试者食指关节上的MPM电子皮肤，并跟随手指弯曲。(f)受试者的关节弯曲信号，插图显示附着在受试者膝盖上的MPM电子皮肤。(g)将心电信号放大(h)，可清楚地识别P、QRS和T节段。(i)用贴在左臂（肱桡肌）上的MPM电子皮肤检测肌电信号。

Figure 4. 介绍了MPM电子皮肤的双层导电网络及基于该网络的MPM电子皮肤12导联心电系统。 (a)MPM E-skin的双层导电网络模型，在此示意图中：(i)单根MPM纤维的示意图，其包括(ii)内导电层与嵌入的Mxene纳米板和(iv)外导电层与重叠的Mxene纳米板。 (iii)和(v)分别是它们的等效电路。 (b)皮肤-电极接触阻抗模型及MPM电子皮肤作为人体皮肤电极的测试结果。 (c)灵活、可穿戴的12导联智能心电系统，包括(i)定制的佩戴方式，(ii)MPM电子皮肤电极，(iii)FPCB，(iv)带有专用应用程序的智能手机，(v)带有智能心电诊断算法的PC机。

Figure 5. 智能心电系统测试结果。(a)本系统使用商用凝胶电极（上图）和MPM电子皮肤电极（下图）采集12导联（八通道）心电信号。(b)将CNN&LSTM智能算法模型用于四种典型心律失常的分类诊断。(c)混淆矩阵智能算法模型用于四类心律失常的诊断。(d)采用MPM电子皮肤心电图系统对静止状态的健康受试者进行正常诊断。(e)采用MPM电子皮肤心电图系统对运动状态健康者进行正常诊断。(f)通过MPM电子皮肤心电图系统对一例RBBB患者进行异常诊断。

相关研究工作由清华大学Tian-Ling Ren 课题组于2022年在线发表于《Chemical Engineering Journal》期刊上，原文：Multifunctional, Breathable MXene-PU Mesh Electronic Skin for Wearable Intelligent 12-lead ECG Monitoring System。