隨著老齡化社會的到來和人們對心血管健康的日益關注，舒適的長期心電圖(ECG)監(jiān)測系統(tǒng)在日常生活中的需求越來越大。 如果系統(tǒng)能像醫(yī)生一樣實時反饋心血管狀況，及時提供個性化建議，將有利于促進心血管健康，緩解醫(yī)療資源不平衡。 該工作報道了一種基于MXene-聚氨酯網(wǎng)(MPM)的多功能、共形、透氣的電子皮膚（E-Skin）。 作為心電電極時，E-Skin表現(xiàn)出超低的電極-皮膚接觸阻抗（1 kHz時為4.68 kΩ)、高信噪比（16.5 dB）和高透氣性（2.1838 kg/m
2/天），可連續(xù)佩戴至少7天。 作為應變傳感器，E-skin具有較大的測量范圍(>40%)和獨特的節(jié)段靈敏度（GF在0～18.64%范圍內(nèi)為172.54,在18.64～50%范圍內(nèi)為79.38）,適合于細微和大的生理信號的檢測。 更重要的是，通過將MPM電子皮膚與柔性印刷電路板(FPCB)和融合的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡&長短期記憶(CNN&LSTM)智能算法相結(jié)合，獲得的可穿戴智能電子皮膚系統(tǒng)可實現(xiàn)每日12小時12導聯(lián)心電監(jiān)測，對四種心律失常的診斷準確率超過99%。 這些結(jié)果表明MPM電子皮膚在多功能智能醫(yī)療系統(tǒng)中具有巨大的潛力。 特別提出了一種類似“日常醫(yī)生”的智能心電系統(tǒng)，用于日常長期心血管健康監(jiān)測。
Figure 1. MPM電子皮膚的表征。 (a)Ti
3C
2 Mxene晶體結(jié)構(gòu)示意圖。 (b)MPM電子皮膚的制備過程包括(i)靜電紡絲，(ii)噴涂MXene溶液，(iii)室溫干燥，(iv)銀漿與激光切割蛇形銅絲連接。 (c)MPM的X射線衍射光譜。 （d-e）MPM中C 1s和Ti 2p的高分辨X射線光電子能譜。 (f)在800 cm
-1之前的MPM的拉曼光譜。 (g)(i)pm和(ii)mpm的掃描電子顯微鏡圖像，刻度值:1μm。 (iii)無伸長的MPM位移變化的COMSOL模擬結(jié)果。 (h)在40%伸長率下的(I)粉末冶金和(II)MPM的掃描電子顯微鏡圖像，刻度值:1μm。 (iii)在40%伸長率下MPM位移變化的COMSOL模擬結(jié)果。
Figure 2. MPM電子皮膚的機械性能及其耐洗能力。 (a)MPM機械測試平臺示意圖。 (b)在40%伸長率下MPM的應變分布模擬結(jié)果。 (c)作為應變傳感器的MPM的相對電阻變化，隨分段規(guī)數(shù)的變化(0～18.64%為172.54,18.64～50%為79.38）。 (d)MPM的步進試驗，每步延長5%、10%、15%、20%、30%和40%。 (e)在頻率為0.05、0.2、0.1、0.4和0.8Hz的15%應變下，MPM電子皮膚在循環(huán)拉伸和釋放過程中的相對電阻變化。 (f)MPM E-蒙皮在20%和40%應變下1000次循環(huán)的循環(huán)試驗結(jié)果，以及(g)從第600次到第609次循環(huán)放大跡線10次循環(huán)的循環(huán)試驗結(jié)果。 (h)經(jīng)洗衣液洗滌試驗的MPM E-皮膚。 (i)脈沖測量期間MPM應變傳感器的位置。 洗滌過程前后檢測的（J-K）脈沖信號。
Figure 3. 基于MPM電子皮膚的應變傳感器和電極在多生理信號監(jiān)測中的應用。 (a)不同生理信號的檢測位置示意圖。 (b)MPM電子皮膚附著在受試者的喉嚨上，用于檢測聲帶振動。 (c)當受試者連續(xù)四次紗線、吞咽、咳嗽和打嗝時，喉嚨運動和喉頭運動時MPM電子皮膚的相對阻力變化。 (d)當受試者連續(xù)說字母“M”、“X”、“E”和“N”四次時，MPM電子皮膚的相對電阻變化。 (e)受試者的手指彎曲信號，插圖顯示貼在受試者食指關節(jié)上的MPM電子皮膚，并跟隨手指彎曲。 (f)受試者的關節(jié)彎曲信號，插圖顯示附著在受試者膝蓋上的MPM電子皮膚。 (g)將心電信號放大(h)，可清楚地識別P、QRS和T節(jié)段。 (i)用貼在左臂（肱橈肌）上的MPM電子皮膚檢測肌電信號。
Figure 4. 介紹了MPM電子皮膚的雙層導電網(wǎng)絡及基于該網(wǎng)絡的MPM電子皮膚12導聯(lián)心電系統(tǒng)。 (a)MPM E-skin的雙層導電網(wǎng)絡模型，在此示意圖中：(i)單根MPM纖維的示意圖，其包括(ii)內(nèi)導電層與嵌入的Mxene納米板和(iv)外導電層與重疊的Mxene納米板。 (iii)和(v)分別是它們的等效電路。 (b)皮膚-電極接觸阻抗模型及MPM電子皮膚作為人體皮膚電極的測試結(jié)果。 (c)靈活、可穿戴的12導聯(lián)智能心電系統(tǒng)，包括(i)定制的佩戴方式，(ii)MPM電子皮膚電極，(iii)FPCB，(iv)帶有專用應用程序的智能手機，(v)帶有智能心電診斷算法的PC機。
Figure 5. 智能心電系統(tǒng)測試結(jié)果。 (a)本系統(tǒng)使用商用凝膠電極（上圖）和MPM電子皮膚電極（下圖）采集12導聯(lián)（八通道）心電信號。 (b)將CNN&LSTM智能算法模型用于四種典型心律失常的分類診斷。 (c)混淆矩陣智能算法模型用于四類心律失常的診斷。 (d)采用MPM電子皮膚心電圖系統(tǒng)對靜止狀態(tài)的健康受試者進行正常診斷。 (e)采用MPM電子皮膚心電圖系統(tǒng)對運動狀態(tài)健康者進行正常診斷。 (f)通過MPM電子皮膚心電圖系統(tǒng)對一例RBBB患者進行異常診斷。
相關研究工作由清華大學Tian-Ling Ren 課題組于2022年在線發(fā)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。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
