清華新聞網(wǎng)4月9日電 心血管疾病是全球范圍內(nèi)導致人類死亡的重要原因。心電圖（ECG）在心血管疾病的預防、診斷和預后中起著至關重要的作用。然而，目前缺乏用戶友好且高精度的長期動態(tài)12導聯(lián)心電圖監(jiān)測設備，導致心血管風險篩查和評估難以實現(xiàn)大規(guī)模普及與常態(tài)化應用，進而加劇了因病情惡化患者增多而引發(fā)的醫(yī)療資源緊張問題。
4月5日，清華大學集成電路學院任天令教授團隊在《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表了題為“基于無感化電子的運動非束縛動態(tài)心電系統(tǒng)”（Motion-unrestricted dynamic electrocardiogram system utilizing imperceptible electronics）的研究論文，報道了研究團隊在紋身式電子皮膚方面取得的最新突破。
為了實現(xiàn)長期心電智能監(jiān)測，針對傳統(tǒng)12導聯(lián)心電設備佩戴不適、運動干擾以及續(xù)航不足三大問題，研究團隊開發(fā)了一種無運動束縛的動態(tài)12導聯(lián)心電系統(tǒng)，實現(xiàn)了無感化佩戴、抗運動偽影以及低功耗原位實時信號處理的優(yōu)勢集成。如圖1a所示，MU-DCG系統(tǒng)類似一位持續(xù)監(jiān)測心臟健康的“隱形醫(yī)生”，如影隨形卻又不影響用戶日常生活。
圖1.（a）MU-DCG系統(tǒng)實現(xiàn)無感化佩戴、抗運動偽影以及低功耗原位實時信號處理的優(yōu)勢集成（b）MU-DCG系統(tǒng)的實物照片和結構示意圖
MU-DCG系統(tǒng)結合了皮膚保形的柔性電子技術以及先進的邊緣側AI加速硬件與軟件技術。如圖1b所示，MU-DCG分為在皮膚上的軟模塊（On-skin leads&electrodes）和皮膚外的硬模塊（AI module）。其中，皮膚上的軟模塊所包含的柔性電子器件具有優(yōu)異的皮膚適配性，其厚度小于50微米，可拉伸性大于50%并具備良好的皮膚黏性和透氣性。皮膚外的硬模塊包含了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和傳輸所需的計算模塊、無線模塊以及電池等，它們被封裝在一個漂亮的吊墜中。此外，為了便于在皮膚上進行組裝，MU-DCG系統(tǒng)具有一個壓力激活的柔性皮膚插座（Skin socket），可以在動態(tài)運動時穩(wěn)定地軟連接皮膚上的軟模塊和皮膚外的硬模塊（圖2展示了MU-DCG的使用，圖3演示了MU-DCG的動態(tài)心電采集）。
圖2. MU-DCG系統(tǒng)的使用演示
圖3. MU-DCG系統(tǒng)的動態(tài)采集演示
MU-DCG的超舒適性（無膚感）、卓越的抗運動偽影性能以及突出的低功耗邊緣AI計算功能使得它有望革新傳統(tǒng)心電采集方式。如圖4所示，用戶佩戴體驗報告（a）、心血管專家盲法評估（b）以及功耗測試結果（c）分別證明了MU-DCG具有卓越的用戶友好性（不舒適性評分達到最低：0.55）、優(yōu)異的動態(tài)心電信號采集質(zhì)量（信噪比提升大于5 dB）以及顯著的低功耗性能（與對照組相比工作電流降低了10倍）。圖3d展示了MU-DCG和醫(yī)用Holter的抗運動干擾能力的顯著差異。
圖4.（a）用戶佩戴體驗報告打分統(tǒng)計結果圖（b）心血管專家盲法評分對比統(tǒng)計結果圖（c）功耗對比測試結果圖（d）從靜止到慢跑過程中，MU-DCG和Holter采集心電信號的變化對比圖
綜上所述，MU-DCG提供了優(yōu)越的舒適性、準確性和長期的可穿戴性，能夠在日常活動中進行持續(xù)的、不受運動限制的心電圖監(jiān)測，以增強醫(yī)療診斷和研究。除此之外，MU-DCG還為未來的人機融合醫(yī)療保健應用建立了一個開創(chuàng)性的設計策略，為在不同環(huán)境中開發(fā)持續(xù)的、個性化的健康監(jiān)測解決方案開辟了新途徑。
清華大學集成電路學院2021級博士生李鼎、2019級博士生崔天睿、2022級碩士生邵萬成以及電子科技大學信息與通信工程學院2020級博士生劉嘉豪為論文共同第一作者。清華大學集成電路學院教授任天令、副教授楊軼，北京信息科學與技術國家研究中心副研究員劉厚方和電子科技大學信息與通信工程學院教授周軍為論文通訊作者。研究得到國家自然科學基金委、科技部、北京市自然科學基金委、清華大學國強研究院、北京信息科學與技術國家研究中心等的支持。
近年來，任天令團隊致力于柔性、可穿戴智能器件芯片，以及面向元宇宙、醫(yī)療健康的新型感知技術的探索，在新型石墨烯聲學器件和各類傳感器件方面已取得多項創(chuàng)新成果，先后在《自然》（Nature）、《自然·電子》（Nature Electronics）、《自然·通訊》（Nature Communications）等知名雜志以及國際電子器件會議（IEDM）等領域內(nèi)頂級國際學術會議上發(fā)表多篇論文。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-58390-5
供稿：集成電路學院
編輯：李華山
審核：郭玲
