想象一下：監(jiān)測心臟健康就像呼吸一樣自然，無需任何束縛與不適。這不是科幻場景——無運動束縛動態(tài)12導聯心電系統(tǒng)（MU-DCG）已將其變?yōu)楝F實！

心血管疾病是全球范圍內導致人類死亡的首要原因。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導聯心電圖監(jiān)測設備，導致心血管風險篩查和評估難以實現大規(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。

為了實現日常態(tài)長期心電智能監(jiān)測，針對傳統(tǒng)12導聯心電設備佩戴不適、運動干擾以及續(xù)航不足三大問題，清華大學集成電路學院任天令教授團隊開發(fā)了一種無運動束縛動態(tài)12導聯心電系統(tǒng)，實現了無感佩戴、有效抑制運動干擾信號以及低功耗原位實時信號處理的優(yōu)勢集成。該研究以題為“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）發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上，這一成果也是研究團隊在紋身式電子皮膚領域的最新突破，為可穿戴醫(yī)療設備的發(fā)展提供了新思路。

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。MU-DCG系統(tǒng)結合了貼合皮膚的柔性電子技術以及先進的邊緣AI加速硬件與軟件技術。如圖1b所示，MU-DCG分為貼附于皮膚的軟模塊（On-skin leads&electrodes）和外置硬模塊（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 μm （約等于人發(fā)絲直徑），可拉伸性超過50%，同時具備良好的粘附性和透氣性。外置硬模塊包含了系統(tǒng)數據處理和傳輸所需的計算單元、無線通信模塊以及電池等組件，并封裝于時尚的吊墜式外殼中。此外，為了便于皮膚組裝，MU-DCG系統(tǒng)采用壓力激活式柔性皮膚插座（Skin socket），可以在動態(tài)運動中穩(wěn)定連接軟模塊和硬模塊（圖2展示了實際佩戴效果，圖3呈現了動態(tài)心電采集過程）。

圖1 |（a）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”，實現無感佩戴、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

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（近乎無感佩戴）、卓越的抗運動偽影性能以及高效的邊緣AI低功耗計算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（不舒適性評分最低，僅0.55）、優(yōu)異的信號采集質量（信噪比提升超5 dB)以及顯著低功耗優(yōu)勢（工作電流較對照組降低90%）。圖3d進一步對比了MU-DCG與醫(yī)用Holter的抗運動干擾能力，結果凸顯其性能優(yōu)勢。

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提供了卓越的舒適性、準確性和長期可穿戴性，能夠在日常活動中實現不受運動限制的持續(xù)心電監(jiān)測，從而提升醫(yī)療診斷和研究水平。此外，該系統(tǒng)開創(chuàng)性的人機融合策略，為開發(fā)適應不同環(huán)境的個性化持續(xù)健康監(jiān)測方案提供了新的技術路徑。

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2022級博士生劉嘉豪為本文共同第一作者，清華大學集成電路學院任天令教授、楊軼副教授，北京信息科學與技術國家研究中心劉厚方副研究員，以及電子科技大學信息與通信工程學院周軍教授為本文共同通訊作者。該研究獲得國家自然科學基金委、科技部、北京市自然基金委、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研究，探索面向元宇宙和醫(yī)療健康的新型感知技術，在石墨烯聲學器件和多功能傳感器領域取得多項創(chuàng)新突破。相關成果已在《自然》（Nature）、《自然·電子》（Nature Electronics）、《自然·通訊》（Nature Communications）等頂級期刊，以及國際電子器件會議（IEDM）等權威學術會議上發(fā)表。

https://doi.org/10.1038/s41467-025-58390-5

來源：高分子科學前沿

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