集成电路学院任天令团队合作开发出无运动束缚的动态12导联心电系统
清华新闻网4月9日电 心血管疾病是全球范围内导致人类死亡的重要原因。心电图（ECG）在心血管疾病的预防、诊断和预后中起着至关重要的作用。然而，目前缺乏用户友好且高精度的长期动态12导联心电图监测设备，导致心血管风险筛查和评估难以实现大规模普及与常态化应用，进而加剧了因病情恶化患者增多而引发的医疗资源紧张问题。
4月5日，清华大学集成电路学院任天令教授团队在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表了题为“基于无感化电子的运动非束缚动态心电系统”（Motion-unrestricted dynamic electrocardiogram system utilizing imperceptible electronics）的研究论文，报道了研究团队在纹身式电子皮肤方面取得的最新突破。
为了实现长期心电智能监测，针对传统12导联心电设备佩戴不适、运动干扰以及续航不足三大问题，研究团队开发了一种无运动束缚的动态12导联心电系统，实现了无感化佩戴、抗运动伪影以及低功耗原位实时信号处理的优势集成。如图1a所示，MU-DCG系统类似一位持续监测心脏健康的“隐形医生”，如影随形却又不影响用户日常生活。
图1.（a）MU-DCG系统实现无感化佩戴、抗运动伪影以及低功耗原位实时信号处理的优势集成（b）MU-DCG系统的实物照片和结构示意图
MU-DCG系统结合了皮肤保形的柔性电子技术以及先进的边缘侧AI加速硬件与软件技术。如图1b所示，MU-DCG分为在皮肤上的软模块（On-skin leads&electrodes）和皮肤外的硬模块（AI module）。其中，皮肤上的软模块所包含的柔性电子器件具有优异的皮肤适配性，其厚度小于50微米，可拉伸性大于50%并具备良好的皮肤黏性和透气性。皮肤外的硬模块包含了系统数据处理和传输所需的计算模块、无线模块以及电池等，它们被封装在一个漂亮的吊坠中。此外，为了便于在皮肤上进行组装，MU-DCG系统具有一个压力激活的柔性皮肤插座（Skin socket），可以在动态运动时稳定地软连接皮肤上的软模块和皮肤外的硬模块（图2展示了MU-DCG的使用，图3演示了MU-DCG的动态心电采集）。
图2. MU-DCG系统的使用演示
图3. MU-DCG系统的动态采集演示
MU-DCG的超舒适性（无肤感）、卓越的抗运动伪影性能以及突出的低功耗边缘AI计算功能使得它有望革新传统心电采集方式。如图4所示，用户佩戴体验报告（a）、心血管专家盲法评估（b）以及功耗测试结果（c）分别证明了MU-DCG具有卓越的用户友好性（不舒适性评分达到最低：0.55）、优异的动态心电信号采集质量（信噪比提升大于5 dB）以及显著的低功耗性能（与对照组相比工作电流降低了10倍）。图3d展示了MU-DCG和医用Holter的抗运动干扰能力的显著差异。
图4.（a）用户佩戴体验报告打分统计结果图（b）心血管专家盲法评分对比统计结果图（c）功耗对比测试结果图（d）从静止到慢跑过程中，MU-DCG和Holter采集心电信号的变化对比图
综上所述，MU-DCG提供了优越的舒适性、准确性和长期的可穿戴性，能够在日常活动中进行持续的、不受运动限制的心电图监测，以增强医疗诊断和研究。除此之外，MU-DCG还为未来的人机融合医疗保健应用建立了一个开创性的设计策略，为在不同环境中开发持续的、个性化的健康监测解决方案开辟了新途径。
清华大学集成电路学院2021级博士生李鼎、2019级博士生崔天睿、2022级硕士生邵万成以及电子科技大学信息与通信工程学院2020级博士生刘嘉豪为论文共同第一作者。清华大学集成电路学院教授任天令、副教授杨轶，北京信息科学与技术国家研究中心副研究员刘厚方和电子科技大学信息与通信工程学院教授周军为论文通讯作者。研究得到国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金委、清华大学国强研究院、北京信息科学与技术国家研究中心等的支持。
近年来，任天令团队致力于柔性、可穿戴智能器件芯片，以及面向元宇宙、医疗健康的新型感知技术的探索，在新型石墨烯声学器件和各类传感器件方面已取得多项创新成果，先后在《自然》（Nature）、《自然·电子》（Nature Electronics）、《自然·通讯》（Nature Communications）等知名杂志以及国际电子器件会议（IEDM）等领域内顶级国际学术会议上发表多篇论文。
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