清华大学任天令《自然·通讯》：让监测心脏健康像呼吸一样自然！

摘要：心血管疾病是全球范围内导致人类死亡的首要原因。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

想象一下：监测心脏健康就像呼吸一样自然，无需任何束缚与不适。这不是科幻场景——无运动束缚动态12 导联心电系统（MU-DCG）已将其变为现实！

心血管疾病是全球范围内导致人类死亡的首要原因。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。

为了实现日常态长期心电智能监测，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，清华大学集成电路学院任天令教授团队开发了一种无运动束缚动态12导联心电系统，实现了无感佩戴、有效抑制运动干扰信号以及低功耗原位实时信号处理的优势集成。该研究以题为“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）发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上，这一成果也是研究团队在纹身式电子皮肤领域的最新突破，为可穿戴医疗设备的发展提供了新思路。

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。MU-DCG系统结合了贴合皮肤的柔性电子技术以及先进的边缘AI加速硬件与软件技术。如图1b所示，MU-DCG分为贴附于皮肤的软模块（On-skin leads&electrodes）和外置硬模块（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 µm （约等于人发丝直径），可拉伸性超过50%，同时具备良好的粘附性和透气性。外置硬模块包含了系统数据处理和传输所需的计算单元、无线通信模块以及电池等组件，并封装于时尚的吊坠式外壳中。此外，为了便于皮肤组装，MU-DCG系统采用压力激活式柔性皮肤插座（Skin socket），可以在动态运动中稳定连接软模块和硬模块（图2 展示了实际佩戴效果，图3 呈现了动态心电采集过程）。

图1 | （a）MU-DCG系统类似一位持续监测心脏健康的“隐形医生”，实现无感佩戴、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

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（近乎无感佩戴）、卓越的抗运动伪影性能以及高效的边缘AI低功耗计算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（不舒适性评分最低，仅0.55）、优异的信号采集质量（信噪比提升超5 dB)以及显著低功耗优势（工作电流较对照组降低90%）。图3d进一步对比了MU-DCG与医用Holter的抗运动干扰能力，结果凸显其性能优势。

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提供了卓越的舒适性、准确性和长期可穿戴性，能够在日常活动中实现不受运动限制的持续心电监测，从而提升医疗诊断和研究水平。此外，该系统开创性的人机融合策略，为开发适应不同环境的个性化持续健康监测方案提供了新的技术路径。

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2022级博士生刘嘉豪为本文共同第一作者，清华大学集成电路学院任天令教授、杨轶副教授，北京信息科学与技术国家研究中心刘厚方副研究员，以及电子科技大学信息与通信工程学院周军教授为本文共同通讯作者。该研究获得国家自然科学基金委、科技部、北京市自然基金委、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研究，探索面向元宇宙和医疗健康的新型感知技术，在石墨烯声学器件和多功能传感器领域取得多项创新突破。相关成果已在《自然》（Nature）、《自然·电子》（Nature Electronics）、《自然·通讯》（Nature Communications）等顶级期刊，以及国际电子器件会议（IEDM）等权威学术会议上发表。