摘要：心电图（ECG）是最广泛接受的临床心血管监测标准，因为它为检测心脏病[如心律失常、心肌梗死（MI）和心力衰竭症状]、慢性疾病（如糖尿病和艾滋病毒感染）和心脏骤停中的心脏异常提供了全面的信息，并且仍然是重症监护室（ICU）持续监测的基石。然而，目前的临床设备和系

背景介绍

心血管疾病是全球死亡的首要原因，每年估计有1800万人死于心血管疾病。长期持续监测心脏信号对于评估心血管健康、检测急性心功能障碍和及时就医至关重要。

心电图（ECG）是最广泛接受的临床心血管监测标准，因为它为检测心脏病[如心律失常、心肌梗死（MI）和心力衰竭症状]、慢性疾病（如糖尿病和艾滋病毒感染）和心脏骤停中的心脏异常提供了全面的信息，并且仍然是重症监护室（ICU）持续监测的基石。然而，目前的临床设备和系统通常是多个硬连线、需要专家、侵入性和繁琐的。或者，基于软性和可穿戴电子材料、设备和系统的数字健康技术可能为临床住院环境之外的高危人群提供非侵入性、体内和便携式医疗监测。

然而，现有的可穿戴技术在临床翻译和采用方面存在未解决的差距，达到ICU级准确性的情况很少见。“ICU级准确性”是指与ICU环境中经过临床验证的标准机器相当的高精度和可靠性，特别是在早期诊断和重症患者生命体征的持续跟踪方面。在ICU中成功实施具有医疗级精度的可穿戴设备/系统至关重要，但也具有挑战性。这些持续的挑战包括：（i）由于生物界面不稳定和嘈杂，以及缺乏复杂的系统级集成，难以通过实时和足够的数据集实现医疗级的准确性，以进行可靠的临床决策；（ii）患者/消费者依从性差，因为皮肤不耐受形状庞大、不透水的凝胶电极长期佩戴的不舒服的监测设备；（iii）在老年人、新生儿和重症患者中，尤其是在重症监护室中，脆弱皮肤的潜在损伤风险与可能的皮肤病并发症相结合。

本文亮点

1. 本工作开发了一种重症监护室（ICU）级透气心脏电子皮肤系统（BreaCARES），用于实时、无线、连续和舒适的心脏护理。

2. BreaCARES为医疗保健、门诊诊断、心脏手术期间稳定的术中监测以及连续舒适的住院术后心脏护理提供了一种新型的数字心脏护理平台，与临床和商业上可用的心血管ICU中的心脏监测仪相比，它具有ICU级的准确性，同时具有优异的抗干扰稳定性、便携性和长期皮肤生物相容性。

图文解析

图1. BreaCARES用于ICU级无线、稳定、连续和舒适的医疗保健、门诊诊断、术中监测和术后心脏护理。

（A） 示意图显示了单片集成的BreaCARES，其具有适形舒适的生物接口，可通过便携式设备（例如，带有定制移动应用程序的智能手机）进行无线和实时心脏护理，而传统的临床监护仪是多线和笨重的。（B和C）分别显示BreaCARES在手术患者术中心脏监测和ICU级术后心脏护理中的示意图。（D和E）分别使用BreaCARES和临床监护仪后ICU患者的皮肤表面状态。（F） 显示薄、软、高集成密度BreaCARES的数字图像。（G） BreaCARES的框图，由电极、作为心电图采样AFE的生物电位传感芯片（采样率：500 Hz）、1.8 V LDO和用于驱动AFE采样的32.768 kHz晶体以及用于无线数据采集、传输和功能控制的BLE集成MCU组成。

图2. BreaCARES的结构和性能。

（A） BreaCARES的爆炸示意图。LM 3D微电路是刚性组件与柔软、粗糙和微孔纤维垫之间的可靠电气接口。生物粘附和生物友好的用户系统接口由LM生物电位电极顶部的薄电纺水凝胶纤维垫组成，为长期佩戴提供了稳定舒适的生物界面。（B） 数字图像显示了无线和高集成密度BreaCARES的功能模块，包括心电图AFE、MCU模块、LDO、BLE天线、振荡器、整流器和匹配电容器，以及用于无线电力传输的LM线圈。（C） LM VIAs的横截面扫描电子显微镜图像，用于LM 3D电路上层和基层之间的层间电连接，同时通过静电纺纤维垫实现电绝缘。（D） 示意图显示了干电纺水凝胶纤维垫在附着湿皮肤和形成具有强大皮肤粘附力的生物粘附水凝胶时的各向异性平面外膨胀。（E） 生物粘附性LM、商业凝胶和医用胶带在施加不同量的人造汗液时与猪皮的剪切粘附强度。（F） 数字图像显示了左前臂覆盖商用心电图电极（品牌：KANGRU）和BreaCARES电极1周后皮肤的炎症状态。（G） 棉（阳性对照）、BreaCARES电极和BSS、KANGRU和INTCO等品牌的商用心电图电极的透湿性和（H）透气性。（I） 完全集成且无电池的BreaCARES的数字图像，由LM线圈和发射器线圈之间的无线电感耦合供电。（J和K）分别表示可拉伸LM线圈天线在不同拉伸应变下的阻抗和相位。

图3. BreaCARES在动物模型中的功能验证。

（A） BreaCARES与深度学习算法集成的示意图，用于在大鼠模型中检测和分类药物诱导的心电图心律失常。（B） 使用CNN通过BreaCARES获得的心脏事件状态分类的处理流程，包括原始心电图信号处理、数据增强、数据集建立、ResNet-50分类和结果输出。（C） CNN对六种心脏事件的准确分类，包括正常状态、房室传导阻滞、房颤、心室颤动、心室颤动和最终死亡。（D） 六个心脏事件的频谱图在时频域中显示出独特的模式。

图4. 持续的心电图数据收集和分析，用于个性化医疗保健。

（A） 无线BreaCARES的数字图像，用于连续的皮肤心电图监测。（B）商用凝胶电极和生物粘附LM电极的皮肤阻抗随频率的变化。（C和D）分别在各种日常活动（睡眠、坐着、行走和锻炼）下，商用心电图设备和BreaCARES的信噪比和心电图信号的统计结果。（E） 对一名成年志愿者（男性，27岁）进行为期9天的连续无线心电图监测。（F至I）18名志愿者在休息状态和运动状态下心电图信号的心率、PR间期、QRS复合波和QT间期的统计结果，作为性别的函数。（J至M）18名志愿者在静息状态（蓝色列）和运动状态（红色列）下心电图信号的心率、PR间期、QRS复合波和QT间期的统计结果，作为年龄的函数。

图5. BreaCARES用于心血管重症监护室的无线医院级门诊早期诊断。

（A） 数字图像显示使用无线BreaCARES和医院GE-MAC800机器进行心脏病早期检测。在移除BreaCARES和GE-MAC800机器后，没有观察到BreaCARES的负面影响，而GE-MAC80机器在患者皮肤上显示出明显的压痕和红斑。（B） 通过医院心电图监护仪（迈瑞）和BreaCARES检测AFL的异常心电图信号。（C） 无线BreaCARES和医院GE-MAC800机器检测到的六种典型心脏病，包括SB、MI、STEMI伴Tachy、AF、AFL和VPB。（D） 深度学习算法结构和混淆矩阵，与标准医院监护仪相比，显示了BreaCARES诊断各种心脏病的准确性。轻微的差异主要是由于BreaCARES和医院监护仪在同时收集心电图数据时导联位置的差异造成的，因为它们的导联位置的重叠无法同时获得心电图信号。

图6. BreaCARES用于实时稳定的术中监测。

（A和B）显示MVR手术期间使用无线BreaCARES和临床有线心电图监测仪对患者进行术中监测的数字图像。（C） 心脏手术期间使用BreaCARES和医院心电图监测仪记录的心电图信号的比较。（D） BreaCARES在MVR手术期间进行持续稳定的术中心电图监测，包括开始关闭主动脉瓣、手术、打开主动脉瓣以及随后进行心脏起搏以恢复正常心跳。（E） 各种心脏事件（包括主动脉瓣关闭和打开以及心脏起搏）的术中心电图信号频谱图。

图7. BreaCARES用于ICU级住院患者24小时连续术后监测。

（A和B）数字图像，显示使用无线BreaCARES和临床有线和笨重的心电图监测仪对患者进行术中心电图监测。（C） 使用无线BreaCARES和临床有线心电图监测仪比较术后心电图信号。（D） 通过无线BreaCARES在心血管重症监护室对术后住院患者进行24小时的连续实时监测，在此期间清楚地检测到患者的各种心律失常，包括心电图T波倒置、心动过速、心动过缓后的室性早搏、持续性房颤的发生以及胺碘酮给药后的房颤后心电图信号。（E） 各种术后心电图信号的频谱图，包括T波倒置心电图、心动过速后VPB、持续性房颤发生以及胺碘酮给药后房颤后心电图信号。

来源：华算科技