生理电信号传感器件

人体内器官、组织、神经等的活动均会产生生理电信号，这些生理电活动与心律不齐、心肌梗死、神经肌肉病变、癫痫发作等疾病紧密相关。因此，对生理电信号进行监测，可进一步获得人体生命体征信号。例如心电图可记录心脏活动，肌电图可显示肌肉组织的活动状态，脑电图可记录大脑的运行状态等。

目前常用的生理电信号传感设备（如心电图仪、脑电图仪等）可精确地监测人体的生理电信号。然而，由于设备体积大、便携性差等缺点，患者难以长期实时监测生理电信号的变化。针对这个问题，研究人员开发了一种柔性、超薄、超轻、生物相容的表皮生理电信号传感器件。他们将蛇形的金属线集成到弹性体材料上，通过调节材料的组成使其与皮肤的力学性质相匹配，从而制备了具有生理电信号传感功能的电子皮肤。该器件不仅可记录心电图和肌电图，而且可与其他传感器（如应变传感器、无线充电单元、LED显示器等）进行集成，从而得到多功能的电子皮肤器件（图10-7（a））。

生理电信号需要经过医生的复杂分析才能得出结论，这限制了患者的使用。针对此问题，研究人员开发了一种可显示不同颜色的心电图监测器件（图10-7（c））。他们将晶体管放大器与颜色可调的有机发光二极管集成到心电图监测器件中。当器件显示为红色时，心电图为正常状态；当器件显示蓝色时，表明心脏活动异常。该器件为心脏病患者提供了可视化监测心脏活动的方案，更适合患者长期实时监测心脏活动。

图10-7　用于生理电信号传感的电子皮肤
（a）可测量心电图、肌电图的多功能电子皮肤器件，此器件还集成了温度、形变传感器及无线通信单元；（b）利用该器件测量得到的心电图和肌电图；（c）可随心电图信号异常发生颜色改变的电子皮肤器件示意图；（d）仿壁虎脚部结构制备的可监测心电图的电子皮肤器件
Figure 10-7　E-skins for electrophysiological signal sensing
（a）A multifunctional e-skin device that can measure ECG and EMG.This device also integrates temperature and strain sensors and wireless communication units；（b）ECG and EMG measured with this device；（c）A schematic diagram of an eskin device that can change color with abnormal ECG signals；（d）An e-skin device that can monitor ECG made by imitating the structure of gecko's foot

为了更加精确地获得生理电信号，器件的电极需要与皮肤紧密接触。传统心电图仪的电极通过在电极与皮肤之间涂抹凝胶来实现紧密接触；而在柔性电子皮肤器件中，可通过对器件材料的设计实现与皮肤的紧密贴合。例如，Jeon等人通过仿壁虎脚部结构的方法制备了可监测心电图的电子皮肤器件。该器件的电极可与皮肤之间通过静电吸引和物理接触的方式形成紧密贴合。即使在人体正常运动时，该器件的电极也不会与皮肤发生脱离，依然能够准确地测量心电图（图10-7（d））。

器件的可拉伸性也是确保其可以与皮肤保持紧密贴合的重要条件。特别是在人体不规则、常运动的部位（如关节处），器件的可拉伸性可使电极在重复拉伸、扭曲的过程中仍然与皮肤保持良好的贴合性。银纳米线通常作为可拉伸电极材料，它具有优异的导电性与可加工性。但其生物相容性较差，并且容易氧化导致导电性变差。针对这个问题，可利用银-金核壳纳米线制备可拉伸性优异的电极，其生物相容性更好，耐氧化性更强，同时保持高导电性。该器件在生理电信号监测方面表现出优异的性能，不仅可以应用于人体皮肤表面，而且可应用于动物心脏表面。

尽管电子皮肤器件在生理电信号传感领域取得了快速发展，但是其离实际应用还较远（见扩展阅读3）。目前在该领域还存在一些问题，例如对电信号的分析还有赖于人工，而将处理器集成于电子皮肤还存在较大挑战；电子皮肤器件中电极和弹性体材料的化学稳定性和生物相容性还需提高。在人体日常活动中，长时间、不规则的运动导致器件与皮肤之间的贴合稳定性较差，影响生理电信号的精确传感和稳定性。这些问题的解决有赖于器件结构的优化及材料性能的提升。