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基于水凝胶电极的可穿戴心电贴片

发布时间:2026-05-11

主要完成人:段利洋 所属单位:天津大学

基于导电材料掺杂的水凝胶,可具有优于传统水凝胶的特性。液态金属印刷在聚氨酯基底上,可实现电路系统的可拉伸互联。该产品首先基于PEDOT:PSS掺杂构建导电水凝胶,并基于液态金属实现可拉伸互联,随后在聚酰亚胺基底上集成柔性电路板,实现心电信号的采集,传输,并在手机端构建APP,集成算法,实时计算心率,HRV指标,并基于数据库训练室颤风险模型,进行实时室颤评估,实现预警。在应急救援场景下,该产品可实现即贴即用,快速诊断,实时分析,无需大型分析设备和专业医生,实现救援过程中相关人员的心脏风险预警。

适用范围:

超软高导电PAM水凝胶;柔性高导电碳布;镓铟共晶合金导线;TPU柔性基底 水凝胶采用聚丙烯酰胺(PAM)作为作为主网络,具有与皮肤相近的模量,紧密贴附皮肤,具有很好的舒适性。PEDOTPSS作为主要导电掺杂物,具有良好的导电性;导电碳布通过原位聚合的方式结合水凝胶,作为信号的集电层,确保良好信号接触的同时不破坏系统的柔性;改性的镓铟共晶合金(液态金属),通过点胶打印的方式在基底上绘制成互连线,具有超高电导率以及可拉伸性。热塑性聚氨酯弹性体(TPU)作为整个系统的基底,同样具有柔软、良好贴合的特点并且很好的保护液态金属导线;主板采用柔性电路板形式,在很小的面积内集成了采集模块、蓝牙模块。整个心电采集系统采用了全柔性的设计方式,非常适合可穿戴生理采集的形式。

1. 高导电性:电极整体的高导电性来自于几个方面。第一,作为采集点的水凝胶采用了改性的PEDOT :PSS掺杂方式,极大改善了水凝胶的导电性,经EIS方法测量。这种方法制作的水凝胶电导率可达14S/m,在导电水凝胶领域处于领先,且远高于商用一次性凝胶电极的导电凝胶。第二,在导电水凝胶和导线之间设计了碳布作为集电层,能够很好的将水凝胶传递的离子电流以及在水凝胶中转换电子电流收集起来,并且原为聚合的方式使得碳布和水凝胶的接触更加充分且稳固,减少了由于界面剪切摩擦产生的运动伪影的产生。第三,液态金属作为导电墨水,导电性与导电银浆墨水相近,在拉伸性方面远强于银墨水,经测试,在100%拉伸情况下仍能保证电路导通,且随形变电阻改变比较均匀且在合理范围内,拉伸至原来2倍的同时电阻增长2.5倍,约在10e-1Ω2. 低模量、较好粘附性:选择水凝胶作为与皮肤直接接触的测量区域,与传统商用一次性凝胶电极相比粘附性相近,均能很好的克服剪切方向的滑移,水凝胶的低模量使得在测量区域发生形变时,水凝胶内部网络能够通过能量耗散的方式克服形变对测量系统的影响,从而减少了运动伪影,这是传统商用一次性凝胶电极不能做到的。柔性电极、柔性基底加之柔性电路板的全柔性系统,相较于现在市面上的心电采集设备,更加用户友好,更加舒适、测量更精准的同时更能满足不同使用场景的需求。

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