皮肤附着、超可拉伸和共形可穿戴心电图设备及制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年6月18日提交的美国临时专利序列号No.63/212,128的权益，该申请通过引用整体(包括任何表格、附图或图)并入本文。

背景技术

目前，提供用于监测电生理信号的有效路径的可穿戴生物感测系统在医学和健康护理领域中普遍存在。例如，当患有发作性心脏病(例如阵发性房性心律失常)的患者需要长期心电图(ECG)监测时，使用非固定心电图设备(Holter)，在医院中进行的标准ECG的短暂记录期间难以预测和检测发作性心脏病[1][2]。在过去十年，针对长期心脏健康监测，已经开发了许多类型的可穿戴设备，例如小尺寸和高柔性的集成ECG传感器[3][4][5]、皮肤上纹身(E-Tattoos)[6][7]、智能纺织电极[8]、胶带上的柔性干电极[9][10]、和基于功能化的导电聚合物的湿电极[11][12]。

然而，由于缺乏根据特定导联方法的灵活电极放置，这些具有固定位置的单导联ECG传感器或多导联电极通常不能提供用于疾病诊断的准确ECG波形，所述灵活电极放置是提供用于准确诊断特定心脏疾病症状的足够矢量信息所需要的[13][14]。特别地，这些ECG设备很少能实现标准的12导联ECG方法的性能，该方法通常涉及在患者身体的特定位置上的同时测量12个不同矢量中的ECG的10个电极。根据用于诊断的导联方法，6个电极(V1至V6)被放置在胸腔上的精确位置，并且剩余的4个电极分别被放置在右臂(RA)、左臂(LA)、右腿(RL)和左腿(LL)上。12导联ECG被普遍接受为心律失常诊断的“金标准”，并且还对心肌缺血检测起到重要作用。由于这两种疾病都可能间歇地出现，因此有必要开发一种可穿戴的多导联ECG电极贴片设备，其可变换用于电极位置调整、长期粘合以用于稳健的信号感测、以及柔软且共形以使患者舒适。不幸的是，没有传统的可穿戴的多导联ECG贴片设备能令人满意地满足这些要求。

发明内容

在本领域中仍然需要用于获取和监测心脏电活动的可穿戴多导联电极贴片设备和制造贴片设备的方法的改进设计和技术。

本发明的实施例涉及用于感测测试对象的心脏活动的心电图

(ECG)设备的系统和方法。心电图设备包括多个电极；以及多个桥，其连接多个电极中的相邻电极；多个电极中的每个电极具有以下结构：该结构包括第一层和设置在第一层之上的第三层、设置在第一层和第三层之间的液态金属的第二层、以及设置在第三层上的导电材料的第四层，以及液态金属的第二层与导电材料的第四层电连接。此外，每个电极还可以包括金属膜，该金属膜将液态金属的第二层与导电材料的第四层连接，并且该金属膜由铜制成。第一层和第三层由可拉伸材料形成，使得心电图(ECG)设备是皮肤附着的、高度可拉伸的并且共形的。可拉伸的第一层和第三层中的每一个由Ecoflex材料形成。电极的第一层中的每一个在第一层的顶表面上形成有至少一个微通道，用于容纳第二层的液态金属。多个桥中的每一个具有以下结构：该结构包括可拉伸的第一层、设置在第三层上的可拉伸的第三层以及设置在第一层和第三层之间的液态金属的第二层，其中，可拉伸的第一层具有形成在可拉伸的第一层的顶表面上的至少一个微通道，并且液态金属的层设置在至少一个微通道中。第四层的导电材料是导电水凝胶。此外，多个桥中的每个桥的可拉伸的第一层、液态金属的第二层和可拉伸的第三层分别与桥所连接的电极的第一层、液态金属的第二层和第三层连接。电极的液态金属的第二层与用于接收和/或发送电信号的外部数据采集设备连接。电极的第三层中的每个形成有用于容纳第四层的凹槽。多个电极可以包括十个电极。

根据本发明的实施例，提供一种用于制造心电图(ECG)设备的方法。该方法包括：将可拉伸材料脱气，将可拉伸材料施加到模具中，并在预定温度下加热具有可拉伸材料的所述模具以进行固化；固化第一层并从模具剥离第一层，在第一层中形成至少一个微通道；将液态金属材料加入至少一个微通道中；形成脱气的可拉伸材料的第二层；将第二层放置在容纳液态金属材料的第一层的顶部上，以用于接合；通过第二层的通孔插入金属膜以接触液态金属材料；用二苯甲酮(BP)溶液处理第二层以获得固体界面；清洗和干燥由前述步骤获得的结构；在室温下将BP溶液施加到结构的表面上，达预定的时间；清洗和干燥结构的表面；将水凝胶溶液施加到BP处理后的结构的顶表面上；以及立即从底部通过UV照射处理所得结构。可拉伸材料可以是Ecoflex 00-30。液态金属材料可以是EGaIn。金属膜可以由铜制成。BP溶液可以通过将BP溶解在由65％丙酮和35％ DI水形成的溶剂中而形成。BP溶液具有10wt％的BP浓度。另外，水凝胶溶液是通过以下步骤制备：将一定量的多巴胺(DA)粉末溶于去离子水中，然后加入一定量的NaOH水溶液；将所得混合物在室温环境条件下保持搅拌达预定的时间，以通过碱诱导预聚合过程使DA自聚合成聚多巴胺(PDA)链；将丙烯酰胺单体、过硫酸铵和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液加入到PDA溶液中，在冰浴中搅拌预定的时间，使各组分均匀分散；以及将一定量的甘油与DI水混合以形成甘油-水二元溶剂，并将混合物加入到PDA溶液中，随后加入四甲基乙二胺。

在本发明的某些实施例中，提供了一种心电图系统，包括：上述心电图(ECG)设备，用于感测测试对象的心脏活动；一个或多个电子部件，其从心电图(ECG)设备的电极接收ECG信号；以及处理部件，其接收从一个或多个电子部件发送的电信号并处理接收到的电信号。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的用于非固定监测的皮肤附着、超可拉伸的和共形的可穿戴心电图设备的示意图，该可穿戴心电图设备具有包括多个电极的12导联心电图(ECG)贴片的布置。

图2是根据本发明的实施例的可穿戴心电图设备的电极的分解图。

图3是根据本发明的实施例的可穿戴心电图设备的互连的示意图。

图4A和图4B是根据本发明的实施例的可穿戴心电图设备的示意图，示出了12导联ECG贴片的尺寸参数。

图5是根据本发明的实施例的用于制造可穿戴心电图设备的方法的示意图。

图6是示出根据本发明的实施例的图1的可穿戴心电图设备的示意图，该心电图设备附接到测试对象并且耦接到用于非固定监测的无线ECG系统。

图7A示出了根据本发明的实施例的具有拉伸/未拉伸通道的3个单导联电极心电图设备，图7B示出了根据本发明的实施例的由3个单导联电极心电图设备获得的ECG记录的数据图。

具体实施方式

本发明的实施例示出了一种皮肤附着的、超可拉伸的、共形的可穿戴多导联心电图(ECG)设备以及用于制造ECG设备的方法。

本文所用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，而不是要限制本发明。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。如本文所用，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一个(a和an)”和“该(the)”旨在包括复数形式以及单数形式。还将理解，术语“包括(comprise和/或comprising)”在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。

除非另有定义，否则本文所用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。还将理解，诸如在常用词典中定义的那些术语的术语应当被解释为具有与它们在相关领域和本公开的上下文中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的意义来解释，除非在此明确地如此定义。

当术语“约”在本文中与数值结合使用时，应理解该值可以在该值的90％至该值的110％的范围内，即该值可以是所述值的+/-10％。例如，“约1kg”是指0.90kg至1.1kg。

在描述本发明时，应当理解，公开了许多技术和步骤。这些技术和步骤中的每一种都具有各自的益处，并且每种都可以与一种或多种(或者在一些情况下全部)其它公开的技术结合使用。因此，为了清楚起见，本说明书将避免以不必要的方式重复各个步骤的每个可能的组合。然而，应当理解，说明书和权利要求书应被理解为这样的组合完全在本发明和权利要求书的范围内。

参考图1，示出了具有10个电极(包括V1、V2、V3、V4、V5、V6、LA、RA、RL和LL)的可穿戴的12导联ECG心电图设备。心电图设备被配置为可拉伸的，允许单独电极的位置是可调节的。心电图设备的电极通过多个桥连接，所述桥具有嵌入其中的液态金属。多个桥中的每个包括形成在桥的弹性体基底上的至少一个微通道。液态金属被注入到桥的至少一个微通道中。因此，心电图设备可以容易地粘附到测试对象的胸部上，以便在现实应用中进行ECG测试。

如图2所示，心电图设备包括四层。液态金属互连件夹设于两个硅橡胶(Ecoflex)层之间，并通过金属薄膜与导电水凝胶层连接。

在一个实施例中，金属薄膜是铜薄膜。在某些实施例中，金属薄膜可以由铂、金、银、氯化银和导电不锈钢中的一种制成。在一个实施例中，液态金属互连件由包括镓、镓合金和汞的液态金属中的一种制成。

参考图3，液态金属互连件嵌入在桥中，并且经由I/O端口与ECG系统的外部数据采集设备连接。电极V4、V5、LA、V6、LL可设置在ECG设备的一侧(从顶部到底部)，而电极V3、V2、RA、V1、RL可设置在ECG设备的相对侧(从顶部到底部)。

在一个实施例中，如图4A所示，四个桥连接到LA、LL、RA和RL，并且每个桥具有长度为10cm、宽度为6mm的尺寸。每个互连件的宽度为1mm，蛇形微通道的内直径和外直径分别为r1＝1.4mm和R＝2.4mm。对于连接V1至V6的3桥结构，每个桥被形成为具有4.6mm的宽度和3cm的长度。3桥结构中的互连件均具有0.8mm的宽度，蛇形微通道的内半径和外半径分别为r1＝0.8mm，R＝1.6mm。I/O焊盘被设计成与标准的2.54mm公头引脚连接，每个微通道的中心之间的距离为2.54mm。

注意，贴片是高度可拉伸的，并且能够根据测试对象的运动而适应性地调整。然而，导电路径的变形，尤其是互连件的截面面积的变形，可能改变导线的电阻，并且因此影响检测到的信号。因此，互连件可以形成为具有蛇形形状。蛇形形状的曲线改变了对抗拉伸的形状，而不是改变路径的横截面，使得在贴片的变形期间保持稳定的电特性。

图4B示出ECG设备的电极的截面图。电极的总厚度为2mm，包括厚度为1.2mm的可由Ecoflex制成的基底和厚度为0.8mm的水凝胶层。基底具有两层，包括在底部具有至少一个微通道的第一层和具有用于容纳水凝胶的例如正方形形状的凹槽的第二层。两层中的每一层的厚度为1mm。用于容纳液态金属的微通道的深度为0.5mm，液态金属圆柱在电极中心处的直径为3mm。通过Ecoflex的通孔将直径为2mm的铜薄膜插入到液态金属中，用于连接液态金属和水凝胶。在一个实施例中，基底可以由柔性和可拉伸的弹性体聚合物(如橡胶、聚对二甲苯-C、聚二甲基硅氧烷硅酮树脂184、聚氨酯、乳胶或VHB)制成。

在一个实施例中，水凝胶层可以由导电水凝胶(如基于PAM/PEGDA/PVA/PAA的水凝胶)制成。

图5示出了用于制造可穿戴心电图设备的方法，其中制造两个定制的铜模以图案化Ecoflex膜的两个层，其包括形成有至少一个微通道的第一层和形成有用于容纳水凝胶的凹槽的第二层。

该方法包括七个步骤。首先，在步骤510，将材料Ecoflex 00-30脱气并倒入模具中，随后在烘箱中在60℃下加热。在完全固化之后，在步骤520，从模具剥离第一层，并用预先用异丙醇清洗过的载玻片压制第一层，以形成微通道。在该步骤中应避免过大的压力，以防止对微通道造成损坏。

然后，在步骤530，用注射器将EGaIn材料注入微通道，然后移除载玻片。然后在步骤540，将脱气的Ecoflex薄层倒在含有填充了液态金属的微通道金属的第一层的顶部，然后将第二层放置在第一层的顶部以进行接合。

接着，在步骤550，通过第二层插入薄铜膜以接触液态金属，并在Ecoflex基底的电极部分的中心处用Kafuter胶密封薄铜膜。然后用二苯甲酮(BP)溶液处理Ecoflex基底，以获得与水凝胶的稳健界面。

接着用甲醇和去离子(DI)水彻底清洗电极结构，并用N

然后，在步骤560，以如下方式制备水凝胶。

在加入300μl的1.5M NaOH水溶液之前，首先将0.02g多巴胺(DA)粉末溶解在5mlDI水中。将混合物在室温环境条件下搅拌20分钟，以通过碱诱导预聚合过程使DA自聚合成PDA链。接着，将2.5g丙烯酰胺单体、0.25g过硫酸铵和200μl N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液(2％的水溶液)加入到PDA溶液中，在冰浴中搅拌10分钟，使各组分均匀分散。然后，将2ml甘油与2ml DI水混合以形成甘油-水二元溶剂，并加入到PDA溶液中，随后加入20μl四甲基乙二胺。

接着，在步骤570，在搅拌几秒之后，将溶液倒入Ecoflex基底上的BP处理的电极结构中，并且由于PDA的UV屏蔽特性，立即从底部进行UV照射处理。在UV处理期间，单体聚合形成水凝胶，并且在水凝胶与弹性体之间获得稳健的界面杂化物。结果，在步骤580，获得了皮肤附着的、超可拉伸且共形的可穿戴ECG心电图设备。

可穿戴ECG设备包括作为防水罩的硅橡胶弹性体、作为电互连件的液态材料、以及作为粘合层的超可拉伸的聚多巴胺基水凝胶。此外，ECG贴片包括至少两个电极，并且与桥连接，以在拉伸期间提供非均匀变形，以用于电气稳定性和皮肤电极稳健性。

材料和方法

在以下两个示例中，可穿戴ECG心电图设备的实施例用于检测实时ECG信号以执行远程诊断。

示例1：用于远程诊断的可穿戴ECG心电图设备

图6是与无线监测系统一起工作的本发明的12导联ECG心电图设备的一个示例性实施例的示意性表示。跑步测试者的ECG心电图设备粘在其胸口，用来监测ECG信号。ECG心电图设备的电极能够拉伸并粘在准确的位置。此外，ECG心电图设备可以连接到一个或多个电子部件，所述电子部件从ECG设备的电极接收ECG信号并将ECG信号发送到接收单元或远程通信站或任何合适的设备。相应的信号优选地通过无线电波发送。接收单元能够是ECG监测器、蜂窝电话、计算设备、或中继和/或处理接收到的信号并能够可选地将指令发送到另一远程位置(例如医生办公室或任何其它监测服务)的任何其它类型的设备。

示例2：用于实时ECG监测的单导联电极心电图设备

在本发明的另一实施例中，通过简单地改变弹性体铜模和相应的传感器系统，上述ECG心电图设备的制造方法能够用来制造具有不同导联的ECG心电图设备。因此，能够制造3个单导联电极ECG心电图设备，用于测量实时ECG信号，如图7A和图7B所示。

本发明的实施例涉及一种具有自粘合的基于水凝胶的电极的高度可拉伸的ECG心电图设备，以在日常生活中实现沿着皮肤的优良顺应性。为了实现具有稳定的ECG信号测量的可拉伸ECG心电图设备，ECG心电图设备被设计成具有3桥结构，以允许电极部分的最小变形，而主要变形优选地发生在桥上。将在大的拉伸变形下具有优异的电气稳定性的液态金属(例如共晶镓-铟(EGaIn))注入到桥的微通道中，以用作互连件。提供非均匀应力和变形分布的3桥结构还能够减小水凝胶粘合剂层的剪切力以用于稳健的皮肤-电极附着。另外，采用甘油-水混合物作为PDA-PAM水凝胶的二元溶剂，以在不同条件下保持长期的机械稳定性。具有可拉伸性、柔性和粘附性的ECG心电图设备提供了稳健、共形和舒适的皮肤-电极接口，用于在测试对象移动或出汗时采集稳定的ECG信号。此外，电极的可缩放设计和可调节位置允许开发用于ECG心电图设备的15导联或其他多导联ECG动态心电图(Holters)。可拉伸互连件嵌入在ECG心电图设备中，以使由向外连接到信号处理系统的引线的摇动产生的噪声最小化，从而使得能够在运动事件期间进行ECG信号监测。

本发明的实施例提供了以下关键优点。

关键优点1：可拉伸ECG心电图设备的桥的互联件设计提供了拉伸下的非均匀应变分布。

关键特征2：为了提高可拉伸性和电气稳定性，通过将液态金属填充到蛇形微通道中来制造桥的互连件。

关键特征3：自粘层由聚多巴胺/聚丙烯酰胺甘油-水水凝胶制成，可长期使用。

因此，可穿戴多导联ECG心电图设备具有皮肤附着、高拉伸性和共形性。部分地由于包含在循环拉伸期间同时维持高导电率和稳定电阻的液态金属互连件的“3桥”结构的非均匀变形，而实现ECG心电图设备的优越特性。这些特征确保了当ECG心电图设备在日常使用期间经受变形或者根据不同的导联方法被放置在身体的不同部位上时的稳定的ECG信号测量。此外，ECG心电图设备是可扩展的，因为保留了3桥结构上没有互连件的剩余桥以用于将更多电极连接到ECG心电图设备。该设备能够被生物相容且可拉伸的硅橡胶Ecoflex覆盖，该硅橡胶Ecoflex用作钝化层并达到防水的效果。为了实现共形且稳健的皮肤-电极界面，粘合层由基于聚多巴胺(PDA)的甘油-水凝胶形成，该甘油-水凝胶在各种测量条件下具有高可拉伸性和良好的组织粘附性。ECG心电图设备的互连件能够连接到外部无线数据采集系统以最小化引线的影响。因此，ECG心电图设备提供舒适且稳健的皮肤-电极接口，其在用于健康护理监测或医疗实践的长期ECG测量期间具有大的信号稳定性。

本文所参考或引用的所有专利、专利申请、临时申请和出版物均通过引用整体(包括所有附图和表格)并入本文，其程度为它们与本说明书的明确教导一致。

应当理解，本文所述的示例和实施例仅用于说明性目的，并且本领域技术人员将想到根据其的各种修改或变化，并且这些修改或变化将包括在本申请的精神和范围以及所附权利要求的范围内。此外，本文公开的任何发明或其实施例的任何要素或限制可以与本文公开的任何和/或所有其它要素或限制(单独地或以任何组合)或任何其它发明或其实施例组合，并且所有此类组合在本发明的范围内被考虑而不限于此。

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