编辑推荐：
在心电图监测中，传统电极存在诸多问题，如金属电极易产生运动伪影，湿 Ag/AgCl 电极会刺激皮肤且不可重复使用。研究人员对银纳米棒嵌入聚二甲基硅氧烷（AgNRs-PDMS）的柔性干电极展开研究。结果显示，该电极信号质量优、易使用且可重复利用，有望替代传统电极用于临床心电图监测。
在医疗领域，心电图（ECG）监测是评估心脏健康的重要手段。然而，当前用于心电图监测的电极却存在不少问题。金属电极作为干电极，质地坚硬，在使用过程中容易受到人体运动的影响产生伪影，而且使用时需要对皮肤进行 abrasion 处理并涂抹导电凝胶 ，这给患者带来了不便。湿 Ag/AgCl 电极虽然凭借其凝胶层能与皮肤保持稳定接触，可长时间使用后，凝胶不仅会刺激皮肤，其脱水现象还会降低 ECG 信号质量，并且该电极无法重复使用。
与此同时，心血管疾病（CVDs）已成为全球范围内的主要致死原因之一。据世界卫生组织（WHO）数据，2021 年 CVDs 导致了 2050 万人死亡，占全球总死亡人数的三分之一。对于 CVD 患者而言，持续的 ECG 信号监测至关重要，这能够及时发现心脏异常活动，而自动化分类系统可在检测到不规则心脏活动时提前发出警报，有效降低 CVD 患者的死亡风险。
在这样的背景下，印度理工学院德里分校和全印度医学科学研究所的研究人员开展了一项研究，旨在评估银纳米棒（AgNRs）嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）的柔性干电极用于心电图监测的性能，并与市售金属电极进行对比。该研究成果发表在《Scientific Reports》上，为临床心电图监测电极的选择提供了重要参考。
研究人员运用了多种关键技术方法。在电极制备方面，采用 glancing angle deposition（GLAD）技术在硅基底上生长 AgNRs，随后将其与 PDMS 混合制成电极。在实验过程中，借助 Field emission scanning electron microscopy（FESEM）分析电极表面形态，利用 LCR meter 测量皮肤 - 电极阻抗。在 ECG 信号分析阶段，运用多种滤波算法对信号进行预处理，通过计算信噪比（SNR）、功率谱密度（PSD）等参数评估信号质量，同时使用主成分分析（PCA）和支持向量机（SVM）对心律失常进行分类。研究样本来自 50 名受试者（40 名男性，10 名女性；年龄范围：20 - 74 岁），其中 41 名患有心血管疾病，9 名为正常受试者。
一、电极的表面形态与皮肤 - 电极阻抗
通过 FESEM 观察发现，AgNRs 呈棒状，平均直径 150nm，长度 1μm，均匀分布在 PDMS 膜上。在皮肤 - 电极阻抗测量实验中，结果显示 AgNRs-PDMS 电极的阻抗最低，在 20Hz 时为 77.3 ± 21kΩ ，1kHz 时为 3.7 ± 0.9kΩ 。这表明该电极与皮肤的接触效果良好，能够有效降低界面阻抗，为获取高质量 ECG 信号奠定了基础。
二、基于 SNR 的性能评估
计算 45 名受试者的 ECG 信号 SNR 后发现，AgNRs-PDMS 电极的 SNR 表现更优。经配对 t 检验，p 值接近 0，差异具有统计学意义。即便去除电力线干扰后重新计算 SNR，AgNRs-PDMS 电极的改善幅度仍显著大于金属电极，进一步证明其在信号质量方面的优势。同时，该电极获取的 ECG 信号最大振幅和平均振幅与金属电极相比，也具有可比性或更优，表明其能够有效记录 ECG 信号。
三、功率谱密度（PSD）分析
对 AgNRs-PDMS 电极和金属电极的 PSD 进行分析，结果显示尽管 AgNRs-PDMS 电极因表面积大受电力线干扰影响，在 49 - 51Hz 范围内信号功率较高，但在所有频率范围内，两种电极的信号功率分布相似。这意味着 AgNRs-PDMS 电极能够捕获与金属电极相同的 ECG 信号特征，保证了信号质量。
四、心率（HR）相关评估
通过 Bland - Altman 图、配对 t 检验和计算相关系数等方法对两种电极检测 HR 的能力进行评估。结果表明，AgNRs-PDMS 电极与金属电极检测的 HR 数据差异极小，相关性高达 99.592% ，证明该电极能有效检测 HR，且在不同年龄的成人和老年患者中均表现出较高的有效性。此外，该电极能够准确检测出心动过速和心动过缓，进一步验证了其在心率监测方面的可靠性。
五、自动心律失常检测
研究人员利用基于 R - R 间隔和 SVM 的方法对心律失常进行自动检测。基于 R - R 间隔的分类模型在多个测试数据集上的准确率达到 97%，SVM 模型的准确率为 93%。这表明使用 AgNRs-PDMS 电极获取的 ECG 信号质量足以支持可靠的自动心律失常分类。
在研究结论与讨论部分，AgNRs-PDMS 柔性干电极在与市售金属电极的对比研究中展现出诸多优势。在临床连续监测场景下，其信噪比表现优于金属电极；PSD 分析证实两种电极均可捕获完整的 ECG 信号成分，但 AgNRs-PDMS 电极受电力线噪声影响较大，后续需加强电磁干扰（EMI）屏蔽措施。综合各项参数的统计对比结果，充分体现出 AgNRs-PDMS 电极在临床应用中的高效性。与传统的湿 Ag/AgCl 电极相比，该干电极无需凝胶层，避免了由此导致的高皮肤 - 电极阻抗和低信号质量问题，银纳米棒的高导电性和大表面积有效解决了干电极常见的难题。不过，该电极也存在一定局限性，如粘性较低，有时需要借助医疗胶带或绑带来确保 ECG 信号稳定。研究人员基于现有成果开发的心律失常自动分类模型，在测试中表现出高准确率，为未来利用 AgNRs-PDMS 电极进行心律失常检测提供了有力支持。这项研究为临床心电图监测电极的选择和改进提供了重要依据，推动了柔性干电极在医疗领域的应用发展。
