压力诱导漂移伪影在可拉伸液态金属薄膜心电图电极中的产生机制与校准方法

《Advanced Science》：Pressure-Induced Drift Artifacts in Stretchable Liquid Metal ThinFilm Electrocardiogram Electrodes

　　

精确、可靠地监测表皮电生理信号对于先进医疗保健系统和下一代人机接口至关重要。尽管可拉伸薄膜电极已显示出实现精准心电图（ECG）信号采集的潜力，但压力诱导漂移伪影这一问题在很大程度上仍未受到重视。研究人员开发了一种集成液态金属（LM）应变传感器的可拉伸LM薄膜电极，用于同时、原位且定量地研究漂移伪影及其与皮肤形变之间的关系。尽管现有多数研究主要关注应变诱导漂移，研究结果表明，在可拉伸LM电极中，压力诱导漂移伪影更为显著。该工作进一步强调了皮肤-电极阻抗模型在解释压力诱导漂移方面的局限性，并证实其主要来源在于皮肤电位变化。基于此，研究人员利用由应变传感器数据重建的噪声信号，验证了一种自适应滤波方法，用于校正压力诱导漂移。与传统静态滤波方法相比，该方法在抑制不规则压力诱导漂移伪影方面表现出更优性能。

该研究发表于《Advanced Science》，聚焦可穿戴柔性心电监测中的一个长期被忽视但实际应用中极为关键的问题，即可拉伸薄膜心电电极在受压状态下出现的漂移伪影。随着柔性电子和皮肤贴附式器件的发展，可拉伸薄膜电极因其良好的皮肤顺应性，被广泛认为能够有效降低由电极-皮肤界面失配引起的运动伪影，从而提升动态心电图（ECG）采集精度。然而，既有研究大多默认皮肤主要承受拉伸而非压缩，因此对压力干扰关注不足。事实上，人体躯干与四肢在日常活动中频繁遭受压迫，如衣物束缚、手臂支撑桌面、负重接触等，此类机械压力可能对电信号采集稳定性造成重要影响。基于这一现实需求，研究人员系统评估了可拉伸液态金属（LM）薄膜电极在压力作用下的漂移行为，并进一步提出实时校准策略，以提高器件在真实场景中的可靠性。

为实现对心电信号与皮肤形变的同步原位测量，研究人员构建了一种集成环形LM应变传感器的可拉伸LM薄膜电极。该器件采用四层结构，包括上下压敏胶（PSA）层、中间液态金属传感层以及顶部静电纺丝聚氨酯（PU）纤维支撑层，兼具低模量、薄型化和良好贴肤性。实验表明，该电极不仅能够稳定采集ECG信号，还能同步感知邻近皮肤的拉伸与压入形变。通过建立电阻变化与应变/压入深度之间的定量映射关系，研究人员得以将传感器输出转化为实际皮肤形变参数，并据此对漂移伪影开展定量分析。

方法上，研究人员采用丝网印刷制备可拉伸LM薄膜电极，并集成环形应变传感器；利用同步采集系统分别记录ECG与传感器电阻信号，通过Fourier拟合建立电阻-应变/压入深度映射；在人前臂进行拉伸、压入、衣物压迫、负重和旋转等测试，并测量皮肤-电极阻抗；基于线性时不变（LTI）系统假设和一阶RC电路脉冲响应构建压入重建漂移（IR-drift）算法，再结合最小均方（LMS）自适应滤波实现实时校准。人体实验样本来源于经伦理审批的受试者前臂佩戴实验。

2.1 Preparation and Validation of the Testing Platform
本节主要介绍测试平台的构建及性能验证。研究人员开发的可拉伸LM薄膜电极由皮肤黏附层、组装黏结层、液态金属传感层和PU纤维支撑层组成，厚度约200 μm，杨氏模量约96 kPa，可与皮肤形成稳定共形贴附。器件通过丝网印刷工艺制备，具备良好的柔顺性和批量化潜力。电学表征显示，在低频范围内，该电极的皮肤-电极阻抗及本征阻抗均低于商用纽扣凝胶电极。围绕电极布置的环形LM应变传感器可同时响应拉伸与压入刺激，且在不同应变速率和压入量程条件下响应曲线稳定。通过Fourier数值拟合建立形变与电阻变化的定量函数后，拟合精度达到R²=0.998。ECG与应变信号分别由两套系统同步采集并实现时序对齐，为后续漂移分析提供了基础。

2.2 Pressure-Induced Drift Artifacts in Stretchable LM Thin-Film Electrodes
本节系统证明了压力诱导漂移伪影在可拉伸LM薄膜电极中比应变诱导漂移更为突出。研究人员将应变传感器原始电阻曲线转换为皮肤拉伸或压入深度曲线，并从中提取峰值，再结合双前臂导联II ECG数据，通过滑动平均算法估计伪影信号并量化漂移幅值。结果表明，四种可拉伸LM电极在10%应变下产生的漂移通常小于2 mV，而在约3 mm压入深度下，漂移幅值可超过7 mV。即便采用导电凝胶和银纳米线（AgNW）等表面修饰降低应变影响，也无法显著减轻压力诱导漂移。更多受试者的重复实验进一步验证了该现象的可重复性，且尽管存在个体差异，压力与应变所致漂移之间仍具有显著差异。日常场景测试也显示，衣物压力和提重等含有明显机械压迫的情境会引发显著漂移，而以前臂旋转为代表的主要拉伸情境则不表现出显著相关漂移。

进一步地，研究人员检验了传统皮肤-电极阻抗模型对这一现象的解释能力。既往研究通常将漂移归因于外力作用下皮肤-电极阻抗变化，但本研究的阻抗测试结果与漂移表现并不一致。在相同条件下，压入引起的阻抗变化小于拉伸，但其引发的信号漂移却远高于拉伸；LM/AgNW/Gel电极虽具有更大的阻抗变化，却表现出更小漂移；不同电极阻抗变化方向不一，而漂移方向却一致。对6名受试者数据的统计分析进一步显示，阻抗变化在拉伸与压入条件下无显著差异，而漂移存在显著差异，且阻抗变化与漂移之间相关性弱且无统计学意义。由此说明，皮肤-电极阻抗变化并不是压力诱导漂移的主要来源。

基于上述矛盾，研究人员提出皮肤电位变化模型解释压力诱导漂移。该模型认为，皮肤内外层之间存在经表皮电位差，压入导致电荷积累及该电位差变化，从而在ECG中表现为高度相关的基线漂移。同步记录ECG与压入深度后发现，漂移伪影呈现快速上升、缓慢衰减的动态特征，与皮肤在压入后的收缩与松弛过程相对应。研究人员进一步将这一过程抽象为由扰动源（DS）和RC耦合通路（CP）构成的模型：扰动源对应机械压力诱导的经表皮电位变化，RC通路则描述其向记录信号中传递并形成漂移输出的过程。由于阻抗变化影响较小，RC参数可视为常量，这为后续信号重建提供了理论基础。

2.3 Indentation-Reconstruction Drift (IR-drift) Method and Its Application
在明确压力诱导漂移的主要来源后，研究人员进一步提出基于压入深度重建漂移伪影的IR-drift方法，并用于实时校准。该方法假设“压入深度→漂移伪影”的转换满足线性时不变（LTI）系统的叠加性与齐次性，因此任意输入都可以视为若干单位冲激的线性叠加，只要获得系统的单位冲激响应h(t)，即可由输入重建输出。受一阶无源RC高通滤波器冲激响应启发，研究人员构建了压入深度与漂移伪影之间的冲激响应函数，并通过无梯度、基于规则的迭代优化得到参数α和β，以最大化重建漂移与实测漂移之间的相似性。

在具体实施中，研究人员先将应变传感器的电阻响应转换为压入深度数据，再利用离散卷积计算得到IR-drift信号，最后将其从原始ECG（OR-ECG）中相减，得到校准后的ECG（CA-ECG）。结果表明，原始ECG在压力作用下会出现明显大于有效波形的低频漂移；由压入深度重建得到的IR-drift与该漂移高度相似；直接相减后，漂移峰值可由5 mV降至2 mV，表明该方法具备有效校准能力。

为了进一步提升校准效果，研究人员引入基于最小均方（LMS）算法的自适应滤波策略。该策略以IR-drift为输入信号，以OR-ECG为期望信号，通过参数可调数字滤波器不断更新权重，使误差信号最小化。经过自适应处理后得到的IR-drift+更贴近原始ECG中的实际漂移成分，将其从OR-ECG中扣除后得到的CA-ECG+基线漂移可进一步降低至0.5 mV以下。与传统实时静态滤波方法，如中值滤波和IIR高通滤波相比，该方法在漂移抑制方面提高约50%。利用Pan and Tompkins（P&T）算法进行R峰定位后发现，经该方法校准的信号在召回率、精确率和F1分数上均优于其他方法，F1分数提高0.149，说明该方法不仅改善了基线稳定性，也提升了后续特征识别性能。此外，该方法具备自校准能力，相比固定参数静态滤波器，更能适应不同频域分布的压力干扰。

讨论部分指出，压力诱导皮肤电位变化的可能生理机制与皮肤不同层间离子（如Na⁺、K⁺）的不对称分布有关。正常情况下，角质层与颗粒层及其以下活细胞层之间存在稳定离子浓度梯度，并通过被动扩散与主动离子泵维持一个内正外负的经表皮电位。机械形变可能通过改变该半透结构的离子通透性，迅速调制经表皮电位，从而形成漂移扰动。与宏观拉伸相比，轻度压入更容易压缩狭窄的细胞间通道，因此对离子通透性的影响可能更显著。不过，作者同时强调，这一解释目前仍属于机制性假说而非最终定论，持续形变是否还会影响主动离子转运，仍需后续研究。研究还指出，当前液态金属应变传感器主要依赖几何形变响应，灵敏度与线性度仍有限，未来提升传感器线性度将有助于提高电阻-压入映射精度与漂移重建精度，而提高灵敏度则更有助于降低前端采集电路分辨率需求和系统功耗。对于肌电图（EMG）应用，作者认为由于皮肤形变可能直接改变皮下肌肉形态和激活模式，本研究仅考虑传输路径中经皮电位干扰的模型仍需进一步扩展，纳入信号源变化因素。

研究结论部分表明，该工作证实了压力诱导漂移运动伪影会对可拉伸液态金属薄膜ECG电极的信号质量造成严重影响，并突出了这类伪影与皮肤电位模型之间的密切关系。研究人员进一步提出了一种利用皮肤形变数据重建此类伪影的方法，并将其应用于ECG实时校准，以抑制不规则压力干扰引起的噪声。该研究的重要意义在于打破了薄膜ECG器件研究中对压力干扰长期忽视的现状；同时，所提出的压入重建漂移（IR-drift）算法也为实现更稳健的ECG信号采集提供了新思路。未来，该工作仍可通过算法创新与系统集成验证进一步拓展。