首尔国立大学电气与计算机工程系的Jerald Yoo教授领导的研究团队开发了一种无电池的皮肤贴合式健康护理系统"SkinECG"，能够测量心电图(ECG)信号。通过将能量收集与人体耦合功率传输相结合，该研究为可穿戴设备中最关键的挑战之一：供电问题，提出了一种新解决方案。
该研究成果发表在《科学进展》(Science Advances)上。
可穿戴健康护理系统正作为下一代医疗技术崭露头角，通过佩戴在身体上的传感器实现实时监测生理信号，从而能够早期检测与疾病相关的异常。
心电图(ECG)传感器就是一个典型例子，它测量心脏产生的电信号，对于检测心律失常等心血管疾病至关重要。
然而，在可穿戴设备的商业化和长期使用方面仍存在一个主要障碍：电池。电池增加了设备的尺寸和重量，降低了可穿戴性，一旦耗尽，就会中断生理信号的收集。此外，需要定期充电和更换给用户带来不便，使得连续长期健康监测变得困难。
为克服这一挑战，研究人员探索了能量采集技术，将环境能源（如光、热和运动）转换为电能。然而，一个根本性限制仍然存在：最佳能量采集位置通常与最佳生理信号测量位置不同。
例如，ECG传感器通常放置在胸部，而太阳能电池在阳光照射的身体区域（如手臂或腿部）工作最有效。这就产生了研究团队所称的"位置不匹配"：最佳能量采集位置通常与最佳生物信号测量位置不同。
解决能量位置不匹配
为克服这种位置不匹配，Yoo教授团队提出了一种新型供电架构，通过无线方式将能量从一个或多个佩戴在身体上的能量采集设备传输到远程的ECG传感器。
开发的SkinECG系统由一个集成柔性电路板和定制设计的ECG传感半导体芯片的皮肤粘附性水胶体贴片，以及一个将从多个设备收集的能量传输到传感器的多源无线供电网络组成。该技术在研究中被称为正交能量收集网络(O-EHN)。
一个或多个能量采集单元将环境能量转换为电能，然后通过人体耦合功率传输无线传输到安装在胸部的ECG传感器。通过在正交频率上传输功率，采集器减少了功率信号之间的干扰，允许灵活调整采集器的数量和放置位置，同时保持对ECG传感器的稳定供电。
沿皮肤引导无线功率
传统的无线功率传输方法依赖通过空气的电磁辐射。然而，在人体附近，电磁波经常被吸收或散射，导致功率传输效率显著下降。
为克服这一限制，Yoo教授团队采取了不同的方法：不是远距离辐射功率，而是沿着皮肤表面引导功率。
通过使用人体耦合功率传输，团队无需电线即可将来自身体上能量采集器的功率无线传输到ECG传感器。为防止多个电源之间的干扰，每个采集器被分配了不同的频率通道，确保传感器稳定接收功率。
该系统的设计也考虑了人体安全。耦合到人体的功率保持在与日常环境中环境电磁暴露相当的水平，确保对人体使用的安全性。
迈向更广泛的无电池健康监测
研究人员证明，ECG传感器可以通过仅依靠能量采集来供电，无需电池或有线连接。该系统还减少了对能量采集器数量和放置位置的限制，并与现有商用能量采集技术兼容，显示出扩展到各种可穿戴健康护理设备的强大学习潜力。
该技术不仅可以应用于心电图监测，还可以用于肌电图(EMG)和脑电图(EEG)等其他生理信号的长期测量。此外，它有望成为解决可穿戴电子设备和植入式医疗设备中供电挑战的基础解决方案。
Jerald Yoo教授解释说："在可穿戴健康护理系统中，一直存在一个根本性限制，即采集环境能量的最佳位置与测量生理信号的最佳位置不同。本研究通过实现沿人体表面的无线功率传输解决了这个问题。"
他补充说："通过将耦合到人体的功率限制在日常生活中遇到的水平，我们在考虑人体安全的同时，展示了无需笨重电池即可向ECG传感器提供稳定功率传输。"
"这种方法可以扩展到能够操作EMG和EEG等各种生物信号传感器的多模态数字健康护理平台，以及更广泛的可穿戴供电技术。"
这项研究是由首尔国立大学Yoo教授团队领导的国际合作，有东京大学和新加坡国立大学的参与。研究团队预计，这些结果将标志着解决下一代可穿戴健康护理系统供电挑战的重要一步。
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