表面生物電織物干電極測試平臺的制作及性能評價

李 莎，陳 雨，劉 皓， 宋晉忠

（1.天津工業(yè)大學機械工程學院，天津 300387；2.中國航天員科研訓練中心，北京 100094）

表面生物電織物干電極測試平臺的制作及性能評價

李 莎1，陳 雨1，劉 皓1， 宋晉忠2

（1.天津工業(yè)大學機械工程學院，天津 300387；2.中國航天員科研訓練中心，北京 100094）

為定量評價表面生物電織物干電極的性能，本文提出了一種表面生物電織物干電極性能評價的測試平臺，該平臺能夠模擬人體的皮膚特性、調(diào)節(jié)電極/模擬皮膚間的壓力、相對運動速度和運動軌跡，通過分析電極/模擬皮膚間的阻抗譜、動態(tài)開路電壓等電學性能參數(shù)，實現(xiàn)對表面生物電織物干電極性能的全面評價，為生物電織物干電極的研究和開發(fā)提供測量手段和相關(guān)標準。

表面生物電織物干電極；模擬人體；阻抗譜；動態(tài)開路電壓

0 引言

隨著人類生活水平的提高以及生活節(jié)奏的加快，心血管疾病已經(jīng)成為人類健康的首要威脅[1]。在我國，因心臟病而死亡的人數(shù)占總死亡人數(shù)的44%,心臟病已成為一種多發(fā)病和常見病,對心臟病的診斷和預防已經(jīng)成為當今醫(yī)學界面臨的首要問題[2]。由于這類疾病具有長期性、累積性、偶發(fā)現(xiàn)，國外通行的做法是防范于未然，即對心臟健康狀況進行長期監(jiān)測[2]?？纱┐魇浇】当O(jiān)測系統(tǒng)是指利用生物式可穿戴傳感器采集人體運動和生理參數(shù)，來實現(xiàn)對人體非介入、連續(xù)無創(chuàng)的診斷檢測，以此幫助穿戴者實現(xiàn)運動與健康管理[3]，是降低慢性心血管病患者死亡率和提高老年人生活質(zhì)量的有效手段之一。

表面生物電織物干電極能夠提取人體生理電信號，是穿戴式監(jiān)護系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部件[4]，然而現(xiàn)有的表面生物電織物干電極存在以下的一些問題：

（1）電極/人體皮膚之間存在動態(tài)噪聲；

（2）電極/人體皮膚之間導電膠變干引起接觸阻抗的急劇變化；

（3）導電膠應用會引起皮膚過敏和接觸性皮炎[5]。

為了解決這些問題，要對織物干電極的性能進行評價，然而電極在人體表面的直接評價會受到很多不確定因素的影響，人體的環(huán)境、電極/皮膚表面的壓力、濕度等變化量的不易測量和控制會使得測量結(jié)果與實際情況不符，并且測量結(jié)果的重復性和可再現(xiàn)性比較差[6]。在實際應用中，電極與人體皮膚是有相對運動的，而現(xiàn)有的織物干電極性能測試平臺卻不能夠模擬電極/皮膚之間的相對運動，進而分析電極/模擬皮膚界面的動態(tài)噪聲。為了使測量指標能更真實地模擬電極和人體表面皮膚接觸的動態(tài)環(huán)境，我們設計和開發(fā)了一套表面生物電織物干電極性能評價測試平臺，該平臺能夠模擬人體的皮膚特性、調(diào)節(jié)電極/模擬皮膚間的壓力、相對運動速度和運動軌跡，通過分析電極/模擬皮膚間的阻抗譜、動態(tài)開路電壓等電學性能參數(shù)，對表面生物電織物干電極的性能進行全面的評價。

本文全面地介紹了表面生物電織物干電極性能評價測試平臺及測試方法，為研究動態(tài)條件下的電極/模擬皮膚界面機理和評價不同結(jié)構(gòu)和材料的電極性能提供了條件，并且測量和評價的結(jié)果可用于電極和服裝的設計和改進，同時也能夠為表面生物電織物干電極的評價標準的制定提供幫助。

1 實驗方法與儀器

1.1 儀器硬件和軟件開發(fā)

為了實現(xiàn)模擬電極/皮膚間的動態(tài)測量過程，在測量系統(tǒng)中變化參數(shù)的可控制和可測量是非常必要的。圖1是表面生物電織物干電極性能評價測試平臺器件布局圖，測試平臺包括三個關(guān)鍵的部分，第一部分是皮膚仿真器，其上下端用微孔膜封裝一定濃度的電解質(zhì)以模擬人體皮膚，是測量的核心部件；第二部分是頂端/底端壓力控制器和二維電機，壓力控制器能夠通過旋轉(zhuǎn)上端旋鈕調(diào)節(jié)下端電極/模擬皮膚間壓力大小，二維電機則連著頂端壓力控制器在平面內(nèi)做相對運動；第三部分是數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制，在電腦上能夠控制壓力調(diào)節(jié)裝置上的電極在平面內(nèi)做任意運動速度和運動軌跡的運動。

圖2是測試平臺的實物圖。電極/模擬皮膚間的壓力、運動速度、運動軌跡和開路電壓等都在電腦上顯示，并且能夠把文件保存起來用于分析。

軟件部分采用美國NI公司的LabVIEW2011編寫，軟件上能夠同時顯示運動位移、運動速度、電極循環(huán)次數(shù)、壓力大小和開路電壓等參數(shù)，并且能夠?qū)?shù)保存到文件用于分析[7]。二維平臺和壓力信號采集均采用RS232串口控制[8]。

1.2 電極的選擇與實驗測試

本文選擇了4種不同平紋電極來進行實驗測試，四種電極分別是：a：普通的Ag電極；b：1.5v電壓下電鍍時間60秒的Ag/Agcl電極；c：2v電壓下電鍍時間60秒的Ag/Agcl電極；d：3v電壓下電鍍時間60秒的Ag/Agcl電極，圖3是4種電極的外觀圖。

圖4是4種平紋電極在相同壓力條件下，阻抗隨頻率變化的圖像，頻率的變化范圍是（0.01，100000）Hz。結(jié)果表明，1.5v電壓下電鍍得到的Ag/Agcl電極的阻抗最小，同時分別測試了在其他壓力條件下四種電極的阻抗圖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，始終是1.5v電壓下電鍍得到的Ag/Agcl電極阻抗最小。

壓力與阻抗譜之間的關(guān)系反映了電極/模擬皮膚表面的接觸狀態(tài)。在這個實驗中，用Ag/Agcl的電極作為測試對象，施加的壓力分別為20,30,40,50cN，測量得到的阻抗譜圖如圖5所示，可以看出，阻抗會隨著壓力的增大而降低。

圖6是Ag/Agcl電極在不同的運動速度下動態(tài)開路電壓隨時間的變化圖。從圖中可以直觀地看出，在不同的速度下，動態(tài)開路電壓的平均值和動態(tài)開路電壓變化量的幅度有一定的差異，如果要分析動態(tài)噪聲，必須要分析動態(tài)開路電壓變化量與運動速度和壓力之間的關(guān)系。

圖7是動態(tài)開路電壓的變化量與壓力和運動速度之間的關(guān)系圖?？梢钥闯鲈谙鄬\動速度不變情況下，隨著壓力的增加，動態(tài)開路電壓變化量的幅度顯著增加，原因可能是，壓力越大，接觸面越緊密，相對移動時對于界面電解液的攪拌作用越強，電荷密度變化就越明顯，因此電極電勢變化的幅度會越大。

2 結(jié)論

本文設計的表面生物電織物干電極性能評價測試平臺能夠模擬人體的皮膚特性、調(diào)節(jié)電極/模擬皮膚間的壓力、相對運動速度和運動軌跡，分析電極/模擬皮膚間的阻抗譜、動態(tài)開路電壓等電學性能參數(shù)，達到評價織物電極性能的目的。實驗結(jié)果顯示，壓力對于阻抗變化的影響比較大，壓力越大，阻抗越小。在運動速度不變的情況下，動態(tài)開路電壓變化量會隨壓力的增加而增加。在壓力不變情況下，相對運動速度越快，動態(tài)開路電壓變化量越小，即動態(tài)噪聲越小。了解了變化參數(shù)與動態(tài)噪聲之間的關(guān)系，可以通過合理地選擇電極的材料、設計電極結(jié)構(gòu)和集成到服裝中的方式以最大限度地減少生物電監(jiān)控中的噪聲，為表面生物電織物干電極的性能評價和電極評價標準的制定提供了條件。

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Fabrication and performance evaluation of test platform for surface bioelectric fabric dry electrode

LI Sha1, CHEN Yu1, LIU Hao1, SONG Jinzhong2
(1.School of Mechanical Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2.China Astronaut Research and Training Center, Beijing 100094, China)

In order to quantitatively evaluate the performance of surface bioelectric fabric dry electrode, this paper presents a test platform for the evaluation of surface bioelectric fabric dry electrode, which can simulate the skin's characteristics, regulate the pressure between electrode and simulated skin, the motion velocity and trajectory . The electrical performance parameters such as the impedance spectra and the dynamic open circuit voltage between the electrodes and the simulated skin were analyzed to evaluate the performance of the surface bioelectric fabric dry electrode and provide the measurement for the research and development of the bioelectrical fabric dry electrode means and related standards.

surface bioelectric fabric dry electrode；simulated human body；impedance spectrum；dynamic open circuit voltage

TP212.3

A

投稿日期：2016-10-29

李 莎（1971-），女，副教授，博士，湖南省婁底人，主要研究方向：建筑環(huán)境舒適與節(jié)能。