紡織電極在心電監(jiān)測服裝中的應用與研究

鄭鵬 陳雁

摘要： 隨著紡織材料科學的不斷發(fā)展，導電優(yōu)良和接觸舒適的材料不斷被研發(fā)、應用于紡織電極制備；心電監(jiān)測過程中，紡織電極承擔著將生物體電化學活動產(chǎn)生的離子電位轉(zhuǎn)換成信號采集系統(tǒng)中的電子電位的紐帶作用，較好地實現(xiàn)生理數(shù)據(jù)的測量、傳遞等功能；可穿戴技術(shù)集成智能紡織品等心電監(jiān)測元件有效實現(xiàn)健康狀況的長期監(jiān)測，減少對醫(yī)院的依賴，降低治療成本。同時，針對性的疾病監(jiān)測與預防等項目的研究已逐漸實現(xiàn)對相應疾病提供應急機制與治療意見，為臨床診斷和術(shù)后康復工作提供重要的實用信息。

關(guān)鍵詞： 紡織電極；可穿戴；心電監(jiān)測；針對性；臨床診斷

中圖分類號： TS941.17

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2018）06-0038-07

引用頁碼： 061107

Abstract： With the continuous development of textile materials， the materials with good conductivity and comfort have been constantly developed and applied in textile electrode preparation. In ECG monitoring process， the textile electrode is responsible for converting the ion potential generated by the electrochemical activity of the organism into the electron potential in the signal acquisition system to achieve data measurement， delivery and other functions better. Wearable technology can integrate smart textiles and other ECG monitoring components， realize long-term monitoring of health status effectively， reduce the reliance on hospitals and reduce the treatment cost. At the same time， the research on surveillance and prevention for targeted disease has gradually realized the supply of emergency mechanisms and treatment advice for the disease. This paper provides important information for clinical diagnosis and postoperative rehabilitation.

Key words： textile electrode； wearable； ECG monitoring； targeted； clinical diagnosis

隨著全球人口老齡化加劇，各種心血管疾病成為中老年人群的高發(fā)病[1]，同時，心血管疾病具有隱蔽性、長期性、復雜性、高發(fā)病率等特點。近年來，心血管病呈現(xiàn)出明顯的年輕化態(tài)勢，據(jù)統(tǒng)計顯示[2]：2012年，20歲以上患病人數(shù)約8560萬，而60歲以上的患者人數(shù)約4370萬，且心血管疾病的患病人數(shù)仍在快速增長；2013年，由心血管疾病引起的死亡占總死亡的40%，75歲以下占心血管病總死亡人數(shù)的35%，比平均預期壽命提前3.8年。

心臟通過心肌纖維有節(jié)律地收縮和舒張，推動血液流動并形成生物電信號。長期不間斷的心臟電活動捕獲與記錄形成時間-心臟電活動變化圖像，簡稱心電圖（electrocardiograph， ECG）。ECG能直觀地反映心臟活動過程中不同時間段生物電變化，是監(jiān)測和診斷心臟異常節(jié)律有效的方法之一。

傳統(tǒng)的心電監(jiān)測方法主要采用銀/氯化銀（Ag/AgCl）醫(yī)用電極，為降低電極—皮膚界面的接觸阻抗，在接觸部位涂抹黏性導電水凝膠實現(xiàn)心電信號高質(zhì)量地采集。黏性水凝膠能較好地保證電極與皮膚之間的緊密接觸，但在使用過程中會逐漸干涸，電極與皮膚界面阻抗變大，不適合長期監(jiān)測；同時，長期使用會對被試人員皮膚產(chǎn)生刺激，如皮膚過敏、潰爛[3]。這促使研究人員尋求一種無需使用導電膠等物質(zhì)，能夠進行長時間監(jiān)測的心電電極來替代傳統(tǒng)醫(yī)用電極。

紡織電極是近年來發(fā)展迅速的一種柔性干電極，是采用導電材料經(jīng)紡織加工，具有感知人體表面生物電信號的織物傳感器。與傳統(tǒng)電極相比，紡織電極由于良好的透氣、透濕等性能，在長時間使用過程中，被試人員或患者不會產(chǎn)生悶熱感；同時，以其柔軟、易與人體皮膚表面貼合等優(yōu)點集成于服裝中，測試過程中被試者或患者在心理上不會產(chǎn)生被監(jiān)測的感覺。

1 紡織電極

心電監(jiān)測過程中，紡織電極承擔著將生物體電化學活動產(chǎn)生的離子電位轉(zhuǎn)換成信號采集系統(tǒng)中電子電位的紐帶作用。為了獲取較高質(zhì)量的心電信號，紡織電極的材料、織物組織、尺寸形狀、整體結(jié)構(gòu)對信號采集的真實性和穩(wěn)定性有著直接的影響。

1.1 材 料

紡織電極材料多采用導電纖維或?qū)щ娀幚淼睦w維材料。K. Hoffmann等[4]根據(jù)材料阻抗值將紡織電極劃分為極化金屬、非極化金屬、聚合物涂層金屬、導電聚合物及納米有機硅；賈明亮等[5]利用石墨烯研制出紡織材料基透明電極，分析結(jié)果表明石墨烯具有良好的生物相容性與導電性，使其在生物診斷領(lǐng)域成為新的研究熱點。

1.1.1 極化金屬/非極化金屬電極

根據(jù)是否需要在電極端施加電壓或電流而能使電流或位移電流通過電極/電解溶液界面的特性，將金屬材料劃分為極化金屬與非極化金屬。其中，非極化材料，如Ag/AgCl，適用于檢測電極；極化材料，如鉑，適用于刺激電極。與檢測電極不同之處在于刺激電極用于心臟起搏器、心臟除顫器及用于治療目的的其他功能性電刺激器。P. Westbroek等[6]使用不銹鋼纖維作為紡織電極材料，測試結(jié)果表明不銹鋼纖維具有較高的電極-皮膚界面阻抗；丁鑫等[7]研制出一款以76%鍍銀尼龍、24%彈性纖維織物制成的心電電極，該電極采用99.9%的鍍銀纖維制作而成，具有良好的導電性，同時與彈性纖維交織，具有良好的延展性；許鵬俊[8]以鍍銀尼龍長絲為原材料，采用0.9%的NaCl溶液對其紗線表面進行電化學處理，利用上述改性處理的銀/氯化銀材料制備的心電電極具有平衡電勢及阻抗低等特點。更重要的是，制得的銀/氯化銀織物具有親水性，容易捕捉水分子而保持濕潤，減少平衡時間。

1.1.2 導電聚合物

Scilingo等[9]利用水凝膠膜設(shè)計了一款新型的紡織柔性電極。采用的水凝膠膜pH值范圍在3.5～9，能降低電極與皮膚之間的接觸阻抗、減少使用過程中皮膚的刺激。丁辛等[10]利用吡咯單體等物質(zhì)經(jīng)過一系列的化學反應與后整理得到一種聚吡咯復合導電織物，制得的紡織電極阻抗小，具有良好的透氣透濕性能；A. Patil等[11]通過對原位聚合和電化學聚合的聚吡咯/棉織物心電電極進行電學性能測試分析和電化學阻抗測試分析，結(jié)果表明：經(jīng)電化學聚合后的電極表面沉積的吡咯膜更厚更均勻，具有更好的導電性，采集的心電信號清晰度和信噪比都有明顯的提高；Y. Chang等[12]采用導電橡膠電極進行人體心電信號的監(jiān)測，由于導電橡膠材料具有一定的黏性，能適當減少電極與皮膚之間的相對滑移，降低電極-皮膚的界面阻抗；日本電信公司推出新一代智能服裝“Hitoe”，該服裝采用的面料是將樹脂涂覆在納米導電纖維表面，伸縮性好，與人體的接觸程度高。

1.1.3 聚合物涂層電極

聚合物涂層電極主要是基于電極表面的聚合物膜的導電性和含有的電活性組分（摻雜劑）使電極具有電活性。制備聚合物涂層電極最佳的方法是電化學聚合，其主要優(yōu)點是一步法便可在載體電極上得到導電膜。A. Ramasamy等[13]利用銀涂覆聚酰胺芯紗制備Shieldex導電絲；N. Silva等[14]采用物理氣相沉積法在聚酰亞胺薄膜材料和紡織品基材的頂部沉積一層鋁箔織造電極；J. Baek等[15]利用金箔作為導電成分，聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為基質(zhì)材料，先后通過氧等離子處理、旋轉(zhuǎn)涂布等步驟制備了聚合物涂層電極（圖1）。實驗表明：制成的柔性聚合物干電極穿戴方便，能長時間進行心電監(jiān)測。Jung等[16]利用碳納米管（CNT）和PDMS制備CNT/PDMS復合電極，它克服了常規(guī)干或濕電極的限制。該電極具有良好的柔性與生物相容性，適合長期測量心電信號。同時，在運動或汗液的情況下也能穩(wěn)定地測量心電信號。

1.1.4 納米有機硅

有機硅，因其分子結(jié)構(gòu)及與有機基團的結(jié)合使它集無機物與有機物的功能特性于一身，有優(yōu)良的電絕緣性能。同時，如聚硅氧烷，由于其Si—O鍵長和Si—O—Si鍵角較大等結(jié)構(gòu)特征使得該分子間作用力小，易旋轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出一定的高柔軟性。

1.1.5 石墨烯

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角形單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。由于其特殊的結(jié)構(gòu)，是目前發(fā)現(xiàn)電阻率最小、導電性最佳的物質(zhì)。

?？巳卮髮W等共同參與的國際研究小組[17]利用氣相沉積法制備了一種石墨烯紡織纖維電極，并測得其彎曲度對石墨烯包覆纖維電阻的影響很小，符合作為紡織品的柔性電極。M.Yapici等[18]開發(fā)了一種石墨烯包覆導電紡織電極，該電極在洗滌后能保持其導電性，在信號保真度、頻率響應和接觸阻抗方面表現(xiàn)出更好的特性。C. Chen等[19]開發(fā)了一種石墨烯基柔性微針電極，該電極表現(xiàn)出良好的生物相容性和對電生理檢測的高靈敏度。在石墨烯表面進行蒸汽等離子體的親水化后處理，結(jié)果顯示：處理后的石墨烯表面潤濕，電極在界面處產(chǎn)生較大的電容和較小的阻抗，提高心電信號的信噪比。黃志奇等[20]通過在導電海綿上涂抹石墨烯涂層增強電極的導電性，提高微弱電信號數(shù)據(jù)采集的精準度。E.Skrzetuska等[21]通過印刷技術(shù)制備石墨烯基傳感系統(tǒng)，制備過程中，3%的石墨烯添加量可以降低三倍的電阻率，且實驗過程中，產(chǎn)品表面電阻率均勻性良好，變異系數(shù)低于3%。

1.2 織物結(jié)構(gòu)

前文提到，電極的設(shè)計與制作關(guān)系到采集心電信號的質(zhì)量。研究學者通過對紡織電極的織物結(jié)構(gòu)、濕度、傳感器大小、穩(wěn)定性等方面分析其對織物電極電化學阻抗譜的影響，發(fā)現(xiàn)織物結(jié)構(gòu)影響電極性能。

1.2.1 機織、針織、非織造布

不同的織物成形技術(shù)可以提供不同的感測功能。L. Beckmann等[22]對比了不同紗線材料、組織結(jié)構(gòu)及織物三者組合的電極性能的研究，結(jié)果表明不同的紗線材料及織造方式影響電極的接觸阻抗，其中，針織結(jié)構(gòu)可能在改善接觸阻抗方面有著突出的表現(xiàn)。P. Westbroek等[23]使用不銹鋼纖維制作的機織物、針織物和非織造布作為紡織電極，研究表明測試過程中，由于壓阻特性，針織物在受到應力作用時，電阻率會發(fā)生變化，導致測試的心電信號不穩(wěn)定。而機織面料結(jié)構(gòu)相對均勻，具有較小的壓變特性。同時，針織物電極具有較粗糙的織物表面，在心電信號采集過程中會有很高的皮膚接觸阻抗，從而引入高頻噪音的干擾。

1.2.2 平紋、緞紋、刺繡、蜂巢、毛圈

為了提高電極與皮膚之間的接觸穩(wěn)定性，研究人員采用不同織物組織制作電極以提高電極與皮膚的接觸面。嚴妮妮[24]采用緞紋、蜂巢、刺繡等結(jié)構(gòu)的電極與特定規(guī)格的服裝結(jié)合，實現(xiàn)心電信號的監(jiān)測；魯莉博等[25]利用銀/氯化銀紗線制作出一種刺繡毛圈組織結(jié)構(gòu)電極，表面豐富的毛圈結(jié)構(gòu)與皮膚接觸時，能穿過體毛與皮膚良好接觸，且使用前不需要對皮膚進行處理，同時，每一個刺繡毛圈結(jié)構(gòu)可以獨立構(gòu)成一個電極，測試心電信號時阻抗低；楊旭東等[26]提出了一種由導電紗線、導電織物等組成的刺繡絨毛心電電極，并通過剪斷導電織物上導電紗線的端頭，利用導電紗線的抗彎剛度刺穿新生角質(zhì)層，降低電極與皮膚的接觸阻抗，提高心電信號的可靠度；袁會錦等[27]對機織、針織和刺繡毛圈的鍍銀滌綸織物電極進行電化學阻抗譜分析。研究表明：高頻下，刺繡毛圈結(jié)構(gòu)的電極阻抗最小，因為刺繡部分從織物表面凸起，可以實現(xiàn)更好的接觸；機織平紋電極的阻抗最大?；谝陨咸匦?，刺繡組織結(jié)構(gòu)電極被廣泛地認為在生物電信號監(jiān)測領(lǐng)域是最常見的結(jié)構(gòu)電極。

1.2.3 絲網(wǎng)印刷、3D打印、三維紡織

T. Kang[28]利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)研制出一種非織造布紡織電極。為了能很好地實現(xiàn)電極與服裝的結(jié)合，將氯化銀和銀導電墨水在非織造布表面分別形成信息傳感區(qū)與信號傳輸線路及其他電器元件，結(jié)果表明，該電極穩(wěn)定性好，靈敏度較高，具有良好的電化學性能。

P. Salvo等[29]提出了用于快速成型的3D打印技術(shù)，在較短時間內(nèi)可快速完成復雜結(jié)構(gòu)3D電極的制造。同時，3D電極可以有效改善毛發(fā)存在時電生理活動的測量。3D打印是醫(yī)療干電極開發(fā)和批量生產(chǎn)的真正突破，是實現(xiàn)快速和低成本生產(chǎn)高精度立體結(jié)構(gòu)的重要途徑。

三維正交織物是利用三維紡織技術(shù)的機織方式，將兩組經(jīng)紗彼此互成60°交織，一組緯紗與該兩組經(jīng)紗互成60°交角插入交織成織物。該織造方式織成的織物因其各向力學性質(zhì)相同，經(jīng)紗之間不易滑動，織物組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；重摩擦試驗下，未發(fā)生變形等特點，繼提出之后，受到研究學者的廣泛關(guān)注與研究創(chuàng)新。同時，有望成為織造紡織電極的有效方法。

1.3 電極尺寸

電極尺寸與形狀影響生物電信號采集過程中的幅度、精度及電極截面電流密度的分布[4]。合理尺寸的選取是實現(xiàn)生物電信號高質(zhì)量、穩(wěn)定性的主要手段之一。

魯莉博等[25]對蜂巢組織結(jié)構(gòu)電極進行面積設(shè)計中，織造邊長為2～5cm的鍍銀結(jié)構(gòu)電極和邊長為5cm的銀/氯化銀結(jié)構(gòu)電極，同種材料電極之間通過醫(yī)用導電壓敏膠兩兩組裝，形成三明治結(jié)構(gòu)的電極對試樣，測試織物電極與皮膚之間的接觸阻抗。分析得出，尺寸越大，阻抗越低，而服用時局部不適感越明顯，電極的合適尺寸為4～5cm。V. Marozas等[30]通過等效頻率響應函數(shù)的方法分別對面積為1、2、4、8、16cm2電極采集的心電信號進行數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明，1cm2和2cm2的電極會對頻率低于1Hz的心電信號造成影響，4cm2的結(jié)構(gòu)電極在評估電極與皮膚之間頻率響應時呈現(xiàn)出最小的誤差，大于4cm2的紡織電極不會嚴重影響心電信號中低頻波譜的質(zhì)量，但尺寸太大會造成信號過度放大。V. Krasteva等[31]通過對電極面積與心電信號噪音影響的研究分析得出，靜止狀態(tài)下，噪音水平與面積的平方根成反比。許鵬俊[8]通過將1、4、9、16cm2方形電極，以及4cm×1cm、9cm×1cm的分布式結(jié)構(gòu)電極分別設(shè)置于彈性繃帶上，并進行靜態(tài)電學性能評價。分析表明，隨著電極面積的不斷增大，心電信號的強度也隨之增大，而當結(jié)構(gòu)電極的面積大于9cm2時，心電信號的強度變化不明顯；同時，在分布式電極中也呈現(xiàn)出相同的變化趨勢。

1.4 整體結(jié)構(gòu)

紡織電極可以很好地監(jiān)測人體在靜態(tài)時的心電信號，但不可避免的是，信號采集過程中，電極與皮膚之間的接觸狀態(tài)會受到各種無法預見因素的影響，如肢體運動、肌肉震顫等，可能會對心電信號的質(zhì)量、穩(wěn)定性、可靠性產(chǎn)生不同程度的干擾。因此針對電極—皮膚之間的電—力學性能的研究，分析電極的自身阻抗、電極—皮膚界面阻抗，實現(xiàn)紡織電極整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化。

A. Gruetzmann等[32]提出了一種基于泡沫多孔材料柔性電極，可以避免皮膚毛發(fā)的影響，并獲得穩(wěn)定的生理電信號與數(shù)據(jù)。研究表明，泡沫材料在減少運動干擾和減少電極—皮膚的接觸阻抗方面具有明顯優(yōu)勢。也有研究學者通過在電極基布下墊上一層或多層襯墊進行紡織電極的設(shè)計制作，通過襯墊的回彈性可以適當調(diào)節(jié)電極與皮膚的接觸壓力，從而有效提高心電信號的質(zhì)量。翟紅藝等[33]通過穿戴衣布料、支撐墊、導電布與海綿的結(jié)合研制織物電極；劉光達等[34]將導電織物包覆于軟海綿上并與穿戴服裝結(jié)合，利用海綿受壓后的彈力來確保導電部分和人體皮膚完全接觸，同時，在保證電極與皮膚曲面良好接觸的前提下適當降低服裝織物形變，改善電極與皮膚之間接觸緊密性，增加穿戴的舒適感；潘麗金等[35]設(shè)計了一種含“壓力增強凸部”的U型硅膠卡槽心電電極（圖2），該電極由內(nèi)向外依次設(shè)置的彈性導電織物層、硅膠層以及普通彈性織物層三層結(jié)構(gòu)，其中硅膠層的壓力增強凸部采用半球體等曲率較大的結(jié)構(gòu)，有利于紡織電極更好的與皮膚貼合，減少電極與皮膚之間相對滑移。

2 應用研究

隨著人們對健康狀況的早期監(jiān)護與疾病預防和保健意識的加強、家庭醫(yī)療消費能力的提高及科技水平的提升，促使醫(yī)療儀器的類型也逐漸向家用和個人的小型化發(fā)展。近年來，伴隨著微電子、集成電路及無線通信技術(shù)的不斷進步，提出了無線體域網(wǎng)（WBAN）系統(tǒng)。通過WBAN系統(tǒng)，以人體為中心，由個人電子設(shè)備（PDA）等組成的通信網(wǎng)絡，向用戶提供實時參數(shù)并可以將信號傳遞給遠程醫(yī)療服務器。由于服裝與人體良好的貼身關(guān)系，WBAN系統(tǒng)集成到服裝中以連續(xù)監(jiān)測生理參數(shù)。這種智能服裝系統(tǒng)在實現(xiàn)穿戴物品日常使用的同時，又能實現(xiàn)人體在任何時間、任何地點對生理信號的實時監(jiān)測（表1）。

隨著家庭監(jiān)護設(shè)備、智能紡織品的迅速發(fā)展，研究學者開始將先進的監(jiān)測技術(shù)應用于醫(yī)療領(lǐng)域，逐漸重視對各個疾病的病理與監(jiān)護的研究，紡織電極也已逐漸向用于促進運動和康復中的電治療應用中發(fā)展。V. Gay等[36]提出了一種用于高危心臟病患者的健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過對患者生命體征進行多參數(shù)監(jiān)測與綜合分析，提供相應的應急措施和治療意見以協(xié)助醫(yī)師進行治療；S. Patel等[37]提出了一種集成無線傳感、傳感器和基于網(wǎng)絡應用程序的可穿戴遠程監(jiān)測系統(tǒng)，通過臨床信息收集、實驗及算法優(yōu)化，以可靠地監(jiān)測評估帕金森患者的癥狀及運動并發(fā)癥的嚴重程度，為患者疾病治療與藥物服用等提供有力的參考；C. Varon等[38]通過單導聯(lián)ECG信號檢測方法實現(xiàn)對癲癇患者的生理監(jiān)測，并提供了兩種不同的算法量化信號QRS波形變化實現(xiàn)癲癇發(fā)作的監(jiān)測分析；S. SENDRA等[39]指出慢性疾病嚴重影響青少年的身心健康，如患有癲癇兒童的死亡率是健康兒童死亡率的5.3倍，且大部分的死亡由于治療不足。通過對患病兒童的長期監(jiān)測與實時分析，成為識別或排除慢性病病發(fā)前的有力工具，同時遠程監(jiān)測能較好地實施父母對孩子的持續(xù)監(jiān)督，減少對醫(yī)院的依賴，減輕家庭負擔。

3 結(jié) 語

目前，可穿戴設(shè)備已經(jīng)成為家庭監(jiān)護管理中的重要組成部分，監(jiān)測的生理參數(shù)信息也日益完善，能更好地實現(xiàn)疾病的預防與早期治療。同時，未來智能紡織品也已逐漸向心肌梗塞、突發(fā)性心臟驟停等疾病預防和術(shù)后康復方向發(fā)展，通過生理信息的綜合與病理的掌控，提供合理的應急措施和治療方案，為臨床診斷等工作提供實用的信息，實現(xiàn)其更大的社會經(jīng)濟效益。

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