織物心電電極研究進展*

龐莉娜 王春紅, 王慧泉 王金海 Peyman Servati 左恒峰

1. 天津工業(yè)大學紡織科學與工程學院，天津 300387；2. 清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100000；3. 英屬哥倫比亞大學電氣與計算機工程系，溫哥華 V6T 1Z4

心血管疾病具有間歇發(fā)作、瞬時異常等特點，這便導(dǎo)致某些瞬時的心血管疾病不易被常規(guī)的心電監(jiān)測所捕捉到。因此，一種能密切且持續(xù)的監(jiān)測方法——長時間心電監(jiān)測方法應(yīng)運而生，其能夠?qū)崟r了解患者的心電狀態(tài)，幫助醫(yī)生確定患者是否處于健康的狀態(tài)，提高醫(yī)生醫(yī)療診斷的準確度。傳統(tǒng)醫(yī)用心電電極使用時，為降低皮膚與電極界面的阻抗，電極接觸皮膚處會使用一層導(dǎo)電水凝膠。若將傳統(tǒng)醫(yī)用心電電極用于長時間心電監(jiān)測，則人體局部皮膚易因?qū)щ娝z而過敏，出現(xiàn)刺激不適、皮疹等諸多問題[1]。此外，隨著患者使用傳統(tǒng)醫(yī)用心電電極進行心電監(jiān)測時間的延長，導(dǎo)電水凝膠會逐漸變干，這會導(dǎo)致心電信號采集靈敏度下降，心電監(jiān)測不準確等問題。故傳統(tǒng)醫(yī)用心電電極不適用于長時間心電監(jiān)測。

織物心電電極是將導(dǎo)電纖維或?qū)щ姴牧系纫曰旒?、交織、涂覆、浸漬、印刷等方式施加到紗線或織物上，或通過刺繡、縫制等方法將導(dǎo)電紗線或?qū)щ娋€等與織物或服裝縫制成一體，制備的能夠采集人體表面生物電信號的一種織物電子傳感器。與傳統(tǒng)醫(yī)用心電電極相比，織物心電電極易水洗，易與人體皮膚表面貼合，可長期使用，且具有良好的柔韌性、透氣透濕性、可拉伸性、可重復(fù)使用性等。將織物心電電極與服裝集合為一體，可提高穿戴者在心電監(jiān)測過程中的舒適性，能實現(xiàn)長期無意識的心電連續(xù)監(jiān)測。

本文將對國內(nèi)外織物心電電極方面的大量研究進行介紹。

1 織物心電電極用材料

心電監(jiān)測過程中，織物心電電極能更好地與人體皮膚表面貼合，并能很好地將人體心血管電化學活動產(chǎn)生的離子電位轉(zhuǎn)換成電子電位被信號采集系統(tǒng)采集?？椢镄碾婋姌O的材料、結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸及監(jiān)測系統(tǒng)等，對心電信號采集的準確性和穩(wěn)定性有著直接的影響。研究人員可通過選擇多種導(dǎo)電纖維材料和織物基底材料進行織物心電電極的設(shè)計與制作。導(dǎo)電纖維材料是織物心電電極的核心部分，決定著織物心電電極的導(dǎo)電性和信號采集的質(zhì)量?？椢锘撞牧嫌绊懼椢镄碾婋姌O的摩擦性、柔韌性、透濕透氣性及與皮膚接觸的舒適性等。

1.1 導(dǎo)電纖維材料

導(dǎo)電纖維材料包括金屬(如銀、銅、不銹鋼等)纖維、導(dǎo)電聚合物(如聚苯胺、聚吡咯、聚氨酯、聚乙炔、聚二甲基硅氧烷等)纖維，以及具有導(dǎo)電性的纖維(如碳纖維、石墨烯纖維、碳納米管纖維)等。此外，還有以常規(guī)不導(dǎo)電纖維(如棉纖維、滌綸、錦綸、芳綸等)為基體，通過特定的方法在這些纖維表面鍍金屬，以及涂覆導(dǎo)電聚合物、石墨烯和碳納米管等導(dǎo)電材料，制備的有機導(dǎo)電纖維，或通過熔融紡絲技術(shù)將常規(guī)合成纖維聚合物與導(dǎo)電組分復(fù)合，制備的有機復(fù)合型導(dǎo)電纖維。

1.2 織物基底材料

織物心電電極用織物基底材料分天然高分子纖維和合成高分子纖維兩大類。天然高分子纖維主要包括蛋白質(zhì)纖維(主要有蠶絲、羊毛和再生絲素蛋白纖維等)和纖維素纖維(主要有棉纖維、黏膠纖維和竹纖維等)。合成高分子纖維主要有滌綸、錦綸、芳綸等。

Zhou等[2]以平紋棉織物為基材，采用電化學聚合法在基材表面制備聚吡咯涂層，使織物具有導(dǎo)電性，并測試了該織物用作心電電極的電阻、阻抗和心電信號采集性能等。Pani等[3]采用一種高導(dǎo)電性的聚3,4-乙撐二氧噻吩(PEDOT)∶聚苯乙烯磺酸(PSS)溶液處理棉織物和滌綸織物,制成了織物心電電極。祝欽等[4]以平紋機織物為基材，先后在平紋機織物表面沉積石墨烯、銀，制備出石墨烯銀復(fù)合織物心電電極。覃海明等[5]以棉織物為基底進行化學鍍銀，制備出棉織物接觸式柔性電極。王馨樂等[6]設(shè)計并制備了4種不同經(jīng)紗的蜂巢組織結(jié)構(gòu)織物心電電極，其經(jīng)紗原料分別采用滌綸、錦綸、棉纖維、竹漿纖維，緯紗為鍍銀紗線，并測試了織物心電電極的壓縮、彎曲、表面摩擦、透氣和透濕等性能。李瑞凱[7]制備了兩種織物心電電極，一種以滌綸織物為基材，先在銅箔上沉積石墨烯薄膜，再將沉積有石墨烯薄膜的銅箔轉(zhuǎn)移到滌綸織物上，制成織物心電電極；另一種直接以滌綸織物作為基底沉積石墨烯，制成織物心電電極。Usma等[8]使用導(dǎo)電電阻泡沫薄片和導(dǎo)電織物制備出邊長為3 cm的正方形高導(dǎo)電電極。Yapici等[9]在錦綸織物表面涂覆石墨烯制備織物心電電極，并將6 cm×3 cm的織物心電電極縫合在彈性帶內(nèi)制作成腕帶。測試結(jié)果表明，該腕帶在10～50 Hz范圍內(nèi)的平均阻抗為55.0～87.5 kΩ，這與傳統(tǒng)醫(yī)用Ag/AgCl電極在相同頻率范圍的阻抗測試結(jié)果一致。但隨著該腕帶使用時間的增加，石墨烯涂層會受到磨損，心電信號測試結(jié)果將變得不穩(wěn)定。Yapici等[10]還將錦綸織物浸入還原氧化石墨烯溶液中，通過在織物表面形成導(dǎo)電石墨烯涂層制備織物心電電極?？梢?，涂層工藝可在棉、羊毛、錦綸、聚酯、芳綸及玻璃纖維等織物基底上進行，以制備織物心電電極。

2 織物心電電極結(jié)構(gòu)

不同的加工方式可加工出不同結(jié)構(gòu)的織物心電電極，具體有機織心電電極、針織心電電極、非織造心電電極、刺繡心電電極、印刷心電電極等。為增加織物心電電極與皮膚的接觸面，提高織物心電電極與皮膚接觸面的貼合性，改善織物心電電極與人體皮膚之間的接觸穩(wěn)定性，以及心電信號采集的準確性，研究人員設(shè)計、制作了不同結(jié)構(gòu)的織物心電電極，并展開了大量的研究工作。

2.1 機織心電電極

機織心電電極包括，選擇導(dǎo)電紗線作為基本材料并利用機織工藝加工而成的織物心電電極，以及在機織物表面沉積或涂覆導(dǎo)電材料等制成的織物心電電極。通常，機織心電電極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

王馨樂[11]利用4種緯紗(分別為棉紗、竹漿纖維紗線、滌綸紗、錦綸紗)和經(jīng)紗(鍍銀錦綸導(dǎo)電紗線)織造了4種機織心電電極，并對比了它們的穿著舒適性，發(fā)現(xiàn)用竹漿纖維紗線織造的機織心電電極總體舒適性較好。張艷婷等[12]用鍍銀紗線織出了平紋機織物、緞紋機織物、蜂巢組織機織物、刺繡針織物和緯平針織物，并發(fā)現(xiàn)隨著拉力的變化，蜂巢組織機織物和刺繡針織物的電阻變化相對較穩(wěn)定，這兩者更適合用于制作織物心電電極。靳凱麗等[13]利用水熱法將納米級CuS與碳化棉機織物復(fù)合，制備出了高比電容的CuS/碳化棉機織物柔性電極。段亞茹等[14]以棉機織物為基布，在織物表面沉積導(dǎo)電聚吡咯，制備了導(dǎo)電織物，并測試了其導(dǎo)電性能。Song等[15]在雙面組織機織物的基礎(chǔ)上，采用鍍銀包纏紗(表緯)、滌綸長絲(里緯)、聚酯長絲(經(jīng)紗)，設(shè)計并制作了提花機織物心電電極，并進行了心電監(jiān)測。

2.2 針織心電電極

針織心電電極包括，選擇導(dǎo)電紗線作為基本材料并利用針織工藝加工而成的織物心電電極，以及在針織物表面沉積或涂覆導(dǎo)電材料等制成的織物心電電極。針織心電電極可以更好地貼合人體皮膚并隨之變形，這有助于減少監(jiān)測過程中因皮膚與電極之間相互摩擦產(chǎn)生噪聲而帶來的不利影響，但變形也會引起織物電阻和阻抗的變化。

Wu等[16]以棉纖維/鍍銀錦綸紗線為導(dǎo)電紗線制作了針織心電電極，并將該電極集成到可穿戴的T恤上，用于采集人體心電信號。李惠芝[17]利用滌綸短纖紗織造了4種不同縱密的緯平針織物，并在織物表面沉積聚吡咯制備導(dǎo)電織物，發(fā)現(xiàn)針織物密度越大，導(dǎo)電織物的導(dǎo)電性越好。

2.3 非織造心電電極

非織造心電電極包括，選擇導(dǎo)電纖維作為基本材料并利用非織造工藝加工而成的織物心電電極，以及在非織造材料表面沉積或涂覆導(dǎo)電材料等制成的織物心電電極。

李惠芝等[18]在用滌綸制作的紡黏和針刺兩種非織造材料表面沉積聚吡咯，制備聚吡咯導(dǎo)電織物，測試并比較了它們的導(dǎo)電性能，發(fā)現(xiàn)非織造材料面密度越大，單位面積內(nèi)沉積的聚吡咯越多，導(dǎo)電織物的導(dǎo)電性越好。

2.4 刺繡心電電極

刺繡心電電極是指將導(dǎo)電紗線或?qū)щ娋€，通過刺繡的方式繡制到織物表面，制成的心電電極。

胡瑤[19]以鍍銀尼龍長絲為導(dǎo)電紗線，制作了3種以非織造材料為基底的鍍銀紗線刺繡電極——滌綸非織造材料基刺繡電極、聚丙烯酸非織造材料基刺繡電極，以及以表面均勻平鋪聚丙烯酸纖維的滌綸非織造材料為基底的刺繡電極，并發(fā)現(xiàn)聚丙烯酸非織造材料基刺繡電極所測得的心電信號質(zhì)量最佳。Weder等[20]在滌綸紗線表面涂覆銀和鈦粒子，制備出導(dǎo)電紗線，再加工成刺繡電極，可用于長期的心電監(jiān)測。

2.5 印刷心電電極

印刷電子技術(shù)是基于印刷原理的一種電子制造技術(shù)。印刷心電電極是將導(dǎo)電材料如導(dǎo)電金屬粒子(如銀、鎳等)、導(dǎo)電聚合物材料(如聚苯胺、聚吡咯等)、石墨烯等，先添加到印刷墨水中制成導(dǎo)電墨水，再將導(dǎo)電墨水印刷到織物表面，賦予織物導(dǎo)電性的。印刷心電電極的制作過程相對簡單，合適的導(dǎo)電墨水是制備印刷心電電極的核心。

Paul等[21]通過絲網(wǎng)印刷，成功地將聚氨酯、銀粒子和導(dǎo)電橡膠等印制到機織物表面，制備出印刷導(dǎo)電材料。Merritt等[22]先將電路絲網(wǎng)印刷到水刺非織造材料上，再將表面貼裝組件直接連接到電路上制備出織物心電電極，并發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)醫(yī)用Ag/AgCl電極相比，所得織物心電電極具有更穩(wěn)定的信號，且運動偽影相對較少。Chlaihawi等[23]在柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板上絲網(wǎng)印刷銀薄片墨水，再將多壁碳納米管/聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料作為導(dǎo)電聚合物沉積到印刷銀薄片上，制備出可用于心電監(jiān)測的柔性、可佩戴的干電極。

2.6 小結(jié)

上述不同結(jié)構(gòu)織物心電電極的優(yōu)缺點歸納于表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)織物心電電極的優(yōu)缺點

3 織物心電電極形狀與尺寸

傳統(tǒng)的金屬材料醫(yī)用心電電極多為圓形，其直徑一般為10 mm。常用織物心電電極形狀有圓形、方形及橢圓形等，其直徑或邊長或長徑在2～7 cm。織物心電電極的形狀與尺寸對心電監(jiān)測信號的范圍、精確度及電極電流密度分布的均勻性，有著很大的影響。一般來說，織物心電電極與皮膚接觸面越大，則阻抗越小，采集的心電信號越準確；但織物心電電極尺寸過大時，皮膚的舒適性受影響，且人體運動等又會影響信號采集的準確性。Krasteva等[24]研究發(fā)現(xiàn)，圓形電極電流密度分布的不均勻性較方形電極的要小30%左右。因此，選擇合適的電極形狀與尺寸對實現(xiàn)準確采集心電信號十分重要。

魯莉博等[25]制備了方形Ag/AgCl蜂巢組織織物心電電極，發(fā)現(xiàn)織物心電電極面積越大，電極阻抗越小。張經(jīng)緯[26]制備的直徑為3 cm的圓形聚吡咯/棉機織心電電極，能在心電信號的采集過程中記錄下完整、清晰的心電信號。孟妍等[27]設(shè)計并制作了邊長為3、5、7 cm的正方形鍍銀織物心電電極，并在佩戴一定時間后測試它們的阻抗，發(fā)現(xiàn)：邊長越大，阻抗越小；邊長越小，舒適性越好。

4 織物心電電極監(jiān)測系統(tǒng)

織物心電電極監(jiān)測系統(tǒng)將心電信號采集、處理、記錄、傳輸、儲存集于一體，能實現(xiàn)長時間的監(jiān)測。韓云鵬[28]以鍍銀導(dǎo)電布為材料制作了方形織物心電電極，并設(shè)計了一套可穿戴的無線心電監(jiān)測系統(tǒng)，其集心電信號采集、數(shù)據(jù)無線傳輸和實時監(jiān)測于一體。Choi等[29]設(shè)計了一種由織物心電電極、信號采集電路及通信模塊組成的可穿戴心肺傳感器，可以清晰地獲取心肺信號、心跳和呼吸周期等信息，其中的織物心電電極由鍍銅導(dǎo)電織物和聚偏氟乙烯薄膜組成。翟紅藝等[30]設(shè)計了一種集心電信號采集、記錄及異常心電波形識別于一體的可穿戴心電監(jiān)測系統(tǒng)，其由織物心電電極穿戴衣、心電信號數(shù)據(jù)采集裝置、心電信號采集電路、微處理器及藍牙模塊等構(gòu)成，其中的織物心電電極采用鍍銀紗線制作。劉俊杰[31]采用鍍銀錦綸紗線制作出邊長為4 cm的正方形平紋機織物心電電極，并基于它設(shè)計出具有心電信號采集、處理和儲存功能的心電監(jiān)測用穿戴衣。林視達等[32]設(shè)計出了主要包括織物心電電極、信號采集前端電路、電源和藍牙傳輸系統(tǒng)等的心電監(jiān)護系統(tǒng)，其中用于心電信號采集的織物心電電極采用銀纖維與常規(guī)紗線織造。江蘇蓋睿公司研發(fā)的動態(tài)心電監(jiān)護電極可貼于胸前，其通過藍牙將采集、處理的心電信號傳輸至手機APP平臺，24 h實時顯示心電等數(shù)據(jù)信息，并通過內(nèi)置的心電處理系統(tǒng)，快速完成心電數(shù)據(jù)的處理、分析和診斷。Yoo等[33]基于一種帶有干燥小型電路板電極的監(jiān)測襯衫，設(shè)計出一種可穿戴式心電監(jiān)護系統(tǒng)，用于長期的動態(tài)心電監(jiān)測。其將含有銀離子的導(dǎo)電膏絲網(wǎng)印刷到織物上，并將傳感器、電極、連接件與導(dǎo)電紗線、壓阻紗線相結(jié)合，免除了繁瑣的電線，提高了耐磨性，且與傳統(tǒng)的濕電極相比，它不存在刺激皮膚的問題，因此適合長期的監(jiān)測。

5 織物心電電極存在的問題

對于利用沉積、涂覆、印刷等方法制作的導(dǎo)電織物，用其制成的織物心電電極耐水洗性和耐摩擦性等都不理想，且隨著時間的延長，織物心電電極的導(dǎo)電層會逐漸脫落，這都會導(dǎo)致其電阻和阻抗增大，心電信號采集的準確性受影響。此外，測試者在靜止和運動時，織物心電電極與人體皮膚的接觸面積會發(fā)生變化，且由于運動時有汗液流出，織物心電電極與皮膚接觸面易產(chǎn)生相對滑移，進而產(chǎn)生摩擦，形成干擾噪聲，這都會對心電信號的質(zhì)量及采集穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。另外，織物心電電極還存在與皮膚接觸面不夠貼合、阻抗高、噪聲干擾嚴重等問題。

目前，針對織物心電電極信號采集的性能沒有統(tǒng)一的評價標準，且大多參考一次性測量電極標準，多選擇阻抗作為評價織物心電電極性能的參考指標，有時也參考織物的電阻。因此，亟待建立一種適用于織物心電電極的評價方法。

6 展望

織物心電電極作為一種新型的電極，能有效解決傳統(tǒng)醫(yī)用心電電極不可長期使用、導(dǎo)電水凝膠對皮膚有刺激性等缺點，具有良好的柔韌性、透氣透濕性，且可重復(fù)使用、可拉伸、易水洗、刺激性小，并存在很大的提升空間。近年來，有關(guān)織物心電電極的研究雖然較多，但大都只針對單一導(dǎo)電材料，如通過設(shè)計不同的織物結(jié)構(gòu)、電極形狀及尺寸展開初步探究，對多種導(dǎo)電材料的應(yīng)用探究涉及較少。因此，在具有更小的織物阻抗、皮膚-電極界面阻抗及噪聲干擾的織物心電電極設(shè)計的基礎(chǔ)上，探究具有更好導(dǎo)電性、不易被腐蝕、耐洗滌、耐摩擦、長時間使用不易脫落的導(dǎo)電材料，是今后的發(fā)展方向。除此之外，如何減少運動時皮膚-電極產(chǎn)生運動偽影及噪聲干擾，仍有待做進一步地探究。