江西服裝學(xué)院服裝工程學(xué)院， 江西 南昌 330201

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，人們對身體健康的重視程度也在逐漸增加。人們除了選擇平時保持良好的生活習(xí)慣和堅持體育鍛煉外，還會選擇定期到醫(yī)院進行體檢。但醫(yī)院體檢會花費大量的時間，且只能提供體檢者當(dāng)時的身體狀況，無法實現(xiàn)長期、實時監(jiān)控身體健康的變化[1]。近年來，心電監(jiān)測服裝作為智能紡織品的重要組成部分發(fā)展迅速，其可長期不間斷地對人體心電信號進行捕捉和收集并生成心電圖(ECG)，以達到心臟監(jiān)測和護理示警的效果[2]。紡織電極作為心電監(jiān)測服裝的核心部件，在心電監(jiān)測過程中起著將生物體電化學(xué)活動產(chǎn)生的離子電位轉(zhuǎn)換成信號采集系統(tǒng)中電子電位的功能，它的存在為人體心電信號的收集及分析提供了可能[3]。

傳統(tǒng)的心電監(jiān)測主要依賴Ag/AgCl醫(yī)用電極。使用該電極時，為獲取高質(zhì)量的人體心電信號，需在人體接觸部位涂抹黏性導(dǎo)電水凝膠，但長期涂抹該凝膠會造成人體皮膚過敏，更有甚者，會出現(xiàn)皮膚潰爛[4]。紡織電極與傳統(tǒng)醫(yī)用電極相比，前者柔軟、透氣、透濕，與服裝集成更容易，可實現(xiàn)隨時、隨地、長期監(jiān)測心電信號，且干態(tài)使用，長期接觸皮膚也不會造成皮膚過敏或潰爛等癥狀[5]。

本文通過查閱相關(guān)參考文獻，舉例說明紡織電極在健康監(jiān)測、運動監(jiān)測及其他監(jiān)測領(lǐng)域的服裝設(shè)計中的應(yīng)用及實踐，總結(jié)紡織電極在應(yīng)用中存在的問題及發(fā)展趨勢，以期為紡織電極在心電監(jiān)測服裝設(shè)計中的應(yīng)用及進一步研究提供理論參考。

1 紡織電極簡介

1.1 常用材料

紡織電極是采用特殊的方式將導(dǎo)電物質(zhì)黏附在纖維、紗線或織物表面，然后制成能將人體心臟產(chǎn)生的離子導(dǎo)電轉(zhuǎn)化為外部可檢測的電子導(dǎo)電的一種器件。紡織電極常用的材料有導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電處理后的紗線或織物等。袁會錦等[6]以鍍銀滌綸紗線為材料，采用氯化改性處理法、手工刺繡成型法、電路模擬法等，將電鍍工藝與紡織工藝相結(jié)合，設(shè)計并制作出了一種柔性電極面料，還初步完成了對紡織結(jié)構(gòu)電極的靜態(tài)性能評估。SILVA等[7]635-643采用氣相沉積法，在聚酰亞胺薄膜材料和紡織品基材的頂部沉積一層鋁箔來制造電極。東華大學(xué)丁辛教授團隊將棉機織物浸入含有吡咯單體和摻雜劑的水溶液中，然后加入氧化劑使吡咯聚合到棉織物上形成了導(dǎo)電織物，還完成了聚吡咯/棉織物心電電極的制備及性能評價[8]。英國?？巳卮髮W(xué)MONICA CRACIUN教授領(lǐng)銜的國際研究小組先利用化學(xué)氣相沉積法制備出單層石墨烯，然后將其包覆在經(jīng)過光敏氧化處理的纖維上，成功制備出首例透明的導(dǎo)電石墨烯紡織纖維電極[7]635-643。ANKHILI等[9]先將聚酰胺織物、聚酯織物和棉織物分別浸泡在聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)/聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)溶液中進行化學(xué)改性，制成紡織電極，再嵌入內(nèi)衣織物中用于心電信號監(jiān)測。且測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過50次水洗后，棉織物電極和聚酰胺織物電極仍可獲得良好的心電信號，但聚酯織物電極獲得心電信號的能力變得較弱。

1.2 制備方法

紡織電極按照成品類型可分為機織類電極、針織類電極、非織造布電極和3D打印電極四大品種。其常用制備方法有三種：利用導(dǎo)電纖維或在纖維中加入導(dǎo)電粒子，再紡紗織造成紡織電極；利用縫紉的方法將導(dǎo)電紗線直接作為紡織電極縫到紡織品上；在織物表面沉積導(dǎo)電金屬或?qū)щ姼呔畚?，形成紡織電極。

WESTBROEK等[10]將不銹鋼纖維纏繞在黏膠纖維上進行紡紗再制作出針織類電極，且測試發(fā)現(xiàn)該電極能完整地采集心電信號。KANG[11]利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，將AgCl和銀導(dǎo)電墨水在非織造布表面印制信息傳感區(qū)、信號傳輸線路及其他電器元件，制得了一種性能穩(wěn)定且靈敏度較高的非織造紡織電極。SALVO等[12]利用3D打印技術(shù)快速設(shè)計并制造出一種高精度的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)，然后在其表面先濺射鈦層再濺射金層，形成了電極。且研究發(fā)現(xiàn)，該電極可以更好地與人體接觸，能有效減少因毛發(fā)存在而影響對心電信號的測量，測試精度明顯改善。可見，3D打印技術(shù)是實現(xiàn)低成本、快生產(chǎn)、高精度電極的重要方法之一。

2 紡織電極在心電監(jiān)測服裝設(shè)計中的應(yīng)用

近年來，隨著智能紡織產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，研究人員開始將紡織電極與電子監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用于心電監(jiān)測服裝設(shè)計，通過收集人體心電信號的變化達到疾病預(yù)警的作用。除此之外，紡織電極也開始應(yīng)用于運動狀態(tài)監(jiān)控、康復(fù)電療等領(lǐng)域。

2.1 紡織電極在健康監(jiān)測服裝設(shè)計中的應(yīng)用

隨著社會逐漸向老齡化方向的發(fā)展，能實時監(jiān)測并記錄人體醫(yī)學(xué)信號的健康監(jiān)測產(chǎn)品意義重大。日本東麗和NTT合作開發(fā)出了一款健康監(jiān)測內(nèi)衣——“hitoe”(圖1)。該內(nèi)衣內(nèi)部安裝有4處使用滲透通電高分子樹脂的聚酯紡織電極，其能持續(xù)測定心臟肌肉的活動。日本醫(yī)藥品醫(yī)療器械綜合機構(gòu)(PMDA)將該產(chǎn)品注冊為醫(yī)療器械，并認(rèn)定其具有與傳統(tǒng)的心電圖測定幾乎同等水平的精度，可實現(xiàn)24 h監(jiān)測人體心電變化。浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院張輝博士團隊利用Ag和AgCl這兩種材料制成紡織電極，并與寧波愛邦智能科技有限公司合作，開發(fā)出國內(nèi)首款心電監(jiān)測智能服飾(圖2)。該服飾緊貼人體，不會產(chǎn)生過敏現(xiàn)象，且心電圖測試精度與傳統(tǒng)醫(yī)用電極測試結(jié)果相當(dāng)，還可利用洗衣機進行洗滌。WANG等[13]開發(fā)了一套智能服裝監(jiān)測平臺(圖3)，其核心部分是將紡織電極與服裝結(jié)合用于采集心電信號，然后利用傳感器節(jié)點組成集成信號處理電路和微處理器模塊，實現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)信號向高質(zhì)量心電圖數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，最后通過網(wǎng)絡(luò)將個人資料上傳至醫(yī)院平臺，用于健康咨詢。此外，試驗還發(fā)現(xiàn)，該智能服裝耐洗牢度較好，服用性能與普通服裝相似，可在胸部獲得II型心電信號，特別適用于監(jiān)測慢性心血管疾病。

圖1 “hitoe”內(nèi)衣

圖2 國內(nèi)首款心電監(jiān)測智能服飾

圖3 智能服裝監(jiān)測平臺

WU等[14]以不同混紡比的棉/鍍銀尼龍混紡紗線為原料，利用電腦橫機織造出不同的雙層針織物，并作為紡織電極集成到T恤上，再結(jié)合小型化的無線傳感平臺采集人體心電信號。試驗效果顯示：以棉/鍍銀尼龍(30/70)混紡紗線織造的單面汗布電極，透氣性及觸覺舒適性較好，且測試精度與傳統(tǒng)醫(yī)用電極相近(圖4)。BOEHM等[15]將12個導(dǎo)電紡織電極取代了膠黏劑電極，放入心電監(jiān)測T恤中，并在T恤外側(cè)附加有源電路，以進一步提高紡織電極的信號收集質(zhì)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與商用Holeter監(jiān)測系統(tǒng)相比，該心電監(jiān)測T恤監(jiān)測的RR區(qū)間的相對誤差為0.96%，平均覆蓋率為96.6%，基本達到監(jiān)測要求。

圖4 單面汗布電極應(yīng)用示例(圖中“RLD”指右腿驅(qū)動程序)

2.2 紡織電極在運動監(jiān)測服裝設(shè)計中的應(yīng)用

普通大眾為保持身體健康，除采取定期體檢作為主要的預(yù)防手段外，還會養(yǎng)成堅持鍛煉身體的好習(xí)慣。但人們在鍛煉的過程中往往會缺乏對尺度的把握，導(dǎo)致運動過量，這不僅會造成肌肉、關(guān)節(jié)和韌帶等損傷問題，還會增加心臟負擔(dān)，導(dǎo)致心血管疾病突然發(fā)生。因此，開發(fā)運動監(jiān)測產(chǎn)品對人們?nèi)粘５纳眢w鍛煉具有重要的指導(dǎo)意義。

圖5為聯(lián)想開發(fā)的智能心電衣Smart Vest[16]，其通過編織的方式將12塊柔性織物電極織入心電衣中，產(chǎn)品可實現(xiàn)24 h不間斷地對人體心電信號進行精準(zhǔn)采集和系統(tǒng)分析，并根據(jù)用戶在運動過程中的心律變異度(HRV)反映用戶的身體狀態(tài)。若運動過程中HRV超過某一范圍時，Smart Vest就會發(fā)出警告以提示運動風(fēng)險。Sensoria健身運動文胸使用紡織電極作為傳感器，并與外部心率監(jiān)控器配合使用，可取代傳統(tǒng)的胸帶式監(jiān)控器。該文胸不僅可以精確地對運動者的心率進行準(zhǔn)確追蹤，避免鍛煉不足或過量，還可以最大程度地保持文胸穿著的舒適性[17]。OMsignal智能服裝開發(fā)公司在運動T恤中嵌入紡織電極作為傳感器(圖6)，實現(xiàn)了在運動過程中可追蹤穿著者的心率、呼吸頻率、呼吸量、運動狀態(tài)、熱量消耗和運動強度等信息功能，對運動員在訓(xùn)練過程中的身體狀態(tài)評估具有很好的指導(dǎo)價值[18]。

圖5 智能心電衣Smart Vest

圖6 OMsignal智能運動T恤

2.3 紡織電極在其他監(jiān)測領(lǐng)域服裝設(shè)計中的應(yīng)用

紡織電極不僅在健康監(jiān)測和運動監(jiān)測類服裝中有廣泛的應(yīng)用，在其他監(jiān)測領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用。U.阿米爾等[19]設(shè)計了一款無縫智能胎兒監(jiān)測服，其將柔性導(dǎo)電紡織電極編織或交織在服裝中，用于監(jiān)測孕婦和胎兒的電生命信號(包括孕婦心率、胎兒心率及子宮活動的肌動電流圖等)，分析并判斷孕婦與胎兒的健康程度，這為孕婦提供了一種可進行實時胎檢的選擇。佐治亞理工學(xué)院的研究團隊將光纖材料電極植入T恤中，設(shè)計出一款可實時監(jiān)測穿著者心電信號、體溫等生命體征的智能產(chǎn)品[20]。穿著此款產(chǎn)品的人若遇到槍擊或尖銳器具襲擊后，T恤會因被擊穿或被刺穿導(dǎo)致無法感受生命體征而發(fā)送遇險信號，相關(guān)部門會根據(jù)接收的信號判斷穿著者的受傷部位及受傷程度，及時制定出科學(xué)有效的救援方案。

3 紡織電極在心電監(jiān)測服裝設(shè)計中存在的問題及發(fā)展趨勢

紡織電極在心電監(jiān)測領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，其順應(yīng)了智能紡織品向小型化、一體化和舒適化方向發(fā)展的趨勢，但也存在一些問題亟待解決：

首先，與傳統(tǒng)醫(yī)用電極相比，紡織電極最大的特點是電極貼服不使用導(dǎo)電膠，這會導(dǎo)致電極與測試者的貼合程度較低，尤其是在運動狀態(tài)下，測試信號中會出現(xiàn)大量的噪聲，進而影響測試精度。運動監(jiān)測服裝在設(shè)計中往往會選擇較大的緊度，以提高服裝與人體表面的接觸程度，但緊度過大又會造成穿著者舒適度下降。因此，這類產(chǎn)品設(shè)計時需重視對服裝緊度的選擇。

其次，測試效果的可靠性有待進一步提高。準(zhǔn)確接收心電信號對于身體健康的分析和運動過程的指導(dǎo)至關(guān)重要，但多數(shù)心電監(jiān)測產(chǎn)品只能很好地監(jiān)測人體靜態(tài)時的心電信號，對人體動態(tài)時的心電信號接收效果較差。這便需要在信號分析時就運動狀態(tài)進行更加詳細的分解，細化不同狀態(tài)時的心電信息，以進一步減小運動偽差所帶來的影響，優(yōu)化紡織電極的設(shè)計。

另外，紡織電極在心電監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的評價缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前，常用的評價指標(biāo)是阻抗，但該指標(biāo)并不能全面有效地表達紡織電極的質(zhì)量，這不利于該產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。因此，有關(guān)單位可借鑒國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同心協(xié)力制定并逐步完善標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

紡織電極因可長期、實時監(jiān)測人體心電信號且效果較好而廣泛應(yīng)用在心電監(jiān)測服裝設(shè)計中，但其也存在一些問題需要解決。相信，隨著心電監(jiān)測服裝產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展及市場需求的迅速增加，紡織電極作為心電監(jiān)測服裝的重要組成部分，必將迎來新的發(fā)展機遇。紡織電極制備所需的材料、一體化加工工藝及后整理技術(shù)的開發(fā)都將成為該領(lǐng)域發(fā)展的熱點。當(dāng)前，我國紡織電極的研發(fā)整體水平與先進國家相比仍有不少差距，可在積極學(xué)習(xí)國外研究成果的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，逐步提高我國紡織電極的生產(chǎn)水平，增強我國心電監(jiān)測服裝產(chǎn)品在國際市場上的競爭力。