許潤欣 肖學良 王志宇 婁靜嫻 謝云濤

江南大學紡織工程與科學學院， 江蘇 無錫 214122

隨著人口老齡化現(xiàn)象的加劇以及人們作息與飲食變得不規(guī)律，各種慢性心血管病及其并發(fā)癥的患病率越來越高。《中國心血管健康與疾病報告2019》顯示，在2017年居民疾病死因中，心血管病死亡率居首位[1]。因此，了解并掌握慢性心血管病的積累情況已刻不容緩。穿戴能實時監(jiān)測人體心電信號的服裝產(chǎn)品可方便觀察心電情況，并能及時進行預(yù)警和診治，具有重要的社會價值。

心電信號采集原理：離子進出心房和心室細胞使細胞內(nèi)外產(chǎn)生電位差從而形成微弱的電流傳到體表，心電電極可將離子導電信號轉(zhuǎn)化為電子導電信號，通過長期貼附在皮膚上捕獲并記錄心臟電活動，形成坐標系下的時間-心臟電活動變化圖像，簡稱心電圖(ECG)。臨床上常常通過觀察ECG圖像來監(jiān)測心臟電活動和診斷心臟節(jié)律的異常情況[2]。

目前，銀/氯化銀(Ag/AgCl)粘貼式電極是醫(yī)學領(lǐng)域常用的心電監(jiān)測電極[3]，需要注意的是，在使用電極前要先在粘貼電極的皮膚上涂抹導電膏。該電極雖然信號采集質(zhì)量高且穩(wěn)定性好，但是由于使用前的準備時間較長，導電膏會因時間延長而干涸，導致有效檢測時間變短，且導電膏極易引起皮膚發(fā)癢、過敏等不適，嚴重者甚至會出現(xiàn)皮膚潰爛現(xiàn)象。更換凝膠電極時也會對皮膚表面角質(zhì)層造成一定的損傷。

與傳統(tǒng)Ag/AgCl濕電極相比，織物電極作為一種可長期監(jiān)測心電信號的柔性干電極，能夠在監(jiān)測過程中保證皮膚接觸處的長期舒適性，且無致敏性，因此在長期監(jiān)測生理信號方面更具優(yōu)勢[4]。本文綜述了國內(nèi)外用于心電監(jiān)測系統(tǒng)的織物電極的材料、結(jié)構(gòu)和性能，分析了織物電極材料及結(jié)構(gòu)與電極舒適性及監(jiān)測信號穩(wěn)定性之間的關(guān)系。

1 織物電極材料

織物電極設(shè)計研究主要包括電極材料和組織結(jié)構(gòu)兩個方面。電極材料是織物電極的核心，直接影響織物電極的監(jiān)測性能。

牛頔璠[5]將具有吸濕性的棉紗和黏膠纖維分別與純鍍銀紗線按照一定比例制成緯平針+手縫平針組織結(jié)構(gòu)的織物電極(圖1)。加入吸濕性紗線后能夠改善織物電極的電極性能，包括降低電極本身電阻并提高心電圖質(zhì)量。加入棉紗的電極的心電圖質(zhì)量隨紗線吸濕性的增加而增加，而黏膠纖維由于吸濕膨脹，導致加入黏膠纖維制備的電極采集效果不及加入棉紗的電極。

圖1 織物電極實物圖[5]

董科等[6]以碳纖維/滌綸復合長絲為電極導電材料，采用刺繡法制備了一種直徑為25 mm的新型圓形刺繡電極(圖2)。相比純鍍銀尼龍絲織物電極，該織物電極具有良好的細胞相容性，可用作醫(yī)療級別的織物電極。刺繡電極的缺點在于心電信號采集穩(wěn)定時間較長、振幅變化較大，但在長期監(jiān)測中能夠表現(xiàn)出良好的心電圖質(zhì)量，因此可通過進一步調(diào)整具體制備工藝進行性能優(yōu)化。

圖2 刺繡電極實物圖[6]

靳凱麗等[7]采用水熱法在碳化棉織物上復合CuS制備CuS/碳化棉織物柔性電極(圖3)。該電極質(zhì)輕易攜帶，且碳化棉織物上負載有六方晶系CuS顆粒，使得織物電極的石墨化程度優(yōu)于碳化棉織物，具有較高的比電容、循環(huán)穩(wěn)定性及良好的信號采集能力。

圖3 CuS/碳化棉織物[7]

Zhang等[8]將導電聚合物聚吡啶(PPy)原位聚合在山羊皮革上，得到的導電皮革作為可穿戴的干電極(圖4)與人體皮膚接觸，采集電生理信號，用于日常健康監(jiān)測。皮革的自然表面形態(tài)和層次結(jié)構(gòu)使得電極在洗滌和彎曲時可保持良好的尺寸穩(wěn)定性，在監(jiān)測中也可與皮膚形成共形接觸，從而降低噪聲，提高采集信號的質(zhì)量。此外，皮革電極的抗菌性能良好，相比商用Ag/AgCl凝膠電極，透氣舒適性更好，監(jiān)測所得心電圖信號更穩(wěn)定。

圖4 制成帶子的皮革電極[8]

Lai等[9]在TPU(熱塑性聚氨酯彈性體橡膠)襯底上通過絲網(wǎng)印刷工藝印制銀油墨制備柔軟舒適的干電極，然后通過一根用同樣絲網(wǎng)印刷工藝制成的導電細導線連接到一個銅板上，制備出一種具有黏附性且可拉伸的商用傳感材料。該電極材料與TPU基板黏合，可提供更大的貼片靈活性，具有最佳導聯(lián)配置的能力，且在受到身體運動的干擾情況下能有效記錄ECG信號，心電圖的采集質(zhì)量和自動對焦識別準確性較高。

2 織物電極結(jié)構(gòu)

采用導電材料與基材交織，或?qū)щ姴牧贤ㄟ^涂敷、浸泡、噴印等手段附著在紗線/織物上的方法，可制備出不同結(jié)構(gòu)的織物電極。

2.1 電極組裝形式

溫東偉[10]以導電鍍銀針織物為基布，同時設(shè)置無紡布層防止電極織物的脫散，如圖5所示。其特點在于，為避免紐扣對皮膚電極接觸面質(zhì)量的影響，采用將導電紐扣引出的設(shè)計方法。對該電極進行氯化處理后，織物電極的阻抗值降低，且檢測到的心電信號曲線清晰直觀，信號采集能力較高。

圖5 織物電極[10]

包磊[11]設(shè)計的織物電極(圖6)中襯底和導電織物固定結(jié)合形成腔體，內(nèi)部填充彈性支撐體，其中與襯底相對的導電織物為蜂巢組織，巢房內(nèi)設(shè)有導電膠。該電極的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使織物電極透氣性和舒適性得以提高，且降低了導電織物與皮膚之間的阻抗，提高了監(jiān)測生理信號的分辨率、靈敏度和穩(wěn)定性。

圖6 織物電極結(jié)構(gòu)示意圖[11]

Liu等[12]提出一種利用犧牲層輔助一步轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)制備3層干電極的方法。在覆蓋有銅(Cu)犧牲層的硅片上沉積金(Au)電極層后，用標準光刻工藝將聚酰亞胺(PI)中間層刻印在Au層上，然后將刻印的PI層作為刻蝕掩模，濕法刻蝕Au層圖案。最后，將帶圖案的Au層和PI層一步轉(zhuǎn)移到可拉伸膜上，通過蝕刻切割層制成三層干電極(圖7)。這種三層干電極具有良好的相容性和延伸性，且電極與皮膚的接觸阻抗較低。相比商用濕電極，該電極更適合用于長期穿戴和動態(tài)的心電監(jiān)測。同時，與其他三層干電極相比，該電極的制備工藝簡單，成本低，極大地簡化了織物電極的制造工藝流程。

圖7 織物電極及放大圖[12]

2.2 機織結(jié)構(gòu)

機織結(jié)構(gòu)主要是利用經(jīng)緯紗的屈曲交織織造均勻、穩(wěn)定的織物結(jié)構(gòu)的。

林視達等[13]采用提花技術(shù)與其他面料進行局部混織制備雙面織物電極，如圖8所示。其中，地層紗和經(jīng)紗采用化纖長絲，傳感層和緯紗采用鍍銀紗，并在緯紗方向上形成雙層結(jié)構(gòu)。研究表明，該電極監(jiān)測的心電信號質(zhì)量優(yōu)良，與傳統(tǒng)Ag/AgCl電極相比，其耐久性、可水洗性、柔軟度、人體生物兼容性及可集成性都有了大幅提高。

圖8 織物電極提花技術(shù)的橫截面[13]

泮丹妮等[14]以錦綸鍍銀導電絲和滌綸長絲為原材料制備織物電極，研究僅改變織物組織(圖9)時織物電極的導電性能變化情況。結(jié)果表明，紗線交錯次數(shù)越多，即等距離內(nèi)紗線屈曲數(shù)越大，其表面比電阻越大，摩擦前后表面比電阻損失較小。隨著拉伸作用增大，織物的導電性變差?？傮w而言，紗線交錯起伏次數(shù)越多，織物電極的導電性越差，并且在使用過程中，織物電極的導電性逐漸損失，心電監(jiān)測結(jié)果不穩(wěn)定。

圖9 組織上機圖及織物形貌[14]

2.3 針織結(jié)構(gòu)

針織電極因其線圈結(jié)構(gòu)的柔軟性及可變性而更加柔軟舒適，但同時也存在線圈結(jié)構(gòu)易脫散、起毛勾絲等問題，因此在設(shè)計中需加以考慮。

張佳慧等[15]采用2種導電紗線即鍍銀錦綸紗和2合股不銹鋼纖維紗作為原材料，電極織物結(jié)構(gòu)分別選用平紋、1×1抽條、1×2抽條組織進行添紗(圖10)，同時設(shè)計4種圓形電極尺寸,共制成24種緯編電極。對比研究發(fā)現(xiàn)，導電性能影響強弱順序為原料>組織>尺寸。此外，2合股不銹鋼纖維紗織物電極橫向?qū)щ娦阅芨鼉?yōu)，鍍銀錦綸紗電極縱向?qū)щ娦阅芨鼉?yōu)?？椢镫姌O電阻隨著電極尺寸的增大而增大。

圖10 織物電極結(jié)構(gòu)[15]

王曉雷等[16]在無縫成型內(nèi)衣機上以鍍銀錦綸和錦綸/氨綸包覆紗為原材料，采用添紗緯平針組織制備緯編導電織物，并與經(jīng)編間隔織物結(jié)合組成壓阻傳感器(圖11)。研究表明，該壓阻傳感器具有良好的線性度，并且球形曲面壓縮時傳感器靈敏度較高、傳感性能良好。

圖11 經(jīng)編間隔織物和傳感器的形成[16]

劉艷君等[17]采用兩步電沉積法制備以針織物為基底負載石墨烯/MnO2的復合電極材料，研究表明，復合電極材料的電化學性能明顯優(yōu)于單一負載MnO2的電極材料，比電容得到顯著提高，且電沉積24 min時效果最佳。電極材料由于以針織物為基底，故具有優(yōu)良的耐彎曲折疊性能。

2.4 其他結(jié)構(gòu)形式

葉華標[18]以雪尼爾紗為基底制備起絨織物電極(圖12)，采用化學鍍銀工藝使電極具備導電性。該電極與銅板的掃描阻抗以及與皮膚的接觸阻抗皆低于鍍銀棉織物電極，且起絨織物電極與電解質(zhì)接觸的電化學阻抗性優(yōu)于棉織物電極。此外，起絨織物電極表面存在絨毛，其界面空隙減少，有效接觸面積增大。

圖12 起絨織物電極的組裝[18]

胡瑤[19]通過在刺繡電極表面鍍AgCl來制備織物電極(圖13)，該涂層有利于降低極化阻抗，從而獲得質(zhì)量更高的心電信號。電極表面的AgCl顆粒會隨著化學沉積時間的延長而增多，但過密的顆粒會使Ag/AgCl復合體阻抗增大。試驗結(jié)果表明，以聚丙烯酸無紡布為基底制備的織物電極由于具有良好的吸水保水性，故在長期監(jiān)測中信號采集質(zhì)量穩(wěn)定。

圖13 電化學沉積處理后的刺繡電極[19]

3 織物電極的應(yīng)用

多種心血管疾病患者需要進行長期的心電監(jiān)測，一方面及時記錄心電數(shù)據(jù)，另一方面為醫(yī)生提供數(shù)據(jù)支撐?？椢镫姌O與可穿戴醫(yī)療設(shè)備的結(jié)合為長期監(jiān)測提供了途徑。

朱曉銘等[20]將織物電極與導聯(lián)線編織于衣物上用于采集心電信號(圖14和圖15)。該心電監(jiān)測系統(tǒng)采用EASI導聯(lián)監(jiān)測心電信號，利用單片機控制模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集心電信號，然后將采樣信號存儲在本地或通過藍牙系統(tǒng)發(fā)送至上位機。該監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點在于增加了無線傳輸方式，為與物聯(lián)網(wǎng)的連接和更先進的人機交互奠定了良好的基礎(chǔ)，且使用舒適、用戶體驗感良好，具有較高的醫(yī)療價值，適用于人們的日常生活情景，具有極高的實用性。

圖14 動態(tài)心電監(jiān)測系統(tǒng)[20]

圖15 心電衣穿著[20]

周明[21]制備了一種基于柔性織物電極的穿戴式心電傳感器系統(tǒng)。在信號采集與處理方面，采用基于皮膚與電極界面阻抗的自適應(yīng)濾波運動偽跡抑制方案，從而實現(xiàn)舒適穿著狀態(tài)下的長期、穩(wěn)定、連續(xù)心電監(jiān)測。在信號監(jiān)測與評估方面，設(shè)計了一種實時心率變異性分析算法，用于實時監(jiān)測心血管疾病。該系統(tǒng)功耗低、攜帶方便，適用于日常穿戴監(jiān)測心電信號。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)濕電極相比，織物電極因其自身材料及結(jié)構(gòu)特點而具有舒適、柔軟、透氣、可長期穿戴等優(yōu)點?？椢镫姌O由于原材料和結(jié)構(gòu)兩方面不同而各具特色，多種不同材料、結(jié)構(gòu)的組合會賦予織物電極更加優(yōu)異的性能。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，織物電極的設(shè)計與發(fā)展定當成為研究重點。當前，我國織物電極的研究進展與先進國家相比仍存在差距，應(yīng)逐步提高紡織智能化水平，推動我國心電監(jiān)測服裝用織物電極的發(fā)展。