心電監測織物電極的研究進展

張 璐 劉 茜 曾瑋宸

（上海工程技術大學，上海，201620）

近年來心血管疾病成為高發病，為了有效預防此類疾病的發生，對潛在患病人群的健康狀況進行實時監測并加以預警是很有必要的。心電監測是診斷此類疾病最直接有效的方法，心電信號直接反映了心臟的工作狀態，心電圖是發現及預防房顫、心率失常、心肌缺血等心臟異常活動的重要依據。心電電極是獲得監測信息的必備器件［1］。目前臨床常用心電電極為銀/氯化銀黏性電極，該類電極與皮膚接觸的一面使用導電膏和黏膠，長期使用會導致使用者皮膚受刺激，引發過敏等問題。隨著使用時間的延長，導電膏干涸，采集的心電信號較差，不能滿足對心電信號的長期監測?；诖祟悊栴}，國內外的學者將重點放在了新型心電電極的研究中。

在眾多新型心電電極研究中，柔性干電極受到越來越多重視。其中，織物電極是備受關注的一種柔性干電極。織物電極又稱紡織結構電極，是紡織材料經紡織加工制成的能感應人體表面生物電信號的傳感器［2］。在使用過程中，通過其中導電材料的電阻變化采集心電信號?？椢镫姌O具有手感柔軟、舒適性較好、透氣透濕性好等優點，長時間使用不會引發皮膚刺激和發炎等癥狀［3］?？椢镫姌O可以以服裝為載體，實現穿戴式心電監護，方便拆卸、洗滌，可重復使用，解決了使用一次性心電電極帶來的大量損耗問題。

1 心電監測織物電極材料

心電電極需具備高質量的生物信號提取功能和長期穩定性、生物相容性等特點?；诖?，其導電材料可分為非極化金屬、極化金屬、聚合物鍍層金屬、導電聚合物、納米級有機硅和碳黑等材料［4］。電極材料是織物電極的核心部分，材料性能對提取心電信號的質量有著決定性作用，通常選擇阻抗低、導電性好、服用舒適性好的導電材料。采用導電材料與常規紡織材料結合、在柔性聚合物基底上沉積金屬薄膜的方法可以制備織物電極［5］。

根據不同心電監測織物電極材料的制備工藝，心電監測織物電極可以分為導電聚合物類和紡織材料類兩大類。

1.1 導電聚合物類

導電聚合物類心電監測織物電極通常以柔性多聚物為基底，采取絲網印刷或者噴涂方式把碳漿、銅漿、銀漿等印制到聚對苯二甲酸乙二酯、聚酰亞胺、聚丙烯、聚二甲基硅氧烷等柔性基體上，或把導電材料顆粒分散到柔性基體中。其優點是提取的心電信號質量較高，服用舒適性好，缺點是生產難度大，生產成本高。

JUNG H C［6］等 人 開 發 了 一 種 碳 納 米 管（CNT）聚二甲基硅氧烷（PDMS）導電聚合物類心電監測織物電極，其優化的加工技術可使CNT在PDMS基體中分散均勻，阻抗較低，測得的心電信號質量較優，且表現出了很好的生物相容性，連續佩戴7天，心電信號的質量不會隨著時間的推移而降低，也沒有觀察到皮膚有不良反應，如瘙癢或紅斑等。該電極可代替傳統心電電極進行心電信號監測。

REINEL C［7］等人研究了PEDOT：PSS織物電極用于可穿戴心電監護的電極性能。試驗結果顯示，經PEDOT：PSS處理的織物電極可用于心電信號的監測，且連續使用36 h后，心電信號監測誤差小于2%，電極可正常工作。

1.2 紡織材料類

紡織材料類心電監測織物電極是目前研究較多的心電監測電極，該類心電監測電極具有柔軟度高、耐久性持久、易與服裝結合等特點。使紡織材料導電的方法有多種，可通過在紗線上鍍金屬后織成織物、運用化學方法在織物上沉積導電物質（如金屬、石墨烯、聚吡咯）等。

MURAT Kaya Yapici［8］等人把錦綸織物浸于還原性氧化石墨烯溶液中再進行熱處理，在織物上形成石墨烯涂層，從而制得了石墨烯心電監測織物電極。對比該電極與傳統心電電極在皮膚?電極阻抗、心電信號質量等方面的差異，結果表明：石墨烯心電監測織物電極與傳統心電電極測得的心電信號具有良好的一致性，相關性達到97%。

ANKHILI A［9］等將聚酰胺織物、聚酯織物和棉織物分別浸漬在PEDOT：PSS溶液中制成織物電極，再將其嵌入內衣中進行心電信號監測。試驗結果表明，經過50次水洗后，棉織物電極和聚酰胺織物電極仍能提取到較優的心電信號，而聚酯織物電極不易獲得完整的心電信號。

2 心電監測織物電極的主體部分結構

心電監測織物電極設計的基本原則是保證提取的心電信號準確、完整，電極阻抗低、與皮膚貼合較好，因此應選擇導電性能優異的導電織物作為其主體部分［10］。

電極的形狀影響皮膚?電極界面電流密度的分布。VESSELA T K等［11］的研究表明，電流密度的分布存在邊緣效應，即圓形電極電流密度分布的不均勻性較方形電極的不均勻性低。電極面積大小也直接影響信號的準確性，傳統心電電極的有效面積約3.14 cm2。孟妍等［12］設計了面積分別為9 cm2、25 cm2、49 cm2的織物電極，發現其面積越大，與皮膚的接觸阻抗越小，但較大面積的織物使用不便，舒適性較差。許鵬俊［13］35?40制 作 了有效面積分別為1 cm2、4 cm2、9 cm2和16 cm2的方形織物電極進行心電信號采集，結果表明：心電信號強度隨電極面積的增大而增大，但電極面積大于9 cm2時對心電信號強度影響不大。考慮到成本控制的需求，織物電極面積不宜過大。

導電織物作為織物電極的主體部分，發揮了信號采集的重要作用。按照織造方法主要分4類：機織結構、針織結構、刺繡結構和非織造結構。每種導電織物又有很多不同的組織結構，其電極性能也有所不同。TRINDADE I G等［14］研究發現，利用不同組織結構導電織物制成的織物電極具有不同程度的噪聲，且會影響電極與皮膚的接觸面積，進而影響皮膚?電極接觸阻抗。許鵬?。?3］33?37制作了3種組織結構的導電織物及相應織物電極，通過測試電化學阻抗譜表征電極性能，發現不同組織結構導電織物的織物電極阻抗有所不同。

2.1 機織結構

機織結構的導電織物由經紗和緯紗垂直交織而成，結構穩定，導電均勻性好。機織物種類多，根據不同的組織結構和參數，可織造出不同組織結構的導電織物，也可以機織物為基布，通過涂覆導電材料制作導電織物，從而制作織物電極。

張經緯［15］以棉平紋織物為基布，通過電化學聚合法制得了聚吡咯/棉織物心電電極，用于測量人體在靜態時的心電信號，研究了吡咯濃度對電極性能的影響，發現在低頻段（0.1 Hz～10 Hz）隨吡咯濃度上升，織物電極阻抗值下降，吡咯濃度達到0.04 mol/L時，阻抗值變化不明顯。

董科等［16］研究了基于鍍銀錦綸和滌綸混紡交織平紋和緞紋結構的4種織物電極。結果表明，穿戴壓力與導電織物方阻呈反比，與采集心電信號質量呈正比，平紋結構電極比緞紋結構電極監測到的心電信號質量更好。

SONG H Y等［17］設計了一款提花結構的織物電極，并研究了該織物電極監測心電信號的質量。該織物電極采用雙面編織方式，且在緯紗方向上編入一層鍍銀紗線。試驗結果表明：該織物電極穩定性較好，在靜止條件下，對織物電極的心電信號重復監測3次，測得的心電信號質量均較優。

2.2 針織結構

針織結構導電織物可通過在常規紗線針織過程中添加導電紗線而制得，也可采用針織物涂敷導電材料而制得針織結構的織物電極。

楊旭東等［18］開發了一種針織結構心電電極，改善了現有織物電極與皮膚接觸不良、接觸阻抗大等問題。CATRYSSE M等［19］織造了針織結構織物電極，用于監測兒童心電信號。該電極不刺激皮膚，易集成于服裝或繃帶中，缺點是針織物會出現卷邊和脫散，且皮膚?電極阻抗也較高。

2.3 刺繡結構

刺繡結構導電織物能夠增大電極與皮膚接觸面積，提高心電信號監測質量，同時易于加工，是心電監測織物電極中較常用的一種。

胡瑤［20］用刺繡的方法制備了一種新型織物電極，在鍍銀刺繡織物表面用電化學沉積法鍍Ag Cl，然后測試其電化學性能，并與傳統心電電極比較，分析研究了電極和皮膚表面壓力對心電信號在運動偽影和噪聲中的影響，如圖1所示。董科等［21］以碳纖維/滌綸復合長絲為電極導電材料，采用刺繡法開發了一種新型刺繡電極，并對電極的電學性能和細胞毒性進行了分析。結果表明：該織物電極采集到的信號質量較好，且細胞毒性為0級，具有良好的生物相容性，符合醫療體外材料測試標準。

圖1 刺繡毛圈結構織物電極

魯莉博等［22］用電鍍方法制備了Ag?AgCl導電紗線，經刺繡方法制得刺繡毛圈結構的織物心電電極。其優點是電極表面豐富的毛圈形成的“毛刷結構”可以與皮膚密切接觸，貼膚性更好，測試心電信號時阻抗低，能夠更為精準地測得心電信號。

3 心電監測織物電極的應用

岳蜀華等［23］結合織物電極設計了一種衣物集成式ECG T?Shirt，主要組成部分如圖2所示。

圖2 織物電極橫截面和實物照片

翟紅藝等［24］開發了一款可穿戴心電異常監測服，如圖3所示?？椢镫姌O縫制在衣服內側，由導電織物、海綿填充層和支撐墊組成。導電織物內的海綿填充層能確保導電織物與皮膚接觸良好。研究結果表明，該織物電極與一次性心電電極相比，提取的心電信號較易受到噪聲干擾。

圖3 可穿戴心電檢測服

日本移動運營商NTT DoCoMo和東麗精細化工有限公司合作研制出了一款心電監測內衣，如圖4所示。該內衣裝有4個織物電極，均為導電高分子樹脂的聚酯制作而成，能持續監測心肌細胞，被認為具有與傳統心電電極同等的監測水平，可實現24 h人體心電監測［25］。

圖4 織物電極智能服裝

4 結語

目前用于心電監測用織物電極的導電材料種類較多，導電織物的組織結構繁多，其與服裝結合的應用也比較多，大部分均能很好地提取到人體的心電信號，但織物電極與服裝的集成方式、加工工藝的一體化、織物電極與皮膚的貼合程度以及對于心電信號質量的評價缺少統一標準，這顯然不利于織物電極的后續發展。因此，目前急需解決的技術難題是在保證舒適性的前提下，怎樣讓織物電極更好地與皮膚貼合且最大程度獲得較優的心電信號；其次，織物電極獲取的心電信號與一次性使用心電電極獲取的心電信號略有差別，怎樣評判織物電極獲取的心電信號質量也是一大難題。隨著智能可穿戴紡織品的快速發展及市場需求的迅速增多，織物電極作為心電監測領域的后起之秀，需要不斷完善功能，在可穿戴智能監測方面發揮重要作用。