基于心電信號采集與處理的柔性織物電極的制備及性能

趙芳菲，關芳蘭，王 悅，周一帆，劉亞俠

（1.北京服裝學院材料設計與工程學院，北京 100029；2.北京服裝學院服裝工程與設計學院，北京 100029）

現代人工作壓力大，生活方式不規律。健康問題受到了廣泛的關注，其中心血管疾病更是首當其沖。由心肌激動所產生的心電圖（ECG）是診斷和治療時的重要依據。現階段臨床上ECG 所采用的電極一般為Ag/AgCl 電極，該電極有良好的穩定性，能保證皮膚與心電電極之間的接觸良好，測量數據精準，但是電極表面需要涂抹導電藥膏，會對皮膚有刺激作用，而且攜帶極不方便。織物電極是可以長期監控心電信號的柔性干電極，更加適合長期監控人體的心電信號。

用于測量心電圖的織物柔性電極的制備成為研究的熱點。丁辛等采用先化學合成再電化學鍍的方法，在織物表面（基底）涂覆聚吡咯導電層，制備了一種用于采集心電信號的織物電極，這種織物電極具有良好的導電性能，且具有良好的柔軟透氣透濕性能，可直接與監測對象的皮膚表面接觸，進行長期的心電采集，但是導電聚合物電導率仍然較低，心電圖信號不夠強。［1］張琳等［2］利用非接觸式電極和人體皮膚進行容性耦合，避免皮膚-電極界面的相對摩擦和擠壓，通過平板電容的大小變化間接反映生理狀態的變化，但電容的存在對皮膚仍然造成了嚴重的刺激。Weder 等［3］采用等離子濺射法在滌綸基底上涂覆銀（Ag）和鈦（Ti）制備了銀/鈦涂層的繡花電極，并采用一種防水透氣膜來保護電極，但是僅導電的銀電極不能準確感應心電圖信號。因此，本課題制備Ag/AgCl 導電油墨，在織物基底上涂覆Ag/AgCl 導電油墨，由Ag/AgCl 組成柔性電極，探測心電圖信號，制備心電圖服裝。

制備Ag 導電油墨時，單一形狀的銀顆粒填充聚合物時，填充量達到90%以上才能達到閾值，較高的填充量導致導電油墨流動性極低，不利于加工。因此，本研究將球形的銀導電顆粒與片狀銀導電顆粒復合制備導電油墨，使導電顆粒在較低的填充量下就能達到較高的電導率。

1 實驗

1.1 材料與設備

材料：銀粉（Ag，1 μm，球形、片狀，上海岡田納米材料有限公司），氯化銀（AgCl，上海麥克林生化科技有限公司）。

儀器：RTS-9 雙電測四探針，Gemini HR Nano 旋轉流變儀，JSM-7500F 掃描電子顯微鏡，SKX-2000 心電信號接收器。

1.2 織物電極的制備

1.2.1 心電圖電極圖案的設計

以絲網印花的方式制備柔性電極，查閱相關文獻可知：正弦波模式比直線模式具有更好的拉伸性能，拉伸過程中電阻穩定性更好［4］。所以設計圖1 所示的心電衣電極圖案，圓形為傳感器區域，設計為直徑3.2 cm，面積8.04 cm2，其他為寬度0.2 mm 的正弦波形圖，正弦波形圖包含了胸部導聯的6個點。

圖1 心電衣電極圖案設計

1.2.2 導電油墨的制備

用銀導電顆粒制備的導電漿料，基本由導電相（Ag 和AgCl）、黏結相以及有機載體3 個部分組成［5］。在制備過程中，一般在3 種材料分別準備完畢后，將導電相和黏結相混合成粉末再與有機載體結合，然后進行研磨，軋制使其均勻分散在載體中，獲得符合要求的導電油墨。導電油墨的導電性會隨著導電填料的增加而增大，但是達到臨界值后，導電性將不會發生改變，并且電阻值會隨之增大。過高的導電填料用量往往導致印花加工性急劇降低。根據文獻選擇導電填料用量為70%，采用球形和片狀的銀粉或者氯化銀制備。

以1 μm 球形、1 μm 片狀的導電銀粉作為導電顆粒，在球磨機中與有機溶劑DBE 和樹脂研磨8 h，制備Ag 導電油墨，探討球形和片狀銀導電顆粒的配比范圍為1∶1～5∶1（質量比）。

Ag/AgCl 導電油墨由80%銀導電顆粒和20%AgCl 導電顆粒組成，在球磨機中與有機溶劑DBE 和樹脂研磨8 h制得。

1.2.3 柔性織物電極的制備

將制備好的導電油墨以絲網印花的方式印制在TPU 膜上并固化，接著通過熱壓復合的方法使其與織物融合。

1.3 測試

黏度：采用旋轉流變儀測試油墨的黏度。

表面形態：采用掃描電子顯微鏡觀察導電膜的表面形態。

電導率：使用雙電測四探針對固化后的電極進行測試。

心電圖：將印制好的柔性電極與心電盒一起組裝，采用心電信號接收器進行測試。

2 結果與討論

2.1 導電漿料的黏度

由圖2 可以看出，由銀導電顆粒所制備的4 種流體均是剪切變稀流體，隨著剪切速率的增大，黏度急劇降低，適合絲網印花。由黏度曲線還可看出，增加球形導電顆粒的比例，油墨的黏度降低；增加片狀導電顆粒的比例，油墨的黏度顯著升高。

圖2 導電漿料的黏度

2.2 導電油墨的電導率

將制得的Ag/AgCl 導電油墨印到TPU 薄膜上，高溫固化后制得導電膜。對導電膜進行電導率測試，從而分析油墨的導電性，結果見圖3。由圖3 可以看出，導電顆粒形狀改變，導電油墨的電導率發生較大變化，當球形顆粒與片狀顆粒質量比為1∶1 時，導電粒子比較容易接觸，導電膜的電導率達到104S/m；逐漸增加球形顆粒的比例時，雖然體系的黏度降低，但是電導率逐漸下降，主要原因是在導電膜中，導電粒子需要緊密接觸形成導電網絡才能導電。球形顆粒表面光滑，增加球形顆粒的用量，油墨的黏度可以降低，但顆粒之間的接觸面積下降，電導率則相應地降低，在掃描電鏡圖中也能看到。

圖3 不同配比導電顆粒制得導電膜的電導率

2.3 電極的微觀形貌

運用掃描電鏡對導電膜進行了表面形貌觀察，所制備電極的微觀形貌見圖4。

圖4 電極的微觀形貌

如圖4a、4b 所示，球形顆粒和片狀顆粒銀粉混雜的導電粒子所制成的電極，導電顆粒之間的互相接觸面積增大，在較低的填充量時就能形成導電通路。而圖4c 和圖4d 顯示的是目前常用的鍍銀線微觀形貌，主要以球形顆粒為主，導電顆粒在纖維表面的分布不均勻，顆粒之間的接觸面積較小，需要大量的導電顆粒堆積到一起才能導電。

2.4 心電圖測試

典型的心電波不僅包括左右心房除極產生的P波、心室除極產生的QRS 波和心室快速復檄產生的T波，還包括PR 段、ST 段、PR 間期和ST 間期等［6］。心電圖中的格子均為1 mm 的正方形，橫向上一格代表0.04 s，縱向間格代表0.1 mV。測評正常模式、心律不齊模式、輕微運動模式和人體產生的心電圖，并與以上7 種情況下的標準心電圖進行比較，進而判定本課題織物電極的心電監測性能。

2.4.1 正常模式

由圖5a 可以看出，心電衣所得的心電圖中，7 種波群都十分明顯；在正常情況下，主要需要的是對心率的監測，所以應該重點監控QT 波段，且整體心跳速率平穩基本保持勻速，從其中一個周期可以看出QT 波段在正常時間范圍內沒有延長和縮短的跡象，并且P 波規律出現，每個P 波后都緊緊跟隨QRS 波群，且R-R 間距相等，每個波群的振幅均在合理范圍之內。和圖5b 的標準心電圖進行比較，心電衣的心電圖與標準心電圖相差不大，所以在正常情況下，本課題的心電衣符合要求。

圖5 正常模式下的心電圖

2.4.2 心律不齊模式

心律不齊主要表現在P-R 間隔找不到規律，R-R間距的差異需大于0.12 s。由圖6a、6b 可以看出，心電衣測出的P-R 波段有差異但是不明顯，最小的間隙時間為0.18 s，最大的間隙時間為0.32 s，大于可以判定為心律不齊的0.12 s，只有個別幾組的間隙時間有差別，大多數波段周期有一定的規律可循；并且整體上R-R 段時間基本維持在0.74 s 左右，沒有太大的差別。而圖6c 的aVR 聯導測試圖中，多數P-R 波段的間隙時間差別明顯了許多。原因有：（1）模擬器不能十分精準地表達心律不齊；（2）本課題心電衣的敏感程度有限，只能測出一定程度的心律不齊。

圖6 心律不齊模式下的心電圖

2.4.3 輕微運動模式

在模擬輕微運動時，心肌組織被激動或激動通過后，會發生心率快且有規律，如圖7a 中P 波直立，心率快于正常情況且規律，心率為160 次/min；QRS波群時限正常（0.07 s）。由此可以看出，心電衣可以表現出在輕微運動情況下的心率變化。但與圖7b 對比可以發現，心電衣心電圖的S-T 間期振幅要比標準心電圖的振幅小許多，原因為標準心電圖采用醫學心電監測儀，和皮膚可以緊密接觸，但心電衣達不到和皮膚緊密接觸，所以信號比較微弱，且織物電極的電壓過低，振幅不是很明顯。

2.4.4 人體心電圖

由圖8a 可以看出，人體穿戴心電衣所得心電圖在心率方面比較穩定，R-R 周期平均維持在0.86 s，平均心率為71 次/min。但在人體穿戴心電衣進行測試的過程中，電極會和人體進行一定程度的摩擦，對心電圖的測試有影響。第3、9 和12 組波發生了變化，T 波發生了倒置，因為織物電極的電流不穩定導致心電基線不穩。與標準心電圖對比可以看出，人體穿戴心電衣所得心電圖除了正常的波群之外還有其他波的出現，顯示了一定程度的噪音；并且峰值時間也有偏差，刨除心電衣心電圖的心率快于標準心電圖的因素，也說明心電衣的測量過程受到了很多干擾。

根據以上4 種模式制作了每種模式下周期時間、 噪音和電壓的表格。由表1 可以看出，除了輕微運動導致心率過快、周期縮短，正常、心律不齊和人體穿戴模式下的周期基本一致，差別在誤差范圍之內。人體穿戴時，由于電極和皮膚產生摩擦造成噪音，電壓振幅比其他情況大。由于正常、心律不齊和輕微運動模式使用模擬器來模擬信號，電壓振幅偏小，人體穿戴時電壓振幅為正常值。

表1 各種模式下的R-R 周期、噪音幅度和電壓幅度

3 結論

對導電漿料的黏度、電導率、電極形貌等性質進行測試，對在各種模式下織物電極生成的心電圖進行研究，結果表明：（1）球狀導電顆粒和片狀導電顆粒可提高導電漿料的流變性，降低黏度，有利于心電衣制作時導電漿料的絲網印花；（2）在制作導電漿料過程中，球狀、片狀導電顆粒質量比為1∶1 的Ag/AgCl導電油墨導電率更好并且可以用于絲網印花；（3）絲網印花制備織物電極，可以實現短時間高產量，有利于商業化，并且所制得的織物電極效果好；（4）在正常、心律不齊、輕微運動模式下，心電衣可以反映出基本的心臟情況，且測試所得的心電圖波形完整，時限和振幅均在標準范圍內，但由于不能像醫學心電監控儀一樣和身體緊密接觸，所以信號較弱，產生的振幅偏小；（5）人體穿戴心電衣進行檢測時，心電圖波形完整、心律穩定，但由于與皮膚接觸產生摩擦，心電圖中有明顯的噪音。