胡艷瓊　鄧詠梅

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心電監(jiān)測(cè)服裝監(jiān)測(cè)位置的研究

胡艷瓊1鄧詠梅2

1.好運(yùn)來(lái)針織呢絨有限公司(中國(guó))2.西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院(中國(guó))

介紹了心電信號(hào)的產(chǎn)生、特征及心電導(dǎo)聯(lián)的肢體導(dǎo)聯(lián)。以鎖骨、人體前中線、胸點(diǎn)和肚臍為參照點(diǎn)，對(duì)人體4個(gè)監(jiān)測(cè)位置進(jìn)行了劃分，對(duì)不同的電極組合進(jìn)行心電測(cè)試試驗(yàn)，獲得人體表面合適的監(jiān)測(cè)范圍。結(jié)果表明：左、右胸部電極的位置對(duì)肢體導(dǎo)聯(lián)的心電信號(hào)影響顯著，主要影響Ⅰ導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)；腹部電極可取范圍較大，對(duì)信號(hào)的影響不明顯。通過兩次位移試驗(yàn)確定了人體對(duì)應(yīng)服裝上的最優(yōu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并給出了170/88A標(biāo)準(zhǔn)男體緊身基樣上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置。

心電圖；監(jiān)測(cè)位置；振幅；服裝版型

服裝與人體間長(zhǎng)時(shí)間、大面積接觸的特點(diǎn)，使服裝成為可穿戴醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備的最佳應(yīng)用平臺(tái)。心電監(jiān)測(cè)服裝可通過服裝監(jiān)測(cè)心電信號(hào)并生成心電圖(ECG)，因而能實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)控人體心電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)慢性心血管疾病提前預(yù)防的目的。心電圖是一種重要和成熟的心電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)。將測(cè)量電極放置在人體表面的一定部位,記錄的心肌細(xì)胞生物電變化曲線即為臨床常規(guī)心電圖[1]，它反映了心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過程中的生物電變化，分析心電電信號(hào)波形的時(shí)序和形態(tài)可客觀反映心臟各部位的生理狀況，幫助診斷心臟的問題。信號(hào)檢測(cè)是整個(gè)可穿戴醫(yī)療監(jiān)護(hù)服裝系統(tǒng)的核心，監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性、可靠性直接影響后續(xù)工作的有效性。然而心電信號(hào)屬于毫伏(mV)級(jí)電信號(hào)，具有信號(hào)弱、噪聲強(qiáng)、頻率范圍一般較低和隨機(jī)性等特點(diǎn)[2]。

心電檢測(cè)中，電極片的放置位置會(huì)影響心電監(jiān)測(cè)圖形質(zhì)量。不同的放置位置，心電各個(gè)波的方向、振幅都不同，影響病情觀察。因此為受試者選擇合適的電極片放置部位，是提高監(jiān)測(cè)圖形質(zhì)量的前提。本文以生物電信號(hào)、心電信號(hào)特征和心電導(dǎo)聯(lián)的心電圖學(xué)知識(shí)為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的部分依據(jù)，設(shè)計(jì)了人體心電監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化試驗(yàn)，通過對(duì)應(yīng)服裝基型上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移試驗(yàn)，確定了用于心電監(jiān)測(cè)服裝上的電極安放位置。

1　人體監(jiān)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1導(dǎo)聯(lián)方式選擇

動(dòng)物機(jī)體組織和體液都能導(dǎo)電。將心電描記器的記錄電極放在體表的任何兩個(gè)非等電部位，都可記錄心電變化。將電極置于體表任何兩個(gè)點(diǎn)，再與心電圖機(jī)的正負(fù)兩極相連就可構(gòu)成電路，這種連接方式和裝置稱為導(dǎo)聯(lián)。標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)是將4個(gè)電極片貼于四肢近末端部位，但這會(huì)對(duì)人體的正常活動(dòng)造成一定影響，不利于心電信號(hào)的監(jiān)測(cè)。為提高電極片集成于服裝后所測(cè)心電信號(hào)的準(zhǔn)確性，本試驗(yàn)選擇標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)的胸部貼法。電極安放位置分別為R(鎖骨下，靠近右肩)、L(鎖骨下，靠近左肩)、N(右下腹)和F(左下腹)，分別構(gòu)成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ導(dǎo)聯(lián)(圖1)。

圖1　體表電極安放位置

1.1.2電極選擇

心電電極將人體心肌產(chǎn)生的生物電轉(zhuǎn)化為可用于分析的電子導(dǎo)電信號(hào)，是一種電信號(hào)轉(zhuǎn)化器件[3]。將電極集成于服裝，要求電極柔軟舒適、穩(wěn)定、靈敏度高、能夠洗滌和重復(fù)使用。傳統(tǒng)的一次性電極存在易造成皮膚過敏，長(zhǎng)時(shí)間使用易造成皮膚潰爛，易干涸、不可重復(fù)使用的問題。本研究團(tuán)隊(duì)選用緞紋、蜂巢、刺繡、針織等4種結(jié)構(gòu)的材料為電極，通過氯化工藝處理，形成氯化銀包覆銀的復(fù)合結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行阻抗測(cè)試后可知，組織結(jié)構(gòu)為銀-氯化銀蜂巢時(shí)材料的電化學(xué)阻抗最小，最適合制作心電電極。因此銀-氯化銀蜂巢組織結(jié)構(gòu)符合穿戴要求，能確保與皮膚之間的接觸面積，測(cè)試所需壓強(qiáng)0.5～1.4 kPa[4]。試驗(yàn)選用4 cm×4 cm的氯化銀包覆銀的柔性紡織電極。

為防止金屬的電極扣(夾住服裝與紡織電極，固定在紡織電極中間的扣子，扣子靠近皮膚的一側(cè)為正面，正面有凹陷，可填充眉筆芯)對(duì)心電信號(hào)的干擾，將絕緣膠布貼在金屬的電極扣正面，使金屬的電極扣與皮膚隔離。

1.2試驗(yàn)方案

儀器說(shuō)明書中所給出的電極安放位置比較模糊。為了更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)心電信號(hào)，依據(jù)鎖骨、人體前中線、胸點(diǎn)和肚臍對(duì)監(jiān)測(cè)部分進(jìn)行劃分。如圖2所示，以人體右側(cè)為例，OM線平行于人體前中線，與MN線垂直相較于M點(diǎn)。O點(diǎn)距鎖骨底端水平線和人體前中線各1 cm，OM=MN。以O(shè)M和MN為兩邊作正方形，并三等分每邊，構(gòu)成9個(gè)相同大小的正方形，命名為A～I(xiàn)；om距人體前中線1 cm，mn∥MN，mn距肚臍下方水平線1 cm，取om=mn=OM，同理劃分為a～i 9個(gè)正方形。左側(cè)體表采用同樣的劃分方法，胸部的9個(gè)正方形分別命名為A′～I(xiàn)′，腹部的命名為a′～i′。對(duì)于170/88A標(biāo)準(zhǔn)男體，這種分法所得每個(gè)正方形面積接近4 cm×4 cm，便于之后服裝設(shè)計(jì)中使用紡織電極?？紤]到服裝的對(duì)稱美和試驗(yàn)的便捷性，以人體前中線為對(duì)稱軸左右選對(duì)應(yīng)點(diǎn)(即若人體右邊選A，則人體左邊選A′)進(jìn)行組合試驗(yàn)，可得到81種不同的組合方案。

圖2　人體表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)劃分

試驗(yàn)采用Prince 180D 力康心電監(jiān)測(cè)儀，規(guī)格參數(shù)如表1所示。1 mV定準(zhǔn)電壓在心電圖紙上表示為10 mm，紙速為25 mm/s。

試驗(yàn)者為接近170/88A標(biāo)準(zhǔn)體型的健康男子，以靜止?fàn)顟B(tài)站立，正常呼吸，沒有大幅的肢體動(dòng)作。導(dǎo)聯(lián)線連接正確，電極預(yù)加壓強(qiáng)為1 kPa。

表1　心電監(jiān)測(cè)儀規(guī)格參數(shù)

1.3測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)論

心電波形通過心電圖紙呈現(xiàn)，心電圖紙常由粗細(xì)兩種縱線和橫線組成?？v線的間距反映時(shí)間，橫線的間距反映振幅(電壓)，細(xì)線間距為1 mm，粗線間距為5 mm，當(dāng)紙速為25 mm/s時(shí)，縱線間小格代表0.04 s，大格代表0.20 s；當(dāng)定準(zhǔn)電壓為1 mV=10 mm時(shí)，橫線間小格代表0.1 mV，大格代表0.5 mV[5]。如圖3所示，紅色豎線為定基準(zhǔn)線，位于心電波形TP段靜息電位(即零電位)。黑色豎線在心電波形QRS波群的頂端，此時(shí)的QRS波群振幅為黑色豎線的電壓減去紅色線的電壓，即相對(duì)于靜息電位的振幅。圖3所顯示的QRS波群振幅為0.96 mV。

試驗(yàn)結(jié)果得到81組心電波形。由于電極與皮膚接觸后，兩者界面的溫濕度平衡造成信號(hào)不穩(wěn)定，在臨床診斷中通常需要截取10 s心電圖片段進(jìn)行分析。圖4和圖5是CC′gg′和GG′gg′組合的10 s心電圖片段。由圖可見，CC′gg′的信號(hào)強(qiáng)度沒有GG′gg′信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)，尤其是Ⅰ導(dǎo)聯(lián)，振幅最高不足0.2 mV，不能輕易識(shí)別其波形。去除Ⅰ導(dǎo)聯(lián)不能識(shí)別的組合AA′、BB′、CC′和FF′，還剩下DD′、EE′、GG′、HH′和II′及其組合(DD′aa′、DD′bb′、DD′dd′，…，II′hh′、II′ii′)，共45組。

圖3　心電圖顯示界面

圖4　CC′gg′組合心電圖

圖5　GG′gg′組合心電圖

對(duì)剩余45組心電圖，隨機(jī)在其Ⅰ導(dǎo)聯(lián)QRS波處取5個(gè)振幅數(shù)據(jù)求平均值。所得數(shù)據(jù)見表2?？梢?，越靠近胸部及外側(cè)信號(hào)越明顯，下腹部對(duì)整體監(jiān)測(cè)信號(hào)質(zhì)量的影響比較小,比較穩(wěn)定的靜態(tài)測(cè)量點(diǎn)應(yīng)為GG′hh′點(diǎn)，胸部監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置為GG′時(shí)，Ⅰ導(dǎo)聯(lián)心電圖振幅最大，其次為HH′、II′、DD′和EE′。

表2　Ⅰ導(dǎo)聯(lián)振幅及平均值　mV

2　服裝上電極安放位置的確定

2.1預(yù)試驗(yàn)

受試者為接近170/88A標(biāo)準(zhǔn)體的一位健康男青年，穿著萊卡/棉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%/95%)普通貼身T恤。在監(jiān)測(cè)位置訂有電極扣，貼近皮膚一側(cè)電極扣的凹槽內(nèi)放置一小塊眉筆芯(圖6)。受試者穿著該款服裝進(jìn)行40項(xiàng)日?；顒?dòng)的基本動(dòng)作。結(jié)果顯示人體右監(jiān)測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)為向左上方和右下方，最大位移為3.8 cm，人體左監(jiān)測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)為向右上方和左下方，最大位移為3.5 cm，腹部主要向上移動(dòng)，最大位移為4 cm。

(a) 試驗(yàn)服裝　(b) 填充眉筆芯的電極扣

2.2位移試驗(yàn)

制作170/88A體型男子的緊身型針織服裝基型[6]，并由試驗(yàn)者穿著。由于預(yù)試驗(yàn)已獲得了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和最大位移，故在服裝相應(yīng)位置分別標(biāo)出DEGH的交點(diǎn)、D′E′G′H′的交點(diǎn)，正方形h的中點(diǎn)及正方形h′的中點(diǎn)。分別在這4個(gè)點(diǎn)訂上電極扣，并在扣凹槽中放入適量眉筆芯。重復(fù)預(yù)試驗(yàn)的動(dòng)作，活動(dòng)2 h。

2.3結(jié)果

4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移分別如圖7所示。L處位移為3.5 cm×1.7 cm；R處位移為4.0 cm×3.8 cm；F處位移為1.7 cm×6.0 cm；N處位移為1.9 cm×7.4 cm 。L和R的可動(dòng)范圍均約在8 cm×8 cm，F(xiàn)和N可向上移動(dòng)10 cm，左右各移動(dòng)6 cm。故動(dòng)態(tài)試驗(yàn)將人體右側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別選為服裝對(duì)應(yīng)DEGH的交點(diǎn)和正方形h的中點(diǎn)即可滿足監(jiān)測(cè)需求。左邊以人體前中線為軸對(duì)稱選擇。將服裝基型拓到衣片紙樣上得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)L和F點(diǎn)，圖8所示即為170/88A男子心電監(jiān)測(cè)點(diǎn)在緊身基型中的位置。

圖7　4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移

圖8　心電監(jiān)測(cè)點(diǎn)在基型上的位置

3　結(jié)論

通過相關(guān)試驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

——肢體導(dǎo)聯(lián)的胸部貼法測(cè)量所測(cè)得的心電信號(hào)質(zhì)量主要取決于L和R電極的位置，腹部電極影響較小。信號(hào)最好的L和R位置為GG′和HH′，其次為II′、DD′和EE′。AA′、BB′、CC′和FF′處的Ⅰ導(dǎo)聯(lián)波形振幅過小，不可用。從位置上看胸部電極越靠近胸點(diǎn)，信號(hào)越強(qiáng)，振幅越大，波形越清晰。

——以DEGH的交點(diǎn)及D′E′G′H′的交點(diǎn)為R和L的監(jiān)測(cè)點(diǎn)、正方形h及h′的中點(diǎn)為N和F的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移分別為L(zhǎng)處：3.5 cm×1.7 cm； R處：4.0 cm×3.8 cm；F處：1.7 cm×6.0 cm；N處：1.9 cm×7.4 cm，滿足胸部以DEGH和D′E′G′H′的交點(diǎn)、腹部以h和h′的中點(diǎn)為初始位移點(diǎn)時(shí)的監(jiān)測(cè)位移要求。通過將服裝基型對(duì)應(yīng)拓印到結(jié)構(gòu)圖上，獲得了170/88A標(biāo)準(zhǔn)男子心電監(jiān)測(cè)服裝上的有效監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

[1]蔡建新，張唯真．生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)[M]．北京：北京大學(xué)出版社，1997：8．

[2]侯靜．生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)與處理[J]．中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2007(14)：102-105．

[3]袁會(huì)錦,張輝,謝光銀.Ag-AgCl紡織結(jié)構(gòu)電極電鍍工藝參數(shù)的優(yōu)化[J].上海紡織科技，2014，42(12)：34-38．

[4]許鵬俊.用于體表心電監(jiān)測(cè)的紡織結(jié)構(gòu)電極與皮膚之間機(jī)械作用分析及動(dòng)態(tài)噪音研究[D].上海：東華大學(xué)，2012．

[5]張文博，李躍榮．心電圖診斷手冊(cè)[M]．北京：人民軍醫(yī)出版社，2009：493-503．

[6]毛莉莉．針織服裝結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)[M]．北京：中國(guó)紡織出版社，2006：225-233．

Research on monitoring location of ECG monitoring clothing

Hu Yanqiong1，Deng Yongmei2

1.Haoyunlai Knitting Wool Co.Ltd.,Jiangyin/China 2.School of Apparel & Art Design,Xi’an Polytechnic University,Xi’an/China

The generation and characteristics of electrocardiogram (ECG) signal and limb lead were introduced.For the reference to clavicle,the anterior midline of body,bust point and navel,four monitoring sites of the human body were divided,and the different electrode combinations obtained were experimented through ECG testing,and finally the suitable monitoring range of human body was gotten.The results showed that electrode positions on the left and right of the chest had significant influence on ECG signals for limb lead,especially for the lead I.Obtainable electrode ranges for abdominal were larger,and had no obvious effect on the signals.The corresponding optimal monitoring sites on clothing were acquired through two displacement experiments,and the monitoring sites of 170/88A standard male body tight structure were obtained.Key words:electrocardiogram； monitoring location； amplitude； clothing version

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(12JK0571)；好運(yùn)來(lái)針織呢絨服裝研發(fā)項(xiàng)目(2014KJ-018)