董 科, 李思明, 吳官正, 黃虹蓉, 林鐘石, 肖學(xué)良
(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué)), 江蘇 無(wú)錫 214122;2. 深圳市藥品檢驗(yàn)研究院(深圳市醫(yī)療器械檢測(cè)中心), 廣東 深圳 518057)
心腦血管疾病具有高患病率及高死亡率,已經(jīng)成為一種嚴(yán)重威脅人類生命健康的易發(fā)病。心電監(jiān)護(hù)已經(jīng)成為該類疾病的常規(guī)檢查手段,心電監(jiān)護(hù)通常需要在醫(yī)院內(nèi)診療,還需要特殊前處理才能長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè),如需涂抹導(dǎo)電膏使用的粘貼式凝膠電極,但在特殊前處理時(shí)容易造成患者皮膚瘙癢[1],不適合長(zhǎng)時(shí)間采集心電信號(hào)。對(duì)比粘貼式電極,紡織結(jié)構(gòu)的干電極因其柔軟、透氣透濕、循環(huán)重復(fù)使用性好,并且可加載到可穿戴服裝中,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)人體生物信號(hào)的功能,使患者第一時(shí)間了解自身的病情,并能得到及時(shí)救助,有望成為目前醫(yī)療使用粘貼式電極的替代品[2]。目前研究的織物電極材料主要可分為極化金屬、非極化金屬、聚合物鍍層金屬、納米有機(jī)硅和炭黑材料[3-4],由導(dǎo)電紗線經(jīng)機(jī)織、針織或刺繡,或直接在織物上涂覆導(dǎo)電層制得織物電極。
織物電極的生物相容性差是制約其進(jìn)入醫(yī)療級(jí)設(shè)備的關(guān)鍵因素,特別是織物電極中的導(dǎo)電成分往往具有較強(qiáng)的細(xì)胞毒性。細(xì)胞毒性是化學(xué)物質(zhì)作用于細(xì)胞基本結(jié)構(gòu)或生理過(guò)程,如細(xì)胞膜或細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu),影響細(xì)胞的新陳代謝過(guò)程(細(xì)胞組分或產(chǎn)物的合成、降解或釋放,離子調(diào)控和細(xì)胞分裂),導(dǎo)致細(xì)胞存活、增殖和/或功能的紊亂,引發(fā)不良反應(yīng)。在醫(yī)療監(jiān)測(cè)ECG(心電圖)信號(hào)的過(guò)程中,電極片直接與人體皮膚組織細(xì)胞接觸,因此,醫(yī)療診斷用織物電極片需要具備良好的生物相容性[5],以避免產(chǎn)生皮膚過(guò)敏瘙癢等癥狀,提高患者的舒適性體驗(yàn)。然而很多織物電極所使用的材料如金屬鍍層長(zhǎng)絲,都具有一定的細(xì)胞毒性[6],達(dá)不到醫(yī)療體外材料的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),不適合在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域使用,研究開發(fā)具有良好生物相容性的織物電極具有重要的意義。銀的鍍層金屬聚合物因其良好的電學(xué)性能被應(yīng)用在織物電極上,制備的電極表現(xiàn)出優(yōu)秀的電學(xué)性能和采集ECG信號(hào)的能力[7],但由于鍍銀纖維具有一定的細(xì)胞毒性,并不適合制備醫(yī)療級(jí)心電電極。碳纖維是一種導(dǎo)電性優(yōu)良,比表面積大,并且具有較好的耐腐蝕性能和較低的密度,是制備織物電極的理想材料。
刺繡是制備織物電極常使用的方法,具有工藝流程短,織物形狀可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[8]。本文基于刺繡工藝使用碳纖維及滌綸,以醫(yī)療紗布作為基布制備了一種具有良好生物相容性的新型刺繡織物電極,并與使用鍍銀錦綸絲制備的刺繡電極對(duì)比,測(cè)試了2種織物電極的體外細(xì)胞毒性、電學(xué)性能,以及ECG信號(hào)采集的能力,以期為醫(yī)療級(jí)織物心電電極的進(jìn)一步開發(fā)提供參考。
碳纖維(線密度為2.2 tex,單位長(zhǎng)度電阻為157×103Ω/cm),凱泰特種纖維科技有限公司;導(dǎo)電純鍍銀錦綸絲(線密度為4.44 tex,單位長(zhǎng)度電阻為0.83 Ω/cm),亨通偉業(yè)特種織物科技有限公司;滌綸長(zhǎng)絲(線密度為5.56 tex),名云化纖有限公司。
由于單根碳纖維線密度小強(qiáng)度低,無(wú)法單獨(dú)制備電極,因此,使用NF 2100型并捻機(jī)(南豐機(jī)械有限公司)將2根滌綸長(zhǎng)絲和1根碳單絲合并加捻制得碳纖維/滌綸復(fù)合長(zhǎng)絲(線密度為13.32 tex,單位長(zhǎng)度電阻為213×103Ω/cm),捻度為100捻/(10 cm);同時(shí)使用2根滌綸長(zhǎng)絲與2根鍍銀錦綸長(zhǎng)絲并線加捻制得鍍銀錦綸/滌綸復(fù)合長(zhǎng)絲(線密度為20 tex,單位長(zhǎng)度電阻為8.2 Ω/cm),捻度為100捻/(10 cm)。制備得到2種紗線。
使用纖維切片器制得切片樣品,在Olympus CX31-32C02型在光學(xué)顯微鏡下(日本奧林巴斯株式會(huì)社)觀察2種紗線截面形貌,照片如圖1所示??梢钥闯?,紗線周圍包覆的是羊毛,中間白色部分是滌綸截面。
作為心電信號(hào)傳感器,織物電極的組織、大小、形狀、材料都會(huì)對(duì)其電學(xué)性能產(chǎn)生影響,其中電極織物的尺寸是影響電極阻抗的重要參數(shù):Marozas等[9]研究了電極尺寸及形狀對(duì)采集心電信號(hào)的影響,結(jié)果表明,織物電極直徑小于10 mm時(shí)會(huì)影響心電信號(hào)質(zhì)量,而直徑大于40 mm時(shí)會(huì)影響采集信號(hào)的精度;Krasteva等[10]研究發(fā)現(xiàn)方形的電極比圓形電極表面電流分布均勻度小30%。
為此,本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電極片形狀為圓形,直徑設(shè)置為25 mm,具體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。使用威克漢姆繡花制版軟件對(duì)電極片制版,采用MRS300 A型電腦繡花機(jī)(廣維電器科技有限公司),以醫(yī)用紗布(海博醫(yī)療器械有限公司)作為基布,分別使用鍍銀錦綸/滌綸復(fù)合長(zhǎng)絲和碳纖維/滌綸復(fù)合長(zhǎng)絲制備了2種刺繡電極片,制備刺繡織物電極的工藝參數(shù)如表2所示。
表2 刺繡工藝參數(shù)
Tab.2 Embroidery process parameters
織物電極針跡類型針跡長(zhǎng)度/mm針跡間距/mm針?biāo)?(r·min-1)碳纖維/滌綸刺繡電極直線針51.5500鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極直線針51.5500
體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)要在體外模擬生物體生長(zhǎng)環(huán)境,檢測(cè)材料或其制品對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)抑制、細(xì)胞死亡和其他毒性作用[11]。采用四唑鹽(MTT)比色法對(duì)各電極片進(jìn)行細(xì)胞毒性測(cè)試,參照GB/T 16886.5—2017《醫(yī)療器械生物評(píng)學(xué)價(jià) 第5部分:體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)》 進(jìn)行細(xì)胞毒性評(píng)價(jià)。
具體操作步驟為:將100 uL細(xì)胞濃度為1×104個(gè)/(100 μL)的小鼠成纖維細(xì)胞(L929細(xì)胞)接種到96孔板上,使用CO2培養(yǎng)箱(型號(hào)INCO 246,德國(guó)美墨爾特有限公司)在37 ℃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的CO2氣體環(huán)境下孵育24 h,使細(xì)胞形成半?yún)R合狀態(tài),吸出培養(yǎng)基,加入100 μL實(shí)驗(yàn)樣品浸提液、陰性對(duì)照(高密度聚乙烯浸提液)、陽(yáng)性對(duì)照(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的二甲基亞砜溶液)和溶劑(空白)的處理培養(yǎng)基,繼續(xù)孵育24 h,在IX73P1F型倒置顯微鏡(日本奧林巴斯株式會(huì)社)下檢查平板和細(xì)胞形態(tài)。平板檢查后小心移除培養(yǎng)基并加入50 μL的MTT溶液繼續(xù)培養(yǎng)2 h,然后除去MTT溶液,每孔加入100 μL異丙醇。振蕩平板,使用3001型酶標(biāo)儀(美國(guó)賽默飛世爾科技公司)在570 nm波長(zhǎng)下測(cè)量其吸光度(參照波長(zhǎng)650 nm,其測(cè)試結(jié)果為細(xì)胞板的背景和細(xì)胞碎片等的干擾吸收,實(shí)際吸光度需在570 nm吸光度的基礎(chǔ)上扣除參照波長(zhǎng)650 nm下的吸光度)。
由于細(xì)胞內(nèi)的酶能將MTT還原成不溶于水的藍(lán)色甲臜類結(jié)晶體,并沉淀在細(xì)胞中,而在毒性環(huán)境中,其酶活性會(huì)降低,形成的甲臜類化合物少,顏色較淺,根據(jù)顏色深淺可用酶標(biāo)儀測(cè)定其吸光度,從而判斷實(shí)驗(yàn)樣品對(duì)小鼠成纖維細(xì)胞的毒性,按照下式計(jì)算細(xì)胞的存活率:
式中:OOD1為實(shí)驗(yàn)樣品100%浸提液光密度平均值;OOD為空白光密度平均值。
1.5.1 織物電極阻抗測(cè)試
由于紡織結(jié)構(gòu)電極內(nèi)部是由導(dǎo)電紗線屈曲交織而成,電極片在不同的壓力狀態(tài)下會(huì)發(fā)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化,從而表現(xiàn)出不同的電學(xué)性能,為使測(cè)試時(shí)織物電極的狀態(tài)一致,需要選擇并控制在合適的壓力條件下對(duì)電極片進(jìn)行測(cè)試。
阻抗測(cè)試原理如圖3所示??椢镫姌O的兩邊使用壓力板(直徑為4 cm的圓形小鐵片)夾持電極片。許鵬俊等[12]測(cè)試了不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下壓力服裝的心電信號(hào),結(jié)果表明壓力范圍在0.5~1.4 kPa下可以保證舒適且心電信號(hào)穩(wěn)定,因此,本文實(shí)驗(yàn)對(duì)鐵片施加固定的壓力(壓力為1.2 kPa),使用Victor VC890D型數(shù)顯式萬(wàn)用表(驛生勝利科技有限公司)測(cè)試,并記錄阻抗值。
1.5.2 人體皮膚-電極界面阻抗測(cè)試
本文實(shí)驗(yàn)采用由Thilagavathi[13]提出的參比測(cè)量法,即間接測(cè)量法,是應(yīng)用參照電極通過(guò)公式換算間接測(cè)量皮膚-電極接觸阻抗的方法。使用萬(wàn)用表測(cè)量皮膚-電極阻抗,將2個(gè)粘貼式凝膠電極作為參照電極,等效電路的皮膚電極模型如圖4所示。圖中:Zmp和Zpn表示各參照電極與刺繡電極之間的阻抗;Zmn表示2個(gè)參照電極之間的阻抗;Z1和Z2為參照電極與刺繡電極之間的皮膚阻抗;L1、L2為參照電極與刺繡電極之間的距離。使用刺繡電極Z0,參照電極Ze1、Ze2表示各電極片的皮膚-電極界面阻抗,因此,2個(gè)電極之間的阻抗可以計(jì)算為:
Zmp=Z0+Ze1+Z1
(1)
Zpn=Z0+Ze2+Z2
(2)
Zmn=Ze1+Ze2+Z1+Z2
(3)
由于使用了2個(gè)相同的參照電極,因此可以認(rèn)為Ze1=Ze2,并且L1=L2=6 cm,可認(rèn)為參照電極與刺繡電極之間的皮膚阻抗相等,即Z1=Z2,則
Z0=Zmp-Zmn/2
(4)
Z0=Zpn-Zmn/2
(5)
在如圖4(b)所示測(cè)試中,電極片按順序排列放置固定在皮膚上,使用膠帶對(duì)各個(gè)電極片提供穩(wěn)定的壓力,中間為待測(cè)刺繡電極,兩邊為參照凝膠電極,每2個(gè)電極片中心點(diǎn)之間的距離為6 cm(L1=L2=6 cm)。使用萬(wàn)用表測(cè)試點(diǎn)m和n、m和p、n和p之間的阻抗;根據(jù)式(4)、(5)計(jì)算各刺繡電極的電極阻抗,在整個(gè)心電采集的過(guò)程中,由于人體皮膚的阻抗是不斷變化的,受試者持續(xù)佩戴6 h,在0、10、20、30 min以及40~360 min每間隔20 min的各時(shí)間點(diǎn)測(cè)試并記錄皮膚-電極阻抗。
生理信號(hào)采集與評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要由3部分組成,即傳感器(主要是織物電極)、集成的硬件平臺(tái)和顯示終端,如圖5所示。整個(gè)硬件平臺(tái)是通過(guò)濾波和放大電路完成的,附加由深圳善行醫(yī)療公司開發(fā)的一款軟件,可在移動(dòng)終端采集到實(shí)時(shí)ECG信號(hào),其中ECG信號(hào)的記錄速度為25 mm/s。
將織物電極通過(guò)金屬按鈕與硬件平臺(tái)連接。通過(guò)三導(dǎo)聯(lián)對(duì)人體進(jìn)行ECG標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),得到的心電信號(hào)大致沿心軸方向。這種方法在臨床上普遍采用,可獲得高質(zhì)量的ECG[14-15]。在本文研究中,2個(gè)相同的電極被放置在靠近心臟的胸部表面(Rl和R2),對(duì)于每一個(gè)特定的織物電極而言,其導(dǎo)電面料一側(cè)與人體皮膚相連,另一側(cè)通過(guò)金屬鈕扣和導(dǎo)線連接到微型硬件平臺(tái)上。
影響電極功能質(zhì)量評(píng)價(jià)的因素很多,因此,本文實(shí)驗(yàn)采用一種比較不同賦權(quán)系數(shù)的評(píng)價(jià)方法[16],在相同的硬件條件和測(cè)試條件下通過(guò)對(duì)比織物電極與凝膠電極采集的心電電極的質(zhì)量,用來(lái)評(píng)價(jià)織物電極采集心電信號(hào)的效果。
在心電圖中,QRS-波群和T-波是能描述心臟作用的主要部分。在電極質(zhì)量的評(píng)價(jià)中, 如果這些波形部分清晰可見,則給出2分,否則為0分。其中R 峰值振幅表示信號(hào)強(qiáng)度,如果大于等于參照凝膠心電電極(2.40 mV),則會(huì)獲得2分;如果在2.0 mV以下,則將獲得0分。穩(wěn)定時(shí)間指心電圖基線到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間,如果穩(wěn)定需要的時(shí)間在10 s以下,則獲得1分,否則為0分?;€振幅表示心電基線的漂移程度,如果基線振幅變化在0.1 mV以下,則給出1分,如果超過(guò) 0.1 mV,那么將得到0分。
在評(píng)價(jià)中,各項(xiàng)指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)是由電極特性的重要性來(lái)確定。在這一評(píng)價(jià)中,最重要的特性為QRS-波群、P-波、T-波、R-波振幅和基線噪聲干擾,這些特性都是影響心電圖質(zhì)量的重要因素,從而影響心血管疾病的診斷[17],因此,各項(xiàng)指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)設(shè)置為:QRS-波群20%;P-波20%;T-波20%;R-波振幅20%;基線振幅變化10%;穩(wěn)定時(shí)間10%。
采用顯微鏡觀察不同電極的浸提液接觸后的細(xì)胞形貌,結(jié)果如圖6所示??芍?,鍍銀錦綸/滌綸織物電極浸提液中L929小鼠細(xì)胞的細(xì)胞層幾乎完全破壞,而碳纖維/滌綸織物電極浸提液中的細(xì)胞(見圖6(b)),胞漿內(nèi)有離散顆粒,無(wú)細(xì)胞溶解,無(wú)細(xì)胞增殖下降情況。顯微觀察結(jié)果顯示,鍍銀錦綸/滌綸織物電極表現(xiàn)出重度細(xì)胞毒性,而碳纖維/滌綸織物電極則基本無(wú)細(xì)胞毒性。
經(jīng)MTT法測(cè)試發(fā)現(xiàn),鍍銀錦綸/滌綸織物電極的細(xì)胞存活率為3%,碳纖維/滌綸織物電極的細(xì)胞存活率為107%,結(jié)果表明制備的鍍銀錦綸/滌綸織物電極具有較強(qiáng)的細(xì)胞毒性,而碳纖維/滌綸織物電極無(wú)細(xì)胞毒性,這一結(jié)果與顯微觀察結(jié)果一致。以上結(jié)論說(shuō)明碳纖維/滌綸織物電極符合醫(yī)療器械的細(xì)胞毒性等級(jí)要求。
在1.2 kPa的恒定壓力條件下,測(cè)得鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極與碳纖維/滌綸刺繡電極的阻抗分別為5.4和7.43×103Ω??梢?,鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極的阻抗顯著大于碳纖維/滌綸刺繡電極。這是由于碳纖維/滌綸刺繡電極中導(dǎo)電紗的含量很少,導(dǎo)電纖維與受測(cè)面的接觸點(diǎn)少且單根碳纖維細(xì)度較細(xì)。但織物電極與皮膚的接觸阻抗也在kΩ級(jí)以上,織物電極本身的阻抗不是影響采集心電信號(hào)的唯一因素,碳纖維/滌綸刺繡電極可以采集到心電信號(hào),可通過(guò)增加碳纖維含量或調(diào)整刺繡工藝參數(shù)來(lái)優(yōu)化其電學(xué)性能。
表3 各電極的心電信號(hào)質(zhì)量評(píng)價(jià)Tab.3 ECG monitoring and performance analysis comparisons between each electrode
人體皮膚-電極阻抗隨時(shí)間變化的測(cè)試結(jié)果如圖7所示??梢?,兩刺繡電極的皮膚-電極阻抗具有相同的變化趨勢(shì),在最開始時(shí)阻抗先升高,測(cè)試10 min時(shí)阻抗達(dá)到最大值,而后下降并在30 min時(shí)阻抗達(dá)到最小值,當(dāng)測(cè)試時(shí)間為120 min再次達(dá)到峰值,隨后緩慢下降,在300 min后各電極的阻抗值相對(duì)趨于穩(wěn)定,此時(shí)碳纖維/滌綸刺繡電極與鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極的皮膚-電極阻抗越來(lái)越接近,可見,在長(zhǎng)期穿戴的監(jiān)測(cè)過(guò)程中,在測(cè)試開始0~5 h時(shí),阻抗的變化是比較顯著的,這可能是由于人體的生理狀態(tài)發(fā)生了改變,并且鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極的阻抗明顯小于碳纖維/滌綸刺繡電極,在約6 h后,碳纖維/滌綸刺繡電極與鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極的阻抗值越來(lái)越接近,因此,從長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)心電信號(hào)的角度來(lái)說(shuō),碳纖維/滌綸刺繡電極可用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)ECG信號(hào)。
使用粘貼式參照電極與2種刺繡電極在自組裝的可穿戴心電采集系統(tǒng)采集到ECG信號(hào)如圖8所示。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法中對(duì)采集到的心電信號(hào)進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果見表3??芍瑢?duì)比凝膠電極與刺繡電極采集到的心電信號(hào),各電極的特征波均明顯出現(xiàn),3種電極采集到的心電圖均具有良好明顯的波形,但2種刺繡織物電極的R-波振幅比凝膠電極略低,凝膠電極與鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極的心電信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間短,碳纖維/滌綸刺繡電極的信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)為12.3 s,凝膠心電電極的振幅變化最小,心電信號(hào)最穩(wěn)定。
相比于凝膠參照電極,刺繡電極的心電圖波形良好,但在振幅、穩(wěn)定時(shí)間等其他方面仍有所差距,這可通過(guò)調(diào)整具體的刺繡電極制備工藝(如增加導(dǎo)電絲的含量,變化電極片的密度等)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化。2種刺繡織物電極中,碳纖維/滌綸刺繡電極的心電信號(hào)質(zhì)量與鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極相近,評(píng)分分別為7、8。雖然碳纖維/滌綸刺繡電極的信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng),但這在長(zhǎng)時(shí)間采集心電過(guò)程中所占的時(shí)間比例是很小的,并且該刺繡電極在采集心電信號(hào)中表現(xiàn)出良好的心電圖質(zhì)量,因此碳纖維/滌綸刺繡電極采集的心電信號(hào)能滿足日常醫(yī)療診斷的需求。
本文基于刺繡工藝開發(fā)了一種可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)心電信號(hào)且滿足醫(yī)療生物兼容性要求的新型刺繡織物心電電極,并使用一套自組裝的可穿戴帶式心電監(jiān)測(cè)服裝采集到了滿足日常醫(yī)療診斷需求的心電圖。實(shí)驗(yàn)通過(guò)將制備的碳纖維材料的刺繡電極與金屬鍍層材料(鍍銀錦綸)制備的刺繡電極對(duì)比,對(duì)比測(cè)試2種不同電極的電學(xué)性能,采集心電信號(hào)的能力以及生物兼容性,得出以下結(jié)論。
1)鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極的電學(xué)性能優(yōu)于碳纖維/滌綸刺繡電極,但在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)心電信號(hào)中,碳基電極的阻抗變化與鍍銀電極相近,2種刺繡電極均能滿足長(zhǎng)時(shí)間的心電信號(hào)監(jiān)測(cè)的要求。
2)對(duì)比市面上的粘貼式凝膠電極,2種刺繡電極采集的心電圖各特征峰明顯,采集心電信號(hào)的能力均能滿足日常醫(yī)療診斷的需求。
3)鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極表現(xiàn)出很強(qiáng)的細(xì)胞毒性,而制備的碳纖維/滌綸刺繡電極基本沒有細(xì)胞毒性,具有良好的生物相容性,可應(yīng)用于醫(yī)療級(jí)織物電極的制備。