張 璐 劉 茜 曾瑋宸

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海，201620）

近年來(lái)心血管疾病成為高發(fā)病，為了有效預(yù)防此類疾病的發(fā)生，對(duì)潛在患病人群的健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并加以預(yù)警是很有必要的。心電監(jiān)測(cè)是診斷此類疾病最直接有效的方法，心電信號(hào)直接反映了心臟的工作狀態(tài)，心電圖是發(fā)現(xiàn)及預(yù)防房顫、心率失常、心肌缺血等心臟異常活動(dòng)的重要依據(jù)。心電電極是獲得監(jiān)測(cè)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(dǎo)電膏和黏膠，長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致使用者皮膚受刺激，引發(fā)過(guò)敏等問(wèn)題。隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，導(dǎo)電膏干涸，采集的心電信號(hào)較差，不能滿足對(duì)心電信號(hào)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。基于此類問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者將重點(diǎn)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(lái)越多重視。其中，織物電極是備受關(guān)注的一種柔性干電極?？椢镫姌O又稱紡織結(jié)構(gòu)電極，是紡織材料經(jīng)紡織加工制成的能感應(yīng)人體表面生物電信號(hào)的傳感器［2］。在使用過(guò)程中，通過(guò)其中導(dǎo)電材料的電阻變化采集心電信號(hào)?？椢镫姌O具有手感柔軟、舒適性較好、透氣透濕性好等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間使用不會(huì)引發(fā)皮膚刺激和發(fā)炎等癥狀［3］。織物電極可以以服裝為載體，實(shí)現(xiàn)穿戴式心電監(jiān)護(hù)，方便拆卸、洗滌，可重復(fù)使用，解決了使用一次性心電電極帶來(lái)的大量損耗問(wèn)題。

1 心電監(jiān)測(cè)織物電極材料

心電電極需具備高質(zhì)量的生物信號(hào)提取功能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性、生物相容性等特點(diǎn)?；诖耍鋵?dǎo)電材料可分為非極化金屬、極化金屬、聚合物鍍層金屬、導(dǎo)電聚合物、納米級(jí)有機(jī)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(duì)提取心電信號(hào)的質(zhì)量有著決定性作用，通常選擇阻抗低、導(dǎo)電性好、服用舒適性好的導(dǎo)電材料。采用導(dǎo)電材料與常規(guī)紡織材料結(jié)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(jù)不同心電監(jiān)測(cè)織物電極材料的制備工藝，心電監(jiān)測(cè)織物電極可以分為導(dǎo)電聚合物類和紡織材料類兩大類。

1.1 導(dǎo)電聚合物類

導(dǎo)電聚合物類心電監(jiān)測(cè)織物電極通常以柔性多聚物為基底，采取絲網(wǎng)印刷或者噴涂方式把碳漿、銅漿、銀漿等印制到聚對(duì)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(dǎo)電材料顆粒分散到柔性基體中。其優(yōu)點(diǎn)是提取的心電信號(hào)質(zhì)量較高，服用舒適性好，缺點(diǎn)是生產(chǎn)難度大，生產(chǎn)成本高。

JUNG H C［6］等 人 開(kāi) 發(fā) 了 一 種 碳 納 米 管（CNT）聚二甲基硅氧烷（PDMS）導(dǎo)電聚合物類心電監(jiān)測(cè)織物電極，其優(yōu)化的加工技術(shù)可使CNT在PDMS基體中分散均勻，阻抗較低，測(cè)得的心電信號(hào)質(zhì)量較優(yōu)，且表現(xiàn)出了很好的生物相容性，連續(xù)佩戴7天，心電信號(hào)的質(zhì)量不會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，也沒(méi)有觀察到皮膚有不良反應(yīng)，如瘙癢或紅斑等。該電極可代替?zhèn)鹘y(tǒng)心電電極進(jìn)行心電信號(hào)監(jiān)測(cè)。

REINEL C［7］等人研究了PEDOT：PSS織物電極用于可穿戴心電監(jiān)護(hù)的電極性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)PEDOT：PSS處理的織物電極可用于心電信號(hào)的監(jiān)測(cè)，且連續(xù)使用36 h后，心電信號(hào)監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)織物電極是目前研究較多的心電監(jiān)測(cè)電極，該類心電監(jiān)測(cè)電極具有柔軟度高、耐久性持久、易與服裝結(jié)合等特點(diǎn)。使紡織材料導(dǎo)電的方法有多種，可通過(guò)在紗線上鍍金屬后織成織物、運(yùn)用化學(xué)方法在織物上沉積導(dǎo)電物質(zhì)（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(jìn)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(jiān)測(cè)織物電極。對(duì)比該電極與傳統(tǒng)心電電極在皮膚?電極阻抗、心電信號(hào)質(zhì)量等方面的差異，結(jié)果表明：石墨烯心電監(jiān)測(cè)織物電極與傳統(tǒng)心電電極測(cè)得的心電信號(hào)具有良好的一致性，相關(guān)性達(dá)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(nèi)衣中進(jìn)行心電信號(hào)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)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(yōu)的心電信號(hào)，而聚酯織物電極不易獲得完整的心電信號(hào)。

2 心電監(jiān)測(cè)織物電極的主體部分結(jié)構(gòu)

心電監(jiān)測(cè)織物電極設(shè)計(jì)的基本原則是保證提取的心電信號(hào)準(zhǔn)確、完整，電極阻抗低、與皮膚貼合較好，因此應(yīng)選擇導(dǎo)電性能優(yōu)異的導(dǎo)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(yīng)，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(hào)的準(zhǔn)確性，傳統(tǒng)心電電極的有效面積約3.14 cm2。孟妍等［12］設(shè)計(jì)了面積分別為9 cm2、25 cm2、49 cm2的織物電極，發(fā)現(xiàn)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?。?3］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(jìn)行心電信號(hào)采集，結(jié)果表明：心電信號(hào)強(qiáng)度隨電極面積的增大而增大，但電極面積大于9 cm2時(shí)對(duì)心電信號(hào)強(qiáng)度影響不大?？紤]到成本控制的需求，織物電極面積不宜過(guò)大。

導(dǎo)電織物作為織物電極的主體部分，發(fā)揮了信號(hào)采集的重要作用。按照織造方法主要分4類：機(jī)織結(jié)構(gòu)、針織結(jié)構(gòu)、刺繡結(jié)構(gòu)和非織造結(jié)構(gòu)。每種導(dǎo)電織物又有很多不同的組織結(jié)構(gòu)，其電極性能也有所不同。TRINDADE I G等［14］研究發(fā)現(xiàn)，利用不同組織結(jié)構(gòu)導(dǎo)電織物制成的織物電極具有不同程度的噪聲，且會(huì)影響電極與皮膚的接觸面積，進(jìn)而影響皮膚?電極接觸阻抗。許鵬?。?3］33?37制作了3種組織結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電織物及相應(yīng)織物電極，通過(guò)測(cè)試電化學(xué)阻抗譜表征電極性能，發(fā)現(xiàn)不同組織結(jié)構(gòu)導(dǎo)電織物的織物電極阻抗有所不同。

2.1 機(jī)織結(jié)構(gòu)

機(jī)織結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電織物由經(jīng)紗和緯紗垂直交織而成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，導(dǎo)電均勻性好。機(jī)織物種類多，根據(jù)不同的組織結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可織造出不同組織結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電織物，也可以機(jī)織物為基布，通過(guò)涂覆導(dǎo)電材料制作導(dǎo)電織物，從而制作織物電極。

張經(jīng)緯［15］以棉平紋織物為基布，通過(guò)電化學(xué)聚合法制得了聚吡咯/棉織物心電電極，用于測(cè)量人體在靜態(tài)時(shí)的心電信號(hào)，研究了吡咯濃度對(duì)電極性能的影響，發(fā)現(xiàn)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(dá)到0.04 mol/L時(shí)，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(jié)構(gòu)的4種織物電極。結(jié)果表明，穿戴壓力與導(dǎo)電織物方阻呈反比，與采集心電信號(hào)質(zhì)量呈正比，平紋結(jié)構(gòu)電極比緞紋結(jié)構(gòu)電極監(jiān)測(cè)到的心電信號(hào)質(zhì)量更好。

SONG H Y等［17］設(shè)計(jì)了一款提花結(jié)構(gòu)的織物電極，并研究了該織物電極監(jiān)測(cè)心電信號(hào)的質(zhì)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(yàn)結(jié)果表明：該織物電極穩(wěn)定性較好，在靜止條件下，對(duì)織物電極的心電信號(hào)重復(fù)監(jiān)測(cè)3次，測(cè)得的心電信號(hào)質(zhì)量均較優(yōu)。

2.2 針織結(jié)構(gòu)

針織結(jié)構(gòu)導(dǎo)電織物可通過(guò)在常規(guī)紗線針織過(guò)程中添加導(dǎo)電紗線而制得，也可采用針織物涂敷導(dǎo)電材料而制得針織結(jié)構(gòu)的織物電極。

楊旭東等［18］開(kāi)發(fā)了一種針織結(jié)構(gòu)心電電極，改善了現(xiàn)有織物電極與皮膚接觸不良、接觸阻抗大等問(wèn)題。CATRYSSE M等［19］織造了針織結(jié)構(gòu)織物電極，用于監(jiān)測(cè)兒童心電信號(hào)。該電極不刺激皮膚，易集成于服裝或繃帶中，缺點(diǎn)是針織物會(huì)出現(xiàn)卷邊和脫散，且皮膚?電極阻抗也較高。

2.3 刺繡結(jié)構(gòu)

刺繡結(jié)構(gòu)導(dǎo)電織物能夠增大電極與皮膚接觸面積，提高心電信號(hào)監(jiān)測(cè)質(zhì)量，同時(shí)易于加工，是心電監(jiān)測(cè)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(xué)沉積法鍍Ag Cl，然后測(cè)試其電化學(xué)性能，并與傳統(tǒng)心電電極比較，分析研究了電極和皮膚表面壓力對(duì)心電信號(hào)在運(yùn)動(dòng)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(fù)合長(zhǎng)絲為電極導(dǎo)電材料，采用刺繡法開(kāi)發(fā)了一種新型刺繡電極，并對(duì)電極的電學(xué)性能和細(xì)胞毒性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：該織物電極采集到的信號(hào)質(zhì)量較好，且細(xì)胞毒性為0級(jí)，具有良好的生物相容性，符合醫(yī)療體外材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 刺繡毛圈結(jié)構(gòu)織物電極

魯莉博等［22］用電鍍方法制備了Ag?AgCl導(dǎo)電紗線，經(jīng)刺繡方法制得刺繡毛圈結(jié)構(gòu)的織物心電電極。其優(yōu)點(diǎn)是電極表面豐富的毛圈形成的“毛刷結(jié)構(gòu)”可以與皮膚密切接觸，貼膚性更好，測(cè)試心電信號(hào)時(shí)阻抗低，能夠更為精準(zhǔn)地測(cè)得心電信號(hào)。

3 心電監(jiān)測(cè)織物電極的應(yīng)用

岳蜀華等［23］結(jié)合織物電極設(shè)計(jì)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(shí)物照片

翟紅藝等［24］開(kāi)發(fā)了一款可穿戴心電異常監(jiān)測(cè)服，如圖3所示?？椢镫姌O縫制在衣服內(nèi)側(cè)，由導(dǎo)電織物、海綿填充層和支撐墊組成。導(dǎo)電織物內(nèi)的海綿填充層能確保導(dǎo)電織物與皮膚接觸良好。研究結(jié)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(hào)較易受到噪聲干擾。

圖3 可穿戴心電檢測(cè)服

日本移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商N(yùn)TT DoCoMo和東麗精細(xì)化工有限公司合作研制出了一款心電監(jiān)測(cè)內(nèi)衣，如圖4所示。該內(nèi)衣裝有4個(gè)織物電極，均為導(dǎo)電高分子樹(shù)脂的聚酯制作而成，能持續(xù)監(jiān)測(cè)心肌細(xì)胞，被認(rèn)為具有與傳統(tǒng)心電電極同等的監(jiān)測(cè)水平，可實(shí)現(xiàn)24 h人體心電監(jiān)測(cè)［25］。

圖4 織物電極智能服裝

4 結(jié)語(yǔ)

目前用于心電監(jiān)測(cè)用織物電極的導(dǎo)電材料種類較多，導(dǎo)電織物的組織結(jié)構(gòu)繁多，其與服裝結(jié)合的應(yīng)用也比較多，大部分均能很好地提取到人體的心電信號(hào)，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(duì)于心電信號(hào)質(zhì)量的評(píng)價(jià)缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這顯然不利于織物電極的后續(xù)發(fā)展。因此，目前急需解決的技術(shù)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(yōu)的心電信號(hào)；其次，織物電極獲取的心電信號(hào)與一次性使用心電電極獲取的心電信號(hào)略有差別，怎樣評(píng)判織物電極獲取的心電信號(hào)質(zhì)量也是一大難題。隨著智能可穿戴紡織品的快速發(fā)展及市場(chǎng)需求的迅速增多，織物電極作為心電監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的后起之秀，需要不斷完善功能，在可穿戴智能監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮重要作用。