黃 達，樊 迪

（中國樂凱集團有限公司 河北 保定 071054）

1 引言

心電監(jiān)護是監(jiān)測心臟電活動的一種手段，是通過顯示屏再連現(xiàn)續(xù)心觀臟察活動監(jiān)，測揭心示臟心電律活的動主的要一變種化無創(chuàng)[1]的。監(jiān)在測臨方床法應，用能上夠，針對心電活動異常的患者，如急性心肌梗塞，各種心律失常等，心電監(jiān)護可適時觀察病情，提供可靠的有價值的心電活動指標，并指導實時處理，有重要的使用價值。

臨床使用的心電監(jiān)護設備是一般由心電電極傳感器、心金電屬導平聯(lián)板線電極和、設吸備附主電機極組、成圓。盤其電中極，等心多電種電形極式傳感[2]器，包隨括著技術的發(fā)展，貼片式的電極傳感器因其結構簡單、信號質量良好、制造使用便捷，應用范圍越來越廣。

心電電極是用來攝取人體心臟活動生物電的器件，是采集心電信號的關鍵材料，作為日常心電監(jiān)護系統(tǒng)中與被測對象直接接觸的器件，其性能的優(yōu)劣直接影響心電監(jiān)護設備的數(shù)據(jù)輸出，進而影響醫(yī)生對病情的診斷。為了得到性能更加優(yōu)良的心電電極，國內外研究人員從多個角度開展了相關的研究[3]。

2 濕電極

根據(jù)電極的作用方式，可將其分為濕電極和干電極。濕電極多選用Ag/AgCl材料，由導電膠充當導電介質，在電極和皮膚之間形成一個導電通路，使得生物電信號可以在皮膚和電極傳感器之間進行傳導，同時因為粘合劑的固定作用，保證了電極和皮膚間的緊密接觸，確保采集到的心電信號的質量。

圖1所示的預置導電膏形式的一次性使用心電電極貼片[4]即為一種比較典型的濕電極，其在透氣性好的無紡布基材上粘合雙面壓敏膠，基材的中心位置連接帶有銀/氯化銀的電極扣，在電極上直接預置導電膏，為減緩導電膏內有效成分的揮發(fā)，在導電膏表面覆蓋吸塑蓋，并以雙面壓敏膠粘合密封，使用時，揭開吸塑蓋后，直接將貼片貼于皮膚表面即可。

圖1 預置導電膏的心電電極貼片結構示意圖Fig.1 Structure diagram of ECG electrode patch with preset conductive paste

在濕電極中，導電膠的性能對心電電極采集的信號質量有著重要影響，但其自身的刺激性和揮發(fā)性也是限制濕電極整體性能的主要因素。對于這種結構的濕電極，其最大的限制就在于導電膠的有效性，因導電膠本身含有易揮發(fā)性的溶劑成分，隨著使用時間的延長，內部溶劑揮發(fā)，導電膠逐漸變干，導電性能大幅下降直至失去電信號傳導作用。

為了延長濕電極的保質期，研究人員提出了各種的電極結構形式，例如丹麥的安保藍點電極片，在電極貼片內部添加了電解液存儲層和阻隔層，利用泡棉結構存儲導電液體，盡量減少導電成分的揮發(fā)。進一步的，水凝膠片開始應用于濕電極中[5]，這種結構的電極也有稱之為固態(tài)膠電極，如圖2所示，利用水凝膠材料制成水凝膠片，其本身具備粘性、導電性的功能，可直接接觸氯化銀電極扣和人體皮膚，從而形成信號通路，例如3M紅點電極、杭州迅達的一次性使用心電電極均使用了導電水凝膠片。但是在使用該類型的產(chǎn)品時，還是需要注意其包裝的密封性，開封后，水凝膠內的溶劑仍會隨時間的延長逐漸揮發(fā)，直至失去作用。

圖2 水凝膠電極Fig.2 Hydrogel electrode

3 干電極

濕電極中因為導電介質的存在，會在一定程度上影響佩戴的舒適度，且無論導電介質為何種材料，其隨時間變化都會逐漸凝固，進而導電性能減弱，引起測量誤差，不適用于長時間監(jiān)測，尤其是在可穿戴監(jiān)測設備上缺點尤為明顯，為克服濕電極固有缺陷，干電極的研究應運而生。干電極與皮膚直接接觸，與皮膚之間沒有導電介質，長期穿戴不會引起皮膚刺激，舒適性較濕電極大大提高。

干電極種類較多，包括硬質干電極、柔性襯底干電極、柔性織物干電極、微針電極等[6-7]。其中硬質干電極多使用金屬材料，但其材料特性導致電極與皮膚表面難以形成穩(wěn)定的接觸界面，不僅受運動偽跡干擾較大，且對舒適感有一定影響。而柔性干電極能夠更好的實現(xiàn)與人體皮膚表面的貼合，更加適應可穿戴智能監(jiān)測設備的需求，是當前研究的熱點之一。

將電極材料做薄，使其本身具備柔性，然后添加在柔性背襯上即可制得柔性襯底干電極，銀納米線、PEDOT：PSS、聚吡咯、碳納米管、石墨烯等均可用于充當電極材料，這些材料兼具了優(yōu)良的導電性和一定的柔韌性，通過絲網(wǎng)印刷、涂布等方式添加在柔性的背襯材料上即可[8-9]。例如Chlaihawi等先采用絲網(wǎng)印刷方式將銀片印制在PET膜材表面，然后將多壁碳納米管/聚二甲基硅氧烷復合材料作為導電聚合物附著在銀層表面，制成一款柔性的干電極，如圖3所示，因其在電極-皮膚界面處良好的共形接觸，柔性的干電極能夠更好的識別心電信號中的典型波形[10]。芶立等還提出一種以天然皮革為襯底的心電電極結構，利用氮氣等離子體對皮革進行處理清潔，然后利用濺射法鍍銀或銀漿涂覆，在皮革表面制備導電涂層，摒棄了傳統(tǒng)濕電極中導電凝膠成分，避免對皮膚的刺激，提升可穿戴舒適性和透氣性，而且這種柔性襯底的干電極還可集中在胸帶、腕帶或服裝中，作為可穿戴智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的電極部分[11]。

圖3 柔性襯底心電電極Fig.3 Flexible substrate ECG electrode

直接將導電材料融于紡織材料中，并以其作為電極原材料，即可制備柔性織物電極。柔性織物電極將電極材料和背襯材料融為一體，具備手感柔軟、舒適性好、透氣透濕等優(yōu)點，還可在一定程度變形，適應皮膚不同的狀態(tài)，其組織結構多樣，機織、針織、刺繡等方法均能實現(xiàn)心電電極與織物甚至衣物的融合，制得的智能心電衣，有助于實現(xiàn)穿戴式智能心電監(jiān)護[12-13]。柔性織物干電極在保證電極基本性能的基礎上，一般還需考慮可洗滌性，日本東麗（Toray）開發(fā)的紡織電極技術，通過浸漬了導電聚合物（PEDOT：PSS）的高導電滌綸納米纖維織物制備成含心電電極的T恤衫，衣物清洗后，仍能正常傳輸心電信號[14]。

在實際應用中，干電極不足之處也很明顯，如皮膚接觸阻抗大、運動時與皮膚之間有滑動、信號噪聲大等。為降低皮膚接觸阻抗，提高信號質量，出現(xiàn)了三維微針電極的概念，即在電極表面添加微結構，制成微針模樣，當電極與皮膚貼合時，微針刺入皮膚的表皮層，達到真皮層，使得電極能夠更好的獲得心電信號，如圖4所示[15]?？涛g法、3D打印、微成型組裝等方法均可以用于制備三維微針電極，但是，這種微針電極雖然在一定程度上提高了信號質量，卻是以破壞皮膚為代價的，在實際應用中還是存在限制。

圖4 不同電極與皮膚的接觸方式Fig.4 Different contact modes of electrodes and skin

隨著人們對主動健康的重視，可穿戴智能健康監(jiān)測類產(chǎn)品獲得了較大的發(fā)展，所以，雖然干電極在實際使用中還存在諸多缺陷，其性能還有待于進一步提高，但其優(yōu)異的穿戴舒適性使得其擁有很大的研究潛力。

4 新型電極

得益于大規(guī)模集成電路和移動通信技術的發(fā)展，智能可穿戴設備相關技術在近些年獲得了較大突破。在心電監(jiān)測領域，穿戴式設備能夠進行心臟類疾病的長程和連續(xù)監(jiān)測，推動疾病診療模式由傳統(tǒng)的“發(fā)病-診斷-治療”的被動模式轉變?yōu)轭A防為主的主動健康模式[3,16]，是符合當下智能醫(yī)療健康的發(fā)展趨勢下的科技產(chǎn)品，也是當下研究的熱點產(chǎn)品。而隨著智能可穿戴技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的心電電極傳感器在生物相容性、可穿戴性、便攜性等方面的問題越來越難以滿足當前的應用需求[17]，能夠適用于智能可穿戴設備的新型電極隨之出現(xiàn)。

4.1 可拉伸結構電極

人體皮膚表面并非單一的平面結構，且運動時，皮膚會處于收縮-拉伸的不規(guī)則狀態(tài)中，因此，無論是從動態(tài)信號質量還是穿戴舒適性角度，都對心電電極提出了更高的要求，這也促進了新型電極的發(fā)展。

為滿足智能可穿戴心電監(jiān)護設備的要求，新型材料、新型結構的心電電極不斷出現(xiàn)，例如張森浩等利用電子束蒸鍍將金、鈦制成薄膜的蛇形電極，并嵌入在PDMS層中，由于蛇形電極的優(yōu)異導電性、可拉伸性以及聚合物基體PDMS的可拉伸性能，柔性心電傳感器可以在高應變狀態(tài)下保持良好的導電性，可以與皮膚進行壽命更長的保形接觸[18]。林媛等也提出了一種可延展柔性心電電極的結構，電極層以金屬或石墨烯為原材料，利用激光切割或機械切割的方法，將其制成線寬為10 μm～1 mm的蜘蛛網(wǎng)和蛇形線結構，如圖5所示，襯于無紡布層形成柔性電極，通過機械結構的設計，增加電極在各個方向適應人體皮膚形變的能力，不僅有助于提升舒適性，還能提升抗運動干擾的能力[19]。

圖5 可延展柔性心電電極Fig.5 Extensible flexible ECG electrode

4.2 復合電極

因監(jiān)測原理的限制，心電電極在實際使用中，需要多個監(jiān)測點的電勢差來反應心電活動，故每次至少需要兩個電極方能使用，而對于監(jiān)測最為全面的十二導聯(lián)心電圖，需在身體不同部位同時粘貼10個電極，且不同電極的監(jiān)測點都有特定的要求，尤其是胸導聯(lián)的6個電極，如圖6所示，使用時需嚴格注意各電極位置和順序，佩戴Holter時，大多數(shù)人都需要在醫(yī)生指導下方能完成穿戴監(jiān)測，為方便使用，有研究人員嘗試將多個電極集成在一個電極片上，有專利中就提出了一種集成了V1-V6電極的心電電極片[20]，在佩戴時，僅需單個貼片即可，大大提升了使用的便捷性。

圖6 胸導聯(lián)電極位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of chest lead electrode position

4.3 定制化電極

如今，越來越多的智能可穿戴心電監(jiān)測設備出現(xiàn)在市場中，例如、美國AliveCor公司研發(fā)的ALiveCor Kardia、粒恩醫(yī)療科技（深圳）有限公司的FitPatch-H1等，其設備體積小，使用方便，病患佩戴監(jiān)護設備后，通過藍牙可與智能手機連接，實時傳輸心電數(shù)據(jù)。為方便使用，多家公司針對自身的產(chǎn)品配套研發(fā)了心電電極貼片，例如美國IRhythm公司研發(fā)的ZIO XT Patch、DMS Service公司的myPatch、正心科技的CardioGuard等，在現(xiàn)有心電電極貼片的基礎上，根據(jù)自身設備特點，推出了專用的心電電極貼片，如圖7所示，在信號質量、穿戴舒適度和使用便捷程度等方面提升了性能。

圖7 myPatch及配套心電電極貼片F(xiàn)ig.7 Mypatch product and ECG electrode patch

5 結論與展望

心電電極是心電監(jiān)測系統(tǒng)中收集心電信號的關鍵部分，心電信號的好壞首先受到電極傳感器的影響，保證電極材料與皮膚的有效貼合、降低接觸電阻、消除噪音等都能有效提高心電信號的質量，為醫(yī)生診斷提供有效的數(shù)據(jù)。

當前，對于心電電極的研究可以分成兩個方面：增加濕電極的舒適性和提高干電極的信號質量。

采用水凝膠片結構的心電電極貼片因其結構簡單、使用方便獲得了較廣的應用，但仍受濕電極導電介質的限制，尤其隨著智能可穿戴心電監(jiān)護技術的發(fā)展，適用于長時監(jiān)測、佩戴舒適的新型生物心電電極的需求越來越迫切。這也促進了研究人員對柔性干電極的研發(fā)，無論是材料方面還是結構方面的創(chuàng)新，都越來越重視舒適性，但是干電極在信號質量的表現(xiàn)以及比較復雜的生產(chǎn)工藝，限制了其規(guī)?；纳a(chǎn)應用。

因此，開發(fā)一種能夠兼顧信號質量、穿戴舒適性的心電電極，實現(xiàn)長時間的連續(xù)性監(jiān)測，成為了智能可穿戴心電監(jiān)護時代的迫切需求，同時，為了方便普通人群能夠實現(xiàn)日常監(jiān)測，使用便捷性也逐漸成為新型的心電電極貼片考慮的一個因素。