趙芳菲，關(guān)芳蘭，王 悅，周一帆，劉亞俠

（1.北京服裝學(xué)院材料設(shè)計(jì)與工程學(xué)院，北京 100029；2.北京服裝學(xué)院服裝工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，北京 100029）

現(xiàn)代人工作壓力大，生活方式不規(guī)律。健康問題受到了廣泛的關(guān)注，其中心血管疾病更是首當(dāng)其沖。由心肌激動所產(chǎn)生的心電圖（ECG）是診斷和治療時的重要依據(jù)。現(xiàn)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(wěn)定性，能保證皮膚與心電電極之間的接觸良好，測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，但是電極表面需要涂抹導(dǎo)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(jiān)控心電信號的柔性干電極，更加適合長期監(jiān)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(diǎn)。丁辛等采用先化學(xué)合成再電化學(xué)鍍的方法，在織物表面（基底）涂覆聚吡咯導(dǎo)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(dǎo)電性能，且具有良好的柔軟透氣透濕性能，可直接與監(jiān)測對象的皮膚表面接觸，進(jìn)行長期的心電采集，但是導(dǎo)電聚合物電導(dǎo)率仍然較低，心電圖信號不夠強(qiáng)。［1］張琳等［2］利用非接觸式電極和人體皮膚進(jìn)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(tài)的變化，但電容的存在對皮膚仍然造成了嚴(yán)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(hù)電極，但是僅導(dǎo)電的銀電極不能準(zhǔn)確感應(yīng)心電圖信號。因此，本課題制備Ag/AgCl 導(dǎo)電油墨，在織物基底上涂覆Ag/AgCl 導(dǎo)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(dǎo)電油墨時，單一形狀的銀顆粒填充聚合物時，填充量達(dá)到90%以上才能達(dá)到閾值，較高的填充量導(dǎo)致導(dǎo)電油墨流動性極低，不利于加工。因此，本研究將球形的銀導(dǎo)電顆粒與片狀銀導(dǎo)電顆粒復(fù)合制備導(dǎo)電油墨，使導(dǎo)電顆粒在較低的填充量下就能達(dá)到較高的電導(dǎo)率。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與設(shè)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)

以絲網(wǎng)印花的方式制備柔性電極，查閱相關(guān)文獻(xiàn)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(wěn)定性更好［4］。所以設(shè)計(jì)圖1 所示的心電衣電極圖案，圓形為傳感器區(qū)域，設(shè)計(jì)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(dǎo)聯(lián)的6個點(diǎn)。

圖1 心電衣電極圖案設(shè)計(jì)

1.2.2 導(dǎo)電油墨的制備

用銀導(dǎo)電顆粒制備的導(dǎo)電漿料，基本由導(dǎo)電相（Ag 和AgCl）、黏結(jié)相以及有機(jī)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(zhǔn)備完畢后，將導(dǎo)電相和黏結(jié)相混合成粉末再與有機(jī)載體結(jié)合，然后進(jìn)行研磨，軋制使其均勻分散在載體中，獲得符合要求的導(dǎo)電油墨。導(dǎo)電油墨的導(dǎo)電性會隨著導(dǎo)電填料的增加而增大，但是達(dá)到臨界值后，導(dǎo)電性將不會發(fā)生改變，并且電阻值會隨之增大。過高的導(dǎo)電填料用量往往導(dǎo)致印花加工性急劇降低。根據(jù)文獻(xiàn)選擇導(dǎo)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(dǎo)電銀粉作為導(dǎo)電顆粒，在球磨機(jī)中與有機(jī)溶劑DBE 和樹脂研磨8 h，制備Ag 導(dǎo)電油墨，探討球形和片狀銀導(dǎo)電顆粒的配比范圍為1∶1～5∶1（質(zhì)量比）。

Ag/AgCl 導(dǎo)電油墨由80%銀導(dǎo)電顆粒和20%AgCl 導(dǎo)電顆粒組成，在球磨機(jī)中與有機(jī)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(dǎo)電油墨以絲網(wǎng)印花的方式印制在TPU 膜上并固化，接著通過熱壓復(fù)合的方法使其與織物融合。

1.3 測試

黏度：采用旋轉(zhuǎn)流變儀測試油墨的黏度。

表面形態(tài)：采用掃描電子顯微鏡觀察導(dǎo)電膜的表面形態(tài)。

電導(dǎo)率：使用雙電測四探針對固化后的電極進(jìn)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(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)電漿料的黏度

由圖2 可以看出，由銀導(dǎo)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(wǎng)印花。由黏度曲線還可看出，增加球形導(dǎo)電顆粒的比例，油墨的黏度降低；增加片狀導(dǎo)電顆粒的比例，油墨的黏度顯著升高。

圖2 導(dǎo)電漿料的黏度

2.2 導(dǎo)電油墨的電導(dǎo)率

將制得的Ag/AgCl 導(dǎo)電油墨印到TPU 薄膜上，高溫固化后制得導(dǎo)電膜。對導(dǎo)電膜進(jìn)行電導(dǎo)率測試，從而分析油墨的導(dǎo)電性，結(jié)果見圖3。由圖3 可以看出，導(dǎo)電顆粒形狀改變，導(dǎo)電油墨的電導(dǎo)率發(fā)生較大變化，當(dāng)球形顆粒與片狀顆粒質(zhì)量比為1∶1 時，導(dǎo)電粒子比較容易接觸，導(dǎo)電膜的電導(dǎo)率達(dá)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(dǎo)率逐漸下降，主要原因是在導(dǎo)電膜中，導(dǎo)電粒子需要緊密接觸形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)才能導(dǎo)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(dǎo)率則相應(yīng)地降低，在掃描電鏡圖中也能看到。

圖3 不同配比導(dǎo)電顆粒制得導(dǎo)電膜的電導(dǎo)率

2.3 電極的微觀形貌

運(yùn)用掃描電鏡對導(dǎo)電膜進(jìn)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(dǎo)電粒子所制成的電極，導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電顆粒堆積到一起才能導(dǎo)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(chǎn)生的P波、心室除極產(chǎn)生的QRS 波和心室快速復(fù)檄產(chǎn)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(yùn)動模式和人體產(chǎn)生的心電圖，并與以上7 種情況下的標(biāo)準(zhǔn)心電圖進(jìn)行比較，進(jìn)而判定本課題織物電極的心電監(jiān)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(jiān)測，所以應(yīng)該重點(diǎn)監(jiān)控QT 波段，且整體心跳速率平穩(wěn)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(nèi)沒有延長和縮短的跡象，并且P 波規(guī)律出現(xiàn)，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(nèi)。和圖5b 的標(biāo)準(zhǔn)心電圖進(jìn)行比較，心電衣的心電圖與標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)在P-R 間隔找不到規(guī)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(shù)波段周期有一定的規(guī)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(lián)導(dǎo)測試圖中，多數(shù)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(zhǔn)地表達(dá)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(yùn)動模式

在模擬輕微運(yùn)動時，心肌組織被激動或激動通過后，會發(fā)生心率快且有規(guī)律，如圖7a 中P 波直立，心率快于正常情況且規(guī)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(xiàn)出在輕微運(yùn)動情況下的心率變化。但與圖7b 對比可以發(fā)現(xiàn)，心電衣心電圖的S-T 間期振幅要比標(biāo)準(zhǔn)心電圖的振幅小許多，原因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)心電圖采用醫(yī)學(xué)心電監(jiān)測儀，和皮膚可以緊密接觸，但心電衣達(dá)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(wěn)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(jìn)行測試的過程中，電極會和人體進(jìn)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(fā)生了變化，T 波發(fā)生了倒置，因?yàn)榭椢镫姌O的電流不穩(wěn)定導(dǎo)致心電基線不穩(wěn)。與標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)，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(biāo)準(zhǔn)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(jù)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(yùn)動導(dǎo)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(nèi)。人體穿戴時，由于電極和皮膚產(chǎn)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(yùn)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(jié)論

對導(dǎo)電漿料的黏度、電導(dǎo)率、電極形貌等性質(zhì)進(jìn)行測試，對在各種模式下織物電極生成的心電圖進(jìn)行研究，結(jié)果表明：（1）球狀導(dǎo)電顆粒和片狀導(dǎo)電顆粒可提高導(dǎo)電漿料的流變性，降低黏度，有利于心電衣制作時導(dǎo)電漿料的絲網(wǎng)印花；（2）在制作導(dǎo)電漿料過程中，球狀、片狀導(dǎo)電顆粒質(zhì)量比為1∶1 的Ag/AgCl導(dǎo)電油墨導(dǎo)電率更好并且可以用于絲網(wǎng)印花；（3）絲網(wǎng)印花制備織物電極，可以實(shí)現(xiàn)短時間高產(chǎn)量，有利于商業(yè)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但由于不能像醫(yī)學(xué)心電監(jiān)控儀一樣和身體緊密接觸，所以信號較弱，產(chǎn)生的振幅偏?。唬?）人體穿戴心電衣進(jìn)行檢測時，心電圖波形完整、心律穩(wěn)定，但由于與皮膚接觸產(chǎn)生摩擦，心電圖中有明顯的噪音。