表面生物电织物干电极测试平台的制作及性能评价

李 莎，陈 雨，刘 皓， 宋晋忠

（1.天津工业大学机械工程学院，天津 300387；2.中国航天员科研训练中心，北京 100094）

表面生物电织物干电极测试平台的制作及性能评价

李 莎1，陈 雨1，刘 皓1， 宋晋忠2

（1.天津工业大学机械工程学院，天津 300387；2.中国航天员科研训练中心，北京 100094）

为定量评价表面生物电织物干电极的性能，本文提出了一种表面生物电织物干电极性能评价的测试平台，该平台能够模拟人体的皮肤特性、调节电极/模拟皮肤间的压力、相对运动速度和运动轨迹，通过分析电极/模拟皮肤间的阻抗谱、动态开路电压等电学性能参数，实现对表面生物电织物干电极性能的全面评价，为生物电织物干电极的研究和开发提供测量手段和相关标准。

表面生物电织物干电极；模拟人体；阻抗谱；动态开路电压

0 引言

随着人类生活水平的提高以及生活节奏的加快，心血管疾病已经成为人类健康的首要威胁[1]。在我国，因心脏病而死亡的人数占总死亡人数的44%,心脏病已成为一种多发病和常见病,对心脏病的诊断和预防已经成为当今医学界面临的首要问题[2]。由于这类疾病具有长期性、累积性、偶发现，国外通行的做法是防范于未然，即对心脏健康状况进行长期监测[2]。可穿戴式健康监测系统是指利用生物式可穿戴传感器采集人体运动和生理参数，来实现对人体非介入、连续无创的诊断检测，以此帮助穿戴者实现运动与健康管理[3]，是降低慢性心血管病患者死亡率和提高老年人生活质量的有效手段之一。

表面生物电织物干电极能够提取人体生理电信号，是穿戴式监护系统的一个关键部件[4]，然而现有的表面生物电织物干电极存在以下的一些问题：

（1）电极/人体皮肤之间存在动态噪声；

（2）电极/人体皮肤之间导电胶变干引起接触阻抗的急剧变化；

（3）导电胶应用会引起皮肤过敏和接触性皮炎[5]。

为了解决这些问题，要对织物干电极的性能进行评价，然而电极在人体表面的直接评价会受到很多不确定因素的影响，人体的环境、电极/皮肤表面的压力、湿度等变化量的不易测量和控制会使得测量结果与实际情况不符，并且测量结果的重复性和可再现性比较差[6]。在实际应用中，电极与人体皮肤是有相对运动的，而现有的织物干电极性能测试平台却不能够模拟电极/皮肤之间的相对运动，进而分析电极/模拟皮肤界面的动态噪声。为了使测量指标能更真实地模拟电极和人体表面皮肤接触的动态环境，我们设计和开发了一套表面生物电织物干电极性能评价测试平台，该平台能够模拟人体的皮肤特性、调节电极/模拟皮肤间的压力、相对运动速度和运动轨迹，通过分析电极/模拟皮肤间的阻抗谱、动态开路电压等电学性能参数，对表面生物电织物干电极的性能进行全面的评价。

本文全面地介绍了表面生物电织物干电极性能评价测试平台及测试方法，为研究动态条件下的电极/模拟皮肤界面机理和评价不同结构和材料的电极性能提供了条件，并且测量和评价的结果可用于电极和服装的设计和改进，同时也能够为表面生物电织物干电极的评价标准的制定提供帮助。

1 实验方法与仪器

1.1 仪器硬件和软件开发

为了实现模拟电极/皮肤间的动态测量过程，在测量系统中变化参数的可控制和可测量是非常必要的。图1是表面生物电织物干电极性能评价测试平台器件布局图，测试平台包括三个关键的部分，第一部分是皮肤仿真器，其上下端用微孔膜封装一定浓度的电解质以模拟人体皮肤，是测量的核心部件；第二部分是顶端/底端压力控制器和二维电机，压力控制器能够通过旋转上端旋钮调节下端电极/模拟皮肤间压力大小，二维电机则连着顶端压力控制器在平面内做相对运动；第三部分是数据采集和系统控制，在电脑上能够控制压力调节装置上的电极在平面内做任意运动速度和运动轨迹的运动。

图2是测试平台的实物图。电极/模拟皮肤间的压力、运动速度、运动轨迹和开路电压等都在电脑上显示，并且能够把文件保存起来用于分析。

软件部分采用美国NI公司的LabVIEW2011编写，软件上能够同时显示运动位移、运动速度、电极循环次数、压力大小和开路电压等参数，并且能够将参数保存到文件用于分析[7]。二维平台和压力信号采集均采用RS232串口控制[8]。

1.2 电极的选择与实验测试

本文选择了4种不同平纹电极来进行实验测试，四种电极分别是：a：普通的Ag电极；b：1.5v电压下电镀时间60秒的Ag/Agcl电极；c：2v电压下电镀时间60秒的Ag/Agcl电极；d：3v电压下电镀时间60秒的Ag/Agcl电极，图3是4种电极的外观图。

图4是4种平纹电极在相同压力条件下，阻抗随频率变化的图像，频率的变化范围是（0.01，100000）Hz。结果表明，1.5v电压下电镀得到的Ag/Agcl电极的阻抗最小，同时分别测试了在其他压力条件下四种电极的阻抗图，结果发现，始终是1.5v电压下电镀得到的Ag/Agcl电极阻抗最小。

压力与阻抗谱之间的关系反映了电极/模拟皮肤表面的接触状态。在这个实验中，用Ag/Agcl的电极作为测试对象，施加的压力分别为20,30,40,50cN，测量得到的阻抗谱图如图5所示，可以看出，阻抗会随着压力的增大而降低。

图6是Ag/Agcl电极在不同的运动速度下动态开路电压随时间的变化图。从图中可以直观地看出，在不同的速度下，动态开路电压的平均值和动态开路电压变化量的幅度有一定的差异，如果要分析动态噪声，必须要分析动态开路电压变化量与运动速度和压力之间的关系。

图7是动态开路电压的变化量与压力和运动速度之间的关系图。可以看出在相对运动速度不变情况下，随着压力的增加，动态开路电压变化量的幅度显著增加，原因可能是，压力越大，接触面越紧密，相对移动时对于界面电解液的搅拌作用越强，电荷密度变化就越明显，因此电极电势变化的幅度会越大。

2 结论

本文设计的表面生物电织物干电极性能评价测试平台能够模拟人体的皮肤特性、调节电极/模拟皮肤间的压力、相对运动速度和运动轨迹，分析电极/模拟皮肤间的阻抗谱、动态开路电压等电学性能参数，达到评价织物电极性能的目的。实验结果显示，压力对于阻抗变化的影响比较大，压力越大，阻抗越小。在运动速度不变的情况下，动态开路电压变化量会随压力的增加而增加。在压力不变情况下，相对运动速度越快，动态开路电压变化量越小，即动态噪声越小。了解了变化参数与动态噪声之间的关系，可以通过合理地选择电极的材料、设计电极结构和集成到服装中的方式以最大限度地减少生物电监控中的噪声，为表面生物电织物干电极的性能评价和电极评价标准的制定提供了条件。

[1] 翟红艺,王春明,张 晶,等.基于织物电极的心电监测系统[J].吉林大学学报：信息科学版,2012,30(2)：185-191.

[2] 许鹏俊. 用于体表心电监测的纺织结构电极与皮肤之间机械作用分析及动态噪音研究[D].东华大学,2012.

[3] 苌飞霸,尹 军,张和华,等.可穿戴式健康监测系统研究与展望[J].中国医疗器械杂志, 2015(1)：40-43.

[4] Murat A. Yokus,Jesse S. Jur,et al.Fabric-Based Wearable Dry Electrodes for Body Surface Biopotential Recording [J].Biomedical Engineering IEEE Transactions on,2016, 63(2)：423-430.

[5] 陆逸雁,崔文波. 一次性心电电极致皮肤过敏的分析与思考[J]. 中国药物警戒,2014(11)：687-692.

[6] 刘 皓. 表面生物电电极动态测量系统和评价方法的研究[D]. 天津工业大学,2011.

[7] 王玉伟. 基于LabVIEW的测试软件设计[D].中北大学, 2009.

[8] 赵奇峰,闵 涛,杨黔龙,田亚军. 基于LabVIEW串口数据采集系统设计[J]. 计算机技术与发展,2011(11)：224-226+230.

[9] 袁会锦,张 辉,谢光银. Ag-AgCl纺织结构电极电镀工艺参数的优化[J]. 上海纺织科技,2014(12)：34-38.

Fabrication and performance evaluation of test platform for surface bioelectric fabric dry electrode

LI Sha1, CHEN Yu1, LIU Hao1, SONG Jinzhong2
(1.School of Mechanical Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2.China Astronaut Research and Training Center, Beijing 100094, China)

In order to quantitatively evaluate the performance of surface bioelectric fabric dry electrode, this paper presents a test platform for the evaluation of surface bioelectric fabric dry electrode, which can simulate the skin's characteristics, regulate the pressure between electrode and simulated skin, the motion velocity and trajectory . The electrical performance parameters such as the impedance spectra and the dynamic open circuit voltage between the electrodes and the simulated skin were analyzed to evaluate the performance of the surface bioelectric fabric dry electrode and provide the measurement for the research and development of the bioelectrical fabric dry electrode means and related standards.

surface bioelectric fabric dry electrode；simulated human body；impedance spectrum；dynamic open circuit voltage

TP212.3

A

投稿日期：2016-10-29

李 莎（1971-），女，副教授，博士，湖南省娄底人，主要研究方向：建筑环境舒适与节能。