织物心电电极优化及在不同相对湿度下的性能比较

牛頔璠，孙 超，邬小宇，郭佩萍，王雅倩，衣卫京

(1.北京服装学院 材料设计与工程学院，北京 100029； 2.中华女子学院 艺术学院，北京 100101；3.北京服装学院 服装艺术与工程学院，北京 100029)

近些年来，心血管疾病患者日益增多，此类疾病前期不易察觉，后期发病迅速且危害极大，因此，在日常生活中长期监测心脏状况，既可以配合医生诊断和管理病情，又能预防猝死，防患于未然。近年来，研究者开发出多种可长期使用的心电监测服装[1-3]，其硬件也越来越集成化和小型化。心电监测服装的核心在于新型心电电极的设计和使用，由于医用一次性凝胶电极在舒适性上的局限性，新型纺织结构干性电极成为研究热点[4-6]。然而，纺织结构电极虽然可以像正常服装一样穿在身上且不产生刺激性，但却存在和皮肤间接触电阻大、心电信号稳定性较差的问题[7]。电极-皮肤界面状态变化是影响心电信号监测质量最重要的因素之一，改善电极与皮肤间的接触环境是实现心电信号稳定监测的难点。

心电监测服装多为贴身穿着，电极与皮肤直接接触，皮肤在不同环境中，状态差异较大。特别是当相对湿度变化时，电极-皮肤界面受到的影响较为明显，故电极设计需根据使用场景做出相应调整。本文将不同种类和配比的吸湿性纱线加入镀银导电布中制作纺织结构电极，分别测试电极在不同相对湿度下的性能表现，分析湿度条件对于不同种类的电极获取心电信号准确性的影响，为在各种相对湿度环境下的电极设计提供参考。

1 试验部分

1.1 试验准备

导电织物电极试样规格参数见表1。分别将不同种类和质量比的吸湿性纱线用手缝的方式均匀地缝在边长为3.5 cm、横密为90列/(10 cm)、纵密为175行/(10 cm)的正方形纬平针导电织物上，制成导电织物电极，用于电阻测试和心电信号测量。

表1 导电织物电极试样规格参数

1.2 测试方法

1.2.1 电阻测试

在正方形导电织物电极两边紧夹铜片，用DMM7510型7位半触摸屏数采万用表(吉时利仪器公司)测试2个铜片间电阻，得到织物电极的电阻。

1.2.2 静态心电图图像

将准备好的样品放入恒温恒湿试验箱，调节到设定的温湿度(温度25 ℃，相对湿度分别为20%、40%、60%和80%)并平衡后，将2个电极分别放置在试验人员左手和右手掌心突起处，并控制每次测试时的电极与皮肤间的压力相等。用镀银导电纱线连接电极和心电图监测设备，获取不同湿度条件下的静态心电图。

1.2.3 动态心电图图像

将准备好的样品放入恒温恒湿试验箱，调节到设定的温湿度并平衡后，将电极放到人体前臂，用袜筒固定，使用镀银导电纱线将电极和心电图监测设备连接，手臂分别做横向、纵向、翻转运动，获取不同湿度条件下的动态心电图。

2 结果与讨论

2.1 吸湿性纱线对导电布电阻的影响

加入吸湿性纱线后，织物电极从外界吸收并存储了更多水分，电学性能发生变化。试验分别测试3种相对湿度条件下，加入棉、粘胶吸湿性纱线对于织物电极电阻的影响，并与不加入吸湿性纱线的织物电极电阻作对比。 2-2、3-2和4号织物电极在不同相对湿度时的平均电阻值如图1所示。

图1 2-2、3-2和4号织物电极在不同相对湿度的平均电阻值

由图1可以看出，在镀银织物电极中加入吸湿性纱线会使电极本身电阻值降低，在同样相对湿度条件下，加入粘胶纱线的电极比加入棉纱的电极的电阻更低，这是由于粘胶纱线的吸湿性比棉纱好，所以在同样相对湿度环境中存储了更多水分，更易导电。然而，文献[8-9]研究结果显示，电极本身的电阻大小不是影响电极性能好坏的主要影响因素。

2.2 相对湿度变化对电极效果的静态影响

将吸湿性纱线加入织物电极中得到的织物电极较之前有更多水分存在，可以降低导电布的电阻值，能够改善电极-皮肤界面的接触环境，从而提高电极获取心电信号的准确性。

人体标准心电图像如图2所示。试验所得人体心电图结果参照图2进行比对，将图中大于半小格(0.05 mV)的非正常波动归为噪声统计，若有超过2个格的大噪声则通过幅值换算成小噪声进行计数，并记录大噪声。

图2 人体标准心电图像

2.2.1 医用一次性凝胶电极测试结果与分析

不同相对湿度下的1号织物电极心电图像见图3。

图3 不同相对湿度下的1号织物电极心电图像

将图3与图2心电图像对比，可以看出，在静置状态下，1号织物电极的心电图像波形完整、波群规律且无基线漂移。当相对湿度变化时，心电图没有随之发生较大改变，这是因为使用水凝胶使电极-皮肤间接触电阻较为稳定，受湿度变化影响不明显。但是在动态条件下，心电图像的噪声较多，不同运动状态时的1号织物电极心电图像见图4。

图4 不同运动状态时的1号织物电极心电图像

由于目前还没有统一的标准和规范评价心电图像，故本文依照心电图的应用目的，对比人体标准心电图像，利用图像处理软件提取出心电图的峰值、噪声等信息，作为评价心电图好坏的客观标准。心电信号在监测中，会受到多种噪声干扰[8]。在相同条件下，噪声个数和噪声幅度可以反映电极性能的好坏。由于心电波电压幅值受人体生理状况和外界噪声影响较大，故数据分析时将心电图像的波形和噪声数作为主要评价指标，幅值只列为参考。

2.2.2 含吸湿性纱线织物电极效果

试验分别测试了加入不同类型和配比的吸湿性纱线的织物电极在相对湿度为20%、40%、60%、80%时，获取到的心电图图像，并将它们与传统的1号织物电极心电图图像作对比。2-2、3-2、4号织物电极在不同相对湿度下的心电图像如图5所示。

图5 3种织物电极在不同相对湿度下的心电图像

参照图2，由图5可以看出，3种电极获取到的静态心电图像波形完整、波群规律且无基线漂移现象。将多个心电图像的平均噪声数信息提取并作图，4种织物电极在不同相对湿度下的心电图噪声数如图6所示。可以看出，1号和4号织物电极的噪声数量受空气相对湿度变化的影响较小，且在相对湿度为65%，1号织物电极的效果最好。4号织物电极在高湿度条件下，噪声数最多，效果最差。

图6 4种织物电极在不同相对湿度下的心电图噪声数

加入吸湿性纱线的电极噪声数随湿度增加呈单调递减趋势。在湿度为65%～80%时，1号和4号织物电极均比凝胶电极的噪声数低，加入棉线的电极噪声数下降明显。说明相对湿度越高，加入吸湿性纱线的电极效果越好。电极与皮肤周围环境中存在的更多水分，使心电图的监测质量得到提升。

在低相对湿度条件下，吸湿性纱线没有存储足够的水分，却又占据了本应是导电纱线和皮肤接触的空间，所以含棉纱织物电极在低相对湿度情况下最差。而粘胶纱线吸湿性比棉纱好，随相对湿度增加电极数据采集效果逐渐变好，但是在高相对湿度情况下含粘胶纱线电极反而不如含棉纱电极，这是因为粘胶纱线吸湿膨胀，纱线收缩变形，导致面料平整度变差，影响电极-皮肤界面接触环境，所以电极效果变差，不利于心电监测。

2.2.3 吸湿性纱线的种类和配比对电极的影响

试验选用棉纱和粘胶纱线2种吸湿性能较好的纱线，分别以2种配比加入镀银织物电极中，并测试它们在不同相对湿度下的电极效果。

2.2.3.1含粘胶纱线织物电极获取心电信号效果

3-1、3-2和3-3号织物电极在不同相对湿度下的心电图像见图7。

图7 3-1、3-2和3-3号织物电极在不同相对湿度下的心电图像

从图7可以看出，加入2种粘胶纱线配比的电极的静态心电图像波群完整，波形规律，无基线漂移。提取心电图平均噪声信息后作图，3种粘胶纱线配比电极在不同相对湿度下的心电图噪声数如图8所示。

图8 3种粘胶纱线配比电极在不同湿度的心电图噪声数

从图8可以看出，3-1、3-3号织物电极噪声数先增多后减少。且均在空气相对湿度为40%时，噪声增多，幅值减小，效果变差。3-2号织物电极随着湿度的增加，噪声数逐渐变少，心电图质量变好，电极效果较稳定。

当加入粘胶纱线的电极随着空气相对湿度的增加吸收周围环境的水汽时，一方面电极中存储了更多水分，使电极-皮肤界面接触状态得到改善，有利于心电监测。另一方面，粘胶纱线吸湿后显著膨胀，且纱线易收缩导致面料平整度变差，减少了皮肤与电极中镀银导电纱线的接触面积，也影响了电极-皮肤界面接触环境，所以导致电极效果变差，不利于心电监测。随着环境湿度增加，在电极吸湿的过程中，这二方面同时存在，互相抵消彼此的作用。

图9 2-1、2-2和2-3号织物电极在不同相对湿度下的心电图像

2.2.3.2含棉纱织物电极获取心电信号效果

2-1、2-2和2-3号织物电极在不同相对湿度下的心电图像见图9。可知，依照3种配比加入棉线的导电织物电极静态心电图像波群完整，无基线漂移，但相对湿度在20%的环境下，2-1和2-2号织物电极得到的心电图出现了大噪声。3种棉线配比电极在不同相对湿度的心电图噪声数见图10。

图10 3种棉纱配比电极在不同相对湿度的心电图噪声数

从图10可以看出，随着空气相对湿度的增加，3种电极的噪声数量均逐渐减小，且加入棉纱越多的电极噪声数下降越明显，电极效果改善情况越好。棉纱比粘胶纱线的尺寸稳定性好，在导电布中加入棉纱后，虽然镀银导电纱线与电极的接触面积减小，但电极-皮肤界面环境中储存了更多的水分，增强效果大于减弱效果，所以电极质量依然能够得到提升。

2.3 电极在动静态时的效果比较

分别测试加入棉纱的织物电极在人体纵向、横向和翻转运动时的心电图图像。加入棉纱的电极在静态和动态时的心电图图像见图11。

由图11可以看出电极在静态时能够得到较为有效和可靠的心电图像。尤其是在湿度较大的条件下，加入吸湿性纱线的电极在静态时能够完全替代1号织物电极。然而，电极在动态环境中，应用可靠性存在较大问题。电极的动态心电图像波群不规律，波形不明显，噪声大而多，不能达到应用要求。所以，在电极中加入吸湿性纱线能够在一定程度上改善电极质量，但若用于动态心电监测，之后还需其他方法来完善电极设计，比如增加压力[10-11]或摩擦力。

图11 加入棉纱的织物电极在静态和动态时的心电图图像

3 结 论

①相对湿度对织物电极性能有明显的影响，随相对湿度增加，织物电极电阻降低，与皮肤接触电阻降低，心电图图像准确性变好，在静置状态高相对湿度环境下，加入棉纱的镀银织物电极性能优于加入粘胶纱线的镀银织物电极，随着相对湿度增加，其噪声数单调递减，心电信号准确性逐渐变好，与加入粘胶纱线的电极相比，效果更为稳定。

②加入吸湿性纱线以增加电极中的水分含量，不仅能够提升电极性能，还可以增强心电监测服装舒适性。

在动态条件下，利用镀银织物电极中加入吸湿性纱线的方法提升电极运动稳定性的效果较为微弱。若要改善动态电极性能，还需采用其他方法来增强电极与皮肤在运动时的接触，比如加压或增加电极与皮肤之间的摩擦力。不同的运动状态对于电极的影响也不尽相同，电极设计还应从多种角度考虑。