织物电极在心电监测服装中的研究进展

许润欣 肖学良 王志宇 娄静娴 谢云涛

江南大学纺织工程与科学学院， 江苏 无锡 214122

随着人口老龄化现象的加剧以及人们作息与饮食变得不规律，各种慢性心血管病及其并发症的患病率越来越高。《中国心血管健康与疾病报告2019》显示，在2017年居民疾病死因中，心血管病死亡率居首位[1]。因此，了解并掌握慢性心血管病的积累情况已刻不容缓。穿戴能实时监测人体心电信号的服装产品可方便观察心电情况，并能及时进行预警和诊治，具有重要的社会价值。

心电信号采集原理：离子进出心房和心室细胞使细胞内外产生电位差从而形成微弱的电流传到体表，心电电极可将离子导电信号转化为电子导电信号，通过长期贴附在皮肤上捕获并记录心脏电活动，形成坐标系下的时间-心脏电活动变化图像，简称心电图(ECG)。临床上常常通过观察ECG图像来监测心脏电活动和诊断心脏节律的异常情况[2]。

目前，银/氯化银(Ag/AgCl)粘贴式电极是医学领域常用的心电监测电极[3]，需要注意的是，在使用电极前要先在粘贴电极的皮肤上涂抹导电膏。该电极虽然信号采集质量高且稳定性好，但是由于使用前的准备时间较长，导电膏会因时间延长而干涸，导致有效检测时间变短，且导电膏极易引起皮肤发痒、过敏等不适，严重者甚至会出现皮肤溃烂现象。更换凝胶电极时也会对皮肤表面角质层造成一定的损伤。

与传统Ag/AgCl湿电极相比，织物电极作为一种可长期监测心电信号的柔性干电极，能够在监测过程中保证皮肤接触处的长期舒适性，且无致敏性，因此在长期监测生理信号方面更具优势[4]。本文综述了国内外用于心电监测系统的织物电极的材料、结构和性能，分析了织物电极材料及结构与电极舒适性及监测信号稳定性之间的关系。

1 织物电极材料

织物电极设计研究主要包括电极材料和组织结构两个方面。电极材料是织物电极的核心，直接影响织物电极的监测性能。

牛頔璠[5]将具有吸湿性的棉纱和黏胶纤维分别与纯镀银纱线按照一定比例制成纬平针+手缝平针组织结构的织物电极(图1)。加入吸湿性纱线后能够改善织物电极的电极性能，包括降低电极本身电阻并提高心电图质量。加入棉纱的电极的心电图质量随纱线吸湿性的增加而增加，而黏胶纤维由于吸湿膨胀，导致加入黏胶纤维制备的电极采集效果不及加入棉纱的电极。

图1 织物电极实物图[5]

董科等[6]以碳纤维/涤纶复合长丝为电极导电材料，采用刺绣法制备了一种直径为25 mm的新型圆形刺绣电极(图2)。相比纯镀银尼龙丝织物电极，该织物电极具有良好的细胞相容性，可用作医疗级别的织物电极。刺绣电极的缺点在于心电信号采集稳定时间较长、振幅变化较大，但在长期监测中能够表现出良好的心电图质量，因此可通过进一步调整具体制备工艺进行性能优化。

图2 刺绣电极实物图[6]

靳凯丽等[7]采用水热法在碳化棉织物上复合CuS制备CuS/碳化棉织物柔性电极(图3)。该电极质轻易携带，且碳化棉织物上负载有六方晶系CuS颗粒，使得织物电极的石墨化程度优于碳化棉织物，具有较高的比电容、循环稳定性及良好的信号采集能力。

图3 CuS/碳化棉织物[7]

Zhang等[8]将导电聚合物聚吡啶(PPy)原位聚合在山羊皮革上，得到的导电皮革作为可穿戴的干电极(图4)与人体皮肤接触，采集电生理信号，用于日常健康监测。皮革的自然表面形态和层次结构使得电极在洗涤和弯曲时可保持良好的尺寸稳定性，在监测中也可与皮肤形成共形接触，从而降低噪声，提高采集信号的质量。此外，皮革电极的抗菌性能良好，相比商用Ag/AgCl凝胶电极，透气舒适性更好，监测所得心电图信号更稳定。

图4 制成带子的皮革电极[8]

Lai等[9]在TPU(热塑性聚氨酯弹性体橡胶)衬底上通过丝网印刷工艺印制银油墨制备柔软舒适的干电极，然后通过一根用同样丝网印刷工艺制成的导电细导线连接到一个铜板上，制备出一种具有黏附性且可拉伸的商用传感材料。该电极材料与TPU基板黏合，可提供更大的贴片灵活性，具有最佳导联配置的能力，且在受到身体运动的干扰情况下能有效记录ECG信号，心电图的采集质量和自动对焦识别准确性较高。

2 织物电极结构

采用导电材料与基材交织，或将导电材料通过涂敷、浸泡、喷印等手段附着在纱线/织物上的方法，可制备出不同结构的织物电极。

2.1 电极组装形式

温东伟[10]以导电镀银针织物为基布，同时设置无纺布层防止电极织物的脱散，如图5所示。其特点在于，为避免纽扣对皮肤电极接触面质量的影响，采用将导电纽扣引出的设计方法。对该电极进行氯化处理后，织物电极的阻抗值降低，且检测到的心电信号曲线清晰直观，信号采集能力较高。

图5 织物电极[10]

包磊[11]设计的织物电极(图6)中衬底和导电织物固定结合形成腔体，内部填充弹性支撑体，其中与衬底相对的导电织物为蜂巢组织，巢房内设有导电胶。该电极的稳定结构使织物电极透气性和舒适性得以提高，且降低了导电织物与皮肤之间的阻抗，提高了监测生理信号的分辨率、灵敏度和稳定性。

图6 织物电极结构示意图[11]

Liu等[12]提出一种利用牺牲层辅助一步转移印刷技术制备3层干电极的方法。在覆盖有铜(Cu)牺牲层的硅片上沉积金(Au)电极层后，用标准光刻工艺将聚酰亚胺(PI)中间层刻印在Au层上，然后将刻印的PI层作为刻蚀掩模，湿法刻蚀Au层图案。最后，将带图案的Au层和PI层一步转移到可拉伸膜上，通过蚀刻切割层制成三层干电极(图7)。这种三层干电极具有良好的相容性和延伸性，且电极与皮肤的接触阻抗较低。相比商用湿电极，该电极更适合用于长期穿戴和动态的心电监测。同时，与其他三层干电极相比，该电极的制备工艺简单，成本低，极大地简化了织物电极的制造工艺流程。

图7 织物电极及放大图[12]

2.2 机织结构

机织结构主要是利用经纬纱的屈曲交织织造均匀、稳定的织物结构的。

林视达等[13]采用提花技术与其他面料进行局部混织制备双面织物电极，如图8所示。其中，地层纱和经纱采用化纤长丝，传感层和纬纱采用镀银纱，并在纬纱方向上形成双层结构。研究表明，该电极监测的心电信号质量优良，与传统Ag/AgCl电极相比，其耐久性、可水洗性、柔软度、人体生物兼容性及可集成性都有了大幅提高。

图8 织物电极提花技术的横截面[13]

泮丹妮等[14]以锦纶镀银导电丝和涤纶长丝为原材料制备织物电极，研究仅改变织物组织(图9)时织物电极的导电性能变化情况。结果表明，纱线交错次数越多，即等距离内纱线屈曲数越大，其表面比电阻越大，摩擦前后表面比电阻损失较小。随着拉伸作用增大，织物的导电性变差。总体而言，纱线交错起伏次数越多，织物电极的导电性越差，并且在使用过程中，织物电极的导电性逐渐损失，心电监测结果不稳定。

图9 组织上机图及织物形貌[14]

2.3 针织结构

针织电极因其线圈结构的柔软性及可变性而更加柔软舒适，但同时也存在线圈结构易脱散、起毛勾丝等问题，因此在设计中需加以考虑。

张佳慧等[15]采用2种导电纱线即镀银锦纶纱和2合股不锈钢纤维纱作为原材料，电极织物结构分别选用平纹、1×1抽条、1×2抽条组织进行添纱(图10)，同时设计4种圆形电极尺寸,共制成24种纬编电极。对比研究发现，导电性能影响强弱顺序为原料>组织>尺寸。此外，2合股不锈钢纤维纱织物电极横向导电性能更优，镀银锦纶纱电极纵向导电性能更优。织物电极电阻随着电极尺寸的增大而增大。

图10 织物电极结构[15]

王晓雷等[16]在无缝成型内衣机上以镀银锦纶和锦纶/氨纶包覆纱为原材料，采用添纱纬平针组织制备纬编导电织物，并与经编间隔织物结合组成压阻传感器(图11)。研究表明，该压阻传感器具有良好的线性度，并且球形曲面压缩时传感器灵敏度较高、传感性能良好。

图11 经编间隔织物和传感器的形成[16]

刘艳君等[17]采用两步电沉积法制备以针织物为基底负载石墨烯/MnO2的复合电极材料，研究表明，复合电极材料的电化学性能明显优于单一负载MnO2的电极材料，比电容得到显著提高，且电沉积24 min时效果最佳。电极材料由于以针织物为基底，故具有优良的耐弯曲折叠性能。

2.4 其他结构形式

叶华标[18]以雪尼尔纱为基底制备起绒织物电极(图12)，采用化学镀银工艺使电极具备导电性。该电极与铜板的扫描阻抗以及与皮肤的接触阻抗皆低于镀银棉织物电极，且起绒织物电极与电解质接触的电化学阻抗性优于棉织物电极。此外，起绒织物电极表面存在绒毛，其界面空隙减少，有效接触面积增大。

图12 起绒织物电极的组装[18]

胡瑶[19]通过在刺绣电极表面镀AgCl来制备织物电极(图13)，该涂层有利于降低极化阻抗，从而获得质量更高的心电信号。电极表面的AgCl颗粒会随着化学沉积时间的延长而增多，但过密的颗粒会使Ag/AgCl复合体阻抗增大。试验结果表明，以聚丙烯酸无纺布为基底制备的织物电极由于具有良好的吸水保水性，故在长期监测中信号采集质量稳定。

图13 电化学沉积处理后的刺绣电极[19]

3 织物电极的应用

多种心血管疾病患者需要进行长期的心电监测，一方面及时记录心电数据，另一方面为医生提供数据支撑。织物电极与可穿戴医疗设备的结合为长期监测提供了途径。

朱晓铭等[20]将织物电极与导联线编织于衣物上用于采集心电信号(图14和图15)。该心电监测系统采用EASI导联监测心电信号，利用单片机控制模/数转换模块采集心电信号，然后将采样信号存储在本地或通过蓝牙系统发送至上位机。该监测系统的优点在于增加了无线传输方式，为与物联网的连接和更先进的人机交互奠定了良好的基础，且使用舒适、用户体验感良好，具有较高的医疗价值，适用于人们的日常生活情景，具有极高的实用性。

图14 动态心电监测系统[20]

图15 心电衣穿着[20]

周明[21]制备了一种基于柔性织物电极的穿戴式心电传感器系统。在信号采集与处理方面，采用基于皮肤与电极界面阻抗的自适应滤波运动伪迹抑制方案，从而实现舒适穿着状态下的长期、稳定、连续心电监测。在信号监测与评估方面，设计了一种实时心率变异性分析算法，用于实时监测心血管疾病。该系统功耗低、携带方便，适用于日常穿戴监测心电信号。

4 结论

与传统湿电极相比，织物电极因其自身材料及结构特点而具有舒适、柔软、透气、可长期穿戴等优点。织物电极由于原材料和结构两方面不同而各具特色，多种不同材料、结构的组合会赋予织物电极更加优异的性能。随着科学技术的发展，织物电极的设计与发展定当成为研究重点。当前，我国织物电极的研究进展与先进国家相比仍存在差距，应逐步提高纺织智能化水平，推动我国心电监测服装用织物电极的发展。