刺绣工艺影响金属混纺纱线织物电极的结构与性能∗

王恬雨，王 傲，曹少杰，肖学良，柯惠珍，蒋 云∗

(1.江南大学纺织科学与工程学院，江苏 无锡 214122；2.闽江学院，福建省新型功能性纺织纤维及材料重点实验室，福建 福州 350108)

银/氯化银(Ag/AgCl)电极片是一种较为传统的生理信号监测电极片，是临床医学中采集心电、脑电信号经常使用的传感器件。银/氯化银电极片作为一次性用品[1]，以干净卫生、不会交叉感染，信号采集稳定等优点，在医疗领域有悠久的应用历史，广泛应用于心电、脑电等检测。但伴随着时代与科技的发展，人们对自身健康更加重视，加上社会老龄化，人们对健康的关注已从疾病治疗转变为疾病预防和健康检测，可穿戴设备因此迅速发展，特别是长期监测的可穿戴设备需求日益增加，而银/氯化银心电电极片已不能满足长期监测的要求。具体原因有几个方面，一是传统的Ag/AgCl 心电电极是由无纺布衬垫、电极扣、Ag/AgCl 电极芯和医用导电胶组成，而且Ag/AgCl 电极产品都是非灭菌，仅供临床一次性使用。二是使用过程中需要依靠大量的医用导电凝胶来使电极与人体皮肤稳定贴合，不仅如此，还需尽量去除皮肤表面角质层，非常容易使人体皮肤受损，引起皮肤红肿、过敏等症状。三是导电凝胶长时间、多次使用会有干燥脱水的情况，引起接触不良而导致信息采集的误差。因此Ag/AgCl 电极并不适合在长期贴肤的可穿戴设备上使用[2]。

开发透气良好，可长期、稳定、连续监测人体健康的织物电极可以满足长期穿戴使用的要求[3]。目前常见的织物电极包括梭织型、针织型和无纺布型，而刺绣型织物电极，作为一种织物电极的加工方式，可满足织物电极长期穿戴使用的要求[4]。本文主要开发了以不锈钢纱线为原料，电脑刺绣为制作方法的柔性心电电极片，如图1 所示。

图1 一次性银/氯化银凝胶电极(左)与不锈钢纱线刺绣电极(右)

1 材料与方法

1.1 刺绣心电电极

1.1.1 不锈钢纱线

不锈钢纤维作为一种金属长丝，是一种新型的增强材料，又称不锈钢细丝。因其强度高、耐高温、耐腐蚀、可纺性、导电性等多种优良性能，在化工、电子、航天等领域被广泛应用[5]。不锈钢纱线细微、柔软、可防电磁污染特性，近年来也引起了特种纺织行业的关注[6]。与铜、镍、铝等其他金属纤维相比，不锈钢纤维在可纺性、使用性、经济性等方面都有明显的优越性[7]。在生产的过程中，只需要调节不锈钢纱线当中的材料配比，就可以改变纱线的性能以适应于不同的用途。在生产中，不锈钢纱线往往由不锈钢纤维和化纤混纺而成，常见的混纺比有涤/钢80/20 和涤/钢70/30，虽然在不锈钢纱线中，不锈钢纤维的含量越高其导电性越好、电阻越稳定，但是由于不锈钢纱线中常常采用不锈钢短纤维与涤纶纤维混纺，不锈钢纤维之间的抱和力较差[8]，因而过高的不锈钢纤维含量反而会降低纱线的拉伸强度，影响纱线的可纺性[9]。根据不同的用途可以有很多种不同的生产方式，其中以集束拉伸法为主[10]，还有单丝拉伸法、熔融纺丝法等。因此本文选用不锈钢纱线型号(涤/钢)70/30 作为原料制备刺绣心电电极片。

1.1.2 电脑刺绣工艺

刺绣是传统服饰文化中一项非常具有特色的手工技艺。随着科学技术的发展，电脑刺绣技术以其效率高、成本低等特点[11]走进了服装面料生产领域[12]。电脑刺绣的工艺流程简单、易操作。一般先设计图案或选用已有的图案，将图案导入“威尔克姆”(一款由WILCOM 公司设计的软件，可以随时修设计、改花样，或为不同织物采用已有的花样设计和在不同的机器上进行刺绣)中进行处理，在系统中设置起点位置、针型、密度、换线的顺序等，再导入电脑绣花机的程序中即可(图2)。采用电脑刺绣工艺制作心电电极片，可根据实际情况，保证电极密度适当的情况下将电极设计成任意形状。

图2 电脑刺绣工艺流程

1.2 织物电极制备

针型主要影响织物的外观效果，每种针法都有自己特有的肌理效果和适用的刺绣部位[13]，也影响着纱线内部的接触方式。针距是根据针迹的不同所指位置不同。针距越小，刺绣样品越紧密厚实。当刺绣针距达到0.1 mm 时，因为刺绣时落针过近，针与纱线会产生很大的摩擦而导致断针或断线[14]。因此实验中针迹密度选用0.2 mm～0.6 mm，共制作圆形样品20种，每种样品的针型为2 个(详见表1)。

表1 刺绣织物电极制备

①“他他米”针

“他他米”绣花针法是一种常用的电脑绣花针法。其针迹排列紧密、平行，外观立体感不强[15]。一般多用于填绣大面积的图形或不规则的图形。成品手感较硬，犹如平板。“他他米”针迹的密度是指同一方向上相邻两条针迹线间的距离。它由特殊排列方式的单针组成，这些针迹跨过整个图形，沿与图形边界相垂的方向排列，分别形成一组前进和返回针迹，每一列的针迹都按照一定的偏移值来排列(图3(a))，从而避免在图形中产生明显的分割线(图4(a))。其运行方式如图5(a)所示。

图3 四种针型刺绣电极电脑预设图

图4 四种针型刺绣电极

②“平包”针

“平包”针也是刺绣当中经常使用的一种针法。通常用来表现狭长的图案、轮廓以及字体。“平包”针变化多样、表现丰富。其角度会随着图形的变化而变化，也会根据密度及线段长度而变化[16]。根据需要还可以设计成锯齿形边缘和疏密渐变的针迹(图3(b))。“平包”针也可以表现较宽的块面，表面会有不太明显的分割线(图4(b))。其运行方式如图5(b)所示。

③“锯齿”针

“锯齿”形填针是指针迹在刺绣部位的一侧或多侧上创建参差的锯齿形边线，通过每一针针脚点距离变化和不同长度的针迹来产生波动型边缘线(图3(c))，边缘线的上下波动程度可以根据图案要求进行变化。在表现较宽区域时落针点会形成明显的分割线(图4(c))。其运行方式如图5(c)所示。

④“E”型针

“E”型针因为走势与字母“E”相似而得名(图3(d))。“E”针绣是手工刺绣基本针法之一，主要运用于蜀绣。是一种有规律的长短针(图4(d))，每层的色不一，而见缝插针。这种针法可以浸色，多用于绣花卉翎毛。其运行方式如图5(d)所示。

1.3 织物电极性能测试

1.3.1 电极电阻测量

使用万能电表分两个方向测量圆形电极，即沿纱线(横向)、垂直于纱线(纵向)的电阻数值。作为刺绣制品，因其横向走针方向，导致横向与纵向的纹理与接触性能不同，也就造成了电阻值的不同和波动。

1.3.2 方阻测试

作为心电监测用电极，电阻值越小，监测信号的稳定性与准确性就越好。实验中采用DMR－1C 型方阻仪器测量电极方阻值。

1.3.3 透气性测试

实验中使用YG461E－Ⅲ全自动透气量仪测量电极的透气性能。由于刺绣电极本身的尺寸比较小，不满足透气仪的使用条件，因此本次测试保留刺绣电极周围的白坯布部分，起到固定样品的作用。将电极固定在透气孔的中间。所有电极的操作条件一致，白坯布本身的透气性均匀，所得数据具有对比性。

1.3.4 透湿性测试

以样品电极圆心为中心，裁剪出边长为4 cm 的正方形样品。准备瓶口直径为2.5 cm 的小瓶若干，在烘干箱中全部烘干备用。在小瓶中注入蒸馏水，使小瓶与瓶中水的重量共50 g。将电极对准瓶口，用皮筋固定。观察24 h 之后，测量其重量的减少量。

1.3.5 吸水性测试

把电极样品边缘的白坯布剪下来，以免多余的白坯布部分影响实验结果。将不锈钢纱线刺绣电极放入烘干箱中烘干10 min 去除多余水分，记录其干重。之后将电极浸没在蒸馏水中1 min，使其充分吸水。用镊子将电极夹出，轻抖几下，去掉电极表面悬挂的水分，放入烘干箱烘干15 min 之后测量其湿重。

1.3.6 电极与皮肤阻抗

该实验参照Thilagavathi 提出的参比测量法。采用凝胶电极作为参考电极，采用万用电表测量阻抗，通过公式计算间接测量皮肤－电极阻抗(图6)。

图6 人体皮肤－电极阻抗测量原理

图6 中，L1和L2为参考电极与织物电极之间的距离，L1＝L2＝6 cm；

Zxy为参考电极1 与织物电极之间的阻抗；

Zyz为参考电极2 与织物电极之间的阻抗；

Zxz为两个参考电极之间的阻抗；

皮肤－电极阻抗Z为:

使用万用电表分别测量Zxz、Zxy、Zyz三段的电阻，在根据公式计算出皮肤－电极阻抗值。为避免数据的偶然性，每种电极进行三次测量和计算，最终取其平均数。

1.3.7 人体心电信号的采集

观察对象:男女志愿者>10 人，无皮肤病历史，无电极或者导电凝胶过敏历史。

本次心电信号采集使用深圳善行医疗科技有限公司的智能心电衣(型号benecare－U)，该心电衣测量数据相对稳定、可实现蓝牙远程数据传输。在监测过程中，能够满足心电图和长程监测模式对静态和动态心率、心电的监测。如图7 所示，为了贴近人体，更好地采取数据，该心电衣采用了贴身背心的款式。腰部的两侧采用魔术贴固定，以便适应不同的体型。心电衣内表面设置了10 个导联电极位置，分布于人体前侧的不同位置。胸前安装了心电信号发射装置。为使刺绣电极能更好地与心电衣导联接触，在刺绣电极上用棉签涂抹薄薄一层导电膏，之后用非导电胶带将裁减后的电极包覆在导联按钮上。

图7 智能心电衣实物图(凸起圆柱为各导联处的织物电极)

图8(a)所示为理想型的心电图单元，其中P 波、T 波明显存在，QRS 峰明显。其中，P 波代表心房激动时所产生的点位变化。起点表示激动自窦房结达到心房，终点表示心房全部收到激动，方向与外形和激动在心房内传导的途径有关。P 波异常这表示心房有病变或者有节律问题。P－R 波间期表示激动经过心房，房室结，房室束而达心室所需要的时间。如果这一间期较长这表示房室传导阻碍。QRS 波群表示心室受激动时电压的变化。S－T 波段如果不在零点位线则可能出现心脏病变。如图8(b)所示，心电衣可多导联，从身体不同位置检测心电信号。

图8 理想心电图波形单元和心电衣检测导联位置

1.3.8 极化电压比较

心电、脑电等人体生物电信号的测量都需要检测电极与人体皮肤接触的。人体皮肤结构复杂，在与电极接触的界面中皮肤表面并非完全干燥，而是存在一些湿润的电解液。当电极与人体皮肤表面接触时，电极中的金属部分与皮肤表面电解液形成一种极化电压。极化电压在生物电信号的检测过程中与生物电信号叠加，其大小会影响生物前端放大器的信噪比。过大的极化电压甚至会使生物放大器饱和，而无法继续传递信号。目前医疗领域中最经常使用的Ag/AgCl 电极是已知电极类型中极化电压最低的，接近非极化电极。

从心电图中可以观测极化电压的大小，但在心电衣的心电测试中并不那么直观，且无法与传统电极形成对比。本实验中将设计一个电路(图9(a))，在相同条件下检测和对比不锈钢刺绣织物电极以及传统Ag/AgCl 电极分别与人体皮肤的极化电压。如图9(b)所示，将电极贴合在人体皮肤表面，二者的接触界面中就产生了极化电压。

图9 极化电压测量电路图和极化电压测量平面示意图

d为点A 与点B 的直线距离。根据参考样本边长为4 cm 的正方形Ag/AgCl 电极片，d＝2 cm。

Va 为电压表。一端连接电极的中心点A，负极接地，负责检测电极对地的电压。

Vb 为电压表。正极连接人体皮肤表面接近又不接触电极的点B，负极接地，负责检测人体皮肤对地的电压。

V极为电极与人体皮肤表面相接触时产生的极化电压:

人体电压数字较小，电压表范围设置在2 V 即可。仅仅眨眼就会使测得的数字发生变化，因此受测者需要静坐保持放松和心情平静。此外，在人体表面测量不能做到点A 与点B 的重合，这里以电极片的中心为圆点，d为半径多点测量以保证数据的可用性(如图9(b)所示)。

2 结果与讨论

2.1 纵横方向电阻测量结果

由图10(a)可以看到，随着针迹间距变大，横向电阻在不断增大，因为不锈钢纱线之间的接触点随着针迹间距变大而逐渐变少，且四种针型的电极织物呈现同样的趋势。就整体来讲，“他他米”针型的电极电阻值一直是相同测试条件下最低的，说明“他他米”针迹要比其他的针迹更均匀，排列更紧密。由于刺绣的时候是横向走针的，因此刺绣电极纵向的纱线接触会更差一些，通电情况会比横向更差，电阻值会更大。如图10(b)所示，电阻横向波动的最低值与横向波动最高值基本呈现同样的趋势，随着针迹密度变小而变小。在纵向电阻的测量中，只有“他他米”针型电极能够比较稳定地显示数据，说明在针迹间距的情况下，“他他米”针迹的电极中不锈钢纱线的纵向接触点与其他针型的电极相比更密，分布也更加均匀。但是不论是哪种针型都难以避免测量时电阻的波动。由图10(c)可以看出，随着针迹间距变大，纱线之间的接触越来越少，电阻的波动差值也越来越大。“他他米”针迹的刺绣电极电阻的波动差是最小的。因此就电阻而言，“他他米”针型的刺绣电极是最好的。

图10 横向电阻测量结果

2.2 方阻测量结果

方阻测量发现，4 种针型的刺绣电极方阻都会随着针迹间距变小而越小。针迹间距越小，纱线的排列更紧密，使刺绣电极中不锈钢纱线的接触点越多，在并联条件下，电极的电阻变得更低。“平包”针电极因为其针迹本身密度不够高，形成的接触点较少，所以整体方阻偏大。即使缩小针迹间距，其方阻依然高于其他针迹的不锈钢刺绣织物电极(见图11)。

图11 四种不同针型电极的方阻值对比图

2.3 透气性测量结果

透气性主要受刺绣电极针迹密度的影响。越紧密的刺绣电极，其中的通气孔越少、越小，让气流难以通过，导致透气性低。由图12 可知，四种针型的电极透气性差距较大，“他他米”针型电极的透气性明显低于其他，也再一次证明了“他他米”针迹的均匀与紧密。“E”型针刺绣电极当中，只有左边半圆的边缘是在刺绣过程中用纱线连接的，构成电极的主体部分的纱线是完全平行、有规则排布的，且贴合白坯布表面。因此，气流比较容易从缝隙穿过，造成了“E”型针刺绣电极良好的透气性。

图12 四种不同针型电极的透气率对比图

2.4 透湿性测量结果

由图13 可见，“他他米”针型电极的透湿性明显高于其他电极。“他他米”针型在刺绣的过程中每一列都会有特定的偏移数值，这就使得“他他米”刺绣电极由许多有规律的接触点与较小的空隙排列而成。这些规律的空隙可以使水汽通过不锈钢纱线构成的刺绣层，到达吸湿性较好的棉质白坯布层。水汽再向上又一次经过不锈钢纱线“他他米”刺绣层，规律的空隙也不会给水汽造成很大的阻拦效果。而其他三种针型的电极在透湿过程中，水汽走过上述路程的过程都要比“他他米”针型的电极要困难。不过依旧可以看出结构松散的“平包”针刺绣电极的透湿性略高于另外两种电极。

图13 四种不同针型电极的透湿量对比图

2.5 吸湿性测量结果

一般来讲，布料的吸湿性主要受到材料本身的影响，由纤维大分子的结晶度的高低和纤维大分子上所携带的亲水性基团的多少决定。由图14 可见，“平包”针型的刺绣电极吸湿性明显高于其他针型的电极。这因为“平包针”的包覆性差，不锈钢纱线相互之间的接触不够紧密，水可以很快地通过刺绣层渗透到电极内部，被内部的纯棉白坯布吸收。在烘干的时候，外面的不锈钢纱线刺绣层又阻碍了纯棉白坯布水分的蒸发。而其他的针型包裹较为紧密，吸水性主要表现在不锈钢纱线上，差距并不明显。棉纤维的吸湿性要比不锈钢纱线好得多，因此“平包”针型刺绣电极的吸湿性要比其他电极高。“他他米”针型的空隙分布均匀，外面的不锈钢纱线和内部的纯棉白坯布与水接触比较均匀，所以针迹间距给吸湿性带来的变化稍微明显于另外两种针迹。

图14 四种不同针型电极的吸湿性对比图

2.6 电极与皮肤阻抗测量结果

由图15(a)可知，不论是什么针型的刺绣电极，随着针迹间距的缩小，每个线圈之间的接触都更加紧密，接触点更多、更均匀。“平包”针作为四种针型当中最松散的一种，其紧密度，与皮肤之间的接触点都相对较低。所以与人体皮肤的阻抗相对其他三种样品而言最大。“E”型针与“锯齿”针的差距并不大，但是就测试结果来看，“锯齿”针的变化趋势更加稳定。而“他他米”针型的刺绣心电电极与人体皮肤阻抗明显小于其他针型，其变化趋势也较为稳定，说明“他他米”针的密度、空隙和接触点都是最多、最均匀的。此外，这里用阻抗较小的“他他米0.2 mm”和“他他米0.3 mm”不锈钢刺绣织物电极与传统Ag/AgCl 电极－皮肤阻抗的数据对比。由图15(b)可以看出，在三次测试中两种不锈钢刺绣织物电极的阻抗都稍小于传统的Ag/AgCl 电极，且“他他米0.2 mm”与“他他米0.3 mm”不锈钢织物电极与人体皮肤之间的阻抗差距很小。

图15 电极与皮肤之间的平均阻抗对比

2.7 刺绣电极心电图监测

本实验采用四种针型和五种针距，一共制备了20 种样品。针对同一位受测试者，在实验中对每一个样品都做了心电图检测。经过测试，发现每种电极都可以检测出人体心电图，但是成图效果略有差距如图16 所示。每种针型分别选取针迹间距0.6 mm 和0.2 mm 的电极所测得的心电图。左边竖排为大针迹间距，右边为小针迹针距。以“他他米”针迹0.6 mm间距所测得心电图即图16(a)与同针迹0.2 mm 所测得心电图(即图16(b))为例进行对比，两者的QRS峰明显存在，但是前者的P 波和T 波不够明显。其他心电图均QRS 峰、P 波、T 波存在且明显，针迹间距更小的电极所测得的心电图基线波动更小。其中以“他他米”针迹0.2 mm 间距电极所测得的心电图为最优。

图16 不同针型与不同针距刺绣电极所测心电图

2.8 极化电压测试

为了能更好地对比，在本次实验中对三个电极进行了极化电压的测试。其中医用Ag/AgCl 电极片做为参考对象，“他他米”针型0.2 mm 针距电极和“平包”针型0.6 mm 针距电极是所有实验电极中与皮肤阻抗的最优和最差的刺绣织物电极。三者极化电极如图17(a)所示。能够明显看出不锈钢纱线刺绣织物电极的极化电压略大于传统医用电极。如图17(b)所示，以三种电极极化电压的平均数作比较可以看出，不锈钢纱线刺绣织物电极的极化电压非常接近，高于Ag/AgCl 电极约18%。因此，不锈钢刺绣电极的极化电压对心电测量系统的测量数据影响较小，在可接受范围内，并不会因为极化电压而导致放大器超出量程。

图17 不同电极片极化电压对比

3 结论

本实验将不锈钢导电纱线和电脑刺绣技术相结合，使用4 种电脑刺绣中的常用刺绣针型，通过改变针迹间距(针迹间距范围0.2 mm～0.6 mm)制备了多种刺绣柔性织物电极。其中，“他他米”针迹是电脑刺绣中最常用的一种针迹。与其他针迹相比，“他他米”针迹电极中纱线排列更均匀、更紧密，“他他米”针迹也更适合作为刺绣织物电极的针型。“他他米”针型刺绣织物电极中纱线的接触点和空隙排布均匀，很好地降低了刺绣织物电极的电阻，且极大地降低了不锈钢纱线刺绣电极与人体皮肤接触的阻抗。针迹间距作为电脑刺绣的一种工艺参数，实验证明，针迹间距越小，刺绣织物电极中纱线之间的排列越紧密，刺绣织物电极的电阻越小、心电信号的监测性能越好。在其他性能方面，比如吸湿性、透湿性和透气性等，在针迹间距相同的情况下“他他米”针型刺绣织物电极表现依然优于其他针型电极。

“健康”日渐成为人们的关注焦点，可长期使用的实时监测人体健康的可穿戴设备顺应时代，迅速发展。传统的氯化银电极作为一次性用品，还有导致使用者皮肤过敏的风险。因此新型柔性电极的研发和改良具有广阔的前景，特别是“他他米”针型不锈钢刺绣织物电极，未来在心电的实时监测领域有着重要的发展和应用前景。