心电监测服装监测位置的研究

胡艳琼　邓咏梅



心电监测服装监测位置的研究

胡艳琼1邓咏梅2

1.好运来针织呢绒有限公司(中国)2.西安工程大学 服装与艺术设计学院(中国)

介绍了心电信号的产生、特征及心电导联的肢体导联。以锁骨、人体前中线、胸点和肚脐为参照点，对人体4个监测位置进行了划分，对不同的电极组合进行心电测试试验，获得人体表面合适的监测范围。结果表明：左、右胸部电极的位置对肢体导联的心电信号影响显著，主要影响Ⅰ导联心电信号；腹部电极可取范围较大，对信号的影响不明显。通过两次位移试验确定了人体对应服装上的最优监测点，并给出了170/88A标准男体紧身基样上监测点的位置。

心电图；监测位置；振幅；服装版型

服装与人体间长时间、大面积接触的特点，使服装成为可穿戴医疗监护设备的最佳应用平台。心电监测服装可通过服装监测心电信号并生成心电图(ECG)，因而能实时、连续监控人体心电信号，从而实现对慢性心血管疾病提前预防的目的。心电图是一种重要和成熟的心电信号检测技术。将测量电极放置在人体表面的一定部位,记录的心肌细胞生物电变化曲线即为临床常规心电图[1]，它反映了心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化，分析心电电信号波形的时序和形态可客观反映心脏各部位的生理状况，帮助诊断心脏的问题。信号检测是整个可穿戴医疗监护服装系统的核心，监测的准确性、可靠性直接影响后续工作的有效性。然而心电信号属于毫伏(mV)级电信号，具有信号弱、噪声强、频率范围一般较低和随机性等特点[2]。

心电检测中，电极片的放置位置会影响心电监测图形质量。不同的放置位置，心电各个波的方向、振幅都不同，影响病情观察。因此为受试者选择合适的电极片放置部位，是提高监测图形质量的前提。本文以生物电信号、心电信号特征和心电导联的心电图学知识为试验设计的部分依据，设计了人体心电监测点的优化试验，通过对应服装基型上监测点的位移试验，确定了用于心电监测服装上的电极安放位置。

1　人体监测点试验

1.1试验设计

1.1.1导联方式选择

动物机体组织和体液都能导电。将心电描记器的记录电极放在体表的任何两个非等电部位，都可记录心电变化。将电极置于体表任何两个点，再与心电图机的正负两极相连就可构成电路，这种连接方式和装置称为导联。标准肢体导联是将4个电极片贴于四肢近末端部位，但这会对人体的正常活动造成一定影响，不利于心电信号的监测。为提高电极片集成于服装后所测心电信号的准确性，本试验选择标准肢体导联的胸部贴法。电极安放位置分别为R(锁骨下，靠近右肩)、L(锁骨下，靠近左肩)、N(右下腹)和F(左下腹)，分别构成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联(图1)。

图1　体表电极安放位置

1.1.2电极选择

心电电极将人体心肌产生的生物电转化为可用于分析的电子导电信号，是一种电信号转化器件[3]。将电极集成于服装，要求电极柔软舒适、稳定、灵敏度高、能够洗涤和重复使用。传统的一次性电极存在易造成皮肤过敏，长时间使用易造成皮肤溃烂，易干涸、不可重复使用的问题。本研究团队选用缎纹、蜂巢、刺绣、针织等4种结构的材料为电极，通过氯化工艺处理，形成氯化银包覆银的复合结构，对其进行阻抗测试后可知，组织结构为银-氯化银蜂巢时材料的电化学阻抗最小，最适合制作心电电极。因此银-氯化银蜂巢组织结构符合穿戴要求，能确保与皮肤之间的接触面积，测试所需压强0.5～1.4 kPa[4]。试验选用4 cm×4 cm的氯化银包覆银的柔性纺织电极。

为防止金属的电极扣(夹住服装与纺织电极，固定在纺织电极中间的扣子，扣子靠近皮肤的一侧为正面，正面有凹陷，可填充眉笔芯)对心电信号的干扰，将绝缘胶布贴在金属的电极扣正面，使金属的电极扣与皮肤隔离。

1.2试验方案

仪器说明书中所给出的电极安放位置比较模糊。为了更准确地监测心电信号，依据锁骨、人体前中线、胸点和肚脐对监测部分进行划分。如图2所示，以人体右侧为例，OM线平行于人体前中线，与MN线垂直相较于M点。O点距锁骨底端水平线和人体前中线各1 cm，OM=MN。以OM和MN为两边作正方形，并三等分每边，构成9个相同大小的正方形，命名为A～I；om距人体前中线1 cm，mn∥MN，mn距肚脐下方水平线1 cm，取om=mn=OM，同理划分为a～i 9个正方形。左侧体表采用同样的划分方法，胸部的9个正方形分别命名为A′～I′，腹部的命名为a′～i′。对于170/88A标准男体，这种分法所得每个正方形面积接近4 cm×4 cm，便于之后服装设计中使用纺织电极。考虑到服装的对称美和试验的便捷性，以人体前中线为对称轴左右选对应点(即若人体右边选A，则人体左边选A′)进行组合试验，可得到81种不同的组合方案。

图2　人体表面监测点划分

试验采用Prince 180D 力康心电监测仪，规格参数如表1所示。1 mV定准电压在心电图纸上表示为10 mm，纸速为25 mm/s。

试验者为接近170/88A标准体型的健康男子，以静止状态站立，正常呼吸，没有大幅的肢体动作。导联线连接正确，电极预加压强为1 kPa。

表1　心电监测仪规格参数

1.3测试数据及结论

心电波形通过心电图纸呈现，心电图纸常由粗细两种纵线和横线组成。纵线的间距反映时间，横线的间距反映振幅(电压)，细线间距为1 mm，粗线间距为5 mm，当纸速为25 mm/s时，纵线间小格代表0.04 s，大格代表0.20 s；当定准电压为1 mV=10 mm时，横线间小格代表0.1 mV，大格代表0.5 mV[5]。如图3所示，红色竖线为定基准线，位于心电波形TP段静息电位(即零电位)。黑色竖线在心电波形QRS波群的顶端，此时的QRS波群振幅为黑色竖线的电压减去红色线的电压，即相对于静息电位的振幅。图3所显示的QRS波群振幅为0.96 mV。

试验结果得到81组心电波形。由于电极与皮肤接触后，两者界面的温湿度平衡造成信号不稳定，在临床诊断中通常需要截取10 s心电图片段进行分析。图4和图5是CC′gg′和GG′gg′组合的10 s心电图片段。由图可见，CC′gg′的信号强度没有GG′gg′信号强度强，尤其是Ⅰ导联，振幅最高不足0.2 mV，不能轻易识别其波形。去除Ⅰ导联不能识别的组合AA′、BB′、CC′和FF′，还剩下DD′、EE′、GG′、HH′和II′及其组合(DD′aa′、DD′bb′、DD′dd′，…，II′hh′、II′ii′)，共45组。

图3　心电图显示界面

图4　CC′gg′组合心电图

图5　GG′gg′组合心电图

对剩余45组心电图，随机在其Ⅰ导联QRS波处取5个振幅数据求平均值。所得数据见表2。可见，越靠近胸部及外侧信号越明显，下腹部对整体监测信号质量的影响比较小,比较稳定的静态测量点应为GG′hh′点，胸部监测点位置为GG′时，Ⅰ导联心电图振幅最大，其次为HH′、II′、DD′和EE′。

表2　Ⅰ导联振幅及平均值　mV

2　服装上电极安放位置的确定

2.1预试验

受试者为接近170/88A标准体的一位健康男青年，穿着莱卡/棉(质量分数为5%/95%)普通贴身T恤。在监测位置订有电极扣，贴近皮肤一侧电极扣的凹槽内放置一小块眉笔芯(图6)。受试者穿着该款服装进行40项日常活动的基本动作。结果显示人体右监测点运动趋势为向左上方和右下方，最大位移为3.8 cm，人体左监测点运动趋势为向右上方和左下方，最大位移为3.5 cm，腹部主要向上移动，最大位移为4 cm。

(a) 试验服装　(b) 填充眉笔芯的电极扣

2.2位移试验

制作170/88A体型男子的紧身型针织服装基型[6]，并由试验者穿着。由于预试验已获得了监测点的运动趋势和最大位移，故在服装相应位置分别标出DEGH的交点、D′E′G′H′的交点，正方形h的中点及正方形h′的中点。分别在这4个点订上电极扣，并在扣凹槽中放入适量眉笔芯。重复预试验的动作，活动2 h。

2.3结果

4个监测点的位移分别如图7所示。L处位移为3.5 cm×1.7 cm；R处位移为4.0 cm×3.8 cm；F处位移为1.7 cm×6.0 cm；N处位移为1.9 cm×7.4 cm 。L和R的可动范围均约在8 cm×8 cm，F和N可向上移动10 cm，左右各移动6 cm。故动态试验将人体右侧监测点分别选为服装对应DEGH的交点和正方形h的中点即可满足监测需求。左边以人体前中线为轴对称选择。将服装基型拓到衣片纸样上得到监测点L和F点，图8所示即为170/88A男子心电监测点在紧身基型中的位置。

图7　4个监测点位移

图8　心电监测点在基型上的位置

3　结论

通过相关试验，得到以下结论。

——肢体导联的胸部贴法测量所测得的心电信号质量主要取决于L和R电极的位置，腹部电极影响较小。信号最好的L和R位置为GG′和HH′，其次为II′、DD′和EE′。AA′、BB′、CC′和FF′处的Ⅰ导联波形振幅过小，不可用。从位置上看胸部电极越靠近胸点，信号越强，振幅越大，波形越清晰。

——以DEGH的交点及D′E′G′H′的交点为R和L的监测点、正方形h及h′的中点为N和F的监测点。4个监测点的位移分别为L处：3.5 cm×1.7 cm； R处：4.0 cm×3.8 cm；F处：1.7 cm×6.0 cm；N处：1.9 cm×7.4 cm，满足胸部以DEGH和D′E′G′H′的交点、腹部以h和h′的中点为初始位移点时的监测位移要求。通过将服装基型对应拓印到结构图上，获得了170/88A标准男子心电监测服装上的有效监测点。

[1]蔡建新，张唯真．生物医学电子学[M]．北京：北京大学出版社，1997：8．

[2]侯静．生物医学信号的检测与处理[J]．中国高新技术企业，2007(14)：102-105．

[3]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，2014，42(12)：34-38．

[4]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].上海：东华大学，2012．

[5]张文博，李跃荣．心电图诊断手册[M]．北京：人民军医出版社，2009：493-503．

[6]毛莉莉．针织服装结构与工艺设计[M]．北京：中国纺织出版社，2006：225-233．

Research on monitoring location of ECG monitoring clothing

Hu Yanqiong1，Deng Yongmei2

1.Haoyunlai Knitting Wool Co.Ltd.,Jiangyin/China 2.School of Apparel & Art Design,Xi’an Polytechnic University,Xi’an/China

The generation and characteristics of electrocardiogram (ECG) signal and limb lead were introduced.For the reference to clavicle,the anterior midline of body,bust point and navel,four monitoring sites of the human body were divided,and the different electrode combinations obtained were experimented through ECG testing,and finally the suitable monitoring range of human body was gotten.The results showed that electrode positions on the left and right of the chest had significant influence on ECG signals for limb lead,especially for the lead I.Obtainable electrode ranges for abdominal were larger,and had no obvious effect on the signals.The corresponding optimal monitoring sites on clothing were acquired through two displacement experiments,and the monitoring sites of 170/88A standard male body tight structure were obtained.Key words:electrocardiogram； monitoring location； amplitude； clothing version

陕西省教育厅专项科研计划项目(12JK0571)；好运来针织呢绒服装研发项目(2014KJ-018)