纺织电极在心电监测服装设计中的应用及发展*

江西服装学院服装工程学院， 江西 南昌 330201

随着经济的发展和生活水平的提高，人们对身体健康的重视程度也在逐渐增加。人们除了选择平时保持良好的生活习惯和坚持体育锻炼外，还会选择定期到医院进行体检。但医院体检会花费大量的时间，且只能提供体检者当时的身体状况，无法实现长期、实时监控身体健康的变化[1]。近年来，心电监测服装作为智能纺织品的重要组成部分发展迅速，其可长期不间断地对人体心电信号进行捕捉和收集并生成心电图(ECG)，以达到心脏监测和护理示警的效果[2]。纺织电极作为心电监测服装的核心部件，在心电监测过程中起着将生物体电化学活动产生的离子电位转换成信号采集系统中电子电位的功能，它的存在为人体心电信号的收集及分析提供了可能[3]。

传统的心电监测主要依赖Ag/AgCl医用电极。使用该电极时，为获取高质量的人体心电信号，需在人体接触部位涂抹黏性导电水凝胶，但长期涂抹该凝胶会造成人体皮肤过敏，更有甚者，会出现皮肤溃烂[4]。纺织电极与传统医用电极相比，前者柔软、透气、透湿，与服装集成更容易，可实现随时、随地、长期监测心电信号，且干态使用，长期接触皮肤也不会造成皮肤过敏或溃烂等症状[5]。

本文通过查阅相关参考文献，举例说明纺织电极在健康监测、运动监测及其他监测领域的服装设计中的应用及实践，总结纺织电极在应用中存在的问题及发展趋势，以期为纺织电极在心电监测服装设计中的应用及进一步研究提供理论参考。

1 纺织电极简介

1.1 常用材料

纺织电极是采用特殊的方式将导电物质黏附在纤维、纱线或织物表面，然后制成能将人体心脏产生的离子导电转化为外部可检测的电子导电的一种器件。纺织电极常用的材料有导电纤维、导电处理后的纱线或织物等。袁会锦等[6]以镀银涤纶纱线为材料，采用氯化改性处理法、手工刺绣成型法、电路模拟法等，将电镀工艺与纺织工艺相结合，设计并制作出了一种柔性电极面料，还初步完成了对纺织结构电极的静态性能评估。SILVA等[7]635-643采用气相沉积法，在聚酰亚胺薄膜材料和纺织品基材的顶部沉积一层铝箔来制造电极。东华大学丁辛教授团队将棉机织物浸入含有吡咯单体和掺杂剂的水溶液中，然后加入氧化剂使吡咯聚合到棉织物上形成了导电织物，还完成了聚吡咯/棉织物心电电极的制备及性能评价[8]。英国埃克塞特大学MONICA CRACIUN教授领衔的国际研究小组先利用化学气相沉积法制备出单层石墨烯，然后将其包覆在经过光敏氧化处理的纤维上，成功制备出首例透明的导电石墨烯纺织纤维电极[7]635-643。ANKHILI等[9]先将聚酰胺织物、聚酯织物和棉织物分别浸泡在聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)/聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液中进行化学改性，制成纺织电极，再嵌入内衣织物中用于心电信号监测。且测试发现，经过50次水洗后，棉织物电极和聚酰胺织物电极仍可获得良好的心电信号，但聚酯织物电极获得心电信号的能力变得较弱。

1.2 制备方法

纺织电极按照成品类型可分为机织类电极、针织类电极、非织造布电极和3D打印电极四大品种。其常用制备方法有三种：利用导电纤维或在纤维中加入导电粒子，再纺纱织造成纺织电极；利用缝纫的方法将导电纱线直接作为纺织电极缝到纺织品上；在织物表面沉积导电金属或导电高聚物，形成纺织电极。

WESTBROEK等[10]将不锈钢纤维缠绕在黏胶纤维上进行纺纱再制作出针织类电极，且测试发现该电极能完整地采集心电信号。KANG[11]利用丝网印刷技术，将AgCl和银导电墨水在非织造布表面印制信息传感区、信号传输线路及其他电器元件，制得了一种性能稳定且灵敏度较高的非织造纺织电极。SALVO等[12]利用3D打印技术快速设计并制造出一种高精度的三维形态结构，然后在其表面先溅射钛层再溅射金层，形成了电极。且研究发现，该电极可以更好地与人体接触，能有效减少因毛发存在而影响对心电信号的测量，测试精度明显改善。可见，3D打印技术是实现低成本、快生产、高精度电极的重要方法之一。

2 纺织电极在心电监测服装设计中的应用

近年来，随着智能纺织产业的发展，研究人员开始将纺织电极与电子监测技术相结合并应用于心电监测服装设计，通过收集人体心电信号的变化达到疾病预警的作用。除此之外，纺织电极也开始应用于运动状态监控、康复电疗等领域。

2.1 纺织电极在健康监测服装设计中的应用

随着社会逐渐向老龄化方向的发展，能实时监测并记录人体医学信号的健康监测产品意义重大。日本东丽和NTT合作开发出了一款健康监测内衣——“hitoe”(图1)。该内衣内部安装有4处使用渗透通电高分子树脂的聚酯纺织电极，其能持续测定心脏肌肉的活动。日本医药品医疗器械综合机构(PMDA)将该产品注册为医疗器械，并认定其具有与传统的心电图测定几乎同等水平的精度，可实现24 h监测人体心电变化。浙江纺织服装职业技术学院张辉博士团队利用Ag和AgCl这两种材料制成纺织电极，并与宁波爱邦智能科技有限公司合作，开发出国内首款心电监测智能服饰(图2)。该服饰紧贴人体，不会产生过敏现象，且心电图测试精度与传统医用电极测试结果相当，还可利用洗衣机进行洗涤。WANG等[13]开发了一套智能服装监测平台(图3)，其核心部分是将纺织电极与服装结合用于采集心电信号，然后利用传感器节点组成集成信号处理电路和微处理器模块，实现生物医学信号向高质量心电图数据的转换，最后通过网络将个人资料上传至医院平台，用于健康咨询。此外，试验还发现，该智能服装耐洗牢度较好，服用性能与普通服装相似，可在胸部获得II型心电信号，特别适用于监测慢性心血管疾病。

图1 “hitoe”内衣

图2 国内首款心电监测智能服饰

图3 智能服装监测平台

WU等[14]以不同混纺比的棉/镀银尼龙混纺纱线为原料，利用电脑横机织造出不同的双层针织物，并作为纺织电极集成到T恤上，再结合小型化的无线传感平台采集人体心电信号。试验效果显示：以棉/镀银尼龙(30/70)混纺纱线织造的单面汗布电极，透气性及触觉舒适性较好，且测试精度与传统医用电极相近(图4)。BOEHM等[15]将12个导电纺织电极取代了胶黏剂电极，放入心电监测T恤中，并在T恤外侧附加有源电路，以进一步提高纺织电极的信号收集质量。结果发现，与商用Holeter监测系统相比，该心电监测T恤监测的RR区间的相对误差为0.96%，平均覆盖率为96.6%，基本达到监测要求。

图4 单面汗布电极应用示例(图中“RLD”指右腿驱动程序)

2.2 纺织电极在运动监测服装设计中的应用

普通大众为保持身体健康，除采取定期体检作为主要的预防手段外，还会养成坚持锻炼身体的好习惯。但人们在锻炼的过程中往往会缺乏对尺度的把握，导致运动过量，这不仅会造成肌肉、关节和韧带等损伤问题，还会增加心脏负担，导致心血管疾病突然发生。因此，开发运动监测产品对人们日常的身体锻炼具有重要的指导意义。

图5为联想开发的智能心电衣Smart Vest[16]，其通过编织的方式将12块柔性织物电极织入心电衣中，产品可实现24 h不间断地对人体心电信号进行精准采集和系统分析，并根据用户在运动过程中的心律变异度(HRV)反映用户的身体状态。若运动过程中HRV超过某一范围时，Smart Vest就会发出警告以提示运动风险。Sensoria健身运动文胸使用纺织电极作为传感器，并与外部心率监控器配合使用，可取代传统的胸带式监控器。该文胸不仅可以精确地对运动者的心率进行准确追踪，避免锻炼不足或过量，还可以最大程度地保持文胸穿着的舒适性[17]。OMsignal智能服装开发公司在运动T恤中嵌入纺织电极作为传感器(图6)，实现了在运动过程中可追踪穿着者的心率、呼吸频率、呼吸量、运动状态、热量消耗和运动强度等信息功能，对运动员在训练过程中的身体状态评估具有很好的指导价值[18]。

图5 智能心电衣Smart Vest

图6 OMsignal智能运动T恤

2.3 纺织电极在其他监测领域服装设计中的应用

纺织电极不仅在健康监测和运动监测类服装中有广泛的应用，在其他监测领域也有一定的应用。U.阿米尔等[19]设计了一款无缝智能胎儿监测服，其将柔性导电纺织电极编织或交织在服装中，用于监测孕妇和胎儿的电生命信号(包括孕妇心率、胎儿心率及子宫活动的肌动电流图等)，分析并判断孕妇与胎儿的健康程度，这为孕妇提供了一种可进行实时胎检的选择。佐治亚理工学院的研究团队将光纤材料电极植入T恤中，设计出一款可实时监测穿着者心电信号、体温等生命体征的智能产品[20]。穿着此款产品的人若遇到枪击或尖锐器具袭击后，T恤会因被击穿或被刺穿导致无法感受生命体征而发送遇险信号，相关部门会根据接收的信号判断穿着者的受伤部位及受伤程度，及时制定出科学有效的救援方案。

3 纺织电极在心电监测服装设计中存在的问题及发展趋势

纺织电极在心电监测领域得到了较为广泛的应用，其顺应了智能纺织品向小型化、一体化和舒适化方向发展的趋势，但也存在一些问题亟待解决：

首先，与传统医用电极相比，纺织电极最大的特点是电极贴服不使用导电胶，这会导致电极与测试者的贴合程度较低，尤其是在运动状态下，测试信号中会出现大量的噪声，进而影响测试精度。运动监测服装在设计中往往会选择较大的紧度，以提高服装与人体表面的接触程度，但紧度过大又会造成穿着者舒适度下降。因此，这类产品设计时需重视对服装紧度的选择。

其次，测试效果的可靠性有待进一步提高。准确接收心电信号对于身体健康的分析和运动过程的指导至关重要，但多数心电监测产品只能很好地监测人体静态时的心电信号，对人体动态时的心电信号接收效果较差。这便需要在信号分析时就运动状态进行更加详细的分解，细化不同状态时的心电信息，以进一步减小运动伪差所带来的影响，优化纺织电极的设计。

另外，纺织电极在心电监测领域应用的评价缺乏统一的标准。目前，常用的评价指标是阻抗，但该指标并不能全面有效地表达纺织电极的质量，这不利于该产业的标准化发展。因此，有关单位可借鉴国外相关标准，同心协力制定并逐步完善标准。

4 结语

纺织电极因可长期、实时监测人体心电信号且效果较好而广泛应用在心电监测服装设计中，但其也存在一些问题需要解决。相信，随着心电监测服装产业的高速发展及市场需求的迅速增加，纺织电极作为心电监测服装的重要组成部分，必将迎来新的发展机遇。纺织电极制备所需的材料、一体化加工工艺及后整理技术的开发都将成为该领域发展的热点。当前，我国纺织电极的研发整体水平与先进国家相比仍有不少差距，可在积极学习国外研究成果的基础上不断创新，逐步提高我国纺织电极的生产水平，增强我国心电监测服装产品在国际市场上的竞争力。