织物心电电极研究进展*

庞莉娜 王春红, 王慧泉 王金海 Peyman Servati 左恒峰

1. 天津工业大学纺织科学与工程学院，天津 300387；2. 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100000；3. 英属哥伦比亚大学电气与计算机工程系，温哥华 V6T 1Z4

心血管疾病具有间歇发作、瞬时异常等特点，这便导致某些瞬时的心血管疾病不易被常规的心电监测所捕捉到。因此，一种能密切且持续的监测方法——长时间心电监测方法应运而生，其能够实时了解患者的心电状态，帮助医生确定患者是否处于健康的状态，提高医生医疗诊断的准确度。传统医用心电电极使用时，为降低皮肤与电极界面的阻抗，电极接触皮肤处会使用一层导电水凝胶。若将传统医用心电电极用于长时间心电监测，则人体局部皮肤易因导电水凝胶而过敏，出现刺激不适、皮疹等诸多问题[1]。此外，随着患者使用传统医用心电电极进行心电监测时间的延长，导电水凝胶会逐渐变干，这会导致心电信号采集灵敏度下降，心电监测不准确等问题。故传统医用心电电极不适用于长时间心电监测。

织物心电电极是将导电纤维或导电材料等以混纺、交织、涂覆、浸渍、印刷等方式施加到纱线或织物上，或通过刺绣、缝制等方法将导电纱线或导电线等与织物或服装缝制成一体，制备的能够采集人体表面生物电信号的一种织物电子传感器。与传统医用心电电极相比，织物心电电极易水洗，易与人体皮肤表面贴合，可长期使用，且具有良好的柔韧性、透气透湿性、可拉伸性、可重复使用性等。将织物心电电极与服装集合为一体，可提高穿戴者在心电监测过程中的舒适性，能实现长期无意识的心电连续监测。

本文将对国内外织物心电电极方面的大量研究进行介绍。

1 织物心电电极用材料

心电监测过程中，织物心电电极能更好地与人体皮肤表面贴合，并能很好地将人体心血管电化学活动产生的离子电位转换成电子电位被信号采集系统采集。织物心电电极的材料、结构、形状、尺寸及监测系统等，对心电信号采集的准确性和稳定性有着直接的影响。研究人员可通过选择多种导电纤维材料和织物基底材料进行织物心电电极的设计与制作。导电纤维材料是织物心电电极的核心部分，决定着织物心电电极的导电性和信号采集的质量。织物基底材料影响着织物心电电极的摩擦性、柔韧性、透湿透气性及与皮肤接触的舒适性等。

1.1 导电纤维材料

导电纤维材料包括金属(如银、铜、不锈钢等)纤维、导电聚合物(如聚苯胺、聚吡咯、聚氨酯、聚乙炔、聚二甲基硅氧烷等)纤维，以及具有导电性的纤维(如碳纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维)等。此外，还有以常规不导电纤维(如棉纤维、涤纶、锦纶、芳纶等)为基体，通过特定的方法在这些纤维表面镀金属，以及涂覆导电聚合物、石墨烯和碳纳米管等导电材料，制备的有机导电纤维，或通过熔融纺丝技术将常规合成纤维聚合物与导电组分复合，制备的有机复合型导电纤维。

1.2 织物基底材料

织物心电电极用织物基底材料分天然高分子纤维和合成高分子纤维两大类。天然高分子纤维主要包括蛋白质纤维(主要有蚕丝、羊毛和再生丝素蛋白纤维等)和纤维素纤维(主要有棉纤维、黏胶纤维和竹纤维等)。合成高分子纤维主要有涤纶、锦纶、芳纶等。

Zhou等[2]以平纹棉织物为基材，采用电化学聚合法在基材表面制备聚吡咯涂层，使织物具有导电性，并测试了该织物用作心电电极的电阻、阻抗和心电信号采集性能等。Pani等[3]采用一种高导电性的聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)∶聚苯乙烯磺酸(PSS)溶液处理棉织物和涤纶织物,制成了织物心电电极。祝钦等[4]以平纹机织物为基材，先后在平纹机织物表面沉积石墨烯、银，制备出石墨烯银复合织物心电电极。覃海明等[5]以棉织物为基底进行化学镀银，制备出棉织物接触式柔性电极。王馨乐等[6]设计并制备了4种不同经纱的蜂巢组织结构织物心电电极，其经纱原料分别采用涤纶、锦纶、棉纤维、竹浆纤维，纬纱为镀银纱线，并测试了织物心电电极的压缩、弯曲、表面摩擦、透气和透湿等性能。李瑞凯[7]制备了两种织物心电电极，一种以涤纶织物为基材，先在铜箔上沉积石墨烯薄膜，再将沉积有石墨烯薄膜的铜箔转移到涤纶织物上，制成织物心电电极；另一种直接以涤纶织物作为基底沉积石墨烯，制成织物心电电极。Usma等[8]使用导电电阻泡沫薄片和导电织物制备出边长为3 cm的正方形高导电电极。Yapici等[9]在锦纶织物表面涂覆石墨烯制备织物心电电极，并将6 cm×3 cm的织物心电电极缝合在弹性带内制作成腕带。测试结果表明，该腕带在10～50 Hz范围内的平均阻抗为55.0～87.5 kΩ，这与传统医用Ag/AgCl电极在相同频率范围的阻抗测试结果一致。但随着该腕带使用时间的增加，石墨烯涂层会受到磨损，心电信号测试结果将变得不稳定。Yapici等[10]还将锦纶织物浸入还原氧化石墨烯溶液中，通过在织物表面形成导电石墨烯涂层制备织物心电电极。可见，涂层工艺可在棉、羊毛、锦纶、聚酯、芳纶及玻璃纤维等织物基底上进行，以制备织物心电电极。

2 织物心电电极结构

不同的加工方式可加工出不同结构的织物心电电极，具体有机织心电电极、针织心电电极、非织造心电电极、刺绣心电电极、印刷心电电极等。为增加织物心电电极与皮肤的接触面，提高织物心电电极与皮肤接触面的贴合性，改善织物心电电极与人体皮肤之间的接触稳定性，以及心电信号采集的准确性，研究人员设计、制作了不同结构的织物心电电极，并展开了大量的研究工作。

2.1 机织心电电极

机织心电电极包括，选择导电纱线作为基本材料并利用机织工艺加工而成的织物心电电极，以及在机织物表面沉积或涂覆导电材料等制成的织物心电电极。通常，机织心电电极的结构稳定性较好。

王馨乐[11]利用4种纬纱(分别为棉纱、竹浆纤维纱线、涤纶纱、锦纶纱)和经纱(镀银锦纶导电纱线)织造了4种机织心电电极，并对比了它们的穿着舒适性，发现用竹浆纤维纱线织造的机织心电电极总体舒适性较好。张艳婷等[12]用镀银纱线织出了平纹机织物、缎纹机织物、蜂巢组织机织物、刺绣针织物和纬平针织物，并发现随着拉力的变化，蜂巢组织机织物和刺绣针织物的电阻变化相对较稳定，这两者更适合用于制作织物心电电极。靳凯丽等[13]利用水热法将纳米级CuS与碳化棉机织物复合，制备出了高比电容的CuS/碳化棉机织物柔性电极。段亚茹等[14]以棉机织物为基布，在织物表面沉积导电聚吡咯，制备了导电织物，并测试了其导电性能。Song等[15]在双面组织机织物的基础上，采用镀银包缠纱(表纬)、涤纶长丝(里纬)、聚酯长丝(经纱)，设计并制作了提花机织物心电电极，并进行了心电监测。

2.2 针织心电电极

针织心电电极包括，选择导电纱线作为基本材料并利用针织工艺加工而成的织物心电电极，以及在针织物表面沉积或涂覆导电材料等制成的织物心电电极。针织心电电极可以更好地贴合人体皮肤并随之变形，这有助于减少监测过程中因皮肤与电极之间相互摩擦产生噪声而带来的不利影响，但变形也会引起织物电阻和阻抗的变化。

Wu等[16]以棉纤维/镀银锦纶纱线为导电纱线制作了针织心电电极，并将该电极集成到可穿戴的T恤上，用于采集人体心电信号。李惠芝[17]利用涤纶短纤纱织造了4种不同纵密的纬平针织物，并在织物表面沉积聚吡咯制备导电织物，发现针织物密度越大，导电织物的导电性越好。

2.3 非织造心电电极

非织造心电电极包括，选择导电纤维作为基本材料并利用非织造工艺加工而成的织物心电电极，以及在非织造材料表面沉积或涂覆导电材料等制成的织物心电电极。

李惠芝等[18]在用涤纶制作的纺黏和针刺两种非织造材料表面沉积聚吡咯，制备聚吡咯导电织物，测试并比较了它们的导电性能，发现非织造材料面密度越大，单位面积内沉积的聚吡咯越多，导电织物的导电性越好。

2.4 刺绣心电电极

刺绣心电电极是指将导电纱线或导电线，通过刺绣的方式绣制到织物表面，制成的心电电极。

胡瑶[19]以镀银尼龙长丝为导电纱线，制作了3种以非织造材料为基底的镀银纱线刺绣电极——涤纶非织造材料基刺绣电极、聚丙烯酸非织造材料基刺绣电极，以及以表面均匀平铺聚丙烯酸纤维的涤纶非织造材料为基底的刺绣电极，并发现聚丙烯酸非织造材料基刺绣电极所测得的心电信号质量最佳。Weder等[20]在涤纶纱线表面涂覆银和钛粒子，制备出导电纱线，再加工成刺绣电极，可用于长期的心电监测。

2.5 印刷心电电极

印刷电子技术是基于印刷原理的一种电子制造技术。印刷心电电极是将导电材料如导电金属粒子(如银、镍等)、导电聚合物材料(如聚苯胺、聚吡咯等)、石墨烯等，先添加到印刷墨水中制成导电墨水，再将导电墨水印刷到织物表面，赋予织物导电性的。印刷心电电极的制作过程相对简单，合适的导电墨水是制备印刷心电电极的核心。

Paul等[21]通过丝网印刷，成功地将聚氨酯、银粒子和导电橡胶等印制到机织物表面，制备出印刷导电材料。Merritt等[22]先将电路丝网印刷到水刺非织造材料上，再将表面贴装组件直接连接到电路上制备出织物心电电极，并发现与传统医用Ag/AgCl电极相比，所得织物心电电极具有更稳定的信号，且运动伪影相对较少。Chlaihawi等[23]在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板上丝网印刷银薄片墨水，再将多壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料作为导电聚合物沉积到印刷银薄片上，制备出可用于心电监测的柔性、可佩戴的干电极。

2.6 小结

上述不同结构织物心电电极的优缺点归纳于表1。

表1 不同结构织物心电电极的优缺点

3 织物心电电极形状与尺寸

传统的金属材料医用心电电极多为圆形，其直径一般为10 mm。常用织物心电电极形状有圆形、方形及椭圆形等，其直径或边长或长径在2～7 cm。织物心电电极的形状与尺寸对心电监测信号的范围、精确度及电极电流密度分布的均匀性，有着很大的影响。一般来说，织物心电电极与皮肤接触面越大，则阻抗越小，采集的心电信号越准确；但织物心电电极尺寸过大时，皮肤的舒适性受影响，且人体运动等又会影响信号采集的准确性。Krasteva等[24]研究发现，圆形电极电流密度分布的不均匀性较方形电极的要小30%左右。因此，选择合适的电极形状与尺寸对实现准确采集心电信号十分重要。

鲁莉博等[25]制备了方形Ag/AgCl蜂巢组织织物心电电极，发现织物心电电极面积越大，电极阻抗越小。张经纬[26]制备的直径为3 cm的圆形聚吡咯/棉机织心电电极，能在心电信号的采集过程中记录下完整、清晰的心电信号。孟妍等[27]设计并制作了边长为3、5、7 cm的正方形镀银织物心电电极，并在佩戴一定时间后测试它们的阻抗，发现：边长越大，阻抗越小；边长越小，舒适性越好。

4 织物心电电极监测系统

织物心电电极监测系统将心电信号采集、处理、记录、传输、储存集于一体，能实现长时间的监测。韩云鹏[28]以镀银导电布为材料制作了方形织物心电电极，并设计了一套可穿戴的无线心电监测系统，其集心电信号采集、数据无线传输和实时监测于一体。Choi等[29]设计了一种由织物心电电极、信号采集电路及通信模块组成的可穿戴心肺传感器，可以清晰地获取心肺信号、心跳和呼吸周期等信息，其中的织物心电电极由镀铜导电织物和聚偏氟乙烯薄膜组成。翟红艺等[30]设计了一种集心电信号采集、记录及异常心电波形识别于一体的可穿戴心电监测系统，其由织物心电电极穿戴衣、心电信号数据采集装置、心电信号采集电路、微处理器及蓝牙模块等构成，其中的织物心电电极采用镀银纱线制作。刘俊杰[31]采用镀银锦纶纱线制作出边长为4 cm的正方形平纹机织物心电电极，并基于它设计出具有心电信号采集、处理和储存功能的心电监测用穿戴衣。林视达等[32]设计出了主要包括织物心电电极、信号采集前端电路、电源和蓝牙传输系统等的心电监护系统，其中用于心电信号采集的织物心电电极采用银纤维与常规纱线织造。江苏盖睿公司研发的动态心电监护电极可贴于胸前，其通过蓝牙将采集、处理的心电信号传输至手机APP平台，24 h实时显示心电等数据信息，并通过内置的心电处理系统，快速完成心电数据的处理、分析和诊断。Yoo等[33]基于一种带有干燥小型电路板电极的监测衬衫，设计出一种可穿戴式心电监护系统，用于长期的动态心电监测。其将含有银离子的导电膏丝网印刷到织物上，并将传感器、电极、连接件与导电纱线、压阻纱线相结合，免除了繁琐的电线，提高了耐磨性，且与传统的湿电极相比，它不存在刺激皮肤的问题，因此适合长期的监测。

5 织物心电电极存在的问题

对于利用沉积、涂覆、印刷等方法制作的导电织物，用其制成的织物心电电极耐水洗性和耐摩擦性等都不理想，且随着时间的延长，织物心电电极的导电层会逐渐脱落，这都会导致其电阻和阻抗增大，心电信号采集的准确性受影响。此外，测试者在静止和运动时，织物心电电极与人体皮肤的接触面积会发生变化，且由于运动时有汗液流出，织物心电电极与皮肤接触面易产生相对滑移，进而产生摩擦，形成干扰噪声，这都会对心电信号的质量及采集稳定性产生影响。另外，织物心电电极还存在与皮肤接触面不够贴合、阻抗高、噪声干扰严重等问题。

目前，针对织物心电电极信号采集的性能没有统一的评价标准，且大多参考一次性测量电极标准，多选择阻抗作为评价织物心电电极性能的参考指标，有时也参考织物的电阻。因此，亟待建立一种适用于织物心电电极的评价方法。

6 展望

织物心电电极作为一种新型的电极，能有效解决传统医用心电电极不可长期使用、导电水凝胶对皮肤有刺激性等缺点，具有良好的柔韧性、透气透湿性，且可重复使用、可拉伸、易水洗、刺激性小，并存在很大的提升空间。近年来，有关织物心电电极的研究虽然较多，但大都只针对单一导电材料，如通过设计不同的织物结构、电极形状及尺寸展开初步探究，对多种导电材料的应用探究涉及较少。因此，在具有更小的织物阻抗、皮肤-电极界面阻抗及噪声干扰的织物心电电极设计的基础上，探究具有更好导电性、不易被腐蚀、耐洗涤、耐摩擦、长时间使用不易脱落的导电材料，是今后的发展方向。除此之外，如何减少运动时皮肤-电极产生运动伪影及噪声干扰，仍有待做进一步地探究。