心电电极技术发展概述

黄 达，樊 迪

（中国乐凯集团有限公司 河北 保定 071054）

1 引言

心电监护是监测心脏电活动的一种手段，是通过显示屏再连现续心观脏察活动监，测揭心示脏心电律活的动主的要一变种化无创[1]的。监在测临方床法应，用能上够，针对心电活动异常的患者，如急性心肌梗塞，各种心律失常等，心电监护可适时观察病情，提供可靠的有价值的心电活动指标，并指导实时处理，有重要的使用价值。

临床使用的心电监护设备是一般由心电电极传感器、心金电属导平联板线电极和、设吸备附主电机极组、成圆。盘其电中极，等心多电种电形极式传感[2]器，包随括着技术的发展，贴片式的电极传感器因其结构简单、信号质量良好、制造使用便捷，应用范围越来越广。

心电电极是用来摄取人体心脏活动生物电的器件，是采集心电信号的关键材料，作为日常心电监护系统中与被测对象直接接触的器件，其性能的优劣直接影响心电监护设备的数据输出，进而影响医生对病情的诊断。为了得到性能更加优良的心电电极，国内外研究人员从多个角度开展了相关的研究[3]。

2 湿电极

根据电极的作用方式，可将其分为湿电极和干电极。湿电极多选用Ag/AgCl材料，由导电胶充当导电介质，在电极和皮肤之间形成一个导电通路，使得生物电信号可以在皮肤和电极传感器之间进行传导，同时因为粘合剂的固定作用，保证了电极和皮肤间的紧密接触，确保采集到的心电信号的质量。

图1所示的预置导电膏形式的一次性使用心电电极贴片[4]即为一种比较典型的湿电极，其在透气性好的无纺布基材上粘合双面压敏胶，基材的中心位置连接带有银/氯化银的电极扣，在电极上直接预置导电膏，为减缓导电膏内有效成分的挥发，在导电膏表面覆盖吸塑盖，并以双面压敏胶粘合密封，使用时，揭开吸塑盖后，直接将贴片贴于皮肤表面即可。

图1 预置导电膏的心电电极贴片结构示意图Fig.1 Structure diagram of ECG electrode patch with preset conductive paste

在湿电极中，导电胶的性能对心电电极采集的信号质量有着重要影响，但其自身的刺激性和挥发性也是限制湿电极整体性能的主要因素。对于这种结构的湿电极，其最大的限制就在于导电胶的有效性，因导电胶本身含有易挥发性的溶剂成分，随着使用时间的延长，内部溶剂挥发，导电胶逐渐变干，导电性能大幅下降直至失去电信号传导作用。

为了延长湿电极的保质期，研究人员提出了各种的电极结构形式，例如丹麦的安保蓝点电极片，在电极贴片内部添加了电解液存储层和阻隔层，利用泡棉结构存储导电液体，尽量减少导电成分的挥发。进一步的，水凝胶片开始应用于湿电极中[5]，这种结构的电极也有称之为固态胶电极，如图2所示，利用水凝胶材料制成水凝胶片，其本身具备粘性、导电性的功能，可直接接触氯化银电极扣和人体皮肤，从而形成信号通路，例如3M红点电极、杭州迅达的一次性使用心电电极均使用了导电水凝胶片。但是在使用该类型的产品时，还是需要注意其包装的密封性，开封后，水凝胶内的溶剂仍会随时间的延长逐渐挥发，直至失去作用。

图2 水凝胶电极Fig.2 Hydrogel electrode

3 干电极

湿电极中因为导电介质的存在，会在一定程度上影响佩戴的舒适度，且无论导电介质为何种材料，其随时间变化都会逐渐凝固，进而导电性能减弱，引起测量误差，不适用于长时间监测，尤其是在可穿戴监测设备上缺点尤为明显，为克服湿电极固有缺陷，干电极的研究应运而生。干电极与皮肤直接接触，与皮肤之间没有导电介质，长期穿戴不会引起皮肤刺激，舒适性较湿电极大大提高。

干电极种类较多，包括硬质干电极、柔性衬底干电极、柔性织物干电极、微针电极等[6-7]。其中硬质干电极多使用金属材料，但其材料特性导致电极与皮肤表面难以形成稳定的接触界面，不仅受运动伪迹干扰较大，且对舒适感有一定影响。而柔性干电极能够更好的实现与人体皮肤表面的贴合，更加适应可穿戴智能监测设备的需求，是当前研究的热点之一。

将电极材料做薄，使其本身具备柔性，然后添加在柔性背衬上即可制得柔性衬底干电极，银纳米线、PEDOT：PSS、聚吡咯、碳纳米管、石墨烯等均可用于充当电极材料，这些材料兼具了优良的导电性和一定的柔韧性，通过丝网印刷、涂布等方式添加在柔性的背衬材料上即可[8-9]。例如Chlaihawi等先采用丝网印刷方式将银片印制在PET膜材表面，然后将多壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料作为导电聚合物附着在银层表面，制成一款柔性的干电极，如图3所示，因其在电极-皮肤界面处良好的共形接触，柔性的干电极能够更好的识别心电信号中的典型波形[10]。芶立等还提出一种以天然皮革为衬底的心电电极结构，利用氮气等离子体对皮革进行处理清洁，然后利用溅射法镀银或银浆涂覆，在皮革表面制备导电涂层，摒弃了传统湿电极中导电凝胶成分，避免对皮肤的刺激，提升可穿戴舒适性和透气性，而且这种柔性衬底的干电极还可集中在胸带、腕带或服装中，作为可穿戴智能健康监测系统的电极部分[11]。

图3 柔性衬底心电电极Fig.3 Flexible substrate ECG electrode

直接将导电材料融于纺织材料中，并以其作为电极原材料，即可制备柔性织物电极。柔性织物电极将电极材料和背衬材料融为一体，具备手感柔软、舒适性好、透气透湿等优点，还可在一定程度变形，适应皮肤不同的状态，其组织结构多样，机织、针织、刺绣等方法均能实现心电电极与织物甚至衣物的融合，制得的智能心电衣，有助于实现穿戴式智能心电监护[12-13]。柔性织物干电极在保证电极基本性能的基础上，一般还需考虑可洗涤性，日本东丽（Toray）开发的纺织电极技术，通过浸渍了导电聚合物（PEDOT：PSS）的高导电涤纶纳米纤维织物制备成含心电电极的T恤衫，衣物清洗后，仍能正常传输心电信号[14]。

在实际应用中，干电极不足之处也很明显，如皮肤接触阻抗大、运动时与皮肤之间有滑动、信号噪声大等。为降低皮肤接触阻抗，提高信号质量，出现了三维微针电极的概念，即在电极表面添加微结构，制成微针模样，当电极与皮肤贴合时，微针刺入皮肤的表皮层，达到真皮层，使得电极能够更好的获得心电信号，如图4所示[15]。刻蚀法、3D打印、微成型组装等方法均可以用于制备三维微针电极，但是，这种微针电极虽然在一定程度上提高了信号质量，却是以破坏皮肤为代价的，在实际应用中还是存在限制。

图4 不同电极与皮肤的接触方式Fig.4 Different contact modes of electrodes and skin

随着人们对主动健康的重视，可穿戴智能健康监测类产品获得了较大的发展，所以，虽然干电极在实际使用中还存在诸多缺陷，其性能还有待于进一步提高，但其优异的穿戴舒适性使得其拥有很大的研究潜力。

4 新型电极

得益于大规模集成电路和移动通信技术的发展，智能可穿戴设备相关技术在近些年获得了较大突破。在心电监测领域，穿戴式设备能够进行心脏类疾病的长程和连续监测，推动疾病诊疗模式由传统的“发病-诊断-治疗”的被动模式转变为预防为主的主动健康模式[3,16]，是符合当下智能医疗健康的发展趋势下的科技产品，也是当下研究的热点产品。而随着智能可穿戴技术的不断发展，传统的心电电极传感器在生物相容性、可穿戴性、便携性等方面的问题越来越难以满足当前的应用需求[17]，能够适用于智能可穿戴设备的新型电极随之出现。

4.1 可拉伸结构电极

人体皮肤表面并非单一的平面结构，且运动时，皮肤会处于收缩-拉伸的不规则状态中，因此，无论是从动态信号质量还是穿戴舒适性角度，都对心电电极提出了更高的要求，这也促进了新型电极的发展。

为满足智能可穿戴心电监护设备的要求，新型材料、新型结构的心电电极不断出现，例如张森浩等利用电子束蒸镀将金、钛制成薄膜的蛇形电极，并嵌入在PDMS层中，由于蛇形电极的优异导电性、可拉伸性以及聚合物基体PDMS的可拉伸性能，柔性心电传感器可以在高应变状态下保持良好的导电性，可以与皮肤进行寿命更长的保形接触[18]。林媛等也提出了一种可延展柔性心电电极的结构，电极层以金属或石墨烯为原材料，利用激光切割或机械切割的方法，将其制成线宽为10 μm～1 mm的蜘蛛网和蛇形线结构，如图5所示，衬于无纺布层形成柔性电极，通过机械结构的设计，增加电极在各个方向适应人体皮肤形变的能力，不仅有助于提升舒适性，还能提升抗运动干扰的能力[19]。

图5 可延展柔性心电电极Fig.5 Extensible flexible ECG electrode

4.2 复合电极

因监测原理的限制，心电电极在实际使用中，需要多个监测点的电势差来反应心电活动，故每次至少需要两个电极方能使用，而对于监测最为全面的十二导联心电图，需在身体不同部位同时粘贴10个电极，且不同电极的监测点都有特定的要求，尤其是胸导联的6个电极，如图6所示，使用时需严格注意各电极位置和顺序，佩戴Holter时，大多数人都需要在医生指导下方能完成穿戴监测，为方便使用，有研究人员尝试将多个电极集成在一个电极片上，有专利中就提出了一种集成了V1-V6电极的心电电极片[20]，在佩戴时，仅需单个贴片即可，大大提升了使用的便捷性。

图6 胸导联电极位置示意图Fig.6 Schematic diagram of chest lead electrode position

4.3 定制化电极

如今，越来越多的智能可穿戴心电监测设备出现在市场中，例如、美国AliveCor公司研发的ALiveCor Kardia、粒恩医疗科技（深圳）有限公司的FitPatch-H1等，其设备体积小，使用方便，病患佩戴监护设备后，通过蓝牙可与智能手机连接，实时传输心电数据。为方便使用，多家公司针对自身的产品配套研发了心电电极贴片，例如美国IRhythm公司研发的ZIO XT Patch、DMS Service公司的myPatch、正心科技的CardioGuard等，在现有心电电极贴片的基础上，根据自身设备特点，推出了专用的心电电极贴片，如图7所示，在信号质量、穿戴舒适度和使用便捷程度等方面提升了性能。

图7 myPatch及配套心电电极贴片Fig.7 Mypatch product and ECG electrode patch

5 结论与展望

心电电极是心电监测系统中收集心电信号的关键部分，心电信号的好坏首先受到电极传感器的影响，保证电极材料与皮肤的有效贴合、降低接触电阻、消除噪音等都能有效提高心电信号的质量，为医生诊断提供有效的数据。

当前，对于心电电极的研究可以分成两个方面：增加湿电极的舒适性和提高干电极的信号质量。

采用水凝胶片结构的心电电极贴片因其结构简单、使用方便获得了较广的应用，但仍受湿电极导电介质的限制，尤其随着智能可穿戴心电监护技术的发展，适用于长时监测、佩戴舒适的新型生物心电电极的需求越来越迫切。这也促进了研究人员对柔性干电极的研发，无论是材料方面还是结构方面的创新，都越来越重视舒适性，但是干电极在信号质量的表现以及比较复杂的生产工艺，限制了其规模化的生产应用。

因此，开发一种能够兼顾信号质量、穿戴舒适性的心电电极，实现长时间的连续性监测，成为了智能可穿戴心电监护时代的迫切需求，同时，为了方便普通人群能够实现日常监测，使用便捷性也逐渐成为新型的心电电极贴片考虑的一个因素。