基于心電信號采集的監(jiān)護服用電子織物研究

王慧玲　唐虹　高強　張士兵　劉騰　謝浩月

摘要： 為實現(xiàn)心電信號的長期穿戴式監(jiān)測，開發(fā)出耐用性能較優(yōu)的柔性智能紡織品，以棉針織物為基體材料，選用280D鍍銀導(dǎo)電縫紉線經(jīng)縫制法制備電子織物。通過正交實驗設(shè)計，采集在不同縫制參數(shù)下電子織物的心電信號，并與臨床醫(yī)用心電進行對比，分析電子織物心電信號的可靠性。并對電子織物導(dǎo)電性、拉伸性、耐磨性和耐水洗性等性能測試。采用Borda數(shù)法綜合平衡了電子織物的心電信號采集效果及耐用性能，為基于心電信號采集的監(jiān)護服用電子織物的優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 電子織物；縫制參數(shù)；正交設(shè)計；心電信號；耐用性

中圖分類號： TS101.8

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號： 10017003（2018）09005705

引用頁碼：091109

An investigation of electronic fabrics for monitoring clothing based on ECG signal acquisition

WANG Huiling， TANG Hong， GAO Qiang， ZHANG Shibing， LIU Teng， XIE Haoyue

（School of Textile and Clothing， Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract： In order to achieve the longterm wearable monitoring of ECG （electrocardiogram） signals and develop soft and smart textiles with excellent durability， electronic fabrics were prepared by using cotton knitted fabric as the base material and 280D silverplated conductive sewing thread . Through orthogonal experimental design， ECG signals of electronic fabric under different sewing parameters were gathered and compared with clinical medical ECG to analyze the feasibility of ECG signal. Then， tests of the conductivity， tensile property， abrasion resistance and water washing resistance of electronic fabric were carried out. Borda method was used to balance the acquisition effect of ECG signal and the durability performance of the electronic fabric. This paper provides a basis for the optimization of the electronic fabric based on the ECG signal acquisition.

Key words： electronic fabric； sewing parameter； the orthogonal design； ECG signal； durability

伴隨著老齡化社會的到來，慢性病患者等特殊人群數(shù)量的不斷增多，據(jù)《中國心血管病報告2017》顯示，中國心血管疾病的患者約有2.9億人，死亡率遠高于包括癌癥、艾滋病在內(nèi)的其他重大疾病，由于心血管疾病發(fā)病具有長期性、累積性和偶發(fā)性特征，這就勢必要求未來醫(yī)療將向日常的健康監(jiān)測預(yù)防轉(zhuǎn)變[12]，而基于心電信號采集的監(jiān)護服可以實現(xiàn)低生理、心理負荷下的實時監(jiān)控，在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域存在較大的應(yīng)用前景。

電子織物“隱”于服裝之中，整個織物系統(tǒng)可收集敏感信息、監(jiān)測環(huán)境事件并借助無線信道將數(shù)據(jù)傳送至外部網(wǎng)絡(luò)，以供進一步計算處理，被廣泛應(yīng)用于運動監(jiān)測、健康監(jiān)護和國防軍事等領(lǐng)域[3]。但是國內(nèi)外對監(jiān)護服用電子織物的研究仍很匱乏，目前電子織物的制備方法主要有化學(xué)制備法、編織法和縫制法等[4]?；瘜W(xué)制備法主要是在織物表面涂敷導(dǎo)電石墨烯，但是不耐水洗易脫落，導(dǎo)電性能下降，涂層掉落之后影響穿著舒適性；編織法通過將導(dǎo)電纖維或紗線通過機織、針織或者非織造的方式直接編織成電子織物，加工路線長、工藝復(fù)雜；縫制法將導(dǎo)電縫紉線直接縫制到紡織品中，具有加工方法簡單，靈活多變等優(yōu)點，但存在縫紉線與織物分離、手感變硬、不耐水洗等問題，需要通過縫制參數(shù)的合理設(shè)定來改善電子織物的性能[5]。本文通過制備心電監(jiān)護用電子織物，改變其縫紉參數(shù)，優(yōu)化工藝，實現(xiàn)了心電信號的長期穿戴式監(jiān)測。

1實驗

1.1導(dǎo)電紗線

選用導(dǎo)電紗線運用最廣的金屬導(dǎo)電紗線和復(fù)合導(dǎo)電紗線進行相關(guān)預(yù)實驗，對銅絲包芯紗、不銹鋼纖維、尼龍摻碳絲和280D鍍銀導(dǎo)電縫紉線進行電阻、摩擦20次后電阻和水洗20次后電阻的測量，比較摩擦和水洗前后各紗線導(dǎo)電性。預(yù)實驗表明，銅絲包芯紗電阻值明顯增大，不銹鋼纖維導(dǎo)電紗破損斷裂，尼龍摻碳絲的電阻值異常增大。因此，這三種均不適合作為縫制法導(dǎo)聯(lián)線，而鍍銀導(dǎo)電線電阻值變化穩(wěn)定，是縫制法制備電子織物的最佳選擇。

1.2儀器

UT61E自動量程數(shù)字萬用表（蘇州秦世電子經(jīng)營部），F(xiàn)AST3拉伸儀（上海羅中科技有限公司），YG（B）522型織物耐磨儀（溫州市大榮紡織儀器有限公司），XQB50M1268自動洗衣機（海爾集團）和HD101A型電熱鼓風(fēng)烘箱（吳江市亞邦電熱科技有限公司）。

1.3縫制參數(shù)正交設(shè)計

采用曲折縫的線跡使面料的延展性達到70%以上[6]，如圖1所示。

1.5性能測試

電學(xué)性能指標(biāo)所有測試均在溫度20℃、相對濕度60%的恒溫恒濕室完成。電子織物電學(xué)性能指標(biāo)有表面比電阻（Ω），按下式計算：

P=RsLb（1）

式中：P為織物表面比電阻，Ω；Rs為兩電極間材料的表面電阻，Ω；L為電極寬度，m；b為電極距離，m。

耐用性指標(biāo)有：

1）伸長率（%）：參照GB/T3923.2—2013《紡織品 織物拉伸性能第2部分?jǐn)嗔褟娏Φ臏y定》的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)；

2）摩擦損失率（%）：參照FZ/T01121—2014《紡織品 耐磨性能試驗 平磨法》 的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，摩擦圈數(shù)70轉(zhuǎn)；

3）水洗縮率（%）：參照GB/T8629—2001《紡織品 試驗用家庭洗滌和干燥程序》的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，洗滌20次。

2結(jié)果與分析

2.1心電采集效果分析

正常心電波形如圖4所示，包括QRS波群、P波和T波[10]。

從表2可以看出，與醫(yī)學(xué)心電圖對比，9種織物心電特征值有不同程度的差異。其中有關(guān)波形變化的S點、QRS波群和R點的特征值差異不明顯，與醫(yī)學(xué)心電圖基本一致；而噪音變動幅度很大，高低差異近10倍，噪音幅度越小，心電采集效果越好；電壓幅度與標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用心電相比整體上也有一定的變動，電壓幅度越大，心電信號越強。

2.2性能測試分析

9種電子織物導(dǎo)電性與耐用性測試結(jié)果見表3。

由表3可以看出，經(jīng)縫制后9種織物的表面比電阻值在100～150Ω/m，導(dǎo)電的穩(wěn)定性較好；伸長率變化集中在20%左右，9種織物都有較好的延展性，可穿性強；織物經(jīng)磨損后重量損失率小于9.5%，有較

好的耐磨能力；織物水洗縮率在7.5%以內(nèi)，不影響日常穿著。

2.3優(yōu)化與分析

綜合電子織物導(dǎo)電性與耐用性，本文將9種試樣的團體X={噪音幅度，電壓幅度，電阻，拉伸率，重量損失率，水洗縮率}，分別將論域U={U1，U2，U3，U4，U5，U6，U7，U8，U9}中的元素排成從優(yōu)到劣的線性序或偏序等即意見，計算論域中每個元素的Borda數(shù)[1112]。為使決策結(jié)果更加切合實際，采用加權(quán)計算如下：

B（X）=∑9i=1Wi（X）Bi（X）（2）

式中：Wi（X）為意見Li的權(quán)系數(shù)，依據(jù)特征值法計算得到各指標(biāo)權(quán)重為{0.361，0.255，0.174，0.043，0102，0.065}，并通過一致性檢驗具有一定的滿意度，X∈U，Bi（X）表示在序Li中于X的元素個數(shù)。

U中元素按Borda數(shù)大小完成新的排序，即為決策結(jié)果。Borda數(shù)愈大，該元素綜合效果最優(yōu)。經(jīng)計算各方案的Borda值見表4。

由表4可知，第7種組合的合計Borda值最大。此組合縫制參數(shù)下電子織物的噪音干擾最小，電壓幅度與醫(yī)用心電最為接近，心電采集效果最優(yōu)，且導(dǎo)電性與耐用性好，此時的縫制參數(shù)面線張力為0.1N、線跡長度為3.5mm、線跡寬度為7mm。

3結(jié)論

1）經(jīng)縫制法制備的9種電子織物都能實現(xiàn)心電信號的采集，與醫(yī)學(xué)心電對比，心電波動比較接近，但噪音和電壓存在較大差異，噪音幅度越小，心電采集效果越好，電壓幅度越大，心電信號越強。

2）經(jīng)縫制法制備的9種織物電阻值穩(wěn)定，有較好的延展性，可穿性強，織物較耐磨與耐水洗。

3）采用Borda數(shù)法綜合評價9種電子織物的心電圖特征值和性能指標(biāo)，得出最優(yōu)縫制參數(shù)，為基于心電信號采集的監(jiān)護服用電子織物的優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

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