織物心電電極優化及在不同相對濕度下的性能比較

牛頔璠，孫 超，鄔小宇，郭佩萍，王雅倩，衣衛京

(1.北京服裝學院 材料設計與工程學院，北京 100029； 2.中華女子學院 藝術學院，北京 100101；3.北京服裝學院 服裝藝術與工程學院，北京 100029)

近些年來，心血管疾病患者日益增多，此類疾病前期不易察覺，后期發病迅速且危害極大，因此，在日常生活中長期監測心臟狀況，既可以配合醫生診斷和管理病情，又能預防猝死，防患于未然。近年來，研究者開發出多種可長期使用的心電監測服裝[1-3]，其硬件也越來越集成化和小型化。心電監測服裝的核心在于新型心電電極的設計和使用，由于醫用一次性凝膠電極在舒適性上的局限性，新型紡織結構干性電極成為研究熱點[4-6]。然而，紡織結構電極雖然可以像正常服裝一樣穿在身上且不產生刺激性，但卻存在和皮膚間接觸電阻大、心電信號穩定性較差的問題[7]。電極-皮膚界面狀態變化是影響心電信號監測質量最重要的因素之一，改善電極與皮膚間的接觸環境是實現心電信號穩定監測的難點。

心電監測服裝多為貼身穿著，電極與皮膚直接接觸，皮膚在不同環境中，狀態差異較大。特別是當相對濕度變化時，電極-皮膚界面受到的影響較為明顯，故電極設計需根據使用場景做出相應調整。本文將不同種類和配比的吸濕性紗線加入鍍銀導電布中制作紡織結構電極，分別測試電極在不同相對濕度下的性能表現，分析濕度條件對于不同種類的電極獲取心電信號準確性的影響，為在各種相對濕度環境下的電極設計提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗準備

導電織物電極試樣規格參數見表1。分別將不同種類和質量比的吸濕性紗線用手縫的方式均勻地縫在邊長為3.5 cm、橫密為90列/(10 cm)、縱密為175行/(10 cm)的正方形緯平針導電織物上，制成導電織物電極，用于電阻測試和心電信號測量。

表1 導電織物電極試樣規格參數

1.2 測試方法

1.2.1 電阻測試

在正方形導電織物電極兩邊緊夾銅片，用DMM7510型7位半觸摸屏數采萬用表(吉時利儀器公司)測試2個銅片間電阻，得到織物電極的電阻。

1.2.2 靜態心電圖圖像

將準備好的樣品放入恒溫恒濕試驗箱，調節到設定的溫濕度(溫度25 ℃，相對濕度分別為20%、40%、60%和80%)并平衡后，將2個電極分別放置在試驗人員左手和右手掌心突起處，并控制每次測試時的電極與皮膚間的壓力相等。用鍍銀導電紗線連接電極和心電圖監測設備，獲取不同濕度條件下的靜態心電圖。

1.2.3 動態心電圖圖像

將準備好的樣品放入恒溫恒濕試驗箱，調節到設定的溫濕度并平衡后，將電極放到人體前臂，用襪筒固定，使用鍍銀導電紗線將電極和心電圖監測設備連接，手臂分別做橫向、縱向、翻轉運動，獲取不同濕度條件下的動態心電圖。

2 結果與討論

2.1 吸濕性紗線對導電布電阻的影響

加入吸濕性紗線后，織物電極從外界吸收并存儲了更多水分，電學性能發生變化。試驗分別測試3種相對濕度條件下，加入棉、粘膠吸濕性紗線對于織物電極電阻的影響，并與不加入吸濕性紗線的織物電極電阻作對比。 2-2、3-2和4號織物電極在不同相對濕度時的平均電阻值如圖1所示。

圖1 2-2、3-2和4號織物電極在不同相對濕度的平均電阻值

由圖1可以看出，在鍍銀織物電極中加入吸濕性紗線會使電極本身電阻值降低，在同樣相對濕度條件下，加入粘膠紗線的電極比加入棉紗的電極的電阻更低，這是由于粘膠紗線的吸濕性比棉紗好，所以在同樣相對濕度環境中存儲了更多水分，更易導電。然而，文獻[8-9]研究結果顯示，電極本身的電阻大小不是影響電極性能好壞的主要影響因素。

2.2 相對濕度變化對電極效果的靜態影響

將吸濕性紗線加入織物電極中得到的織物電極較之前有更多水分存在，可以降低導電布的電阻值，能夠改善電極-皮膚界面的接觸環境，從而提高電極獲取心電信號的準確性。

人體標準心電圖像如圖2所示。試驗所得人體心電圖結果參照圖2進行比對，將圖中大于半小格(0.05 mV)的非正常波動歸為噪聲統計，若有超過2個格的大噪聲則通過幅值換算成小噪聲進行計數，并記錄大噪聲。

圖2 人體標準心電圖像

2.2.1 醫用一次性凝膠電極測試結果與分析

不同相對濕度下的1號織物電極心電圖像見圖3。

圖3 不同相對濕度下的1號織物電極心電圖像

將圖3與圖2心電圖像對比，可以看出，在靜置狀態下，1號織物電極的心電圖像波形完整、波群規律且無基線漂移。當相對濕度變化時，心電圖沒有隨之發生較大改變，這是因為使用水凝膠使電極-皮膚間接觸電阻較為穩定，受濕度變化影響不明顯。但是在動態條件下，心電圖像的噪聲較多，不同運動狀態時的1號織物電極心電圖像見圖4。

圖4 不同運動狀態時的1號織物電極心電圖像

由于目前還沒有統一的標準和規范評價心電圖像，故本文依照心電圖的應用目的，對比人體標準心電圖像，利用圖像處理軟件提取出心電圖的峰值、噪聲等信息，作為評價心電圖好壞的客觀標準。心電信號在監測中，會受到多種噪聲干擾[8]。在相同條件下，噪聲個數和噪聲幅度可以反映電極性能的好壞。由于心電波電壓幅值受人體生理狀況和外界噪聲影響較大，故數據分析時將心電圖像的波形和噪聲數作為主要評價指標，幅值只列為參考。

2.2.2 含吸濕性紗線織物電極效果

試驗分別測試了加入不同類型和配比的吸濕性紗線的織物電極在相對濕度為20%、40%、60%、80%時，獲取到的心電圖圖像，并將它們與傳統的1號織物電極心電圖圖像作對比。2-2、3-2、4號織物電極在不同相對濕度下的心電圖像如圖5所示。

圖5 3種織物電極在不同相對濕度下的心電圖像

參照圖2，由圖5可以看出，3種電極獲取到的靜態心電圖像波形完整、波群規律且無基線漂移現象。將多個心電圖像的平均噪聲數信息提取并作圖，4種織物電極在不同相對濕度下的心電圖噪聲數如圖6所示。可以看出，1號和4號織物電極的噪聲數量受空氣相對濕度變化的影響較小，且在相對濕度為65%，1號織物電極的效果最好。4號織物電極在高濕度條件下，噪聲數最多，效果最差。

圖6 4種織物電極在不同相對濕度下的心電圖噪聲數

加入吸濕性紗線的電極噪聲數隨濕度增加呈單調遞減趨勢。在濕度為65%～80%時，1號和4號織物電極均比凝膠電極的噪聲數低，加入棉線的電極噪聲數下降明顯。說明相對濕度越高，加入吸濕性紗線的電極效果越好。電極與皮膚周圍環境中存在的更多水分，使心電圖的監測質量得到提升。

在低相對濕度條件下，吸濕性紗線沒有存儲足夠的水分，卻又占據了本應是導電紗線和皮膚接觸的空間，所以含棉紗織物電極在低相對濕度情況下最差。而粘膠紗線吸濕性比棉紗好，隨相對濕度增加電極數據采集效果逐漸變好，但是在高相對濕度情況下含粘膠紗線電極反而不如含棉紗電極，這是因為粘膠紗線吸濕膨脹，紗線收縮變形，導致面料平整度變差，影響電極-皮膚界面接觸環境，所以電極效果變差，不利于心電監測。

2.2.3 吸濕性紗線的種類和配比對電極的影響

試驗選用棉紗和粘膠紗線2種吸濕性能較好的紗線，分別以2種配比加入鍍銀織物電極中，并測試它們在不同相對濕度下的電極效果。

2.2.3.1含粘膠紗線織物電極獲取心電信號效果

3-1、3-2和3-3號織物電極在不同相對濕度下的心電圖像見圖7。

圖7 3-1、3-2和3-3號織物電極在不同相對濕度下的心電圖像

從圖7可以看出，加入2種粘膠紗線配比的電極的靜態心電圖像波群完整，波形規律，無基線漂移。提取心電圖平均噪聲信息后作圖，3種粘膠紗線配比電極在不同相對濕度下的心電圖噪聲數如圖8所示。

圖8 3種粘膠紗線配比電極在不同濕度的心電圖噪聲數

從圖8可以看出，3-1、3-3號織物電極噪聲數先增多后減少。且均在空氣相對濕度為40%時，噪聲增多，幅值減小，效果變差。3-2號織物電極隨著濕度的增加，噪聲數逐漸變少，心電圖質量變好，電極效果較穩定。

當加入粘膠紗線的電極隨著空氣相對濕度的增加吸收周圍環境的水汽時，一方面電極中存儲了更多水分，使電極-皮膚界面接觸狀態得到改善，有利于心電監測。另一方面，粘膠紗線吸濕后顯著膨脹，且紗線易收縮導致面料平整度變差，減少了皮膚與電極中鍍銀導電紗線的接觸面積，也影響了電極-皮膚界面接觸環境，所以導致電極效果變差，不利于心電監測。隨著環境濕度增加，在電極吸濕的過程中，這二方面同時存在，互相抵消彼此的作用。

圖9 2-1、2-2和2-3號織物電極在不同相對濕度下的心電圖像

2.2.3.2含棉紗織物電極獲取心電信號效果

2-1、2-2和2-3號織物電極在不同相對濕度下的心電圖像見圖9。可知，依照3種配比加入棉線的導電織物電極靜態心電圖像波群完整，無基線漂移，但相對濕度在20%的環境下，2-1和2-2號織物電極得到的心電圖出現了大噪聲。3種棉線配比電極在不同相對濕度的心電圖噪聲數見圖10。

圖10 3種棉紗配比電極在不同相對濕度的心電圖噪聲數

從圖10可以看出，隨著空氣相對濕度的增加，3種電極的噪聲數量均逐漸減小，且加入棉紗越多的電極噪聲數下降越明顯，電極效果改善情況越好。棉紗比粘膠紗線的尺寸穩定性好，在導電布中加入棉紗后，雖然鍍銀導電紗線與電極的接觸面積減小，但電極-皮膚界面環境中儲存了更多的水分，增強效果大于減弱效果，所以電極質量依然能夠得到提升。

2.3 電極在動靜態時的效果比較

分別測試加入棉紗的織物電極在人體縱向、橫向和翻轉運動時的心電圖圖像。加入棉紗的電極在靜態和動態時的心電圖圖像見圖11。

由圖11可以看出電極在靜態時能夠得到較為有效和可靠的心電圖像。尤其是在濕度較大的條件下，加入吸濕性紗線的電極在靜態時能夠完全替代1號織物電極。然而，電極在動態環境中，應用可靠性存在較大問題。電極的動態心電圖像波群不規律，波形不明顯，噪聲大而多，不能達到應用要求。所以，在電極中加入吸濕性紗線能夠在一定程度上改善電極質量，但若用于動態心電監測，之后還需其他方法來完善電極設計，比如增加壓力[10-11]或摩擦力。

圖11 加入棉紗的織物電極在靜態和動態時的心電圖圖像

3 結 論

①相對濕度對織物電極性能有明顯的影響，隨相對濕度增加，織物電極電阻降低，與皮膚接觸電阻降低，心電圖圖像準確性變好，在靜置狀態高相對濕度環境下，加入棉紗的鍍銀織物電極性能優于加入粘膠紗線的鍍銀織物電極，隨著相對濕度增加，其噪聲數單調遞減，心電信號準確性逐漸變好，與加入粘膠紗線的電極相比，效果更為穩定。

②加入吸濕性紗線以增加電極中的水分含量，不僅能夠提升電極性能，還可以增強心電監測服裝舒適性。

在動態條件下，利用鍍銀織物電極中加入吸濕性紗線的方法提升電極運動穩定性的效果較為微弱。若要改善動態電極性能，還需采用其他方法來增強電極與皮膚在運動時的接觸，比如加壓或增加電極與皮膚之間的摩擦力。不同的運動狀態對于電極的影響也不盡相同，電極設計還應從多種角度考慮。