心電電極技術(shù)發(fā)展概述

黃 達(dá)，樊 迪

（中國樂凱集團(tuán)有限公司 河北 保定 071054）

1 引言

心電監(jiān)護(hù)是監(jiān)測心臟電活動(dòng)的一種手段，是通過顯示屏再連現(xiàn)續(xù)心觀臟察活動(dòng)監(jiān)，測揭心示臟心電律活的動(dòng)主的要一變種化無創(chuàng)[1]的。監(jiān)在測臨方床法應(yīng)，用能上夠，針對(duì)心電活動(dòng)異常的患者，如急性心肌梗塞，各種心律失常等，心電監(jiān)護(hù)可適時(shí)觀察病情，提供可靠的有價(jià)值的心電活動(dòng)指標(biāo)，并指導(dǎo)實(shí)時(shí)處理，有重要的使用價(jià)值。

臨床使用的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備是一般由心電電極傳感器、心金電屬導(dǎo)平聯(lián)板線電極和、設(shè)吸備附主電機(jī)極組、成圓。盤其電中極，等心多電種電形極式傳感[2]器，包隨括著技術(shù)的發(fā)展，貼片式的電極傳感器因其結(jié)構(gòu)簡單、信號(hào)質(zhì)量良好、制造使用便捷，應(yīng)用范圍越來越廣。

心電電極是用來攝取人體心臟活動(dòng)生物電的器件，是采集心電信號(hào)的關(guān)鍵材料，作為日常心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中與被測對(duì)象直接接觸的器件，其性能的優(yōu)劣直接影響心電監(jiān)護(hù)設(shè)備的數(shù)據(jù)輸出，進(jìn)而影響醫(yī)生對(duì)病情的診斷。為了得到性能更加優(yōu)良的心電電極，國內(nèi)外研究人員從多個(gè)角度開展了相關(guān)的研究[3]。

2 濕電極

根據(jù)電極的作用方式，可將其分為濕電極和干電極。濕電極多選用Ag/AgCl材料，由導(dǎo)電膠充當(dāng)導(dǎo)電介質(zhì)，在電極和皮膚之間形成一個(gè)導(dǎo)電通路，使得生物電信號(hào)可以在皮膚和電極傳感器之間進(jìn)行傳導(dǎo)，同時(shí)因?yàn)檎澈蟿┑墓潭ㄗ饔茫ＷC了電極和皮膚間的緊密接觸，確保采集到的心電信號(hào)的質(zhì)量。

圖1所示的預(yù)置導(dǎo)電膏形式的一次性使用心電電極貼片[4]即為一種比較典型的濕電極，其在透氣性好的無紡布基材上粘合雙面壓敏膠，基材的中心位置連接帶有銀/氯化銀的電極扣，在電極上直接預(yù)置導(dǎo)電膏，為減緩導(dǎo)電膏內(nèi)有效成分的揮發(fā)，在導(dǎo)電膏表面覆蓋吸塑蓋，并以雙面壓敏膠粘合密封，使用時(shí)，揭開吸塑蓋后，直接將貼片貼于皮膚表面即可。

圖1 預(yù)置導(dǎo)電膏的心電電極貼片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of ECG electrode patch with preset conductive paste

在濕電極中，導(dǎo)電膠的性能對(duì)心電電極采集的信號(hào)質(zhì)量有著重要影響，但其自身的刺激性和揮發(fā)性也是限制濕電極整體性能的主要因素。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的濕電極，其最大的限制就在于導(dǎo)電膠的有效性，因?qū)щ娔z本身含有易揮發(fā)性的溶劑成分，隨著使用時(shí)間的延長，內(nèi)部溶劑揮發(fā)，導(dǎo)電膠逐漸變干，導(dǎo)電性能大幅下降直至失去電信號(hào)傳導(dǎo)作用。

為了延長濕電極的保質(zhì)期，研究人員提出了各種的電極結(jié)構(gòu)形式，例如丹麥的安保藍(lán)點(diǎn)電極片，在電極貼片內(nèi)部添加了電解液存儲(chǔ)層和阻隔層，利用泡棉結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)導(dǎo)電液體，盡量減少導(dǎo)電成分的揮發(fā)。進(jìn)一步的，水凝膠片開始應(yīng)用于濕電極中[5]，這種結(jié)構(gòu)的電極也有稱之為固態(tài)膠電極，如圖2所示，利用水凝膠材料制成水凝膠片，其本身具備粘性、導(dǎo)電性的功能，可直接接觸氯化銀電極扣和人體皮膚，從而形成信號(hào)通路，例如3M紅點(diǎn)電極、杭州迅達(dá)的一次性使用心電電極均使用了導(dǎo)電水凝膠片。但是在使用該類型的產(chǎn)品時(shí)，還是需要注意其包裝的密封性，開封后，水凝膠內(nèi)的溶劑仍會(huì)隨時(shí)間的延長逐漸揮發(fā)，直至失去作用。

圖2 水凝膠電極Fig.2 Hydrogel electrode

3 干電極

濕電極中因?yàn)閷?dǎo)電介質(zhì)的存在，會(huì)在一定程度上影響佩戴的舒適度，且無論導(dǎo)電介質(zhì)為何種材料，其隨時(shí)間變化都會(huì)逐漸凝固，進(jìn)而導(dǎo)電性能減弱，引起測量誤差，不適用于長時(shí)間監(jiān)測，尤其是在可穿戴監(jiān)測設(shè)備上缺點(diǎn)尤為明顯，為克服濕電極固有缺陷，干電極的研究應(yīng)運(yùn)而生。干電極與皮膚直接接觸，與皮膚之間沒有導(dǎo)電介質(zhì)，長期穿戴不會(huì)引起皮膚刺激，舒適性較濕電極大大提高。

干電極種類較多，包括硬質(zhì)干電極、柔性襯底干電極、柔性織物干電極、微針電極等[6-7]。其中硬質(zhì)干電極多使用金屬材料，但其材料特性導(dǎo)致電極與皮膚表面難以形成穩(wěn)定的接觸界面，不僅受運(yùn)動(dòng)偽跡干擾較大，且對(duì)舒適感有一定影響。而柔性干電極能夠更好的實(shí)現(xiàn)與人體皮膚表面的貼合，更加適應(yīng)可穿戴智能監(jiān)測設(shè)備的需求，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

將電極材料做薄，使其本身具備柔性，然后添加在柔性背襯上即可制得柔性襯底干電極，銀納米線、PEDOT：PSS、聚吡咯、碳納米管、石墨烯等均可用于充當(dāng)電極材料，這些材料兼具了優(yōu)良的導(dǎo)電性和一定的柔韌性，通過絲網(wǎng)印刷、涂布等方式添加在柔性的背襯材料上即可[8-9]。例如Chlaihawi等先采用絲網(wǎng)印刷方式將銀片印制在PET膜材表面，然后將多壁碳納米管/聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料作為導(dǎo)電聚合物附著在銀層表面，制成一款柔性的干電極，如圖3所示，因其在電極-皮膚界面處良好的共形接觸，柔性的干電極能夠更好的識(shí)別心電信號(hào)中的典型波形[10]。芶立等還提出一種以天然皮革為襯底的心電電極結(jié)構(gòu)，利用氮?dú)獾入x子體對(duì)皮革進(jìn)行處理清潔，然后利用濺射法鍍銀或銀漿涂覆，在皮革表面制備導(dǎo)電涂層，摒棄了傳統(tǒng)濕電極中導(dǎo)電凝膠成分，避免對(duì)皮膚的刺激，提升可穿戴舒適性和透氣性，而且這種柔性襯底的干電極還可集中在胸帶、腕帶或服裝中，作為可穿戴智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的電極部分[11]。

圖3 柔性襯底心電電極Fig.3 Flexible substrate ECG electrode

直接將導(dǎo)電材料融于紡織材料中，并以其作為電極原材料，即可制備柔性織物電極。柔性織物電極將電極材料和背襯材料融為一體，具備手感柔軟、舒適性好、透氣透濕等優(yōu)點(diǎn)，還可在一定程度變形，適應(yīng)皮膚不同的狀態(tài)，其組織結(jié)構(gòu)多樣，機(jī)織、針織、刺繡等方法均能實(shí)現(xiàn)心電電極與織物甚至衣物的融合，制得的智能心電衣，有助于實(shí)現(xiàn)穿戴式智能心電監(jiān)護(hù)[12-13]。柔性織物干電極在保證電極基本性能的基礎(chǔ)上，一般還需考慮可洗滌性，日本東麗（Toray）開發(fā)的紡織電極技術(shù)，通過浸漬了導(dǎo)電聚合物（PEDOT：PSS）的高導(dǎo)電滌綸納米纖維織物制備成含心電電極的T恤衫，衣物清洗后，仍能正常傳輸心電信號(hào)[14]。

在實(shí)際應(yīng)用中，干電極不足之處也很明顯，如皮膚接觸阻抗大、運(yùn)動(dòng)時(shí)與皮膚之間有滑動(dòng)、信號(hào)噪聲大等。為降低皮膚接觸阻抗，提高信號(hào)質(zhì)量，出現(xiàn)了三維微針電極的概念，即在電極表面添加微結(jié)構(gòu)，制成微針模樣，當(dāng)電極與皮膚貼合時(shí)，微針刺入皮膚的表皮層，達(dá)到真皮層，使得電極能夠更好的獲得心電信號(hào)，如圖4所示[15]。刻蝕法、3D打印、微成型組裝等方法均可以用于制備三維微針電極，但是，這種微針電極雖然在一定程度上提高了信號(hào)質(zhì)量，卻是以破壞皮膚為代價(jià)的，在實(shí)際應(yīng)用中還是存在限制。

圖4 不同電極與皮膚的接觸方式Fig.4 Different contact modes of electrodes and skin

隨著人們對(duì)主動(dòng)健康的重視，可穿戴智能健康監(jiān)測類產(chǎn)品獲得了較大的發(fā)展，所以，雖然干電極在實(shí)際使用中還存在諸多缺陷，其性能還有待于進(jìn)一步提高，但其優(yōu)異的穿戴舒適性使得其擁有很大的研究潛力。

4 新型電極

得益于大規(guī)模集成電路和移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，智能可穿戴設(shè)備相關(guān)技術(shù)在近些年獲得了較大突破。在心電監(jiān)測領(lǐng)域，穿戴式設(shè)備能夠進(jìn)行心臟類疾病的長程和連續(xù)監(jiān)測，推動(dòng)疾病診療模式由傳統(tǒng)的“發(fā)病-診斷-治療”的被動(dòng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)防為主的主動(dòng)健康模式[3,16]，是符合當(dāng)下智能醫(yī)療健康的發(fā)展趨勢(shì)下的科技產(chǎn)品，也是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)產(chǎn)品。而隨著智能可穿戴技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的心電電極傳感器在生物相容性、可穿戴性、便攜性等方面的問題越來越難以滿足當(dāng)前的應(yīng)用需求[17]，能夠適用于智能可穿戴設(shè)備的新型電極隨之出現(xiàn)。

4.1 可拉伸結(jié)構(gòu)電極

人體皮膚表面并非單一的平面結(jié)構(gòu)，且運(yùn)動(dòng)時(shí)，皮膚會(huì)處于收縮-拉伸的不規(guī)則狀態(tài)中，因此，無論是從動(dòng)態(tài)信號(hào)質(zhì)量還是穿戴舒適性角度，都對(duì)心電電極提出了更高的要求，這也促進(jìn)了新型電極的發(fā)展。

為滿足智能可穿戴心電監(jiān)護(hù)設(shè)備的要求，新型材料、新型結(jié)構(gòu)的心電電極不斷出現(xiàn)，例如張森浩等利用電子束蒸鍍將金、鈦制成薄膜的蛇形電極，并嵌入在PDMS層中，由于蛇形電極的優(yōu)異導(dǎo)電性、可拉伸性以及聚合物基體PDMS的可拉伸性能，柔性心電傳感器可以在高應(yīng)變狀態(tài)下保持良好的導(dǎo)電性，可以與皮膚進(jìn)行壽命更長的保形接觸[18]。林媛等也提出了一種可延展柔性心電電極的結(jié)構(gòu)，電極層以金屬或石墨烯為原材料，利用激光切割或機(jī)械切割的方法，將其制成線寬為10 μm～1 mm的蜘蛛網(wǎng)和蛇形線結(jié)構(gòu)，如圖5所示，襯于無紡布層形成柔性電極，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，增加電極在各個(gè)方向適應(yīng)人體皮膚形變的能力，不僅有助于提升舒適性，還能提升抗運(yùn)動(dòng)干擾的能力[19]。

圖5 可延展柔性心電電極Fig.5 Extensible flexible ECG electrode

4.2 復(fù)合電極

因監(jiān)測原理的限制，心電電極在實(shí)際使用中，需要多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的電勢(shì)差來反應(yīng)心電活動(dòng)，故每次至少需要兩個(gè)電極方能使用，而對(duì)于監(jiān)測最為全面的十二導(dǎo)聯(lián)心電圖，需在身體不同部位同時(shí)粘貼10個(gè)電極，且不同電極的監(jiān)測點(diǎn)都有特定的要求，尤其是胸導(dǎo)聯(lián)的6個(gè)電極，如圖6所示，使用時(shí)需嚴(yán)格注意各電極位置和順序，佩戴Holter時(shí)，大多數(shù)人都需要在醫(yī)生指導(dǎo)下方能完成穿戴監(jiān)測，為方便使用，有研究人員嘗試將多個(gè)電極集成在一個(gè)電極片上，有專利中就提出了一種集成了V1-V6電極的心電電極片[20]，在佩戴時(shí)，僅需單個(gè)貼片即可，大大提升了使用的便捷性。

圖6 胸導(dǎo)聯(lián)電極位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of chest lead electrode position

4.3 定制化電極

如今，越來越多的智能可穿戴心電監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)在市場中，例如、美國AliveCor公司研發(fā)的ALiveCor Kardia、粒恩醫(yī)療科技（深圳）有限公司的FitPatch-H1等，其設(shè)備體積小，使用方便，病患佩戴監(jiān)護(hù)設(shè)備后，通過藍(lán)牙可與智能手機(jī)連接，實(shí)時(shí)傳輸心電數(shù)據(jù)。為方便使用，多家公司針對(duì)自身的產(chǎn)品配套研發(fā)了心電電極貼片，例如美國IRhythm公司研發(fā)的ZIO XT Patch、DMS Service公司的myPatch、正心科技的CardioGuard等，在現(xiàn)有心電電極貼片的基礎(chǔ)上，根據(jù)自身設(shè)備特點(diǎn)，推出了專用的心電電極貼片，如圖7所示，在信號(hào)質(zhì)量、穿戴舒適度和使用便捷程度等方面提升了性能。

圖7 myPatch及配套心電電極貼片F(xiàn)ig.7 Mypatch product and ECG electrode patch

5 結(jié)論與展望

心電電極是心電監(jiān)測系統(tǒng)中收集心電信號(hào)的關(guān)鍵部分，心電信號(hào)的好壞首先受到電極傳感器的影響，保證電極材料與皮膚的有效貼合、降低接觸電阻、消除噪音等都能有效提高心電信號(hào)的質(zhì)量，為醫(yī)生診斷提供有效的數(shù)據(jù)。

當(dāng)前，對(duì)于心電電極的研究可以分成兩個(gè)方面：增加濕電極的舒適性和提高干電極的信號(hào)質(zhì)量。

采用水凝膠片結(jié)構(gòu)的心電電極貼片因其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便獲得了較廣的應(yīng)用，但仍受濕電極導(dǎo)電介質(zhì)的限制，尤其隨著智能可穿戴心電監(jiān)護(hù)技術(shù)的發(fā)展，適用于長時(shí)監(jiān)測、佩戴舒適的新型生物心電電極的需求越來越迫切。這也促進(jìn)了研究人員對(duì)柔性干電極的研發(fā)，無論是材料方面還是結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新，都越來越重視舒適性，但是干電極在信號(hào)質(zhì)量的表現(xiàn)以及比較復(fù)雜的生產(chǎn)工藝，限制了其規(guī)模化的生產(chǎn)應(yīng)用。

因此，開發(fā)一種能夠兼顧信號(hào)質(zhì)量、穿戴舒適性的心電電極，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的連續(xù)性監(jiān)測，成為了智能可穿戴心電監(jiān)護(hù)時(shí)代的迫切需求，同時(shí)，為了方便普通人群能夠?qū)崿F(xiàn)日常監(jiān)測，使用便捷性也逐漸成為新型的心電電極貼片考慮的一個(gè)因素。