織物電極在生物電信號監測中的研究進展

張贏心，徐 磊，王大偉，李 楠，楊云飛

(1.天津工業大學，a.紡織科學與工程學院;b.智能可穿戴電子紡織品研究所，天津 300387；2.青島即發集團股份有限公司，山東青島 266221)

近年來中國居民期望壽命和健康期望壽命均明顯上升，但是全球醫療健康系統仍然面臨著人口老年化、慢性病和心腦血管疾病患者數量呈上升趨勢發展的問題[1]。生物電信號作為人體最基本的生理信號之一，通過對其監測可以對多種生理疾病進行監測和診斷。此外，生物電信號還能應用于腦機接口、康復醫學、睡眠監測等領域[2]。對于生物電信號進行長期遠程監測的可穿戴電極引起國內外學者研究關注[3-4]。

電極用于捕捉人體生物電信號，是生物離子信號與電子設備的轉換連接樞紐[5]。傳統心電信號監測電極(濕電極)通常是直接附著在患者皮膚上的銀/氯化銀凝膠電極，濕電極具有較好的信噪比和可靠性，被廣泛應用于臨床和科學實驗室。但是這類電極長期使用時導電凝膠容易干涸，從而導致電極與皮膚的接觸阻抗增大，在使用過程中需要反復涂抹且容易導致皮疹和過敏[6]。織物電極是近年來迅速發展的一種非侵入性柔性干電極，其具有柔性可彎曲、可長期重復使用、透氣、吸濕后可減小皮膚與電極的接觸阻抗等優點，同時易于集成到服裝中，用于健康監測時，舒適便攜且服裝的外觀不突兀[7]。

本文將對國內外學者在制備織物電極時所采用的方法、材料、結構，以及具體應用等方面的研究進行討論，對以后織物電極的開發和設計具有一定的指導意義。

1 織物電極的材料、織物結構與制備方法

織物電極通過捕捉皮膚電位變化信號，轉化、處理和傳導，輸出人體的健康信息[5]，其所采用的材料主要包括基底材料和導電材料，基底材料通常選用各種織物作為導電材料的載體[8]。常用的電極材料以及制備方法如表1所示。

表1 電極常用的基底材料、導電材料以及制備方法[9-15]Tab.1 Common base materials, conductive materials and preparation methods of electrodes[9-15]

1.1 基底材料

基底纖維材料主要包括動植物和部分化學纖維，常用的基底材料以及其各自優點見如表2所示。Gao等[16]利用紡織材料具有良好吸濕透氣性的優點，制作出用于檢測人體腦電圖和出汗率的織物電極，其在記錄腦電圖信號的同時，可以有效地吸收人體汗液，防止電極之間短路，并進一步將汗液作為電解質來降低接觸阻抗以增強導電性。由于纖維紗線間沒有永久接觸，阻抗高于標準金屬導體的阻抗，故為了實現紡織導體的最佳信號傳輸，需要進一步開發以獲得盡可能小的阻抗[15]，如選用合適的組織結構、經緯紗密度等。

表2 常用的基底材料及優點[2,17]Tab.2 Common base materials and advantages[2,17]

1.2 織物結構

機織、針織、非織造、刺繡等結構都是生物信號監測用織物電極常見的組織結構，這些結構各有特點。不同的織物成形技術可以提供不同的感測功能[18]。許鵬俊等[19]制備了不同織物結構的電極，通過分析其電化學阻抗譜可知，當掃描頻率范圍為0.01～1000 Hz時，不同結構的阻抗值從小到大依次為：刺繡毛圈、刺繡平紋、針織平紋、機織平紋。原因是刺繡織物因為毛圈結構有效減弱人體體毛的影響，通過增大紡織結構電極的有效接觸面積，使其與電解液之間的電容增大，從而降低電極的低頻阻抗且便于加工[20]。

同種結構不同的經緯紗密度也會影響織物中紗線的排列規律和緊密程度，形成不同的織物表面風格，從而影響皮膚-電極之間的阻抗值。為探究織物組織密度對于紡織電極阻抗的影響，袁會錦等[20]研究了由3種長度相同的鍍銀紗線織成密度分別為 5行/4.5 cm、5行/2.7 cm、5行/1.0 cm織物的阻抗值，研究發現，3種織物的阻抗都隨著頻率測試的增大而減小;密度最小的織物其阻抗最小，密度居中的織物次之，密度最大的織物其阻抗最大。

1.3 導電材料

織物電極材料一般采用導電紗線或者直接在織物上涂覆導電漿料使其獲得導電性，鑒于生物信號監測用織物電極低阻抗，高導電，低噪聲，長期穩定性這些基本要求[21]，可將導電材料分為金屬、碳基材料以及導電聚合物等[22]。Tallgren等[23]表征了6種不同的金屬導電材料(錫、銀、銀/氯化銀、金、鉑和不銹鋼)。在6種材料中，銀/氯化銀的低頻噪聲最小，而銀的低頻噪聲次之，金和鉑也具有低噪聲水平，但是它們的噪聲水平不如銀和銀/氯化銀穩定，另外兩種金屬材料(錫和不銹鋼)則顯示出非常高的噪音水平。碳基材料如石墨烯具有優異的導電性和導熱性，同時顯示出高剛度、高彈性，使得它成為可穿戴傳感器和柔性電子器件的良好材料[24-26]。Yapici等[27]通過將尼龍織物浸入還原氧化石墨烯(rGO)溶液中制備了石墨烯包覆的導電紡織品電極，實驗表明該電極的信號準確度和接觸阻抗與傳統Ag/AgCl電極相比顯示出良好的相關性。導電聚合物聚吡咯憑借其在高聚物中良好的導電性能和環境穩定性，以及質量輕、成本低和無毒性的特點，成為了制備高聚物織物心電電極的理想選擇[28]。Zhang等[29]將聚吡咯(PPy)在山羊皮上原位聚合，制造出了一種可生物降解且透氣的可穿戴柔性干電極。

1.4 制備方法

目前，現有的織物電極制備工藝包括，將導電紗線機織、針織和刺繡到傳統織物上，或者通過絲網印刷、電化學鍍和在織物表面浸涂導電材料等方法賦予織物導電性能[19]，具體工藝如圖1所示。機織電極屈曲較少同時具有良好的結構穩定性；針織電極可以更好的貼合人體皮膚，在某種程度上可減少電極與皮膚間的滑動偽跡，但由于其獨特的線圈結構容易導致動態條件下電極電導率波動大；刺繡電極可以直接設計成型，且較針織機織電極阻抗低；絲網印刷是一種將導電漿料透過模板在紡織品上形成一定圖案的技術，可以在局部特定位置直接沉積導電材料[30]；化學鍍實質上是氧化還原化學反應[31]，其織物鍍層不受基底材料的結構形狀影響，所得的鍍層厚度均勻一致，鍍層致密性好且空隙較少，可以在一定程度上提高電極導電的穩定性；浸涂是對紗線或織物進行涂層的最簡單的方法之一，但隨著使用時間和水洗次數的增加，浸涂、印刷等方法制備的織物電極會有導電層脫落的可能，這會導致織物電極的電阻增大，從而影響生物電信號采集的準確性[32]；氣相聚合可以在不同形貌織物表面進行聚合沉積，相比之下，其制備電極具有更好的耐磨性和耐洗滌性。

圖1 織物電極常用制備方法[15, 27, 33-36]Fig.1 Common preparation methods of fabric electrode[15, 27, 33-36]

1.5 電極的尺寸、形狀

織物尺寸的大小直接決定了電極在監測過程中與人體接觸有限面積的大小，故尺寸的改變對其性能會有很大的影響。Marozas等[37]將薄鍍銀尼龍導電織物電極與常規銀/氯化銀電極在測量心電信號方面的性能進行了比較，實驗使用的紡織電極面積分別為1、2、4、8 cm2和16 cm2。結果表明：織物電極在極低頻段(0～0.67 Hz)產生的噪聲明顯高于一次性銀/氯化銀電極。但兩種電極的寬帶噪聲水平相似。面積大于4 cm2的紡織電極不會對心電圖的低頻頻譜內容造成明顯失真。然而對于面積為1、2 cm2的電極分別衰減約2 dB和4 dB的低頻(1 Hz)。孟妍等[38]分別制作邊長為3、5、7 cm的正方形鍍銀滌綸織物電極，測試后數據顯示織物電極在佩戴6 h后，銀/氯化銀與上述規格電極的接觸阻抗分別為22.7、19.8、19.5、17.2 kΩ，結果表明：電極面積的增大會導致電極與皮膚的接觸電阻減小而采集到的心電信號強度增大，但電極面積過大則會使信號精確度減小。

織物心電電極作為檢測電極，電流密度的分布與電刺激電極相同，僅方向相反，具有可比性。Krasteva等[39]比較了在生物信號監測過程中垂直于圓形電極和方形電極表面的電流密度分布，得出結論：圓形電極的電流密度分布不均勻性比方形電極小30%左右。且方形電極還具有邊緣效應，相比之下，圓形電極更適合生物信號監測用電極形狀。

2 織物電極在生物電信號監測中的應用

可穿戴生物信號監測用電級應用廣泛，包含集成在手表、腕帶、腰帶、服裝和紡織品中或直接應用于皮膚的各種類型的電極。用于健康相關應用的織物電極能夠監測生理參數，如心電、腦電、肌電和眼電等[33]。織物電極/皮膚的結構模型及其等效電路如圖2所示，其中Ehc為電極/皮膚界面半電池電勢，Rd、Cd分別為電極/皮膚界面電阻和電容，Ri、Ci分別為表皮等效電阻和等效電容，Re、Ce分別為表皮等效電阻和等效電容，Ru為皮下組織電阻。生物電信號先經過人體組織傳遞到體表，然后在電極—皮膚界面發生電化學反應，使得離子和電子發生交換。即體內離子電流傳輸轉換為外部電子設備的電子傳輸。

圖2 織物電極/皮膚的結構模型及其等效電路[37]Fig.2 Structural model of fabric electrode / skin and its equivalent circuit[37]

2.1 心電監測

心電信號是一種最大幅值不超過5 mV、頻率范圍在0.05～100 Hz之間的低頻生物電信號[40]。由于身體相當于一個充滿含水電解質的容器，心電信號可以在身體的所有部位被檢測到，即在皮膚的不同點上都可以測量出產生的電勢差[41]。在日常生活中長期監測心臟狀況，通過分析心臟活動時心肌激動產生的心電圖信號，可以預防心腦血管等疾病的發生。

張煥煥等[42]提出以燈芯絨織物為基材，采用化學鍍法在織物表面沉積導電銀層制得傳感器，并組裝成織物電極用于心電信號監測，電極結構圖如圖3(a)所示。該測試結果表明，電極與皮膚的接觸阻抗在5～500 Hz頻率下小于1000 kΩ，且其與濕電極的差值隨著頻率的增大而減小，同時可測得與濕電極相似的心電信號。Nigusse等[33]開發了由棉和聚酯針織面料絲網印刷銀墨水的織物電極，電極測試擺放位置如圖3(b)所示。數據顯示棉、聚酯和銀/氯化銀電極采集信號的信噪比分別為33.10、30.17 dB和33.52 dB，由此表明，棉電極和標準電極有一定的可比性，而聚酯電極由于表面電阻偏高，其值略低。

圖3 織物電極結構及擺放位置示意Fig.3 Schematic diagram of fabric electrode structure and placement position

2.2 腦電監測

從大腦皮層采集的腦電信號可以直接反映人體運動的意圖決策，是一種非平穩的微弱生理電信號[43]，其頻率范圍為0.5～100 Hz，幅度大致低于100 μV，很容易被噪聲合并，因此腦電監測用電極通常用作記錄小振幅、低頻率范圍的生物電位信號，在結構設計中更需具備靈敏性、信噪比高等特性。目前腦電電極已廣泛應用于醫學和腦機接口應用，如駕駛員警惕性評估，游戲控制，睡眠監測，情緒和注意力識別和大腦相關疾病診斷和治療。Shu等[44]設計了用于額部腦電圖測量的多層吸汗柔性織物干電極，電極由導電泡沫、導電織物和棉層組成。其電極-頭皮之間的阻抗在10 Hz頻率下的數值變化如圖4所示。數據顯示，該電極在8 h內阻抗變化很小，約為5 kΩ，具有較好的長期穩定性，適合連續測量。此外與初始值相比，第8 h的阻抗沒有增加，這也反映了干電極相對于濕電極的優勢。

圖4 腦電圖測試分析[44]Fig.4 Electroencephalogram test and analysis[44]

Li等[45]研制了一種用于前額部位的腦電采集柔性干電極陣列，其織物電極主要由絲網印刷銀/氯化銀涂層、導電吸汗海綿和柔性尖齒組成。當輕輕按壓時，柔性尖齒會刺穿部分高阻抗的皮膚角質層，從而顯示出較小的極化電壓、相對較低的電極-皮膚之間的電阻和良好的穩定性。

2.3 肌電監測

肌電信號是由肌肉產生的一種可由表面電極捕獲的電信號，它記錄了肌肉受到刺激時產生收縮的電位圖，其幅度在50 μV～5 mV，頻率范圍為2～500 Hz[46]，具有微弱性、低頻性、高阻抗性[47]。

表面肌電信號與心電等信號不同，由于電極下方的肌肉運動容易產生運動偽影，肌電信號的采集受限于測試肌肉的皮膚表面，其一般應用于肌肉損傷診斷、康復醫學及體育運動等方面的研究，其中一項重要和典型的應用為用表面肌電信號控制假肢。Jing等[48]提出了一種由聚吡咯涂覆的非織造織物片制成的表面肌電信號電極(ppy電極)，用于殘疾人在日常生活中控制假肢。為減少肌電假肢使用者的訓練時間，且提高使用的便利性，張志勇[49]選擇銅基鍍銀導電布制備織物電極，導電布內部襯一層致密的PE泡綿,其結構見圖5。該電極既保證了織物的柔軟程度，又不會因為泡綿過于酥松引起電極間距的變化而產生運動偽跡。

圖5 織物電極示意Fig.5 Schematic diagram of fabric electrode

2.4 眼電監測

眼電信號分為水平眼電信號和垂直眼電信號，可準確反映出眼部動作，兩者的幅值變化分別由眼球運動的水平分量和垂直分量引起[50]。其頻率低于50 Hz，幅度范圍為50～3500 μV，測試周期一般超過2 h，該類產品設計更突出長時間測試條件下的舒適性。眼電監測在嗜睡研究、情緒狀態以及認知神經科學和精神障礙診斷方面有潛在的應用[51]。為了方便采集人體眼電信號進行睡眠實時檢測，侯沖[52]設計并制作織物電極嵌入在睡眠眼罩中用于眼電信號采集，其結構圖與電極位置圖如圖6所示，該導電織物的平均電阻率為0.6 D/cm2，具有良好的導電性和屏蔽功能。制成的睡眠眼罩與心電電極在同一可信平臺測試，可分辨不同的眼球運動特征，數字濾波可以有效去掉織物電極拾取的高頻噪聲，驗證織物電極采集眼電信號的可行性和有效性。盡管基于眼電信號的眼動跟蹤系統不斷發展，但其全部潛力尚未得到充分認識，仍有改進的空間。

圖6 睡眠眼罩結構與電極擺放位置示意Fig.6 Schematic diagram of sleep mask structure and electrode placement

3 結論與展望

織物電極成為近年來國內外研究的熱點，其具有易于與服裝相結合，方便拆卸、洗滌、柔軟可長期重復使用且收集的電信號質量與標準銀/氯化銀電極相當等優點，實現了穿戴式人體生物電信號長期監測。但其仍存在皮膚與電極之間接觸阻抗高、運動偽影、噪聲大等問題，在未來研究中可以做出如下改進：

a)在制備織物電極時采用恰當的工藝，如在電極表面進行改性處理，形成柔性空間陣列導電結構，使其能夠吸附在皮膚表面從而增大有效接觸面積以及摩擦系數，減小滑動偽跡和接觸阻抗以獲得更加優異的性能指標。

b)在監測性能完善的基礎上，織物電極的另一個預期要求是其耐水洗牢度和可重復使用性，故通過大量水洗測試確定紡織電極可重復使用性的最佳洗滌范圍，以保證信號監測的準確性，是科研人員下一步的重點研究方向。