紡織電極在心電監測服裝中的應用與研究

孫新建

（西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089）

隨著我國經濟水平的不斷提升，人們不再僅關注衣食住行等基本需求，對健康的重視程度越來越高，開始尋找多種方式來保證身體健康，比如適當的體育鍛煉、保持良好的生活習慣、定期體檢等。但是，醫院體檢的程序較多，耗時又費力，而且只能對體檢者當時的身體狀況進行評估，沒辦法監測體檢者長期、持續的身體狀態。近年來，心電監測服裝成為智能紡織品領域的研發熱點，可以對人體心電信號進行長期、實時的監測，同時生成心電圖對穿衣者的心臟情況進行反饋，達到心臟監測和示警的作用。紡織電極與傳統醫用電極相比具有非常大的優勢，柔軟透氣、準確及時，可以實時傳輸心電監測信號，長期接觸不會造成人體皮膚過敏或者潰爛現象。

1 紡織電極簡介

1.1 常用材料

紡織電極是通過特殊方式將導電物質放在纖維、紗線等紡織物表面，使衣物能將人體心臟產生的離子導電轉化為可以被檢測到的電子導電的一種器件。應用較為廣泛的紡織電極材料有導電纖維、織物或者紗線等服裝材料。在紡織電極研究領域，有大批學者和專業人員進行深入研究，比如有研究人員將鍍銀滌綸紗線作為材料，使用電路模擬法、氯化改性處理法、手工刺繡成型法等方式，將電鍍工藝和紡織工藝科學結合，設計出一種比較柔軟的電極面料，對紡織電極靜態性能的評估也有了較大的進步[1]。高校的研究團隊將一些棉質織物浸入含有吡咯單體和摻雜劑的水溶液中，然后在混合水溶液中加入氧化劑，使吡咯聚合到棉織物上形成導電織物，完成了聚吡咯/棉織物心電電極的制備和性能評價。為了開展織物材料與電極織物之間的關系實驗，相關學者將聚酰胺織物、聚酯織物和棉織物分別浸泡在聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）/聚苯乙烯磺酸鈉（PSS）溶液中進行化學改性，制成紡織電極，隨后將紡織電極放在內衣織物中，完成心電信號監測。通過測試發現，經過多次水洗后，棉織物電極和聚酰胺織物電極獲得的心電信號質量較高，聚酯織物電極獲得的心電信號較弱。

1.2 制備方法

紡織電極的分類較多，其中，按照成品的種類可以分為非織造布電極、機織類電極、3D打印電極和針織類電極4種。這些紡織電極比較普遍的應用方法有3種。（1）在織物表面沉積導電金屬或導電高聚物，形成紡織電極；（2）使用導電纖維或者在纖維中加入適當的導電粒子，隨后將纖維制成紡織電極；（3）通過縫紉手段將導電紗線制成衣物的一部分，使其發揮心電監測的功能。相關學者為了提升紡織電極的質量，使用3D打印技術制作出一種高精度的三維形態結構，通過在這一結構中先后濺射鈦層和金層，形成電極。研究和實驗發現，這種電極能與人體產生更密切的接觸，降低外部因素對心電信號的影響，提升心電監測的精確度，是當前實現低成本、快生產、高精度電極的重要手段。

2 紡織電極在心電監測服裝設計中的應用

2.1 紡織電極在健康監測服裝設計中的應用

隨著我國人口老齡化程度不斷加深，老年人口占總人口的比例越來越高，老年群體的各項身體機能會出現或多或少的退化現象，引發各種各樣的基礎病。因此，監測和反饋人體醫學信號對人體疾病的預防和預警具有非常重要的意義[2]。國際上研發出一款健康監測內衣，內部有高分子樹脂的聚酯紡織電極，能對穿衣者的心臟肌肉活動進行實時監測。我國對紡織電極也有比較深入的研究，相關學者和研究團隊使用Ag和AgCl這兩種材料制成紡織電極，與社會上的科技企業進行合作，開發出我國首款心電監測智能服飾。該服飾與人體緊密貼合，但是不會使人體皮膚出現過敏或者潰爛現象，而且清洗比較方便，可以使用洗衣機清洗，在心電監測服裝領域獲得了廣泛的好評。

2.2 紡織電極在運動監測服裝設計中的應用

隨著社會的不斷發展，人們的思想發生了很大的變化，為了保證身體健康，人們不僅會定期進行體育運動，還會定期體檢來對疾病進行預防和示警。但是，人們在運動和鍛煉的過程中往往缺乏專業指導，對運動量無法進行嚴密的把控，導致出現運動過量的現象。運動過量會導致人體出現肌肉、關節和韌帶損傷等問題，甚至會產生比較嚴重的心臟負擔，在這種情況下，容易引發心血管疾病，對人體健康和生命安全造成不利影響。因此，相關研究領域加強對運動監測產品的研究，對保障人體健康具有重要意義。聯想公司開發出一款智能心電衣，主要通過編織的方式，將12塊柔性織物電極織入心電衣中，這類產品可以對人體的基本特征進行實時監測，不間斷地對人體心電信號進行采集和分析，且采集和分析結果比較準確。

2.3 紡織電極在其他監測領域服裝設計中的應用

紡織電極作為一種新技術，在多個領域都有廣泛的應用，比如健康監測、運動監測等。相關研究團隊設計了一款無縫智能胎兒監測服，將柔性導電紡織電極以編織的方式放入服裝中，主要作用是監測孕婦和胎兒的生命信號，主要體征有孕婦的心率、胎兒的心率以及孕婦子宮內的情況，這種監測可以比較準確地評估孕婦和胎兒的健康程度。當前，市面上還存在一種監測服裝，是將光纖材料植入衣服中，可以對穿衣者的心電信號、體溫、心率等特征進行監測。此外，這種監測服裝還能發送危險信號，相關部門會根據接收的信號判斷穿著者的受傷部位及受傷程度，及時制定科學有效的救援方案。

3 紡織電極在心電監測服裝設計中存在的問題及發展趨勢

3.1 紡織電極在心電監測服裝設計中存在的問題

紡織電極在心電監測領域的應用非常廣泛，這種關鍵部件能推動智能紡織品走向舒適化、小型化以及一體化，但是還存在一些問題需要完善和解決。首先，紡織電極與傳統的醫用電極在使用方面具有較大區別，紡織電極在使用時不需要用導電膠，雖然這種方式會避免人體皮膚出現敏感、潰爛現象，但是會導致電極與測試者的貼合度不高，如果穿衣者處于運動狀態，就會影響測試的質量，導致測試信號中出現大量的噪聲，對心電測試的準確性造成影響[3]。運動型的心電監測服裝在設計和制作時一般會使用緊密貼合人體的材料，加大衣服與人體表面的接觸面積，但是如果衣服過緊，會影響服裝的舒適度。因此，在設計運動心電監測服裝時，需綜合考量人體與服裝的貼合度。其次，測試效果的可靠性還需要提升。對身體健康分析和運動指導而言，最重要的環節就是要準確接收心電信號。但是，當前市面上的心電監測產品只能監測人體的靜態心電信號，當人處于運動狀態時，心電信號的接收效果難以達到標準，這就需要在分析心電信息時，對運動狀態進行更細致的解析，對人體在不同狀態下的心電信息進行詳細記錄，降低運動狀態對心電信號準確性的影響。最后，紡織電極在心電監測領域應用的評價標準不夠規范，缺乏統一的標準。當前，心電監測領域比較普遍的評價指標是阻抗，但是這種指標對紡織電極的質量很難進行全面的表達，不利于心電監測領域的標準化發展。因此，相關部門要不斷優化和完善這一領域的標準[3]。

3.2 紡織電極在心電監測服裝設計中的發展趨勢

當前，可穿戴設備在家庭自主監護管理中的應用已經非常普遍，智能監測設備的可持續使用時間越來越長，能監測的生理參數也越來越完善，能充分發揮疾病預防和早期治療的作用。當前，智能紡織品能監測的疾病范圍也越來越廣，逐漸朝著心臟驟停、心肌梗塞等疾病的預防和術后恢復方向發展。智能紡織物通過對穿衣者生理信息和病理信息兩個方面的把握，能提供有針對性的應急措施和治療方案，為后續的臨床治療工作提供有效的參考[4]。社會的發展使人們的健康觀念發生了很大的變化，人們對健康的關注程度和疾病的預防意識越來越強，使醫療儀器的類型逐漸朝著家用和個人的小型化發展。信息技術、集成電路等先進技術的發展使相關研究領域提出了無線體域網系統這一概念，以人體為系統的中心，將個人電子設備作為基礎的通信網絡，向用戶提供身體的實時參數，同時還能將信號傳遞給遠程醫療服務器。這種智能服裝系統不僅能滿足人們日常的穿戴需求，還能實現任何時間、地點的人體生理信號實時監測。家庭監護設備和智能紡織品的飛速發展使學者開始將監測技術運用于醫療領域，加強了對疾病病理方面的監護，紡織電極逐漸朝著促進運動和疾病康復的方向發展。相關學者對心電監測與紡織電極的研究越來越深入，有學者提出了一種用于高危心臟病患者的健康監測系統，對患者的生命體征進行綜合監測和分析，并提出有針對性的治療方案，為臨床醫生提供參考。有學者研發了一種適用于帕金森患者的可穿戴遠程監測系統，收集和運算患者的臨床病理數據，通過遠程監測系統為患者提供有效的疾病治療和藥物服用參考。部分學者指出，慢性疾病嚴重影響了青少年的身心健康，比如癲癇患兒的死亡率是健康兒童的5倍左右，而且死亡原因主要是治療措施不到位。

4 結語

紡織電極能對人體進行長期和實時監測，對心電信號的監測效果比較好，在心電監測服裝設計中的應用比較廣泛，但是因為起步較晚，還存在一些問題需要完善和解決。當前，我國紡織電極的整體研究水平和技術水平與發達國家相比還存在一定的差距，因此，我國相關領域要對國外的優秀研究成果進行選擇性學習，不斷提升我國紡織電極的生產水平，提高我國心電監測服裝產品的市場競爭力。