心電監(jiān)測服裝監(jiān)測位置的研究

胡艷瓊　鄧詠梅

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心電監(jiān)測服裝監(jiān)測位置的研究

胡艷瓊1鄧詠梅2

1.好運來針織呢絨有限公司(中國)2.西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院(中國)

介紹了心電信號的產(chǎn)生、特征及心電導(dǎo)聯(lián)的肢體導(dǎo)聯(lián)。以鎖骨、人體前中線、胸點和肚臍為參照點，對人體4個監(jiān)測位置進行了劃分，對不同的電極組合進行心電測試試驗，獲得人體表面合適的監(jiān)測范圍。結(jié)果表明：左、右胸部電極的位置對肢體導(dǎo)聯(lián)的心電信號影響顯著，主要影響Ⅰ導(dǎo)聯(lián)心電信號；腹部電極可取范圍較大，對信號的影響不明顯。通過兩次位移試驗確定了人體對應(yīng)服裝上的最優(yōu)監(jiān)測點，并給出了170/88A標(biāo)準(zhǔn)男體緊身基樣上監(jiān)測點的位置。

心電圖；監(jiān)測位置；振幅；服裝版型

服裝與人體間長時間、大面積接觸的特點，使服裝成為可穿戴醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備的最佳應(yīng)用平臺。心電監(jiān)測服裝可通過服裝監(jiān)測心電信號并生成心電圖(ECG)，因而能實時、連續(xù)監(jiān)控人體心電信號，從而實現(xiàn)對慢性心血管疾病提前預(yù)防的目的。心電圖是一種重要和成熟的心電信號檢測技術(shù)。將測量電極放置在人體表面的一定部位,記錄的心肌細(xì)胞生物電變化曲線即為臨床常規(guī)心電圖[1]，它反映了心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過程中的生物電變化，分析心電電信號波形的時序和形態(tài)可客觀反映心臟各部位的生理狀況，幫助診斷心臟的問題。信號檢測是整個可穿戴醫(yī)療監(jiān)護服裝系統(tǒng)的核心，監(jiān)測的準(zhǔn)確性、可靠性直接影響后續(xù)工作的有效性。然而心電信號屬于毫伏(mV)級電信號，具有信號弱、噪聲強、頻率范圍一般較低和隨機性等特點[2]。

心電檢測中，電極片的放置位置會影響心電監(jiān)測圖形質(zhì)量。不同的放置位置，心電各個波的方向、振幅都不同，影響病情觀察。因此為受試者選擇合適的電極片放置部位，是提高監(jiān)測圖形質(zhì)量的前提。本文以生物電信號、心電信號特征和心電導(dǎo)聯(lián)的心電圖學(xué)知識為試驗設(shè)計的部分依據(jù)，設(shè)計了人體心電監(jiān)測點的優(yōu)化試驗，通過對應(yīng)服裝基型上監(jiān)測點的位移試驗，確定了用于心電監(jiān)測服裝上的電極安放位置。

1　人體監(jiān)測點試驗

1.1試驗設(shè)計

1.1.1導(dǎo)聯(lián)方式選擇

動物機體組織和體液都能導(dǎo)電。將心電描記器的記錄電極放在體表的任何兩個非等電部位，都可記錄心電變化。將電極置于體表任何兩個點，再與心電圖機的正負(fù)兩極相連就可構(gòu)成電路，這種連接方式和裝置稱為導(dǎo)聯(lián)。標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)是將4個電極片貼于四肢近末端部位，但這會對人體的正常活動造成一定影響，不利于心電信號的監(jiān)測。為提高電極片集成于服裝后所測心電信號的準(zhǔn)確性，本試驗選擇標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)的胸部貼法。電極安放位置分別為R(鎖骨下，靠近右肩)、L(鎖骨下，靠近左肩)、N(右下腹)和F(左下腹)，分別構(gòu)成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ導(dǎo)聯(lián)(圖1)。

圖1　體表電極安放位置

1.1.2電極選擇

心電電極將人體心肌產(chǎn)生的生物電轉(zhuǎn)化為可用于分析的電子導(dǎo)電信號，是一種電信號轉(zhuǎn)化器件[3]。將電極集成于服裝，要求電極柔軟舒適、穩(wěn)定、靈敏度高、能夠洗滌和重復(fù)使用。傳統(tǒng)的一次性電極存在易造成皮膚過敏，長時間使用易造成皮膚潰爛，易干涸、不可重復(fù)使用的問題。本研究團隊選用緞紋、蜂巢、刺繡、針織等4種結(jié)構(gòu)的材料為電極，通過氯化工藝處理，形成氯化銀包覆銀的復(fù)合結(jié)構(gòu)，對其進行阻抗測試后可知，組織結(jié)構(gòu)為銀-氯化銀蜂巢時材料的電化學(xué)阻抗最小，最適合制作心電電極。因此銀-氯化銀蜂巢組織結(jié)構(gòu)符合穿戴要求，能確保與皮膚之間的接觸面積，測試所需壓強0.5～1.4 kPa[4]。試驗選用4 cm×4 cm的氯化銀包覆銀的柔性紡織電極。

為防止金屬的電極扣(夾住服裝與紡織電極，固定在紡織電極中間的扣子，扣子靠近皮膚的一側(cè)為正面，正面有凹陷，可填充眉筆芯)對心電信號的干擾，將絕緣膠布貼在金屬的電極扣正面，使金屬的電極扣與皮膚隔離。

1.2試驗方案

儀器說明書中所給出的電極安放位置比較模糊。為了更準(zhǔn)確地監(jiān)測心電信號，依據(jù)鎖骨、人體前中線、胸點和肚臍對監(jiān)測部分進行劃分。如圖2所示，以人體右側(cè)為例，OM線平行于人體前中線，與MN線垂直相較于M點。O點距鎖骨底端水平線和人體前中線各1 cm，OM=MN。以O(shè)M和MN為兩邊作正方形，并三等分每邊，構(gòu)成9個相同大小的正方形，命名為A～I；om距人體前中線1 cm，mn∥MN，mn距肚臍下方水平線1 cm，取om=mn=OM，同理劃分為a～i 9個正方形。左側(cè)體表采用同樣的劃分方法，胸部的9個正方形分別命名為A′～I′，腹部的命名為a′～i′。對于170/88A標(biāo)準(zhǔn)男體，這種分法所得每個正方形面積接近4 cm×4 cm，便于之后服裝設(shè)計中使用紡織電極?？紤]到服裝的對稱美和試驗的便捷性，以人體前中線為對稱軸左右選對應(yīng)點(即若人體右邊選A，則人體左邊選A′)進行組合試驗，可得到81種不同的組合方案。

圖2　人體表面監(jiān)測點劃分

試驗采用Prince 180D 力康心電監(jiān)測儀，規(guī)格參數(shù)如表1所示。1 mV定準(zhǔn)電壓在心電圖紙上表示為10 mm，紙速為25 mm/s。

試驗者為接近170/88A標(biāo)準(zhǔn)體型的健康男子，以靜止?fàn)顟B(tài)站立，正常呼吸，沒有大幅的肢體動作。導(dǎo)聯(lián)線連接正確，電極預(yù)加壓強為1 kPa。

表1　心電監(jiān)測儀規(guī)格參數(shù)

1.3測試數(shù)據(jù)及結(jié)論

心電波形通過心電圖紙呈現(xiàn)，心電圖紙常由粗細(xì)兩種縱線和橫線組成?？v線的間距反映時間，橫線的間距反映振幅(電壓)，細(xì)線間距為1 mm，粗線間距為5 mm，當(dāng)紙速為25 mm/s時，縱線間小格代表0.04 s，大格代表0.20 s；當(dāng)定準(zhǔn)電壓為1 mV=10 mm時，橫線間小格代表0.1 mV，大格代表0.5 mV[5]。如圖3所示，紅色豎線為定基準(zhǔn)線，位于心電波形TP段靜息電位(即零電位)。黑色豎線在心電波形QRS波群的頂端，此時的QRS波群振幅為黑色豎線的電壓減去紅色線的電壓，即相對于靜息電位的振幅。圖3所顯示的QRS波群振幅為0.96 mV。

試驗結(jié)果得到81組心電波形。由于電極與皮膚接觸后，兩者界面的溫濕度平衡造成信號不穩(wěn)定，在臨床診斷中通常需要截取10 s心電圖片段進行分析。圖4和圖5是CC′gg′和GG′gg′組合的10 s心電圖片段。由圖可見，CC′gg′的信號強度沒有GG′gg′信號強度強，尤其是Ⅰ導(dǎo)聯(lián)，振幅最高不足0.2 mV，不能輕易識別其波形。去除Ⅰ導(dǎo)聯(lián)不能識別的組合AA′、BB′、CC′和FF′，還剩下DD′、EE′、GG′、HH′和II′及其組合(DD′aa′、DD′bb′、DD′dd′，…，II′hh′、II′ii′)，共45組。

圖3　心電圖顯示界面

圖4　CC′gg′組合心電圖

圖5　GG′gg′組合心電圖

對剩余45組心電圖，隨機在其Ⅰ導(dǎo)聯(lián)QRS波處取5個振幅數(shù)據(jù)求平均值。所得數(shù)據(jù)見表2?？梢姡娇拷夭考巴鈧?cè)信號越明顯，下腹部對整體監(jiān)測信號質(zhì)量的影響比較小,比較穩(wěn)定的靜態(tài)測量點應(yīng)為GG′hh′點，胸部監(jiān)測點位置為GG′時，Ⅰ導(dǎo)聯(lián)心電圖振幅最大，其次為HH′、II′、DD′和EE′。

表2　Ⅰ導(dǎo)聯(lián)振幅及平均值　mV

2　服裝上電極安放位置的確定

2.1預(yù)試驗

受試者為接近170/88A標(biāo)準(zhǔn)體的一位健康男青年，穿著萊卡/棉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%/95%)普通貼身T恤。在監(jiān)測位置訂有電極扣，貼近皮膚一側(cè)電極扣的凹槽內(nèi)放置一小塊眉筆芯(圖6)。受試者穿著該款服裝進行40項日常活動的基本動作。結(jié)果顯示人體右監(jiān)測點運動趨勢為向左上方和右下方，最大位移為3.8 cm，人體左監(jiān)測點運動趨勢為向右上方和左下方，最大位移為3.5 cm，腹部主要向上移動，最大位移為4 cm。

(a) 試驗服裝　(b) 填充眉筆芯的電極扣

2.2位移試驗

制作170/88A體型男子的緊身型針織服裝基型[6]，并由試驗者穿著。由于預(yù)試驗已獲得了監(jiān)測點的運動趨勢和最大位移，故在服裝相應(yīng)位置分別標(biāo)出DEGH的交點、D′E′G′H′的交點，正方形h的中點及正方形h′的中點。分別在這4個點訂上電極扣，并在扣凹槽中放入適量眉筆芯。重復(fù)預(yù)試驗的動作，活動2 h。

2.3結(jié)果

4個監(jiān)測點的位移分別如圖7所示。L處位移為3.5 cm×1.7 cm；R處位移為4.0 cm×3.8 cm；F處位移為1.7 cm×6.0 cm；N處位移為1.9 cm×7.4 cm 。L和R的可動范圍均約在8 cm×8 cm，F(xiàn)和N可向上移動10 cm，左右各移動6 cm。故動態(tài)試驗將人體右側(cè)監(jiān)測點分別選為服裝對應(yīng)DEGH的交點和正方形h的中點即可滿足監(jiān)測需求。左邊以人體前中線為軸對稱選擇。將服裝基型拓到衣片紙樣上得到監(jiān)測點L和F點，圖8所示即為170/88A男子心電監(jiān)測點在緊身基型中的位置。

圖7　4個監(jiān)測點位移

圖8　心電監(jiān)測點在基型上的位置

3　結(jié)論

通過相關(guān)試驗，得到以下結(jié)論。

——肢體導(dǎo)聯(lián)的胸部貼法測量所測得的心電信號質(zhì)量主要取決于L和R電極的位置，腹部電極影響較小。信號最好的L和R位置為GG′和HH′，其次為II′、DD′和EE′。AA′、BB′、CC′和FF′處的Ⅰ導(dǎo)聯(lián)波形振幅過小，不可用。從位置上看胸部電極越靠近胸點，信號越強，振幅越大，波形越清晰。

——以DEGH的交點及D′E′G′H′的交點為R和L的監(jiān)測點、正方形h及h′的中點為N和F的監(jiān)測點。4個監(jiān)測點的位移分別為L處：3.5 cm×1.7 cm； R處：4.0 cm×3.8 cm；F處：1.7 cm×6.0 cm；N處：1.9 cm×7.4 cm，滿足胸部以DEGH和D′E′G′H′的交點、腹部以h和h′的中點為初始位移點時的監(jiān)測位移要求。通過將服裝基型對應(yīng)拓印到結(jié)構(gòu)圖上，獲得了170/88A標(biāo)準(zhǔn)男子心電監(jiān)測服裝上的有效監(jiān)測點。

[1]蔡建新，張唯真．生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)[M]．北京：北京大學(xué)出版社，1997：8．

[2]侯靜．生物醫(yī)學(xué)信號的檢測與處理[J]．中國高新技術(shù)企業(yè)，2007(14)：102-105．

[3]袁會錦,張輝,謝光銀.Ag-AgCl紡織結(jié)構(gòu)電極電鍍工藝參數(shù)的優(yōu)化[J].上海紡織科技，2014，42(12)：34-38．

[4]許鵬俊.用于體表心電監(jiān)測的紡織結(jié)構(gòu)電極與皮膚之間機械作用分析及動態(tài)噪音研究[D].上海：東華大學(xué)，2012．

[5]張文博，李躍榮．心電圖診斷手冊[M]．北京：人民軍醫(yī)出版社，2009：493-503．

[6]毛莉莉．針織服裝結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計[M]．北京：中國紡織出版社，2006：225-233．

Research on monitoring location of ECG monitoring clothing

Hu Yanqiong1，Deng Yongmei2

1.Haoyunlai Knitting Wool Co.Ltd.,Jiangyin/China 2.School of Apparel & Art Design,Xi’an Polytechnic University,Xi’an/China

The generation and characteristics of electrocardiogram (ECG) signal and limb lead were introduced.For the reference to clavicle,the anterior midline of body,bust point and navel,four monitoring sites of the human body were divided,and the different electrode combinations obtained were experimented through ECG testing,and finally the suitable monitoring range of human body was gotten.The results showed that electrode positions on the left and right of the chest had significant influence on ECG signals for limb lead,especially for the lead I.Obtainable electrode ranges for abdominal were larger,and had no obvious effect on the signals.The corresponding optimal monitoring sites on clothing were acquired through two displacement experiments,and the monitoring sites of 170/88A standard male body tight structure were obtained.Key words:electrocardiogram； monitoring location； amplitude； clothing version

陜西省教育廳專項科研計劃項目(12JK0571)；好運來針織呢絨服裝研發(fā)項目(2014KJ-018)