紡織電極在心電監(jiān)測服裝設(shè)計中的應(yīng)用及發(fā)展*

江西服裝學院服裝工程學院， 江西 南昌 330201

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，人們對身體健康的重視程度也在逐漸增加。人們除了選擇平時保持良好的生活習慣和堅持體育鍛煉外，還會選擇定期到醫(yī)院進行體檢。但醫(yī)院體檢會花費大量的時間，且只能提供體檢者當時的身體狀況，無法實現(xiàn)長期、實時監(jiān)控身體健康的變化[1]。近年來，心電監(jiān)測服裝作為智能紡織品的重要組成部分發(fā)展迅速，其可長期不間斷地對人體心電信號進行捕捉和收集并生成心電圖(ECG)，以達到心臟監(jiān)測和護理示警的效果[2]。紡織電極作為心電監(jiān)測服裝的核心部件，在心電監(jiān)測過程中起著將生物體電化學活動產(chǎn)生的離子電位轉(zhuǎn)換成信號采集系統(tǒng)中電子電位的功能，它的存在為人體心電信號的收集及分析提供了可能[3]。

傳統(tǒng)的心電監(jiān)測主要依賴Ag/AgCl醫(yī)用電極。使用該電極時，為獲取高質(zhì)量的人體心電信號，需在人體接觸部位涂抹黏性導電水凝膠，但長期涂抹該凝膠會造成人體皮膚過敏，更有甚者，會出現(xiàn)皮膚潰爛[4]。紡織電極與傳統(tǒng)醫(yī)用電極相比，前者柔軟、透氣、透濕，與服裝集成更容易，可實現(xiàn)隨時、隨地、長期監(jiān)測心電信號，且干態(tài)使用，長期接觸皮膚也不會造成皮膚過敏或潰爛等癥狀[5]。

本文通過查閱相關(guān)參考文獻，舉例說明紡織電極在健康監(jiān)測、運動監(jiān)測及其他監(jiān)測領(lǐng)域的服裝設(shè)計中的應(yīng)用及實踐，總結(jié)紡織電極在應(yīng)用中存在的問題及發(fā)展趨勢，以期為紡織電極在心電監(jiān)測服裝設(shè)計中的應(yīng)用及進一步研究提供理論參考。

1 紡織電極簡介

1.1 常用材料

紡織電極是采用特殊的方式將導電物質(zhì)黏附在纖維、紗線或織物表面，然后制成能將人體心臟產(chǎn)生的離子導電轉(zhuǎn)化為外部可檢測的電子導電的一種器件。紡織電極常用的材料有導電纖維、導電處理后的紗線或織物等。袁會錦等[6]以鍍銀滌綸紗線為材料，采用氯化改性處理法、手工刺繡成型法、電路模擬法等，將電鍍工藝與紡織工藝相結(jié)合，設(shè)計并制作出了一種柔性電極面料，還初步完成了對紡織結(jié)構(gòu)電極的靜態(tài)性能評估。SILVA等[7]635-643采用氣相沉積法，在聚酰亞胺薄膜材料和紡織品基材的頂部沉積一層鋁箔來制造電極。東華大學丁辛教授團隊將棉機織物浸入含有吡咯單體和摻雜劑的水溶液中，然后加入氧化劑使吡咯聚合到棉織物上形成了導電織物，還完成了聚吡咯/棉織物心電電極的制備及性能評價[8]。英國埃克塞特大學MONICA CRACIUN教授領(lǐng)銜的國際研究小組先利用化學氣相沉積法制備出單層石墨烯，然后將其包覆在經(jīng)過光敏氧化處理的纖維上，成功制備出首例透明的導電石墨烯紡織纖維電極[7]635-643。ANKHILI等[9]先將聚酰胺織物、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，再嵌入內(nèi)衣織物中用于心電信號監(jiān)測。且測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過50次水洗后，棉織物電極和聚酰胺織物電極仍可獲得良好的心電信號，但聚酯織物電極獲得心電信號的能力變得較弱。

1.2 制備方法

紡織電極按照成品類型可分為機織類電極、針織類電極、非織造布電極和3D打印電極四大品種。其常用制備方法有三種：利用導電纖維或在纖維中加入導電粒子，再紡紗織造成紡織電極；利用縫紉的方法將導電紗線直接作為紡織電極縫到紡織品上；在織物表面沉積導電金屬或?qū)щ姼呔畚铮纬杉徔楇姌O。

WESTBROEK等[10]將不銹鋼纖維纏繞在黏膠纖維上進行紡紗再制作出針織類電極，且測試發(fā)現(xiàn)該電極能完整地采集心電信號。KANG[11]利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，將AgCl和銀導電墨水在非織造布表面印制信息傳感區(qū)、信號傳輸線路及其他電器元件，制得了一種性能穩(wěn)定且靈敏度較高的非織造紡織電極。SALVO等[12]利用3D打印技術(shù)快速設(shè)計并制造出一種高精度的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)，然后在其表面先濺射鈦層再濺射金層，形成了電極。且研究發(fā)現(xiàn)，該電極可以更好地與人體接觸，能有效減少因毛發(fā)存在而影響對心電信號的測量，測試精度明顯改善?？梢姡?D打印技術(shù)是實現(xiàn)低成本、快生產(chǎn)、高精度電極的重要方法之一。

2 紡織電極在心電監(jiān)測服裝設(shè)計中的應(yīng)用

近年來，隨著智能紡織產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，研究人員開始將紡織電極與電子監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用于心電監(jiān)測服裝設(shè)計，通過收集人體心電信號的變化達到疾病預(yù)警的作用。除此之外，紡織電極也開始應(yīng)用于運動狀態(tài)監(jiān)控、康復(fù)電療等領(lǐng)域。

2.1 紡織電極在健康監(jiān)測服裝設(shè)計中的應(yīng)用

隨著社會逐漸向老齡化方向的發(fā)展，能實時監(jiān)測并記錄人體醫(yī)學信號的健康監(jiān)測產(chǎn)品意義重大。日本東麗和NTT合作開發(fā)出了一款健康監(jiān)測內(nèi)衣——“hitoe”(圖1)。該內(nèi)衣內(nèi)部安裝有4處使用滲透通電高分子樹脂的聚酯紡織電極，其能持續(xù)測定心臟肌肉的活動。日本醫(yī)藥品醫(yī)療器械綜合機構(gòu)(PMDA)將該產(chǎn)品注冊為醫(yī)療器械，并認定其具有與傳統(tǒng)的心電圖測定幾乎同等水平的精度，可實現(xiàn)24 h監(jiān)測人體心電變化。浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學院張輝博士團隊利用Ag和AgCl這兩種材料制成紡織電極，并與寧波愛邦智能科技有限公司合作，開發(fā)出國內(nèi)首款心電監(jiān)測智能服飾(圖2)。該服飾緊貼人體，不會產(chǎn)生過敏現(xiàn)象，且心電圖測試精度與傳統(tǒng)醫(yī)用電極測試結(jié)果相當，還可利用洗衣機進行洗滌。WANG等[13]開發(fā)了一套智能服裝監(jiān)測平臺(圖3)，其核心部分是將紡織電極與服裝結(jié)合用于采集心電信號，然后利用傳感器節(jié)點組成集成信號處理電路和微處理器模塊，實現(xiàn)生物醫(yī)學信號向高質(zhì)量心電圖數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，最后通過網(wǎng)絡(luò)將個人資料上傳至醫(yī)院平臺，用于健康咨詢。此外，試驗還發(fā)現(xiàn)，該智能服裝耐洗牢度較好，服用性能與普通服裝相似，可在胸部獲得II型心電信號，特別適用于監(jiān)測慢性心血管疾病。

圖1 “hitoe”內(nèi)衣

圖2 國內(nèi)首款心電監(jiān)測智能服飾

圖3 智能服裝監(jiān)測平臺

WU等[14]以不同混紡比的棉/鍍銀尼龍混紡紗線為原料，利用電腦橫機織造出不同的雙層針織物，并作為紡織電極集成到T恤上，再結(jié)合小型化的無線傳感平臺采集人體心電信號。試驗效果顯示：以棉/鍍銀尼龍(30/70)混紡紗線織造的單面汗布電極，透氣性及觸覺舒適性較好，且測試精度與傳統(tǒng)醫(yī)用電極相近(圖4)。BOEHM等[15]將12個導電紡織電極取代了膠黏劑電極，放入心電監(jiān)測T恤中，并在T恤外側(cè)附加有源電路，以進一步提高紡織電極的信號收集質(zhì)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與商用Holeter監(jiān)測系統(tǒng)相比，該心電監(jiān)測T恤監(jiān)測的RR區(qū)間的相對誤差為0.96%，平均覆蓋率為96.6%，基本達到監(jiān)測要求。

圖4 單面汗布電極應(yīng)用示例(圖中“RLD”指右腿驅(qū)動程序)

2.2 紡織電極在運動監(jiān)測服裝設(shè)計中的應(yīng)用

普通大眾為保持身體健康，除采取定期體檢作為主要的預(yù)防手段外，還會養(yǎng)成堅持鍛煉身體的好習慣。但人們在鍛煉的過程中往往會缺乏對尺度的把握，導致運動過量，這不僅會造成肌肉、關(guān)節(jié)和韌帶等損傷問題，還會增加心臟負擔，導致心血管疾病突然發(fā)生。因此，開發(fā)運動監(jiān)測產(chǎn)品對人們?nèi)粘５纳眢w鍛煉具有重要的指導意義。

圖5為聯(lián)想開發(fā)的智能心電衣Smart Vest[16]，其通過編織的方式將12塊柔性織物電極織入心電衣中，產(chǎn)品可實現(xiàn)24 h不間斷地對人體心電信號進行精準采集和系統(tǒng)分析，并根據(jù)用戶在運動過程中的心律變異度(HRV)反映用戶的身體狀態(tài)。若運動過程中HRV超過某一范圍時，Smart Vest就會發(fā)出警告以提示運動風險。Sensoria健身運動文胸使用紡織電極作為傳感器，并與外部心率監(jiān)控器配合使用，可取代傳統(tǒng)的胸帶式監(jiān)控器。該文胸不僅可以精確地對運動者的心率進行準確追蹤，避免鍛煉不足或過量，還可以最大程度地保持文胸穿著的舒適性[17]。OMsignal智能服裝開發(fā)公司在運動T恤中嵌入紡織電極作為傳感器(圖6)，實現(xiàn)了在運動過程中可追蹤穿著者的心率、呼吸頻率、呼吸量、運動狀態(tài)、熱量消耗和運動強度等信息功能，對運動員在訓練過程中的身體狀態(tài)評估具有很好的指導價值[18]。

圖5 智能心電衣Smart Vest

圖6 OMsignal智能運動T恤

2.3 紡織電極在其他監(jiān)測領(lǐng)域服裝設(shè)計中的應(yīng)用

紡織電極不僅在健康監(jiān)測和運動監(jiān)測類服裝中有廣泛的應(yīng)用，在其他監(jiān)測領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用。U.阿米爾等[19]設(shè)計了一款無縫智能胎兒監(jiān)測服，其將柔性導電紡織電極編織或交織在服裝中，用于監(jiān)測孕婦和胎兒的電生命信號(包括孕婦心率、胎兒心率及子宮活動的肌動電流圖等)，分析并判斷孕婦與胎兒的健康程度，這為孕婦提供了一種可進行實時胎檢的選擇。佐治亞理工學院的研究團隊將光纖材料電極植入T恤中，設(shè)計出一款可實時監(jiān)測穿著者心電信號、體溫等生命體征的智能產(chǎn)品[20]。穿著此款產(chǎn)品的人若遇到槍擊或尖銳器具襲擊后，T恤會因被擊穿或被刺穿導致無法感受生命體征而發(fā)送遇險信號，相關(guān)部門會根據(jù)接收的信號判斷穿著者的受傷部位及受傷程度，及時制定出科學有效的救援方案。

3 紡織電極在心電監(jiān)測服裝設(shè)計中存在的問題及發(fā)展趨勢

紡織電極在心電監(jiān)測領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，其順應(yīng)了智能紡織品向小型化、一體化和舒適化方向發(fā)展的趨勢，但也存在一些問題亟待解決：

首先，與傳統(tǒng)醫(yī)用電極相比，紡織電極最大的特點是電極貼服不使用導電膠，這會導致電極與測試者的貼合程度較低，尤其是在運動狀態(tài)下，測試信號中會出現(xiàn)大量的噪聲，進而影響測試精度。運動監(jiān)測服裝在設(shè)計中往往會選擇較大的緊度，以提高服裝與人體表面的接觸程度，但緊度過大又會造成穿著者舒適度下降。因此，這類產(chǎn)品設(shè)計時需重視對服裝緊度的選擇。

其次，測試效果的可靠性有待進一步提高。準確接收心電信號對于身體健康的分析和運動過程的指導至關(guān)重要，但多數(shù)心電監(jiān)測產(chǎn)品只能很好地監(jiān)測人體靜態(tài)時的心電信號，對人體動態(tài)時的心電信號接收效果較差。這便需要在信號分析時就運動狀態(tài)進行更加詳細的分解，細化不同狀態(tài)時的心電信息，以進一步減小運動偽差所帶來的影響，優(yōu)化紡織電極的設(shè)計。

另外，紡織電極在心電監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的評價缺乏統(tǒng)一的標準。目前，常用的評價指標是阻抗，但該指標并不能全面有效地表達紡織電極的質(zhì)量，這不利于該產(chǎn)業(yè)的標準化發(fā)展。因此，有關(guān)單位可借鑒國外相關(guān)標準，同心協(xié)力制定并逐步完善標準。

4 結(jié)語

紡織電極因可長期、實時監(jiān)測人體心電信號且效果較好而廣泛應(yīng)用在心電監(jiān)測服裝設(shè)計中，但其也存在一些問題需要解決。相信，隨著心電監(jiān)測服裝產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展及市場需求的迅速增加，紡織電極作為心電監(jiān)測服裝的重要組成部分，必將迎來新的發(fā)展機遇。紡織電極制備所需的材料、一體化加工工藝及后整理技術(shù)的開發(fā)都將成為該領(lǐng)域發(fā)展的熱點。當前，我國紡織電極的研發(fā)整體水平與先進國家相比仍有不少差距，可在積極學習國外研究成果的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，逐步提高我國紡織電極的生產(chǎn)水平，增強我國心電監(jiān)測服裝產(chǎn)品在國際市場上的競爭力。