織物電極監(jiān)測(cè)心電信號(hào)與穿戴壓力作用機(jī)制分析

董 科， 張 玲， 范佳璇， 李夢(mèng)婕， 梅 琳， 肖學(xué)良

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122)

隨著生活水平的提高，人們?cè)絹碓疥P(guān)注自身的健康問題，特別是慢性心腦血管疾病。這些慢性病具有間歇性發(fā)作、瞬態(tài)異常等特點(diǎn)，需要長期的健康監(jiān)護(hù)[1]，例如，在某時(shí)間段內(nèi)連續(xù)采集心電(ECG)數(shù)據(jù)，才能及時(shí)預(yù)警慢性病導(dǎo)致的猝死事件。傳統(tǒng)醫(yī)用“粘貼式”濕電極采集ECG的數(shù)據(jù)雖然精確，但易導(dǎo)致皮膚瘙癢或過敏。另外，長期監(jiān)測(cè)的過程中，濕電極易干涸，需不斷涂抹導(dǎo)電膏，從而導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、不連續(xù)[2]?？椢镫姌O是導(dǎo)電材料通過紡織加工工藝織造的一種柔性干電極。柔軟的織物電極可較好地適應(yīng)皮膚的曲面并與其貼合，數(shù)據(jù)采集較為穩(wěn)定，且具有良好的透氣透濕及舒適性，不會(huì)引起皮膚過敏等問題[3-4]。因此，紡織結(jié)構(gòu)傳感器在人體長期生理信號(hào)的采集與監(jiān)測(cè)過程中具有較大的應(yīng)用潛力。

在監(jiān)測(cè)過程中，人體的運(yùn)動(dòng)易造成織物電極的滑移或變形，產(chǎn)生“運(yùn)動(dòng)偽跡”效應(yīng)，從而影響ECG信號(hào)的讀取。而織物電極是由導(dǎo)電紗線交織而成，織物的形變會(huì)影響其本身的阻抗[5-6]，其中穿戴壓力是重要的影響因素之一，可穿戴心電衣對(duì)織物心電電極的壓力不僅會(huì)影響織物電極與皮膚之間的有效貼合面積，還會(huì)影響導(dǎo)電織物的電學(xué)性能和監(jiān)測(cè)服裝穿戴的舒適程度[7]。

為研究穿戴壓力對(duì)織物電極采集ECG信號(hào)質(zhì)量的關(guān)系，本文開發(fā)了基于平紋和緞紋交織結(jié)構(gòu)的4種導(dǎo)電織物電極，評(píng)價(jià)了其物理性能。并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究了壓力對(duì)導(dǎo)電織物電學(xué)性能以及采集ECG質(zhì)量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 材 料

銀的導(dǎo)電性能優(yōu)于銅，并且銀的電阻率是常規(guī)導(dǎo)電金屬，如鐵和鋁的幾分之一(銀的電阻率為1.65×10-8Ω·m，銅為1.75×10-8Ω·m，鐵為9.78×10-8Ω·m)，因此，純鍍銀錦綸絲的導(dǎo)電性能也非常優(yōu)異，對(duì)采集人體皮膚表面阻抗較大而傳導(dǎo)微弱的ECG信號(hào)具有較強(qiáng)的采集性能[8]。另外，鍍銀纖維還具有抑菌除臭的功能，其織物產(chǎn)品經(jīng)長期的穿戴也不會(huì)產(chǎn)生較大的異味，是作為穿戴式織物電極較為理想的電極材料[9]。

本文使用7.8 tex的鍍銀錦綸長絲(青島亨通偉業(yè)特種織物科技有限公司)作為導(dǎo)電纖維，織造電極織物，圖1示出導(dǎo)電纖維掃描電鏡照片(JSM-6490型掃描電子顯微鏡，日本日立公司)，每根單絲上的鍍銀層厚度為100～200 nm。使用數(shù)字萬用電表(Victor VC890D型數(shù)顯式萬用表，深圳市驛生勝利科技有限公司)測(cè)得每束細(xì)絲的單位長度約為0.83 Ω/cm。另一種用于織造織物的紗線是不導(dǎo)電的11.1 tex滌綸長絲。

圖1 鍍銀錦綸絲的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM images of silver-coated nylon filament. (a) Silver-coated nylon tow; (b) Cross seciton of silver-coated nylon filament; (c) Conductive nylon filament with silver-coated layer

1.2 織物電極的制備

針織結(jié)構(gòu)由紗線成圈構(gòu)成，織物中線圈密度一般小于機(jī)織的經(jīng)緯密度，在使用過程中線圈易受到反復(fù)拉伸產(chǎn)生變形、勾絲等，因此，本文使用交織密度較大且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的機(jī)織結(jié)構(gòu)來制備導(dǎo)電織物。使用上述紗線設(shè)計(jì)平紋和緞紋2種組織，利用劍桿織機(jī)(舒美特劍桿織機(jī)Thema-super-excel)制備4塊具有不同結(jié)構(gòu)和密度的導(dǎo)電織物，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)電織物的特征參數(shù)Tab.1 Specifications of conductive woven fabrics

注：P表示平紋織物；S表示緞紋織物；C表示7.8 tex導(dǎo)電鍍銀錦綸絲束；N表示11.1 tex不導(dǎo)電滌綸；CN表示導(dǎo)電紗與不導(dǎo)電紗交織；CC表示經(jīng)緯紗均為導(dǎo)電紗。

利用數(shù)碼顯微鏡(深圳安東星科技有限公司)觀察4塊導(dǎo)電織物的形貌結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中織物的結(jié)構(gòu)、紗線密度、原料組合都會(huì)影響到織物電極的物理性能、阻抗和舒適性。由圖可看到，使用鍍銀錦綸絲與滌綸交織的導(dǎo)電面料外觀更平整、結(jié)構(gòu)更緊密、面料的孔隙更小，而織物孔隙則會(huì)影響到織物的透氣透濕等性能以及穿戴舒適性[10]。

注:嵌圖為相應(yīng)織物結(jié)構(gòu)組織放大圖。圖2 織物樣品圖Fig.2 Fabric sample

在2類交織結(jié)構(gòu)中，平紋組織導(dǎo)電織物的交織密度較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，經(jīng)緯紗不易相對(duì)滑移，其織物電極在進(jìn)行貼膚測(cè)試時(shí)，電極結(jié)構(gòu)受測(cè)試者運(yùn)動(dòng)影響較小，而緞紋組織結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電織物相鄰2根經(jīng)紗或緯紗上的單獨(dú)組織點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，在2個(gè)單獨(dú)組織點(diǎn)之間被兩側(cè)的經(jīng)(緯)浮長線所覆蓋，在織物表面都呈現(xiàn)為經(jīng)(緯)浮長線，因此質(zhì)地柔軟，舒適性較好。相對(duì)于平紋而言，緞紋交織結(jié)構(gòu)的浮線長，導(dǎo)電纖維與皮膚的有效接觸面積更大，有利于織物電極采集人體ECG信號(hào)[11]，但緞紋織物浮長過長，結(jié)構(gòu)相對(duì)不穩(wěn)定，穿戴過程中容易發(fā)生勾絲，易磨損，穿戴壽命較短。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 透氣透濕性能測(cè)試

某些慢性心腦血管疾病的檢查，需要較長時(shí)間監(jiān)測(cè)人體的ECG來完成。采集ECG信號(hào)的電極，如織物電極，需要和皮膚長時(shí)間的緊密接觸，因此電極與皮膚接觸的舒適性是病人能否接受長時(shí)間生理信號(hào)監(jiān)測(cè)的重要因素?？椢锏耐笟馔笣裥阅苁窃u(píng)價(jià)長時(shí)間貼膚穿戴電極舒適性的重要指標(biāo)。本文使用YG461E-Ⅲ型全自動(dòng)透氣量?jī)x(寧波紡織儀器廠)測(cè)試各導(dǎo)電織物的透氣性能，在織物電極的上下側(cè)施加一定的壓力差(500 Pa)，利用傳感器測(cè)量通過織物的氣流速度，根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算出每塊織物的透氣性[12]。

此外，學(xué)校還應(yīng)該借助互聯(lián)網(wǎng)手段搭建管理、教學(xué)、學(xué)習(xí)、測(cè)驗(yàn)和評(píng)價(jià)各類平臺(tái)，并逐步進(jìn)行整合，以實(shí)現(xiàn)家長多渠道多形式地參與管、教、學(xué)、測(cè)、評(píng)等活動(dòng)，構(gòu)建管、教、學(xué)、測(cè)、評(píng)數(shù)據(jù)庫。學(xué)校通過對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)教育管理和學(xué)校教育教學(xué)的科學(xué)評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)家校共育系統(tǒng)化、常態(tài)化。

另外，使用正杯法測(cè)試織物透濕性能[13]，在相同條件下將織物樣品蓋在裝有相同水量的4個(gè)紙杯上(口徑為90 mm)，在60 ℃的烘箱里進(jìn)行烘燥，每隔2 h對(duì)紙杯進(jìn)行稱量，記錄每個(gè)紙杯蒸發(fā)損失水的質(zhì)量，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)紙杯內(nèi)水的蒸發(fā)質(zhì)量的多少來評(píng)估電極織物的透濕性。

2.2 皮膚-電極接觸阻抗測(cè)試

阻抗測(cè)量是評(píng)價(jià)基于織物電極對(duì)人體生物信號(hào)采集性能的重要步驟，目前測(cè)試方法主要有直接測(cè)量法、參比測(cè)量法和模擬皮膚測(cè)量法，本文實(shí)驗(yàn)采用由Thilagavathi G等[14]提出的參比測(cè)量法，即間接測(cè)量法，是應(yīng)用參照電極通過公式換算，間接測(cè)量皮膚-電極接觸阻抗的方法，使用數(shù)字萬用表測(cè)量皮膚-電極阻抗[15]。使2個(gè)相同的商業(yè)粘貼式凝膠電極(上海鈞康醫(yī)用設(shè)備有限公司)作為參照電極。等效電路的皮膚電極模型如圖3所示。RA、RB、RD分別表示參照電極A、電極樣品B和參照電極D的皮膚-電極阻抗。

圖3 皮膚-電極阻抗測(cè)量原理圖Fig.3 Principle of skin-electrode impedance measurement

其中Z1和Z2表示參考電極和未知電極之間的人體電阻，RA和RD分別表示了皮膚和參照電極的界面阻抗。RB為皮膚與未知電極的界面阻抗，ZAB、ZBD和ZAD為各電極之間的阻抗。此時(shí)未知的織物電極為目標(biāo)織物電極。未知電極被放置在2個(gè)參照電極的中間，使L1=L2。由于使用了相同的參考電極則RA=RD，計(jì)算公式如下。

利用數(shù)字萬用表對(duì)測(cè)試點(diǎn)“A”和“B”、“B”和“D”、“A”和“D”之間的阻抗進(jìn)行測(cè)試。

2.3 織物方阻與壓力的關(guān)系測(cè)試

在可穿戴心電監(jiān)測(cè)服裝中，穿戴壓力會(huì)使織物電極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響織物的導(dǎo)電性能。導(dǎo)電織物的方阻是導(dǎo)電織物導(dǎo)電性能的重要評(píng)價(jià)方法，本文采用RPM-440g型薄膜壓力測(cè)試儀(上海瑞若測(cè)控公司)和DMR-1C型方阻儀(南京達(dá)明儀器有限公司)，在測(cè)試壓力對(duì)導(dǎo)電織物方阻影響時(shí)，材料放置順序如圖4(a)所示，從下到上依次為薄膜壓力傳感器、導(dǎo)電織物、四探針方阻儀(導(dǎo)電織物受壓部分為1 cm2)。測(cè)試時(shí)，將方阻儀探頭與薄膜壓力傳感器對(duì)齊，緊壓在導(dǎo)電織物上，如圖4(b)所示，緩慢增加施加在導(dǎo)電織物上的壓力，記錄不同壓力下導(dǎo)電織物的面電阻變化。

圖4 織物面外壓力與方阻的測(cè)試Fig.4 Test of surface pressure and surface resistance of fabric; (a) Test model diagram; (b) Fabric surface pressure and resistance test

2.4 可穿戴心電服裝監(jiān)測(cè)人體ECG

本文課題組前期自行研發(fā)了一套用于記錄人體電位的專用可穿戴心電監(jiān)測(cè)衣及其系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)采集人體的ECG信號(hào)。該系統(tǒng)主要由柔性傳感器(主要為織物電極)、集成硬件平臺(tái)和顯示終端3部分組成，如圖5所示。該系統(tǒng)的主體是中央處理器HKD-10模塊、信號(hào)濾波器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換和無線通信模塊。整個(gè)硬件平臺(tái)是通過濾波和放大電路構(gòu)造的，附加由深圳善行醫(yī)療科技有限公司開發(fā)的一款A(yù)PP軟件，可在移動(dòng)終端觀測(cè)到實(shí)時(shí)采集的ECG信號(hào)。

圖5 可穿戴心電衣及其采集系統(tǒng)Fig.5 Wearable ECG acquisition system. (a) Wearable ECG signal monitoring system schematic diagram; (b) Belt wearable ECG collection clothing

該系統(tǒng)中，ECG信號(hào)的記錄速度為25 mm/s。此外，該ECG監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用松緊度可調(diào)節(jié)的束身帶，如圖5(b)所示。為使織物電極與人體皮膚緊密接觸且面積最大化，將開發(fā)的導(dǎo)電織物制成枕狀的心電電極(4 cm×4 cm)，中間填充了一層透氣薄海綿，將織物電極通過金屬按鈕與硬件平臺(tái)連接。

通過三導(dǎo)聯(lián)模式對(duì)人體進(jìn)行ECG標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，三點(diǎn)排列關(guān)系如圖5(a)所示，得到的ECG大致沿心軸方向。這種方法在臨床上普遍采用，可獲得較高質(zhì)量的ECG[16]。在本文研究中，2個(gè)相同的電極被放置在靠近心臟的胸部表面(R1和R2)，對(duì)于每個(gè)特定的織物電極而言，其導(dǎo)電織物一側(cè)與人體皮膚相連，另一側(cè)通過金屬鈕扣和導(dǎo)線連接到微型硬件平臺(tái)上。

3 結(jié)果與討論

3.1 導(dǎo)電織物的物理性能

透氣性是指特定氣壓下，織物抵抗氣流穿透的能力，是織物最基本的物理性能，主要影響織物的穿著舒適性。

各導(dǎo)電織物的透氣性測(cè)試結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，緞紋織物(SCN、SCC)的透氣性高于平紋織物(PCN、PCC)，因?yàn)槠郊y織物組織點(diǎn)多，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，緞紋織物浮長較長，結(jié)構(gòu)松散，相同經(jīng)緯密下，不如平紋結(jié)構(gòu)緊密。含滌綸半導(dǎo)電織物PCN和SCN的透氣性低于純導(dǎo)電織物PCC和SCC，因?yàn)闇炀]的線密度為11.1 tex，粗于鍍銀錦綸長絲(7.8 tex)，同時(shí)4種織物的經(jīng)緯密相同，在織物數(shù)字顯微鏡下的放大圖(見圖2)可看出，含滌綸織物的孔隙尺寸小于純導(dǎo)電織物的孔隙，因此純導(dǎo)電織物的透氣性較好。

表2 導(dǎo)電織物性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Tested conductive fabric performance

織物的透濕性是服裝熱舒適性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，由測(cè)試數(shù)據(jù)分析可見，半導(dǎo)電織物 PCN、SCN的透濕性能低于純導(dǎo)電織物PCC、SCC，而相同材料的織物PCN與SCN之間，PCC與SCC之間的透濕性能相差不大，說明組織結(jié)構(gòu)對(duì)透濕性能影響較小。綜合各織物電極的透氣透濕性能得出，緞紋結(jié)構(gòu)的純導(dǎo)電織物的舒適性能優(yōu)于平紋結(jié)構(gòu)織物。

3.2 穿戴壓力對(duì)導(dǎo)電織物方阻的影響

穿戴壓力與織物方阻的關(guān)系測(cè)試結(jié)果如圖6所示。其大小與導(dǎo)電材料種類及厚度有關(guān)，與樣品尺寸無關(guān)。由圖可見，隨著穿戴壓力的增加，4塊導(dǎo)電織物的方阻變化具有相似的趨勢(shì)，在初始階段(0～1 N)快速下降，高于某值(1 N)后緩慢下降，當(dāng)壓力達(dá)到一定值后，織物的方阻趨于穩(wěn)定(PCN，SCN，PCC，SCC的穩(wěn)定值分別為12.81、5.01、0.122、0.118 Ω/□)。這是由于初始?jí)毫χ迪?，織物處于自然松弛的狀態(tài)，隨著壓力增大，織物中的紗線之間貼合越來越緊密，單位體積內(nèi)的導(dǎo)電紗含量增多，導(dǎo)電紗之間的接觸面積增加，為纖維內(nèi)部電子的遷移提供了有利條件，織物的方阻減小。當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，織物結(jié)構(gòu)處于最緊密的狀態(tài)，此時(shí)織物的方阻趨于某個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。

圖6 導(dǎo)電織物樣品所受壓力與方阻的關(guān)系Fig.6 Relationship between pressure and resistance of conductive fabric samples. (a) Semi-conductive fabrics; (b) Pure conductive fabrics

可見，在壓力較大(2 N)使織物的方阻處于穩(wěn)定值時(shí),以滌綸作緯紗的半導(dǎo)電織物PCN和SCN的方阻遠(yuǎn)大于純導(dǎo)電織物PCC和SCC，而在相同材料不同組織的半導(dǎo)電織物里，緞紋織物顯示出比平紋織物更好的導(dǎo)電性能，這是由于在平紋組織中，交織密度大，導(dǎo)電紗線在織物中的屈曲波高較大，織物處于高階結(jié)構(gòu)相。相反，緞紋交織密度小，平均浮長較大，單位長度織物內(nèi)導(dǎo)電紗線較短，電荷移動(dòng)路徑短，相較于平紋組織，緞紋組織在織物一側(cè)表面存在較多的導(dǎo)電紗浮線。然而，平紋和緞紋的純導(dǎo)電織物均表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性，組織結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性影響較小。

另外，比較材料相同而組織結(jié)構(gòu)不同的織物(含滌綸的半導(dǎo)電織物PCN和SCN，純導(dǎo)電織物PCC和SCC)的擬合時(shí)，平紋織物在壓力為零時(shí)方阻高于緞紋織物，并且在壓力開始增加的階段電阻迅速下降直至穩(wěn)定，而緞紋織物的下降相對(duì)較為緩慢，平紋織物在0.4 N左右的壓力下就達(dá)到最小值，而緞紋織物在2 N左右才達(dá)到穩(wěn)定，這是由于平紋組織的織物組織點(diǎn)多本身結(jié)構(gòu)緊密，在壓力作用下很快就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，緞紋織物浮長較長，織物結(jié)構(gòu)松軟，在壓力作用下易產(chǎn)生滑移，故方阻隨壓力的變化較為緩慢。

3.3 皮膚-織物電極的阻抗關(guān)系

比較所開發(fā)的織物電極之間的皮膚電極阻抗，在固定電極與參照電極之間的距離(5 cm)測(cè)試的條件下，由表2可發(fā)現(xiàn)，相同尺寸的織物電極，緞紋織物電極的電極-皮膚阻抗要比相同密度的平紋織物電極的電極-皮膚阻抗小得多，這是因?yàn)槠郊y織物的交織點(diǎn)最多，與皮膚間大多為點(diǎn)接觸，而緞紋織物有一定長度的浮長，導(dǎo)致電極和皮膚間的有效接觸面積增大，而比較相同織物參數(shù)下PCN、PCC與BCN、BCC的電極-皮膚阻抗說明，不導(dǎo)電紗在織物中的應(yīng)用會(huì)顯著增加阻抗。

3.4 穿戴壓力與ECG之間的關(guān)系分析

使用自制的帶式ECG監(jiān)測(cè)服裝測(cè)試4類織物電極分別在不同壓力下的ECG，根據(jù)導(dǎo)電織物面外壓力對(duì)織物方阻的測(cè)試結(jié)果，在0～1 N之間，導(dǎo)電織物的阻抗變化是隨壓力增加而顯著變化的，而在壓力大于1 N時(shí)織物的方阻趨于穩(wěn)定，導(dǎo)電織物壓力為1 N時(shí)，此時(shí)導(dǎo)電織物受到對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)為10 kPa，因此服裝的穿戴壓力范圍選擇在0～10 kPa之間。又如2.4節(jié)所述，舒適服裝壓力范圍為1.96～3.92 kPa，不舒適的服裝壓力臨界值介于5.88～9.81 kPa，結(jié)合受試者主觀評(píng)價(jià)，將測(cè)試壓力分為舒適(2 kPa)，較緊繃(5 kPa)，不舒適(10 kPa)。對(duì)于4種不同的織物電極，ECG質(zhì)量與壓力變化具有相同的趨勢(shì)，在壓力為2 kPa時(shí)，此時(shí)ECG可觀測(cè)到明顯的波形，但噪音較大，基線振幅較大，ECG的質(zhì)量比較差，增加壓力到5 kPa后，ECG噪音有明顯的下降，基線的振幅明顯下降，在10 kPa時(shí)，基線振幅最小，可采集到較好的ECG信號(hào)，有2方面的原因：1)穿戴壓力增加，導(dǎo)電織物壓力增加，織物電極電阻的減小，采集的ECG信號(hào)更好，這與導(dǎo)電織物面外壓力與面外電阻的變化關(guān)系是對(duì)應(yīng)的，在面外壓力為0～1 N時(shí)(對(duì)應(yīng)的穿戴壓力為0～10 kPa)，隨著壓力增加導(dǎo)電織物的方阻是減小的；2)導(dǎo)電紗在織物中都處于屈曲的狀態(tài)，在較小的穿戴壓力下(2 kPa)導(dǎo)電紗與皮膚間的接觸不完全，會(huì)影響ECG信號(hào)的質(zhì)量，隨穿戴壓力的增加，使織物電極緊貼于皮膚表面，導(dǎo)電紗與皮膚間的有效接觸面積變大，因此ECG信號(hào)質(zhì)量上升。圖7示出導(dǎo)電織物制備的織物電極采集到的電信號(hào)。

注：每組圖中分別測(cè)試了3種壓力下(2、5、10 kPa)的心電圖，心電圖中每一小格表示1 mV。圖7 導(dǎo)電織物制備的織物電極采集到的心電信號(hào)Fig.7 ECG signals collected by fabric electrodes prepared from conductive fabrics

對(duì)比純導(dǎo)電織物電極與半導(dǎo)電織物電極，純導(dǎo)電織物電極PCC、SCC在3種壓力(2、5、10 kPa)狀態(tài)下的心電圖質(zhì)量均明顯優(yōu)于含滌綸的半導(dǎo)電織物電極，這是由于0～10 kPa的穿戴壓力(對(duì)應(yīng)導(dǎo)電織物面外壓力0～1 N)時(shí)，相同壓力下含滌綸的半導(dǎo)電織物的方阻是顯著大于純導(dǎo)電織物的，說明不導(dǎo)電紗的引入會(huì)明顯影響心電信號(hào)質(zhì)量；對(duì)比平紋織物電極(PCN、PCC)和緞紋織物電極(SCN、SCC)，平紋織物電極在2、5 kPa壓力下，具有更好的ECG質(zhì)量。這是因?yàn)槠郊y組織比緞紋組織結(jié)構(gòu)的織物結(jié)構(gòu)緊密穩(wěn)定，可在施加較小壓力的條件下電極的阻抗達(dá)到最小值，并且在對(duì)應(yīng)面外壓力與方阻測(cè)試中，在0～1 N的面外壓力(對(duì)應(yīng)穿戴壓力為0～10 kPa),相同壓力下平紋導(dǎo)電織物的方阻均小于緞紋導(dǎo)電織物，而緞紋結(jié)構(gòu)電極織物的阻抗則需要更大的穿戴壓力才能達(dá)到其最小值。

4 結(jié) 論

本文開發(fā)了2種交織結(jié)構(gòu)的純導(dǎo)電/含滌綸(半導(dǎo)電)的4塊織物并制成織物電極，研究了穿戴壓力對(duì)采集人體ECG信號(hào)質(zhì)量之間的關(guān)系。結(jié)果表明，隨穿戴壓力增加，導(dǎo)電織物方阻降低，采集ECG信號(hào)質(zhì)量越好；在較小的穿戴壓力時(shí)(2 kPa)，不導(dǎo)電滌綸紗的引入會(huì)明顯降低ECG的信號(hào)質(zhì)量，需要提供更大的穿戴壓力來提高ECG的信號(hào)質(zhì)量；在較緊繃穿戴壓力下(5 kPa)，平紋結(jié)構(gòu)電極比緞紋結(jié)構(gòu)電極表現(xiàn)出更好的ECG信號(hào)質(zhì)量，而繼續(xù)增加穿戴壓力，到不舒適的穿戴壓力下(10 kPa)4種導(dǎo)電織物電極都表現(xiàn)出良好的采集心電信號(hào)的能力。

相同材料和經(jīng)緯密下的緞紋織物透氣透濕性能優(yōu)于平紋織物，純導(dǎo)電織物比含滌綸紗線的半導(dǎo)電織物的透濕性能要好，純導(dǎo)電緞紋織物在4種織物中表現(xiàn)出更好的舒適性；隨著導(dǎo)電織物的面外壓力增加，當(dāng)面外壓力在0～1 N逐步增加時(shí)，各導(dǎo)電織物的方阻均發(fā)生顯著變化，在壓力增加到1 N以后各導(dǎo)電織物的方阻均趨于穩(wěn)定，并且在充分壓力條件下，純導(dǎo)電織物均表現(xiàn)出較小的方阻，這與不同穿戴壓力下采集到的ECG信號(hào)的質(zhì)量變化是對(duì)應(yīng)的。相比較而言，平紋結(jié)構(gòu)電極的皮膚-電極阻抗較緞紋結(jié)構(gòu)電極大，添加不導(dǎo)電滌綸紗會(huì)使織物電極的皮膚-電極阻抗明顯增加。有必要在穿戴壓力和不同織物結(jié)構(gòu)之間找出一個(gè)平衡點(diǎn)，使得織物電極既可獲得良好的心電圖信號(hào),又具有良好的舒適性。

紡織結(jié)構(gòu)柔性干電極因其舒適、透氣和導(dǎo)電性等特點(diǎn)，可長期用于監(jiān)測(cè)人體生理信號(hào)，并且對(duì)目前蓬勃發(fā)展的可穿戴電子產(chǎn)品具有重要意義，但完善目前的技術(shù)還需繼續(xù)深入研究。

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