織物電極在生物電信號(hào)監(jiān)測(cè)中的研究進(jìn)展

張贏心，徐 磊，王大偉，李 楠，楊云飛

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

近年來(lái)中國(guó)居民期望壽命和健康期望壽命均明顯上升，但是全球醫(yī)療健康系統(tǒng)仍然面臨著人口老年化、慢性病和心腦血管疾病患者數(shù)量呈上升趨勢(shì)發(fā)展的問(wèn)題[1]。生物電信號(hào)作為人體最基本的生理信號(hào)之一，通過(guò)對(duì)其監(jiān)測(cè)可以對(duì)多種生理疾病進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷。此外，生物電信號(hào)還能應(yīng)用于腦機(jī)接口、康復(fù)醫(yī)學(xué)、睡眠監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[2]。對(duì)于生物電信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)期遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的可穿戴電極引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究關(guān)注[3-4]。

電極用于捕捉人體生物電信號(hào)，是生物離子信號(hào)與電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換連接樞紐[5]。傳統(tǒng)心電信號(hào)監(jiān)測(cè)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(yīng)用于臨床和科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。但是這類電極長(zhǎng)期使用時(shí)導(dǎo)電凝膠容易干涸，從而導(dǎo)致電極與皮膚的接觸阻抗增大，在使用過(guò)程中需要反復(fù)涂抹且容易導(dǎo)致皮疹和過(guò)敏[6]。織物電極是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種非侵入性柔性干電極，其具有柔性可彎曲、可長(zhǎng)期重復(fù)使用、透氣、吸濕后可減小皮膚與電極的接觸阻抗等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)易于集成到服裝中，用于健康監(jiān)測(cè)時(shí)，舒適便攜且服裝的外觀不突兀[7]。

本文將對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在制備織物電極時(shí)所采用的方法、材料、結(jié)構(gòu)，以及具體應(yīng)用等方面的研究進(jìn)行討論，對(duì)以后織物電極的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 織物電極的材料、織物結(jié)構(gòu)與制備方法

織物電極通過(guò)捕捉皮膚電位變化信號(hào)，轉(zhuǎn)化、處理和傳導(dǎo)，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(dǎo)電材料，基底材料通常選用各種織物作為導(dǎo)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(dǎo)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(dòng)植物和部分化學(xué)纖維，常用的基底材料以及其各自優(yōu)點(diǎn)見(jiàn)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(yōu)點(diǎn)，制作出用于檢測(cè)人體腦電圖和出汗率的織物電極，其在記錄腦電圖信號(hào)的同時(shí)，可以有效地吸收人體汗液，防止電極之間短路，并進(jìn)一步將汗液作為電解質(zhì)來(lái)降低接觸阻抗以增強(qiáng)導(dǎo)電性。由于纖維紗線間沒(méi)有永久接觸，阻抗高于標(biāo)準(zhǔn)金屬導(dǎo)體的阻抗，故為了實(shí)現(xiàn)紡織導(dǎo)體的最佳信號(hào)傳輸，需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)以獲得盡可能小的阻抗[15]，如選用合適的組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)緯紗密度等。

表2 常用的基底材料及優(yōu)點(diǎn)[2,17]Tab.2 Common base materials and advantages[2,17]

1.2 織物結(jié)構(gòu)

機(jī)織、針織、非織造、刺繡等結(jié)構(gòu)都是生物信號(hào)監(jiān)測(cè)用織物電極常見(jiàn)的組織結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)。不同的織物成形技術(shù)可以提供不同的感測(cè)功能[18]。許鵬俊等[19]制備了不同織物結(jié)構(gòu)的電極，通過(guò)分析其電化學(xué)阻抗譜可知，當(dāng)掃描頻率范圍為0.01～1000 Hz時(shí)，不同結(jié)構(gòu)的阻抗值從小到大依次為：刺繡毛圈、刺繡平紋、針織平紋、機(jī)織平紋。原因是刺繡織物因?yàn)槊Y(jié)構(gòu)有效減弱人體體毛的影響，通過(guò)增大紡織結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)不同的經(jīng)緯紗密度也會(huì)影響織物中紗線的排列規(guī)律和緊密程度，形成不同的織物表面風(fēng)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(duì)于紡織電極阻抗的影響，袁會(huì)錦等[20]研究了由3種長(zhǎng)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(fā)現(xiàn)，3種織物的阻抗都隨著頻率測(cè)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(dǎo)電材料

織物電極材料一般采用導(dǎo)電紗線或者直接在織物上涂覆導(dǎo)電漿料使其獲得導(dǎo)電性，鑒于生物信號(hào)監(jiān)測(cè)用織物電極低阻抗，高導(dǎo)電，低噪聲，長(zhǎng)期穩(wěn)定性這些基本要求[21]，可將導(dǎo)電材料分為金屬、碳基材料以及導(dǎo)電聚合物等[22]。Tallgren等[23]表征了6種不同的金屬導(dǎo)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(wěn)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(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，同時(shí)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(guò)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(dǎo)電紡織品電極，實(shí)驗(yàn)表明該電極的信號(hào)準(zhǔn)確度和接觸阻抗與傳統(tǒng)Ag/AgCl電極相比顯示出良好的相關(guān)性。導(dǎo)電聚合物聚吡咯憑借其在高聚物中良好的導(dǎo)電性能和環(huán)境穩(wěn)定性，以及質(zhì)量輕、成本低和無(wú)毒性的特點(diǎn)，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(xiàn)有的織物電極制備工藝包括，將導(dǎo)電紗線機(jī)織、針織和刺繡到傳統(tǒng)織物上，或者通過(guò)絲網(wǎng)印刷、電化學(xué)鍍和在織物表面浸涂導(dǎo)電材料等方法賦予織物導(dǎo)電性能[19]，具體工藝如圖1所示。機(jī)織電極屈曲較少同時(shí)具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(dòng)偽跡，但由于其獨(dú)特的線圈結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致動(dòng)態(tài)條件下電極電導(dǎo)率波動(dòng)大；刺繡電極可以直接設(shè)計(jì)成型，且較針織機(jī)織電極阻抗低；絲網(wǎng)印刷是一種將導(dǎo)電漿料透過(guò)模板在紡織品上形成一定圖案的技術(shù)，可以在局部特定位置直接沉積導(dǎo)電材料[30]；化學(xué)鍍實(shí)質(zhì)上是氧化還原化學(xué)反應(yīng)[31]，其織物鍍層不受基底材料的結(jié)構(gòu)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(dǎo)電的穩(wěn)定性；浸涂是對(duì)紗線或織物進(jìn)行涂層的最簡(jiǎn)單的方法之一，但隨著使用時(shí)間和水洗次數(shù)的增加，浸涂、印刷等方法制備的織物電極會(huì)有導(dǎo)電層脫落的可能，這會(huì)導(dǎo)致織物電極的電阻增大，從而影響生物電信號(hào)采集的準(zhǔn)確性[32]；氣相聚合可以在不同形貌織物表面進(jìn)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(jiān)測(cè)過(guò)程中與人體接觸有限面積的大小，故尺寸的改變對(duì)其性能會(huì)有很大的影響。Marozas等[37]將薄鍍銀尼龍導(dǎo)電織物電極與常規(guī)銀/氯化銀電極在測(cè)量心電信號(hào)方面的性能進(jìn)行了比較，實(shí)驗(yàn)使用的紡織電極面積分別為1、2、4、8 cm2和16 cm2。結(jié)果表明：織物電極在極低頻段(0～0.67 Hz)產(chǎn)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(huì)對(duì)心電圖的低頻頻譜內(nèi)容造成明顯失真。然而對(duì)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(zhǎng)為3、5、7 cm的正方形鍍銀滌綸織物電極，測(cè)試后數(shù)據(jù)顯示織物電極在佩戴6 h后，銀/氯化銀與上述規(guī)格電極的接觸阻抗分別為22.7、19.8、19.5、17.2 kΩ，結(jié)果表明：電極面積的增大會(huì)導(dǎo)致電極與皮膚的接觸電阻減小而采集到的心電信號(hào)強(qiáng)度增大，但電極面積過(guò)大則會(huì)使信號(hào)精確度減小。

織物心電電極作為檢測(cè)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(hào)監(jiān)測(cè)過(guò)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(jié)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(yīng)，相比之下，圓形電極更適合生物信號(hào)監(jiān)測(cè)用電極形狀。

2 織物電極在生物電信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

可穿戴生物信號(hào)監(jiān)測(cè)用電級(jí)應(yīng)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(yīng)用于皮膚的各種類型的電極。用于健康相關(guān)應(yīng)用的織物電極能夠監(jiān)測(cè)生理參數(shù)，如心電、腦電、肌電和眼電等[33]?？椢镫姌O/皮膚的結(jié)構(gòu)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(shì)，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(hào)先經(jīng)過(guò)人體組織傳遞到體表，然后在電極—皮膚界面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使得離子和電子發(fā)生交換。即體內(nèi)離子電流傳輸轉(zhuǎn)換為外部電子設(shè)備的電子傳輸。

圖2 織物電極/皮膚的結(jié)構(gòu)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(jiān)測(cè)

心電信號(hào)是一種最大幅值不超過(guò)5 mV、頻率范圍在0.05～100 Hz之間的低頻生物電信號(hào)[40]。由于身體相當(dāng)于一個(gè)充滿含水電解質(zhì)的容器，心電信號(hào)可以在身體的所有部位被檢測(cè)到，即在皮膚的不同點(diǎn)上都可以測(cè)量出產(chǎn)生的電勢(shì)差[41]。在日常生活中長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)心臟狀況，通過(guò)分析心臟活動(dòng)時(shí)心肌激動(dòng)產(chǎn)生的心電圖信號(hào)，可以預(yù)防心腦血管等疾病的發(fā)生。

張煥煥等[42]提出以燈芯絨織物為基材，采用化學(xué)鍍法在織物表面沉積導(dǎo)電銀層制得傳感器，并組裝成織物電極用于心電信號(hào)監(jiān)測(cè)，電極結(jié)構(gòu)圖如圖3(a)所示。該測(cè)試結(jié)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(shí)可測(cè)得與濕電極相似的心電信號(hào)。Nigusse等[33]開(kāi)發(fā)了由棉和聚酯針織面料絲網(wǎng)印刷銀墨水的織物電極，電極測(cè)試擺放位置如圖3(b)所示。數(shù)據(jù)顯示棉、聚酯和銀/氯化銀電極采集信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)及擺放位置示意Fig.3 Schematic diagram of fabric electrode structure and placement position

2.2 腦電監(jiān)測(cè)

從大腦皮層采集的腦電信號(hào)可以直接反映人體運(yùn)動(dòng)的意圖決策，是一種非平穩(wěn)的微弱生理電信號(hào)[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(jiān)測(cè)用電極通常用作記錄小振幅、低頻率范圍的生物電位信號(hào)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)用于醫(yī)學(xué)和腦機(jī)接口應(yīng)用，如駕駛員警惕性評(píng)估，游戲控制，睡眠監(jiān)測(cè)，情緒和注意力識(shí)別和大腦相關(guān)疾病診斷和治療。Shu等[44]設(shè)計(jì)了用于額部腦電圖測(cè)量的多層吸汗柔性織物干電極，電極由導(dǎo)電泡沫、導(dǎo)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(shù)值變化如圖4所示。數(shù)據(jù)顯示，該電極在8 h內(nèi)阻抗變化很小，約為5 kΩ，具有較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，適合連續(xù)測(cè)量。此外與初始值相比，第8 h的阻抗沒(méi)有增加，這也反映了干電極相對(duì)于濕電極的優(yōu)勢(shì)。

圖4 腦電圖測(cè)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(wǎng)印刷銀/氯化銀涂層、導(dǎo)電吸汗海綿和柔性尖齒組成。當(dāng)輕輕按壓時(shí)，柔性尖齒會(huì)刺穿部分高阻抗的皮膚角質(zhì)層，從而顯示出較小的極化電壓、相對(duì)較低的電極-皮膚之間的電阻和良好的穩(wěn)定性。

2.3 肌電監(jiān)測(cè)

肌電信號(hào)是由肌肉產(chǎn)生的一種可由表面電極捕獲的電信號(hào)，它記錄了肌肉受到刺激時(shí)產(chǎn)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(hào)與心電等信號(hào)不同，由于電極下方的肌肉運(yùn)動(dòng)容易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影，肌電信號(hào)的采集受限于測(cè)試肌肉的皮膚表面，其一般應(yīng)用于肌肉損傷診斷、康復(fù)醫(yī)學(xué)及體育運(yùn)動(dòng)等方面的研究，其中一項(xiàng)重要和典型的應(yīng)用為用表面肌電信號(hào)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(hào)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(xùn)練時(shí)間，且提高使用的便利性，張志勇[49]選擇銅基鍍銀導(dǎo)電布制備織物電極，導(dǎo)電布內(nèi)部襯一層致密的PE泡綿,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。該電極既保證了織物的柔軟程度，又不會(huì)因?yàn)榕菥d過(guò)于酥松引起電極間距的變化而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽跡。

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

2.4 眼電監(jiān)測(cè)

眼電信號(hào)分為水平眼電信號(hào)和垂直眼電信號(hào)，可準(zhǔn)確反映出眼部動(dòng)作，兩者的幅值變化分別由眼球運(yùn)動(dòng)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(cè)試周期一般超過(guò)2 h，該類產(chǎn)品設(shè)計(jì)更突出長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試條件下的舒適性。眼電監(jiān)測(cè)在嗜睡研究、情緒狀態(tài)以及認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和精神障礙診斷方面有潛在的應(yīng)用[51]。為了方便采集人體眼電信號(hào)進(jìn)行睡眠實(shí)時(shí)檢測(cè)，侯沖[52]設(shè)計(jì)并制作織物電極嵌入在睡眠眼罩中用于眼電信號(hào)采集，其結(jié)構(gòu)圖與電極位置圖如圖6所示，該導(dǎo)電織物的平均電阻率為0.6 D/cm2，具有良好的導(dǎo)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(tái)測(cè)試，可分辨不同的眼球運(yùn)動(dòng)特征，數(shù)字濾波可以有效去掉織物電極拾取的高頻噪聲，驗(yàn)證織物電極采集眼電信號(hào)的可行性和有效性。盡管基于眼電信號(hào)的眼動(dòng)跟蹤系統(tǒng)不斷發(fā)展，但其全部潛力尚未得到充分認(rèn)識(shí)，仍有改進(jìn)的空間。

圖6 睡眠眼罩結(jié)構(gòu)與電極擺放位置示意Fig.6 Schematic diagram of sleep mask structure and electrode placement

3 結(jié)論與展望

織物電極成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，其具有易于與服裝相結(jié)合，方便拆卸、洗滌、柔軟可長(zhǎng)期重復(fù)使用且收集的電信號(hào)質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)銀/氯化銀電極相當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了穿戴式人體生物電信號(hào)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。但其仍存在皮膚與電極之間接觸阻抗高、運(yùn)動(dòng)偽影、噪聲大等問(wèn)題，在未來(lái)研究中可以做出如下改進(jìn)：

a)在制備織物電極時(shí)采用恰當(dāng)?shù)墓に?，如在電極表面進(jìn)行改性處理，形成柔性空間陣列導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，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(shù)，減小滑動(dòng)偽跡和接觸阻抗以獲得更加優(yōu)異的性能指標(biāo)。

b)在監(jiān)測(cè)性能完善的基礎(chǔ)上，織物電極的另一個(gè)預(yù)期要求是其耐水洗牢度和可重復(fù)使用性，故通過(guò)大量水洗測(cè)試確定紡織電極可重復(fù)使用性的最佳洗滌范圍，以保證信號(hào)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，是科研人員下一步的重點(diǎn)研究方向。