心電信號在智能服裝領(lǐng)域發(fā)展應(yīng)用

摘 要：探討心電信號在智能服裝領(lǐng)域的應(yīng)用進展。闡述了心電信號的產(chǎn)生機理、采集以及分析方法。結(jié)合心電信號對心理情緒和生理狀態(tài)的反映，分析了心電信號在智能情緒識別服、智能健康監(jiān)測服和智能防護服領(lǐng)域的應(yīng)用。討論了目前基于心電信號監(jiān)測的智能服裝系統(tǒng)研究的重難點――提高智能心電信號檢測設(shè)備的采集準確性和洗滌耐用性。最后，總結(jié)了心電信號技術(shù)在智能服裝領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀以及有待解決的問題。

關(guān)鍵詞：心電信號；心率變異性；智能情緒識別服；智能健康監(jiān)測服；智能防護服

中圖分類號：TS941.19 文獻標識碼：C 文章編號：1674-2346（2024）03-0049-07

The Development and Application of ECG Signals

in the Field of Intelligent Clothing

LI Zhenzhen LI Yanmei

（College of Textiles and Clothing，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）

Abstract： This article explores the application progress of ECG signals in the field of intelligent clothing.It elaborates the generation mechanism，acquisition and analysis methods of ECG signals.Combined with the reflection of ECG signals on psychoemotional and physiological states，it analyzes the application of ECG signals in the fields of intelligent emotion recognition clothing，intelligent health monitoring clothing，and intelligent protective clothing.It discusses the major difficulties in the current research of intelligent clothing system based on ECG signal monitoring，that is，improving the acquisition accuracy and washing durability of intelligent ECG signal detection equipment.Finally，it summarizes the application status and problems to be solved in the field of intelligent clothing.

Key words：ECG signals;HRV;intelligent emotion recognition clothing;intelligent health monitoring clothing;intelligent protective clothing

心電信號（Electrocardiogram，ECG）是心臟的無數(shù)心肌細胞電活動的綜合反映，在一定程度上展現(xiàn)了心臟的工作狀態(tài)[1]。所以，對心臟病變的醫(yī)學(xué)判斷與處理有著十分關(guān)鍵的參考價值。近年來，人們逐漸了解到自主神經(jīng)系統(tǒng)（交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)）對心臟的功能及電生理活動起著重要的作用[2]。心率變異性（Heart rate variability，HRV）是心臟在不同時間點之間心跳間隔的變化，它體現(xiàn)了心臟自主調(diào)節(jié)機制對身體內(nèi)外環(huán)境變化的應(yīng)對能力，是非侵入性測量自主神經(jīng)系統(tǒng)活性和均衡性的重要工具之一[3]。自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控人體方方面面，因此HRV分析不僅幫助判斷心血管疾病的病情及預(yù)防，也能反映個人的情緒變化和生理狀態(tài)[4]，在情緒識別、健康監(jiān)測、個人防護等智能服裝領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

科技的進步推動了智能產(chǎn)品的發(fā)展和應(yīng)用，智能服裝也因此被大眾所熟知?；诩{米纖維技術(shù)的智能服裝中內(nèi)置小型生物傳感器，通過獲取心電圖（ECG）等生物信號，可用于更好的醫(yī)療保健，包括肥胖控制、睡眠監(jiān)測以及慢性病預(yù)防和護理。傳感元件與服裝的集成能夠持續(xù)地監(jiān)測生理信號并快速做出響應(yīng)，為用戶的身心舒適帶來了極大的益處。本文將結(jié)合心電信號對人體狀態(tài)的反應(yīng)，分析心電信號在智能情緒識別服、智能健康監(jiān)測服和智能防護服領(lǐng)域的應(yīng)用，討論基于心電信號監(jiān)測的智能服裝系統(tǒng)的研究重難點，展望其在智能服裝領(lǐng)域的更多應(yīng)用趨勢和思路。

1 心電信號的產(chǎn)生、處理和分析

1.1 產(chǎn)生機理

心電信號的產(chǎn)生與心肌細胞的去極化和復(fù)極化過程有著內(nèi)在的聯(lián)系。在極化狀態(tài)下，細胞膜在細胞內(nèi)和細胞外都保持著正負電荷的平等分布。在刺激心肌細胞一端的細胞膜時，陰陽離子在細胞膜上的流動產(chǎn)生了電位差，引發(fā)了心肌細胞的除極和復(fù)極過程，進而產(chǎn)生了心電信號。

心電信號的形態(tài)是診斷心律失常等心臟病的常用方法，通過對心電信號的分析能夠了解人體健康信息[5]。如圖1所示，心電信號包含波形相對平緩的P波，T波以及波形陡峭的QRS波群這幾個部分， QRS波群的峰值點叫做R波峰，通常把兩個相鄰心動周期 R 波峰之間的時間間隔稱為RR間期，且每個具體的波都對應(yīng)著特定的心臟活動和電生理階段。

1.2 心電信號的采集與預(yù)處理（圖2）

心電信號比較微弱，信號幅值小且不平穩(wěn)，還摻雜了多種頻帶相互重疊的噪聲類型[2]。因此，實驗采集的心電信號必須進行相應(yīng)的預(yù)處理，以降低噪聲對特征提取的影響。

目前，常用的心電信號預(yù)處理方法有數(shù)字濾波器濾波、小波降噪方法以及一些自適應(yīng)分解方法等。通常使用高通濾波來消除主要由汗液、呼吸和身體運動引起的基線漂移，而高頻噪聲（如交流電干擾、肌電圖噪聲和器械噪聲）則通過使用低通濾波來處理[6-7]。小波變換也是ECG的一種有益的濾波工具，通過選擇不同類型的小波函數(shù)和閾值策略等方法，去除高頻或低頻成分，實現(xiàn)對信號的降噪[8]。

1.3 心電信號的分析方法

心電信號分析主要包括QRS波群的特征提取及HRV信號分析等方面。QRS波群的特征提取包括位置、寬度、面積的檢測，準確檢測是心電分析的基礎(chǔ)[9]。HRV信號主要從時域、頻域和非線性3個角度去對其進行分析和特征提取。

1.3.1 QRS波群特征提取

可穿戴式生理監(jiān)測設(shè)備需要實時、緊湊的算法。閾值法和小波變換法是可穿戴設(shè)備中較為常用的兩種方法。閾值法算法簡單，適用于QRS波群的實時檢測，但是其抗干擾能力不強。小波變換降噪能力強，即使在基線漂移等噪聲比較明顯的情況下，也能夠較為準確地識別QRS波群[10]，但其計算量較大，在計算效率上不占優(yōu)勢。因此，在具體的研究過程中，研究者們通常會采取一定措施減少環(huán)境噪聲和運動偽影，再根據(jù)研究目的選擇或改進算法，從而實現(xiàn)波群的特征提取。

1.3.2 HRV信號分析

HRV信號的時域與頻域分析方法兩者各有優(yōu)缺點。時域分析的特征主要有、SDNN、RMSSD、HR 這幾個。該方法直觀、簡便，能夠?qū)π穆首儺愡M行總體評價，但對交感和副交感神經(jīng)各自調(diào)節(jié)情況的區(qū)分度較低。頻域分析的特征指標主要有TP、LF、HF、LF/HF等。LF 反映交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的活性，HF 反映副交感神經(jīng)的活性， LF /HF 的值反映交感神經(jīng)活性[11]，是自主神經(jīng)在各頻率段對心率的調(diào)制的體現(xiàn)，相比于時域分析，該方法能精準地描繪HRV的真實情況[2]。

HRV 信號的非線性分析是描述心電信號復(fù)雜時序的一種更準確的、多維度的方法。主要的分析方法有 Poincar€檣⒌閫?、棱伵茝垞v蛑甘⑾喙匚惴ǖ萚12]。其中，Poincar€檣⒌閫擠饒芊從誠嗔詰腞R間期的微小變化，還可以反映HRV信號的周期性、混沌性和復(fù)雜性[13]，可用于人體健康狀態(tài)、精神狀況分析以及外部環(huán)境對心電信號影響的研究。

2  心電信號在智能服裝領(lǐng)域的應(yīng)用

智能服裝系統(tǒng)是一種新的服裝概念，它由傳感器、執(zhí)行器和控制器組成。可以通過嵌入在服裝中的傳感器連續(xù)采集有關(guān)身體參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的信息，擴展了普通織物的功能和實用性。電極作為生物電信號檢測的重要傳感器，是實現(xiàn)服裝智能化的關(guān)鍵[14]。

臨床上心電信號的采集通常使用傳統(tǒng)的Ag/AgCl（銀/氯化銀）濕電極，它與皮膚接觸阻抗低，能夠提供高質(zhì)量的信號，但該凝膠狀材料電極不僅在長期檢測下會變干，且可能導(dǎo)致皮膚過敏發(fā)炎。因此，基于織物的ECG干電極是一種替代方法。干電極包括非接觸式[15-16]或?qū)щ奫17]織物電極，可以提供長期的生物信號測量。

YAPICI M K等[18]將ECG干電極集成到石墨烯功能化的彈性帶中，從手腕或頸部移動監(jiān)測心臟生物電位。MYERS A C等[19]提出了一種基于銀納米線的干電極，并將電極組合成一個手環(huán)來測量肌電圖和心電信號。BAEK J Y等[20]測試了聚合物干電極的長期磨損，并在為期7天的實驗中證明了干電極的良好保真度。以上的工作都證明了基于ECG信號監(jiān)測干電極的有效性。

2.1 心電信號在情緒識別智能服領(lǐng)域的應(yīng)用

生理信號的變化是由人體內(nèi)在神經(jīng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)控制的，不易受到人為意識控制影響，具有客觀真實性，心電信號作為一種重要的生理信號，目前在情緒識別的可穿戴設(shè)備技術(shù)中備受青睞[21]。美國麻省理工學(xué)院PICARD R W教授團隊[22]開展了基于生理信號監(jiān)測的情緒識別研究，他們利用傳感器對采集到的生理信號進行采集，再通過對數(shù)據(jù)的處理分析，證明了生理信號對情緒識別的可行性。

劉歡歡[23]等通過采集實驗者的長期心電數(shù)據(jù)和情緒誘導(dǎo)實驗，對心電信號進行降噪處理和時域、頻域以及非線性分析，研究開發(fā)了基于心電信號的情緒識別智能光纖服裝，將智能傳感裝置、光纖織物與服裝相結(jié)合。該服裝可根據(jù)穿著者的情緒變化調(diào)整服裝顏色，在一定程度上起到了情緒識別的作用。

智能服裝和紡織品不僅有可能感知和收集有關(guān)穿著者的生理數(shù)據(jù)，而且還可以通過嵌入式驅(qū)動功能（例如促進觸覺刺激）作用于身體。有研究[24]表明，正性觸覺刺激可以促進認知發(fā)育、舒緩壓抑情緒，有助于緩解注意力缺陷以及焦慮癥。

GOZDE G B等[25]研究提出了一種新穎的反應(yīng)性智能服裝――CalmWear，它可以通過觸覺刺激來應(yīng)對身體生命體征的變化。它的特點是通過設(shè)計位置和紋理氣囊進行觸覺驅(qū)動，該氣囊提供自動和動態(tài)壓縮，以響應(yīng)心率變異性和呼吸頻率的變化作為判斷焦慮的指標，以其實時監(jiān)測的性能給焦慮癥患者提供了緩解情緒的新方法。

以上的研究都是通過采集人們情緒變化時的心電信號狀態(tài)，展示了心電信號在情緒監(jiān)測和個性化心理醫(yī)療領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，但受目前電子傳感器發(fā)展的限制，智能可穿戴監(jiān)測設(shè)施目前還都是利用電子硬件設(shè)備，服裝穿著舒適度不足，且信號采集的穩(wěn)定性不夠，未來應(yīng)更加深入研究柔性織物傳感器技術(shù)以提高智能服裝的可穿性，通過優(yōu)化智能服裝的設(shè)計結(jié)構(gòu)來提高信號采集的穩(wěn)定性。

2.2 心電信號在智能健康監(jiān)測服領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來，隨著生活節(jié)奏的加快，越來越多的現(xiàn)代人由于壓力過大以及不健康的生活習(xí)慣，誘發(fā)了諸如肥胖癥、糖尿病等許多慢性疾病?；谛碾娦盘柋O(jiān)測的智能服裝可以為該類患者提供醫(yī)療保健、運動指導(dǎo)、睡眠監(jiān)測等服務(wù)。

韓國仁濟大學(xué)團隊[26]提出了一種涉及卡路里追蹤器的軟件應(yīng)用程序，該軟件在智能手機上運行，分析從穿著者中獲得的 ECG數(shù)據(jù)，并使用從中提取的HRV特征，為穿著者提供減肥計劃。LIN C C等[27]設(shè)計并開發(fā)了一種基于智能服裝的運動指導(dǎo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于ECG信號采集和心率監(jiān)測的智能服裝，運動控制應(yīng)用程序和云服務(wù)器。作者提出的一種基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）的R峰檢測方法對MIT-BIH心律失常數(shù)據(jù)庫心電圖數(shù)據(jù)的平均準確率和靈敏度分別為99.8%和94.87%，驗證了所提系統(tǒng)在運動引導(dǎo)方面的有效性。

在睡眠監(jiān)測方面，CHOI S等[28]討論了一種用于監(jiān)測睡眠的新型可穿戴心肺信號傳感器的開發(fā)。該傳感器由導(dǎo)電箔和PVDF膜組成，通過所提出的簡單數(shù)據(jù)處理算法，可以清晰地獲得心肺信號，并且可以成功地提取有關(guān)心律和呼吸周期的信息。

值得一提的是，可穿戴監(jiān)測項目也是意大利航天局任務(wù)的一部分。該項目開發(fā)了Mag IC太空系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個帶有織物傳感器的傳感背心以及加速計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于傳感ECG和呼吸頻率，監(jiān)測睡眠時的心臟活動和其他生命體征[29]。

在心電監(jiān)測方面，有學(xué)者[30]采用ECG監(jiān)測技術(shù)，設(shè)計了LED心電監(jiān)測電路。電路使用紅色和綠色LED作為發(fā)光載體，采用光伏法（PPG）提高信號傳輸能力。此外，還設(shè)計了相應(yīng)電極－服裝結(jié)合位置的實驗方案。在實驗過程中，基于ZEMAX仿真測試了ECG監(jiān)測電路的性能，包括心電監(jiān)測能力和抗干擾能力。在電極－服裝和位置實驗中，分析了大量的位置數(shù)據(jù)，以選擇最準確和結(jié)合最少的位置進行監(jiān)測。結(jié)果表明，該心電監(jiān)測電路設(shè)計具有更好的信號傳輸能力和抗干擾能力，準確的心電監(jiān)護和衣物裝訂位置可以很好地捕捉人的電活動。

2.3 心電信號在智能防護服領(lǐng)域的應(yīng)用

個人防護服（PC）在職業(yè)環(huán)境中有效地為穿著者提供了一道屏障，以抵御各種危害，但也有研究指出，穿著PC工作會給穿著者帶來相當大的生理負擔(dān)。例如，增加肌肉工作會導(dǎo)致代謝熱量的增加，導(dǎo)致體溫升高[31]。這種體溫調(diào)節(jié)負擔(dān)的特征是心率增加，并使人感覺到疲勞，從而降低工作效率。通過采集和分析心電信號，這些特征均可得到有效的監(jiān)測，從而在一定程度上避免穿著者受到傷害。

有學(xué)者[32]基于心電信號中的低頻高頻比（LF/HF）指標，研究了服裝特性影響下出汗量對熱舒適性的影響。實驗對象在不通風(fēng)室內(nèi)進行中度重度體力活動后，被分為低汗和高汗兩組，采集了皮膚溫度和心電信號。結(jié)果顯示，穿著不同服裝類型的實驗者LF/HF數(shù)值存在明顯差異，穿著透氣型服裝的實驗者的LF/HF數(shù)值較低，主觀舒適性感受好。

在消防服研究方面，LIEBIG J P等[33]記錄并分析了測試者穿著消防裝備（FFG）和T恤短褲運動前后的心率變異系數(shù)測量值（LF / HF，RMSSD，pNN50）。發(fā)現(xiàn)FFG會引起的不可補償?shù)臒釕?yīng)激，與穿著T恤和短褲運動相比，使用FFG鍛煉更能破壞自主神經(jīng)系統(tǒng)的功能，從而導(dǎo)致LF / HF數(shù)值增高，心率變異性穩(wěn)定性減弱。

由此可知，服裝特性可以影響穿著者的熱舒適性，繼而在LF / HF等心電信號指標中得到體現(xiàn)，也有效證明了心電信號指標在防護服領(lǐng)域的應(yīng)用價值。

基于以上研究，GUILLAUME T等[34]開發(fā)了一個面向消防員的智能服裝系統(tǒng)，是關(guān)于填充在紡織品中的加速度計傳感器的信號處理，利用傳感器測量消防員的HRV指標，可以獲得較為準確的心電信號信息，監(jiān)測消防員在惡劣條件下的健康和疲勞狀況。

EMIEL D A等[35]研究了人穿著完全密封的不透水服時經(jīng)歷的熱應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)不透水服中的工作負荷顯著高于在正常服裝中的工作，并高于Pandolf方程的預(yù)測，心率與體核溫度表現(xiàn)出非常強的相關(guān)性，因此將心率最大值設(shè)為預(yù)測個體最大值的80 % （以年齡為基礎(chǔ)），可以預(yù)防95 %的熱負荷過重的情況。在操作條件下監(jiān)測心率可進一步優(yōu)化工作時間，并有助于防止勞力性中暑。

根據(jù)以上研究可知，熱舒適性對人體的溫度、心電信號等各種生理指標變化都有重大影響。從HRV的頻率分析中獲得的低頻高頻比（LF/HF）指數(shù)已被作為評估不同條件下熱舒適度的準確方法。當人感覺不適時，與壓力和緊張關(guān)系密切的交感神經(jīng)被激活，LF/HF值增加[36]。利用這種變化，實時采集并處理人體在防護服中的ECG信號，分析人的熱舒適性，根據(jù)身體狀況發(fā)出輔助警告，可避免工人在危險條件下工作，減少事故的發(fā)生。

3 心電信號應(yīng)用的難點和局限

盡管基于ECG監(jiān)測的織物干電極更適合用于智能服裝的開發(fā)，但如何提高織物電極的采集準確性和洗滌耐用性 ，依然是目前研究的重難點。

3.1 ECG織物電極的采集準確性問題

ECG織物電極信號的準確采集是心電信號應(yīng)用于智能服裝領(lǐng)域的前提。KWAN K J等[37]通過改變織物電極的構(gòu)型（平面或凸面）和尺寸，設(shè)計了6款織物電極。測試發(fā)現(xiàn)凸面結(jié)構(gòu)的電極可以降低織物電極的接觸阻抗，采集的心電信號質(zhì)量優(yōu)于平面電極，而電極的尺寸大小與信號質(zhì)量無明顯相關(guān)。因此，未來有必要在紡織電極結(jié)構(gòu)方面進行研究，且應(yīng)將重點集中于構(gòu)型而不是尺寸。

由于電極的位置是固定的，但最佳電極布置因測試者體質(zhì)等個體差異而不同。因此難以確定最佳電極布置。為了解決這個問題，CHIHARA Y[38]等人開發(fā)了多通道R-R區(qū)間遙測儀，并使用鍍銀導(dǎo)電纖維用于織造服裝型電極。它可以從四根導(dǎo)線中選擇最佳引線來測量RRI以提高測量準確性，通過比較遙測儀的RRI和來自參考ECG測量系統(tǒng)的信號來評估R波檢測率和系統(tǒng)可靠性，該系統(tǒng)為HRV分析提供了足夠的RRI測量精度。

可穿戴ECG監(jiān)測應(yīng)用的另一個重要因素是電極和信號采集系統(tǒng)對物理運動的魯棒性。眾所周知，基于紡織品的ECG電極容易產(chǎn)生運動偽影，造成這種偽影的原因主要是由于紡織電極和皮膚之間的位移。YAPICI M K等[18]將ECG干電極集成到石墨烯功能化的彈性帶中，從手腕或頸部移動監(jiān)測心臟生物電位，展現(xiàn)出了與傳統(tǒng)濕電極的高度一致性。LEE S Y等[39]提出了一個用于長期監(jiān)測導(dǎo)聯(lián)I心電圖和呼吸信號的智能服裝系統(tǒng)。ECG電極采用突出結(jié)構(gòu)的設(shè)計，填充柔軟的彈性材料并覆蓋導(dǎo)電織物，可以在用戶活動期間緊緊接觸體表。經(jīng)測試，使用該設(shè)計方案采集的ECG信號顯示出良好的質(zhì)量。

綜上可知，使用彈性材料在一定程度上降低運動偽影的敏感性。這主要是由于施加壓力有助于減少紡織電極和皮膚之間的氣隙，從而保持穩(wěn)定的電極－皮膚接觸。但設(shè)計高質(zhì)量的紡織心電監(jiān)護儀仍然是一個挑戰(zhàn)。未來的工作將繼續(xù)研究紡織電極面積和幾何形狀的影響，后續(xù)研究還應(yīng)側(cè)重于長期穩(wěn)定性和運動偽影，提高監(jiān)測動態(tài)條件下的ECG信號的準確度。

3.2 ECG織物電極的洗滌耐用性問題

ECG織物電極通常集成在服裝中，因此材料的洗滌耐用性是電極開發(fā)應(yīng)考慮的重要條件之一。為了使智能紡織品可靠且可水洗，通常采用洗滌試驗來測試織物電極的穩(wěn)定性。

在這項工作中，ANDREAS K R 等[40]測試了縫在衣服上的鍍銀尼龍導(dǎo)電線，記錄洗滌循環(huán)后纖維電阻的變化。結(jié)果表明，鍍銀尼龍纖維顯示出由于磨損導(dǎo)致的樣品分層，從而使導(dǎo)電紗的電阻增加和導(dǎo)電性降低。此外，ZAMAN S U等[41]研究了各種編織、針織和刺繡ECG電極（鍍銀、鎳銅和銅電極）的可洗性問題。根據(jù)測試，銅電極可洗性最差，每次洗滌循環(huán)都會增加它的電阻。BU Y X等[42]使用絲網(wǎng)印刷工藝，制造了一種柔性鍍銀聚氨酯干式ECG電極，該電極很容易嵌入可拉伸的衣服中以進行ECG記錄，在長達40次洗滌循環(huán)中依然能保持其導(dǎo)電性能和機械特性，但在拉伸耐久性測試時電阻穩(wěn)定性不佳，且接觸阻抗高于Ag/AgCl電極。因此重復(fù)拉伸后阻抗的增加以及所提出的干電極的相對較高的皮膚接觸阻抗仍然需要進一步的解決。

4 總結(jié)

通過分析心電信號了解人體在不同環(huán)境狀態(tài)下各種指標的變化，從而為人提供有效監(jiān)護，是心電信號應(yīng)用于智能服裝領(lǐng)域的基本原理。它與智能服裝相結(jié)合能夠有效地實現(xiàn)情緒識別、健康監(jiān)控，從而在一定程度上保障患者的健康。在智能防護服方面，通過LF/HF等指數(shù)判定作業(yè)人員的疲勞程度，有助于功能性防護設(shè)備的改進，使作業(yè)人員處于安全可控的環(huán)境中，降低工作導(dǎo)致的損傷風(fēng)險。但由于心電信號十分微弱，智能服裝的信號采集存在較大困難，ECG織物電極的構(gòu)型、面積以及排列位置的不同可能都會影響信號檢測的準確度。因此選取合適的方法以最大程度降低動態(tài)運動過程中運動偽影是未來研究的重點。此外，織物電極經(jīng)多次洗滌后存在導(dǎo)電性降低及接觸阻抗增加的問題也需進一步解決。

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