織物基可穿戴心電電極的研究進展

摘 要：織物基可穿戴心電電極極大地提升了心臟監(jiān)測的便捷性和精度，也為健康監(jiān)測和醫(yī)療診斷帶來了新的可能性?；仡櫫丝纱┐骺椢镄碾婋姌O的發(fā)展歷程，討論了織物導(dǎo)電材料的選擇和織物電極的測試標(biāo)準(zhǔn)，包括舒適性、透氣性、耐用性和防水防汗性能等；根據(jù)織物的組織結(jié)構(gòu)，介紹了可穿戴心電監(jiān)測中常見織物的制備方法以及改性策略；探討了織物電極的通用設(shè)計方案及其它設(shè)計方案。通過心電圖（ECG）傳感電子紡織品、ECG柔性電子系統(tǒng)的設(shè)計、自供能可穿戴ECG以及ECG算法優(yōu)化等方面對織物心電監(jiān)測技術(shù)的研究進展進行了總結(jié)；最后提出了主要面臨的挑戰(zhàn)和未來展望，為今后的研究和實際應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：織物電極；電子紡織品；心電監(jiān)測；智能可穿戴

中圖分類號：TS101.8

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2025）04-0092-13

收稿日期：20240528

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20240924

基金項目：中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科技指導(dǎo)性項目（2021060）；中原工學(xué)院學(xué)科青年碩導(dǎo)培養(yǎng)計劃項目（SD202216）；中原工學(xué)院研究生科研創(chuàng)新計劃項目（YKY2024ZK02）

作者簡介：周金利（1985—），女，河南偃師人，講師，博士，主要從事智能可穿戴方面的研究

通信作者：熊帆，E-mail：6825@zut.edu.cn

心血管疾?。–ardiovascular disease，CVD）是一類影響心臟和血管系統(tǒng)的病癥，在中國，因CVD導(dǎo)致的死亡占總病死人數(shù)的40%^［1］，是居民主要死亡原因之一^［2］。CVD具有長期性、累積性和偶發(fā)性的特征。為有效預(yù)防CVD，需要對患者的身體狀況進行持續(xù)、實時的監(jiān)控，以便及時采取應(yīng)對措施，將突發(fā)風(fēng)險、發(fā)病率和死亡率降至最低^［3］。心電圖（Electrocardiogram，ECG）作為一種主要檢測心臟電活動的方法，是預(yù)測和診斷心血管疾病的重要無創(chuàng)手段^［4］。Ag/AgCl凝膠電極在ECG監(jiān)測中廣泛使用，盡管其能穩(wěn)定采集信號，但長時間使用易導(dǎo)致凝膠干涸和皮膚過敏等問題^［5-6］。為提升舒適性和滿足長期使用需求，開發(fā)新型電極材料勢在必行。

織物基可穿戴電極因其佩戴舒適、皮膚友好和環(huán)保等優(yōu)勢成為研究熱點。在日常穿戴和長時間監(jiān)測中，織物電極展現(xiàn)出良好的適用性，可與傳感器和柔性電子系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)有效信號傳輸^［7-8］。在制備織物電極時，導(dǎo)電材料的選擇至關(guān)重要，包括導(dǎo)電纖維、金屬納米線、碳基材料、導(dǎo)電聚合物和導(dǎo)電油墨等。通過針織、機織、刺繡和靜電紡絲等方法，可設(shè)計高導(dǎo)電性織物電極，并通過物理和化學(xué)改性提升電極的防水性和耐磨性等。此外，織物電極需滿足舒適性、透氣性和防水性等標(biāo)準(zhǔn)，并可結(jié)合柔性電子、自供能技術(shù)和ECG算法，制成電子紡織品，提高心電監(jiān)測的便攜性和舒適性。

本文將總結(jié)織物基可穿戴心電電極的研究進展，探討不同織物的制備、改性方法，分析織物電極的設(shè)計以及在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)，展望未來的發(fā)展方向和面臨的挑戰(zhàn)，以期織物基可穿戴心電電極在健康監(jiān)測和醫(yī)療診斷領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為CVD治療提供更便捷、高效的解決方案。

1 可穿戴織物心電電極的發(fā)展歷程

可穿戴織物心電電極的發(fā)展歷程如表1所示。早期用于ECG記錄的電極是在導(dǎo)管實驗室中應(yīng)用的不透明碳電極^［9］。隨著磁共振成像（MRI）的普及，研究者開始采用ECG電極與碳纖維導(dǎo)線，以減少MRI圖像中的畸變和偽影^［10］。隨后，碳電極被優(yōu)化為碳纖維電極，并結(jié)合定制放大器，實現(xiàn)了MRI期間ECG與胸阻抗信號的同步記錄^［11］。

隨著可穿戴技術(shù)的發(fā)展，紡織品成為新型可穿戴ECG電極研究的重點。研究者通過將介電和導(dǎo)電聚合物漿料絲網(wǎng)印刷或模版印刷至紡織基材，成功制備了用于ECG監(jiān)測的有源電極^［12］。同時，通過將納米線與其他基底材料^［13］及黏合層集成，并結(jié)合無線采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了優(yōu)異的ECG信號采集。納米復(fù)合材料的興起推動了無金屬的ECG監(jiān)測技術(shù)發(fā)展，受壁虎啟發(fā)的分層結(jié)構(gòu)，結(jié)合彈性碳納米復(fù)合材料的導(dǎo)電干膠，能夠在水下或運動等條件下測量ECG信號^［14］。此外，3D打印干電極^［15］、可拉伸導(dǎo)電織物^［16］、氣凝膠電極^［17］、水凝膠電極^［18］、織物微針電極^［19］及聚合物導(dǎo)電黏合劑制成的超薄表皮電極^［31］等新技術(shù)也逐漸進入研究領(lǐng)域。

2 導(dǎo)電材料及織物電極測試標(biāo)準(zhǔn)

2.1 導(dǎo)電材料

導(dǎo)電材料主要分為導(dǎo)電纖維^［21］、金屬納米線^［13］、碳基材料^［9］、導(dǎo)電聚合物^［12］和導(dǎo)電油墨^［22］等。這些材料各具特色，導(dǎo)電纖維具有柔韌性，金屬納米線提供高導(dǎo)電性，碳基材料兼具輕質(zhì)與強度，導(dǎo)電聚合物易于加工，導(dǎo)電油墨則適合復(fù)雜圖案的印制。合理選擇這些材料可以優(yōu)化織物電極的導(dǎo)電性能、柔韌性和舒適性，滿足不同的應(yīng)用需求^［23］。

2.1.1 導(dǎo)電纖維

纖維因其獨特的優(yōu)勢，如優(yōu)異的拉伸性、細小直徑、高動態(tài)彎曲彈性、較高的長寬比以及出色的機械強度，在人類社會中得到了廣泛應(yīng)用。新一代基于纖維的電極正逐步集成到智能紡織品和可穿戴設(shè)備中，實現(xiàn)持續(xù)的長期生物信號監(jiān)測。與傳統(tǒng)的一次性凝膠電極片不同，這些干纖維電極具有透氣性、柔韌性和耐用性^［21］。

導(dǎo)電纖維根據(jù)材料分類主要分為金屬導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電聚合物纖維和碳基導(dǎo)電纖維^［24］。金屬導(dǎo)電纖維具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，常用于高性能導(dǎo)電織物；導(dǎo)電聚合物纖維則兼具柔韌性和可加工性，適用于柔性電子和智能紡織品；碳基導(dǎo)電纖維則以其輕質(zhì)、高強度和良好的導(dǎo)電性能，廣泛應(yīng)用于可穿戴設(shè)備和傳感器領(lǐng)域。

Xu等^［25］開發(fā)了一種電容式應(yīng)變傳感器，具有超高拉伸性（達1000%）和高靈敏度（最大規(guī)格系數(shù)GF為165）。該傳感器由離子水凝膠和銀納米纖維（AgNFs）組成，AgNFs的摻入顯著增加了水凝膠/金屬界面的雙電層EDL面積，從而將應(yīng)變敏感性提高了3個數(shù)量級。這種傳感器能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地檢測各種生理信號，具有快速響應(yīng)時間和良好的操作穩(wěn)定性，適用于監(jiān)測手臂和手指運動、脈搏、ECG、呼吸、說話和情緒變化等，為醫(yī)療保健、軟機器人和人機界面應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支持。

Gauthier等^［26］開發(fā)了一種新型多材料聚合物纖維電極，專為智能服裝應(yīng)用設(shè)計，具有柔韌性和干燥、隱蔽的特點。該電極針對表面肌電圖（sEMG）和ECG的雙電位測量進行了優(yōu)化，可直接集成到服裝中，實現(xiàn)實時生物電勢監(jiān)測。他們還開發(fā)了一個定制的無線電子系統(tǒng)，用于從光纖中獲取電生理信號。該電極在sEMG信號記錄中表現(xiàn)出優(yōu)異的信噪比（19.1 dB至33.9 dB），與傳統(tǒng)Ag/AgCl電極和商業(yè)干電極系統(tǒng)相當(dāng)，且適用于肌肉疲勞分析和ECG記錄，證明其為sEMG和ECG數(shù)據(jù)采集提供了高質(zhì)量且適合智能服裝的解決方案。

Chiu等^［27］開發(fā)了一種通過雙噴嘴靜電紡絲制備的柔性混合電子（FHE）材料。該材料由銀納米粒子（AgNPs）和碳基納米材料涂覆在雙組分聚合物納米纖維膜（PU和PVDF）上，形成高導(dǎo)電性電極。電極集成到服裝中，用于ECG和肌電圖（EMG）信號監(jiān)測，表現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸性能和穩(wěn)定性，特別是在長期監(jiān)測和拉伸疲勞測試中，顯示了與傳統(tǒng)電極相當(dāng)?shù)男Ч?，具有潛在的智能可穿戴傳感器?yīng)用前景。

2.1.2 金屬納米線

金屬納米線因其卓越的導(dǎo)電性、柔韌性和耐用性，在心電監(jiān)測中具有廣泛應(yīng)用。它們可與柔性材料結(jié)合，制成舒適且高效的心電電極，能夠捕捉高質(zhì)量的生物電信號，并在多次清洗后保持穩(wěn)定性。比如，銀納米線（AgNWs）還具備抗菌特性，提升了心電監(jiān)測設(shè)備的安全性和衛(wèi)生性，推動了可穿戴健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。

He等^［28］開發(fā)了一種通過滴涂AgNWs和聚乙烯醇（PVA）混合物，并通過戊二醛交聯(lián)制備的高耐洗性導(dǎo)電纖維素織物。該織物在洗滌100 h后電阻增加至7.63 Ω/sq，并能有效采集心電信號，洗滌80 h 后信號穩(wěn)定，100 h后略有變形。此外，織物具有99.9%的抗菌效率，展示了在ECG可穿戴電子產(chǎn)品中的應(yīng)用潛力。

2.1.3 碳基材料

石墨烯、碳納米管（CNT）和炭黑（CB）等碳基材料由于具有高導(dǎo)電性、低毒性、低質(zhì)量密度和易于功能化等優(yōu)點，已被廣泛用于柔性可穿戴傳感器的開發(fā)。碳基紡織品傳感器可以監(jiān)測的生理信號包括ECG、人體運動、脈搏和呼吸、體溫和觸覺等^［29-30］。

Qiu等^［31］開發(fā)了一種耐用且透明的石墨烯皮膚電極，采用高度石墨化的靜電紡絲纖維與單層石墨烯半嵌入軟彈性體中制成。該電極具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、透明度（83%透射率）和機械穩(wěn)定性，能可靠地采集ECG、sEMG和腦電圖（EEG）信號。電極還展示了優(yōu)異的可清洗性、重復(fù)使用性（約10次）和高達30 dB的信噪比，為可穿戴醫(yī)療設(shè)備提供了新的應(yīng)用前景。

2.1.4 導(dǎo)電聚合物

導(dǎo)電聚合物憑借優(yōu)異的電導(dǎo)性、柔韌性、耐用性和生物兼容性，在ECG監(jiān)測中引起了廣泛關(guān)注。其制備的柔性電極在與皮膚接觸時能提供舒適體驗并有效降低皮膚刺激。此外，導(dǎo)電聚合物的高耐用性適用于長期使用，而其簡便的制造工藝支持大規(guī)模生產(chǎn)。這些特性賦予導(dǎo)電聚合物在可穿戴ECG監(jiān)測設(shè)備中廣闊的應(yīng)用前景。

聚（3，4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸（PEDOT：PSS）在心電監(jiān)測中的應(yīng)用因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、柔性和生物兼容性而廣受青睞。這種導(dǎo)電聚合物能夠制造成舒適且柔韌的電極，適合用于可穿戴設(shè)備，如智能服裝和貼片式電極。PEDOT：PSS材料具有良好的耐用性和穩(wěn)定性，能夠在長期使用中抵抗環(huán)境因素的影響，并且其加工簡單，易于應(yīng)用于各種基材，特別適用于涂層織物的多功能柔性心電電極結(jié)構(gòu)設(shè)計^［32］。

為解決電極在長期使用中的耐久性和運動偽影問題，Shin等^［20］提出了一種超薄聚合物導(dǎo)電黏合劑電極—聚（3，4-乙撐二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）/聚乙烯醇/d-山梨醇（PPd）。該電極具有增強的黏合性、拉伸性和皮膚舒適性，并在設(shè)計時考慮了機械分析，以優(yōu)化黏合性和穩(wěn)定性。PPd電極在日常使用中表現(xiàn)出阻抗穩(wěn)定性，能夠在高強度運動下穩(wěn)定測量EMG信號，并在連續(xù)一周的ECG監(jiān)測中保持高信號質(zhì)量。這證明了PPd電極系統(tǒng)在耐用性和應(yīng)用廣泛性方面的優(yōu)勢。

此外，聚吡咯也是常用的導(dǎo)電聚合物。Zhou等^［33］在棉紡織物上電化學(xué)聚合聚吡咯，不僅提高和改善了電信號傳輸質(zhì)量，同時棉紡織電極的電導(dǎo)率也顯著提高。

2.1.5 導(dǎo)電油墨

導(dǎo)電油墨在心電監(jiān)測中發(fā)揮了顯著優(yōu)勢，包括提高電極靈敏度、提升佩戴舒適性、降低生產(chǎn)成本、增強耐用性和可洗性，以及便于集成到柔性材料中。這些特性使得導(dǎo)電油墨成為ECG監(jiān)測的理想選擇，特別適用于可穿戴設(shè)備，支持長期、穩(wěn)定的生物信號監(jiān)測。

Wang等^［34］一種基于石墨烯和碳納米管的導(dǎo)電油墨，制備了具有仿生圓葉益母草結(jié)構(gòu)的自供電柔性可穿戴傳感器。該傳感器采用熱塑性聚酰胺薄膜作為基材，能夠在胸部、指尖和手腕等部位進行ECG信號采集。傳感器通過摩擦納米發(fā)電機收集低頻機械能，并使用超級電容器儲存電能，具備自供電功能。該系統(tǒng)在不同形變狀態(tài)下保持優(yōu)異的性能，適用于長期低功耗的運動檢測和心電監(jiān)護。

2.2 織物電極的測試標(biāo)準(zhǔn)

在可穿戴心電監(jiān)測領(lǐng)域，舒適性至關(guān)重要。良好的舒適性減輕長時間佩戴的疲勞感，減少皮膚刺激，并提高佩戴舒適性。透氣性良好可以防止潮濕和不適，降低皮膚疾病風(fēng)險，提升監(jiān)測效果和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

常見材料包括天然纖維（如棉、絲）、合成纖維（如滌綸、尼龍）以及彈性材料（如氨綸）^［35-36］等，這些材料能滿足舒適和透氣需求。此外，設(shè)計還需兼顧功能性、耐用性、防水防汗以及信號穩(wěn)定性，以確保設(shè)備在各種使用場景下可靠運行。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，織物在舒適性、透氣性、耐用性和防水防汗性能方面的評估有著明確的規(guī)范，詳細標(biāo)準(zhǔn)號和標(biāo)準(zhǔn)名稱見表2。在舒適性方面，ISO 11092和ISO 10551標(biāo)準(zhǔn)評估了織物在濕潤條件下的熱濕透氣性能和水分傳輸性能。透氣性評估標(biāo)準(zhǔn)包括ISO 9237、ASTM E96和JIS L 1099，通過測量織物對水蒸氣的透過率來進行評估。耐用性評估涵蓋抗磨損性、耐撕裂性、耐洗滌性和抗紫外線性能，使用的標(biāo)準(zhǔn)有ISO 12947系列、ISO 13937系列、ISO 105-C06、ISO 105-B02、ASTM D5034和ASTM D4966。在防水防汗性能方面，主要標(biāo)準(zhǔn)有ISO 4920、ISO 811、AATCC 22、AATCC 127、ASTM E96、JIS L 1092和BS EN 20811。這些標(biāo)準(zhǔn)為評估和比較不同織物材料的性能提供了可靠的方法和指導(dǎo)。

3 織物的制備、改性與電極設(shè)計

3.1 織物的制備方法

根據(jù)織物的組織結(jié)構(gòu)，制備方法可主要分為機織、針織、刺繡和非織等^［37-38］。機織物如圖1（a）所示，從圖中的上機圖觀察到，機織物是通過兩組相互垂直的紗線（經(jīng)紗和緯紗）交織形成的^［37］，具有良好的強度、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性，且耐洗而不易變形。然而在織造過程中，機織物容易因經(jīng)紗承受拉伸、沖擊、彎曲負(fù)荷及摩擦而導(dǎo)致斷頭、發(fā)毛和起球。在可穿戴機織物心電監(jiān)測過程中，心電信號質(zhì)量與機織物導(dǎo)電纖維含量和織物密度成正比。林璐等^［39］設(shè)計的高緯密和高導(dǎo)電纖維含量織物結(jié)合心電監(jiān)測平臺能提高心電信號采集面積、降低皮膚電極阻抗、提升心電圖質(zhì)量。

針織物如圖1（b）所示，從圖中的羅紋組織編織圖和實物圖可以觀察到，針織物由一組或多組紗線按特定規(guī)律形成線圈并相互套接而成^［37］。針織物質(zhì)地柔軟，具有優(yōu)良的抗皺性和透氣性，同時具備較大的延展性和彈性，確保了其穿著的舒適性。但易脫散、卷邊，易勾絲，不及梭織面料堅固耐用。在可穿戴針織物心電監(jiān)測的應(yīng)用中，具有緊湊針織結(jié)構(gòu)和中等粗糙度的導(dǎo)電紗線可獲得較高信號質(zhì)量指數(shù)的心電信號^［40］，且通過邊緣縫制的方式將電極衣物相結(jié)合，可以大幅減少運動偽影。

刺銹織物如圖1（c）所示，從圖中的填充針跡刺繡織物可以觀察到，刺繡織物通過針和繡線按照設(shè)計圖案縫制形成^［37］。雖然刺繡品美觀，但易受潮變形、褪色且保養(yǎng)困難。在可穿戴心電監(jiān)測中，刺繡技術(shù)可用于制作個性化心電監(jiān)測設(shè)備，通過將導(dǎo)電繡線與普通繡線結(jié)合形成復(fù)雜的導(dǎo)電圖案，實現(xiàn)多點心電信號采集和傳輸。董科等^［41］開發(fā)的鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極滿足長時間監(jiān)測需求，符合醫(yī)療診斷標(biāo)準(zhǔn)。Nigusse等^［42］研發(fā)的銀鍍聚酰胺刺繡電極能夠清晰捕捉ECG信號，提供與標(biāo)準(zhǔn)電極相當(dāng)?shù)男盘栙|(zhì)量，并適用于靜態(tài)和動態(tài)心電監(jiān)測，同時具有潛力用于腦電圖和肌電圖監(jiān)測。

非織造布是一種由定向或隨機排列的纖維通過摩擦力、內(nèi)聚力或粘附力粘合而成的片材、網(wǎng)狀或棉絮材料，不包括紙張、編織物、針織物、簇絨材料、采用針跡粘合工藝的紗線或長絲材料，以及通過濕法氈制工藝制成的材料。常見的一種非織造布是通過靜電紡絲制備的^［43］，如圖1（d）所示。非織造布突破了傳統(tǒng)紡織工藝，具有流程短、生產(chǎn)速度快、產(chǎn)量高、成本低、用途廣泛及原料多樣化等優(yōu)點。然而，其強度和耐久性較低，難以清洗，纖維易從直角方向裂開。常見方法包括紡粘法、熔噴法和水刺法等^［44-45］。在可穿戴心電監(jiān)測中，非織造布的透氣性和舒適性較好，通過引入導(dǎo)電材料或嵌入導(dǎo)電纖維，能夠有效采集心電信號。Dong等^［46］使用反應(yīng)合金化技術(shù)制備的高透氣性和超彈性苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）-銀-液態(tài)金屬（SSLM）非織造電子紡織品，作為多功能皮膚生物電極，用于健康監(jiān)測、焦耳加熱和電磁干擾（EMI）屏蔽。導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)通過SEBS微纖維封裝共晶鎵銦（EGaIn），展現(xiàn)出卓越的EMI屏蔽效果和焦耳加熱性能，在大規(guī)模變形下依然穩(wěn)定。SSLM電子紡織品作為生物電極表現(xiàn)出優(yōu)異的呼吸、發(fā)聲、關(guān)節(jié)彎曲、表面肌電圖（sEMG）和腦電圖（EEG）監(jiān)測性能，適用于下一代皮膚電子和防護紡織品。Peng等^［47］受到啟發(fā)，使用均勻包覆的鋁微粒和熱熔合的納米/微孔結(jié)構(gòu)的非織造SEBS彈性微纖維開發(fā)了一種具有顯著被動輻射冷卻性能的透氣且貼合皮膚的電子紡織品，還作為熱舒適且可貼合皮膚的生物電極，用于監(jiān)測高保真電生理ECG信號，采集的ECG信號在再現(xiàn)性和信噪比方面與商業(yè)水凝膠電極相當(dāng)。

總而言之，機織物和針織物適用于長期佩戴和高強度使用場景，提供可靠的導(dǎo)電路徑和良好的舒適性。刺繡織物適合高端定制和個性化需求，通過精細的導(dǎo)電圖案設(shè)計，實現(xiàn)多點信號采集。非織造布則適用于一次性和短期使用場合，快速生產(chǎn)且成本低廉。不同織物制備方法的結(jié)合和優(yōu)化，可以滿足可穿戴心電電極對舒適性、可靠性、耐用性和功能性的多重需求，提高監(jiān)測效果和用戶體驗。

3.2 織物的改性策略

為提升織物在可穿戴心電監(jiān)測中的作用，通常采用化學(xué)或物理改性策略。

3.2.1 化學(xué)改性

化學(xué)改性方法如原位聚合法、化學(xué)鍍和電鍍等，能在織物表面涂覆導(dǎo)電聚合物或金屬，增強其導(dǎo)電性、抗菌性和耐腐蝕性。Lin等^［32］通過化學(xué)聚合方法在滌綸機織物、棉針織物、棉機織物和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）網(wǎng)布表面聚合了PEDOT：PSS材料。其中PET基復(fù)合織物的最大電導(dǎo)率為218 S/m，且抑菌率達71.8%。在ECG測試中，這種復(fù)合織物電極表現(xiàn)出較低的阻抗，能夠形成穩(wěn)定的ECG信號，同時保留了織物的柔軟和透氣優(yōu)勢，減少了傳統(tǒng)電極長時間使用帶來的不適感，驗證了其作為移動、便攜和可穿戴ECG電極的有效性。葉華標(biāo)等^［49］以滌綸起絨紗線為基底，通過原位聚合聚苯胺和化學(xué)鍍銀制備導(dǎo)電紗線，再手工制作心電電極。電極的皮膚-電極阻抗在5～500 Hz范圍內(nèi)小于1 MΩ·cm²（0.65 MΩ·cm²），能有效檢測QRS波群和T波，但P波不清晰。電極在4 h內(nèi)阻抗穩(wěn)定，顯示出在可穿戴心電監(jiān)測中的應(yīng)用潛力。Heredia-rivera等^［49］通過冷等離子體原位聚合的方法，將功能性導(dǎo)電聚吡咯-銀（PPy-Ag）納米復(fù)合材料直接沉積到導(dǎo)電紡織表面。此方法確保了在紡織纖維結(jié)構(gòu)上均勻分布導(dǎo)電材料，保持織物柔韌性和透氣性，并具有良好的抗菌性能和生物相容性。改性后的織物電極用于連續(xù)ECG監(jiān)測，結(jié)果顯示其性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)凝膠基Ag/AgCl電極，能夠提供更少噪聲的ECG信號，適合長時間佩戴和監(jiān)測。這展示了改性織物電極在提高導(dǎo)電性能和ECG信號檢測質(zhì)量方面的潛力。

Wang等^［50］通過化學(xué)鍍銀在巰基接枝聚酯織物上形成導(dǎo)電層，制備了適用于ECG采集的紡織電極。導(dǎo)電織物表現(xiàn)出低至7.18 mΩ/sq的電阻，并在伸長、彎曲、氧化和洗滌過程中保持穩(wěn)定性。盡管在20%伸長后電阻增加至14.74 mΩ/sq，但彎曲和氧化對導(dǎo)電性影響較小。經(jīng)過200次洗滌循環(huán)后，電阻為0.93 Ω/sq，心電圖信號依然清晰，顯示了其在智能服裝中的實際應(yīng)用潛力。雖然化學(xué)鍍銀可使織物具備導(dǎo)電和抗菌功能，適用于可穿戴電子電極，但銀涂層黏附力弱，易在洗滌后脫落，導(dǎo)致性能下降。為了提高銀和纖維素織物之間的黏合力，Wang等^［51］通過使用3-巰基丙三甲氧基硅烷（MPTS）對纖維素織物進行改性，提高了化學(xué)鍍銀層的黏附力，成功開發(fā)出具有優(yōu)異導(dǎo)電性和持久抗菌性能的織物。這種織物在200次洗滌后仍保持低電阻和高抗菌效率，并且能夠穩(wěn)定捕獲人體ECG信號，具有潛在的可穿戴電子產(chǎn)品應(yīng)用前景。

Choi等^［53］開發(fā)了一種新型駕駛員ECG測量系統(tǒng)，通過電鍍的方法制備了覆蓋有導(dǎo)電織物的方向盤來提高連接靈活性并減少刺激。通過簡化信號調(diào)節(jié)電路，降低了成本和復(fù)雜性。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在實際駕駛環(huán)境中比傳統(tǒng)系統(tǒng)提供了更高的信噪比和穩(wěn)定性。

此外，化學(xué)鍍銅也是常用方法，其關(guān)鍵變量包括鍍銅時間、溫度和經(jīng)緯向預(yù)拉伸等。Pan等^［52］通過在彈性尼龍織物上化學(xué)鍍銅制備的電極，能夠滿足心電監(jiān)護對精度和佩戴舒適度的需求。此外，緯向預(yù)拉伸能顯著提升鍍銅效果，樣品在測試時表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電率和心電圖信號質(zhì)量，幾乎與傳統(tǒng)Ag/AgCl電極性能相當(dāng)。這為心電監(jiān)護提供了一種低成本、高效的電極制備方法。

3.2.2 物理改性

物理改性方法如表面噴涂法，是通過在織物表面噴涂納米顆粒，提高導(dǎo)電性和信號采集能力。Shaikh等^［54］通過噴涂技術(shù)將導(dǎo)電銀納米粒子（AgNPs）加載到聚丙烯無紡布上，降低其電阻率至10 Ω，以制造紡織電極。該電極在皮膚上的阻抗值為干態(tài)1.44～1.83 MΩ，濕態(tài)1.01～1.18 MΩ。濕態(tài)電極比凝膠電極在PQR波群清晰度上表現(xiàn)更佳，且經(jīng)過6個月的測試，性能保持穩(wěn)定。然而，干態(tài)電極因運動偽影導(dǎo)致信號失真，并隨測試時間增加而惡化。濕態(tài)電極在ECG監(jiān)測中表現(xiàn)出較好的性能。

總而言之，這些改性策略使得改性織物具有高導(dǎo)電性、生物兼容性、耐用性和舒適性，能夠提供高效、舒適和可靠的心電監(jiān)測解決方案，滿足日益增長的可穿戴健康監(jiān)測需求。

3.3 織物電極的設(shè)計方案

在可穿戴心電監(jiān)測領(lǐng)域，織物電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)考慮底層織物材料、傳感器層、導(dǎo)電層、功能層和封裝層等各個傳感層的功能和需求，通用設(shè)計見圖2（a）。底層織物應(yīng)選擇柔軟、透氣的材料以提高穿戴者的舒適感；傳感器層需要考慮導(dǎo)電性、靈敏度和穩(wěn)定性以確保心電信號的準(zhǔn)確采集；導(dǎo)電層需要采用導(dǎo)電、柔軟的材料提高傳感器的導(dǎo)電性；功能層通過功能布料賦予整體透氣性能、彈性或壓力緩沖；封裝層則用于穩(wěn)固設(shè)備，防止其在活動中移位或松動。綜合考慮各層的功能和要求，確保柔性織物結(jié)構(gòu)具有良好的舒適性、穩(wěn)定性和透氣性，提高心電監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可靠性。

此外，葉華標(biāo)^［48］等以起絨織物設(shè)計了一種電極結(jié)構(gòu)，該電極由傳感區(qū)、海綿襯墊、連接線和按扣4部分組成（設(shè)計見圖2（b））。傳感區(qū)通過起絨導(dǎo)電紗盤繞形成，與皮膚緊密接觸以采集心電信號。海綿襯墊提供支撐，確保穩(wěn)定接觸并抑制電極運動。連接線將傳感區(qū)與按扣分離，減小了按扣對柔性的影響，按扣則用于連接無線便攜心電記錄儀，方便拆裝。此外，張煥煥等^［55］在葉華標(biāo)研究的基礎(chǔ)上，以燈芯絨為材料，優(yōu)化了電極結(jié)構(gòu)，該電極采用手工制作，主要由5部分組成：傳感區(qū)、太空棉、屏蔽布、連接區(qū)和按扣（設(shè)計見圖2（c））。傳感區(qū)使用鍍銀燈芯絨織物，與皮膚接觸以采集信號；太空棉提供支撐，減少電極與皮膚的滑動；屏蔽布避免信號采集時連接區(qū)和按扣接觸皮膚；連接區(qū)也由鍍銀燈芯絨織物制成，用于連接傳感區(qū)和按扣；按扣用于便捷裝卸電極，并在測試時方便夾持。

4 織物基心電電極研究進展

通過整合新材料、新技術(shù)和新功能，紡織品不僅能夠天然地作為可穿戴設(shè)備，還可以集成傳感模塊，實現(xiàn)對人體生物電信號（如ECG^［56-57］、EMG^［58-59］、EEG^［53］等）的監(jiān)測。本節(jié)主要對織物心電電極研究進展進行總結(jié)，包括但不僅限于ECG傳感電子紡織品的開發(fā)、ECG柔性電子系統(tǒng)的設(shè)計、自供能可穿戴ECG以及ECG算法的優(yōu)化等方面。

4.1 基于ECG傳感的電子紡織品

基于ECG傳感的電子紡織品是在傳統(tǒng)紡織材料中集成電子元件和傳感器，使其具備感知、響應(yīng)和通信等智能功能。這類紡織品能夠監(jiān)測生理參數(shù)、感知外界環(huán)境變化，并進行數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備交互。從傳感角度看，基于ECG的電子紡織品可以執(zhí)行傳感、計算、顯示和通信等功能，并且多模傳感模式已成為近年來的主要發(fā)展方向^［60］。Peng等^［61］開發(fā)了一種分層多合一的健康調(diào)節(jié)電子紡織品，其表面通過錨定納米顆粒實現(xiàn)抗菌和防水功能（見圖3（a））。該紡織品集成了多功能液態(tài)金屬電路，可用于水下運動檢測和焦耳加熱，并能夠準(zhǔn)確監(jiān)測多個生物電信號，包括ECG、EMG和人體溫度，提供全面的健康監(jiān)測與調(diào)節(jié)功能。然而，電子紡織品發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是如何在紡織品內(nèi)部有效嵌入半導(dǎo)體剛性電路及其他設(shè)備，并確保其連接的柔韌性、穩(wěn)固性、穩(wěn)定性和可靠性。

4.2 ECG柔性電子系統(tǒng)設(shè)計

ECG柔性電子系統(tǒng)設(shè)計旨在打造高效的可穿戴心電監(jiān)測設(shè)備，通過優(yōu)化材料選擇、電路布局和數(shù)據(jù)處理，確保心電信號的準(zhǔn)確采集和穩(wěn)定傳輸，提升設(shè)備的可靠性與實用性。

2016年，Khan等^［62］將軟設(shè)備（即傳感器）直接印刷在廣泛用于制造柔性印刷電路板（FPCB）的卡帕頓聚酰亞胺基板上（見圖3（b））。利用與FPCB組裝工藝兼容的工藝流程，制造出了由噴墨打印的金ECG電極和絲網(wǎng)印刷的氧化鎳熱敏電阻組成的可穿戴傳感器貼片。這雖然解決了多基板法的靈活性低及互連問題，但傳感器的尺寸仍較大，約為25 cm²。基于FPCB的ECG傳感器可被集成到衣服中（見圖3（c）），搭配直徑40 mm，厚度5 mm的紡織電極和Android應(yīng)用程序，可以在日常生活中記錄ECG信號，實現(xiàn)連續(xù)、非侵入性、舒適和移動的ECG監(jiān)測應(yīng)用^［63］。然而電路板的尺寸問題并沒有縮小。

Zhou等^［64］通過創(chuàng)新的折疊傳輸工藝實現(xiàn)了納米厚度電極的宏觀折疊。聚甲基丙烯酸甲酯通過蛇形網(wǎng)格設(shè)計成的電子紋身（見圖3（d）），不僅具有優(yōu)異的皮膚貼合性能、防水性能、耐久性和低阻抗特性，其機器械性還能夠拉伸到原始長度的25%以上且保持電學(xué)穩(wěn)定性。其后續(xù)電路連接FPCB和藍牙模塊，能收集ECG、EEG和EMG等電信號的獲取、分析和反饋，還能監(jiān)測皮膚溫度和汗液流失等非電信號。FPCB的尺寸被大大降低，整個電路系統(tǒng)的尺寸為3 cm×5 cm，然而電池的使用卻占據(jù)了較大的面積。

Rauf等^［65］開發(fā)了基于銀納米線和凝膠的完全屏印的溫和皮膚濕式心電圖電極和3D打印天線封裝的縮小版PCB（直徑僅為1.6 cm）（見圖3（e））。設(shè)計的電極與無線讀取設(shè)備即插即用，無需連接器或?qū)щ娔z，在臨床使用中表現(xiàn)出與商業(yè)濕式ECG電極相似的性能。此外，小型天線封裝技術(shù)實現(xiàn)了4倍于典型商用芯片天線的無線通信范圍。

4.3 自供能可穿戴ECG

在柔性電子系統(tǒng)中，電池占據(jù)了較大面積，且電量跟尺寸存在一定程度的正相關(guān)。這就使得在整個電子系統(tǒng)體積縮小且保證電池能夠持續(xù)供電上存在著一些困難。賦予傳感系統(tǒng)自供電功能能夠完美解決這個問題。

Kim等^［66］開發(fā)的自供電的可穿戴ECG系統(tǒng)采用FPCB上的ECG感應(yīng)電路，并由可穿戴熱電發(fā)電機（w-TEG）利用人體熱能作為能源供電。為提高TEG的發(fā)電功率并保持可穿戴性，設(shè)計了一種基于聚合物的柔性散熱器（PHS）。通過對PHS和w-TEG結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，實現(xiàn)了輸出功率密度在前10 mins內(nèi)超過38 μW/cm²，在連續(xù)驅(qū)動電路22 h后仍可達到13 μW/cm²的水平。這一功率水平足以持續(xù)驅(qū)動可穿戴ECG系統(tǒng)，包括傳感器和電源管理電路（見圖3（f））。

Zohair等^［67］采用可生物相容的普魯士藍（PB）作為活性材料，發(fā)現(xiàn)其在電化學(xué)發(fā)生器中鉀離子的插入能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的功率和能量輸出。與電池中類似材料相比，PB在電化學(xué)發(fā)生器中的性能更佳。PB電化學(xué)發(fā)生器的纖維器件在0.1 Hz頻率下，4 mm彎曲半徑時的峰值功率輸出達到3.8 μW/cm²，

與傳統(tǒng)TEG或PEG方法相當(dāng)。這些纖維可以縫入服裝和紡織品中，持續(xù)監(jiān)測人體運動，如手臂或手指彎曲（見圖3（g））。相比其他能量采集方法，這種基于纖維的電化學(xué)發(fā)生器具有高性能和直接與紡織品結(jié)合的優(yōu)勢，為開發(fā)可穿戴ECG充電設(shè)備提供了重要的啟示。

4.4 ECG算法優(yōu)化

由于電極與皮膚之間的高阻抗，以及可穿戴式ECG系統(tǒng)在運動或日常生活中獲取數(shù)據(jù)的需求，與普通ECG系統(tǒng)相比，它們面臨著更多的噪聲挑戰(zhàn)，包括加性高斯白噪聲、基線漂移噪聲和運動偽影等^［69］。常用的方法包括小波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和自適應(yīng)濾波法等，然而這些方法的實現(xiàn)較為困難。卷積小波的方法可以方便地分析ST段或QT/QTc段的心電參數(shù)，并準(zhǔn)確檢測QRS復(fù)合信號，成為檢測特定心電點（如T-偏移、P-起始）的標(biāo)準(zhǔn)方法^［17］。此外，運動偽影和基線漂移可能會影響ST段的檢測。深度循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過雙向長短期記憶和全變分去噪可以抑制運動偽影和基線漂移^［70］。最近，一種新的粒子算法被提出，可以根據(jù)運動偽影的強度進行自適應(yīng)濾波^［71］。這些算法可以與可穿戴系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)ECG信號的優(yōu)化。然而，目前尚無用于開發(fā)、測試和驗證這些算法的紡織心電圖數(shù)據(jù)集。Tian等^［72］嘗試通過將紡織品傳感器噪聲添加到開放式ECG信號中來對紡織品ECG信號進行建模，采用線性預(yù)測編碼方法模擬這種噪聲的不同特征。通過核密度估計近似線性預(yù)測編碼殘差信號和使用線性預(yù)測編碼系數(shù)對殘差信號進行濾波，生成了人造紡織品心電圖噪聲信號，為紡織品心電圖上R峰檢測算法的性能提供了基準(zhǔn)。此外，最新的研究成果還包括利用電極組織阻抗信息來縮減運動偽影^［73］，以及對非接觸式電極位置或間隙進行建模以抵抗運動偽影等^［74］。

5 結(jié)論與展望

本文回顧了可穿戴織物心電電極的發(fā)展歷程，分析了導(dǎo)電材料的選擇、織物電極的制備方法及改性策略，并探討了織物電極的測試標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計方案?？椢镄碾婋姌O可設(shè)計為ECG電子紡織品，集成心電、體溫和運動等多種傳感器，實現(xiàn)多生理參數(shù)的同步監(jiān)測。結(jié)合ECG柔性電子系統(tǒng)，通過柔性電路和電池技術(shù)，使設(shè)備更加輕便，貼合人體，提升佩戴舒適性。自供能可穿戴ECG系統(tǒng)集成了能量收集、管理與實時監(jiān)測功能，實現(xiàn)長時間的ECG實時監(jiān)測。通過優(yōu)化ECG算法，進一步提高信號采集精度和數(shù)據(jù)處理效率，減少噪聲和偽影，提升監(jiān)測的可靠性與準(zhǔn)確性?？椢镄碾婋姌O的進展不僅增強了便攜性與舒適性，還為健康監(jiān)測和醫(yī)療診斷開辟了新的應(yīng)用前景。

可穿戴心電電極正在向著以下方向發(fā)展：1）舒適性：電極材料更加柔軟、透氣和貼合皮膚，佩戴更舒適；2）可靠性：電極信號傳輸性能更加穩(wěn)定，數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，可靠；3）多功能性：集成多種生理信號監(jiān)測功能于一體，提供更全面的健康監(jiān)測；4）隱形化：設(shè)計更為隱蔽和美觀，適應(yīng)日常穿著；5）智能化：結(jié)合先進的傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)分析算法，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測和智能預(yù)警。這些特性使得長時間、連續(xù)的心電監(jiān)測成為可能。

盡管可穿戴心電電極在舒適性、可靠性、多功能性等方面取得了顯著進展，但在實際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性仍是一個關(guān)鍵問題，特別是在長時間監(jiān)測和動態(tài)環(huán)境下，如何減少噪聲干擾、提高信號質(zhì)量是未來的研究重點。同時，隱私安全也不容忽視，隨著大量個人健康數(shù)據(jù)的實時收集和傳輸，如何保護用戶隱私，防止數(shù)據(jù)泄露是需要解決的緊迫問題。多模傳感器的集成復(fù)雜性也對系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求，在保證監(jiān)測多種生理信號的同時，如何簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)、提高數(shù)據(jù)同步性仍待突破。此外，算法優(yōu)化的效果直接影響著監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性，進一步提升算法的處理效率、降低能耗，以應(yīng)對海量數(shù)據(jù)處理的需求，也是未來技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵方向。

隨著材料和技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，智能穿戴設(shè)備有望在這些領(lǐng)域取得突破，實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)處理、更可靠的監(jiān)測性能和更好的用戶體驗，從而推動健康監(jiān)測技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

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Research progress on fabric-based wearable ECG electrodes

ZHOU Jinli， ZHENG Junjie， WANG Chenxiao， XIONG Fan， YANG Chaoran， LI Yunfei， FAN Mengzhao

（College of Intelligent Textile and Fabric Electronics， Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007， China）

Abstract： The initial use of ECG recordings involved opaque carbon electrodes. With the development of magnetic resonance imaging （MRI）， carbon fiber electrodes were introduced to reduce image distortion while simultaneously recording ECG and thoracic impedance. Advances in wearable technology have driven the development of novel ECG electrodes based on textile substrates， which combine nanomaterials and wireless systems to achieve high-quality signal acquisition. The application of new materials， such as gecko-inspired conductive dry adhesives and 3D-printed electrodes， has made ECG monitoring more reliable in various environments. Additionally， innovative electrode technologies， such as stretchable conductive fabrics， electrogel electrodes， hydrogel electrodes， fabric microneedle electrodes， and polymer conductive adhesives ， have begun to emerge.

Selecting suitable conductive materials is crucial in the preparation of fabric electrodes. These materials mainly include conductive fibers， metal nanowires， carbon-based materials， conductive polymers， and conductive inks. Conductive fibers offer flexibility， metal nanowires provide high conductivity， carbon-based materials combine lightness with strength， conductive polymers are easy to process， and conductive inks are ideal for printing complex patterns. By employing techniques such as knitting， weaving， embroidery， and electrospinning， various high-conductivity fabric electrodes can be designed. Woven fabrics offer high strength and stability， making them suitable for creating structurally demanding conductive fabrics. Knitted fabrics have good elasticity and breathability， making them ideal for flexible and close-fitting conductive fabrics. Embroidered fabrics allow for the design of intricate electrode patterns， while nonwoven fabrics are suitable for producing soft and breathable conductive fabrics. Additionally， physical and chemical modifications can enhance conductivity， waterproofing， and wear resistance. Methods such as in-situ polymerization， chemical plating， electroplating， surface spraying， and plasma modification can improve the conductivity and stability of fabrics. Moreover， fabric electrodes must meet testing standards for comfort， breathability， durability， waterproofness and sweat resistance to ensure effective transmission of cardiac signals， guaranteeing long-term use， and maintaining good conductivity and structural integrity even after multiple washings and prolonged use.

Research advancements in fabric ECG electrodes include ECG sensor-based electronic textiles， ECG flexible electronic system design， self-powered wearable ECG， and ECG algorithm optimization. ECG sensor-based electronic textiles can integrate various sensors， such as ECG， body temperature， and motion sensors， enabling the simultaneous monitoring of multiple physiological parameters and providing more comprehensive health monitoring data. ECG flexible electronic systems use technologies such as flexible circuits and batteries， making the entire system lighter and more conforming to the body's curves， providing a more comfortable wearing experience. Self-powered wearable ECG systems include energy harvesting， energy management， and real-time ECG monitoring. The ECG algorithm is optimized for the characteristics of wearable devices to improve the accuracy of ECG signal acquisition and data processing efficiency， reduce noise and artifacts， and improve the reliability and accuracy of ECG monitoring. The development of fabric ECG electrodes has not only improved the portability and comfort of ECG monitoring but also brought new possibilities for health monitoring and medical diagnostics.

Keywords： fabric electrodes; e-textiles; ECG monitoring; smart wearable