用于體表心電監(jiān)測的紡織結構電極與皮膚之間機械作用分析及動態(tài)噪音研究.pdf

1、最近十多年，紡織結構電極越來越受到各國研究者的重視。這是因為老齡化社會到來，各種心血管疾病成為老齡人的高發(fā)病，成為人類健康的頭號殺手，加重了患者家庭和整個社會的醫(yī)療負擔。由于這類疾病具有長期性、累積性、偶發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的定期健康檢查不能有效的防止這類疾病，國外通行的做法是防患于未然，即對心臟健康狀況進行長期監(jiān)測。然而，傳統(tǒng)醫(yī)療上使用的一次性心電電極不適合于長期監(jiān)測，因為它是采用金屬平板電極，為了提高人體皮膚和電極之間的導電性，二者之間涂有一

2、次粘性水凝膠，在使用過程中水凝膠逐漸干涸，影響電極的性能;同時，水凝膠中的導電電解質會對皮膚產生刺激，造成皮膚過敏，嚴重的時候會導致皮膚發(fā)炎、潰爛。紡織結構電極作為潛在的傳統(tǒng)金屬平板電極替代電極，不但沒有這些缺點，而且還具有傳統(tǒng)電極不具備的優(yōu)點，和普通紡織品一樣，紡織結構電極質地柔軟，舒適性較好;紡織結構電極透氣性透水性好，而且不使用導電膠，長時間使用，不會造出皮膚刺激問題;紡織結構電極易于集成到服裝中用于可穿戴健康監(jiān)測，可以水洗和重復

3、使用……因此，研究紡織結構電極具有重要的社會意義。
　　 紡織結構電極是個新興的研究領域，也是個多學科交叉的研究熱點，具有非常高的學術研究價值。紡織結構電極概念的提出和發(fā)展歷程只有十多年時間，但是對其研究受到來自材料、物理、化學、電子、生物、力學等多個學科研究人員的廣泛關注。目前，歐美、日本、韓國、臺灣等國家和地區(qū)對紡織結構電極已經進行了較多的研究，國內還處于起步階段?，F(xiàn)階段研究表明紡織結構電極可以很好檢測人體在靜態(tài)是的心電信號

4、，但在人體活動時，心電信號受到非常大的干擾噪音，這種動態(tài)下的噪音叫做運動偽跡，它普遍存在于人體表面生物電勢測量中，對其研究也從來沒有中斷過。傳統(tǒng)金屬平板電極的研究表明，運動偽跡主要來源于電極-皮膚界面的變化和皮膚自身變形產生的電勢兩方面，而紡織結構電極在結構和使用方法上與傳統(tǒng)電極不同，其動態(tài)噪音和傳統(tǒng)一次性診斷電極既存在相同點又是有區(qū)別的，其區(qū)別主要體現(xiàn)在紡織結構電極是柔性的，而且不使用導電膠，人體運動時，紡織結構容易發(fā)生變形，電極與皮

5、膚發(fā)生相對滑移，接觸界面容易受到影響。所以，紡織結構電極的動態(tài)噪音較傳統(tǒng)金屬平板電極更為復雜，皮膚-電極界面變化產生的動態(tài)噪音更為突出，這正是本課題研究的重點。論文通過研究紡織結構電極與皮膚相互作用，探討紡織結構及運動方式對動態(tài)噪音的影響，進而分析紡織結構電極動態(tài)噪音的機理，主要工作和創(chuàng)新點有以下幾方面:
　　 (1)紡織結構電極的制作和靜態(tài)性能評價。本課題中采用導電銀纖維作為紡織結構電極的基礎材料，為了改善電極表面電化學性能，

6、如:極化阻抗和電勢穩(wěn)定性，采用電化學的方法對纖維表面進行改性處理，其原理是將整理齊的纖維束放入0.9％氯化鈉(NaCl)電解質溶液中，銀(Ag)作為工作電極(WorkingElectrode)發(fā)生電解與溶液中的氯離子發(fā)生反應，生成氯化銀(AgCl)沉積，包覆在纖維表面。電化學處理的工藝參數(shù)主要有處理電壓和處理時間，采用不同的工藝，纖維表面的微觀形態(tài)明顯不同，紡織結構電極與電解質的阻抗發(fā)生顯著變化。利用經過優(yōu)化工藝處理的纖維，制作不同織物

7、結構的電極，如:機織平紋、針織平針、刺繡平紋和刺繡毛圈結構電極，評價這些織物結構電極的靜態(tài)性能，如:電化學阻抗、開路電壓，同時比較他們在實際心電圖測量中的性能。
　　 (2)紡織結構電極與皮膚之間的機械作用分析。人體在動態(tài)下，電極與皮膚相互作用是評價紡織結構電極動態(tài)性能和研究運動偽跡的前提。課題研究中將電極和皮膚的相互作用定義為平行于皮膚面內的平動和垂直于皮膚的壓縮或者擠壓。實驗中設計一種集成光學位移傳感器的電極，測量人體在不同

8、肢體動作時，電極與人體特定位置皮膚之間的相對運動速和運動軌跡。為了測量電極-皮膚之間的擠壓，在皮膚和電極之間放置薄片壓力傳感器，測量電極和皮膚之間不同運動狀態(tài)下的二者接觸壓力變化。這些測量指標為進一步分析人體在不同運動狀態(tài)下電極-皮膚之間相互作用的規(guī)律、研究紡織結構電極的動態(tài)性能評價提供依據(jù)。同時，通過測量不同運動狀態(tài)下的心電圖，可以了解運動對心電圖的影響，實踐中確認運動是運動偽跡的原因。
　　 (3)紡織結構電極的動態(tài)噪音評價

9、。目前紡織結構電極的動態(tài)噪音評價主要在人體上進行，然而不同人在生理上存在差異、同一個人不同時間也存在差異，直接在人體上評價紡織結構電極動態(tài)性能的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、難以重復，為此課題中開發(fā)一臺紡織結構電極動態(tài)噪音評價儀器，這臺儀器分為五部分:皮膚-電極界面模擬器，運動控制機構、信號采集單元、電解質循環(huán)裝置和計算機程序。測試時，電解質循環(huán)裝置將生理鹽水在皮膚-電極界面模擬器中循環(huán)，電極通過運動控制機構在模擬器件上運動，信號采集單元測量電極運動狀態(tài)

10、下的各種信號，如:電極-皮膚界面接觸壓力、電極的開路電壓、電極-皮膚界面的阻抗等。課題中選用了不同織物結構的電極，研究它們與模擬器在不同接觸壓力和相對移動速度時的動態(tài)噪音，分析動態(tài)噪音與這些運動參數(shù)之間的變化規(guī)律，以便進一步研究動態(tài)噪音的機理。
　　 (4)紡織結構電極動態(tài)噪音機理的研究。人體(2)和儀器模擬試驗(3)表明皮膚-電極相互作用是產生紡織結構電極動態(tài)噪音的原因，為此需進一步研究二者界面的電化學性能。課題中通過儀器模擬

11、試驗方法表征紡織結構電極與皮膚界面在動態(tài)下的電化學阻抗譜，并建立其等效電路模型，分析模型中各參數(shù)的變化，研究動態(tài)噪音產生的機理，最后通過人體試驗對其進行驗證。儀器模擬實驗發(fā)現(xiàn)電極-皮膚相互作用中壓力變化對電極-皮膚界面阻抗有顯著影響，而水平運動速度對界面阻抗影響不明顯，分析不同壓力下阻抗譜的等效電路模型中各參數(shù)變化，結果表明紡織結構電極動態(tài)噪音與皮膚-電極界面電容性有關，結合壓力變化過程中的電極兩端開路電壓變化，理論計算也驗證了這個噪音