用于體表心電監(jiān)測(cè)的紡織結(jié)構(gòu)電極與皮膚之間機(jī)械作用分析及動(dòng)態(tài)噪音研究.pdf

1、最近十多年，紡織結(jié)構(gòu)電極越來(lái)越受到各國(guó)研究者的重視。這是因?yàn)槔淆g化社會(huì)到來(lái)，各種心血管疾病成為老齡人的高發(fā)病，成為人類(lèi)健康的頭號(hào)殺手，加重了患者家庭和整個(gè)社會(huì)的醫(yī)療負(fù)擔(dān)。由于這類(lèi)疾病具有長(zhǎng)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(lèi)疾病，國(guó)外通行的做法是防患于未然，即對(duì)心臟健康狀況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。然而，傳統(tǒng)醫(yī)療上使用的一次性心電電極不適合于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，因?yàn)樗遣捎媒饘倨桨咫姌O，為了提高人體皮膚和電極之間的導(dǎo)電性，二者之間涂有一

2、次粘性水凝膠，在使用過(guò)程中水凝膠逐漸干涸，影響電極的性能;同時(shí)，水凝膠中的導(dǎo)電電解質(zhì)會(huì)對(duì)皮膚產(chǎn)生刺激，造成皮膚過(guò)敏，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致皮膚發(fā)炎、潰爛。紡織結(jié)構(gòu)電極作為潛在的傳統(tǒng)金屬平板電極替代電極，不但沒(méi)有這些缺點(diǎn)，而且還具有傳統(tǒng)電極不具備的優(yōu)點(diǎn)，和普通紡織品一樣，紡織結(jié)構(gòu)電極質(zhì)地柔軟，舒適性較好;紡織結(jié)構(gòu)電極透氣性透水性好，而且不使用導(dǎo)電膠，長(zhǎng)時(shí)間使用，不會(huì)造出皮膚刺激問(wèn)題;紡織結(jié)構(gòu)電極易于集成到服裝中用于可穿戴健康監(jiān)測(cè)，可以水洗和重復(fù)

3、使用……因此，研究紡織結(jié)構(gòu)電極具有重要的社會(huì)意義。
　　 紡織結(jié)構(gòu)電極是個(gè)新興的研究領(lǐng)域，也是個(gè)多學(xué)科交叉的研究熱點(diǎn)，具有非常高的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。紡織結(jié)構(gòu)電極概念的提出和發(fā)展歷程只有十多年時(shí)間，但是對(duì)其研究受到來(lái)自材料、物理、化學(xué)、電子、生物、力學(xué)等多個(gè)學(xué)科研究人員的廣泛關(guān)注。目前，歐美、日本、韓國(guó)、臺(tái)灣等國(guó)家和地區(qū)對(duì)紡織結(jié)構(gòu)電極已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究，國(guó)內(nèi)還處于起步階段?，F(xiàn)階段研究表明紡織結(jié)構(gòu)電極可以很好檢測(cè)人體在靜態(tài)是的心電信號(hào)

4、，但在人體活動(dòng)時(shí)，心電信號(hào)受到非常大的干擾噪音，這種動(dòng)態(tài)下的噪音叫做運(yùn)動(dòng)偽跡，它普遍存在于人體表面生物電勢(shì)測(cè)量中，對(duì)其研究也從來(lái)沒(méi)有中斷過(guò)。傳統(tǒng)金屬平板電極的研究表明，運(yùn)動(dòng)偽跡主要來(lái)源于電極-皮膚界面的變化和皮膚自身變形產(chǎn)生的電勢(shì)兩方面，而紡織結(jié)構(gòu)電極在結(jié)構(gòu)和使用方法上與傳統(tǒng)電極不同，其動(dòng)態(tài)噪音和傳統(tǒng)一次性診斷電極既存在相同點(diǎn)又是有區(qū)別的，其區(qū)別主要體現(xiàn)在紡織結(jié)構(gòu)電極是柔性的，而且不使用導(dǎo)電膠，人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，紡織結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變形，電極與皮

5、膚發(fā)生相對(duì)滑移，接觸界面容易受到影響。所以，紡織結(jié)構(gòu)電極的動(dòng)態(tài)噪音較傳統(tǒng)金屬平板電極更為復(fù)雜，皮膚-電極界面變化產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)噪音更為突出，這正是本課題研究的重點(diǎn)。論文通過(guò)研究紡織結(jié)構(gòu)電極與皮膚相互作用，探討紡織結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方式對(duì)動(dòng)態(tài)噪音的影響，進(jìn)而分析紡織結(jié)構(gòu)電極動(dòng)態(tài)噪音的機(jī)理，主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)有以下幾方面:
　　 (1)紡織結(jié)構(gòu)電極的制作和靜態(tài)性能評(píng)價(jià)。本課題中采用導(dǎo)電銀纖維作為紡織結(jié)構(gòu)電極的基礎(chǔ)材料，為了改善電極表面電化學(xué)性能，

6、如:極化阻抗和電勢(shì)穩(wěn)定性，采用電化學(xué)的方法對(duì)纖維表面進(jìn)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(zhì)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(yīng)，生成氯化銀(AgCl)沉積，包覆在纖維表面。電化學(xué)處理的工藝參數(shù)主要有處理電壓和處理時(shí)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(jié)構(gòu)電極與電解質(zhì)的阻抗發(fā)生顯著變化。利用經(jīng)過(guò)優(yōu)化工藝處理的纖維，制作不同織物

7、結(jié)構(gòu)的電極，如:機(jī)織平紋、針織平針、刺繡平紋和刺繡毛圈結(jié)構(gòu)電極，評(píng)價(jià)這些織物結(jié)構(gòu)電極的靜態(tài)性能，如:電化學(xué)阻抗、開(kāi)路電壓，同時(shí)比較他們?cè)趯?shí)際心電圖測(cè)量中的性能。
　　 (2)紡織結(jié)構(gòu)電極與皮膚之間的機(jī)械作用分析。人體在動(dòng)態(tài)下，電極與皮膚相互作用是評(píng)價(jià)紡織結(jié)構(gòu)電極動(dòng)態(tài)性能和研究運(yùn)動(dòng)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(nèi)的平動(dòng)和垂直于皮膚的壓縮或者擠壓。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)一種集成光學(xué)位移傳感器的電極，測(cè)量人體在不同

8、肢體動(dòng)作時(shí)，電極與人體特定位置皮膚之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速和運(yùn)動(dòng)軌跡。為了測(cè)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(cè)量電極和皮膚之間不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的二者接觸壓力變化。這些測(cè)量指標(biāo)為進(jìn)一步分析人體在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下電極-皮膚之間相互作用的規(guī)律、研究紡織結(jié)構(gòu)電極的動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)提供依據(jù)。同時(shí)，通過(guò)測(cè)量不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心電圖，可以了解運(yùn)動(dòng)對(duì)心電圖的影響，實(shí)踐中確認(rèn)運(yùn)動(dòng)是運(yùn)動(dòng)偽跡的原因。
　　 (3)紡織結(jié)構(gòu)電極的動(dòng)態(tài)噪音評(píng)價(jià)

9、。目前紡織結(jié)構(gòu)電極的動(dòng)態(tài)噪音評(píng)價(jià)主要在人體上進(jìn)行，然而不同人在生理上存在差異、同一個(gè)人不同時(shí)間也存在差異，直接在人體上評(píng)價(jià)紡織結(jié)構(gòu)電極動(dòng)態(tài)性能的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、難以重復(fù)，為此課題中開(kāi)發(fā)一臺(tái)紡織結(jié)構(gòu)電極動(dòng)態(tài)噪音評(píng)價(jià)儀器，這臺(tái)儀器分為五部分:皮膚-電極界面模擬器，運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、信號(hào)采集單元、電解質(zhì)循環(huán)裝置和計(jì)算機(jī)程序。測(cè)試時(shí)，電解質(zhì)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(guò)運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)在模擬器件上運(yùn)動(dòng)，信號(hào)采集單元測(cè)量電極運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

10、下的各種信號(hào)，如:電極-皮膚界面接觸壓力、電極的開(kāi)路電壓、電極-皮膚界面的阻抗等。課題中選用了不同織物結(jié)構(gòu)的電極，研究它們與模擬器在不同接觸壓力和相對(duì)移動(dòng)速度時(shí)的動(dòng)態(tài)噪音，分析動(dòng)態(tài)噪音與這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的變化規(guī)律，以便進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)噪音的機(jī)理。
　　 (4)紡織結(jié)構(gòu)電極動(dòng)態(tài)噪音機(jī)理的研究。人體(2)和儀器模擬試驗(yàn)(3)表明皮膚-電極相互作用是產(chǎn)生紡織結(jié)構(gòu)電極動(dòng)態(tài)噪音的原因，為此需進(jìn)一步研究二者界面的電化學(xué)性能。課題中通過(guò)儀器模擬

11、試驗(yàn)方法表征紡織結(jié)構(gòu)電極與皮膚界面在動(dòng)態(tài)下的電化學(xué)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(dòng)態(tài)噪音產(chǎn)生的機(jī)理，最后通過(guò)人體試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。儀器模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電極-皮膚相互作用中壓力變化對(duì)電極-皮膚界面阻抗有顯著影響，而水平運(yùn)動(dòng)速度對(duì)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(jié)果表明紡織結(jié)構(gòu)電極動(dòng)態(tài)噪音與皮膚-電極界面電容性有關(guān)，結(jié)合壓力變化過(guò)程中的電極兩端開(kāi)路電壓變化，理論計(jì)算也驗(yàn)證了這個(gè)噪音