纺织电极在心电监测服装中的应用与研究

孙新建

（西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089）

随着我国经济水平的不断提升，人们不再仅关注衣食住行等基本需求，对健康的重视程度越来越高，开始寻找多种方式来保证身体健康，比如适当的体育锻炼、保持良好的生活习惯、定期体检等。但是，医院体检的程序较多，耗时又费力，而且只能对体检者当时的身体状况进行评估，没办法监测体检者长期、持续的身体状态。近年来，心电监测服装成为智能纺织品领域的研发热点，可以对人体心电信号进行长期、实时的监测，同时生成心电图对穿衣者的心脏情况进行反馈，达到心脏监测和示警的作用。纺织电极与传统医用电极相比具有非常大的优势，柔软透气、准确及时，可以实时传输心电监测信号，长期接触不会造成人体皮肤过敏或者溃烂现象。

1 纺织电极简介

1.1 常用材料

纺织电极是通过特殊方式将导电物质放在纤维、纱线等纺织物表面，使衣物能将人体心脏产生的离子导电转化为可以被检测到的电子导电的一种器件。应用较为广泛的纺织电极材料有导电纤维、织物或者纱线等服装材料。在纺织电极研究领域，有大批学者和专业人员进行深入研究，比如有研究人员将镀银涤纶纱线作为材料，使用电路模拟法、氯化改性处理法、手工刺绣成型法等方式，将电镀工艺和纺织工艺科学结合，设计出一种比较柔软的电极面料，对纺织电极静态性能的评估也有了较大的进步[1]。高校的研究团队将一些棉质织物浸入含有吡咯单体和掺杂剂的水溶液中，然后在混合水溶液中加入氧化剂，使吡咯聚合到棉织物上形成导电织物，完成了聚吡咯/棉织物心电电极的制备和性能评价。为了开展织物材料与电极织物之间的关系实验，相关学者将聚酰胺织物、聚酯织物和棉织物分别浸泡在聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）/聚苯乙烯磺酸钠（PSS）溶液中进行化学改性，制成纺织电极，随后将纺织电极放在内衣织物中，完成心电信号监测。通过测试发现，经过多次水洗后，棉织物电极和聚酰胺织物电极获得的心电信号质量较高，聚酯织物电极获得的心电信号较弱。

1.2 制备方法

纺织电极的分类较多，其中，按照成品的种类可以分为非织造布电极、机织类电极、3D打印电极和针织类电极4种。这些纺织电极比较普遍的应用方法有3种。（1）在织物表面沉积导电金属或导电高聚物，形成纺织电极；（2）使用导电纤维或者在纤维中加入适当的导电粒子，随后将纤维制成纺织电极；（3）通过缝纫手段将导电纱线制成衣物的一部分，使其发挥心电监测的功能。相关学者为了提升纺织电极的质量，使用3D打印技术制作出一种高精度的三维形态结构，通过在这一结构中先后溅射钛层和金层，形成电极。研究和实验发现，这种电极能与人体产生更密切的接触，降低外部因素对心电信号的影响，提升心电监测的精确度，是当前实现低成本、快生产、高精度电极的重要手段。

2 纺织电极在心电监测服装设计中的应用

2.1 纺织电极在健康监测服装设计中的应用

随着我国人口老龄化程度不断加深，老年人口占总人口的比例越来越高，老年群体的各项身体机能会出现或多或少的退化现象，引发各种各样的基础病。因此，监测和反馈人体医学信号对人体疾病的预防和预警具有非常重要的意义[2]。国际上研发出一款健康监测内衣，内部有高分子树脂的聚酯纺织电极，能对穿衣者的心脏肌肉活动进行实时监测。我国对纺织电极也有比较深入的研究，相关学者和研究团队使用Ag和AgCl这两种材料制成纺织电极，与社会上的科技企业进行合作，开发出我国首款心电监测智能服饰。该服饰与人体紧密贴合，但是不会使人体皮肤出现过敏或者溃烂现象，而且清洗比较方便，可以使用洗衣机清洗，在心电监测服装领域获得了广泛的好评。

2.2 纺织电极在运动监测服装设计中的应用

随着社会的不断发展，人们的思想发生了很大的变化，为了保证身体健康，人们不仅会定期进行体育运动，还会定期体检来对疾病进行预防和示警。但是，人们在运动和锻炼的过程中往往缺乏专业指导，对运动量无法进行严密的把控，导致出现运动过量的现象。运动过量会导致人体出现肌肉、关节和韧带损伤等问题，甚至会产生比较严重的心脏负担，在这种情况下，容易引发心血管疾病，对人体健康和生命安全造成不利影响。因此，相关研究领域加强对运动监测产品的研究，对保障人体健康具有重要意义。联想公司开发出一款智能心电衣，主要通过编织的方式，将12块柔性织物电极织入心电衣中，这类产品可以对人体的基本特征进行实时监测，不间断地对人体心电信号进行采集和分析，且采集和分析结果比较准确。

2.3 纺织电极在其他监测领域服装设计中的应用

纺织电极作为一种新技术，在多个领域都有广泛的应用，比如健康监测、运动监测等。相关研究团队设计了一款无缝智能胎儿监测服，将柔性导电纺织电极以编织的方式放入服装中，主要作用是监测孕妇和胎儿的生命信号，主要体征有孕妇的心率、胎儿的心率以及孕妇子宫内的情况，这种监测可以比较准确地评估孕妇和胎儿的健康程度。当前，市面上还存在一种监测服装，是将光纤材料植入衣服中，可以对穿衣者的心电信号、体温、心率等特征进行监测。此外，这种监测服装还能发送危险信号，相关部门会根据接收的信号判断穿着者的受伤部位及受伤程度，及时制定科学有效的救援方案。

3 纺织电极在心电监测服装设计中存在的问题及发展趋势

3.1 纺织电极在心电监测服装设计中存在的问题

纺织电极在心电监测领域的应用非常广泛，这种关键部件能推动智能纺织品走向舒适化、小型化以及一体化，但是还存在一些问题需要完善和解决。首先，纺织电极与传统的医用电极在使用方面具有较大区别，纺织电极在使用时不需要用导电胶，虽然这种方式会避免人体皮肤出现敏感、溃烂现象，但是会导致电极与测试者的贴合度不高，如果穿衣者处于运动状态，就会影响测试的质量，导致测试信号中出现大量的噪声，对心电测试的准确性造成影响[3]。运动型的心电监测服装在设计和制作时一般会使用紧密贴合人体的材料，加大衣服与人体表面的接触面积，但是如果衣服过紧，会影响服装的舒适度。因此，在设计运动心电监测服装时，需综合考量人体与服装的贴合度。其次，测试效果的可靠性还需要提升。对身体健康分析和运动指导而言，最重要的环节就是要准确接收心电信号。但是，当前市面上的心电监测产品只能监测人体的静态心电信号，当人处于运动状态时，心电信号的接收效果难以达到标准，这就需要在分析心电信息时，对运动状态进行更细致的解析，对人体在不同状态下的心电信息进行详细记录，降低运动状态对心电信号准确性的影响。最后，纺织电极在心电监测领域应用的评价标准不够规范，缺乏统一的标准。当前，心电监测领域比较普遍的评价指标是阻抗，但是这种指标对纺织电极的质量很难进行全面的表达，不利于心电监测领域的标准化发展。因此，相关部门要不断优化和完善这一领域的标准[3]。

3.2 纺织电极在心电监测服装设计中的发展趋势

当前，可穿戴设备在家庭自主监护管理中的应用已经非常普遍，智能监测设备的可持续使用时间越来越长，能监测的生理参数也越来越完善，能充分发挥疾病预防和早期治疗的作用。当前，智能纺织品能监测的疾病范围也越来越广，逐渐朝着心脏骤停、心肌梗塞等疾病的预防和术后恢复方向发展。智能纺织物通过对穿衣者生理信息和病理信息两个方面的把握，能提供有针对性的应急措施和治疗方案，为后续的临床治疗工作提供有效的参考[4]。社会的发展使人们的健康观念发生了很大的变化，人们对健康的关注程度和疾病的预防意识越来越强，使医疗仪器的类型逐渐朝着家用和个人的小型化发展。信息技术、集成电路等先进技术的发展使相关研究领域提出了无线体域网系统这一概念，以人体为系统的中心，将个人电子设备作为基础的通信网络，向用户提供身体的实时参数，同时还能将信号传递给远程医疗服务器。这种智能服装系统不仅能满足人们日常的穿戴需求，还能实现任何时间、地点的人体生理信号实时监测。家庭监护设备和智能纺织品的飞速发展使学者开始将监测技术运用于医疗领域，加强了对疾病病理方面的监护，纺织电极逐渐朝着促进运动和疾病康复的方向发展。相关学者对心电监测与纺织电极的研究越来越深入，有学者提出了一种用于高危心脏病患者的健康监测系统，对患者的生命体征进行综合监测和分析，并提出有针对性的治疗方案，为临床医生提供参考。有学者研发了一种适用于帕金森患者的可穿戴远程监测系统，收集和运算患者的临床病理数据，通过远程监测系统为患者提供有效的疾病治疗和药物服用参考。部分学者指出，慢性疾病严重影响了青少年的身心健康，比如癫痫患儿的死亡率是健康儿童的5倍左右，而且死亡原因主要是治疗措施不到位。

4 结语

纺织电极能对人体进行长期和实时监测，对心电信号的监测效果比较好，在心电监测服装设计中的应用比较广泛，但是因为起步较晚，还存在一些问题需要完善和解决。当前，我国纺织电极的整体研究水平和技术水平与发达国家相比还存在一定的差距，因此，我国相关领域要对国外的优秀研究成果进行选择性学习，不断提升我国纺织电极的生产水平，提高我国心电监测服装产品的市场竞争力。