织物电极在心电监测服装中的研究进展

随着纺织技术的发展,可穿戴电子服装越来越多,作为柔性传感器件的织物电极也备受关注.与传统湿电极相比,织物电极舒适可靠,且监测时间长.针对织物电极的工作原理,介绍了国内外心电监测用织物电极的研究进展,包括织物电极的材料、结构,以及心电信号采集时织物电极穿戴的舒适性与信号采集稳定性之间的关系,总结并展望了织物电极的发展前景...     

方平组织导电面料的设计与心电监测

织物电极是制备长期可穿戴式心电监测设备的重要器件，织物电极的设计开发关系着电极穿戴的舒适性和信号采集的稳定性。方平组织织物浮线长，布面平整，风格独特，适合制备心电电极。基于镀银锦纶纱开发方平组织的导电面料，调控交织密度，织造了多种面电阻的织物电极，并探索其监测人体心电信号的性能，评估监测质量。研究发现，增加织物中导电纱线的交织密度可增大皮肤与电极间的接触面积，织物触感更柔软，织物与人体的阻抗更低，心电信号更清晰。织物有孔隙时更适合长期穿戴和监测人体的心电信号。     

起绒织物心电电极的制备及其应用

Ag/AgCl凝胶电极广泛应用于可穿戴心电测量领域,但随时间推移,凝胶逐渐风干,导致其导电性能变差。针对此问题制备了可替代其作用的起绒织物心电电极。以纯涤纶起绒纱线为基底,先采用原位聚合聚苯胺,再进行化学镀银,在纱线绒毛的表面沉积银单质制得导电纱,再用导电纱手工制备起绒织物心电电极。利用扫描电子显微镜和红外光谱对纤维表面形貌和化学组成进行了表征,测试了皮肤-电极阻抗性能和心电信号及皮肤-电极阻抗随时间的变化,评价了该电极电性能的稳定性。结果表明:在纤维表面成功沉积了可还原银离子的聚苯胺薄层,且纤维表面的镀银层致密均匀;在电学性能和心电信号测试结果中,起绒织物电极的皮肤-电极阻抗在5~500 Hz频率范围内小于1MΩ·cm^2,数值为0.65MΩ·cm^2;心电信号可分辨QRS波群以及T波心电特征波,而P波显示不清;该电极与皮肤的阻抗在4 h内保持相对稳定,在一定程度上反映了该电极可应用于可穿戴心电测量设备。     

一种石墨烯银复合织物电极的制备与研究

研究一种石墨烯银复合织物电极的制备方法及其性能。观察并分析了不同石墨烯添加量对基材微观形态的影响;通过单因素试验,得出了较优的磁控溅射织物电极制备工艺。通过生物兼容性测试得出:石墨烯银复合层作为织物电极导电层能够很好地采集到生物电信号,且并没有呈现细胞毒性,能满足医疗体外材料的测试标准。认为:制备的织物电极能够应用于针对人体生理状态实时监测的穿戴式医疗设备。     

碳纤维/涤纶刺绣心电电极制备及其性能

为制备一种生物相容性高的医疗级可穿戴电子服装用人体心电(ECG)监测电极,以碳纤维/涤纶复合长丝为电极导电材料,采用刺绣法开发了一种新型刺绣电极,对电极的电学性能和细胞毒性进行分析,并与镀银锦纶/涤纶刺绣电极进行对比;借助自行研发的可穿戴带式心电监测系统评价织物电极采集ECG信号质量。结果表明:镀银电极电学性能较优,但在长期心电信号监测中,碳基电极的阻抗变化与镀银电极相近;对比医用凝胶电极,2种刺绣电极采集到的ECG信号质量良好,均能满足医疗诊断需求;镀银电极具有很强的细胞毒性,其细胞存活率为3%,而碳基电极的细胞存活率为107%,细胞毒性为0级,具有良好生物相容性,符合医疗体外材料测试标准。     

织物电极采集肌电信号的研究进展

总结织物电极采集肌电信号的研究进展。织物电极是以织物或者纱线为基材,通过后处理的方式将其制备成柔性传感器采集生物电信号的材料。以采集肌电信号的织物电极为研究对象,从织物电极的设计和信号采集的角度出发,探究织物组织结构、导电材料的选择、肌电信号的处理等对织物电极采集肌电电信号的影响。认为:织物电极属于智能纺织品,在肌电信号采集、超级电容器、心电监测等方面有突出的应用。     

基于心电信号采集的监护服用电子织物研究

为实现心电信号的长期穿戴式监测,开发出耐用性能较优的柔性智能纺织品,以棉针织物为基体材料,选用280 D镀银导电缝纫线经缝制法制备电子织物。通过正交实验设计,采集在不同缝制参数下电子织物的心电信号,并与临床医用心电进行对比,分析电子织物心电信号的可靠性。并对电子织物导电性、拉伸性、耐磨性和耐水洗性等性能测试。采用Borda数法综合平衡了电子织物的心电信号采集效果及耐用性能,为基于心电信号采集的监护服用电子织物的优化提供基础。     

织物心电电极研究进展

概述传统医用心电电极存在的问题、织物心电电极的定义及其优点,并从常用的导电纤维材料和基底材料、电极结构、形状与尺寸、监测系统等方面对织物心电电极进行介绍,列举若干国内外研究实例.最后,分析目前织物心电电极存在的问题,并对其发展进行展望.     

穿戴式生理监测装置设计研究

设计一款穿戴式生理监测装置并进行测试，该装置由硬件和软件控制实现，主要对心率、呼吸频率和体温等生理参数进行监测，其中心电信号采用织物电极传感器获取，呼吸频率采用阻抗法获取，体温采用热敏电阻桥路法获取，并且分别在静息和运动状态下进行样机测试。结果表明：该穿戴式生理监测装置与标准设备监测心率和呼吸频率的相对误差均在10.00%以内，监测体温的相对误差在1.00%以内，该装置具有小型化、集成化等特点，且性能稳定、监测数据准确可靠。     

织物心电电极优化及在不同相对湿度下的性能比较

为解决用于心电监测的纺织结构电极与皮肤接触时电阻大、心电信号干扰大的问题,采用在织物电极中加入吸湿性纱线的方法进行优化,改善电极-皮肤界面的接触环境。当环境相对湿度改变时,分别测试加入不同种类和配比的吸湿性纱线时织物电极获取的心电信号。结果表明:在高相对湿度条件下,在镀银织物电极中加入吸湿性纱线,不仅能够改善电极与皮肤的接触状态,降低电极与皮肤的接触电阻,提高信号质量,而且有利于增强服装舒适性,降低电极制作成本。     

织物电极监测心电信号与穿戴压力作用机制分析

为探索穿戴压力对纺织结构心电电极采集心电图(ECG)信号质量的影响,开发了基于镀银锦纶丝束和涤纶的平纹和缎纹交织结构的4种导电织物电极。从皮肤-电极接触阻抗、舒适性以及织物方阻与穿戴压力的关系等方面评价了织物电极的性能,并测试了不同穿戴压力(2、5、10 kPa)下4种不同织物电极采集ECG信号的性能。结果表明:在不同穿戴压力下,不同结构的织物电极表现出不同的ECG信号采集能力和舒适性能;随着穿戴压力增加,所测试的导电织物方阻先呈下降趋势,然后趋于稳定,ECG信号质量不断增高;纯导电缎纹结构织物具有更好的透气透湿性,并且舒适性优于平纹结构织物;然而在舒适的穿戴压力(2、5 kPa)下,平纹结构织物电极表现出更好的ECG信号质量。     

An investigation of electronic fabrics for monitoring clothing based on ECG signal acquisition北大核心CSCD

In order to achieve the long, term wearable monitoring of ECG (electrocardiogram) signals and develop soft and smart textiles with excellent durability, electronic fabrics were prepared by using cotton knitted fabric as the base material and 280 D silver, plated conductive sewing thread . Through orthogonal experimental design, ECG signals of electronic fabric under different sewing parameters were gathered and compared with clinical medical ECG to analyze the feasibility of ECG signal. Then, tests of the conductivity, tensile property, abrasion resistance and water washing resistance of electronic fabric were carried out. Borda method was used to balance the acquisition effect of ECG signal and the durability performance of the electronic fabric. This paper provides a basis for the optimization of the electronic fabric based on the ECG signal acquisition. © 2018 China Silk Association. All rights reserved.     

石墨烯/针织复合电极材料的制备及性能测试

为了满足柔性智能可穿戴电子产品的供电需求,设计了一种与之匹配的柔性超级电容器。电极材料是决定超级电容器性能的关键因素,为提高电极材料的电化学性能和耐弯曲性能,以针织物为基底,采用电化学沉积法制备石墨烯/针织复合电极材料。通过SEM测试表征电极材料的表观形貌及结构;通过恒流充放电、循环伏安以及交流阻抗等测试表征电极材料的电化学性能。试验结果表明:石墨烯/涤棉针织复合电极最佳电沉积时间为150 min,比电容为57.76 F/g、电阻为21.14Ω;经过1000次循环充放电后,电容保持率仍然可达82.2%,循环寿命长且耐弯曲性能优异。     

织物结构对纺织结构电极阻抗性能的影响

以镀银纱线作为原材料,采用织物结构单元成型的方式,通过织物结构分析模拟并结合电化学阻抗谱分析,分别研究了纱线曲屈状态、织物组织、织物密度、纱线连续状态及纱线数量对电极阻抗性能的影响。研究表明：相同长度的纱线在织物中的曲屈状态对电极阻抗性能影响较小;织物密度对电极阻抗性能的影响较小;纱线连续状态及纱线数量对电极阻抗性能的影响较大。为可穿戴医疗监护服装中纺织结构电极的设计提供一定的理论依据。     

Textile electrodes of jacquard woven fabrics for biosignal measurement

In the last few years, textile electrodes have become an interesting topic for physiological monitoring, steadily developing to be applied in innovative wearable sensing systems. The structure of textile electrodes can be fabricated by weaving, knitting, or embroidering conductive yarn and is now commercially available. The upgraded textile electrode is used in biosignal sensing and was designed in the form of a jacquard woven structure to measure the ECG. In the case of knit fabric, which has piezo‐resistive properties, the textile electrodes were developed by using the fabric’s flexible strain gauges in a bio‐monitoring system. However, the piezo‐resistive sensing fabrics have some shortcomings such as low dynamic range, poor repeatability, and performance deterioration after washing or repeated folding. Woven fabric, which is cloth woven in the warp and weft directions, has less strain properties and can be constructed more uniformly than knit fabric. Therefore, due to their more consistent woven structure, jacquard woven fabrics made with conductive yarn can be manufactured evenly on a large scale and consistently maintain their properties. The woven structure of jacquard electrodes consists of a double‐faced weave and is woven with a silver covering yarn in the weft direction. The proposed textile electrodes were composed of two groups made up of warps with either the unremoved 100% warps or the half‐removed 50% warps of jacquard woven electrodes that were convex or flat and were either with or without conductive paste. The ECG measurements for the textile electrodes were repeated three times in resting conditions. The convex jacquard electrodes of the half‐removed 50% warps with the conductive paste resulted in the most significant SNR improvement (33.67 dB). The purpose of this paper was to investigate a method to design jacquard woven electrodes uniformly on a large scale and to apply it feasibly to ECG measurement.     

仿生鳞片针织结构自供能传感织物的制备及其性能

为研究仿生鳞片针织结构自供能传感织物结构对其性能的影响,利用针织成形工艺将锦纶纱线、聚四氟乙烯纱线及镀银锦纶纱线设计并制备三维仿生鳞片针织结构,形成基于仿生鳞片针织结构的自供能传感织物,并对其性能进行研究。结果表明：该仿生鳞片针织结构自供能传感织物可大规模织造,其电学输出性能受鳞片与间隔部分接触面积的影响,可通过调节纵向间隔来调控其电学性能;织物的各向异性与鳞片的纵向间隔及排列方式有关,小纵向间隔、叠瓦状排列方式下的应变强化特征明显,可提供较强的支撑性;该自供能传感织物保持织物内在舒适性的同时,兼具智能性与功能性,满足柔性与防护性需求。     

二氧化锰/石墨烯/棉织物复合电极的制备及其电化学性能

为研究并增强柔性织物电极的电化学性能,采用改进Hummers法制备得到高浓度氧化石墨烯水溶胶,并通过干涂层法将氧化石墨烯涂覆于棉织物表面,经化学-微波两步还原法还原氧化石墨烯,制备了石墨烯/棉织物。进一步采用电化学沉积法将二氧化锰沉积在石墨烯/棉织物上,得到二氧化锰/石墨烯/棉织物复合电极材料。借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪和红外光谱仪对复合电极材料的形貌和结构进行表征。研究结果表明:复合电极材料在0.25 A/g的电流密度下比电容达到490 F/g,1 000次电容放电后电容保持在95.5%,能量密度达到17.01 W·h /kg。