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用于体表心电监测的纺织结构电极与皮肤之间机械作用分析及动态噪音研究

许鹏俊  
【摘要】:最近十多年,纺织结构电极越来越受到各国研究者的重视。这是因为老龄化社会到来,各种心血管疾病成为老龄人的高发病,成为人类健康的头号杀手,加重了患者家庭和整个社会的医疗负担。由于这类疾病具有长期性、累积性、偶发现,常规的定期健康检查不能有效的防止这类疾病,国外通行的做法是防患于未然,即对心脏健康状况进行长期监测。然而,传统医疗上使用的一次性心电电极不适合于长期监测,因为它是采用金属平板电极,为了提高人体皮肤和电极之间的导电性,二者之间涂有一次粘性水凝胶,在使用过程中水凝胶逐渐干涸,影响电极的性能;同时,水凝胶中的导电电解质会对皮肤产生刺激,造成皮肤过敏,严重的时候会导致皮肤发炎、溃烂。纺织结构电极作为潜在的传统金属平板电极替代电极,不但没有这些缺点,而且还具有传统电极不具备的优点,和普通纺织品一样,纺织结构电极质地柔软,舒适性较好;纺织结构电极透气性透水性好,而且不使用导电胶,长时间使用,不会造出皮肤刺激问题;纺织结构电极易于集成到服装中用于可穿戴健康监测,可以水洗和重复使用……因此,研究纺织结构电极具有重要的社会意义。 纺织结构电极是个新兴的研究领域,也是个多学科交叉的研究热点,具有非常高的学术研究价值。纺织结构电极概念的提出和发展历程只有十多年时间,但是对其研究受到来自材料、物理、化学、电子、生物、力学等多个学科研究人员的广泛关注。目前,欧美、日本、韩国、台湾等国家和地区对纺织结构电极已经进行了较多的研究,国内还处于起步阶段。现阶段研究表明纺织结构电极可以很好检测人体在静态是的心电信号,但在人体活动时,心电信号受到非常大的干扰噪音,这种动态下的噪音叫做运动伪迹,它普遍存在于人体表面生物电势测量中,对其研究也从来没有中断过。传统金属平板电极的研究表明,运动伪迹主要来源于电极-皮肤界面的变化和皮肤自身变形产生的电势两方面,而纺织结构电极在结构和使用方法上与传统电极不同,其动态噪音和传统一次性诊断电极既存在相同点又是有区别的,其区别主要体现在纺织结构电极是柔性的,而且不使用导电胶,人体运动时,纺织结构容易发生变形,电极与皮肤发生相对滑移,接触界面容易受到影响。所以,纺织结构电极的动态噪音较传统金属平板电极更为复杂,皮肤-电极界面变化产生的动态噪音更为突出,这正是本课题研究的重点。论文通过研究纺织结构电极与皮肤相互作用,探讨纺织结构及运动方式对动态噪音的影响,进而分析纺织结构电极动态噪音的机理,主要工作和创新点有以下几方面: (1)纺织结构电极的制作和静态性能评价。本课题中采用导电银纤维作为纺织结构电极的基础材料,为了改善电极表面电化学性能,如:极化阻抗和电势稳定性,采用电化学的方法对纤维表面进行改性处理,其原理是将整理齐的纤维束放入0.9%氯化钠(NaCl)电解质溶液中,银(Ag)作为工作电极(Working Electrode)发生电解与溶液中的氯离子发生反应,生成氯化银(AgCl)沉积,包覆在纤维表面。电化学处理的工艺参数主要有处理电压和处理时间,采用不同的工艺,纤维表面的微观形态明显不同,纺织结构电极与电解质的阻抗发生显著变化。利用经过优化工艺处理的纤维,制作不同织物结构的电极,如:机织平纹、针织平针、刺绣平纹和刺绣毛圈结构电极,评价这些织物结构电极的静态性能,如:电化学阻抗、开路电压,同时比较他们在实际心电图测量中的性能。 (2)纺织结构电极与皮肤之间的机械作用分析。人体在动态下,电极与皮肤相互作用是评价纺织结构电极动态性能和研究运动伪迹的前提。课题研究中将电极和皮肤的相互作用定义为平行于皮肤面内的平动和垂直于皮肤的压缩或者挤压。实验中设计一种集成光学位移传感器的电极,测量人体在不同肢体动作时,电极与人体特定位置皮肤之间的相对运动速和运动轨迹。为了测量电极-皮肤之间的挤压,在皮肤和电极之间放置薄片压力传感器,测量电极和皮肤之间不同运动状态下的二者接触压力变化。这些测量指标为进一步分析人体在不同运动状态下电极-皮肤之间相互作用的规律、研究纺织结构电极的动态性能评价提供依据。同时,通过测量不同运动状态下的心电图,可以了解运动对心电图的影响,实践中确认运动是运动伪迹的原因。 (3)纺织结构电极的动态噪音评价。目前纺织结构电极的动态噪音评价主要在人体上进行,然而不同人在生理上存在差异、同一个人不同时间也存在差异,直接在人体上评价纺织结构电极动态性能的数据不稳定、难以重复,为此课题中开发一台纺织结构电极动态噪音评价仪器,这台仪器分为五部分:皮肤-电极界面模拟器,运动控制机构、信号采集单元、电解质循环装置和计算机程序。测试时,电解质循环装置将生理盐水在皮肤-电极界面模拟器中循环,电极通过运动控制机构在模拟器件上运动,信号采集单元测量电极运动状态下的各种信号,如:电极-皮肤界面接触压力、电极的开路电压、电极-皮肤界面的阻抗等。课题中选用了不同织物结构的电极,研究它们与模拟器在不同接触压力和相对移动速度时的动态噪音,分析动态噪音与这些运动参数之间的变化规律,以便进一步研究动态噪音的机理。 (4)纺织结构电极动态噪音机理的研究。人体(2)和仪器模拟试验(3)表明皮肤-电极相互作用是产生纺织结构电极动态噪音的原因,为此需进一步研究二者界面的电化学性能。课题中通过仪器模拟试验方法表征纺织结构电极与皮肤界面在动态下的电化学阻抗谱,并建立其等效电路模型,分析模型中各参数的变化,研究动态噪音产生的机理,最后通过人体试验对其进行验证。仪器模拟实验发现电极-皮肤相互作用中压力变化对电极-皮肤界面阻抗有显著影响,而水平运动速度对界面阻抗影响不明显,分析不同压力下阻抗谱的等效电路模型中各参数变化,结果表明纺织结构电极动态噪音与皮肤-电极界面电容性有关,结合压力变化过程中的电极两端开路电压变化,理论计算也验证了这个噪音机理。据此设计人体实验,改变电极-皮肤接触面积,测试动态噪音,结果也证明这种动态噪音机理是正确的。


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