近幾年可穿戴設備逐漸興起并日益發展，本文針對傳統氯化銀（Ag/AgCl）電極在長期心電圖（ECG）信號監測和采集過程中出現的皮膚過敏及電極阻抗發生變化等問題，就用于心電信號采集的新型傳感器技術——織物電極技術展開了較詳細的討論。首先介紹了織物電極的概念及優點，對其常用的襯底材料和導電材料進行了討論和評估，并從紡織結構方面進行了優缺點分析，隨后提出了織物電極技術的評價體系。最后，本文分析了當前織物電極在市場發展中的制約因素，并對其發展前景和方向進行了展望。
引用本文： 張馳, 魏德健, 曹慧. 用于心電信號采集的織物電極技術的研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2018, 35(5): 811-816. doi: 10.7507/1001-5515.201804019 復制
引言
隨著當今社會工作壓力增大和越來越多的人群生活方式不規律，心血管疾病的發病率不斷升高，已成為威脅人類健康的首要因素之一。由于心血管疾病潛伏期長，具有很強的隱蔽性和突發性[1]，因此針對心血管疾病的治療一直是醫學界的難題。作為心臟活動時心肌激動產生的心電圖（electrocardiogram，ECG）信號蘊含著豐富的信息，是當今醫療保健領域中疾病診斷的重要依據。目前臨床上所使用的 ECG 信號采集電極一般為氯化銀（Ag/AgCl）電極，該電極電勢穩定、重現性好，可獲得高質量的 ECG 信號。但 Ag/AgCl 電極為一次性電極，且電極表面通常涂有導電膠，易對敏感皮膚產生刺激作用；長時間使用不僅會造成皮膚過敏癥狀，同時會使皮膚—電極阻抗發生變化，導致信號靈敏度與信噪比降低，不適于長期佩戴。
織物電極是近年來迅速發展的一種柔性干電極[2]，是采用紡織材料、紡織工藝開發的一種具有紡織結構且能感知人體皮膚表面生物電信號的傳感器，該類電極柔軟、透氣，且不需用導電膏就能采集人體電信號，可以很好地解決傳統電極帶來的對人體皮膚產生刺激并引起過敏的問題。目前，人們也已經開發了各式各類的織物電極用于長期監測人體 ECG 信號，既包括可穿戴在人體身上的類型也包括患者臥床使用的床上類型，如 Lee 等[3]提出了可對 ECG 信號進行連續、全面監測的腕關節傳感器系統；Ahmad 等[4]開發了一種多功能應用的 ECG 信號監測棉織物柔性電路；Cai 等[5]設計了一種連續、無創、舒適的 ECG 信號監護智能服裝等。然而，這些 ECG 信號監測系統所使用的材料、結構多種多樣，質量也良莠不齊；同時，針對材料組成及其組織結構的相關總結與分析也相當缺乏。基于上述問題，本文通過對具體實例的相關闡述，總結了目前織物電極所流行的襯底材料、導電材料，分析了各類材料的優缺點及制備方法，同時總結了常用的組織結構及每種結構的優缺點，為以后織物電極的開發和設計提供了可供借鑒的思路。
1 材料
織物電極所采用的材料包括襯底材料和導電材料。襯底材料為織物電極的基底，可選用各種織物作為導電材料的載體；導電材料則為可以采集 ECG 信號的各種材料，一般為金屬，有時也會使用高導電性溶液、石墨烯等新型材料，可通過各種方法將其附著在襯底材料上面，制成織物電極。
1.1 襯底材料
襯底所使用的材料多種多樣，如導電性布本身導電，可以增強電極的導電性能；而尼龍表面粗糙程度小，也是當前織物電極常用的襯底材料。
聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）是一種有機聚合物材料，具有良好的彈性、變形性、生物相容性和光學透明度。為了提高金屬與 PDMS 之間的黏附性，減少金屬薄膜的皺折和裂紋，Meng 等[6]設計了一種柔性干電極。該電極在沉積金屬前，首先通過氨丙基三乙氧基硅烷（aminopropyltriethoxysilane，APTES）對 PDMS 基底進行了化學錨定，并用金屬銅（Cu）做了測試。實驗結果表明，PDMS 基材經 APTES 預處理后，銅與 PDMS 的黏附性增強，如用更多金屬材料來測驗，則更能體現其優越性和實用性，可信度更高。
Paul 等[7]采用一種名為拉貢達（Lagonda）的紡織品，由含有棉花、聚酯和萊卡纖維的紗線組成，比標準的 65/35 聚酯棉（即包含 65% 聚酯纖維和 35% 棉的織物）具有更高的彈性，同時具有良好的舒適性和可印刷性（即可以采用印刷的方法在織物上形成圖案）。
Weder 等[8]選用了聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）織物為起始材料，并采用等離子濺射法涂覆銀（Ag）和鈦（Ti）。帶有銀/鈦涂層的繡花電極需要處于潮濕的環境中，因此開發了一種由新保適（SympaTex）環保薄膜制成的潤濕墊，該薄膜透氣、防水、防風，可以和織物、皮革等材料相復合制備襯底材料，達到連續向電極輸送極少量水蒸氣的功效。
Vicente 等[9]用一家制造“產業用紡織品”公司出產的一種紡織品 Mediatex TT ACQ（120 μm，Junkers & Muellers Gmbh/德國）作為基底，59.75% 的銀墨和 3，4-乙烯二氧噻吩單體的聚合物［poly（3，4-ethylenedioxythiophene），PEDOT］：聚苯乙烯磺酸鹽［poly（sodium-p-styrenesulfonate），PSS］（PEDOT:PSS）溶液作為導電油墨，一種電介質油墨（D2081009D6）作為介質墨水，采用絲網印刷技術制作了紡織同心圓電極，實現了高空間分辨率的 ECG 信號的顯示。
聚吡咯（polypyrrole，PPY）為一種常見的聚合物，導電能力好、微溶于水、無毒、制作成本低，適宜作為 ECG 信號采集端，是適用于生物醫學傳感器的理想材料。PPY 涂層在織物上的應用已得到了廣泛深入的研究。戴明等[10]設計了一種基于 PPY 的可穿戴 ECG 信號采集系統，采用沉積導電聚合的方式制備織物電極，使其在柔軟程度、均勻性以及導電性能等方面都比在織物中穿插金屬絲和沉積金屬膜效果好。
如表 1 所示，展示了幾種常見的襯底材料及其優點。
表1
幾種襯底材料及其優點
Table1.
Several substrate materials and their advantages
普通織物、尼龍和導電性布是較為傳統且常用的織物電極襯底材料，舒適性好，能很好地適應人體皮膚，同時它們還有各自的優勢，例如：尼龍還具有良好的彈性，導電性布自身就可導電等。然而，隨著現代科技的發展和人們對于電極要求的不斷提高，越來越多的適用于織物電極的新型基底材料逐步發明出來，如：一系列的聚合物，PDMS、PET、PPY 等，這些基底材料除擁有與傳統基底相同的優點外，還具有其他更優良的性能，如良好的變形性、生物相容性、光學透明度、印刷性等，提高了材料的質量和使用效率。
1.2 導電材料
石墨烯（graphene）具有優良的導電性和導熱性，是柔性電子器件和可穿戴傳感器的優良材料。Yapici 等[11]將石墨烯與紡織品結合，研究出石墨烯包層的導電紡織電極，并通過實驗驗證了該電極與傳統的 Ag/AgCl 電極信號之間具有良好的一致性，達到了 97% 的互相關程度。
Pani 等[12]制造出一種基于 PEDOT：PSS 溶液處理機織織物的新型紡織電極，將機織棉在高導電性溶液中浸泡至少 48 h，然后從 PEDOT 溶液中取出并在金屬滾筒間擠壓。最后在 180℃ 下退火 3 min，以避免織物機械性能惡化。該電極已在志愿者身上進行過測試，包括：皮膚接觸阻抗測試和靜態休息與動態正常活動期間的 ECG 信號質量測試（測試數據包括：功率譜密度、基線漂移、QRS 波群可檢測性和寬帶噪聲等）。研究結果顯示，該電極能夠在潮濕和干燥的條件下運行，可有效用于 ECG 信號的采集。
祝欽等[13]采用磁控濺射法將銀固定在石墨烯上，成功采集到了所需的生物電信號。Lee 等[14]利用分散在乙醇（C2H6O）中的銀納米纖維（Ag-nanowire，AgNW）涂覆在聚氨酯（polyurethane，PU）超薄涂層中來制備織物電極。測試結果表明，該電極可以作為 ECG 信號采集電極正常工作。Li 等[15]采用三維編織法直接將不銹鋼絲編織成一種電容耦合非接觸式織物電極，柔軟且透氣性好，同時采用此三維編織法制成的織物密度高，能有效保持織物形狀，提高導電性能。
如表 2 所示，為幾種導電材料及其優點。
表2
幾種導電材料及其優點
Table2.
Several conductive materials and their advantages
銀或銀的聚合物化學性質穩定，同時具有高導電性，是織物電極最常用的導電材料。同時，鈦、鎳因具有較強的抗腐蝕能力，可以有效避免電極被人體汗液等侵蝕，延長了導電材料的使用壽命，提高了電極的性能。銅的導電、導熱性好，也是織物電極常用的導電材料。PEDOT：PSS 溶液、滴膠—炭黑復合材料和石墨烯都是近年來新興的織物電極導電材料。其中，PEDOT：PSS 溶液是一種高導電性高分子聚合物溶液，可根據不同的配方得到不同的導電率。石墨烯是目前已知的載流子（即電流的載體，通常指電子或離子）遷移率最高的物質，且電子的遷移率受溫度影響較小，具有超強的導電性。滴膠—炭黑復合材料具有良好的黏附性，同時炭黑導電性能優異，將二者結合可以很好地黏貼在襯底上發揮導電性能。
如表 3 所示，列出了一些研究人員常用的襯底材料和導電材料及其制作方法。
表3
常見襯底材料和導電材料及其制作方法
Table3.
Common substrate material and conductive materials and their fabricating methods
由表 3 可看出，織物電極所采用的襯底材料多種多樣，不僅有普通棉織物，還包括聚酯織物、無紡布、尼龍織物、導電性布等，各類所占的比例基本相同。而在導電材料方面，使用銀作為織物電極導電材料比例較大，大約占到了 1/3，同時用 PEDOT：PSS 高導電性溶液處理的方法占到了 1/4，通常采用浸涂或絲網印刷的方式。而石墨烯涂層也是一種常見的導電材料，通常與尼龍織物相結合制成織物電極。在將金屬與襯底材料相結合的方法中，電鍍是最常用的方式，其次噴墨、噴濺、濺射等也較常見。
2 結構
除材料特性外，結構在織物電極設計時也是一個非常重要的因素。組織結構不僅會影響導電材料與基材之間的牢固水平和黏附性，還會影響織物的舒適度、電極與皮膚的配合程度，從而影響信號采集的穩定性。同時織物的密度應足夠大，以保障可以提供適當的電流轉移速度，以減小織物電阻。
2.1 編織結構
編織技術，是指將條狀物相互交錯或鉤連而組織起來。編織結構的織物電極制作時首先應在織機上織成平紋織物，然后在平紋織物上鍍金屬層。Yapici 等[11]將尼龍織物浸漬在石墨烯溶液中，再將其在 80℃ 的干燥爐中干燥數小時，形成氧化石墨烯包層，再用還原劑將其還原，最后進入去離子水中洗滌還原劑并干燥形成包層織物。平紋織物不僅可以看作是取樣電阻或電容，也是由電阻構成的元件。在普通電容器和電阻器的共同作用下，編織電極可以在不同頻率或不同壓力下接收不同質量的信號。
2.2 針織結構
針織結構的電極通常選用鍍銀紗線作為基本材料，其尺寸穩定性不如編織結構的電極，使用過程中會產生較大的形變，降低導電的連續性[23]。但針織結構可更好地適應人體皮膚并隨之變形，有助于減少皮膚與電極之間由于相互摩擦產生噪音而帶來不利影響。
2.3 提花紡織結構
提花紡織技術，即針織物以經線、緯線相互交錯的方式形成凹凸花紋。該技術制成的面料穿著舒適、結構穩定、不易脫線、脫散性和延伸性好，是織物電極常用的紡織結構。東南大學的林視達等[24]運用提花紡織技術，采用雙面織物結構，將滌綸紗線作為底層，鍍銀紗線作為傳感層制作出織物電極，能夠完全與衣物相融合，經測試可長時間穿戴無負擔。
2.4 刺繡結構
刺繡織物，即用針將絲線、纖維、紗線等在織物上通過穿刺形成一定色彩的圖案。刺繡織物表面光滑、結構穩定，適宜作為織物電極的組織結構。劉振等[25]選用刺繡織物制備了織物電極，有效解決了用編織織物作襯底涂鍍金屬造成的電極分布不均、氯化不均的問題，同時也解決了將鍍金屬織物直接在織襪機上針織所造成的干擾噪音強、結構不穩定從而形成滑動偽跡的問題。同時還對該織物電極與標準電極所采集的 ECG 信號進行了相關性檢驗和回歸分析，結果顯示兩種電極具有線性相關的關系。但該電極的電極阻抗隨佩戴者穿戴時間的延長阻抗會逐漸增大，使測量準確度逐漸降低。
2.5 非織造布結構
非織造布又稱無紡布，是一種不需要紡紗織布形成的織物，是將短纖維或長絲隨機或定向排列在一起，形成纖網結構，再采用機械、熱粘貼或化學方法加固而成。用特定材料制成的無紡布具有良好的導電性、耐久性、斷裂強度（即材料承受折斷或斷裂時承受的應力程度）性能[26]，柔軟、透氣，也是織物電極結構的優良選擇。
Shaikh[27]采用簡單的多浸技術，以硼氫化鈉（NaBH4）溶液為還原劑，將硫酸銅（CuSO4）還原為氧化銅（CuO），在聚合物基體或聚丙烯（polypropylene，PP）網內制備銅氧化物顆粒。將不同濃度的硼氫化鈉—硫酸銅溶液用于多浸技術，生成氧化銅。織物制成后，用傅里葉轉換紅外光譜法（Fourier-transform infrared spectroscopy，FTIR）對其進行化學組成評價，同時檢測其導電率，發現除了在某一特定濃度的溶液導電率突然下降外，其他濃度時，導電率都隨著溶液濃度的上升而增加，而對于此現象的解釋還有待探究。
如表 4 所示，列出了一些常用的織物結構及其優缺點。
表4
常用的織物結構及其優缺點
Table4.
Common fabric structure and their advantages and disadvantages
編織結構、針織結構、提花紡織結構、刺繡結構和無紡布等都是織物電極常見的組織結構，這些結構既有優點也有缺點。首先，編織結構具有穩定的經緯結構，不易變形，但生產過程復雜。針織結構制造方便，具有良好的抗皺性、透氣性、彈性，但紗線易滑、尺寸不穩定，易導致導電不連續，采集信號效果不如編織電極。提花紡織結構穩定、舒適性好，但長時間使用彈性會降低，采集信號效果逐漸下降。刺繡織物因具有獨特的結構，設計非常方便，且舒適、無刺激，是織物電極常用的組織結構，但因其易腐蝕、易受潮、易皺縮，對使用環境要求較高，因而會影響電極的使用。無紡布導電性強、成本低，但和刺繡織物一樣，易受潮、易腐蝕，同時由于其具有獨特的纖維間結構，不如刺繡織物穩定。
3 織物電極評價標準
目前，針對織物電極的評價并無統一標準，大多數是參照一次性電極測量標準：美國標準學會/美國醫療儀器促進協會電子設備標準 12-2000（American National Standards Institute/The Association for the Advancement of Medical Instrumentation electrical equipment 12-2000，ANSI/AAMI EC12-2000）[26]來評價織物電極性能。
3.1 電氣性能（靜態測試）
ECG 信號采集電極的主要電氣特性之一是電極的交流阻抗，測量形式為使用一對面對面連接的電極，類似于電容器，將正弦波電壓（電流）施加在該電極上，得到相應的電流（電壓），從而計算得到其阻抗（導納），其交流阻抗取決于電極不同的制造方法。
針對織物電極電氣性能評價的另一個重要特性是皮膚—電極接觸阻抗。常用的皮膚—電極接觸阻抗的測量方法一般有：直接測量法、參比測量法和模擬皮膚測量法[28]。直接測量法為直接將測試探頭插入皮膚組織來測量真實的人體皮膚—電極的接觸阻抗，是一種有創測量法，在實際實驗過程中不便執行。參比測量法是將電極形成電路后放在皮膚上，根據各種公式換算，計算出皮膚—電極接觸阻抗。而模擬皮膚測量法是通過搭建人體皮膚仿真平臺來測量平臺表面—電極的接觸阻抗。直接測量法和參比測量法都是通過直接接觸人體皮膚來測量皮膚—電極接觸阻抗的，參比測量法比直接測量法更加準確，然而步驟復雜，實驗條件要求高。模擬皮膚測量法的測量結果不會因人體皮膚之間的差異而發生變化，但因采用仿真人體皮膚的方法，因此并不能真實反映人體皮膚與電極之間的相互作用。
3.2 運動偽影（動態測試）
運動偽影也稱噪聲，通常由身體運動引起。人體運動過程中電極不能隨皮膚的變形而產生相應的形變，因此皮膚與電極之間產生水平摩擦或垂直擠壓，形成兩個電層，電荷量發生變化，對 ECG 信號產生干擾，形成噪聲，其大小與身體活動密切相關。靜止狀態下，織物電極的噪聲一般可以忽略。但在運動狀態下，ECG 信號的形狀會呈現基線變化，不可忽視。
接觸式 ECG 信號監護服中，運動偽影一般由以下幾個因素造成：① 服裝與身體不適合，體表與電極之間缺乏接觸。② 電極在衣服上位置設置不恰當，容易導致由于穿著者的正常活動而使電極移位。Haghdoost 等[18]針對第② 種因素設計出一款可以減小運動偽影的可穿戴 ECG 信號監護系統。該系統將衣物表面以每 6 cm 為一個間隔，以網格方式放置 56 個電極，并選擇了 10 名年齡在 22～27 歲，平均身高為 173.1 cm 的年輕男性為受試者。將普通 Ag/AgCl 電極測得的 ECG 信號作為標準，將受試者大幅度運動后所測得的 ECG 信號與其作對比選出了電極的最佳位置。但因該研究受試對象太單一，不能代表所有人群的受試結果，同時衣物水洗性、舒適性等方面的效果并未通過相關實驗進一步探究，因此其具體的實用性還有待考究。
3.3 機械性能
織物電極的機械性能即指其可變形性，一般要求能夠貼合人體皮膚，根據皮膚形狀改變自身形狀，同時彎曲模量（即材料抵抗彎曲變形的能力）小，外力作用下很容易發生形變。
3.4 穩定性
穩定性包括化學—電化學穩定性及水洗穩定性。化學—電化學穩定性是指電極能夠抵御外界物質（如：人體汗液）侵蝕的能力，如果該性能不佳，可能會與電極發生化學反應使電阻增大，電極導電能力下降。同時，在信號記錄過程中，還會存在離子電流會與電子電流相遇發生化學反應，增大阻抗的情況。
水洗穩定性指電極隨水洗次數增多，會出現導電材料脫落使阻抗增加的情況，而ECG 信號強度會出現不同程度衰減，穩定性降低。針對此現象，Achilli 等[29]也將 PEDOT：PSS 導電性溶液與乙二醇（ethylene glycol，EG）網狀劑混合的導電油墨相結合，采用絲網印刷技術沉淀在服裝上，再通過烘烤干燥制成了導電織物，并通過了洗滌 20 多次而不損害 ECG 信號測量能力的測試，可與 Ag/AgCl 電極相媲美，且值得注意的是，洗滌有利于皮膚—電極阻抗的改善，可直接用干電極進行測量而不用添加任何電解質。
3.5 舒適性與安全性
Vojtech 等[30]發明了一款適于救援人員的具有持久舒適性的 T 恤。該 T 恤用基于聚酯涂層的銀納米粒子和棉混合物制成，耐腐蝕，具有抗菌性和抗過敏性，可有效防止病菌侵入，同時具有極高的穩定性和洗滌周期，不易受侵蝕。
4 總結
織物電極作為一種新型的 ECG 信號采集技術，有效地解決了傳統電極所帶來的一系列缺點，使 ECG 數據監測更加便利。同時，作為一種不成熟的技術和方法，該信號采集技術在很多方面還有很大的提升空間，如雖然在襯底材料、導電材料還有織物結構方面進行了初步探究，但并沒有進行更加深入的實驗以比較哪種材料或結構更加符合電極的要求。對此，可設計一系列的對照實驗，探究具有更小織物阻抗、電極—皮膚阻抗以及運動偽影的材料，找尋具有較強穩定性、不易被腐蝕、長時間使用不易脫落的導電材料。同時，在此基礎上，可探究電極位置、織物大小、形狀、厚度對信號產生的影響，進而得到最優的電極位置以及最佳織物大小、形狀和厚度等。更進一步，可通過改進 ECG 信號采集電路來降低電極阻抗，減小運動偽影，優化 ECG 信號，如基于阻變的 ECG 信號采集電路[31]。在未來的織物電極發展過程中，可依據以上方面的討論，選擇合理的理論依據和實際可行性，逐步優化，設計出一款最優規格的織物電極。
引言
隨著當今社會工作壓力增大和越來越多的人群生活方式不規律，心血管疾病的發病率不斷升高，已成為威脅人類健康的首要因素之一。由于心血管疾病潛伏期長，具有很強的隱蔽性和突發性[1]，因此針對心血管疾病的治療一直是醫學界的難題。作為心臟活動時心肌激動產生的心電圖（electrocardiogram，ECG）信號蘊含著豐富的信息，是當今醫療保健領域中疾病診斷的重要依據。目前臨床上所使用的 ECG 信號采集電極一般為氯化銀（Ag/AgCl）電極，該電極電勢穩定、重現性好，可獲得高質量的 ECG 信號。但 Ag/AgCl 電極為一次性電極，且電極表面通常涂有導電膠，易對敏感皮膚產生刺激作用；長時間使用不僅會造成皮膚過敏癥狀，同時會使皮膚—電極阻抗發生變化，導致信號靈敏度與信噪比降低，不適于長期佩戴。
織物電極是近年來迅速發展的一種柔性干電極[2]，是采用紡織材料、紡織工藝開發的一種具有紡織結構且能感知人體皮膚表面生物電信號的傳感器，該類電極柔軟、透氣，且不需用導電膏就能采集人體電信號，可以很好地解決傳統電極帶來的對人體皮膚產生刺激并引起過敏的問題。目前，人們也已經開發了各式各類的織物電極用于長期監測人體 ECG 信號，既包括可穿戴在人體身上的類型也包括患者臥床使用的床上類型，如 Lee 等[3]提出了可對 ECG 信號進行連續、全面監測的腕關節傳感器系統；Ahmad 等[4]開發了一種多功能應用的 ECG 信號監測棉織物柔性電路；Cai 等[5]設計了一種連續、無創、舒適的 ECG 信號監護智能服裝等。然而，這些 ECG 信號監測系統所使用的材料、結構多種多樣，質量也良莠不齊；同時，針對材料組成及其組織結構的相關總結與分析也相當缺乏。基于上述問題，本文通過對具體實例的相關闡述，總結了目前織物電極所流行的襯底材料、導電材料，分析了各類材料的優缺點及制備方法，同時總結了常用的組織結構及每種結構的優缺點，為以后織物電極的開發和設計提供了可供借鑒的思路。
1 材料
織物電極所采用的材料包括襯底材料和導電材料。襯底材料為織物電極的基底，可選用各種織物作為導電材料的載體；導電材料則為可以采集 ECG 信號的各種材料，一般為金屬，有時也會使用高導電性溶液、石墨烯等新型材料，可通過各種方法將其附著在襯底材料上面，制成織物電極。
1.1 襯底材料
襯底所使用的材料多種多樣，如導電性布本身導電，可以增強電極的導電性能；而尼龍表面粗糙程度小，也是當前織物電極常用的襯底材料。
聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）是一種有機聚合物材料，具有良好的彈性、變形性、生物相容性和光學透明度。為了提高金屬與 PDMS 之間的黏附性，減少金屬薄膜的皺折和裂紋，Meng 等[6]設計了一種柔性干電極。該電極在沉積金屬前，首先通過氨丙基三乙氧基硅烷（aminopropyltriethoxysilane，APTES）對 PDMS 基底進行了化學錨定，并用金屬銅（Cu）做了測試。實驗結果表明，PDMS 基材經 APTES 預處理后，銅與 PDMS 的黏附性增強，如用更多金屬材料來測驗，則更能體現其優越性和實用性，可信度更高。
Paul 等[7]采用一種名為拉貢達（Lagonda）的紡織品，由含有棉花、聚酯和萊卡纖維的紗線組成，比標準的 65/35 聚酯棉（即包含 65% 聚酯纖維和 35% 棉的織物）具有更高的彈性，同時具有良好的舒適性和可印刷性（即可以采用印刷的方法在織物上形成圖案）。
Weder 等[8]選用了聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）織物為起始材料，并采用等離子濺射法涂覆銀（Ag）和鈦（Ti）。帶有銀/鈦涂層的繡花電極需要處于潮濕的環境中，因此開發了一種由新保適（SympaTex）環保薄膜制成的潤濕墊，該薄膜透氣、防水、防風，可以和織物、皮革等材料相復合制備襯底材料，達到連續向電極輸送極少量水蒸氣的功效。
Vicente 等[9]用一家制造“產業用紡織品”公司出產的一種紡織品 Mediatex TT ACQ（120 μm，Junkers & Muellers Gmbh/德國）作為基底，59.75% 的銀墨和 3，4-乙烯二氧噻吩單體的聚合物［poly（3，4-ethylenedioxythiophene），PEDOT］：聚苯乙烯磺酸鹽［poly（sodium-p-styrenesulfonate），PSS］（PEDOT:PSS）溶液作為導電油墨，一種電介質油墨（D2081009D6）作為介質墨水，采用絲網印刷技術制作了紡織同心圓電極，實現了高空間分辨率的 ECG 信號的顯示。
聚吡咯（polypyrrole，PPY）為一種常見的聚合物，導電能力好、微溶于水、無毒、制作成本低，適宜作為 ECG 信號采集端，是適用于生物醫學傳感器的理想材料。PPY 涂層在織物上的應用已得到了廣泛深入的研究。戴明等[10]設計了一種基于 PPY 的可穿戴 ECG 信號采集系統，采用沉積導電聚合的方式制備織物電極，使其在柔軟程度、均勻性以及導電性能等方面都比在織物中穿插金屬絲和沉積金屬膜效果好。
如表 1 所示，展示了幾種常見的襯底材料及其優點。
表1
幾種襯底材料及其優點
Table1.
Several substrate materials and their advantages
普通織物、尼龍和導電性布是較為傳統且常用的織物電極襯底材料，舒適性好，能很好地適應人體皮膚，同時它們還有各自的優勢，例如：尼龍還具有良好的彈性，導電性布自身就可導電等。然而，隨著現代科技的發展和人們對于電極要求的不斷提高，越來越多的適用于織物電極的新型基底材料逐步發明出來，如：一系列的聚合物，PDMS、PET、PPY 等，這些基底材料除擁有與傳統基底相同的優點外，還具有其他更優良的性能，如良好的變形性、生物相容性、光學透明度、印刷性等，提高了材料的質量和使用效率。
1.2 導電材料
石墨烯（graphene）具有優良的導電性和導熱性，是柔性電子器件和可穿戴傳感器的優良材料。Yapici 等[11]將石墨烯與紡織品結合，研究出石墨烯包層的導電紡織電極，并通過實驗驗證了該電極與傳統的 Ag/AgCl 電極信號之間具有良好的一致性，達到了 97% 的互相關程度。
Pani 等[12]制造出一種基于 PEDOT：PSS 溶液處理機織織物的新型紡織電極，將機織棉在高導電性溶液中浸泡至少 48 h，然后從 PEDOT 溶液中取出并在金屬滾筒間擠壓。最后在 180℃ 下退火 3 min，以避免織物機械性能惡化。該電極已在志愿者身上進行過測試，包括：皮膚接觸阻抗測試和靜態休息與動態正常活動期間的 ECG 信號質量測試（測試數據包括：功率譜密度、基線漂移、QRS 波群可檢測性和寬帶噪聲等）。研究結果顯示，該電極能夠在潮濕和干燥的條件下運行，可有效用于 ECG 信號的采集。
祝欽等[13]采用磁控濺射法將銀固定在石墨烯上，成功采集到了所需的生物電信號。Lee 等[14]利用分散在乙醇（C2H6O）中的銀納米纖維（Ag-nanowire，AgNW）涂覆在聚氨酯（polyurethane，PU）超薄涂層中來制備織物電極。測試結果表明，該電極可以作為 ECG 信號采集電極正常工作。Li 等[15]采用三維編織法直接將不銹鋼絲編織成一種電容耦合非接觸式織物電極，柔軟且透氣性好，同時采用此三維編織法制成的織物密度高，能有效保持織物形狀，提高導電性能。
如表 2 所示，為幾種導電材料及其優點。
表2
幾種導電材料及其優點
Table2.
Several conductive materials and their advantages
銀或銀的聚合物化學性質穩定，同時具有高導電性，是織物電極最常用的導電材料。同時，鈦、鎳因具有較強的抗腐蝕能力，可以有效避免電極被人體汗液等侵蝕，延長了導電材料的使用壽命，提高了電極的性能。銅的導電、導熱性好，也是織物電極常用的導電材料。PEDOT：PSS 溶液、滴膠—炭黑復合材料和石墨烯都是近年來新興的織物電極導電材料。其中，PEDOT：PSS 溶液是一種高導電性高分子聚合物溶液，可根據不同的配方得到不同的導電率。石墨烯是目前已知的載流子（即電流的載體，通常指電子或離子）遷移率最高的物質，且電子的遷移率受溫度影響較小，具有超強的導電性。滴膠—炭黑復合材料具有良好的黏附性，同時炭黑導電性能優異，將二者結合可以很好地黏貼在襯底上發揮導電性能。
如表 3 所示，列出了一些研究人員常用的襯底材料和導電材料及其制作方法。
表3
常見襯底材料和導電材料及其制作方法
Table3.
Common substrate material and conductive materials and their fabricating methods
由表 3 可看出，織物電極所采用的襯底材料多種多樣，不僅有普通棉織物，還包括聚酯織物、無紡布、尼龍織物、導電性布等，各類所占的比例基本相同。而在導電材料方面，使用銀作為織物電極導電材料比例較大，大約占到了 1/3，同時用 PEDOT：PSS 高導電性溶液處理的方法占到了 1/4，通常采用浸涂或絲網印刷的方式。而石墨烯涂層也是一種常見的導電材料，通常與尼龍織物相結合制成織物電極。在將金屬與襯底材料相結合的方法中，電鍍是最常用的方式，其次噴墨、噴濺、濺射等也較常見。
2 結構
除材料特性外，結構在織物電極設計時也是一個非常重要的因素。組織結構不僅會影響導電材料與基材之間的牢固水平和黏附性，還會影響織物的舒適度、電極與皮膚的配合程度，從而影響信號采集的穩定性。同時織物的密度應足夠大，以保障可以提供適當的電流轉移速度，以減小織物電阻。
2.1 編織結構
編織技術，是指將條狀物相互交錯或鉤連而組織起來。編織結構的織物電極制作時首先應在織機上織成平紋織物，然后在平紋織物上鍍金屬層。Yapici 等[11]將尼龍織物浸漬在石墨烯溶液中，再將其在 80℃ 的干燥爐中干燥數小時，形成氧化石墨烯包層，再用還原劑將其還原，最后進入去離子水中洗滌還原劑并干燥形成包層織物。平紋織物不僅可以看作是取樣電阻或電容，也是由電阻構成的元件。在普通電容器和電阻器的共同作用下，編織電極可以在不同頻率或不同壓力下接收不同質量的信號。
2.2 針織結構
針織結構的電極通常選用鍍銀紗線作為基本材料，其尺寸穩定性不如編織結構的電極，使用過程中會產生較大的形變，降低導電的連續性[23]。但針織結構可更好地適應人體皮膚并隨之變形，有助于減少皮膚與電極之間由于相互摩擦產生噪音而帶來不利影響。
2.3 提花紡織結構
提花紡織技術，即針織物以經線、緯線相互交錯的方式形成凹凸花紋。該技術制成的面料穿著舒適、結構穩定、不易脫線、脫散性和延伸性好，是織物電極常用的紡織結構。東南大學的林視達等[24]運用提花紡織技術，采用雙面織物結構，將滌綸紗線作為底層，鍍銀紗線作為傳感層制作出織物電極，能夠完全與衣物相融合，經測試可長時間穿戴無負擔。
2.4 刺繡結構
刺繡織物，即用針將絲線、纖維、紗線等在織物上通過穿刺形成一定色彩的圖案。刺繡織物表面光滑、結構穩定，適宜作為織物電極的組織結構。劉振等[25]選用刺繡織物制備了織物電極，有效解決了用編織織物作襯底涂鍍金屬造成的電極分布不均、氯化不均的問題，同時也解決了將鍍金屬織物直接在織襪機上針織所造成的干擾噪音強、結構不穩定從而形成滑動偽跡的問題。同時還對該織物電極與標準電極所采集的 ECG 信號進行了相關性檢驗和回歸分析，結果顯示兩種電極具有線性相關的關系。但該電極的電極阻抗隨佩戴者穿戴時間的延長阻抗會逐漸增大，使測量準確度逐漸降低。
2.5 非織造布結構
非織造布又稱無紡布，是一種不需要紡紗織布形成的織物，是將短纖維或長絲隨機或定向排列在一起，形成纖網結構，再采用機械、熱粘貼或化學方法加固而成。用特定材料制成的無紡布具有良好的導電性、耐久性、斷裂強度（即材料承受折斷或斷裂時承受的應力程度）性能[26]，柔軟、透氣，也是織物電極結構的優良選擇。
Shaikh[27]采用簡單的多浸技術，以硼氫化鈉（NaBH4）溶液為還原劑，將硫酸銅（CuSO4）還原為氧化銅（CuO），在聚合物基體或聚丙烯（polypropylene，PP）網內制備銅氧化物顆粒。將不同濃度的硼氫化鈉—硫酸銅溶液用于多浸技術，生成氧化銅。織物制成后，用傅里葉轉換紅外光譜法（Fourier-transform infrared spectroscopy，FTIR）對其進行化學組成評價，同時檢測其導電率，發現除了在某一特定濃度的溶液導電率突然下降外，其他濃度時，導電率都隨著溶液濃度的上升而增加，而對于此現象的解釋還有待探究。
如表 4 所示，列出了一些常用的織物結構及其優缺點。
表4
常用的織物結構及其優缺點
Table4.
Common fabric structure and their advantages and disadvantages
編織結構、針織結構、提花紡織結構、刺繡結構和無紡布等都是織物電極常見的組織結構，這些結構既有優點也有缺點。首先，編織結構具有穩定的經緯結構，不易變形，但生產過程復雜。針織結構制造方便，具有良好的抗皺性、透氣性、彈性，但紗線易滑、尺寸不穩定，易導致導電不連續，采集信號效果不如編織電極。提花紡織結構穩定、舒適性好，但長時間使用彈性會降低，采集信號效果逐漸下降。刺繡織物因具有獨特的結構，設計非常方便，且舒適、無刺激，是織物電極常用的組織結構，但因其易腐蝕、易受潮、易皺縮，對使用環境要求較高，因而會影響電極的使用。無紡布導電性強、成本低，但和刺繡織物一樣，易受潮、易腐蝕，同時由于其具有獨特的纖維間結構，不如刺繡織物穩定。
3 織物電極評價標準
目前，針對織物電極的評價并無統一標準，大多數是參照一次性電極測量標準：美國標準學會/美國醫療儀器促進協會電子設備標準 12-2000（American National Standards Institute/The Association for the Advancement of Medical Instrumentation electrical equipment 12-2000，ANSI/AAMI EC12-2000）[26]來評價織物電極性能。
3.1 電氣性能（靜態測試）
ECG 信號采集電極的主要電氣特性之一是電極的交流阻抗，測量形式為使用一對面對面連接的電極，類似于電容器，將正弦波電壓（電流）施加在該電極上，得到相應的電流（電壓），從而計算得到其阻抗（導納），其交流阻抗取決于電極不同的制造方法。
針對織物電極電氣性能評價的另一個重要特性是皮膚—電極接觸阻抗。常用的皮膚—電極接觸阻抗的測量方法一般有：直接測量法、參比測量法和模擬皮膚測量法[28]。直接測量法為直接將測試探頭插入皮膚組織來測量真實的人體皮膚—電極的接觸阻抗，是一種有創測量法，在實際實驗過程中不便執行。參比測量法是將電極形成電路后放在皮膚上，根據各種公式換算，計算出皮膚—電極接觸阻抗。而模擬皮膚測量法是通過搭建人體皮膚仿真平臺來測量平臺表面—電極的接觸阻抗。直接測量法和參比測量法都是通過直接接觸人體皮膚來測量皮膚—電極接觸阻抗的，參比測量法比直接測量法更加準確，然而步驟復雜，實驗條件要求高。模擬皮膚測量法的測量結果不會因人體皮膚之間的差異而發生變化，但因采用仿真人體皮膚的方法，因此并不能真實反映人體皮膚與電極之間的相互作用。
3.2 運動偽影（動態測試）
運動偽影也稱噪聲，通常由身體運動引起。人體運動過程中電極不能隨皮膚的變形而產生相應的形變，因此皮膚與電極之間產生水平摩擦或垂直擠壓，形成兩個電層，電荷量發生變化，對 ECG 信號產生干擾，形成噪聲，其大小與身體活動密切相關。靜止狀態下，織物電極的噪聲一般可以忽略。但在運動狀態下，ECG 信號的形狀會呈現基線變化，不可忽視。
接觸式 ECG 信號監護服中，運動偽影一般由以下幾個因素造成：① 服裝與身體不適合，體表與電極之間缺乏接觸。② 電極在衣服上位置設置不恰當，容易導致由于穿著者的正常活動而使電極移位。Haghdoost 等[18]針對第② 種因素設計出一款可以減小運動偽影的可穿戴 ECG 信號監護系統。該系統將衣物表面以每 6 cm 為一個間隔，以網格方式放置 56 個電極，并選擇了 10 名年齡在 22～27 歲，平均身高為 173.1 cm 的年輕男性為受試者。將普通 Ag/AgCl 電極測得的 ECG 信號作為標準，將受試者大幅度運動后所測得的 ECG 信號與其作對比選出了電極的最佳位置。但因該研究受試對象太單一，不能代表所有人群的受試結果，同時衣物水洗性、舒適性等方面的效果并未通過相關實驗進一步探究，因此其具體的實用性還有待考究。
3.3 機械性能
織物電極的機械性能即指其可變形性，一般要求能夠貼合人體皮膚，根據皮膚形狀改變自身形狀，同時彎曲模量（即材料抵抗彎曲變形的能力）小，外力作用下很容易發生形變。
3.4 穩定性
穩定性包括化學—電化學穩定性及水洗穩定性。化學—電化學穩定性是指電極能夠抵御外界物質（如：人體汗液）侵蝕的能力，如果該性能不佳，可能會與電極發生化學反應使電阻增大，電極導電能力下降。同時，在信號記錄過程中，還會存在離子電流會與電子電流相遇發生化學反應，增大阻抗的情況。
水洗穩定性指電極隨水洗次數增多，會出現導電材料脫落使阻抗增加的情況，而ECG 信號強度會出現不同程度衰減，穩定性降低。針對此現象，Achilli 等[29]也將 PEDOT：PSS 導電性溶液與乙二醇（ethylene glycol，EG）網狀劑混合的導電油墨相結合，采用絲網印刷技術沉淀在服裝上，再通過烘烤干燥制成了導電織物，并通過了洗滌 20 多次而不損害 ECG 信號測量能力的測試，可與 Ag/AgCl 電極相媲美，且值得注意的是，洗滌有利于皮膚—電極阻抗的改善，可直接用干電極進行測量而不用添加任何電解質。
3.5 舒適性與安全性
Vojtech 等[30]發明了一款適于救援人員的具有持久舒適性的 T 恤。該 T 恤用基于聚酯涂層的銀納米粒子和棉混合物制成，耐腐蝕，具有抗菌性和抗過敏性，可有效防止病菌侵入，同時具有極高的穩定性和洗滌周期，不易受侵蝕。
4 總結
織物電極作為一種新型的 ECG 信號采集技術，有效地解決了傳統電極所帶來的一系列缺點，使 ECG 數據監測更加便利。同時，作為一種不成熟的技術和方法，該信號采集技術在很多方面還有很大的提升空間，如雖然在襯底材料、導電材料還有織物結構方面進行了初步探究，但并沒有進行更加深入的實驗以比較哪種材料或結構更加符合電極的要求。對此，可設計一系列的對照實驗，探究具有更小織物阻抗、電極—皮膚阻抗以及運動偽影的材料，找尋具有較強穩定性、不易被腐蝕、長時間使用不易脫落的導電材料。同時，在此基礎上，可探究電極位置、織物大小、形狀、厚度對信號產生的影響，進而得到最優的電極位置以及最佳織物大小、形狀和厚度等。更進一步，可通過改進 ECG 信號采集電路來降低電極阻抗，減小運動偽影，優化 ECG 信號，如基于阻變的 ECG 信號采集電路[31]。在未來的織物電極發展過程中，可依據以上方面的討論，選擇合理的理論依據和實際可行性，逐步優化，設計出一款最優規格的織物電極。
