可穿戴电极采集心电图的原理与研究进展

在人体四肢或胸部采集。通常ECG的采集是利用医用监 护仪实现的，但该方法无法缓解当前社会的医疗压力且 难以实现疾病的早期发现。因此，长期动态监测心电图 对预防心血管疾病的发作具有重要作用。随着现代医疗 设备技术的发展，可长期采集ECG的可穿戴设备应运而 生，如第 1 代可24 h采集ECG的Holter监测系统，可长期 动态监测人体心电图，获得的动态监测心电图可用于疾 病诊断、筛查、预防、风险评估和康复等。发展至今， 长期采集ECG的可穿戴设备已经能很好解决早期存在的 体积庞大、高频干扰以及工频干扰等问题，但其发展和 应用仍受到电极材料的限制。其中，带有导电凝胶的湿 电极存在在长期使用时易引起皮肤刺激而使皮肤过敏、 使用前需对皮肤进行预处理以及因凝胶的干涸而降低 ECG的质量等缺点，导致其不适用于长期采集ECG的可 穿戴设备；为克服湿电极存在的问题而后期开发的坚硬 材料、泡沫以及织物等干电极在长期动态监测时易受运 动伪迹干扰，使此类干电极也无法得到良好的推广。基 于上述问题，ECG长期采集关键技术及运动伪迹的研究
ECG是心脏收缩活动的电表现，可以借助表面电极
作者简介：叶华标，男，1993年生，硕士在读，主要从事智能 纺织品技术的研究。 通信作者：杨红英，E-mail: webyhy@；陈东义，E-mail: dychen@。 作者单位：叶华标、周金利、杨红英，中原工学院纺织学院； 宋晓炜，中原工学院电子信息学院；陈东义，电子科技大学自 动化工程学院。 基金项目：国家自然科学基金项目（61572110）；国家重点研发 计划项目（2016YFB1001401）。
42
纺织导报 China Textile Leader · 2019 No.5
Special Feature 本期特稿
十分重要。本文从ECG采集原理与可穿戴系统、干电极 材料及其运动伪迹抑制等 3 个方面，阐述了ECG采集原 理和关键技术的研究进展。
1 ECG采集原理与可穿戴系统 1.1 ECG采集原理
本期特稿 Special Feature
可穿戴电极采集心电图的原理与研究进展
文 | 叶华标 周金利 杨红英 宋晓炜 陈东义
摘要：利用可穿戴设备对人体心电图进行长期采集，可以为慢性疾病的预防以及心脏病等疾病的术后康复监测
提供重要信息，也可缓解人口老龄化带来的社会医疗压力，因而相关研究成为近年来的热点。然而，心电图长
据世界卫生组织（World Health Organization， WHO）报道，心血管疾病（Cardiovascular Diseases， CVDs）是造成全球死亡的头号杀手之一。数据显 示，由CVDs造成的死亡率占所有疾病的 1/3，其中 超过80%的死亡发生在中低收入国家。此外，心血管 疾病具有间歇发作、瞬态异常等特点，患病者心电图 （Electrocardiogram，ECG）通常表现异常。因此，ECG 是CVDs诊断信息重要的来源之一，也是有效诊断慢性疾 病和指导CVDs治疗的重要参数。
Abstract: Long-term collection of human ECG via using wearable devices can provide important information for prevention of chronic diseases and monitoring postoperative rehabilitation of diseases, as well as alleviate the social medical pressure brought by aging population. Therefore, relevant researches have become a hot topic in recent years. However, there are a series of problems in the wearable devices for long-term ECG collection, such as electrode materials and motion artifact interference, etc. Hence, the paper summarized the key techniques of long-term ECG collection in three aspects, i.e., the principle of ECG collection, electrode materials and motion artifact suppression. Key words: dynamic electrocatdiogram; wearable; textile electrodes; motion artifact
金属 e－
电解质 A－
M－ M
A－
图 1 电极－电解质界面离子交换
（1） （2） 1.2 ECG可穿戴系统 为满足人们对自身健康进行管理的需要，国内外研 究者对可穿戴的健康监测系统进行了大量的研究，特别 是ECG长期采集用的可穿戴系统。如CATRYSSE等利用 针织物电极开发了一款具有数据处理、存储和传输功能 的无线监测服装，并用于儿童的ECG和呼吸频率监测； YOO等利用丝网印刷技术将干电极印刷于织物上，能够 长期采集ECG而不会造成皮肤刺激（图 2）；翟红艺等针 对Holter心电图仪缺乏实时分析心电信号能力的问题，开 发了基于织物电极的可穿戴心电异常监测系统。
期采集用的可穿戴设备仍存在着一系列的问题，例如电极材料和运动伪迹干扰等。因此，文章从心电图采集原
理、电极材料和运动伪迹抑制等 3 个方面对心电图长期采集纺织电极的关键技术进行综述。
关键词：动态心电；可穿戴；织物电极；运动伪迹
中图分类号：TP212；TP274
文献标志码：A
Principle and Research Progress of Wearable Electrodes Collecting ECG
电极感应心电信号的基本原理是当电极与电解质接 触时，将会产生电化学反应（图 1），其电化学反应式如 式（1）和式（2）所示。 结合图 1、式（1）和式（2）可 以看出，电极中的金属材料和电解质中的阴离子都被氧 化形成金属离子Mn+1和中性原子A，各自产生的电子进入 电极中作为电荷载体。因为电极－电解质界面电荷分布 不呈中性，形成图 1 所示的电双层，所以将会形成电 流通道和感应到心脏的心电信号。