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Abstract

本发明属提出一种基于碳化织物的柔性电极，包括柔性导电碳化织物电极、柔性支撑层和引线，所述柔性导电碳化织物电极位于柔性支撑层的一侧，柔性支撑层的面积大于所述柔性导电碳化织物的面积；所述引线和柔性导电碳化织物电极连接。本发明还提出所述柔性电极的制备方法和应用。本发明利用柔性导电碳化织物电极，该电极的阻抗较小，从而可以获得良好的传导人体电信号的效果。该电极具有良好的柔性，可以保证和人体皮肤间很好的贴合，在人体运动的情况下仍然可以获得可靠而稳定的信号。

Description

一种基于碳化织物的柔性电极
技术领域
本发明属于医学装置领域，具体涉及一种用于人体电信号采集的装置。
背景技术
生理电信号，如心电信号(ECG)、肌电信号(EMG)等是人体的一个重要的生理指标，在医疗、传感、人机界面等领域分别有着重要的应用，通过电极收集人体的电学信号，具有重大的意义。
人体皮肤具有一定的弯曲和拉伸变化，为了实现电极和皮肤的良好、稳定的接触，目前需要通过在人体表面涂抹导电膏或导电凝胶的方式提高导电性和稳定性。现有的技术缺陷在于，导电膏或导电凝胶长期使用可能会对人体皮肤产生刺激等伤害，在一定时间后会脱水失去作用，测试结束还需要清洁皮肤。因此现有的电极无法进行较长时期的人体电信号监测。
也有部分技术使用了柔性电极材料，例如用绣针法在涤纶织物上织入金属丝，或用覆银的尼龙丝织成导电织物等，但是这样构成的织物电极依然需要使用胶布将电极和导线固定于人体皮肤。现有技术的主要缺陷在于，胶布在皮肤表面的粘结会引起瘙痒等不适，并在分离时引发痛感，导致应用于长时间监测时存在缺陷。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明的目的是提出一种一种基于碳化织物的柔性电极。
本发明的另一目的是提出所述柔性电极的制备方法。
本发明的第三个目的是提出所述基于碳化织物的柔性电极的应用。
实现本发明上述目的的技术方案为：
一种基于碳化织物的柔性电极，包括柔性导电碳化织物电极、柔性支撑层和引线，所述柔性导电碳化织物电极位于柔性支撑层的一侧，柔性支撑层的面积大于所述柔性导电碳化织物的面积；所述引线和柔性导电碳化织物电极连接。
其中，用作电极的柔性导电碳化织物，是原材料为棉、麻、毛、丝天然纤维、再生纤维中的一种或多种的织物，经碳化得到，织物结构为编织结构、针织结构或无纺结构。
其中，所述柔性支撑层为非粘性普通织物、无纺布或具有柔性的聚合物，其中，所述柔性的聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯中的一种。
制备所述柔性电极的方法，是将棉、麻、毛、丝天然纤维、再生纤维中的一种或多种的织物，在气体保护条件下，在950℃～1200℃温度下碳化2～3小时，得到柔性导电碳化织物。和棉布类似，织物的厚度在0.2～1mm之间。
进一步地，将柔性导电碳化织物利用未固化的聚合物粘接在柔性支撑层上，并利用导电银胶与引线连接。所述聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种。
更优选地，用于粘接的聚合物是与柔性支撑层相同的聚合物。
应用所述柔性电极进行人体电信号采集的方法，将所述柔性电极放置在人体上，用紧身衣物或护具固定，所述柔性导电碳化织物电极与人体皮肤直接接触，所述引线连接信号检测装置。
与现有技术相比，本发明具有以下的优点和效果：
1.本发明利用柔性导电碳化织物电极，该电极的阻抗较小，从而可以获得良好的传导人体电信号的效果。
2.该电极具有良好的柔性，可以保证和人体皮肤间很好的贴合，在人体运动的情况下仍然可以获得可靠而稳定的信号。
3.本发明所使用的柔性导电碳化织物电极在运用中无需使用导电凝胶，从而避免了导电凝胶对皮肤的刺激与伤害和其失水后引起的误差，电极性能在长期使用后仍然可以保持。
4.本发明所使用的柔性导电碳化织物电极中不含有粘性胶带，可使用紧身衣物或者佩饰辅助其固定于人体皮肤，从而避免了胶带带来的不适。
因此本发明尤其适用于人体电信号的长期可穿戴式监测。
附图说明
图1为本发明所述基于碳化织物的柔性电极制作示意图。
图2为本发明具体实施例所述心电监测装置系统涉及的主要模块。
图3为本发明实施例1的基于莫代尔纬编针织织物为原材料高温热处理所得柔性导电碳化织物的柔性心电监测电极实物照片，图中给出一对圆形电极和一对异形电极照片。
图4为本发明具体实施例所述以莫代尔纬编针织织物为原材料高温热处理所得柔性导电碳化织物电极的扫描电镜照片，右上角小图为高倍照片。
图5为本发明具体实施例中所述柔性电极和商品凝胶电极与上臂皮肤间阻抗的比较。
图6为本发明具体实施例利用所述心电监测装置及以莫代尔纬编针织织物为原材料高温热处理所得柔性导电碳化织物电极为心电监测电极直接贴于皮肤采集到的22周岁健康成年男性心电信号，左上角为10秒内的心电信号，右上角为1秒内的心电信号细节，左下角与右下角分别为滤除50Hz工频干扰的心电信号细节。
图7为与图6同样情况下手臂运动过程中采集到的心电信号。
图8为基于碳化莫代尔织物的柔性电极的结构图。
图中，1为柔性导电碳化织物电极，2为柔性支撑层，3为引线。
具体实施方式
现以以下实施例来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中使用的手段，如无特别说明，均使用本领域常规的手段。
实施例1.
图1为本发明所述基于碳化织物的柔性心电监测电极制作示意图，包括织物原材料的高温碳化处理、引线的连接及与柔性支撑层的附着。
本实施例中所用织物原材料为莫代尔纬编针织织物，莫代尔织物在氩气保护下在1000℃下处理两个小时得到导电的碳化莫代尔织物，并通过剪裁得到一定的形状的导电织物。碳化后织物的厚度基本不变，在0.5～0.8mm左右。莫代尔纬编针织物由于其特殊的织物结构，在碳化后仍能保持一定的柔性和可拉伸性，保证了碳化织物能够紧密地与皮肤进行贴合。4是电极导电织物电镜照片。从电镜照片看，纤维完整，直径小于10微米，能够保证良好的触感。
图8示出了基于碳化莫代尔织物的柔性电极，包括柔性导电碳化织物电极1、柔性支撑层2和引线3，所述柔性导电碳化织物电极位于柔性支撑层的一侧，柔性支撑层的面积大于所述柔性导电碳化织物的面积；所述引线和柔性导电碳化织物电极连接。
柔性支撑层采用面积稍大的柔性硅橡胶薄膜(商品名为Ecoflex，一种聚二甲基硅氧烷硅橡胶)。将粘稠的Ecoflex在70～80固化制成圆片，一侧涂上没有固化的Ecoflex，覆上碳化莫代尔织物，碳化莫代尔织物用导电银胶连接引线。碳化莫代尔织物另一侧暴露在外，用于监测心电信号时与人体皮肤直接接触，作为柔性心电电极。图3是柔性心电电极的实物照片，其中给出了一对圆形电极和一对异形电极照片。
阻抗试验
以商品凝胶电极作为对比，商品凝胶电极(市售的心电电极片)是胶带和导电凝胶的组合，胶带用于固定在皮肤上。本申请实施例1的圆形电极和异形电极分别用护腕固定在上肢。
图5给出这两种电极和商品凝胶电极与上臂皮肤间阻抗的比较，可以看出三者对不同频率的阻抗相似，区别不显著。其中圆形电极在低频阶段尤其有更好的导电性，而异形电极因为碳化织物面积较小，导电性稍低于圆形电极。
实施例2
在本实施例中，本发明所述的柔性电极被用于人体心电信号的监测。本心电监测系统包括柔性电极、信号采集与处理电路、蓝牙通信装置(见附图2)。柔性电极通过引线连接信号检测装置，信号检测装置内设置信号采集与处理电路，并与数据储存装置蓝牙通信连接。连接数据储存系统的方式还可以采用无线通讯连接、或USB接口连接等本领域已有的方式。
本实施例利用图2展示的心电监测系统，以图3展示的附着在柔性硅橡胶薄膜的异形碳化莫代尔织物为心电电极，两个柔性电极用护腕固定，采用I型导联，通过导线将电极与信号处理电路输入端连接，获得的心电信号经过处理后通过后蓝牙发射装置传输到电脑上进行信号滤波等进一步处理，从而得到心电信号。采集对象为22周岁健康成年男性。图6，图7分别展示本实施例在静止与运动状态下所测到的心电信号图，图6左上角图为10秒内的心电信号，右上角为1秒内的心电信号细节，左下角与右下角分别为滤除50Hz工频干扰的心电信号细节(噪声是因为原型装置没有考虑电磁屏蔽而存在的被50Hz交流电信号干扰的结果，与电极种类没有关系)。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于碳化织物的柔性电极，其特征在于，包括柔性导电碳化织物电极、柔性支撑层和引线，所述柔性导电碳化织物电极位于柔性支撑层的一侧，柔性支撑层的面积大于所述柔性导电碳化织物的面积；所述引线和柔性导电碳化织物电极连接。
2.根据权利要求1所述的基于碳化织物的柔性电极，其特征在于，用作电极的柔性导电碳化织物，是原材料为棉、麻、毛、丝天然纤维、再生纤维中的一种或多种的织物，经碳化得到，织物结构为编织结构、针织结构或无纺结构。
3.根据权利要求1所述的基于碳化织物的柔性电极，其特征在于，所述柔性支撑层为非粘性普通织物、无纺布或具有柔性的聚合物，其中，所述柔性的聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯中的一种。
4.制备权利要求1～3任一所述柔性电极的方法，其特征在于，将棉、麻、毛、丝天然纤维、再生纤维中的一种或多种的织物，在气体保护条件下，在950℃～1200℃温度下碳化2～3小时，得到柔性导电碳化织物。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将柔性导电碳化织物用没有固化的聚合物粘接在柔性支撑层上，并使用导电银胶与引线连接；所述聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种。
6.应用权利要求1～3任一所述柔性电极进行人体电信号采集的方法，其特征在于，将所述柔性电极放置在人体上，用紧身衣物或护具固定，所述柔性导电碳化织物电极与人体皮肤直接接触，所述引线连接信号检测装置。
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