男性心电监护服装电极最佳位置的设计研究

Abstract

为了有效降低心血管病患者的死亡率，提高心电监护服装采集信号的准确性，减少由电极在服装中不适当的位置引起的运动伪迹对心电信号测量效果的影响，本文对 3 导联监测方法下男性心电监护服装电极的最佳位置进行了实验研究。实验在男性心电监护服装的 3 导联区域选择相应测试点，通过对各组位置点所采集到的心电信号质量进行比较，以及对心电图及功率谱图的分析，最终确定最佳位置点。结果发现在电极的最佳位置处，由电极不适当位置引起的运动伪迹得到明显改善。心电监护服装中电极的位置对于心电信号的日常采集至关重要，电极在最佳位置处，所采集的心电信号的稳定性得到明显提高。

引言

随着心血管疾病发病率的迅速上升，对患者进行长时间的实时监护变得愈发重要。医学上治疗心血管疾病的主要参考依据是心电图（electrocar-diogram，ECG），而常规的心电图是记录患者在静卧状态下历时几秒到一分钟的心电活动情况，显然这只能获取少量与心脏相关的信息，因此对患者进行长期的心电监测是十分必要的。服装作为与人体接触最为密切的媒介，具有低生理、心理负担的特点，是实现心电信号采集的最佳平台^[1]，因此心电监护服装是动态心电信号采集的最佳方法。

目前已经有越来越多的心电监护服装被研发出来，但这些服装都存在一个严重的不足——运动伪迹。运动伪迹主要由三个因素引起：第一，人体与电极之间缺少接触，是由服装和人体的非合体性造成的；第二，由人体运动所导致的服装中电极位置的改变；第三，电器错误，例如设备安排错误等。因此，有必要找到通过减小运动伪迹以提高心电监护服装精确度的方法^[2]。

目前，心电监护服装需要与心电监护仪相结合对采集到的心电数据进行分析，而市场上的心电监护仪种类繁多，归类比较其测量方法可分为两大类，即手掌式测量和胸部导联线测量，很显然，手掌不在日常穿戴服装的覆盖范围之内，想要和服装相结合只能选择胸部导联线测量的心电监护仪。同时，可胸部导联线测量的家用便携式心电监护仪采用 3 导联和 5 导联方式来监测心电活动，适合日常使用，为了便于与服装集成，降低对日常活动的影响，3 导联心电测量的方法更为合理。本研究针对运动伪迹产生的第二个因素设计了一款紧身服装^[3]，研究男性穿着条件下 3 导联心电测量中电极的最佳位置。

1. 试验

1.1. 结构设计

1.1.1　电极位置点选择　选择男士 170/88A 标准体型，为了保证电极和人体的紧密接触，实验服装被设计成紧身 T 恤。T 恤选用具有良好弹性和恢复性的平纹组织针织物（其中含 82% 锦纶、18% 氨纶），作为制作监护服装的面料^[4]。

根据本研究采用的 3 导联心电监测方法，正极放置在锁骨下靠近左肩位置，负极放置在锁骨下靠近右肩位置，中极放置在左腹位置，如图 1 所示。

图 1.

Portable 3-lead ECG detection

便携式 3 导联心电检测

在 T 恤上确定对应的电极放置区域，锁骨下靠近右肩部位划分为Ⅰ区，锁骨下靠近左肩部位划分为Ⅱ区，左腹部位划分为Ⅲ区，在每个区域中选定具有代表性的位置点，如图 2 所示，具体步骤如下：

图 2.

A schematic view of selected points

选点示意图

① 取肩线的中点，从中点向袖窿深线作垂线段。

② 取垂线段的中点作水平线，确定锁骨底端位置。

③ 将水平线在衣片上的线段等分，得到 A 点，以点 A 为顶点，距离间隔为 3 cm，沿线向两侧依次选取点 B、点 C。

④ 从 A、B、C 三点分别作袖窿深线的垂线，以 A、B、C 三点为顶点，距离间隔为 3 cm，沿对应垂线依次再取三点。衣身前片左右侧取点方法相同。

⑤ 将水平腰线等分，中点为 O。

⑥ 以水平腰线为基线，点 O 为垂足作垂线，距离间隔为 3 cm，沿垂线向上下各取一点分别为 M、N。

⑦ 过点 M、N 分别作水平线，以 O、M、N 三点为顶点，距离间隔为 3 cm，沿对应水平线依次再取两点。

定点结束后，将三个区域内选定的点按照区域进行重新标记，位于Ⅰ区的点标记为 a 点，位于Ⅱ区的点标记为 b 点，位于Ⅲ区的点标记为 c 点，共计 33 个点。具体选点位置及标记如图 3 所示。

图 3.

Selected position signature

选点位置标记图

1.1.2　电极选择及固定方法　选择制作刺绣平纹电极，其由镀银尼龙长丝（40 根单丝，140D，两合股，青岛亨通伟业特种织物科技有限公司，中国）在绣花机（PR650e 小型电脑绣花机，Brother 公司，日本）上制作，通过刺绣软件 Brother PE-Design v9.13-ISO 1CD 进行设计，结构为平纹，选择填充针迹，半径为 25 mm。

由于刺绣平纹电极中所使用的纱线是连续的，相比其他结构的纺织电极阻抗更低^[5]，其开路电压在 27.5～32.5 mV 之间波动，且可以测试出清晰的心电图^[6]，各项数据表明刺绣平纹电极可以替代传统 Ag/AgCl 电极用来测试心电信号，因此本文实验中选用此织物电极。

为了便于实验操作，直接将刺绣平纹电极固定在服装上，采用的方法是先将金属纽扣固定在待测量的电极位置点上，再用导电银胶（SC666-80 系列，Solarcarer，上海安巅新材料科技有限公司，中国）将刺绣平纹织物固定在服装对应位置上。这种设计可以提升服装的舒适度^[7]，同时便于电极与心电采集设备的电极线进行连接。电极在服装上的固定方法和安装步骤如图 4 所示，首先将金属纽扣固定在服装面料上，在服装背面纽扣底座区域涂覆导电银胶（Solarcarer SC666-80 系列导电银胶低温快速固化，具有良好的导通粘结效果），涂覆导电银胶面积与刺绣平纹电极面积相同，最后将刺绣平纹电极通过导电银胶粘附在服装上。最终 33 个电极在服装上的位置如图 5 所示。

图 4.

Fixing method and installation procedure of electrode on garment

电极在服装上的固定方法及安装步骤

图 5.

Schematic diagram of electrode positions on the clothing

服装上电极位置展示图

1.2. 试验方法

1.2.1　测试指标和仪器　为了得到 3 导联心电监测的最佳位置，本研究采用美国 BIOPAC 公司生产的 MP150 型 16 通道多导生理记录仪中的 Electro-cardiogram (ECG)100C 模块进行心电信号采集，通过对稳定状态下 8 s 内采集到的稳定心电信号进行图像观察、ECG Interval Extraction 分析及经验分析，得出最佳位置点。

1.2.2　试验对象选择　为了更精确地评估出最佳的电极位置，选择三位身高和胸围接近标准体型的男性（170/88A）为试验对象，排除由于个人体型差异对实验造成的影响，三位被测者的基本资料见表 1。三位被测者在实验中穿着心电监护服装，进行心电信号采集。

表 1. Basic information of the subjects.

受试者基本资料

受试者	年龄/岁	身高/cm	体重/kg	胸围/cm	BMI/（kg·m–2）
BMI：身体质量指数（body mass index）
A	25	172.0	61	92.0	20.62
B	26	170.5	58	90.0	19.95
C	26	172.0	69	93.5	23.32

1.2.3　动作设计　选择人体日常活动过程中出现次数较多且幅度较大的几组动作，将其划分为肢体动作和躯干动作。肢体动作分为上下摆臂(0～180°)、前后摆臂(0～160°)、左右水平摆臂(0～180°)，躯干动作分为转体(0～45°)、到地下捡东西、前俯后仰(0～10°)。具体姿势为：

① 动作 1 上下摆臂：手臂自然下垂为起点，从侧边手臂向上摆动至头顶，活动范围为 0～180°。

② 动作 2 前后摆臂：手臂与人体垂直水平向前为起点，向下摆动至人体后方最高处，活动范围为 0～160°。

③ 动作 3 左右水平摆臂：手臂与人体垂直向左右两侧为起点，水平方向摆动，活动范围为 0～180°。

④ 动作 4 转体：以人体轴线为轴心，双脚固定，躯体向一侧转动，活动范围为 0～45°。

⑤ 动作 5 到地下捡东西：俯身微屈膝，手臂前后呈弯曲状。

⑥ 动作 6 前俯后仰：以人体轴线为轴心，自然站立，动作为向前胸部低头到向后抬头，活动范围为 0～10°。

每位被测者穿着实验服装，从直立姿势开始，执行这六个动作方案，再回到直立姿势。六个实验动作重复三次，间隔为 8 s。

2. 结果分析

正确波形标准：首先心电图的形状正确，其次通过分析能够准确地得到各个波值，其中的 QRS 波群、P 波和 T 波是心电图的主要部分，起到描述心脏的作用，如果这些部分都清晰可见即为可用于分析的心电图^[8]。

2.1. 静止状态

选择被测者 A，左腹电极固定在 c1 位置，胸部电极位置依次从 a1b1 更换至 a12b12，共测得 12 组心电图数据，如图 6 所示。

图 6.

ECG of subject A measured from the positions of a1b1c1 to a12b12c1

被测者 A 在 a1b1c1 至 a12b12c1 位置的心电图

从图 6 的 12 条心电图上能够看出，只有 a1b1c1、a2b2c1、a3b3c1 三个位置能够检测出清晰准确的心电图。而且经过测试，每个被测者的 108 组测量心电图中，所有 c 位置下都只有 a1b1、a2b2、a3b3 三个位置组合能够检测出清晰准确的心电图。三个位置的清晰心电节拍比率见表 2。提示在 3 导联情况下左腹部位置对心电采集准确性没有明显的影响，而胸部位置中只有 a1b1、a2b2、a3b3 三个位置能够采集到准确而清晰的心电图。

表 2. Clear ECG beat rate of subject A measured from the positions of a1b1c1 to a3b3c1.

被测者 A 在 a1b1c1 至 a3b3c1 位置的清晰心电节拍比率

位置	清晰心电节拍数	总心电节拍数	清晰心电节拍比率
清晰心电节拍数：BIOPAC MP150 软件能够分析出一次心动周期中所有波形数据的心动周期数量；总心电节拍数：8 s 内心电图中能够观察到的所有心动周期数量；清晰心电节拍比率：清晰心电节拍数与总心电节拍数的比值
a1b1c1	9	11	0.818
a2b2c1	7	10	0.700
a3b3c1	8	11	0.727

进而分析 c 的位置不同是否对 a1b1、a2b2、a3b3 位置组合的心电采集产生影响。选择被测者 C 在 a3b3 位置下，从 c1 至 c9 的 9 组心电图进行分析，通过实验数据得知 c1 至 c9 的九个位置都能检测到准确的心电图。九个位置的清晰心电节拍比率见表 3，可以看出心电信号的清晰心电节拍比率没有明显的差异。图 7 显示了 c1 至 c9 的九个位置测量的心电信号经过快速傅里叶变换的功率谱图，从功率谱图中可以看出，除了 c2 和 c3 位置，其余七个位置没有明显差异，c2 和 c3 位置曲线上显示的波纹较少，意味着这两个位置受噪声干扰最小。

表 3. Clear ECG beat rate of subject C measured from the positions of a3b3c1 to a3b3c9.

被测者 C 在 a3b3c1 至 a3b3c9 位置的清晰心电节拍比率

位置	清晰心电节拍数	总心电节拍数	清晰心电节拍比率
a3b3c1	8	11	0.727
a3b3c2	9	11	0.818
a3b3c3	8	11	0.727
a3b3c4	8	11	0.727
a3b3c5	8	11	0.727
a3b3c6	9	12	0.750
a3b3c7	8	11	0.727
a3b3c8	8	11	0.727
a3b3c9	9	11	0.818

图 7.

ECG signal power spectrum of subject C measured from the positions of a3b3c1 to a3b3c9

在 a3b3 固定下分别与 c1 至 c9 组合时，被测者 C 的心电信号功率谱图

2.2. 运动状态

通过实验数据分析确定了在静止状态下能够采集到正确心电图的位置有 a1b1、a2b2、a3b3，其中腹部位置 c2 和 c3 处受到噪声干扰最小，心电信号采集效果最佳。因此，进一步通过实验分析在左腹位置 c2 确定的情况下 a1b1、a2b2、a3b3 三个位置在运动状态下心电信号采集的准确性，六个运动状态下采集到的心电图如图 8 所示。

图 8.

Comparison of ECG with electrode positions from a1b1 to a3b3 on six different actions when the c2 was fixed in subjects' body

c2 固定下，6 个动作时 a1b1、a2b2、a3b3 三个位置的心电图比较

通过对六个运动状态下采集到的心电图进行分析得知，无论处于何种动作下，a3b3c2 位置组合的心电图波形受到的运动干扰都是最小的，波形更加稳定，心电采集的效果最佳。腹部电极位置改变时，也可以得到相同结论，因此可以认为 a3b3 位置组合是与男性心电监护服装相结合的最佳位置。

3. 结论

本文主要探讨了 3 导联监测方法下男性心电监护服装电极的最佳位置。通过分析 3 位被测者在静态和动态条件下穿着心电监护服装时所采集的各 108 组实验心电数据，可以得出 3 导联心电监测中电极的最佳位置取决于Ⅰ区和Ⅱ区。由于 a3b3 所测得的心电数据受被测者运动影响最小，因此被认为是结合到服装中电极的最佳位置；左腹部Ⅲ区的位置被认为对心电采集效果影响不大，但 c2 和 c3 位置相比其余七个位置受到更少的噪声干扰。基于该研究的结果，a3b3 与 c2 和 c3 位置组合是可用于心电监护服装的最佳位置选择，并且从服装工程的观点来看，Ⅰ区和Ⅱ区电极的最佳位置与“人类的紧身胸衣最小运动区域”^[9]重合。

在设计各种尺寸的男性心电监护服装时，可根据该研究的结果确定服装中电极的位置，以减少由于电极在服装中的不适当位置所引起的运动伪迹对心电信号采集效果的影响，提高心电监护服装采集信号的准确性。未来此类研究中还应该包括不同年龄、性别和体型的被测者，并且，在其他外部干预（不同服装压力、不同身体湿度等）的情况下刺绣平纹电极导电特性的变化也将是后续研究的重点。

Funding Statement

国家自然科学基金面上项目（51473122）；中国博士后科学基金面上资助项目（2016M591390）