天津工业大学刘皓、何崟：受“苍耳子”启发低动态噪声心电干电极

关键词：心电信号，干电极，动态噪声，叠层模板法

近日，天津工业大学纺织科学与工程学院刘皓教授团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了题为《Fructus Xanthii-Inspired Low Dynamic Noise Dry Bioelectrodes for Surface Monitoring of ECG》的研究论文（DOI: 10.1021/acsami.1c22303），文章第一作者为博士研究生牛鑫，通讯作者为刘皓教授、何崟副教授。该研究提出了一种“叠层模板”法，以低成本和大面积快速制备微结构干电极，团队采用该方法制备了三种微结构Ag/AgCl-TPU电极，测试了电极的动态摩擦、抗头发干扰、电化学和心电图（ECG）信号采集性能，并利用模拟仪器对电极的动态噪声特性进行了综合评价。与平面结构相比，仿“苍耳子”（FXbs）电极的动态摩擦系数提高了38.8%，并且具有较强的抗毛发干扰能力，此外，FXbs电极在信号方面表现出较低的动态噪声和与湿电极相当的性能。因此，制备的FXbs电极增加了电极与皮肤之间的摩擦系数，并且能避免毛发影响，可以有效地解决生物电信号中与动态噪声相关的问题，适合于动态测量。

图1 利用叠层模板法制备微结构电极示意图。

长期可穿戴健康监测系统（LWHMs）是降低慢性心血管疾病患者死亡率的有效方法，其中与人体皮肤接触的表面生物电极是可穿戴健康监测系统的关键方面，但是在动态条件下，电极和皮肤之间的压力波动和相对位移会产生动态噪声，这会对人体生物电信号的信息收集、识别和解释产生负面影响，该问题限制了可穿戴健康监测系统的应用和推广。为了解决这些问题，刘皓教授团队提出了一种“叠层模板”法，该方法成本低、工艺简单，可大面积制备微结构电极，利用该方法制备的仿“苍耳子”Ag/AgCl-TPU微结构电极具有高摩擦系数、高抗头发干扰性能以及低动态噪声。

图2 仿“苍耳子”电极的动摩擦性能、电性能、抗毛发干扰性能

图3 利用仿“苍耳子”电极采集的心电图

仿“苍耳子”结构可以增大电极与皮肤间的摩擦系数，因此在动态采集中具有一定优势，为了验证电极在动态测试中的稳定性，刘皓教授团队利用自研的“生物电电极评价系统”，在有源测量和无源测量模式下，对电极的电极阻抗、静态开路电位（SOCP）、动态开路电位（DOCP）进行了全面测试。该工作有效地解决了与动态噪声相关的问题，使其成为智能服装中获得长期生物电信号的理想候选者。

图4利用“生物电电极评价系统”对电极进行测试的结果

作者简介：刘皓教授，现任天津工业大学纺织科学与工程学院智能可穿戴电子纺织品研究所副所长，纺织材料测试中心主任，其负责的团队长期致力于柔性传感器、智能服装服饰、柔性发电和储能装置、柔性电子电路与元件等方向的研究，承担了科技部国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项“冬季运动与训练比赛高性能服装研发关键技术”中积极保暖服装的研发工作，同时也主持了国家自然科学基金面上项目、天津市自然科学基金面上项目等20余项纵向和横向项目，刘皓教授获得了2019年的纺织之光奖教金，第二届中国国际新纤维产业链博览会2021年度的十佳“新纤人”等荣誉。

相关工作以“Fructus Xanthii-Inspired Low Dynamic Noise Dry Bioelectrodes for Surface Monitoring of ECG”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.1c22303