织物干电极的电化学模型及性能评价研究

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人体生物电信号(心电、脑电、眼电等)的采集广泛应用于医院监测、家庭监护等过程中,为评价心脏、脑、睡眠等功能提供重要依据。生物电信号通常采用一次性湿电极采集,然而一次性湿电极存在皮肤过敏、粘贴不方便、不可重复使用、耗材消耗量大、连续使用时间有限等缺点,航天等特因环境下需要重复使用、低侵扰的电极。近年来,各种织物干电极被用来实现穿戴式心电检测,使用该类电极时不需要涂抹导电膏,体验舒适、可穿戴,可洗、可复用,然而也还存在一些问题:1)在采集人体心电信号时由于接触不良或相对移动导致信号质量较差;2)基于织物干电极大的极化电压和输入阻抗,传统采集电路往往出现输入饱和、局部信息丢失现象;3)针对不同种类的织物干电极,没有通用、定量、有效的测试方法与评价平台;4)现有电化学性能测试方法不够准确;5)提高电极佩戴的舒适性与增加电极-皮肤接触压力常常矛盾。针对以上问题,本文围绕织物干电极的电化学模型、皮肤-电极性能指标体系和评价方法、性能评价平台建立、织物干电极的应用等方面开展研究。主要研究工作和创新点包括:1)针对干/湿生物电极,建立了皮肤-电极电化学模型,提出了织物干电极皮肤-电极界面指标体系和评价方法,建立了无源/有源两种模拟皮肤模型,搭建了无源/有源电化学评价平台,并提取了无源特征和有源特征。2)针对不同电镀纺织工艺的织物干电极,提出了电化学特征和皮肤-电极接触压力特征,分析了皮肤-电极静态阻抗、交流阻抗、极化电压与皮肤-电极接触压力的相关性,并对干/湿电极开展性能测试比对,包括Apple手表、米动健康手环、不锈钢电极、3M电极等,给出初步评价结果和应用建议。3)将阻抗变换电路集成于织物干电极端,减小信号传导损失,研制了一套穿戴式心电信号采集设备,初步验证了采用织物干电极提取心电信号的可行性。关于皮肤-电极电化学模型和性能评价研究,为生物电极的性能测试与评价提供了方法和平台支持。实验结果表明织物干电极的阻抗特征与接触压力有较好的相关性,为电极的选型、研制与应用提供了技术支撑。基于航天导联研制了一套2导心电信号检测设备,心电图P波、QRS波、T波波形完整,为特因环境下穿戴式健康监测的信号采集提供了一种方法。
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