干生物电化学特征基于皮肤电极接触压力可穿戴的心电图信号采集电极和应用程序

文摘

基于一个模拟皮肤电极电化学界面,一些电化学特征基于皮肤电极接触压力(SECP)干生物电极进行分析和应用研究。首先,14电化学特征包括2静态阻抗(SI)特点,11交流电阻抗(ACI)特点和极化电压(PV)和4 SECP特征提取在一个电化学评价平台,及其相关趋势统计分析。第二,干电极生物医学样品开发的公司和实验室,包括纺织电极,苹果看,AMAZFIT大米健康手镯1 s,和不锈钢电极,被放置在水平和垂直的“皮肤”表面电化学评价平台,极化电压的定量分析。第三,心电图(ECG)收集电路基于纺织电极的阻抗变换(IT)电路设计,和一个可穿戴的心电图采集设备设计,可以获得完整的心电信号。实验结果显示SECP特性与静态阻抗和干电极有很好的相关性ACI特点和更好的相关性值在2 - 10赫兹。此外,在垂直极化电压较小在水平状态干生物电极,和极化电压的电极对苹果看底(PVEP)值总是小于的苹果看皇冠和LMF-2纺织电极。纺织电极和皮肤电极接触阻抗小于传统的纺织电极。

1。介绍

随着生物医学工程技术的发展,对低负荷的需要,非侵入性医疗监督变得越来越突出。可以获得人们的健康数据不仅在医院还在家里通过健康监测设备,他自己的身体状况可以方便。

生物医学信号(如心电图、肌电图、脑电图和小城镇)通常被用来评估心血管和其他功能的人体,由传统湿膏通常提取电极(Ag) / AgCl)。虽然它带来了许多问题1,2),例如,它需要坚持皮肤,很容易造成过敏反应。最近,干生物电极,作为一个新的生物传感器,吸引了研究人员的注意,因为他们可以从人体获得生物医学信号等一些优势没有胶水,重用,方便找到位置,和非常有用的可穿戴的健康监测。

近年来,许多种类的干电极生物医学已经产生,如不锈钢干电极、非接触电极,纺织电极,微针电极,电极和智能手镯(2- - - - - -4]。不锈钢干电极主要由不锈钢板上镀Ag / AgCl,用于提取心电信号从人体表面根据不导电胶直接接触皮肤。

一种纺织电极是由歌等人使用提花设计(3镀,Ag)是在纤维纬方向;发现这种方法比编织结构更稳定,更低的放松效果。普拉和Vanhala刺绣用于纺织电极,这增加了皮肤电极接触面积(5),和其他种类的纺织品电极被用来提取心电信号(6,7]。导电织物的各种丝纤维,在传播生物电子信号的主要金属元素Ag, AgCl, AgNy, AgCu、铜、镍等。一些纺织电极是由道小明教授的研究团队在香港理工大学(8]。

Microneedle-shaped干电极有多种制备方法:硅作为电极材料(9),多层碳纳米管(MWCNT) [10),聚合物模具(11]。为了确保电极导电性和生物兼容性考虑,一些金属材料沉积在电极表面,主要是盟,Ag)和Pt,——(12]。

然而,干生物电极很容易形成一个大的接触阻抗和极化电压在皮肤电极界面时附加到人类皮肤表面的生物医学信号采集时,他们经常遇到的噪声干扰(13,14]。和一个完整的生物医学信号采集需要一个良好的接触阻抗(需要一个好的电极与皮肤接触),虽然它常常引起人们的不适(14,15]。

近年来,一些干电极用于收集心电图信号,使用干电极技术和大量的产品也被开发出来。苹果看系列4在2018.09,市场上的重要特征是心电图检测函数的加法。和心电图信号检测的人的手指和手臂有两个干电极。AMAZFIT大米健康手镯1 s也在市场上,与心电图信号可能可以用干电极记录24小时。

许多电化学特性基于皮肤电极接触压力(SECP)干生物电极进行分析和应用研究。首先,一些干电极电化学和皮肤电极接触压力特征定量提取,以及电化学特征之间的相关趋势和SECP特征进行统计分析。第二,市场上干电极生物医学样品开发的公司和实验室,包括纺织电极,苹果看,AMAZFIT大米健康手镯1 s,和不锈钢电极,被放置在皮肤表面,水平和垂直方向的极化电压是定量分析。第三,可穿戴心电图采集设备研制了基于纺织电极:一种纺织电极的阻抗变换电路的设计,其electrode-skin接触阻抗进行了分析与传统的纺织电极相比,和一个可穿戴的ECG信号设计收集装置,可以获得完整的心电信号。

2。材料和方法

2.1。评价平台

在这项研究中,一个电化学评价平台建立了定量评价干生物电极(16),模拟之间的电化学界面生物电极和皮肤表面干燥。

2.2。干电极的特性设置

基于被动电化学评价平台(偷看)评价平台(16),静态阻抗电极电极1和2之间(SI)是衡量CHI660电化学工作站,和impedance-time SI值测定的方法。在这个测试平台的参数设置如下:最初的潜在0 V,潜在幅度0.01 V,时间60年代,频率1000赫兹。干电极在本研究被用于提取生物医学信号的振幅范围约为0 ~ 10 mV,所以潜在的振幅将mV水平。

交流阻抗(ACI)值是衡量CHI660电化学工作站。在这个测试平台的参数设置如下:最初的潜在0.1 V,高频率100赫兹,低频率0.1赫兹,和潜在的振幅为0.1。

极化电压电极电极1和2之间(PV)是衡量数字mustimeter(安捷伦科技U3402A)。

皮肤电极接触压力(SECP)是衡量一个压力设备,和压力范围设置为0 ~ 3 N。

2.3。电化学特性和皮肤电极接触压力

2.3.1。电化学特征提取

14电化学特征提取在评价平台16),2静态阻抗特征,用和 ,11交流电阻抗特性,用 ,和一个极化电压用 。

2.3.2。皮肤电极接触压力(SECP)特征提取

皮肤电极接触压力特征、4特征提取(16),包括上层皮肤电极接触压力(USECP,用 ),降低皮肤电极接触压力(LSECP用 ),USECP之间的区别和LSECP (SECP_D,用 ),和笔USECP LSECP (SECP_S用 )。

3所示。结果与讨论

3.1。干电极生物医学样品

越来越多的可穿戴干生物电极被用来获得生物医学信号(如心电图,脑电图,小城镇)从人体皮肤预处理和导电胶。几种类型的干电极生物医学已经产生,如纺织电极、不锈钢电极,电极和智能手镯。

3.1.1。纺织电极样品

纺织电极作为一种干电极生物医学研究在这个研究中,9种导电纺织品样品用不同的电镀过程和不同的纺织过程,介绍了其定义在文献[16),如图1。

3.1.2。在市场上干电极生物医学样品

苹果看系列4在2018.09,市场上的重要特征是心电图检测函数的加法。和心电图信号检测的人的手指和手臂有两个干电极,是手表底部看皇冠为苹果手表系列4,如图2。

另一方面,AMAZFIT大米健康手镯1 s是在2018.09,在市场上与心电图信号可以用干电极记录24小时。和他们的干电极表按钮,看下如图3。

评估不同的干电极生物医学,一些常见的心电图电极市场进行分析,其中包括3 m心电图电极,3 m圆心电图电极直径2厘米,和不锈钢电极,如图4。

3.2。相关分析

基于9纺织电极部分3.1.1趋势的电化学特性和SECP特征之间的相关系数与4、皮肤电极接触压力(SECP)特征如图5。

可以看到从图54 SECP特征(用 , , ,和 ),特别是 ,有很好的相关性和交流阻抗特性和更好的相关性值发生在2 - 10赫兹( );因此,接触压力对信号质量的影响时,应该考虑信号在2 - 10 Hz被纺织电极收集。

如图所示6交流阻抗特性,每个相关系数曲线在图5分别展示了。为了更好地描述相关系数的变化趋势,相关系数 , , ,和策划是通过添加0,1、2、3,分别如图6。

随着频率的增加,ACI和SECP特征之间的相关系数下降(尤其是10 Hz以上),这表明,低频的信号质量可以提高了接触压力。

基于多种生物电极由公司和实验室,包括3 m心电图电极(如图4(如图),纺织电极1看(如图),苹果2),AMAZFIT大米健康手镯1 s(如图3(如图),不锈钢电极4),这些电极放置在皮肤表面,水平和垂直方向的极化电压如图进行定量分析7。水平模型如图7(一)水平,电极放置在皮肤表面,而垂直模型如图7 (b),电极垂直放置。

基于以上9种生物电极,皮肤电极在水平和垂直极化电压测量站,如图7,在图上表面的接触压力7(一),在图左边的表面接触压力7 (b)cN设置为40.12,较低的表面接触压力在图7(一)和正确的表面接触压力图7 (b)被设置为5.11 cN。

极化电压的均值和方差在水平和垂直状态图所示8。

如图8在垂直状态,极化电压较小的水平状态,这表明有显著差异之间的极化电压电极表面的皮肤在水平和垂直方向。

电极的极化电压双(PVEP),定义为皮肤电极极化电压的总和的电极1和电极2上下微孔膜基于被动电化学评价平台(偷看)[16),评估了苹果手表的看下,看皇冠系列4和一种导电纺织品样本(LMF-2)从青岛Tianyin纺织有限公司有限公司

基于窥视(16),电极1干电极样本,电极和电极2是3 m(型号:2560)。和cN设置为40.12和5.11分别cN。PVEP值三种干电极(包括苹果看底,苹果看皇冠,LMF-2纺织电极),如图9。

如图9PVEP值显示一致的变化趋势与时间干电极的三种样品,和苹果看底PVEP值总是小于的苹果看皇冠和LMF-2纺织电极。

3.3。心电图收集的可穿戴设备

3.3.1。设计的阻抗变换(IT)纺织电极

纺织电极样品如图1被集成到阻抗变换电路,减少皮肤和电极之间的接触电阻。在图所示的电路10。改变电压从200 k到100年,近20000多个。结果,一个阻抗转换纺织电极电极(纺织)(图生产11)。

此外,皮肤电极接触电极阻抗的纺织和传统纺织电极定量比较和分析了基于电化学评价平台(16]。实验结果表明,electrode-skin接触阻抗的纺织小于传统纺织电极,电极,如图12。

3.3.2。中国航空航天心电图引导系统

两家牵头ECG信号收集使用中国航空心电图铅系统包括胸部剑(CW)和胸部腋窝(CA),如图13。

3.3.3。心电图调节电路

AD8221被选为乐器放大器,高共模抑制比(CMRR。AD8221增益(用 )程序通过电阻吗 ,这可能是由以下公式计算:

在这个研究中,值(乐器放大器的增益)被设计为200年价值在248年被选中Ω。

3.3.4。右腿驱动电路

介绍了右腿驱动电路抑制共模干扰的影响。一个电压跟随器被用来分离从主电路、驱动电路和常见的信号放大和反馈对人体的20倍。

3.3.5。功率转换电路

心电放大器电路是由±5 V,和一个电源使用。3.3 V为广告提供了参考电平收购芯片,需要高精度、低噪音。3.3 V参考电平转换电路,5 V, 5 V分别在图所示14- - - - - -16。

3.3.6。广告采集和无线通信

心电图基线水平没有提高了电路设计的研究小型化电路设计。相反,AD7606(积极的和消极的广告采集芯片),采用无线个域网的通信协议是用于无线传输。

3.3.7。结果可穿戴心电图采集设备

可穿戴心电图采集设备开发基于服装整合的纺织品电极,铅线、心电采集电路,可以提取两个铅ECG信号在低负荷和无约束的方式。

可穿戴的服装前心电图信号采集显示在图(17日),可穿戴的反向心电图信号采集服装是显示在图17 (b),结合电极,心电图铅线,和心电图采集设备。在使用一些科目,如果衣服穿上,心电图采集装置,收集ECG信号可以看到显示终端。服装上的心电图采集设备显示在图17 (c)。

基于上述心电图采集原则,这是由人类的实验证明了本文中所开发的可穿戴心电图采集设备可以收集完成心电图波形。实验结果如图所示18。

4所示。结论

基于多种生物电极由公司和实验室,包括3 m心电图电极,纺织电极,苹果看,AMAZFIT大米健康手镯1 s,不锈钢电极、电化学特性之间的相关性、皮肤电极接触压力进行了分析。实验结果表明,SECP特性与静态阻抗和干电极有很好的相关性ACI特点和更好的相关性值在2 - 10赫兹。中水平和垂直极化电压状态小于国家干生物电极。

此外,一种纺织电极被纺织电极设计,其electrode-skin接触阻抗进行了分析与传统纺织电极相比基于电化学评估平台(16),electrode-skin接触阻抗的纺织电极低于传统纺织电极。然后,心电图采集设计可穿戴设备,可以获得完整的心电波形。实验结果表明,基于它纺织的心电图信号采集电极是可行的,为生产提供了基础,评估和干电极生物医学的应用。问题,如成本、可用性和大流行性流感应该考虑在选择设备和电极的实际健康监测,实验中,遥感在日常活动和健康管理。

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

晋中的歌声,Tianshu周贡献同样这项工作。

确认

这项工作得到了中国国家重点研发项目(2018号yfc0116901),中国国家自然科学基金(81771936,81801796),中央大学的基础研究基金(2021号fzzx002-18),浙江的重大科学工程实验室(2020号nd8ad01)、中国航天医学工程的研究基金(2021 sy54b0709 SMFA20C02),和“范田”基金会中国航天员中心(2021 sy54b0704)。

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