可穿戴柔性电极：从制备到电生理评估

可穿戴电子设备是当今人体信号监测的关键工具。为了实现皮肤传感器的高分辨率信号采集和长期稳定运行，需要开发可贴合皮肤的界面。本文将介绍如何简便地制备、表征并使用触觉式柔软织物电极作为可穿戴有机电子传感器。

为了验证所制备传感器的性能，我们采用便携式电子系统记录来自人体的各种电生理信号。我们提出了多种配置方案，以便在实验室中简便地记录多种生理信号。以下方案已被用于在商用柔性基底（如纹身纸和织物）上制备电极。

商用纹身纸试剂盒还附带胶膜片。纹身纸具有多层结构，包括支撑纸层、水溶性聚乙烯醇层、可剥离的聚氨酯薄膜以及最上层的PVA层。制备可穿戴传感器时，首先裁剪出所需的部分。

将子集放置在打印机载物板上，用胶带固定其边缘以保持平整。然后，在过滤后将PWSs商用墨水注入打印机墨盒。这是一种导电聚合物的精确分散液。

然后将设计打印到基底上。对于纹身纸和纺织品等具有较高表面能的材料，在打印参数中设置间距约为15或20微米。随后，将电极置于110摄氏度的烘箱中干燥15分钟，以完成溶剂的蒸发。

最终打印的传感器在纹身纸、织物、PET 和可拉伸织物上应呈现如此外观。为制作与定位系统连接的外部连接器，需裁剪一块矩形的超薄基底材料（如 PEN），并在其上打印包含三层 PWS 的矩形图案。

将超薄互连层压到两个电极上。在纹身纸胶层上切一个孔。将此结构与纹身式PWS电极的信号传感部分对齐。

将一片聚合物胶带粘贴到 PEN 互连层的自由端。为了转移纹身电极，需移除胶粘衬垫。将纹身电极贴附于皮肤所需部位。

将背部支撑纸略微润湿，保持纹身位置不动。待背部支撑纸浸透后，轻轻滑动将其移除，仅留下可转移超薄膜的电极端贴附在皮肤上。然后，将平面PEN接触端连接至外部采集单元。

为利用电化学阻抗谱表征所制备的电极，需进行体上测量。首先，确保受试者舒适地坐着，手臂静置于桌面上。然后将一个电极放置在皮肤上，并将其连接至电位计的工 作传感电极对。

然后将另一个电极放置在距离第一个电极三厘米的位置，并将其连接到对电极。最后，将第三个电极放置在肘部，并将其连接到参比电极线。接着以起始电位开始测量。

在对电极和工作电极之间施加电流，并测量参考电极与传感电极对之间的电位变化。注意，每个频率下计算得到的输出阻抗包含两个部分：皮肤阻抗和皮肤-电极接触阻抗。

以下部分描述了每种目标生物信号的梯形放置方法。示例为使用市售的C-left和C-right电极进行的电生理视觉文章监测。对于心电图（ECG），采用三电极配置，其中一个电极作为接地电极。

对于脑电活动（EEG），将电极放置在前额及外耳周围。对于皮肤电活动（EDA）测量，将两个电极放置在左手手背。然后在受试者处于静息状态或进行体力活动时进行记录。

为了表征电极的性能，我们报告了织物电极的代表性阻抗。织物电极的阻抗略高于CI烧结的标准电极，但处于相当水平。阻抗模型的形状表明，织物电极表现出略微更高的电阻特性。

而标准的CI烧结右侧则表现出典型的电阻容量行为。通过将电极放置在身体不同部位的皮肤上，我们可以获取多种生物信号。脑电图（EEG）描记反映了大量活跃神经元群体的电活动记录。

脑电波的基本类型之一是频率在8到13赫兹之间的α波。α波反映了大脑在放松状态下的活动，可通过要求受试者闭上眼睛来诱发。灰色的垂直虚线标记了记录过程中志愿者被要求睁开眼睛的时刻。

心电图描记显示了心脏心房和心室的去极化与复极化过程，表现为由P波、QRS波群和T波组成的特征性图形。R波峰值幅度最高，可用于计算心率，方法是测量两个连续R波峰值之间的时间间隔。我们在志愿者逐步增加右侧肌肉收缩力的同时记录了肌电图描记。

增强的肌肉活动通过电压峰值振幅的增加来量化。在肌电图记录中，振幅从几微伏到几毫伏、频率范围为10至数千赫兹的尖峰反映了由运动单位动作电位驱动的肌肉过度活动状态。皮肤电活动（EDA）记录通常由一个 tonic 成分和一个模糊成分组成。

张力成分反映了皮肤电导水平，对应于背景信号。模糊成分反映了受试者对特定刺激的反应，可通过皮肤电导值的变化进行检测。该记录用于评估人体应激水平和身体水合状态。

通过本方案，我们通过在通常较柔软的细胞基底上图案化导电油墨，获得柔软且佩戴舒适的皮肤传感器。该印刷技术具有局部性和可扩展性，显著区别于传统的微电子制造工艺。本方法旨在获取从微弱的神经活动到高强度肌肉收缩的各种电信号。

该信号可用于获取用户身体的生理状态信息。本文介绍了无缝语音设备在多种医疗应用中可行性的初步探索，其应用范围已从健康 fitness 拓展至医疗健康监测领域。