离子导电水凝胶电极的制备方法及应用该电极的可穿戴心电传感器
阅读说明：本技术 离子导电水凝胶电极的制备方法及应用该电极的可穿戴心电传感器 (Preparation method of ion-conductive hydrogel electrode and wearable electrocardio sensor using same ) 是由 白亮亮 杨润怀 杨笛 李长旭 王沁仪 余婷 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及临床心电监测技术领域,具体是离子导电水凝胶电极的制备方法及应用该电极的可穿戴心电传感器,该制备方法具体步骤如下：S1；准备原料；S2；搅拌溶解；S3；混合搅拌；S4；充分反应；S5；震荡处理；S6；保存；S6；脱落；该可穿戴心电传感器包括两组离子导电水凝胶电极、与两组离子导电水凝胶电极电连接的差分放大电路、与差分放大电路配合的单片机。本发明通过水凝胶电极上的丙烯酸羧基基团与鞣酸羧基基团加铁离子与人体可以形成强力黏附从而实现长久佩戴；而需要剥离时利用405nm光源照射后会轻松撕掉,实现可控穿戴与脱离。(The invention relates to the technical field of clinical electrocardio monitoring, in particular to a preparation method of an ion-conductive hydrogel electrode and a wearable electrocardio sensor applying the electrode, wherein the preparation method comprises the following steps: s1; preparing raw materials; s2; stirring and dissolving; s3; mixing and stirring; s4; fully reacting; s5; carrying out oscillation treatment; s6; storing; s6; dropping off; the wearable electrocardio sensor comprises two groups of ion-conductive hydrogel electrodes, a differential amplification circuit electrically connected with the two groups of ion-conductive hydrogel electrodes, and a singlechip matched with the differential amplification circuit. According to the invention, acrylic acid carboxyl groups and tannic acid carboxyl groups on the hydrogel electrode are strongly adhered to a human body by adding iron ions, so that long-term wearing is realized; and when the adhesive tape needs to be peeled off, the adhesive tape can be easily torn off after being irradiated by a 405nm light source, and controllable wearing and separation are realized.)
技术领域
本发明涉及临床心电监测技术领域，具体是离子导电水凝胶电极的制备方法及应用该电极的可穿戴心电传感器。
背景技术
目前在医院的临床应用中，在检测人体的心电信号时，都大大限制了身体活动，不方便进行长期监测，电极都要与人体的皮肤紧贴在一起。目前可穿戴心电测量设备使用的金属电极类传感器存在接触阻抗较大，穿戴不舒适，容易受到皮肤状态干扰测量等问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出离子导电水凝胶电极的制备方法及应用该电极的可穿戴心电传感器。
离子导电水凝胶电极的制备方法，其具体步骤如下：
S1：准备原料：海藻酸钠、丙烯酸、助剂、氯化铁、丙烯酰胺、ZnSO4、6H2O、过硫酸铵(APS)；
S2：搅拌溶解：取1.5g丙烯酸、1.47g丙烯酰胺、和0.5g水加入4.5g海藻酸钠溶液中，在25摄氏度的条件下搅拌至完全溶解；
S3：混合搅拌：30min后，取0.3gZnSO4和4％过硫酸铵加入混合溶液并在1500转/分的搅拌下搅拌30min；
S4：充分反应：将步骤S3的溶液在55摄氏度的条件下反应12h，得到固化后的水凝胶预处理片；
S5：震荡处理：将水凝胶预处理片加入0.1-0.5g氯化铁，处理10秒后清洗，得到水凝胶电极电极；
S6：保存：水凝胶电极电极用真空袋包装，使用时打开真空袋，将水凝胶电极电极有黏附的一侧直接贴在所需位置即可；
S6：脱落：需要脱离时，利用405nm光源照射10-20秒后即可用手使其脱落。
作为本发明的进一步改进，所述助剂为鞣酸，所述步骤S5中，将水凝胶预处理片经过鞣酸处理震荡10秒后再加入0.1-0.5g氯化铁。
作为本发明的另一种改进，所述助剂为单宁酸，所述步骤S5中，将水凝胶预处理片经过0.5g单宁酸处理震荡10秒后再加入0.1-0.5g氯化铁。
作为本发明的进一步改进，所述的步骤S6的405nm光源采用405nm手电筒的强度。
利用离子导电水凝胶电极的可穿戴心电传感器，包括用于黏附在人体心脏位置体表表面的两组离子导电水凝胶电极、与两组离子导电水凝胶电极电连接的差分放大电路、与差分放大电路配合的单片机；两组离子导电水凝胶电极将心电信号引入到差分放大电路，通过单片机进行AD采样，并将AD采样后的数字信号进行运算滤波，经过运算滤波实现长时间测量心电的变化，在通讯、显示模块上显示，黏附在人体上的该两组离子导电水凝胶电极受光照后黏附能降低并脱落。
所述通讯、显示模块为与单片机通过蓝牙模块传递信号的手机端或上位机。
所述AD采样利用的是16位的模数转换器ADS1115采集已处理的心电信号。
所述单片机为MSP430F5529 LaunchPad实验板。
本发明的有益效果是：本发明利用柔性电路结合水凝胶将心电信号读取、传输、处理，通过水凝胶电极上的丙烯酸羧基基团与鞣酸羧基基团加铁离子与人体可以形成强力黏附从而实现长久佩戴；而需要剥离时利用405nm光源照射后会轻松撕掉，实现可控穿戴与脱离。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的电路结构示意图；
图3为本发明的穿戴结构示意图；
图4为本发明的整体工作结构示意图；
图5为本发明的粘附能测试柱状图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。
如图1至图5所示，离子导电水凝胶电极的制备方法，其具体步骤如下：
S1：准备原料：海藻酸钠SA、丙烯酸AA、助剂、氯化铁、丙烯酰胺AM、ZnSO4、6H2O、过硫酸铵APS；
S2：搅拌溶解：取1.5g丙烯酸AA、1.47g丙烯酰胺AM、和0.5g水加入4.5g海藻酸钠SA溶液中，在25摄氏度的条件下搅拌至完全溶解；
S3：混合搅拌：30min后，取0.3gZnSO4和4％过硫酸铵APS加入混合溶液并在1500转/分的搅拌下搅拌30min；
S4：充分反应：将步骤S3的溶液在55摄氏度的条件下反应12h，得到固化后的水凝胶预处理片；
S5：震荡处理：将水凝胶预处理片加入0.1-0.5g氯化铁，处理10秒后清洗，得到水凝胶电极电极；
S6：保存：水凝胶电极电极用真空袋包装，使用时打开真空袋，将水凝胶电极电极有黏附的一侧直接贴在所需位置即可；
S6：脱落：需要脱离时，利用405nm光源照射10-20秒后即可用手使其脱落。
所述助剂为鞣酸，所述步骤S5中，将水凝胶预处理片经过鞣酸处理震荡10秒后再加入0.1-0.5g氯化铁，本发明在原材料中加入鞣酸、氯化铁可提高水凝胶的黏附和导电性。
所述助剂为单宁酸，所述步骤S5中，将水凝胶预处理片经过0.5g单宁酸处理震荡10秒后再加入0.1-0.5g氯化铁。
所述的步骤S6的405nm光源采用405nm手电筒的强度。
利用柔性电路结合水凝胶将心电信号读取、传输、处理，通过水凝胶电极上的丙烯酸羧基基团与鞣酸羧基基团加铁离子与人体可以形成强力黏附从而实现长久佩戴；而需要剥离时利用405nm光源照射后会轻松撕掉，实现可控穿戴与脱离。
利用水凝胶中的离子，即锌离子、锂离子，范围0.1M/L–2M/L，可以对导电性能、保水性能进行调控；此外，利用水凝胶中的电荷官能团，如引入丙烯酸单体中带入羧基，可以进一步延长保水性能，同时带电荷官能团可以影响；水凝胶固化可以采用掩膜配合光引发自由基聚合，如采用光引发剂819、2959，也可以采用模具配合热反应自由基聚合，如过硫酸铵、过硫酸钾。
利用离子导电水凝胶电极的可穿戴心电传感器，包括用于黏附在人体心脏位置体表表面的两组离子导电水凝胶电极、与两组离子导电水凝胶电极电连接的差分放大电路、与差分放大电路配合的单片机；两组离子导电水凝胶电极将心电信号引入到差分放大电路，通过单片机进行AD采样，并将AD采样后的数字信号进行运算滤波，经过运算滤波实现长时间测量心电的变化，在通讯、显示模块上显示，黏附在人体上的该两组离子导电水凝胶电极受光照后黏附能降低并脱落。
所述通讯、显示模块为与单片机通过蓝牙模块传递信号的手机端或上位机。
如图1所示，附图标记1与附图标记2分别为两组离子导电水凝胶电极；附图标记3为柔性电路部分，利用使用16位的模数转换器ADS1115采集已处理的心电信号，选用MSP430F5529 LaunchPad实验板做控制器，将采集到的心电信号通过蓝牙发送至手机，手机端使用蓝牙做接收器，微信小程序作为信号接收平台，利用算法对信号进行处理优化，使得心电信号可以实时监测，实现监测功能。
如图3所示，利用水凝胶材料的柔软特性和表面粘附性，可以轻松黏附在人体心脏位置体表表面；通过水凝胶的离子导电特性，将心电信号引入到柔性电路板的差分放大电路，通过AD采样部分，再通过单片机和蓝牙模块将AD采样后的数字信号发送到手机端或上位机，实现长时间测量心电的变化，并在手机/电脑页面上显示的设备。
如图4所示，本发明实现I、II、III导联示意图，按照LA-RA虚线附近方向放置则记录为I导联；按LL-RA虚线附近方向放置则记录为II导联；按LL-LA虚线附近方向放置则记录为III导联。
如图5所示，准备四组样品，第一组是无铁离子鞣酸水凝胶，第二组是加入铁离子水凝胶，第三组是加入铁离子和鞣酸水凝胶，PH值为3，第四组是加入铁离子和鞣酸再被紫外线照射20秒后的水凝胶，其中柱状图端部上的T字型为误差棒，得到的实验结果如下：
1、普通水凝胶的黏附效果，容易脱落；
2、加入铁离子后黏附提升不明显；
3、加入铁离子和鞣酸后，羧基和铁离子共同作用下大大提升黏附性能，不容易脱落，此时为本发明记录心电工作状态；
4、在不需要使用本产品时，利用405nm手电筒照射，铁离子和羧基产生还原作用，黏附能大大降低，轻松脱落。
备注：如果需要多次使用，则在清洁后产品表面和皮肤表面轻涂食品级鞣酸和少量铁离子即可黏附。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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