CN101703399A - 刺绣电极 - Google Patents

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Abstract

一种刺绣电极(10)包括由缝制在衬底材料(11)上的电导线形成的刺绣元件(12，13，14)。在给定元件中，该缝合定向选择为平行于该元件延伸的方向。

Description

刺绣电极
本申请是申请日为2004年5月21日、申请号为200480014981.X、发明名称为“刺绣电极”的专利申请的分案申请。
本发明涉及织物电极，特别是刺绣构造的织物电极。
为了从身体上检测信号，例如在测量心电图过程中，或者为了施加电信号到身体，例如在肌肉，组织或者神经刺激期间，在身体上施加电极是公知的。对电极的两个要求是其功能适于在电极和身体之间传递电能，以及其佩戴要舒适。使电极触摸起来柔软和使其可弯曲能够增加舒适性。
在用于移动使用或者运动训练使用中舒适性尤其重要，因为通常希望佩戴者察觉不到电极的存在。对于移动使用的情况，可能会长时间佩戴该电极，而对于运动训练的情况，重要的是运动员不会因电极的存在而分心。
原则上如果选择合适材料和制造技术可弯曲的织物电极能够满足移动和运动训练应用(以及其它应用)对舒适性要求。另外，可以如WO-A-01/02052中描述的那样将织物电极合并到衣服中，该申请涉及一种适于像医用电极那样使用的衣服，该衣服包括至少两个不同的区域(zone)，其中至少一个区域是作为电极使用的导电区域，该导电的区域包括金属纤维；至少另一个所述区域是弹性区域，是电绝缘纱线纺织织物。该导电区域可以是针织的，并且详细描述了其构造。尽管给出的进一步信息很少，WO-A-01/02052还简要的提及了该衣服可以包括弹性区域，在该区域上使用导电纱线刺绣导电区域。
申请人在移动情况下用适于执行人体心电图(ECG)测量的针织织物电极做过实验。其证明通过使用可机械弯曲的电极，它们适合使用者以提供更多的舒适度并且更好的与皮肤接触。另外，如果这些电极与衣服合并，并可以和衣服相适应的弯曲，也可以为使用者提供舒适度。然而，实验的结果也显示在移动的或者运动训练的情况下，使用可机械弯曲的电极可能会带来麻烦(suffer)，因为在使用中弯曲和/或部分拉伸该电极在使用该电极获得的ECG检测结果中产生不希望的运动感生电噪声。尽管能对该检测信号进行处理以改进(improve)实际的ECG信号，在某些情况下该运动感生噪声能完全掩盖可从皮肤表面检测的小的电ECG信号。运动感生噪声的总体影响可以通过在电极-到-皮肤接触区域增加导电材料的含量(content)来减小，但是由于制造的限制或者对使用者舒适度的有害影响其不总是可行或者希望的。
本发明的一个目的是提供一种具有刺绣元件的改进的电极。
根据本发明的第一方面，提供一种电极，其包括刺绣元件，该元件包括刺绣在衬底(backing)上的电导线，其中该元件包括第一部分和第二部分，在所述第一部分中所述线以定向缝合从而使线的方向大体上平行于第一导电方向，在所述第二部分中所述线以定向缝合从而使线的方向大体上平行于第二导电方向，在所述第一部分和所述第二部分相交的位置，所述第一部分和所述第二部分彼此物理的并且电的接触。
有利地，当作为刺绣图案的一部分时，可以使用缝合定向的局部变化来控制(govern)该电元件的有效电阻。
任选地，缝合的定向选择为使线的方向基本平行于所需的导电方向.这可有利的致使该元件在导电方向上的电导率提高.
根据本发明的第二方面，提供一种刺绣电极，其包括缝合在衬底材料上以形成一个或者多个刺绣元件的电导线，其中所述电极包括基本(primary)刺绣元件和一个或多个从该基本元件的一部分上延伸的另外的刺绣元件。
任选地，该基本刺绣元件排列成自环回。
任选地，该至少一个另外的刺绣元件向着该基本元件的一部分延伸。
一个或者多个该刺绣元件的一部分可以由电导线制造，所述电导线以优化该电极特性而选择的定向缝合。优选的是该缝合的定向选择为使在该部分的局部(locality)中线的方向大体上平行于所需的导电方向。
在一种可能的排列中，该基本刺绣元件形成外围电极组件，并且至少一个该另外的刺绣元件在由该外围组件描绘的外围中从该基本元件的一部分向该基本元件的另一部分延伸。在这种情况下，至少一个该另外的刺绣元件可以与另一个该另外的刺绣元件相交并交叉。
该电导线可以是镀银聚酰胺(silverised polyamide).
根据本发明的第三方面，提供一种包括第一或者第二方面的刺绣电极的衣服或者附件。
根据本发明的第四方面，提供一种包括第一或者第二方面的刺绣电极的装置。
本发明的这些方面和其它方面现在将参照附图中的图形进行描述，其中：
图1示出本发明的刺绣电极的第一实施例的前视图；以及
图2a到2c示出本发明的刺绣电极另外实施方式的可选刺绣图案。
需要注意的是，这些附图是示意图并且不是根据比例绘出的。为了使附图清楚和方便，图形各部分的相对尺寸和比例在大小上有所夸大或者缩小的示出。相同的附图标记通常用于指示不同实施方式中相应或者相同的特征。
刺绣的电极10由刺绣工艺制造，其中通过将电导线缝合到图案(pattern)中而使该线缚在衬底材料11上。至少该线的外表面是导电的。该衬底材料是绝缘的毡片。对于刺绣电极10，该刺绣图案包括第一刺绣元件12，其基本上是椭圆形的并且是连续的以形成电极10的外围组件(component)。该刺绣图案还包括另外的刺绣元件，其形式为第一多个(first plurality)大体上为线状的元件13，这些元件彼此平行的布设并且彼此以间隔开以在该外周组件中从第一元件12的一部分延伸到它的另一部分。在示出的排列中，第一多个线状元件13中的每一个都从由第一元件12形成的外围组件的不同部分延伸并且延伸到由第一元件12形成的外围组件的不同部分。该刺绣图案还包括另外的刺绣元件，其形式为第二多个(second plurality)大体上为线状的元件14，这些元件彼此平行布设并且彼此间隔开以在该外围组件中从第一元件12的一部分延伸到它的另一部分。在示出的排列中，第二多个线状元件14中的每一个都从由第一元件12形成的外围组件的不同部分延伸并且延伸到由第一元件12形成的外周组件的不同部分。第一多个大体上为线状的元件13延伸的方向与第二多个大体上为线状的元件14延伸的方向大体上成90度角。当以由第一刺绣元件12描绘的椭圆的长轴是水平的并定义为在零度角方向上延伸的方式观察该电极的排列时，第一多个大体上为线状的元件13在与长轴成+45度角的方向上延伸，而第二多个大体上为线状的元件14在与长轴成+135度角的方向上延伸。
申请人认识到，刺绣工艺允许在缝合局部中任意选择缝合方向(定向)。因此与在纱线的纺织或者针织方向上设置限制的针织或者纺织工艺不同，刺绣工艺允许在刺绣图案特定局部选择的缝合方向与在刺绣图案任何其它局部选择的缝合方向无关。申请人还认识到，当通过缝合电导线来刺绣时，沿着该导线具有良好的电导率(electricalconductivity)，从而将在刺绣方向上获得刺绣图案特定局部中良好电导率。因此，对于给定的刺绣图案，可以使用在该图案不同局部仔细选择缝合方向的方式来控制该刺绣图案的电导率。对于由刺绣图案形成电极的情况，通常在该图案的不同局部中选择缝合方向，以优化整个图案的电导率。
申请人还认识到，当试图在与刺绣图案某部分的缝合方向平行(也就是，沿着)的方向上拉伸该部分时，与在不平行于该部分缝合方向的方向上拉伸该部分相比，其电导率变化微弱(low)。这被认为是由于沿缝合方向的电传导的主要机制是经由电导线，然而在沿与缝合方向垂直的方向上传导的主要机制是依靠线间的接触，这种接触的效用易受该刺绣部分拉伸或者弯曲影响，因为相邻导线之间的接触受到破坏。如果在拉伸或者弯曲时电导率的变化微弱，那么当使用具有电传导材料的刺绣图案的电极测量生物统计信号时观测的相关运动感生电噪声也有利地微弱。该刺绣电极通常因其是刺绣的本性而抗拉力，尽管在使用过程中也可能产生少量的拉力。
第一多个大体上为线状的元件13的缝合方向平行于这些线状元件13延伸的方向。因此，如果试图在与第一多个大体上为线状的元件13的方向平行的方向上拉伸该传感器，由线A-A表示，沿线状元件长度上的电阻变化将很小，典型的是在小于十分之一欧姆的量级上。第二多个大体上为线状的元件14的缝合方向平行于这些线状元件14延伸的方向。因此，如果试图在与第二多个大体上为线状的元件14的方向平行的方向上拉伸该传感器，由线B-B表示，沿线状元件长度的电阻变化将很小，典型的是在小于十分之一欧姆的量级上。
当在不同于A-A或B-B的方向上拉伸该电极，沿构成电极图案的传导缝制纱线仍将有适当的传导率，这有助于减小电特性的改变，从而限制电感生噪声。
任意地，可以在该刺绣图案上增加以与第一多个元件13和第二多个14元件不同的方向布设的另外的刺绣元件。
例如，参照图1，另外的多个元件可以布设在平行于由外围组件10描绘的椭圆的长轴方向上(由X表示)，和/或另外的多个元件可以布设在平行于由外围组件10描绘的短轴方向上(由Y表示)。
该刺绣工艺对于本领域普通技术人员来说是公知的，该方法包括将线缝合到衬底材料11上以建立刺绣图案。在缝合工艺中使用两根线-一根线主要处于刺绣的衬底材料的第一表面上，而另一个根线主要处于该衬底材料的第二(相对)表面上，一根线由于刺绣工艺与另一根线交互成环(interlooped)。对于第一实施方式电极10的情况，平面图图1所示的上表面是电极使用过程中对着皮肤佩戴的表面。因此该示出的图案是用导线在上表面形成的。任选地，缝合在另一表面(不能看到)上的该线可以是导电的或者绝缘的：使用导线可能会增加总的电导率，而使用绝缘线将有助于在必要的地方使该电极在背侧电绝缘。
对于第一实施方式的电极10的情况，该电导线是镀银聚酰胺，尽管如本领域普通技术人员很容易就能想到的那样，也可用其它合适的电导线代替或者增加，例如，聚酯线和不锈钢线.对线的选择起决定作用的因素包括线的电的和物理的特性，其由制造条件，在使用时成品电极的舒适度要求以及该电极是否能够洗涤决定.
在第一实施方式的包括刺绣镀银聚酰胺线的电极10上执行的直接(straightforward)DC电阻测量表示，从第一刺绣元件12的一端到另一端，也就是在椭圆的长轴方向上，使用图1中由‘C’和‘D’表示的测量点，测量的电阻是在一个欧姆左右，特别是0.7欧姆。拉伸或者以其它方式扭曲该电极在测量的电阻方面产生很小变化，并且在拉力下同样的测量给出的读数为0.6欧姆。
在第一多个大体上为线状的元件13与第二多个大体上为线状的元件相交并交叉的地方，它们通过刺绣的缝合工艺彼此物理的并由此电的接触。第一多个和第二多个大体上为线状的元件13，14中的每一个都与形成该电极外围的第一刺绣元件12相交：所有线状元件都通过缝合工艺与第一刺绣元件12物理的并由此电的接触。
电极10具有接触端头15，其也包括电导线，将该接触端头缝合以延伸到第一刺绣元件12并与其建立物理和电的接触。接触端头15用于将该电极与电的或者电子设备电连接。
制成第一刺绣元件12的缝合的缝合定向优选的是围绕基本上为椭圆的形状变化，从而在元件12的给定部分，该缝合总是和元件12采取(take)的路径一致。
在使用该电极检测信号的过程中，从人体皮肤检测的电信号由电极上信号的测量点通过电阻最低的路径通过刺绣图案到达电极接触端头15。该路径可能经由第一刺绣元件12和/或第一13和第二14多个导电元件。实际上，该信号可能成Z字型经由第一13和第二14导电元件的交叉点到达接触端头15。通过包括至少一个沿平行于由外围组件10描绘的椭圆的长轴方向(由X表示)布设的另外的元件，从图1中由C和D表示的点，电极向或者从身体传送电流的性能得以提高。
从刺绣图案任意点到端头15最小电阻的最短路径，通常是通过该图案的最短路径，尽管向已经解释的那样，根据电极的希望的应用，可以对刺绣图案任意局部中的刺绣缝合定向进行选择以控制从刺绣图案的一个部分到另一部分的最小电阻通路。实际上，可以使用该局部改变缝合定向的方法以获得好处，如果打算使用电极将电流传送到身体，该缝合定向选择为使该电极在其范围内能比其它情况更加平均地分配(distribute)从电极到身体电流，并防止所谓的“热点”。
尽管第一刺绣元件12表示成椭圆形，其也可以采取其它形状，例如圆形，方形，矩形或者一些其它形式的多边形。
在不背离本发明的情况下该电极可以有其它的实施方式，其选择在图2a到2c中示出。在所有情况下，至少一部分刺绣图案由缝合构成，也就是在与给定缝合的局部中由刺绣图案选取的通路大体上平行的方向上缝合，即成一直线。图2a，b，c中阴影或者阴影线的方向用于表示缝合方向。
通过阅读本发明的说明书，本领域普通技术人员将很容易想到其它修改。这种修改可以包括其它特征，这些特征在设计，制造和使用具有这种电极，纺织品和刺绣品的电极，衣服或者附件以及相关的制造和构造技术和其应用以及已经在这里描述的那些可以用于代替或增加的特征中公知。

Claims (4)

1.一种电极，包括刺绣元件，该刺绣元件包括刺绣到衬底上的电导线，其中该元件包括第一部分和第二部分，在所述第一部分中所述线以定向缝合从而使线的方向大体上平行于第一导电方向，在所述第二部分中所述线以定向缝合从而使线的方向大体上平行于第二导电方向，在所述第一部分和所述第二部分相交的位置，所述第一部分和所述第二部分彼此物理的并且电的接触。
2.根据权利要求1所述的刺绣电极，其中该电导线是镀银聚酰胺。
3.一种包括权利要求1或2的刺绣电极的衣服或者附件。
4.一种包括权利要求1或2的刺绣电极的装置。
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