作為一種無創(chuàng)且易于使用的技術(shù)，表面肌電圖（sEMG）經(jīng)常用于監(jiān)測(cè)健康和治療疾病。肌電信號(hào)的測(cè)量主要依賴于皮膚與電子采集電路之間的界面。然而，現(xiàn)有表面肌電信號(hào)采集器件中使用的商用銀（Ag）/氯化銀（AgCl）電極無法建立一個(gè)魯棒性高且可以對(duì)表面肌電信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)期、高保真采集的皮膚適形界面。值得慶幸的是，基于柔性材料和結(jié)構(gòu)的電子技術(shù)的快速發(fā)展為高保真地記錄生物電信號(hào)提供了新的選擇。柔性電子肌電電極具有良好的皮膚貼合性和生物相容性，可以構(gòu)建無縫、高度適形的皮膚電極界面，部分電極還可以進(jìn)行一定程度的拉伸。

一般來說，有兩種主要的可拉伸電極設(shè)計(jì)策略。一種是基于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如蛇形，其中不可拉伸導(dǎo)體在空間上具有可變形性。另一類是使用導(dǎo)電填料填充本質(zhì)上可拉伸的復(fù)合材料，如水凝膠或填充銀納米片的聚二甲基硅氧烷（PDMS）。這些方法旨在改善柔性電極與具有大曲率和復(fù)雜紋理的皮膚的適形接觸。彎曲的皮膚界面下通常有復(fù)雜的肌肉分布。例如喉部和臉部，那里有比手臂更多的小肌肉。傳統(tǒng)的雙極盤表面肌電信號(hào)采集方式只能從單個(gè)被測(cè)區(qū)域獲取表面肌電信號(hào)，該區(qū)域可能有多個(gè)肌肉或肌群疊加，因此不能準(zhǔn)確反映待分析的特定肌肉。高密度表面肌電圖（HD-sEMG）彌補(bǔ)了傳統(tǒng)差分電極的不足，它可以定量分析空間中不同肌肉的強(qiáng)度和時(shí)間序列信息。此外，它還可以準(zhǔn)確、全面、客觀地評(píng)價(jià)肌肉活動(dòng)過程中不同肌肉的協(xié)同作用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來自華南理工大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種可拉伸、耐用型、高密度表面肌電圖電極（HD-sEMG）貼片，用于對(duì)復(fù)雜表皮表面的吞咽活動(dòng)進(jìn)行分類。該電極貼片可以長(zhǎng)期、穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)表面肌電信號(hào)，而不會(huì)受到運(yùn)動(dòng)的干擾，即使在皮膚出現(xiàn)嚴(yán)重形變的情況下依然如此。相關(guān)研究成果以“Stretchable and durable HD-sEMG electrodes for accurate recognition of swallowing activities on complex epidermal surfaces”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

圖1 高密度表面肌電圖電極（HD-sEMG）貼片示意圖

該貼片的電極陣列采用可拉伸的銀電極作為信號(hào)傳輸通道。為了制備該貼片，研究人員首先將電極陣列絲網(wǎng)印刷在一層薄薄的市售聚氨酯（PU）基底上，然后用第二層薄薄的雙膠粘傷口敷料膜進(jìn)行絕緣。這種三明治結(jié)構(gòu)確保了整個(gè)貼片的可拉伸性和適形性。為了改善離子到電子的轉(zhuǎn)導(dǎo)，研究人員在電極與皮膚界面處使用了導(dǎo)電甘油-水聚兩性聚合物水凝膠（GW-PA凝膠）。隨后，研究人員將GW-PA凝膠原位沉積并聚合在銀電極上，以此形成能夠在貼片和皮膚之間直接導(dǎo)電接觸的GW-PA凝膠基銀（GW-PA-Ag）電極。此外，由于GW-PA凝膠與生物軟組織形成了許多靜電相互作用和氫鍵，因此該貼片對(duì)皮膚的粘附性顯著提高。總之，這些特點(diǎn)使得該高密度表面肌電圖電極貼片可以高保真地記錄下頜肌電信號(hào)。

圖2 甘油-水聚兩性聚合物水凝膠（GW-PA凝膠）的力學(xué)性能

圖3 甘油-水聚兩性聚合物水凝膠基銀（GW-PA-Ag）電極的電學(xué)特性

利用以上方法制備的電極具有良好的電生理界面，其粘附強(qiáng)度為22.8 N/m，超伸縮率為1000%，皮膚匹配模量約為10 kPa。更重要的是，在一周的肌電監(jiān)測(cè)中，這種貼片可以承受高達(dá)80%的應(yīng)變，而不會(huì)造成任何機(jī)械分層或水分流失，從而可以避免信號(hào)質(zhì)量的惡化（由于在凝膠網(wǎng)絡(luò)中引入了甘油）。

圖4 甘油-水聚兩性聚合物水凝膠基銀（GW-PA-Ag）電極的長(zhǎng)期穩(wěn)定性

最后，為了證明其在檢測(cè)頦尾骨下肌群和聲門下肌群肌電信號(hào)監(jiān)測(cè)方面的實(shí)用性，研究人員將該貼片與16個(gè)模擬通道讀出電路和WiFi模塊集成在耳戴式可穿戴設(shè)備中，用于吞咽活動(dòng)的分類。通過結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，該貼片實(shí)現(xiàn)了對(duì)11種不同吞咽活動(dòng)的識(shí)別和分類，其準(zhǔn)確率達(dá)到80%。

圖5 利用高密度表面肌電圖（HD-sEMG）電極貼片進(jìn)行吞咽活動(dòng)的分類

綜上所述，該研究通過逐層印刷和層壓法開發(fā)了一種可拉伸的高密度表面肌電信號(hào)電極陣列。該電極陣列具有一系列優(yōu)異的人機(jī)界面特性，包括與皮膚的適形粘附、高電子-離子電導(dǎo)率（從而降低接觸阻抗）、抗水分蒸發(fā)的長(zhǎng)期環(huán)境適應(yīng)性，以及表皮生物相容性。這些特性使得該電極比目前已經(jīng)商用的電極更適合用于復(fù)雜皮膚界面上的長(zhǎng)期可穿戴、高保真的表面肌電信號(hào)記錄裝置。此外，在系統(tǒng)性的人體實(shí)驗(yàn)中，研究人員研究了該電極對(duì)人體吞咽活動(dòng)進(jìn)行分類的能力。通過將其集成到耳戴式可穿戴系統(tǒng)中，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，該貼片成功解碼了來自下巴的表面肌電信號(hào)，從而高精度地完成了吞咽活動(dòng)的分類。總而言之，這項(xiàng)工作為吞咽困難的篩查和治療提供了希望，并為遠(yuǎn)程康復(fù)提供了一種可行且經(jīng)濟(jì)的方法。

審核編輯：劉清