用于表面肌電圖采集的柔性無創(chuàng)電極的最新研究進展

近些年，可穿戴器件、表皮電子器件和可植入式電子器件等柔性電子產(chǎn)品在人體健康監(jiān)測、刺激系統(tǒng)和人機界面等領(lǐng)域備受矚目。而柔性電極是柔性電子產(chǎn)品的基本組件，可用于人體腦電圖（EEG）、肌電圖（EMG）和心電圖（ECG）的監(jiān)測。

肌電圖被廣泛采用，以獲取人體肌肉臨床狀態(tài)信息，同時也是假肢控制的信息來源。用于肌電圖測量的柔性電極可分為兩類：（1）在體內(nèi)工作的柔性電極（如iEMG）；（2）用于體外測量的柔性電極（如sEMG）。體內(nèi)肌電圖（iEMG）測量需要在人體肌肉內(nèi)植入針電極，相反，表面肌電圖（sEMG）測量只需要使電極接觸被測量的肌肉上的皮膚即可。通過體內(nèi)肌電圖電極可以獲得關(guān)于肌肉纖維局部行為的清晰信息。而表面肌電圖電極可以更廣泛地監(jiān)測肌肉的瞬態(tài)信息。

圖1 柔性無創(chuàng)電極的發(fā)展時間表

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，上海大學(xué)微電子學(xué)院和上海大學(xué)新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點實驗室的研究人員在npj Flexible Electronics期刊上發(fā)表了一篇題為“Recent advances in flexible noninvasive electrodes for surface electromyography acquisition”的綜述論文，該文章著眼于新興的用于表面肌電圖采集的柔性無創(chuàng)電極（FNEs）的發(fā)展（圖2）。首先介紹了柔性無創(chuàng)電極的最新研究進展，然后詳細討論了電極的不同材料、結(jié)構(gòu)和性能，包括粘附性、透氣性、柔韌性、長期耐久性、生物相容性、生物降解性以及高信噪比（SNR）。同時對無源和有源柔性無創(chuàng)電極之間的差異進行了深入分析。討論了有源柔性無創(chuàng)電極中使用的各種薄膜晶體管（TFT）材料和放大器，并提供了詳細的分類和分析。最后，介紹了可穿戴傳感器在醫(yī)療保健和人機界面（HMI）中的應(yīng)用，概述了柔性無創(chuàng)電極在表面肌電圖信號采集中的挑戰(zhàn)和前景。

圖2 用于表面肌電圖采集的柔性無創(chuàng)電極的最新研究進展

表面肌電圖電極的特性

值得注意的是，人體皮膚的持久穩(wěn)定性對于持續(xù)監(jiān)測生命體征信號至關(guān)重要。用于下一代電子產(chǎn)品的皮膚生物電子器件需要具備卓越的粘附性、透氣性和柔韌性等重要特征，以通過長久健康監(jiān)測確保穩(wěn)定的性能。因此，穩(wěn)定的材料被認為是監(jiān)測人體健康的關(guān)鍵平臺。

為了實現(xiàn)人體皮膚和柔性無創(chuàng)電極之間的良好粘附，可制備生物相容性粘合劑，并將其放置在人體表皮上。常用的粘合劑有水溶性膠帶、繃帶粘合劑、硅膠粘合劑和實驗室開發(fā)的粘合劑等幾種類型。噴涂繃帶的粘附力為0.98?±?0.03?N，接近于傳統(tǒng)醫(yī)用敷料的粘附力。因此，生物相容性和粘性表皮電子系統(tǒng)（EES）非常適合用于生理監(jiān)測。

圖3 具有粘附性的電極

就透氣性而言，汗液的積聚會增加運動偽影和接觸阻抗，并刺激皮膚，從而導(dǎo)致器件發(fā)生故障。類似的，由于水汽和汗液的積聚，長期監(jiān)測可能刺激皮膚導(dǎo)致過敏。因此，具有透氣性的柔性無創(chuàng)電極是首選，可增強器件的生物相容性，并防止汗水對收集到的表面肌電圖信號質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。因此，透氣性是監(jiān)測表面肌電圖信號時應(yīng)考慮的一個重要因素。

圖4 具有透氣性的電極

圖5 柔性電極

材料電極和結(jié)構(gòu)設(shè)計

材料是電極的基礎(chǔ)，對電極的性能起著重要作用。電極材料主要分為金屬基電極材料、碳基電極材料和導(dǎo)電聚合物。相應(yīng)的，電極結(jié)構(gòu)多種多樣，如蛇形、分形幾何設(shè)計和三維結(jié)構(gòu)等。研究人員分別描述了使用由上述三種材料制成的柔性電極獲取表面肌電圖信號的詳細情況。

圖6 金屬基電極

圖7 碳基電極

圖8 導(dǎo)電聚合物電極

圖9 不同結(jié)構(gòu)的柔性無創(chuàng)電極

無源電極陣列

表面肌電圖信號采集的主要干擾源是運動偽影和工頻干擾。運動偽影主要是由皮膚表面和電極之間的相對運動引起的，而工頻干擾是由電極的高皮膚接觸阻抗以及放大器的高輸入阻抗和電極與皮膚之間的不良接觸引起的。傳統(tǒng)的無源表面肌電圖電極雖然可以實現(xiàn)肌電圖信號的無痛測量，但存在表面肌電圖信號傳輸可靠性差、時空分辨率低等技術(shù)缺陷。隨著面向陣列設(shè)計的無源柔性無創(chuàng)電極的發(fā)展，柔性無創(chuàng)電極實現(xiàn)了高時空分辨率。然而，無源柔性無創(chuàng)電極陣列導(dǎo)線數(shù)量的增加不僅導(dǎo)致信號串?dāng)_，而且顯著降低了信噪比。

圖10 用于記錄表面肌電圖信號的無源電極陣列

有源電極陣列

為了擴大表面肌電圖信號的測試區(qū)域，研究人員增加了表面肌電圖信號密度。然而，隨著無源陣列電極密度的增加，電源線的串?dāng)_變得越來越嚴(yán)重。同時，由于表面肌電圖信號較弱，電磁波易受空間的影響，信噪比顯著下降了。此外，人體內(nèi)電生理信號的電壓幅度極為微弱。因此，在無源電極陣列中添加有源器件是必不可少的。

有源電極陣列采用更復(fù)雜的設(shè)計和電路結(jié)構(gòu)。通過在電極附近結(jié)合放大器、濾波器和其它電路，有源電極陣列能放大和處理生物電信號。這種設(shè)計減少了外部噪聲對信號的影響，提高了信噪比。因此，在生物電信號的測量中，利用柔性有源電極代替柔性無源電極具有廣闊的發(fā)展前景。

應(yīng)用

柔性無創(chuàng)電極在柔性電子中發(fā)揮著重要作用。與人體皮膚接觸的柔性無創(chuàng)電極可追蹤表面肌電圖信號，用于分析人類活動（例如面部表情和身體運動）和控制外部器件。因此，研究人員重點介紹用于人類醫(yī)療保健和人機界面的柔性無創(chuàng)電極的最新發(fā)展。

圖11 電極陣列在人體健康監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用

總結(jié)和未來展望

表面肌電圖信號的收集對于人體醫(yī)療保健和人機界面的應(yīng)用至關(guān)重要。在這篇綜述中，研究人員總結(jié)了皮膚電極的發(fā)展。特別地，介紹了包括金屬材料、碳基材料和導(dǎo)電聚合物在內(nèi)的電極材料。然后，討論了柔性無創(chuàng)電極的性能，例如粘附性、透氣性、柔韌性和生物相容性，這些性能對柔性器件至關(guān)重要，可提高其舒適度。隨后，介紹了無源電極和有源電極，并強調(diào)了有源電極對表面肌電圖信號的放大作用。

目前，電子皮膚器件是小面積的（幾平方厘米），無法有效定位疾病源，也無法準(zhǔn)確解碼人類的意圖。所以，迫切需要突破制造大面積電子皮膚器件的瓶頸。雖然大面積電子皮膚器件便于佩戴，但限制了皮膚排汗和散熱的生理功能。因此，大面積電子皮膚要求基材透氣，甚至去除襯底材料。為了實現(xiàn)柔性無創(chuàng)電極的透氣性，制備納米網(wǎng)材料和設(shè)計多孔基底已被證明是目前兩種有效的策略。

總之，盡管存在挑戰(zhàn)，但通過實現(xiàn)上述性能，柔性電極將取得進展并獲得更廣泛的應(yīng)用。未來的皮膚電極系統(tǒng)將強調(diào)無線供電、通信以及與皮膚的無縫集成。未來的柔性電極有望實現(xiàn)智能化，用于日常生活中的生物電信號采集。研究人員預(yù)測，未來發(fā)展的一個關(guān)鍵趨勢將是將多功能系統(tǒng)集成到可穿戴器件中，以實現(xiàn)無線和日常操作。

審核編輯：劉清