開發(fā)一種可拉伸、耐用型、高密度表面肌電圖電極（HD-sEMG）貼片

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)測健康和治療疾病。肌電信號的測量主要依賴于皮膚與電子采集電路之間的界面。然而，現(xiàn)有表面肌電信號采集器件中使用的商用銀（Ag）/氯化銀（AgCl）電極無法建立一個魯棒性高且可以對表面肌電信號進行長期、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采集方式只能從單個被測區(qū)域獲取表面肌電信號，該區(qū)域可能有多個肌肉或肌群疊加，因此不能準確反映待分析的特定肌肉。高密度表面肌電圖（HD-sEMG）彌補了傳統(tǒng)差分電極的不足，它可以定量分析空間中不同肌肉的強度和時間序列信息。此外，它還可以準確、全面、客觀地評價肌肉活動過程中不同肌肉的協(xié)同作用。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，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，用于對復(fù)雜表皮表面的吞咽活動進行分類。該電極貼片可以長期、穩(wěn)定地監(jiān)測表面肌電信號，而不會受到運動的干擾，即使在皮膚出現(xiàn)嚴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行絕緣。這種三明治結(jié)構(gòu)確保了整個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，因此該貼片對皮膚的粘附性顯著提高?？傊@些特點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。

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)測中，這種貼片可以承受高達80%的應(yīng)變，而不會造成任何機械分層或水分流失，從而可以避免信號質(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）電極的長期穩(wěn)定性

最后，為了證明其在檢測頦尾骨下肌群和聲門下肌群肌電信號監(jiān)測方面的實用性，研究人員將該貼片與16個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，用于吞咽活動的分類。通過結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，該貼片實現(xiàn)了對11種不同吞咽活動的識別和分類，其準確率達到80%。

圖5 利用高密度表面肌電圖（HD-sEMG）電極貼片進行吞咽活動的分類

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電極陣列。該電極陣列具有一系列優(yōu)異的人機界面特性，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)雜皮膚界面上的長期可穿戴、高保真的表面肌電信號記錄裝置。此外，在系統(tǒng)性的人體實驗中，研究人員研究了該電極對人體吞咽活動進行分類的能力。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，從而高精度地完成了吞咽活動的分類?？偠灾@項工作為吞咽困難的篩查和治療提供了希望，并為遠程康復(fù)提供了一種可行且經(jīng)濟的方法。

審核編輯：劉清