可實(shí)現(xiàn)高精度肌群激活映射及反解的全3D打印柔性高密度表面肌電電極陣列

來源： SoRoSJTU

高密度表面肌電電極采用多個(gè)緊密間隔的電極覆蓋在限定的皮膚表面，無創(chuàng)檢測人體激發(fā)的電生理信號(hào)，廣泛應(yīng)用于臨床及人機(jī)接口領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有的高密度表面肌電電極制造方法通常受限于高額的制造設(shè)備、復(fù)雜的制造流程以及缺乏的數(shù)字化方法，導(dǎo)致低價(jià)、定制化的高密度電極難以應(yīng)用到例如肌群特征信息感知及人機(jī)接口領(lǐng)域等實(shí)際應(yīng)用中。因此，如何定制化設(shè)計(jì)制造柔性高密度肌電電極陣列仍是該領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，我們提出了一種基于多材料墨水直寫的全3D打印方法，在實(shí)現(xiàn)柔性高密度電極陣列簡易高效制造的同時(shí)，讓其仍具有良好的電學(xué)特性（信噪比提升32.2%）及打印結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了手臂肌群激活的精確映射及信號(hào)反解。近日，該論文以“All 3D-Printed Soft High-Density Surface Electromyography Electrode Arrays for Accurate Muscle Activation Mapping and Decomposition” 為題發(fā)表于 Advanced Functional Materials 期刊 （見文末論文鏈接[1]）。該工作通過設(shè)計(jì)可全打印的堆疊式陣列電極結(jié)構(gòu)，選擇合理的打印材料，并進(jìn)行多材料墨水打印評(píng)估及打印參數(shù)優(yōu)化選擇，最終依據(jù)提出的全3D打印制造策略，實(shí)現(xiàn)了柔性高密度電極陣列的連續(xù)定制化集成制造。在綜合性表征電極性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索了全打印高密度肌電電極陣列在新型人機(jī)接口等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于自下到上的打印約束條件，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種具備32通道多層堆疊薄膜結(jié)構(gòu)的高密度電極陣列，包括平面基底層、4×8陣列式圓形電極導(dǎo)電層、多孔柔性封裝層和微凸的電極填充層。選用穩(wěn)定柔韌的PI作為基底層，能夠與廣泛的材料建立良好穩(wěn)定的打印連接界面。導(dǎo)電層選用可拉伸銀漿作為導(dǎo)電材料，各電極間距為8mm，直徑為3mm。封裝層使用Ecoflex 0030硅膠提升電極柔順性，貼合皮膚。同時(shí)避免通道間信號(hào)串?dāng)_，提升信號(hào)采集穩(wěn)定性。微凸填充層同樣選用可拉伸銀漿，能夠在無導(dǎo)電凝膠的情況下與皮膚建立良好的導(dǎo)聯(lián)通路。為簡化高密度電極的制造流程，亟需一種數(shù)字化集成化方式制造所設(shè)計(jì)的多層各異的電極結(jié)構(gòu)。我們認(rèn)為具備良好墨水適應(yīng)性的墨水直寫（DIW）3D打印技術(shù)，是該柔性高密度多功能層結(jié)構(gòu)的理想制造方式。

圖1 全3D打印柔性高密度電極陣列的結(jié)構(gòu)及制造方法

全打印工藝

由于所設(shè)計(jì)的電極結(jié)構(gòu)包含彎折的導(dǎo)電銀線、圓柱狀銀堆疊體、多孔硅膠平面，讓精確打印多材料、多結(jié)構(gòu)的高密度電極成為難點(diǎn)。因此，我們首先基于DIW打印機(jī)理，根據(jù)所選打印材料，研究多材料、大粘彈性差異墨水的打印特性。分別針對(duì)性研究了拉伸銀漿和Ecoflex 0030墨水的打印線寬與打印氣壓P和打印速度Vp的關(guān)系。根據(jù)顯微鏡觀測打印線寬，按照打印線型及線寬畸變，將拉伸銀漿、Ecoflex0030硅膠的打印參數(shù)進(jìn)行分區(qū)，并權(quán)衡打印效率及打印精度，分別為不同打印層選取優(yōu)化的打印參數(shù)。基于選取的打印參數(shù)，設(shè)計(jì)合理的打印間距和電極結(jié)構(gòu)層圖案，并提出了一種四步式連續(xù)全打印策略，實(shí)現(xiàn)柔性高密度電極的逐層無縫集成式打印制造。為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方法及工藝的可行性，我們又進(jìn)一步制造了仿肌腹輪廓的紡錘形電極，展示了全3D打印工藝定制化制造能力。

圖2 多材料打印評(píng)估

性能表征
我們進(jìn)一步表征了基于全3D打印柔性高密度電極陣列的機(jī)械及電學(xué)性能。經(jīng)過1000次循環(huán)彎壓測試，電極結(jié)構(gòu)依然完整未發(fā)生任何材料結(jié)構(gòu)脫落，且自身電阻未產(chǎn)生較大波動(dòng)。同時(shí)我們對(duì)電極電學(xué)性能進(jìn)行了驗(yàn)證，以確保實(shí)現(xiàn)肌電信號(hào)精確采集。因此，我們采用標(biāo)準(zhǔn)的三電極法，分別對(duì)傳統(tǒng)的凝膠Ag/AgCl電極與單一打印電極、陣列打印電極進(jìn)行皮膚電極阻抗測試。結(jié)果顯示，單一打印電極和陣列電極在未施加導(dǎo)電膏情況下，與大面積Ag/AgCl導(dǎo)電凝膠電極具備相似的皮膚電極阻抗特性。隨后，又進(jìn)一步用打印陣列電極分別與Ag/AgCl電極、商用OT高密度電極進(jìn)行信噪比對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示打印陣列高密度電極在30%自主最大發(fā)力下相比商用電極信噪比提升了32.2%。

圖3 高密度電極陣列電學(xué)性能表征

應(yīng)用I：肌群映射
我們將全3D打印柔性高密度電極陣列應(yīng)用于人體前臂肌群的激活映射探測。通過將打印柔性高密度電極貼敷到指淺屈肌表面，記錄隨手勢變化的陣列高密度肌電信號(hào)，繪制隨時(shí)間變化的RMS肌電熱力圖，監(jiān)測肌群激活的時(shí)空變化特性。結(jié)果表明，針對(duì)單一手勢狀態(tài)，高密度電極陣列能夠清晰映射出單一手勢激活中心隨時(shí)間產(chǎn)生波動(dòng)。針對(duì)連續(xù)手勢切換，高密度電極陣列能夠清晰映射出指淺屈肌激活中心隨不同動(dòng)作發(fā)生空間的轉(zhuǎn)移變化。

圖4 高精度肌群激活映射

應(yīng)用II：肌電反解
高密度電極陣列作為新一代人機(jī)接口領(lǐng)域的重要應(yīng)用工具，所采集的高密度表面肌電信號(hào)需要能夠反解出足夠可信的運(yùn)動(dòng)單元放電序列（MUAPTs）。因此，我們將全3D打印高密度電極陣列應(yīng)用到人體前臂高密度肌電信號(hào)反解中，探索應(yīng)用于人機(jī)接口領(lǐng)域的可行性。結(jié)果表明，通過使用反解算法離線分解高密度電極采集的單一動(dòng)作陣列肌電信號(hào)，得到了可信的運(yùn)動(dòng)單元放電序列及波形。隨后進(jìn)一步反解了連續(xù)動(dòng)作下的高密度肌電信號(hào)，得到了具備手勢區(qū)分度的運(yùn)動(dòng)單元放電序列，這表明了全打印高密度電極應(yīng)用于新型人機(jī)接口領(lǐng)域的可能性。由于所提出的全打印工藝能夠支撐定制化設(shè)計(jì)制造各異的高密度電極陣列，這將進(jìn)一步推動(dòng)基于高密度肌電反解人機(jī)接口技術(shù)的革新。

圖5 全打印高密度電極肌電反解驗(yàn)證

總結(jié)與展望
本工作提出了一種簡化的全3D打印制造工藝，實(shí)現(xiàn)了柔性高密度肌電電極陣列的集成化、定制化制造�；�于DIW打印技術(shù)，兩種具備較大粘彈性差異墨水的打印特性得到深入探究，合理的打印圖案設(shè)計(jì)及打印參數(shù)選擇，實(shí)現(xiàn)了高密度電極陣列的連續(xù)定制化制造。綜合性的電極性能測試表明打印陣列電極具備良好的機(jī)械與電學(xué)特性，能夠在無導(dǎo)電膠情況下實(shí)現(xiàn)肌電信號(hào)采集信噪比的顯著提升。還將全打印陣列電極應(yīng)用到肌群激活映射和肌電反解驗(yàn)證中，結(jié)果顯示陣列電極能夠精確探測肌群激活的時(shí)空特性，能夠保證反解出可信的運(yùn)動(dòng)單元放電序列，有望應(yīng)用到基于高密度表面肌電反解的人機(jī)接口領(lǐng)域中。

上海交通大學(xué)博士研究生趙詣為論文的第一作者，上海交通大學(xué)谷國迎教授和朱向陽教授為論文通訊作者。該論文得到了國家自然科學(xué)基金，上海市科委項(xiàng)目的資助。


論文信息：Yi Zhao, Chen Chen, BaoYang Lu, Xiangyang Zhu, Guoying Gu. “All 3D-Printed Soft High-Density Surface Electromyography Electrode Arrays for Accurate Muscle Activation Mapping and Decomposition”, Advanced Functional Materials, 2023, 2312480.

論文鏈接：

[1] https://doi.org/10.1002/adfm.202312480