可實現(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，廣泛應(yīng)用于臨床及人機接口領(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、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接口領(lǐng)域等實際應(yīng)用中。因此，如何定制化設(shè)計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，在實現(xiàn)柔性高密度電極陣列簡易高效制造的同時，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)強度，實現(xiàn)了手臂肌群激活的精確映射及信號反解。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，并進行多材料墨水打印評估及打印參數(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，進一步探索了全打印高密度肌電電極陣列在新型人機接口等領(lǐng)域的實際應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)設(shè)計
基于自下到上的打印約束條件，我們設(shè)計了一種具備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。同時避免通道間信號串擾，提升信號采集穩(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)計的多層各異的電極結(jié)構(gòu)。我們認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。因此，我們首先基于DIW打印機理，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)�；�于選取的打印參數(shù)，設(shè)計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，實現(xiàn)柔性高密度電極的逐層無縫集成式打印制造。為驗證上述設(shè)計方法及工藝的可行性，我們又進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 多材料打印評估

性能表征
我們進一步表征了基于全3D打印柔性高密度電極陣列的機械及電學(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。同時我們對電極電學(xué)性能進行了驗證，以確保實現(xiàn)肌電信號精確采集。因此，我們采用標準的三電極法，分別對傳統(tǒng)的凝膠Ag/AgCl電極與單一打印電極、陣列打印電極進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高密度電極進行信噪比對比實驗，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，繪制隨時間變化的RMS肌電熱力圖，監(jiān)測肌群激活的時空變化特性。結(jié)果表明，針對單一手勢狀態(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間產(chǎn)生波動。針對連續(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需要能夠反解出足夠可信的運動單元放電序列（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反解中，探索應(yīng)用于人機接口領(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作陣列肌電信號，得到了可信的運動單元放電序列及波形。隨后進一步反解了連續(xù)動作下的高密度肌電信號，得到了具備手勢區(qū)分度的運動單元放電序列，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)計制造各異的高密度電極陣列，這將進一步推動基于高密度肌電反解人機接口技術(shù)的革新。

圖5 全打印高密度電極肌電反解驗證

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)計及打印參數(shù)選擇，實現(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械與電學(xué)特性，能夠在無導(dǎo)電膠情況下實現(xiàn)肌電信號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證中，結(jié)果顯示陣列電極能夠精確探測肌群激活的時空特性，能夠保證反解出可信的運動單元放電序列，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