噴墨打印表面肌電圖柔性電極

介紹

肌電圖（EMG）被廣泛用于獲取肌肉臨床狀態(tài)信息的技術(shù)，也是假肢和遠(yuǎn)程機(jī)器人控制信息的來源。肌電圖有兩種技術(shù)：肌內(nèi)肌電圖（iEMG）和表面肌電圖（sEMG）；iEMG需要在肌肉內(nèi)植入針狀電極，sEMG需要電極與肌肉上方的皮膚接觸，表面肌電圖（sEMG）允許更廣泛地觀察電極下方肌肉的瞬時狀態(tài)，其使用得到了發(fā)展，被引入到實(shí)驗(yàn)室之外的日常使用，如假肢、生物反饋、人體工程學(xué)，運(yùn)動和空間醫(yī)學(xué)等。近年來的研究集中在高密度sEMG（HD-sEMG），作為一種非侵入性技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,通過增加電極的基數(shù)和先進(jìn)的信號處理技術(shù)來獲取肌肉的精確信息。

Alessandro Chiolerio教授利用MicroFab的Jetlab 4壓電噴墨打印機(jī)（配置60μm噴口直徑的MJ-AT-01噴頭），在Kapton基底上使用基于銀納米顆粒（NP）的墨水進(jìn)行低阻抗電極的制備。噴墨打印允許通過簡單的CAD重新設(shè)計(jì)來改變電極的尺寸、基數(shù)和配置，確保了傳感器和設(shè)備的快速原型化。在沉積過程中，噴頭加熱至60℃，襯底加熱至70℃，以提高沉積質(zhì)量。在電極陣列制作完成后，進(jìn)行電氣連接以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。將sEMG傳感器連接到測量裝置上，并放置在肢體上，檢測來自肱橈側(cè)前臂肌肉的sEMG信號。

如圖1顯示了制造的電極陣列的靈活性和使用納米復(fù)合油墨獲得的高表面積。制造的HD-sEMG為8×8的電極網(wǎng)格，電極間距離為8mm，電阻率計(jì)算為在15±5 μΩ cm范圍內(nèi)。（a）由噴頭噴出的銀NP墨滴。（b）去除溶劑后的納米復(fù)合油墨表面，顯示出較高的比表面積。（c）熱處理和絕緣處理后的柔性電極陣列。（d）一些銀線和電極的光學(xué)顯微照片。

圖3中的趨勢為8名受試者在10至1000Hz之間測得的平均接觸阻抗，顯示了不同設(shè)置獲得的**值、**值和平均值的趨勢。圖3a-c報(bào)告了在電極和皮膚之間不使用凝膠或面霜，施加三個不同壓力水平（分別為13.3、23.7和53.3 kPa）下測量的阻抗，結(jié)果顯示電抗隨著頻率的增加而提高，樣品電極略優(yōu)于參考電極，對于低接觸壓力下，噴墨打印銀電極比參考電極工作得更好，并且這種差異隨著壓力的增加而趨于減?。粓D3d在使用泡沫和導(dǎo)電膏后13.3 kPa壓力下測量阻抗，在這種特殊情況下，樣品電極和參比電極的行為方式相同，商業(yè)矩陣和噴墨打印電極矩陣的阻抗具有色散特性，其變化方式大致相同。

▲ 圖3 8名受試者在10至1000Hz之間測得的平均接觸阻抗趨勢

結(jié)論

**使用商用銀基油墨，通過MicroFab按需噴墨打印技術(shù)制造了用于sEMG信號記錄的電極陣列，打印結(jié)構(gòu)具有良好的分辨率，近線之間沒有短路，電阻率良好，電阻率計(jì)算為在15±5 μΩ cm范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)在適當(dāng)?shù)木植繅毫ο拢瑖娔蛴〉碾姌O在干燥和潮濕條件下的性能與商用電極類似。特別是，噴墨打印的電極似乎**適合低壓（更舒適）高頻sEMG記錄。鑒于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的良好反饋，可以得出應(yīng)用噴墨打印技術(shù)制備的電極也用于其他生物勢的記錄，如腦電圖（EEG）和心電圖（ECG）等，此外，根據(jù)不同的需求開發(fā)新的油墨和襯底也*具有研究意義。