综述：用于表面肌电图采集的柔性无创电极的最新研究进展
2023-08-20 21:36:39 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
首先介绍了柔性无创电极的最新研究进展，然后详细讨论了电极的不同材料、结构和性能，包括粘附性、透气性、柔韧性、长期耐久性、生物相容性、生物降解性以及高信噪比。同时对无源和有源柔性无创电极之间的差异进行了深入分析。
近些年，可穿戴器件、表皮电子器件和可植入式电子器件等柔性电子产品在人体健康监测、刺激系统和人机界面等领域备受瞩目。而柔性电极是柔性电子产品的基本组件，可用于人体脑电图（EEG）、肌电图（EMG）和心电图（ECG）的监测。
肌电图被广泛采用，以获取人体肌肉临床状态信息，同时也是假肢控制的信息来源。用于肌电图测量的柔性电极可分为两类：（1）在体内工作的柔性电极（如iEMG）；（2）用于体外测量的柔性电极（如sEMG）。体内肌电图（iEMG）测量需要在人体肌肉内植入针电极，相反，表面肌电图（sEMG）测量只需要使电极接触被测量的肌肉上的皮肤即可。通过体内肌电图电极可以获得关于肌肉纤维局部行为的清晰信息。而表面肌电图电极可以更广泛地监测肌肉的瞬态信息。
图1 柔性无创电极的发展时间表
据麦姆斯咨询报道，近日，上海大学微电子学院和上海大学新型显示技术及应用集成教育部重点实验室的研究人员在npj Flexible Electronics期刊上发表了一篇题为“Recent advances in flexible noninvasive electrodes for surface electromyography acquisition”的综述论文，该文章着眼于新兴的用于表面肌电图采集的柔性无创电极（FNEs）的发展（图2）。首先介绍了柔性无创电极的最新研究进展，然后详细讨论了电极的不同材料、结构和性能，包括粘附性、透气性、柔韧性、长期耐久性、生物相容性、生物降解性以及高信噪比（SNR）。同时对无源和有源柔性无创电极之间的差异进行了深入分析。讨论了有源柔性无创电极中使用的各种薄膜晶体管（TFT）材料和放大器，并提供了详细的分类和分析。最后，介绍了可穿戴传感器在医疗保健和人机界面（HMI）中的应用，概述了柔性无创电极在表面肌电图信号采集中的挑战和前景。
图2 用于表面肌电图采集的柔性无创电极的最新研究进展
表面肌电图电极的特性
值得注意的是，人体皮肤的持久稳定性对于持续监测生命体征信号至关重要。用于下一代电子产品的皮肤生物电子器件需要具备卓越的粘附性、透气性和柔韧性等重要特征，以通过长久健康监测确保稳定的性能。因此，稳定的材料被认为是监测人体健康的关键平台。
为了实现人体皮肤和柔性无创电极之间的良好粘附，可制备生物相容性粘合剂，并将其放置在人体表皮上。常用的粘合剂有水溶性胶带、绷带粘合剂、硅胶粘合剂和实验室开发的粘合剂等几种类型。喷涂绷带的粘附力为0.98 ± 0.03 N，接近于传统医用敷料的粘附力。因此，生物相容性和粘性表皮电子系统（EES）非常适合用于生理监测。
图3 具有粘附性的电极
就透气性而言，汗液的积聚会增加运动伪影和接触阻抗，并刺激皮肤，从而导致器件发生故障。类似的，由于水汽和汗液的积聚，长期监测可能刺激皮肤导致过敏。因此，具有透气性的柔性无创电极是首选，可增强器件的生物相容性，并防止汗水对收集到的表面肌电图信号质量产生不利影响。因此，透气性是监测表面肌电图信号时应考虑的一个重要因素。
图4 具有透气性的电极
图5 柔性电极
材料电极和结构设计
材料是电极的基础，对电极的性能起着重要作用。电极材料主要分为金属基电极材料、碳基电极材料和导电聚合物。相应的，电极结构多种多样，如蛇形、分形几何设计和三维结构等。研究人员分别描述了使用由上述三种材料制成的柔性电极获取表面肌电图信号的详细情况。
图6 金属基电极
图7 碳基电极
图8 导电聚合物电极
图9 不同结构的柔性无创电极
无源电极阵列
表面肌电图信号采集的主要干扰源是运动伪影和工频干扰。运动伪影主要是由皮肤表面和电极之间的相对运动引起的，而工频干扰是由电极的高皮肤接触阻抗以及放大器的高输入阻抗和电极与皮肤之间的不良接触引起的。传统的无源表面肌电图电极虽然可以实现肌电图信号的无痛测量，但存在表面肌电图信号传输可靠性差、时空分辨率低等技术缺陷。随着面向阵列设计的无源柔性无创电极的发展，柔性无创电极实现了高时空分辨率。然而，无源柔性无创电极阵列导线数量的增加不仅导致信号串扰，而且显著降低了信噪比。
图10 用于记录表面肌电图信号的无源电极阵列
有源电极阵列
为了扩大表面肌电图信号的测试区域，研究人员增加了表面肌电图信号密度。然而，随着无源阵列电极密度的增加，电源线的串扰变得越来越严重。同时，由于表面肌电图信号较弱，电磁波易受空间的影响，信噪比显著下降了。此外，人体内电生理信号的电压幅度极为微弱。因此，在无源电极阵列中添加有源器件是必不可少的。
有源电极阵列采用更复杂的设计和电路结构。通过在电极附近结合放大器、滤波器和其它电路，有源电极阵列能放大和处理生物电信号。这种设计减少了外部噪声对信号的影响，提高了信噪比。因此，在生物电信号的测量中，利用柔性有源电极代替柔性无源电极具有广阔的发展前景。
应用
柔性无创电极在柔性电子中发挥着重要作用。与人体皮肤接触的柔性无创电极可追踪表面肌电图信号，用于分析人类活动（例如面部表情和身体运动）和控制外部器件。因此，研究人员重点介绍用于人类医疗保健和人机界面的柔性无创电极的最新发展。
图11 电极阵列在人体健康监测中发挥着重要作用
总结和未来展望
表面肌电图信号的收集对于人体医疗保健和人机界面的应用至关重要。在这篇综述中，研究人员总结了皮肤电极的发展。特别地，介绍了包括金属材料、碳基材料和导电聚合物在内的电极材料。然后，讨论了柔性无创电极的性能，例如粘附性、透气性、柔韧性和生物相容性，这些性能对柔性器件至关重要，可提高其舒适度。随后，介绍了无源电极和有源电极，并强调了有源电极对表面肌电图信号的放大作用。
目前，电子皮肤器件是小面积的（几平方厘米），无法有效定位疾病源，也无法准确解码人类的意图。所以，迫切需要突破制造大面积电子皮肤器件的瓶颈。虽然大面积电子皮肤器件便于佩戴，但限制了皮肤排汗和散热的生理功能。因此，大面积电子皮肤要求基材透气，甚至去除衬底材料。为了实现柔性无创电极的透气性，制备纳米网材料和设计多孔基底已被证明是目前两种有效的策略。
总之，尽管存在挑战，但通过实现上述性能，柔性电极将取得进展并获得更广泛的应用。未来的皮肤电极系统将强调无线供电、通信以及与皮肤的无缝集成。未来的柔性电极有望实现智能化，用于日常生活中的生物电信号采集。研究人员预测，未来发展的一个关键趋势将是将多功能系统集成到可穿戴器件中，以实现无线和日常操作。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41528-023-00273-0
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