肌電監測泡沫/鍍銀針織物復合干電極的制備及性能評價

石峻銘 胡吉永 韓雅婧

1. 東華大學 a.紡織學院, b.紡織面料技術教育部重點試驗室,上海 201620;2. 上海工程技術大學 城市軌道交通學院,上海 201620

隨著社會的發展,帕金森病、肌萎縮側索硬化及纖維肌痛等肌肉神經疾病嚴重危害人們的健康。需要開發一種可穿戴的肌電監測電極,如此人們可在日常生活中健康、舒適、高質量地監測肌電,從而實時了解自身的健康情況,早發現、早醫治疾病。

目前,醫院主要通過針電極或傳統凝膠電極進行肌電信號監測,該肌電信號可用于神經肌肉疾病的診斷,但是針電極在監測時需要刺入皮膚,易于造成創傷[1];傳統凝膠電極無需侵入人體,但是皮膚長期與凝膠接觸,可能會造成皮膚過敏[2-3]:因此它們都不適合用作日常可穿戴肌電監測的電極。織物干電極能夠無創傷、無過敏,健康舒適地進行肌電監測,成為可穿戴肌電監測電極的關注重點。

現有的肌電監測織物干電極種類繁多,如波型刺繡織物干電極[4]、金/銀織物干電極[5]、碳/銀織物干電極[6]等,且部分織物干電極已經通過與服裝集成的方式,實現了具有一定質量的肌電監測。但在進行動態肌電監測時,電極與皮膚之間存在相對滑移問題[7],這會引起動態噪聲干擾,影響肌電信號的識別與應用。帶有泡沫層的針織結構織物干電極布面柔軟,且附有柔軟的泡沫層,這使得其在一定外力的作用下能夠較好地與皮膚接觸,從而降低皮膚與電極滑移產生的噪聲干擾[8],適合用于可穿戴肌電監測。本文通過熱壓工藝將泡沫層附著在商業推薦的3種典型鍍銀針織電極布表面,制成泡沫/鍍銀針織物復合干電極,然后對其交流阻抗、皮膚-電極接觸阻抗性能及肌電監測性能進行測試,分析泡沫/鍍銀針織物復合干電極的電氣性能及肌電監測性能,探究它們用于日常動態肌電監測的可行性。

1 試驗部分

1.1 研究對象

25歲男性大學生,身高174 cm,體重77 kg,身體狀況良好,2年內沒有肱二頭肌損傷的病史。

1.2 材料與儀器

商用Ag/AgCl電極,KEYSIGHT-DSOX3014 T型示波器,電化學工作站,雙羅紋鍍銀織物電極布,經平鍍銀織物電極布,經絨鍍銀織物電極布,肌電監測電路板,3 mm厚的泡沫層,熱熔膠布,導線,彈性織物帶,醫用膠帶,酒精棉片等。3種導電織物的基本參數見表1,其形貌特征見圖1。

圖1 3種導電織物的形貌特征Fig. 1 Morphological characteristics of three kinds of conductive fabrics

表1 3種導電織物的基本參數Tab. 1 Basic specification parameters of three types of conductive fabrics

1.3 泡沫/鍍銀針織物復合干電極的制備

將泡沫層、熱熔膠布及鍍銀針織物電極布按照上中下順序擺放,以減少熱壓工藝對鍍銀針織物電極布的損傷;然后將蒸汽熨斗調節到羊毛溫度檔(即有霧模式),對其進行熱壓處理;熱壓3～4 s,使得中間層熱熔膠布完全融化,從而將泡沫層和鍍銀針織物黏合在一起,制成泡沫/鍍銀針織物復合干電極,具體流程見圖2。

圖2 泡沫/鍍銀針織物復合干電極的制備Fig. 2 Preparation of foam/silver-plated knitted composite dry electrodes

1.4 泡沫/鍍銀針織物復合干電極的電氣性能評價

電氣性能測試主要包括方阻測試、交流阻抗測試及皮膚-電極接觸阻抗測試3部分。通過精密方阻測試儀,采用筆形針式測試極對泡沫/鍍銀針織物復合干電極的方阻進行測試。交流阻抗測試通過電化學工作站,采用三電極體系進行測試,其掃描頻率根據肌電信號頻率的分布而定,設置為10～500 Hz,電壓為0.1 V(開路電壓),以1 cm2泡沫/鍍銀針織物為工作電極(實際浸入溶液面積為0.6 cm2)、鉑電極為對電極、Ag/AgCl為參比電極,電解液采用磷酸鹽緩沖溶液(PBS 0.01 mol/L,pH值為7.4,蘭杰柯科技有限公司)。

皮膚-電極接觸阻抗也通過電化學工作站進行測試,掃描頻率為10～500 Hz,電壓為0.03 V(開路電壓)。采用雙電極直接測量法,此方法能夠在肌電監測部位進行皮膚-電極接觸阻抗測試,能夠更加真實地反映肌電監測時的阻抗大小。具體方法:將皮膚-電極視為一個整體,通過測量兩電極間的阻抗以及人體組織液的阻抗,計算皮膚-電極的接觸阻抗,測量過程見圖3。由于人體組織液阻抗較低(約為150 Ω[9]),而皮膚-電極的接觸阻抗在1 kΩ以上,因此可以忽略人體組織液的阻抗。此時,阻抗測量儀的讀數近似為皮膚-電極阻抗的2倍。

圖3 雙電極直接測量法示意圖Fig. 3 Schematic of two-electrodes direct measurement method

1.5 泡沫/鍍銀針織物復合干電極的肌電監測性能評價

本文以肱二頭肌為監測對象,通過90°屈肘動作對泡沫/鍍銀針織物復合干電極的肌電監測性能進行測試[10-11]。先采用體積分數為75%的酒精棉片清潔皮膚表面,然后將2個4 cm×3 cm的方形泡沫/鍍銀針織物復合干電極按照2 cm的電極間距放置在肱二頭肌的肌腹部位[12-13],并使用醫用膠帶和彈性織物帶將其固定,最后進行肌電監測。測試內容包含兩方面:(1)在不同負重(3.5、4.5、7.5 kg)下做90°屈肘動作,測量不同肌力產生的肌電信號差異。要求測試者坐在座椅上,身體挺直,手持啞鈴,手臂自然下垂在身體一側,然后以肘關節為支撐點彎曲到90°,再恢復自然下垂狀態,動作用時共計6 s,每次完成動作后測試者休息3 min,以免肌肉疲勞影響測試結果。(2)在負重3.5 kg下,通過傳統電極對2種90°屈肘動作(啞鈴彎舉[14]和啞鈴錘式彎舉[15])進行肌電監測,對比這2種動作的重復穩定性,再選取其中穩定的動作對泡沫/鍍銀針織物復合干電極及傳統電極的肌電性能進行比較,測試結果為10次彎舉測試的平均值。

測得的肌電信號先通過350倍差分放大器和5 Hz的高通濾波器進行降噪處理,然后通過采樣頻率為2 000 Hz的示波器顯示輸出。由于示波器輸出的肌電信號仍存在低頻噪聲和工頻干擾,本文采用4階巴特沃斯10～500 Hz帶通濾波器以及50 Hz陷波濾波器對輸出的肌電信號再次進行降噪處理[16-17]。

降噪后的肌電信號通過肌電均方根(RMS)、積分肌電(IEMG)、平均功率頻率(MPF)、中值頻率(MF)及信噪比(SNR)等指標進行評價。肌電信號的RMS值和IEMG值是肌電信號的時域指標[18],其中,肌電信號的RMS是肌肉放電的有效值,表示一段時間內肌肉放電的平均水平,能直接反映肌肉收縮時產生的能量大小,IEMG則表示一段時間內骨骼肌的放電總量;可通過MATLAB軟件直接計算,常用于肌肉疲勞和肢體康復等的評價[19-20]。MPF和MF是肌電信號的頻域指標,其中,MPF是過功率譜曲線重心的頻率,MF則是骨骼肌放電收縮時肌纖維放電頻率的中間值;需通過MATLAB軟件對表面肌電信號進行快速傅里葉變換,待獲取表面肌電信號的頻譜圖或功率譜圖后再進行計算[21];常用于運動訓練[22]、肌肉疲勞[23]和肌肉損傷康復[24]等的評價。肌電信號的SNR常用于評價電極監測肌電信號的質量,可通過肌肉收縮時表面肌電信號的均方根(肌電信號的電壓)以及肌肉放松時表面肌電信號的均方根(噪聲的電壓)進行計算[25]。

2 結果與分析

2.1 電氣性能

經平泡沫/鍍銀針織物復合干電極、經絨泡沫/鍍銀針織物復合干電極,以及雙羅紋泡沫/鍍銀針織物復合干電極的方阻測試結果依次為(0.37±0.02)、(0.18±0.01)及(0.43±0.03) Ω,可以看出,經絨泡沫/鍍銀針織物復合干電極的方阻性能略優于其他2種泡沫/鍍銀針織物復合干電極。

交流阻抗測試結果如圖4所示。由圖4可知,經絨泡沫/鍍銀針織物復合干電極在10～500 Hz內的阻抗始終小于其他2種泡沫/鍍銀針織物復合干電極。這主要是因為厚重的經絨鍍銀針織物布面平整,這使其能與電解液接觸得更加充分,因此產生的交流阻抗較低。10 Hz下,雙羅紋泡沫/鍍銀針織物復合干電極的交流組抗[(92.26±8.18)Ω]和經平泡沫/鍍銀針織物復合干電極的交流組抗[(96.55±3.04 )Ω]相近,表明兩者的電氣性能相近。

圖4 復合干電極的交流阻抗測試結果Fig. 4 Alternating current (AC) impedance test results of composite dry electrodes

皮膚-電極接觸阻抗測試結果如圖5所示。由圖5可知,不同頻率下,經絨泡沫/鍍銀針織物復合干電極的皮膚-電極接觸阻抗低于其他2種泡沫/鍍銀針織物復合干電極。這主要是因為厚重的經絨鍍銀針織物布面平整,這使其能在力的作用下與皮膚更好地接觸,從而產生較低的皮膚-電極接觸阻抗。雙羅紋泡沫/鍍銀針織物復合干電極在10 Hz下的皮膚-電極接觸阻抗為(73.46±7.26)kΩ,經平泡沫/鍍銀針織物復合干電極在10 Hz下的皮膚-電極接觸阻抗為(74.35±2.67)kΩ,前者的皮膚-電極接觸阻抗略低于后者,這主要是因為雙羅紋泡沫/鍍銀針織物復合干電極的表面較為緊密,與皮膚間的接觸面積更大,從而接觸阻抗低于泡沫/鍍銀針織物復合干電極的。

圖5 復合干電極的皮膚-電極接觸阻抗測試結果Fig. 5 Skin-electrode contact impedance test results of composite dry electrodes

2.2 不同肌力下的肌電監測性能

3種負重(3.5、4.5、7.5 kg)下的90°屈肘肌電測試結果見圖6。由圖6可知:隨著負重的增加,3種泡沫/鍍銀針織物復合干電極監測到的肌電信號的振幅增大,信噪比變大;隨著負重的差值變大,監測信號的振幅差值變大,信噪比的差值也變大。試驗結果表明,3種泡沫/鍍銀針織物復合干電極可以監測不同肌力產生的肌電信號的差異。

圖6 不同負重下90°屈肘動作的肌電測試結果Fig. 6 Electromyography monitoring results of 90° elbow flexion test under different weight bearing

2.3 啞鈴彎舉重復穩定性

在5個不同日期的相同時間段(14:00—18:00),進行3.5 kg負重的啞鈴90°彎舉和啞鈴錘式90°彎舉測試,結果見表2和表3,其中,IEMG是啞鈴彎舉過程中骨骼肌的放電總量,RMS是啞鈴彎舉過程中肌肉放電的均方根。由表2和表3可知,啞鈴90°彎舉時IEMG及RMS指標均大于啞鈴錘式90°彎舉時的結果,表明啞鈴90°彎舉測試時肱二頭肌發力更大。由于本試驗采用的啞鈴長35 cm、啞鈴片的直徑為16.5 cm,體積比較大,在進行啞鈴彎舉時,橫向舉起的啞鈴不易控制,會出現啞鈴碰到身體、導線移動過大及持續發力時手掌發生傾斜等情況,導致信號強度的浮動較大,進而影響后續對泡沫/鍍銀針織物復合干電極信號的評價。相對而言,啞鈴錘式90°彎舉時,肱二頭肌發力小,信號強度的浮動小,這有利于減少動作對肌電信號的影響。計算5組錘式90°彎舉測試的信噪比(19.76±0.92、19.95±0.86、20.08±0.54、19.79±0.73、19.75±0.66),對這5組數據兩兩進行t檢驗分析,得p值依次為0.65、0.38、0.97、0.92、0.71、0.58、0.68、0.26、0.37、0.88,均大于0.05,表明此動作下5組測試信噪比無明顯差異,因此啞鈴錘式90°彎舉時測得的肌電信號在時域方面穩定性較好。

表2 啞鈴90°彎舉測試的時域特征Tab. 2 Time domain characteristics of the dumbbell 90° curl test

表3 啞鈴錘式90°彎舉測試的時域特征Tab. 3 Time domain characteristics of the dumbbell hammer 90° curl test

對啞鈴錘式90°彎舉測試進行頻域分析,結果見表4。由表4可知,MPF和MF值存在一定的波動。但是對5組頻率特征值進行兩兩t檢驗分析:平均功率頻率的p值結果為0.34、0.20、0.75、0.13、0.73、0.48、0.85、0.29、0.81、0.23,均大于0.05;中值頻率的p值結果為0.75、0.27、0.59、0.14、0.45、0.88、0.31、0.48、0.95、0.31,均大于0.05。這表明此動作下5組測試頻域特征無顯著差異。因此,后文將通過啞鈴垂式90°彎舉來評價3種泡沫/鍍銀針織物復合干電極。

表4 啞鈴錘式90°彎舉測試的頻域特征Tab. 4 Frequency domain characteristics of the dumbbell hammer 90° curl test

2.4 泡沫/鍍銀針織物復合干電極與傳統電極的性能對比

對3種泡沫/鍍銀針織物復合干電極與傳統電極在同一天進行3.5 kg啞鈴錘式90°彎舉測試,并通過肌電信號的均方根、信噪比及平均功率頻率來評價其監測性能,結果見表5,其中,SNR是啞鈴彎舉過程中肌肉收縮時表面肌電信號強度以及肌肉放松時表面肌電信號強度的比值,MPF是啞鈴彎舉過程中肌電信號功率譜圖中的重心頻率。由表5可知,3種泡沫/鍍銀針織物復合干電極監測的信號強度略高于傳統電極。這主要是因為泡沫/鍍銀針織物復合干電極的導電面積比傳統電極大,監測的肌纖維多,因而采集的肌電信號強。從信號的信噪比來看,織物復合干電極的監測性能與傳統電極相當。對3種織物復合干電極兩兩進行t檢驗,得p值依次為0.83、0.71、0.86,均大于0.05,表明3種織物復合干電極的肌電監測性能無顯著差異。這主要是因為本文肌電監測采用的是12 cm2的泡沫/鍍銀針織物復合干電極,電極和皮膚接觸面積較大,較大的接觸面積可緩解織物結構對皮膚-電極接觸阻抗的影響。將表5中的3種泡沫/鍍銀針織物復合干電極監測到的肌電信號平均功率頻率依次與傳統電極進行t檢驗對比分析,得p值依次為0.23、0.74、0.17,均大于0.05,表明3種泡沫/鍍銀針織物復合干電極與傳統電極在肌電信號的平均功率頻率方面無顯著差異。

表5 啞鈴錘式90°彎舉電極肌電監測性能測試結果Tab. 5 EMG monitoring performance test results of electrodes under dumbbell hammer 90° curl test

綜上可知,3種泡沫/鍍銀針織物復合干電極的肌電監測性能與傳統電極的相當。

3 結論

本文制備了3種泡沫/鍍銀針織物復合干電極,并對其電氣及肌電監測性能進行評價。電氣性能評價結果表明,布面平整且厚重的經絨泡沫/鍍銀針織物復合干電極的方阻、交流阻抗及皮膚-電極接觸阻抗值均最小,電氣性能優于其他2種泡沫/鍍銀針織物復合干電極。肌電監測性能評價結果表明,3種泡沫/鍍銀針織物復合干電極均能對不同肌力的肌電信號進行監測,且在啞鈴錘式90°彎舉測試中,其肌電監測性能與傳統電極相當,表明泡沫/鍍銀針織物復合干電極能夠用于日常動態肌電監測。