肌電監(jiān)測(cè)泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極的制備及性能評(píng)價(jià)

石峻銘 胡吉永 韓雅婧

1. 東華大學(xué) a.紡織學(xué)院, b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室,上海 201620;2. 上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院,上海 201620

隨著社會(huì)的發(fā)展,帕金森病、肌萎縮側(cè)索硬化及纖維肌痛等肌肉神經(jīng)疾病嚴(yán)重危害人們的健康。需要開發(fā)一種可穿戴的肌電監(jiān)測(cè)電極,如此人們可在日常生活中健康、舒適、高質(zhì)量地監(jiān)測(cè)肌電,從而實(shí)時(shí)了解自身的健康情況,早發(fā)現(xiàn)、早醫(yī)治疾病。

目前,醫(yī)院主要通過針電極或傳統(tǒng)凝膠電極進(jìn)行肌電信號(hào)監(jiān)測(cè),該肌電信號(hào)可用于神經(jīng)肌肉疾病的診斷,但是針電極在監(jiān)測(cè)時(shí)需要刺入皮膚,易于造成創(chuàng)傷[1];傳統(tǒng)凝膠電極無需侵入人體,但是皮膚長期與凝膠接觸,可能會(huì)造成皮膚過敏[2-3]:因此它們都不適合用作日?？纱┐骷‰姳O(jiān)測(cè)的電極?？椢锔呻姌O能夠無創(chuàng)傷、無過敏,健康舒適地進(jìn)行肌電監(jiān)測(cè),成為可穿戴肌電監(jiān)測(cè)電極的關(guān)注重點(diǎn)。

現(xiàn)有的肌電監(jiān)測(cè)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(jīng)通過與服裝集成的方式,實(shí)現(xiàn)了具有一定質(zhì)量的肌電監(jiān)測(cè)。但在進(jìn)行動(dòng)態(tài)肌電監(jiān)測(cè)時(shí),電極與皮膚之間存在相對(duì)滑移問題[7],這會(huì)引起動(dòng)態(tài)噪聲干擾,影響肌電信號(hào)的識(shí)別與應(yīng)用。帶有泡沫層的針織結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的噪聲干擾[8],適合用于可穿戴肌電監(jiān)測(cè)。本文通過熱壓工藝將泡沫層附著在商業(yè)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(fù)合干電極,然后對(duì)其交流阻抗、皮膚-電極接觸阻抗性能及肌電監(jiān)測(cè)性能進(jìn)行測(cè)試,分析泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極的電氣性能及肌電監(jiān)測(cè)性能,探究它們用于日常動(dòng)態(tài)肌電監(jiān)測(cè)的可行性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 研究對(duì)象

25歲男性大學(xué)生,身高174 cm,體重77 kg,身體狀況良好,2年內(nèi)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(xué)工作站,雙羅紋鍍銀織物電極布,經(jīng)平鍍銀織物電極布,經(jīng)絨鍍銀織物電極布,肌電監(jiān)測(cè)電路板,3 mm厚的泡沫層,熱熔膠布,導(dǎo)線,彈性織物帶,醫(yī)用膠帶,酒精棉片等。3種導(dǎo)電織物的基本參數(shù)見表1,其形貌特征見圖1。

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

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

1.3 泡沫/鍍銀針織物復(fù)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(duì)鍍銀針織物電極布的損傷;然后將蒸汽熨斗調(diào)節(jié)到羊毛溫度檔(即有霧模式),對(duì)其進(jìn)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(fù)合干電極,具體流程見圖2。

圖2 泡沫/鍍銀針織物復(fù)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(fù)合干電極的電氣性能評(píng)價(jià)

電氣性能測(cè)試主要包括方阻測(cè)試、交流阻抗測(cè)試及皮膚-電極接觸阻抗測(cè)試3部分。通過精密方阻測(cè)試儀,采用筆形針式測(cè)試極對(duì)泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極的方阻進(jìn)行測(cè)試。交流阻抗測(cè)試通過電化學(xué)工作站,采用三電極體系進(jìn)行測(cè)試,其掃描頻率根據(jù)肌電信號(hào)頻率的分布而定,設(shè)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(shí)際浸入溶液面積為0.6 cm2)、鉑電極為對(duì)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(xué)工作站進(jìn)行測(cè)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(cè)量法,此方法能夠在肌電監(jiān)測(cè)部位進(jìn)行皮膚-電極接觸阻抗測(cè)試,能夠更加真實(shí)地反映肌電監(jiān)測(cè)時(shí)的阻抗大小。具體方法:將皮膚-電極視為一個(gè)整體,通過測(cè)量兩電極間的阻抗以及人體組織液的阻抗,計(jì)算皮膚-電極的接觸阻抗,測(cè)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(shí),阻抗測(cè)量儀的讀數(shù)近似為皮膚-電極阻抗的2倍。

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

1.5 泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極的肌電監(jiān)測(cè)性能評(píng)價(jià)

本文以肱二頭肌為監(jiān)測(cè)對(duì)象,通過90°屈肘動(dòng)作對(duì)泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極的肌電監(jiān)測(cè)性能進(jìn)行測(cè)試[10-11]。先采用體積分?jǐn)?shù)為75%的酒精棉片清潔皮膚表面,然后將2個(gè)4 cm×3 cm的方形泡沫/鍍銀針織物復(fù)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(yī)用膠帶和彈性織物帶將其固定,最后進(jìn)行肌電監(jiān)測(cè)。測(cè)試內(nèi)容包含兩方面:(1)在不同負(fù)重(3.5、4.5、7.5 kg)下做90°屈肘動(dòng)作,測(cè)量不同肌力產(chǎn)生的肌電信號(hào)差異。要求測(cè)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(cè),然后以肘關(guān)節(jié)為支撐點(diǎn)彎曲到90°,再恢復(fù)自然下垂?fàn)顟B(tài),動(dòng)作用時(shí)共計(jì)6 s,每次完成動(dòng)作后測(cè)試者休息3 min,以免肌肉疲勞影響測(cè)試結(jié)果。(2)在負(fù)重3.5 kg下,通過傳統(tǒng)電極對(duì)2種90°屈肘動(dòng)作(啞鈴彎舉[14]和啞鈴錘式彎舉[15])進(jìn)行肌電監(jiān)測(cè),對(duì)比這2種動(dòng)作的重復(fù)穩(wěn)定性,再選取其中穩(wěn)定的動(dòng)作對(duì)泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極及傳統(tǒng)電極的肌電性能進(jìn)行比較,測(cè)試結(jié)果為10次彎舉測(cè)試的平均值。

測(cè)得的肌電信號(hào)先通過350倍差分放大器和5 Hz的高通濾波器進(jìn)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(hào)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(duì)輸出的肌電信號(hào)再次進(jìn)行降噪處理[16-17]。

降噪后的肌電信號(hào)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(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。肌電信號(hào)的RMS值和IEMG值是肌電信號(hào)的時(shí)域指標(biāo)[18],其中,肌電信號(hào)的RMS是肌肉放電的有效值,表示一段時(shí)間內(nèi)肌肉放電的平均水平,能直接反映肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的能量大小,IEMG則表示一段時(shí)間內(nèi)骨骼肌的放電總量;可通過MATLAB軟件直接計(jì)算,常用于肌肉疲勞和肢體康復(fù)等的評(píng)價(jià)[19-20]。MPF和MF是肌電信號(hào)的頻域指標(biāo),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(shí)肌纖維放電頻率的中間值;需通過MATLAB軟件對(duì)表面肌電信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換,待獲取表面肌電信號(hào)的頻譜圖或功率譜圖后再進(jìn)行計(jì)算[21];常用于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練[22]、肌肉疲勞[23]和肌肉損傷康復(fù)[24]等的評(píng)價(jià)。肌電信號(hào)的SNR常用于評(píng)價(jià)電極監(jiān)測(cè)肌電信號(hào)的質(zhì)量,可通過肌肉收縮時(shí)表面肌電信號(hào)的均方根(肌電信號(hào)的電壓)以及肌肉放松時(shí)表面肌電信號(hào)的均方根(噪聲的電壓)進(jìn)行計(jì)算[25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 電氣性能

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

交流阻抗測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,經(jīng)絨泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極在10～500 Hz內(nèi)的阻抗始終小于其他2種泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極。這主要是因?yàn)楹裰氐慕?jīng)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(chǎn)生的交流阻抗較低。10 Hz下,雙羅紋泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極的交流組抗[(92.26±8.18)Ω]和經(jīng)平泡沫/鍍銀針織物復(fù)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(fù)合干電極的交流阻抗測(cè)試結(jié)果Fig. 4 Alternating current (AC) impedance test results of composite dry electrodes

皮膚-電極接觸阻抗測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,不同頻率下,經(jīng)絨泡沫/鍍銀針織物復(fù)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(fù)合干電極。這主要是因?yàn)楹裰氐慕?jīng)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(chǎn)生較低的皮膚-電極接觸阻抗。雙羅紋泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極在10 Hz下的皮膚-電極接觸阻抗為(73.46±7.26)kΩ,經(jīng)平泡沫/鍍銀針織物復(fù)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?yàn)殡p羅紋泡沫/鍍銀針織物復(fù)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(fù)合干電極的。

圖5 復(fù)合干電極的皮膚-電極接觸阻抗測(cè)試結(jié)果Fig. 5 Skin-electrode contact impedance test results of composite dry electrodes

2.2 不同肌力下的肌電監(jiān)測(cè)性能

3種負(fù)重(3.5、4.5、7.5 kg)下的90°屈肘肌電測(cè)試結(jié)果見圖6。由圖6可知:隨著負(fù)重的增加,3種泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極監(jiān)測(cè)到的肌電信號(hào)的振幅增大,信噪比變大;隨著負(fù)重的差值變大,監(jiān)測(cè)信號(hào)的振幅差值變大,信噪比的差值也變大。試驗(yàn)結(jié)果表明,3種泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極可以監(jiān)測(cè)不同肌力產(chǎn)生的肌電信號(hào)的差異。

圖6 不同負(fù)重下90°屈肘動(dòng)作的肌電測(cè)試結(jié)果Fig. 6 Electromyography monitoring results of 90° elbow flexion test under different weight bearing

2.3 啞鈴彎舉重復(fù)穩(wěn)定性

在5個(gè)不同日期的相同時(shí)間段(14:00—18:00),進(jìn)行3.5 kg負(fù)重的啞鈴90°彎舉和啞鈴錘式90°彎舉測(cè)試,結(jié)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(shí)IEMG及RMS指標(biāo)均大于啞鈴錘式90°彎舉時(shí)的結(jié)果,表明啞鈴90°彎舉測(cè)試時(shí)肱二頭肌發(fā)力更大。由于本試驗(yàn)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(jìn)行啞鈴彎舉時(shí),橫向舉起的啞鈴不易控制,會(huì)出現(xiàn)啞鈴碰到身體、導(dǎo)線移動(dòng)過大及持續(xù)發(fā)力時(shí)手掌發(fā)生傾斜等情況,導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度的浮動(dòng)較大,進(jìn)而影響后續(xù)對(duì)泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極信號(hào)的評(píng)價(jià)。相對(duì)而言,啞鈴錘式90°彎舉時(shí),肱二頭肌發(fā)力小,信號(hào)強(qiáng)度的浮動(dòng)小,這有利于減少動(dòng)作對(duì)肌電信號(hào)的影響。計(jì)算5組錘式90°彎舉測(cè)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(duì)這5組數(shù)據(jù)兩兩進(jìn)行t檢驗(yàn)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(dòng)作下5組測(cè)試信噪比無明顯差異,因此啞鈴錘式90°彎舉時(shí)測(cè)得的肌電信號(hào)在時(shí)域方面穩(wěn)定性較好。

表2 啞鈴90°彎舉測(cè)試的時(shí)域特征Tab. 2 Time domain characteristics of the dumbbell 90° curl test

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

對(duì)啞鈴錘式90°彎舉測(cè)試進(jìn)行頻域分析,結(jié)果見表4。由表4可知,MPF和MF值存在一定的波動(dòng)。但是對(duì)5組頻率特征值進(jìn)行兩兩t檢驗(yàn)分析:平均功率頻率的p值結(jié)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(jié)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(dòng)作下5組測(cè)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(píng)價(jià)3種泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極。

表4 啞鈴錘式90°彎舉測(cè)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(fù)合干電極與傳統(tǒng)電極的性能對(duì)比

對(duì)3種泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極與傳統(tǒng)電極在同一天進(jìn)行3.5 kg啞鈴錘式90°彎舉測(cè)試,并通過肌電信號(hào)的均方根、信噪比及平均功率頻率來評(píng)價(jià)其監(jiān)測(cè)性能,結(jié)果見表5,其中,SNR是啞鈴彎舉過程中肌肉收縮時(shí)表面肌電信號(hào)強(qiáng)度以及肌肉放松時(shí)表面肌電信號(hào)強(qiáng)度的比值,MPF是啞鈴彎舉過程中肌電信號(hào)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(fù)合干電極監(jiān)測(cè)的信號(hào)強(qiáng)度略高于傳統(tǒng)電極。這主要是因?yàn)榕菽?鍍銀針織物復(fù)合干電極的導(dǎo)電面積比傳統(tǒng)電極大,監(jiān)測(cè)的肌纖維多,因而采集的肌電信號(hào)強(qiáng)。從信號(hào)的信噪比來看,織物復(fù)合干電極的監(jiān)測(cè)性能與傳統(tǒng)電極相當(dāng)。對(duì)3種織物復(fù)合干電極兩兩進(jìn)行t檢驗(yàn),得p值依次為0.83、0.71、0.86,均大于0.05,表明3種織物復(fù)合干電極的肌電監(jiān)測(cè)性能無顯著差異。這主要是因?yàn)楸疚募‰姳O(jiān)測(cè)采用的是12 cm2的泡沫/鍍銀針織物復(fù)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(jié)構(gòu)對(duì)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(fù)合干電極監(jiān)測(cè)到的肌電信號(hào)平均功率頻率依次與傳統(tǒng)電極進(jìn)行t檢驗(yàn)對(duì)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(fù)合干電極與傳統(tǒng)電極在肌電信號(hào)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(jiān)測(cè)性能測(cè)試結(jié)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(fù)合干電極的肌電監(jiān)測(cè)性能與傳統(tǒng)電極的相當(dāng)。

3 結(jié)論

本文制備了3種泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極,并對(duì)其電氣及肌電監(jiān)測(cè)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。電氣性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明,布面平整且厚重的經(jīng)絨泡沫/鍍銀針織物復(fù)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(yōu)于其他2種泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極。肌電監(jiān)測(cè)性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明,3種泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極均能對(duì)不同肌力的肌電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè),且在啞鈴錘式90°彎舉測(cè)試中,其肌電監(jiān)測(cè)性能與傳統(tǒng)電極相當(dāng),表明泡沫/鍍銀針織物復(fù)合干電極能夠用于日常動(dòng)態(tài)肌電監(jiān)測(cè)。