Progrès de la recherche sur la technologie de revêtement d'électrodes non invasives flexibles pour l'acquisition d'électromyographie de surface

I. Introduction

L'électromyographie de surface (EMG) joue un rôle de plus en plus important dans la médecine de réadaptation, les sciences du sport, l'interaction homme - machine et la neuroingénierie en tant que moyen non invasif de détection de l'activité électrique des muscles. Avec le développement rapide des dispositifs médicaux portables et de l'électronique flexible, les exigences de performance pour les électrodes d'acquisition sEMG continuent d'augmenter - nécessitant non seulement une bonne conductivité et une fidélité du signal, mais également une flexibilité, une biocompatibilité et un confort de port à long terme.

La technologie de revêtement d'électrode, en tant que lien clé pour améliorer les performances des électrodes flexibles, détermine directement la conductivité, l'impédance de contact, le rapport signal / bruit et la durée de vie des électrodes. Au cours des dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans les matériaux de revêtement et les innovations de processus autour des électrodes flexibles sEMG, fournissant un support technique solide pour l'acquisition de signaux électromyographiques non invasifs haute performance.

II. Exigences techniques pour le revêtement d'électrode flexible sEMG

Le revêtement de l'électrode flexible sEMG doit répondre aux exigences de base suivantes:

• Faible impédance de contact.L'impédance de l'interface électrode - peau est un paramètre clé qui affecte la qualité du signal. Une faible impédance signifie une plus grande efficacité de transmission du signal et un meilleur rapport signal sur bruit. Des études ont montré que l'impédance de l'interface peut être efficacement réduite grâce à une sélection rationnelle des matériaux de revêtement et à l'optimisation du processus.
• Haute conductivité et stabilité.La couche de revêtement doit avoir d'excellentes propriétés de conductivité électrique et maintenir des propriétés électriques stables dans des conditions de déformation mécanique telles que la flexion répétée, l'étirement et d'autres.
• Bonne biocompatibilité.En tant que dispositif en contact direct avec la peau, le matériau de revêtement doit être non toxique, non irritant et répondre aux exigences de biosécurité pour un port à long terme.
• Flexibilité et adhérence.La couche de revêtement doit être fermement liée à la base flexible, ne se détache pas et ne se fissure pas dans les courbes, les torsions et d'autres scénarios d'utilisation dynamique.

Iii. Matériaux de revêtement principaux et leurs caractéristiques

3.1 matériaux de revêtement métallique

Or (au).L'or est l'un des matériaux préférés pour les revêtements d'électrodes flexibles sEMG en raison de son excellente conductivité, de sa stabilité chimique et de sa biocompatibilité. Des études ont montré que les électrodes dorées (épaisseur d'environ 2 µm) sur un substrat flexible en polyimide (PI) ont une impédance plus faible, permettant d'obtenir une ligne de base stable et un bon signal sEMG. Le processus d'électrode à film d'or préparé par la méthode de placage chimique est simple, rentable et peut être réalisé dans des conditions expérimentales conventionnelles.

Argent (AG) avec argent / chlorure d'argent (AG / AgCl).Argent / chlorure d'argent est le système de matériau le plus commun dans les électrodes potentiométriques biologiques, généralement réalisé par dépôt électrochimique d'une fine couche de chlorure d'argent sur l'électrode d'argent. Ces dernières années, les encres d'électrode sèches AG / AgCl imprimables en 3D ont donné lieu à de nouvelles idées pour la fabrication d'électrodes flexibles. De plus, les électrodes fibreuses recouvertes d'argent améliorent la flexibilité tout en garantissant la conductivité électrique en construisant une structure multicanale tridimensionnelle.

Cuivre (Cu).Le cuivre a une bonne conductivité et un avantage de coût, souvent utilisé en composite avec des matériaux tels que l'or. La métallisation à haute efficacité sur des substrats flexibles tels que le PET peut être réalisée grâce à un placage chimique de cuivre associé à une technologie de modification sans dommage.

3.2 matériaux de revêtement à base de carbone

Les nanotubes de carbone (NTC), les matériaux à base de carbone tels que le Graphène et d'autres ont attiré l'attention dans le domaine des électrodes flexibles sEMG en raison de leur excellente conductivité, de leur flexibilité mécanique et de leurs propriétés légères.

L'Université de technologie de Tokyo a développé une électrode ultra - mince conductrice d'organisme qui forme une structure fibreuse de maille en enduisant un matériau conducteur fibreux de nanotube de carbone (SWCNT) monocouche sur un film mince d'élastomère avec un rapport signal sur bruit comparable à celui des électrodes de gel disponibles dans le commerce.

Les électrodes flexibles en Graphène peuvent être préparées par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) d'une seule couche de Graphène à la surface d'une feuille de cuivre, puis par des étapes telles que l'enduction d'un polymère polymère flexible et la gravure de la Feuille de cuivre. Le film de Graphène monocouche a une excellente conductivité électrique et des propriétés mécaniques, ce qui peut réduire efficacement les pertes et les interférences du signal myoélectrique de surface. L'impédance de contact de l'électrode de Graphène poreux induite par laser peut être aussi faible que 17 kΩ (100 Hz) environ.

3.3 matériau de revêtement polymère conducteur

PEDOT:PSS。Le Poly (3,4 - éthylènedioxythiophène): polystyrène sulfonate (pedot: PSS) est actuellement l'un des polymères conducteurs les plus étudiés. Le revêtement pedot: PSS réduit l'impédance de contact des électrodes textiles de plus de 85% tout en inhibant l'oxydation du métal. Le revêtement pedot: PSS peut améliorer l'impédance de l'électrode jusqu'à 99,3% dans une structure d'électrode microconique tridimensionnelle. Pedot: PSS avec le revêtement Nanocomposite mxene a montré d'excellentes performances dans la peau électronique extensible.

3.4 matériaux bidimensionnels émergents tels que mxene

Mxene (comme ti₃c₂tₓ) est une classe émergente de carbones / Nitrures de métaux de transition bidimensionnels qui combinent une conductivité de qualité métallique (pouvant aller jusqu'à 2000 S / M) et d'excellentes performances de traitement en solution. Les électrodes flexibles à base de mxene permettent l'acquisition de signaux myoélectriques de surface sans gel, à haute densité et à haute résolution, démontrant un potentiel énorme dans le domaine des bioélectrodes flexibles de nouvelle génération.

Iv. Technique de processus de revêtement typique

4.1 processus d'impression flexible

Le processus d'impression flexible est une voie technologique bien établie pour la préparation de matrices d'électrodes sEMG. Le procédé utilise un matériau flexible tel que le Polyimide (PI) comme support pour former un revêtement conducteur par impression dans la zone spécifiée. Les matrices d'électrodes préparées avec ce processus présentent les avantages d'une petite taille, d'un faible coût et d'une production en série. L'épaisseur du matériau porte - électrode peut être aussi fine que 50 µm, avec une grande flexibilité mécanique, capable de s'adapter à une variété de surfaces cutanées courbes.

4.2 technologie d'impression jet d'encre

L'impression jet d'encre en tant que technologie de fabrication Additive offre une grande commodité pour le prototypage rapide et la conception personnalisée d'électrodes flexibles. Les chercheurs ont passé en flexible kapton ® Impression jet d'encre sur le substrat encre à base d'argent, la matrice d'électrodes haute densité sEMG a été préparée avec succès, avec de bonnes propriétés électriques en termes de résolution, de résistance et d'impédance de contact électrode - peau.

4.3 revêtement de Pulvérisation magnétron

La Pulvérisation magnétron est une technique qui consiste à bombarder une cible par des particules de haute énergie dans un environnement sous vide, permettant aux atomes de la cible de se déposer à la surface du substrat pour former un film mince. Cette méthode peut être utilisée pour préparer un film conducteur métallique homogène et dense sur un substrat flexible. Grâce au placage sous vide d'une couche métallique sur la surface du réseau d'électrodes micro - aiguilles flexibles, un placage d'électrodes de texture uniforme peut être obtenu, avec un processus simple, un faible coût et une production en série facile. La technique de Pulvérisation magnétron peut également être utilisée pour le traitement de métallisation d'électrodes textiles.

4.4 placage chimique et dépôt électrochimique

Le placage chimique (sans dépôt électrochimique) et le dépôt électrochimique sont des moyens complémentaires importants pour la préparation du revêtement métallique. Le placage d'or chimique permet la préparation d'électrodes à film d'or dans des conditions expérimentales conventionnelles, avec un processus simple et rentable. L'électrode argent / chlorure d'argent forme alors généralement une fine couche de chlorure d'argent à la surface de l'électrode d'argent par dépôt électrochimique.

4.5 processus de pulvérisation et de revêtement

Le procédé de pulvérisation permet de déposer le matériau conducteur sous forme de film mince directement sur le substrat souple, voire de le pulvériser directement sur la surface de la peau. En pulvérisant des encres Nano - Puces bidimensionnelles biocompatibles, un film conforme de Van der Waals peut être formé sur la surface du corps, permettant l'acquisition de signaux bioélectriques à faible impédance. Le Polymère conducteur pedot: PSS peut également être appliqué sur des électrodes de Graphène poreux tridimensionnel par pulvérisation.

V. optimisation des performances de la technologie de revêtement

5.1 réduire l'impédance de contact

Le principal défi des électrodes sEMG flexibles consiste à réduire l'impédance de l'interface électrode - peau. Des études ont montré que l'utilisation d'un processus de dorure réduit l'impédance de l'électrode à un niveau inférieur. L'impédance de contact des électrodes textiles peut être réduite de plus de 85% grâce à la modification de revêtement pedot: PSS. Les électrodes sèches imprimées en 3D, basées sur des procédés de plaquage chimique du cuivre et de l'or, ont une impédance moyenne électrode - peau allant jusqu'à 66,7 kΩ à une fréquence de 50 Hz, comparable à celle des électrodes humides commerciales.

5.2 amélioration du rapport signal / bruit

Le rapport signal sur bruit (SNR) est un indicateur central de la qualité du signal d'une électrode. Les matériaux à base de carbone se distinguent à cet égard - le rapport signal sur bruit peut atteindre 48659 DB pour les électrodes de Graphène induites par laser et 16,8 DB pour les électrodes d'oxyde de Graphène réduit (rgo).

5.3 amélioration de la stabilité mécanique

La stabilité des performances de l'électrode flexible dans des conditions de déformation répétée est essentielle. Les électrodes myoélectriques de surface flexibles (PDMS / pâte d'argent / squelette fibreux) de la structure à trois couches présentent une excellente stabilité mécanique avec un taux de variation de résistance inférieur à 3% après 1000 Pliages.

Vi. Perspectives et perspectives d’application

Avec la fusion croisée de l'électronique flexible, des nanomatériaux et des technologies de fabrication avancées, la technologie de revêtement d'électrode flexible et non invasive de sEMG évolue rapidement vers des performances plus élevées, un coût inférieur et un port plus confortable.

• Matrice sEMG haute densité.Les progrès de la technologie de revêtement ont permis la préparation de réseaux d'électrodes à haute densité, fournissant une base matérielle pour l'acquisition d'informations spatio - temporelles haute définition sur l'activité musculaire.
• Surveillance portable à long terme.L'électrode sèche flexible ne nécessite pas de gel conducteur, évite les problèmes de déshydratation des électrodes humides traditionnelles, d'irritation de la peau, etc., et convient à la surveillance continue à long terme des scénarios.
• Interaction homme - machine intelligente.Le système sEMG portable basé sur un réseau d'électrodes sèches conforme a permis une classification en temps réel de la reconnaissance gestuelle avec une précision de reconnaissance pouvant atteindre plus de 97%.

À l'avenir, avec l'émergence continue de nouveaux matériaux de revêtement (tels que mxene, composites polymères conducteurs) et l'optimisation continue des processus de revêtement (tels que l'impression de rouleau à rouleau, la pulvérisation de grande surface), les électrodes flexibles non invasives sEMG devraient jouer un rôle plus important dans les domaines de la médecine intelligente, de la réadaptation sportive, de l'interaction de réalité virtuelle, etc.

Vii. Advanced Academy (Shenzhen) Technology Co., Ltd: leader de l'innovation dans la technologie de revêtement d'électrode flexible

Fondée en 2016, Advanced House (Shenzhen) Technology Co., Ltd (ci - après dénommée « Advanced House technology») est une entreprise de haute technologie axée sur les matériaux de blindage, les matériaux isolants, les matériaux conducteurs de chaleur et le revêtement de métaux précieux. La société possède une marque déposée indépendante "Research Platinum", des sites de production à Shenzhen et Dongguan, a passé la certification du système de gestion de la qualité ISO9001, les produits sont conformes aux normes militaires pertinentes GJB 773a et aux exigences environnementales ROHS.

Dans le domaine du revêtement d'électrode flexible, la technologie avancée de l'Académie prend la technologie de revêtement métallique comme noyau, développant des solutions de revêtement de substrat flexible de trois catégories: argent plaqué, or plaqué, platine plaqué. La société a construit de manière autonome la ligne de production bobine à bobine de Pulvérisation magnétron et de placage à la vapeur sous vide, qui peut déposer une couche métallique en continu sur une variété de surfaces de film polymère flexible telles que Pi (polyimide), PET, FEP, etc., avec un revêtement uniforme, une forte adhérence et un soutien à l'approvisionnement à l'échelle. En réponse à l'énigme du manque de force de liaison du métal avec le substrat macromoléculaire, la société a développé un processus de prétraitement par plasma qui améliore efficacement la force de liaison entre le substrat et la couche métallique; La technologie de placage d'or sans cyanogène est utilisée dans le processus de placage d'or, en tenant compte de la protection de l'environnement et de la sécurité.

La série de produits d'électrodes flexibles extensibles de la surface de peau lancée par Advanced Academy Technology utilise une structure composite de base en élastomère avec une couche fonctionnelle hautement conductrice, capable de s'adapter étroitement à la courbe du corps humain et d'acquérir en permanence des signaux sEMG de haute qualité dans des environnements dynamiques tels que le mouvement, La contraction musculaire et d'autres. La société maîtrise les nanotubes de carbone, le Graphène, PEDOT:PSS、 Nanofils d'argent, mxene et d'autres systèmes de matériaux de couche fonctionnelle conductrice multivariée, peuvent être flexibles pour personnaliser le schéma d'électrode en fonction de différents scénarios d'application. En outre, la pâte d'électrode de platine de la série de plaques de platine de recherche et de développement de la société fournit un support matériel de haute performance pour les applications de bioélectrode avec des propriétés de conductivité exceptionnelles, une biocompatibilité d'un autre monde et une capacité de travail stable à long terme.

Du revêtement de métaux précieux de substrats flexibles aux boues de bioélectrode, des électrodes étirables de surface en cuir aux solutions de revêtement de sonde nerveuse, la technologie avancée de l'Académie continue de stimuler l'innovation et l'industrialisation de la technologie de revêtement d'électrode flexible et non invasive. À l'avenir, la société continuera à travailler en profondeur dans le domaine des matériaux électroniques flexibles pour fournir des composants et des solutions de base haute performance et haute fiabilité pour des applications de pointe telles que l'acquisition électromyographique de surface, la surveillance de la santé portable et les interfaces cerveau - machine.

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