Durante o processo de contração e relaxamento, os músculos humanos produzem sinais eletrofisiológicos fracos - sinais eletromiográficos. A eletromiografia da superfície (sEMG) desempenha um papel cada vez mais importante na medicina de reabilitação, na ciência esportiva, na interação humano-computador e na neuroengenharia capturando esses sinais através de eletrodos ligados à superfície da pele.

No entanto, a aquisição de sinais sEMG enfrenta dois desafios naturais. Em primeiro lugar, a amplitude dos sinais eletromiográficos de superfície está apenas no nível de microvoltos (μV), o que é facilmente sobrecarregado por ruído ambiental e artefatos de movimento. Em segundo lugar, a pele humana é um tecido biológico suave, esticável, não planar, e os elétrodos rígidos tradicionais são difíceis de alcançar a correspondência mecânica com ela. Como primeira porta para aquisição de sinais, o desempenho de eletrodos determina diretamente o limite superior da qualidade do processamento de sinais subsequente.

Atualmente, o eletrodo húmido prata/cloreto de prata (Ag/AgCl) amplamente utilizado na prática clínica é considerado como o "padrão de ouro" da aquisição de sinais biológicos, mas há três grandes defeitos congênitos: o gel seca ao longo do tempo, resultando em aumento da impedência de contato e atenuação contínua da qualidade do sinal; Os ingredientes do gel podem causar alergia cutânea, e a deficiente permeabilidade do ar pode causar vermelho e inchaço da pele; A preparação da pele consume tempo e o processo de aplicação é complexo, tornando-a inadequada para cenários portáveis diários. Sob essas limitações, eletrodos secos flexíveis se tornaram uma direção reconhecida para a evolução tecnológica na indústria.

2[UNK] Quatro propostas principais de engenharia: o limiar técnico de eletrodos eletromiográficos flexíveis de laboratório para aplicação

O eletrodo seco flexível não precisa de gel condutivo e adesivo, e pode contactar diretamente com a pele para coletar sinais. Tem as vantagens essenciais de não irritação, uso a longo prazo e reutilização. Mas para alcançar um salto de laboratório para aplicação em grande escala, é necessário abordar sistematicamente as seguintes quatro propostas essenciais de engenharia.

3[UNK] Sistema de materiais de cobertura: diversas escolhas de metais preciosos a materiais baseados em carbono

O desempenho de eletrodos eletromiográficos flexíveis está radicado em seu sistema de material condutivo. Diferentes materiais têm seus próprios compromissos em termos de condutividade, estabilidade química, biocompatibilidade e custo.

Ouro (Au)Devido à sua excelente condutividade, estabilidade química e biocompatibilidade, tornou-se o material preferido para cobertura flexível de eletrodos sEMG. A inerência química do ouro o impede de corrodir e libertar iões tóxicos em ambientes fisiológicos, tornando-o adequado para contato pele a longo prazo.Clorido de prata/prata (Ag/AgCl)É o sistema material mais comum em eletrodos biopotenciais, com baixo potencial de polarização e excelente estabilidade eletroquímica, geralmente alcançado por depositar eletrodo de prata electroquímicamente em um eletrodo de prata. Nos últimos anos, tinta eletroda seca de Ag/AgCl impressa em 3D esticável proporcionou uma nova abordagem para a fabricação flexível de eletrodos.

materiais baseados em carbonoNanotubos de carbono e grafeno atraíram muita atenção devido à sua excelente condutividade, flexibilidade mecânica e propriedades ligeiras. O eletrodo biológico ultra fino condutivo desenvolvido pela Universidade de Tecnologia de Tóquio forma uma estrutura de rede de fibras, cobrindo um material condutivo fibroso de nanotubo de carbono de uma camada no filme elastómero, e sua relação sinal-ruído é equivalente ao eletrodo gel comercial. A impedância média do eletrodo seco composto multiparede de nanotubo de carbono/polidimetilsiloxano (MWCNT-PDMS) a 10Hz é de 490,75 ± 71,57k Ω. Quando integrado em uma banda de braços portadora, a relação sinal-ruído pode atingir 34,23 ± 1,74dB (40-160Hz), o que é melhor que os resultados de controle do eletrodo húmido Ag/AgCl.

polímero condutivoPSS é atualmente um dos materiais mais amplamente pesquisados. PEDOT: O revestimento PSS pode reduzir a impedância de contato de eletrodos têxteis em mais de 85% enquanto suprime a corrosão metal. Um parche sEMG seco baseado em eletrodo híbrido de prata de grafeno foi preparado pela impressão de tela, com uma relação sinal-ruído de 11,5dB, comparável ao eletrodo Ag/AgCl (11,6dB), e uma rede de eletrodos circulares de 4 × 2 obteve gravação eletromiográfica espacialmente resolvida.

4[UNK] Processo de cobertura: uma ligação chave na conversão de propriedades materiais em confiabilidade de eletrodos

O processo de revestimento é o passo central na tradução das vantagens teóricas dos materiais condutivos para o desempenho real dos elétrodos. Quanto às quatro propostas principais de engenharia de eletrodos eletromiográficos flexíveis,Instituto Avançado de TecnologiaConstruí um sistema técnico completo de materiais a processos.

• Avançamento na integração da interface - ativação do pré-tratamento plasma.Em resposta ao problema da indústria de força insuficiente de ligação entre substratos de metal e polímero, o processo de pré-tratamento plasma desenvolvido pela Advanced Institute Technology melhora efetivamente a força de ligação entre o substrato e a camada de metal bombardeando a superfície do substrato com plasma. Cooperar com o design de revestimento gradiente para alcançar transição de estresse de substrato para camada de metal, evitando efetivamente o descomposto da interface causado por diferenças módulas. O revestimento tem uma centena de adesão à rede de nível 5B e uma força de descomposto superior a 0,8N/mm.
• Avançamento na qualidade de cobertura - Electroplação de pulso.Introduzindo tecnologia de eletroplatagem de pulso, ao controlar exatamente o tempo de troca e a frequência da corrente, a porosidade do revestimento é efetivamente reduzida, e a densidade e uniformidade do revestimento são melhoradas.
• Avançamento na Proteção Ambiental e Segurança - Plateamento de Ouro livre de ciano.O uso de tecnologia de cobertura de ouro livre de ciano no processo de cobertura de ouro tem vantagens significativas na redução da poluição ambiental e melhoria da segurança operacional.

5[UNK] Principais considerações de desempenho e seleção

Informação pública da indústria global eInstituto Avançado de TecnologiaOs parâmetros chave de seleção de eletrodos eletromiográficos flexíveis baseados em dados técnicos são os seguintes:

Os engenheiros devem focar nas seguintes dimensões ao selecionar eletrodos eletromiográficos flexíveis:

• O cenário de aplicação determina o caminho material.O sistema Ag/AgCl pode ser escolhido para diagnóstico clínico de curto prazo; O monitoramento portable a longo prazo deve priorizar o uso de sistemas de materiais de ouro ou de carbono para alcançar impedância mais estável a longo prazo e melhor biocompatibilidade.
• A impedência de contato é o primeiro limiar para qualidade do sinal.Ao selecionar, a atenção deve ser prestada às características de impedância do eletrodo na banda de frequência alvo (sinal efetivo sEMG concentrado em 20-500Hz), em vez de apenas focar no valor nominal numa única frequência.
• A estabilidade de adesão e deformação do revestimento determina a confiabilidade a longo prazo.A adesão ao nível 5B (ASTM D3359 mais alto grau) é o limiar de processo para assegurar que o eletrodo não se separa durante a dobra repetida, aplicação e infiltração do suor.
• A precisão do processamento satisfaz os requisitos de arrays de alta densidade.Os arrays sEMG de alto canal requerem precisão de padronização de nível de micrometros, e os fornecedores que apoiam rolamento para rolar produção contínua e processos de revestimento de precisão devem ser selecionados.

6. Conclusão

A essência de eletrodos eletromiográficos flexíveis é estabelecer um canal de sinal estável, baixo ruído e biológicamente amigável entre dispositivos eletrônicos rígidos e pele suave e dinâmica. Utiliza substratos flexíveis para corresponder às propriedades mecânicas da pele, camadas condutivas baseadas em ouro/prata/carbono para assegurar qualidade do sinal, pré-tratamento do plasma e processos de eletroplatização de pulso para converter a inerência química do material em desempenho confiável a longo prazo - os quatro trabalham juntos para responder a uma questão de engenharia central: como fazer o eletrodo tão suave quanto a pele enquanto ainda entende a linguagem dos músculos.

A mudança de paradigma de eletrodos húmidos para eletrodos secos flexíveis reflete a modernização da tecnologia sEMG de "detecção clínica a curto prazo" para "monitoramento diário a longo prazo". Entender as restrições mútuas entre as quatro grandes propostas de engenharia, os limites de desempenho de diferentes sistemas de materiais de revestimento, e o papel decisivo dos processos de revestimento na confiabilidade a longo prazo dos eletrodos - estas são a chave para actualizar eletrodos eletromiográficos flexíveis de um "dispositivo sensor" para uma "decisão de engenharia".