可实现高精度肌群激活映射及反解的全3D打印柔性高密度表面肌电电极阵列

来源： SoRoSJTU

高密度表面肌电电极采用多个紧密间隔的电极覆盖在限定的皮肤表面，无创检测人体激发的电生理信号，广泛应用于临床及人机接口领域。然而，现有的高密度表面肌电电极制造方法通常受限于高额的制造设备、复杂的制造流程以及缺乏的数字化方法，导致低价、定制化的高密度电极难以应用到例如肌群特征信息感知及人机接口领域等实际应用中。因此，如何定制化设计制造柔性高密度肌电电极阵列仍是该领域的关键挑战。

针对上述挑战，我们提出了一种基于多材料墨水直写的全3D打印方法，在实现柔性高密度电极阵列简易高效制造的同时，让其仍具有良好的电学特性（信噪比提升32.2%）及打印结构强度，实现了手臂肌群激活的精确映射及信号反解。近日，该论文以“All 3D-Printed Soft High-Density Surface Electromyography Electrode Arrays for Accurate Muscle Activation Mapping and Decomposition” 为题发表于 Advanced Functional Materials 期刊 （见文末论文链接[1]）。该工作通过设计可全打印的堆叠式阵列电极结构，选择合理的打印材料，并进行多材料墨水打印评估及打印参数优化选择，最终依据提出的全3D打印制造策略，实现了柔性高密度电极阵列的连续定制化集成制造。在综合性表征电极性能的基础上，进一步探索了全打印高密度肌电电极阵列在新型人机接口等领域的实际应用。

结构设计
基于自下到上的打印约束条件，我们设计了一种具备32通道多层堆叠薄膜结构的高密度电极阵列，包括平面基底层、4×8阵列式圆形电极导电层、多孔柔性封装层和微凸的电极填充层。选用稳定柔韧的PI作为基底层，能够与广泛的材料建立良好稳定的打印连接界面。导电层选用可拉伸银浆作为导电材料，各电极间距为8mm，直径为3mm。封装层使用Ecoflex 0030硅胶提升电极柔顺性，贴合皮肤。同时避免通道间信号串扰，提升信号采集稳定性。微凸填充层同样选用可拉伸银浆，能够在无导电凝胶的情况下与皮肤建立良好的导联通路。为简化高密度电极的制造流程，亟需一种数字化集成化方式制造所设计的多层各异的电极结构。我们认为具备良好墨水适应性的墨水直写（DIW）3D打印技术，是该柔性高密度多功能层结构的理想制造方式。

图1 全3D打印柔性高密度电极阵列的结构及制造方法

全打印工艺

由于所设计的电极结构包含弯折的导电银线、圆柱状银堆叠体、多孔硅胶平面，让精确打印多材料、多结构的高密度电极成为难点。因此，我们首先基于DIW打印机理，根据所选打印材料，研究多材料、大粘弹性差异墨水的打印特性。分别针对性研究了拉伸银浆和Ecoflex 0030墨水的打印线宽与打印气压P和打印速度Vp的关系。根据显微镜观测打印线宽，按照打印线型及线宽畸变，将拉伸银浆、Ecoflex0030硅胶的打印参数进行分区，并权衡打印效率及打印精度，分别为不同打印层选取优化的打印参数。基于选取的打印参数，设计合理的打印间距和电极结构层图案，并提出了一种四步式连续全打印策略，实现柔性高密度电极的逐层无缝集成式打印制造。为验证上述设计方法及工艺的可行性，我们又进一步制造了仿肌腹轮廓的纺锤形电极，展示了全3D打印工艺定制化制造能力。

图2 多材料打印评估

性能表征
我们进一步表征了基于全3D打印柔性高密度电极阵列的机械及电学性能。经过1000次循环弯压测试，电极结构依然完整未发生任何材料结构脱落，且自身电阻未产生较大波动。同时我们对电极电学性能进行了验证，以确保实现肌电信号精确采集。因此，我们采用标准的三电极法，分别对传统的凝胶Ag/AgCl电极与单一打印电极、阵列打印电极进行皮肤电极阻抗测试。结果显示，单一打印电极和阵列电极在未施加导电膏情况下，与大面积Ag/AgCl导电凝胶电极具备相似的皮肤电极阻抗特性。随后，又进一步用打印阵列电极分别与Ag/AgCl电极、商用OT高密度电极进行信噪比对比实验，结果显示打印阵列高密度电极在30%自主最大发力下相比商用电极信噪比提升了32.2%。

图3 高密度电极阵列电学性能表征

应用I：肌群映射
我们将全3D打印柔性高密度电极阵列应用于人体前臂肌群的激活映射探测。通过将打印柔性高密度电极贴敷到指浅屈肌表面，记录随手势变化的阵列高密度肌电信号，绘制随时间变化的RMS肌电热力图，监测肌群激活的时空变化特性。结果表明，针对单一手势状态，高密度电极阵列能够清晰映射出单一手势激活中心随时间产生波动。针对连续手势切换，高密度电极阵列能够清晰映射出指浅屈肌激活中心随不同动作发生空间的转移变化。

图4 高精度肌群激活映射

应用II：肌电反解
高密度电极阵列作为新一代人机接口领域的重要应用工具，所采集的高密度表面肌电信号需要能够反解出足够可信的运动单元放电序列（MUAPTs）。因此，我们将全3D打印高密度电极阵列应用到人体前臂高密度肌电信号反解中，探索应用于人机接口领域的可行性。结果表明，通过使用反解算法离线分解高密度电极采集的单一动作阵列肌电信号，得到了可信的运动单元放电序列及波形。随后进一步反解了连续动作下的高密度肌电信号，得到了具备手势区分度的运动单元放电序列，这表明了全打印高密度电极应用于新型人机接口领域的可能性。由于所提出的全打印工艺能够支撑定制化设计制造各异的高密度电极阵列，这将进一步推动基于高密度肌电反解人机接口技术的革新。

图5 全打印高密度电极肌电反解验证

总结与展望
本工作提出了一种简化的全3D打印制造工艺，实现了柔性高密度肌电电极阵列的集成化、定制化制造。基于DIW打印技术，两种具备较大粘弹性差异墨水的打印特性得到深入探究，合理的打印图案设计及打印参数选择，实现了高密度电极阵列的连续定制化制造。综合性的电极性能测试表明打印阵列电极具备良好的机械与电学特性，能够在无导电胶情况下实现肌电信号采集信噪比的显著提升。还将全打印阵列电极应用到肌群激活映射和肌电反解验证中，结果显示阵列电极能够精确探测肌群激活的时空特性，能够保证反解出可信的运动单元放电序列，有望应用到基于高密度表面肌电反解的人机接口领域中。

上海交通大学博士研究生赵诣为论文的第一作者，上海交通大学谷国迎教授和朱向阳教授为论文通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金，上海市科委项目的资助。


论文信息：Yi Zhao, Chen Chen, BaoYang Lu, Xiangyang Zhu, Guoying Gu. “All 3D-Printed Soft High-Density Surface Electromyography Electrode Arrays for Accurate Muscle Activation Mapping and Decomposition”, Advanced Functional Materials, 2023, 2312480.

论文链接：

[1] https://doi.org/10.1002/adfm.202312480