肌电监测泡沫/镀银针织物复合干电极的制备及性能评价

石峻铭 胡吉永 韩雅婧

1. 东华大学 a.纺织学院, b.纺织面料技术教育部重点试验室,上海 201620;2. 上海工程技术大学 城市轨道交通学院,上海 201620

随着社会的发展,帕金森病、肌萎缩侧索硬化及纤维肌痛等肌肉神经疾病严重危害人们的健康。需要开发一种可穿戴的肌电监测电极,如此人们可在日常生活中健康、舒适、高质量地监测肌电,从而实时了解自身的健康情况,早发现、早医治疾病。

目前,医院主要通过针电极或传统凝胶电极进行肌电信号监测,该肌电信号可用于神经肌肉疾病的诊断,但是针电极在监测时需要刺入皮肤,易于造成创伤[1];传统凝胶电极无需侵入人体,但是皮肤长期与凝胶接触,可能会造成皮肤过敏[2-3]:因此它们都不适合用作日常可穿戴肌电监测的电极。织物干电极能够无创伤、无过敏,健康舒适地进行肌电监测,成为可穿戴肌电监测电极的关注重点。

现有的肌电监测织物干电极种类繁多,如波型刺绣织物干电极[4]、金/银织物干电极[5]、碳/银织物干电极[6]等,且部分织物干电极已经通过与服装集成的方式,实现了具有一定质量的肌电监测。但在进行动态肌电监测时,电极与皮肤之间存在相对滑移问题[7],这会引起动态噪声干扰,影响肌电信号的识别与应用。带有泡沫层的针织结构织物干电极布面柔软,且附有柔软的泡沫层,这使得其在一定外力的作用下能够较好地与皮肤接触,从而降低皮肤与电极滑移产生的噪声干扰[8],适合用于可穿戴肌电监测。本文通过热压工艺将泡沫层附着在商业推荐的3种典型镀银针织电极布表面,制成泡沫/镀银针织物复合干电极,然后对其交流阻抗、皮肤-电极接触阻抗性能及肌电监测性能进行测试,分析泡沫/镀银针织物复合干电极的电气性能及肌电监测性能,探究它们用于日常动态肌电监测的可行性。

1 试验部分

1.1 研究对象

25岁男性大学生,身高174 cm,体重77 kg,身体状况良好,2年内没有肱二头肌损伤的病史。

1.2 材料与仪器

商用Ag/AgCl电极,KEYSIGHT-DSOX3014 T型示波器,电化学工作站,双罗纹镀银织物电极布,经平镀银织物电极布,经绒镀银织物电极布,肌电监测电路板,3 mm厚的泡沫层,热熔胶布,导线,弹性织物带,医用胶带,酒精棉片等。3种导电织物的基本参数见表1,其形貌特征见图1。

图1 3种导电织物的形貌特征Fig. 1 Morphological characteristics of three kinds of conductive fabrics

表1 3种导电织物的基本参数Tab. 1 Basic specification parameters of three types of conductive fabrics

1.3 泡沫/镀银针织物复合干电极的制备

将泡沫层、热熔胶布及镀银针织物电极布按照上中下顺序摆放,以减少热压工艺对镀银针织物电极布的损伤;然后将蒸汽熨斗调节到羊毛温度档(即有雾模式),对其进行热压处理;热压3～4 s,使得中间层热熔胶布完全融化,从而将泡沫层和镀银针织物黏合在一起,制成泡沫/镀银针织物复合干电极,具体流程见图2。

图2 泡沫/镀银针织物复合干电极的制备Fig. 2 Preparation of foam/silver-plated knitted composite dry electrodes

1.4 泡沫/镀银针织物复合干电极的电气性能评价

电气性能测试主要包括方阻测试、交流阻抗测试及皮肤-电极接触阻抗测试3部分。通过精密方阻测试仪,采用笔形针式测试极对泡沫/镀银针织物复合干电极的方阻进行测试。交流阻抗测试通过电化学工作站,采用三电极体系进行测试,其扫描频率根据肌电信号频率的分布而定,设置为10～500 Hz,电压为0.1 V(开路电压),以1 cm2泡沫/镀银针织物为工作电极(实际浸入溶液面积为0.6 cm2)、铂电极为对电极、Ag/AgCl为参比电极,电解液采用磷酸盐缓冲溶液(PBS 0.01 mol/L,pH值为7.4,兰杰柯科技有限公司)。

皮肤-电极接触阻抗也通过电化学工作站进行测试,扫描频率为10～500 Hz,电压为0.03 V(开路电压)。采用双电极直接测量法,此方法能够在肌电监测部位进行皮肤-电极接触阻抗测试,能够更加真实地反映肌电监测时的阻抗大小。具体方法:将皮肤-电极视为一个整体,通过测量两电极间的阻抗以及人体组织液的阻抗,计算皮肤-电极的接触阻抗,测量过程见图3。由于人体组织液阻抗较低(约为150 Ω[9]),而皮肤-电极的接触阻抗在1 kΩ以上,因此可以忽略人体组织液的阻抗。此时,阻抗测量仪的读数近似为皮肤-电极阻抗的2倍。

图3 双电极直接测量法示意图Fig. 3 Schematic of two-electrodes direct measurement method

1.5 泡沫/镀银针织物复合干电极的肌电监测性能评价

本文以肱二头肌为监测对象,通过90°屈肘动作对泡沫/镀银针织物复合干电极的肌电监测性能进行测试[10-11]。先采用体积分数为75%的酒精棉片清洁皮肤表面,然后将2个4 cm×3 cm的方形泡沫/镀银针织物复合干电极按照2 cm的电极间距放置在肱二头肌的肌腹部位[12-13],并使用医用胶带和弹性织物带将其固定,最后进行肌电监测。测试内容包含两方面:(1)在不同负重(3.5、4.5、7.5 kg)下做90°屈肘动作,测量不同肌力产生的肌电信号差异。要求测试者坐在座椅上,身体挺直,手持哑铃,手臂自然下垂在身体一侧,然后以肘关节为支撑点弯曲到90°,再恢复自然下垂状态,动作用时共计6 s,每次完成动作后测试者休息3 min,以免肌肉疲劳影响测试结果。(2)在负重3.5 kg下,通过传统电极对2种90°屈肘动作(哑铃弯举[14]和哑铃锤式弯举[15])进行肌电监测,对比这2种动作的重复稳定性,再选取其中稳定的动作对泡沫/镀银针织物复合干电极及传统电极的肌电性能进行比较,测试结果为10次弯举测试的平均值。

测得的肌电信号先通过350倍差分放大器和5 Hz的高通滤波器进行降噪处理,然后通过采样频率为2 000 Hz的示波器显示输出。由于示波器输出的肌电信号仍存在低频噪声和工频干扰,本文采用4阶巴特沃斯10～500 Hz带通滤波器以及50 Hz陷波滤波器对输出的肌电信号再次进行降噪处理[16-17]。

降噪后的肌电信号通过肌电均方根(RMS)、积分肌电(IEMG)、平均功率频率(MPF)、中值频率(MF)及信噪比(SNR)等指标进行评价。肌电信号的RMS值和IEMG值是肌电信号的时域指标[18],其中,肌电信号的RMS是肌肉放电的有效值,表示一段时间内肌肉放电的平均水平,能直接反映肌肉收缩时产生的能量大小,IEMG则表示一段时间内骨骼肌的放电总量;可通过MATLAB软件直接计算,常用于肌肉疲劳和肢体康复等的评价[19-20]。MPF和MF是肌电信号的频域指标,其中,MPF是过功率谱曲线重心的频率,MF则是骨骼肌放电收缩时肌纤维放电频率的中间值;需通过MATLAB软件对表面肌电信号进行快速傅里叶变换,待获取表面肌电信号的频谱图或功率谱图后再进行计算[21];常用于运动训练[22]、肌肉疲劳[23]和肌肉损伤康复[24]等的评价。肌电信号的SNR常用于评价电极监测肌电信号的质量,可通过肌肉收缩时表面肌电信号的均方根(肌电信号的电压)以及肌肉放松时表面肌电信号的均方根(噪声的电压)进行计算[25]。

2 结果与分析

2.1 电气性能

经平泡沫/镀银针织物复合干电极、经绒泡沫/镀银针织物复合干电极,以及双罗纹泡沫/镀银针织物复合干电极的方阻测试结果依次为(0.37±0.02)、(0.18±0.01)及(0.43±0.03) Ω,可以看出,经绒泡沫/镀银针织物复合干电极的方阻性能略优于其他2种泡沫/镀银针织物复合干电极。

交流阻抗测试结果如图4所示。由图4可知,经绒泡沫/镀银针织物复合干电极在10～500 Hz内的阻抗始终小于其他2种泡沫/镀银针织物复合干电极。这主要是因为厚重的经绒镀银针织物布面平整,这使其能与电解液接触得更加充分,因此产生的交流阻抗较低。10 Hz下,双罗纹泡沫/镀银针织物复合干电极的交流组抗[(92.26±8.18)Ω]和经平泡沫/镀银针织物复合干电极的交流组抗[(96.55±3.04 )Ω]相近,表明两者的电气性能相近。

图4 复合干电极的交流阻抗测试结果Fig. 4 Alternating current (AC) impedance test results of composite dry electrodes

皮肤-电极接触阻抗测试结果如图5所示。由图5可知,不同频率下,经绒泡沫/镀银针织物复合干电极的皮肤-电极接触阻抗低于其他2种泡沫/镀银针织物复合干电极。这主要是因为厚重的经绒镀银针织物布面平整,这使其能在力的作用下与皮肤更好地接触,从而产生较低的皮肤-电极接触阻抗。双罗纹泡沫/镀银针织物复合干电极在10 Hz下的皮肤-电极接触阻抗为(73.46±7.26)kΩ,经平泡沫/镀银针织物复合干电极在10 Hz下的皮肤-电极接触阻抗为(74.35±2.67)kΩ,前者的皮肤-电极接触阻抗略低于后者,这主要是因为双罗纹泡沫/镀银针织物复合干电极的表面较为紧密,与皮肤间的接触面积更大,从而接触阻抗低于泡沫/镀银针织物复合干电极的。

图5 复合干电极的皮肤-电极接触阻抗测试结果Fig. 5 Skin-electrode contact impedance test results of composite dry electrodes

2.2 不同肌力下的肌电监测性能

3种负重(3.5、4.5、7.5 kg)下的90°屈肘肌电测试结果见图6。由图6可知:随着负重的增加,3种泡沫/镀银针织物复合干电极监测到的肌电信号的振幅增大,信噪比变大;随着负重的差值变大,监测信号的振幅差值变大,信噪比的差值也变大。试验结果表明,3种泡沫/镀银针织物复合干电极可以监测不同肌力产生的肌电信号的差异。

图6 不同负重下90°屈肘动作的肌电测试结果Fig. 6 Electromyography monitoring results of 90° elbow flexion test under different weight bearing

2.3 哑铃弯举重复稳定性

在5个不同日期的相同时间段(14:00—18:00),进行3.5 kg负重的哑铃90°弯举和哑铃锤式90°弯举测试,结果见表2和表3,其中,IEMG是哑铃弯举过程中骨骼肌的放电总量,RMS是哑铃弯举过程中肌肉放电的均方根。由表2和表3可知,哑铃90°弯举时IEMG及RMS指标均大于哑铃锤式90°弯举时的结果,表明哑铃90°弯举测试时肱二头肌发力更大。由于本试验采用的哑铃长35 cm、哑铃片的直径为16.5 cm,体积比较大,在进行哑铃弯举时,横向举起的哑铃不易控制,会出现哑铃碰到身体、导线移动过大及持续发力时手掌发生倾斜等情况,导致信号强度的浮动较大,进而影响后续对泡沫/镀银针织物复合干电极信号的评价。相对而言,哑铃锤式90°弯举时,肱二头肌发力小,信号强度的浮动小,这有利于减少动作对肌电信号的影响。计算5组锤式90°弯举测试的信噪比(19.76±0.92、19.95±0.86、20.08±0.54、19.79±0.73、19.75±0.66),对这5组数据两两进行t检验分析,得p值依次为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,表明此动作下5组测试信噪比无明显差异,因此哑铃锤式90°弯举时测得的肌电信号在时域方面稳定性较好。

表2 哑铃90°弯举测试的时域特征Tab. 2 Time domain characteristics of the dumbbell 90° curl test

表3 哑铃锤式90°弯举测试的时域特征Tab. 3 Time domain characteristics of the dumbbell hammer 90° curl test

对哑铃锤式90°弯举测试进行频域分析,结果见表4。由表4可知,MPF和MF值存在一定的波动。但是对5组频率特征值进行两两t检验分析:平均功率频率的p值结果为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;中值频率的p值结果为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。这表明此动作下5组测试频域特征无显著差异。因此,后文将通过哑铃垂式90°弯举来评价3种泡沫/镀银针织物复合干电极。

表4 哑铃锤式90°弯举测试的频域特征Tab. 4 Frequency domain characteristics of the dumbbell hammer 90° curl test

2.4 泡沫/镀银针织物复合干电极与传统电极的性能对比

对3种泡沫/镀银针织物复合干电极与传统电极在同一天进行3.5 kg哑铃锤式90°弯举测试,并通过肌电信号的均方根、信噪比及平均功率频率来评价其监测性能,结果见表5,其中,SNR是哑铃弯举过程中肌肉收缩时表面肌电信号强度以及肌肉放松时表面肌电信号强度的比值,MPF是哑铃弯举过程中肌电信号功率谱图中的重心频率。由表5可知,3种泡沫/镀银针织物复合干电极监测的信号强度略高于传统电极。这主要是因为泡沫/镀银针织物复合干电极的导电面积比传统电极大,监测的肌纤维多,因而采集的肌电信号强。从信号的信噪比来看,织物复合干电极的监测性能与传统电极相当。对3种织物复合干电极两两进行t检验,得p值依次为0.83、0.71、0.86,均大于0.05,表明3种织物复合干电极的肌电监测性能无显著差异。这主要是因为本文肌电监测采用的是12 cm2的泡沫/镀银针织物复合干电极,电极和皮肤接触面积较大,较大的接触面积可缓解织物结构对皮肤-电极接触阻抗的影响。将表5中的3种泡沫/镀银针织物复合干电极监测到的肌电信号平均功率频率依次与传统电极进行t检验对比分析,得p值依次为0.23、0.74、0.17,均大于0.05,表明3种泡沫/镀银针织物复合干电极与传统电极在肌电信号的平均功率频率方面无显著差异。

表5 哑铃锤式90°弯举电极肌电监测性能测试结果Tab. 5 EMG monitoring performance test results of electrodes under dumbbell hammer 90° curl test

综上可知,3种泡沫/镀银针织物复合干电极的肌电监测性能与传统电极的相当。

3 结论

本文制备了3种泡沫/镀银针织物复合干电极,并对其电气及肌电监测性能进行评价。电气性能评价结果表明,布面平整且厚重的经绒泡沫/镀银针织物复合干电极的方阻、交流阻抗及皮肤-电极接触阻抗值均最小,电气性能优于其他2种泡沫/镀银针织物复合干电极。肌电监测性能评价结果表明,3种泡沫/镀银针织物复合干电极均能对不同肌力的肌电信号进行监测,且在哑铃锤式90°弯举测试中,其肌电监测性能与传统电极相当,表明泡沫/镀银针织物复合干电极能够用于日常动态肌电监测。