近些年，可穿戴器件、表皮電子器件和可植入式電子器件等柔性電子產(chǎn)品在人體健康監(jiān)測(cè)、刺激系統(tǒng)和人機(jī)界面等領(lǐng)域備受矚目。而柔性電極是柔性電子產(chǎn)品的基本組件，可用于人體腦電圖（EEG）、肌電圖（EMG）和心電圖（ECG）的監(jiān)測(cè)。

肌電圖被廣泛采用，以獲取人體肌肉臨床狀態(tài)信息，同時(shí)也是假肢控制的信息來(lái)源。用于肌電圖測(cè)量的柔性電極可分為兩類(lèi)：（1）在體內(nèi)工作的柔性電極（如iEMG）；（2）用于體外測(cè)量的柔性電極（如sEMG）。體內(nèi)肌電圖（iEMG）測(cè)量需要在人體肌肉內(nèi)植入針電極，相反，表面肌電圖（sEMG）測(cè)量只需要使電極接觸被測(cè)量的肌肉上的皮膚即可。通過(guò)體內(nèi)肌電圖電極可以獲得關(guān)于肌肉纖維局部行為的清晰信息。而表面肌電圖電極可以更廣泛地監(jiān)測(cè)肌肉的瞬態(tài)信息。

圖1 柔性無(wú)創(chuàng)電極的發(fā)展時(shí)間表

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，上海大學(xué)微電子學(xué)院和上海大學(xué)新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員在npj Flexible Electronics期刊上發(fā)表了一篇題為“Recent advances in flexible noninvasive electrodes for surface electromyography acquisition”的綜述論文，該文章著眼于新興的用于表面肌電圖采集的柔性無(wú)創(chuàng)電極（FNEs）的發(fā)展（圖2）。首先介紹了柔性無(wú)創(chuàng)電極的最新研究進(jìn)展，然后詳細(xì)討論了電極的不同材料、結(jié)構(gòu)和性能，包括粘附性、透氣性、柔韌性、長(zhǎng)期耐久性、生物相容性、生物降解性以及高信噪比（SNR）。同時(shí)對(duì)無(wú)源和有源柔性無(wú)創(chuàng)電極之間的差異進(jìn)行了深入分析。討論了有源柔性無(wú)創(chuàng)電極中使用的各種薄膜晶體管（TFT）材料和放大器，并提供了詳細(xì)的分類(lèi)和分析。最后，介紹了可穿戴傳感器在醫(yī)療保健和人機(jī)界面（HMI）中的應(yīng)用，概述了柔性無(wú)創(chuàng)電極在表面肌電圖信號(hào)采集中的挑戰(zhàn)和前景。

圖2 用于表面肌電圖采集的柔性無(wú)創(chuàng)電極的最新研究進(jìn)展

表面肌電圖電極的特性

值得注意的是，人體皮膚的持久穩(wěn)定性對(duì)于持續(xù)監(jiān)測(cè)生命體征信號(hào)至關(guān)重要。用于下一代電子產(chǎn)品的皮膚生物電子器件需要具備卓越的粘附性、透氣性和柔韌性等重要特征，以通過(guò)長(zhǎng)久健康監(jiān)測(cè)確保穩(wěn)定的性能。因此，穩(wěn)定的材料被認(rèn)為是監(jiān)測(cè)人體健康的關(guān)鍵平臺(tái)。

為了實(shí)現(xiàn)人體皮膚和柔性無(wú)創(chuàng)電極之間的良好粘附，可制備生物相容性粘合劑，并將其放置在人體表皮上。常用的粘合劑有水溶性膠帶、繃帶粘合劑、硅膠粘合劑和實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的粘合劑等幾種類(lèi)型。噴涂繃帶的粘附力為0.98?±?0.03?N，接近于傳統(tǒng)醫(yī)用敷料的粘附力。因此，生物相容性和粘性表皮電子系統(tǒng)（EES）非常適合用于生理監(jiān)測(cè)。

圖3 具有粘附性的電極

就透氣性而言，汗液的積聚會(huì)增加運(yùn)動(dòng)偽影和接觸阻抗，并刺激皮膚，從而導(dǎo)致器件發(fā)生故障。類(lèi)似的，由于水汽和汗液的積聚，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)可能刺激皮膚導(dǎo)致過(guò)敏。因此，具有透氣性的柔性無(wú)創(chuàng)電極是首選，可增強(qiáng)器件的生物相容性，并防止汗水對(duì)收集到的表面肌電圖信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。因此，透氣性是監(jiān)測(cè)表面肌電圖信號(hào)時(shí)應(yīng)考慮的一個(gè)重要因素。

圖4 具有透氣性的電極

圖5 柔性電極

材料電極和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

材料是電極的基礎(chǔ)，對(duì)電極的性能起著重要作用。電極材料主要分為金屬基電極材料、碳基電極材料和導(dǎo)電聚合物。相應(yīng)的，電極結(jié)構(gòu)多種多樣，如蛇形、分形幾何設(shè)計(jì)和三維結(jié)構(gòu)等。研究人員分別描述了使用由上述三種材料制成的柔性電極獲取表面肌電圖信號(hào)的詳細(xì)情況。

圖6 金屬基電極

圖7 碳基電極

圖8 導(dǎo)電聚合物電極

圖9 不同結(jié)構(gòu)的柔性無(wú)創(chuàng)電極

無(wú)源電極陣列

表面肌電圖信號(hào)采集的主要干擾源是運(yùn)動(dòng)偽影和工頻干擾。運(yùn)動(dòng)偽影主要是由皮膚表面和電極之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的，而工頻干擾是由電極的高皮膚接觸阻抗以及放大器的高輸入阻抗和電極與皮膚之間的不良接觸引起的。傳統(tǒng)的無(wú)源表面肌電圖電極雖然可以實(shí)現(xiàn)肌電圖信號(hào)的無(wú)痛測(cè)量，但存在表面肌電圖信號(hào)傳輸可靠性差、時(shí)空分辨率低等技術(shù)缺陷。隨著面向陣列設(shè)計(jì)的無(wú)源柔性無(wú)創(chuàng)電極的發(fā)展，柔性無(wú)創(chuàng)電極實(shí)現(xiàn)了高時(shí)空分辨率。然而，無(wú)源柔性無(wú)創(chuàng)電極陣列導(dǎo)線(xiàn)數(shù)量的增加不僅導(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_，而且顯著降低了信噪比。

圖10 用于記錄表面肌電圖信號(hào)的無(wú)源電極陣列

有源電極陣列

為了擴(kuò)大表面肌電圖信號(hào)的測(cè)試區(qū)域，研究人員增加了表面肌電圖信號(hào)密度。然而，隨著無(wú)源陣列電極密度的增加，電源線(xiàn)的串?dāng)_變得越來(lái)越嚴(yán)重。同時(shí)，由于表面肌電圖信號(hào)較弱，電磁波易受空間的影響，信噪比顯著下降了。此外，人體內(nèi)電生理信號(hào)的電壓幅度極為微弱。因此，在無(wú)源電極陣列中添加有源器件是必不可少的。

有源電極陣列采用更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和電路結(jié)構(gòu)。通過(guò)在電極附近結(jié)合放大器、濾波器和其它電路，有源電極陣列能放大和處理生物電信號(hào)。這種設(shè)計(jì)減少了外部噪聲對(duì)信號(hào)的影響，提高了信噪比。因此，在生物電信號(hào)的測(cè)量中，利用柔性有源電極代替柔性無(wú)源電極具有廣闊的發(fā)展前景。

應(yīng)用

柔性無(wú)創(chuàng)電極在柔性電子中發(fā)揮著重要作用。與人體皮膚接觸的柔性無(wú)創(chuàng)電極可追蹤表面肌電圖信號(hào)，用于分析人類(lèi)活動(dòng)（例如面部表情和身體運(yùn)動(dòng)）和控制外部器件。因此，研究人員重點(diǎn)介紹用于人類(lèi)醫(yī)療保健和人機(jī)界面的柔性無(wú)創(chuàng)電極的最新發(fā)展。

圖11 電極陣列在人體健康監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用

總結(jié)和未來(lái)展望

表面肌電圖信號(hào)的收集對(duì)于人體醫(yī)療保健和人機(jī)界面的應(yīng)用至關(guān)重要。在這篇綜述中，研究人員總結(jié)了皮膚電極的發(fā)展。特別地，介紹了包括金屬材料、碳基材料和導(dǎo)電聚合物在內(nèi)的電極材料。然后，討論了柔性無(wú)創(chuàng)電極的性能，例如粘附性、透氣性、柔韌性和生物相容性，這些性能對(duì)柔性器件至關(guān)重要，可提高其舒適度。隨后，介紹了無(wú)源電極和有源電極，并強(qiáng)調(diào)了有源電極對(duì)表面肌電圖信號(hào)的放大作用。

目前，電子皮膚器件是小面積的（幾平方厘米），無(wú)法有效定位疾病源，也無(wú)法準(zhǔn)確解碼人類(lèi)的意圖。所以，迫切需要突破制造大面積電子皮膚器件的瓶頸。雖然大面積電子皮膚器件便于佩戴，但限制了皮膚排汗和散熱的生理功能。因此，大面積電子皮膚要求基材透氣，甚至去除襯底材料。為了實(shí)現(xiàn)柔性無(wú)創(chuàng)電極的透氣性，制備納米網(wǎng)材料和設(shè)計(jì)多孔基底已被證明是目前兩種有效的策略。

總之，盡管存在挑戰(zhàn)，但通過(guò)實(shí)現(xiàn)上述性能，柔性電極將取得進(jìn)展并獲得更廣泛的應(yīng)用。未來(lái)的皮膚電極系統(tǒng)將強(qiáng)調(diào)無(wú)線(xiàn)供電、通信以及與皮膚的無(wú)縫集成。未來(lái)的柔性電極有望實(shí)現(xiàn)智能化，用于日常生活中的生物電信號(hào)采集。研究人員預(yù)測(cè)，未來(lái)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)將是將多功能系統(tǒng)集成到可穿戴器件中，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)和日常操作。

審核編輯：劉清