LabVIEW利用纳米结构干电极控制神经肌肉活动

LabVIEW利用纳米结构干电极控制神经肌肉活动

随着人口老龄化，长期护理的必要性变得更加重要，医疗中心的压力开始达到惊人的水平。全球对所有社会和经济部门的认识对于更好地协调卫生和社会服务之间的护理以及为更多的院外治疗提供条件至关重要。

关于医疗保健问题和治疗，大多数医疗仅在医疗保健中心进行，导致患者前往设施。由于全球人口中肌肉骨骼疾病的发病率上升，这些旅行越来越成为一个问题，这是全球残疾的最大因素。这个问题对于老年人口来说更为严重，老年人群是受肌肉骨骼疾病影响最大的人口群体，直接限制了他们的活动能力和灵活性，使老年人难以甚至不可能进行日常活动。

基于家庭的生理监测系统的一个优点是不需要医疗保健专业人员的持续监督，并且可以由每个患者评估护理。在过去的几十年中，无创生理监测技术使用成像和电传感技术对医疗诊断和个人保健产生了相当大的影响。通过成像和电感应处理的典型信号包括心率、肌肉电流和脑电活动。有益的家庭电传感监测技术的一个例子是对心力衰竭患者的远程监测。通过监测室性心律失常、心率变异性和心电图轨迹的变化，患者和医护人员可以轻松观察这些参数，并从中受益匪浅。

关于生理监测技术的可用解决方案，Ag/AgCl的凝胶/湿电极广泛用于表面肌电图测量，但这种类型的电极有几个缺点，例如使用潮湿的环境，长时间使用会导致过敏反应和皮肤刺激，再加上培养基的干燥降低了使用的舒适度。通过这种方式，干电极代表了在家中进行肌电图监测的机会，因为它们可重复使用，舒适，成本更低且易于使用，同时仍然能够获得与湿电极相当的信号。这种远程分析可以使用配备有策略放置的采集电极的服装来记录所需的肌肉。

在这项研究中，研究了一种新的基于具有生物相容性薄膜功能的柔性聚合物的干电极新系统。为此，选择了（Ti，Cu）N薄膜的五种不同组合（Ti，Cu，TiN，TiCu和TiNCu），以使聚氨酯（PU），有机纤维素和聚丙交酯（PLA）聚合物基材官能化。

通过在聚合物衬底上沉积掺杂铜（TiCu和TiNCu）的Ti和TiN纳米薄膜来制备表面肌电图的干电极。沉积是使用定制的直流磁控溅射系统进行的。

具有卡扣连接的圆盘形底座被设计为3D打印并用作干电极基板。卡扣可确保与屏蔽卡扣引线的稳定可靠的电子连接，同时作为可穿戴设备中的主动固定点工作。在沉积过程之前，为了优化（Ti，Cu）N薄膜在3D打印聚合物上的附着力，用乙醇清洁基材并通过等离子体处理活化。

最有前途的等离子体处理用于激活聚合物碱，然后立即与（Ti，Cu）N系统中的五种不同类型的薄膜沉积在一起。薄膜通过直流磁控溅射在非常低的压力下沉积。放电电压是使用直流电源（电流密度为75A/m2）在纯Ar气氛中沉积Ti/Cu基薄膜和反应性混合气体气氛（Ar+N2）对于基于TiN的。

为了测试基于聚合物的干电极的新系统，从二头肌采集和分析肌电信号。NI 9234信号采集系统与LabVIEW软件相结合，并用于该数据采集。每对电极从二头肌和肘部作为地面参考连接到NI设备。

在此过程中不使用外部硬件放大器或滤波器。通过LabVIEW采集肌肉信号，通过20Hz的低通滤波来降低噪声，并以波形图显示出来。在静息状态和肌肉收缩状态下获取实时电压与时间的数据。将静息状态定义为手臂和二头肌放松时的状态。相反，收缩状态是二头肌通过已知重量的手臂卷曲运动收缩。收集的数据可以通过波形图立即观察到，然后转换为可读的数据文件以进行进一步分析，例如分析静止状态下的噪声或观察收缩状态下的峰峰值电压。

根据所有基材和所有薄膜的测试结果，评估范围缩小到仅包含所有薄膜的PU基材。电极连接到二头肌，并连接到NI 9234信号采集系统。进行了相同的肌肉松弛/收缩过程，但用三种不同的重量进行了分析。

在检测限分析之后，使用TiCu薄膜进行进一步测试。为了更好地观察肌电图生物信号和噪声，构建了硬件放大器和低通滤波器电路。电极首先附着在二头肌上。

   电极连接到试验板，每个电极通过16Hz的低通滤波器。然后，这些信号通过设置为624增益的AD1000仪表放大器。在静息状态和肌肉收缩状态下获取实时电压与时间的数据。执行相同的肌肉松弛/收缩过程，并再次分析重量为2.27，6.80和11.34kg。收集的数据被转换为可读的excel文件，以估计平均峰峰值电压、标准偏差和检测限，并增加了放大器和硬件滤波器。同样，TiCu电极对在每个重量下进行了三次试验。

这项研究的主要目的是开发和测试不同材料和基板的干表面电极的性能，以确定未来可穿戴康复设备原型的理想电极阵列。传感器的基板材料和薄膜涂层对其生物电位传感能力有很大影响。由于溅射沉积过程中涉及的特定实验参数和机理，衬底特性与薄膜生长之间存在深刻联系，这是强烈决定电极最终性能的因素。因此，可以通过肌肉松弛和收缩肌电图采集测试来分析不同材料的干表面电极的性能，以确定用于代替商业凝胶电极的最理想材料组合。肌电图生物信号很重要，因为它们可以帮助确定正确的电疗水平。通过应用功能电刺激，可以确定刺激电极和信号采集电极之间的串扰，从而实现最先进的应用设计。

这里介绍的工作解决了对基于家庭的，易于使用的FES设备的需求，以帮助治疗那些患有行动障碍的人。开发这种系统的第一步是确定最佳的电极基板和薄膜涂层。通过将电极连接到二头肌群并在肌肉松弛和肌肉收缩状态下收集肌电图生物信号来进行一系列测试。在肌肉松弛状态下，可以进一步检查噪声水平，并在不同基底和薄膜的电极之间进行比较。通过肌肉收缩，获取峰峰值电压以比较电极的信噪比。通过对所有电极的检查，首先缩小了最佳基底的范围。根据信噪比计算，确定PU基材也是最灵活的一种，性能最佳。PU基材具有最高的信噪比，因为它具有柔韧性，更容易适应不规则的身体轮廓，因此非常适合进一步使用。在此之后，仅对PU电极进行额外的测试，以确定最佳的薄膜涂层。根据获取的生物信号，进行灵敏度分析以确定每种薄膜材料的检测限。TiCu涂层被证明具有最低的检测限，因此使其成为用于信号采集的最理想的薄膜。