LabVIEW利用納米結構干電極控制神經(jīng)肌肉活動

隨著人口老齡化，長期護理的必要性變得更加重要，醫(yī)療中心的壓力開始達到驚人的水平。全球對所有社會和經(jīng)濟部門的認識對于更好地協(xié)調衛(wèi)生和社會服務之間的護理以及為更多的院外治療提供條件至關重要。

關于醫(yī)療保健問題和治療，大多數(shù)醫(yī)療僅在醫(yī)療保健中心進行，導致患者前往設施。由于全球人口中肌肉骨骼疾病的發(fā)病率上升，這些旅行越來越成為一個問題，這是全球殘疾的最大因素。這個問題對于老年人口來說更為嚴重，老年人群是受肌肉骨骼疾病影響最大的人口群體，直接限制了他們的活動能力和靈活性，使老年人難以甚至不可能進行日?；顒?。

基于家庭的生理監(jiān)測系統(tǒng)的一個優(yōu)點是不需要醫(yī)療保健專業(yè)人員的持續(xù)監(jiān)督，并且可以由每個患者評估護理。在過去的幾十年中，無創(chuàng)生理監(jiān)測技術使用成像和電傳感技術對醫(yī)療診斷和個人保健產(chǎn)生了相當大的影響。通過成像和電感應處理的典型信號包括心率、肌肉電流和腦電活動。有益的家庭電傳感監(jiān)測技術的一個例子是對心力衰竭患者的遠程監(jiān)測。通過監(jiān)測室性心律失常、心率變異性和心電圖軌跡的變化，患者和醫(yī)護人員可以輕松觀察這些參數(shù)，并從中受益匪淺。

關于生理監(jiān)測技術的可用解決方案，Ag/AgCl的凝膠/濕電極廣泛用于表面肌電圖測量，但這種類型的電極有幾個缺點，例如使用潮濕的環(huán)境，長時間使用會導致過敏反應和皮膚刺激，再加上培養(yǎng)基的干燥降低了使用的舒適度。通過這種方式，干電極代表了在家中進行肌電圖監(jiān)測的機會，因為它們可重復使用，舒適，成本更低且易于使用，同時仍然能夠獲得與濕電極相當?shù)男盘?。這種遠程分析可以使用配備有策略放置的采集電極的服裝來記錄所需的肌肉。

在這項研究中，研究了一種新的基于具有生物相容性薄膜功能的柔性聚合物的干電極新系統(tǒng)。為此，選擇了（Ti，Cu）N薄膜的五種不同組合（Ti，Cu，TiN，TiCu和TiNCu），以使聚氨酯（PU），有機纖維素和聚丙交酯（PLA）聚合物基材官能化。

通過在聚合物襯底上沉積摻雜銅（TiCu和TiNCu）的Ti和TiN納米薄膜來制備表面肌電圖的干電極。沉積是使用定制的直流磁控濺射系統(tǒng)進行的。

具有卡扣連接的圓盤形底座被設計為3D打印并用作干電極基板?？劭纱_保與屏蔽卡扣引線的穩(wěn)定可靠的電子連接，同時作為可穿戴設備中的主動固定點工作。在沉積過程之前，為了優(yōu)化（Ti，Cu）N薄膜在3D打印聚合物上的附著力，用乙醇清潔基材并通過等離子體處理活化。

最有前途的等離子體處理用于激活聚合物堿，然后立即與（Ti，Cu）N系統(tǒng)中的五種不同類型的薄膜沉積在一起。薄膜通過直流磁控濺射在非常低的壓力下沉積。放電電壓是使用直流電源（電流密度為75A/m2）在純Ar氣氛中沉積Ti/Cu基薄膜和反應性混合氣體氣氛（Ar+N2）對于基于TiN的。

為了測試基于聚合物的干電極的新系統(tǒng)，從二頭肌采集和分析肌電信號。NI?9234信號采集系統(tǒng)與LabVIEW軟件相結合，并用于該數(shù)據(jù)采集。每對電極從二頭肌和肘部作為地面參考連接到NI設備。

在此過程中不使用外部硬件放大器或濾波器。通過LabVIEW采集肌肉信號，通過20Hz的低通濾波來降低噪聲，并以波形圖顯示出來。在靜息狀態(tài)和肌肉收縮狀態(tài)下獲取實時電壓與時間的數(shù)據(jù)。將靜息狀態(tài)定義為手臂和二頭肌放松時的狀態(tài)。相反，收縮狀態(tài)是二頭肌通過已知重量的手臂卷曲運動收縮。收集的數(shù)據(jù)可以通過波形圖立即觀察到，然后轉換為可讀的數(shù)據(jù)文件以進行進一步分析，例如分析靜止狀態(tài)下的噪聲或觀察收縮狀態(tài)下的峰峰值電壓。

根據(jù)所有基材和所有薄膜的測試結果，評估范圍縮小到僅包含所有薄膜的PU基材。電極連接到二頭肌，并連接到NI?9234信號采集系統(tǒng)。進行了相同的肌肉松弛/收縮過程，但用三種不同的重量進行了分析。

在檢測限分析之后，使用TiCu薄膜進行進一步測試。為了更好地觀察肌電圖生物信號和噪聲，構建了硬件放大器和低通濾波器電路。電極首先附著在二頭肌上。

???電極連接到試驗板，每個電極通過16Hz的低通濾波器。然后，這些信號通過設置為624增益的AD1000儀表放大器。在靜息狀態(tài)和肌肉收縮狀態(tài)下獲取實時電壓與時間的數(shù)據(jù)。執(zhí)行相同的肌肉松弛/收縮過程，并再次分析重量為2.27，6.80和11.34kg。收集的數(shù)據(jù)被轉換為可讀的excel文件，以估計平均峰峰值電壓、標準偏差和檢測限，并增加了放大器和硬件濾波器。同樣，TiCu電極對在每個重量下進行了三次試驗。

這項研究的主要目的是開發(fā)和測試不同材料和基板的干表面電極的性能，以確定未來可穿戴康復設備原型的理想電極陣列。傳感器的基板材料和薄膜涂層對其生物電位傳感能力有很大影響。由于濺射沉積過程中涉及的特定實驗參數(shù)和機理，襯底特性與薄膜生長之間存在深刻聯(lián)系，這是強烈決定電極最終性能的因素。因此，可以通過肌肉松弛和收縮肌電圖采集測試來分析不同材料的干表面電極的性能，以確定用于代替商業(yè)凝膠電極的最理想材料組合。肌電圖生物信號很重要，因為它們可以幫助確定正確的電療水平。通過應用功能電刺激，可以確定刺激電極和信號采集電極之間的串擾，從而實現(xiàn)最先進的應用設計。

這里介紹的工作解決了對基于家庭的，易于使用的FES設備的需求，以幫助治療那些患有行動障礙的人。開發(fā)這種系統(tǒng)的第一步是確定最佳的電極基板和薄膜涂層。通過將電極連接到二頭肌群并在肌肉松弛和肌肉收縮狀態(tài)下收集肌電圖生物信號來進行一系列測試。在肌肉松弛狀態(tài)下，可以進一步檢查噪聲水平，并在不同基底和薄膜的電極之間進行比較。通過肌肉收縮，獲取峰峰值電壓以比較電極的信噪比。通過對所有電極的檢查，首先縮小了最佳基底的范圍。根據(jù)信噪比計算，確定PU基材也是最靈活的一種，性能最佳。PU基材具有最高的信噪比，因為它具有柔韌性，更容易適應不規(guī)則的身體輪廓，因此非常適合進一步使用。在此之后，僅對PU電極進行額外的測試，以確定最佳的薄膜涂層。根據(jù)獲取的生物信號，進行靈敏度分析以確定每種薄膜材料的檢測限。TiCu涂層被證明具有最低的檢測限，因此使其成為用于信號采集的最理想的薄膜。

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