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介绍

肌电图（EMG）被广泛用于获取肌肉临床状态信息的技术，也是假肢和远程机器人控制信息的来源。肌电图有两种技术：肌内肌电图（iEMG）和表面肌电图（sEMG）；iEMG需要在肌肉内植入针状电极，sEMG需要电极与肌肉上方的皮肤接触，表面肌电图（sEMG）允许更广泛地观察电极下方肌肉的瞬时状态，其使用得到了发展，被引入到实验室之外的日常使用，如假肢、生物反馈、人体工程学，运动和空间医学等。近年来的研究集中在高密度sEMG（HD-sEMG），作为一种非侵入性技术应运而生,通过增加电极的基数和先进的信号处理技术来获取肌肉的准确信息。

Alessandro Chiolerio教授利用MicroFab的Jetlab 4压电喷墨打印机（配置60μm喷口直径的MJ-AT-01喷头），在Kapton基底上使用基于银纳米颗粒（NP）的墨水进行低阻抗电极的制备。喷墨打印允许通过简单的CAD重新设计来改变电极的尺寸、基数和配置，确保了传感器和设备的快速原型化。在沉积过程中，喷头加热至60℃，衬底加热至70℃，以提高沉积质量。在电极阵列制作完成后，进行电气连接以进行实验验证。将sEMG传感器连接到测量装置上，并放置在肢体上，检测来自肱桡侧前臂肌肉的sEMG信号。

如图1显示了制造的电极阵列的灵活性和使用纳米复合油墨获得的高表面积。制造的HD-sEMG为8×8的电极网格，电极间距离为8mm，电阻率计算为在15±5 uΩ cm范围内。（a）由喷头喷出的银NP墨滴。（b）去除溶剂后的纳米复合油墨表面，显示出较高的比表面积。（c）热处理和绝缘处理后的柔性电极阵列。（d）一些银线和电极的光学显微照片。

▲ 图1 图案的喷墨打印

图2为受试者的手臂，用于在应用血压计之前测量电极-皮肤接触阻抗。血压计已应用于受试者的手臂上，以便在测量装置上应用已知且可重复的压力值。注意两个矩阵的测试电极尽可能紧密地放置在一起，以减少与人体非理想性有关的问题，如皮肤状况变化和施加在电极-皮肤界面的压力的变化。

▲ 图2 阻抗测试

图3中的趋势为8名受试者在10至1000Hz之间测得的平均接触阻抗，显示了不同设置获得的最小值、最大值和平均值的趋势。图3a-c报告了在电极和皮肤之间不使用凝胶或面霜，施加三个不同压力水平（分别为13.3、23.7和53.3 kPa）下测量的阻抗，结果显示电抗随着频率的增加而提高，样品电极略优于参考电极，对于低接触压力下，喷墨打印银电极比参考电极工作得更好，并且这种差异随着压力的增加而趋于减小；图3d在使用泡沫和导电膏后13.3 kPa压力下测量阻抗，在这种情况下，样品电极和参比电极的行为方式相同，商业矩阵和喷墨打印电极矩阵的阻抗具有色散特性，其变化方式大致相同。

▲ 图3 8名受试者在10至1000Hz之间测得的平均接触阻抗趋势

图4显示了在使用OTBioelectronica s.r.l.EMG-USB2 256通道放大器在前臂肱桡肌中同时检测到的两条sEMG轨迹。结果显示，两个记录基本上相互平等，展示了喷墨打印电极是如何用于高保真表面肌电记录的。

▲ 图4 前臂肱桡肌上的sEMG轨迹

结论

初次使用商用银基油墨，通过MicroFab按需喷墨打印技术制造了用于sEMG信号记录的电极阵列，打印结构具有良好的分辨率，近线之间没有短路，电阻率良好，电阻率计算为在15 ± 5 uΩ cm范围内，实验证实在适当的局部压力下，喷墨打印的电极在干燥和潮湿条件下的性能与商用电极类似。特别是，喷墨打印的电极似乎非常适合低压（更舒适）高频sEMG记录。鉴于实验结果的良好反馈，可以得出应用喷墨打印技术制备的电极也用于其他生物势的记录，如脑电图（EEG）和心电图（ECG）等，此外，根据不同的需求开发新的油墨和衬底也很具有研究意义。