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刘楠老师Nature Commun文章介绍

发布时间: 2021-08-20  浏览次数:

协同作(zuo)用助力超薄(bo)电极电生(sheng)理(li)监测

 

表皮电(dian)(dian)生理信号(hao),如肌电(dian)(dian)(EMG)、心(xin)电(dian)(dian)(EEG)、眼(yan)电(dian)(dian)(EOG)和脑电(EEG)等是反映人体健康状况的重要生理指标。然而,运动状态采集高信噪比的电生理信号仍是一大挑战,是可穿戴电子器件用于医疗健康和人工智能领域亟需解决的问题。其原因是:1)电生理信号非常微弱(比如脑电信号核心频率为0-50 Hz,幅值 < 200 µV);2)人在运动状态下,皮肤表面形貌变化和汗液分泌等,导致电极电位波动产生运动伪影。运动伪影的干扰使得表面电生理信号所含信息严重受损甚至完全掩盖。因此,能够实现长时间、高质量、全天候的电生理信号采集监测是可穿戴表皮电子的关键之一。目前商用电生理电极为Ag/AgCl凝胶电极,凝胶能够帮助电极在人体静止状态下与皮肤很好地接触,从而降低电极/皮肤界面的接触阻抗,但是当人体运动时,很容易在皮肤表面发生相对位移,带来运动伪影。同时,凝胶的流动性制约了阵列多点的肌群测试,长期使用可能引发皮肤过敏,凝胶干燥使信号不稳定等。

针对这一问题(ti),化学(xue)学(xue)院刘楠(nan)教授团队(dui)设(she)计制备了一种(zhong)透明、导电(dian)(dian)(dian)、超薄无凝(ning)胶干电(dian)(dian)(dian)极(约100 nm厚(hou)),可以长(zhang)时间、动态(tai)化地与皮(pi)肤形成无感的共形贴附,实现(xian)稳定(ding)的电(dian)(dian)(dian)极/皮(pi)肤电(dian)(dian)(dian)化学(xue)界面,用于低运动伪(wei)影和长(zhang)时间的电(dian)(dian)(dian)生(sheng)理信号(hao)采集(ji)监测(ce)。该电(dian)(dian)(dian)极是基于CVD生长的大面积石墨烯薄膜(~ 1nm厚)和聚(3,4-乙撑二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)协同相互作用而形成的超薄、透明、超导电薄膜(命名为PTG)。由于PEDOT:PSS和石墨烯之间的π-π相互作用,使得PEDOT共轭链高度有序排列,并且实现PEDOT和石墨烯之间有效电荷转移。这种协同相互作用,使得PTG电极具有超薄特性,并表现出极低的面电阻(24Ω/sq),极高的电导率(4142 S/cm),高透明度和拉伸应变下的电学稳定性。

 

图(tu)(tu)1 基(ji)于石(shi)墨烯和PEDOT:PSS协(xie)同相互作用的(de)表皮电生(sheng)理电极(ji)示意图(tu)(tu)。(a)PTG电极结构示意图;(b-e)拉曼光谱、紫外可见近红外光谱、电子自旋共振光谱表征;(f)石墨烯/PEDOT:PSS的π-π相互作用。

 

PTG电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)超薄、超导电(dian)(dian)(dian)特(te)性和(he)较(jiao)低(di)的(de)杨氏模量(liang)使(shi)(shi)得该电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)可以紧密贴附于皮肤(fu)(fu)表(biao)面(mian),具有较(jiao)低(di)的(de)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)/皮肤(fu)(fu)界面(mian)阻(zu)抗,因此可以精确采(cai)集(ji)皮肤(fu)(fu)表(biao)面(mian)电(dian)(dian)(dian)生理信号,尤其可以减(jian)少(shao)运动(dong)(dong)伪影的(de)干扰。一个重要(yao)应用(yong)实(shi)例为面(mian)部肌(ji)电(dian)(dian)(dian)的(de)实(shi)时检测。人体(ti)面(mian)部起伏较(jiao)大常伴随(sui)褶皱(zhou)、汗液分泌(mi)等,并且丰富的(de)面(mian)部表(biao)情(qing)、说话咀嚼等动(dong)(dong)作使(shi)(shi)得面(mian)部长期处于运动(dong)(dong)状态,因此面(mian)部肌(ji)电(dian)(dian)(dian)信号采(cai)集(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)具挑战。PTG电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)相较(jiao)于商用(yong)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)能够稳定采(cai)集(ji)面(mian)部肌(ji)电(dian)(dian)(dian)信号,有效避免运动(dong)(dong)伪影和(he)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)脱(tuo)落。同时 PTG电极的超薄透明特性,使其可以同时观测皮下血流状态和采集肌电信号,在面瘫治疗中有潜在应用。也可以用面部表情控制机械手的运动,实现人机交互。在电生理信号中,脑电信号(EEG)强度弱、频率范围低,常常淹没在肌电、眼电及环境噪音中难以区分。将PTG电极贴附在被试者额叶,监测其不同状态下脑部活动达12小时,可以提取出被试者的脑电信号,清晰区分其在睡眠状态、运动状态以及运动后平静状态下的alpha(8-13 Hz)和beta(13-30 Hz)脑电波。

 

图2 PTG电极(ji)在表(biao)皮(pi)电生理信号采集方面(mian)(mian)的(de)应用。(a-f) PTG电极(ji)在面(mian)(mian)部肌(ji)电、面(mian)(mian)瘫治疗和基于(yu)面(mian)(mian)部表(biao)情的(de)人机交互中的(de)潜在应用;(g) PTG电极长时间监测脑电信号。

 

该工(gong)作得到(dao)了国家自然科(ke)学基金、海外高层(ceng)次(ci)人才(cai)计(ji)划启动基金、中央高校基础研究基金和北京市科(ke)委的资助。相关成果以题为“Ultra-conformal skin electrodes with synergistically enhanced conductivity for long-time and low-motion artifact epidermal electrophysiology”发(fa)表在《Nature Communications》上。文章第一作者为鸭脖体育app 博士生赵(zhao)艳,通讯作者为刘楠(nan)教授。

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