分子錨定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高保真肌電圖增強(qiáng)假肢控制！
肌電信號(hào)是肌肉收縮過(guò)程中產(chǎn)生的電動(dòng)作電位。這些信號(hào)包含大腦發(fā)出的神經(jīng)信息，以控制特定的運(yùn)動(dòng)，使其可用作截肢者控制假肢的輸入源，截肢者接受過(guò)產(chǎn)生這些信號(hào)的培訓(xùn)。記錄肌電信號(hào)是通過(guò)放置在殘肢皮膚上的無(wú)創(chuàng)電極實(shí)現(xiàn)的。然而，這些信號(hào)是高度可變的，通常歸一化為肌肉的最大自愿收縮(MVC)。對(duì)于精細(xì)和靈活的動(dòng)作，如手指和手腕動(dòng)作，肌肉收縮低于10%MVC。挑戰(zhàn)在于，這些動(dòng)作產(chǎn)生的肌電信號(hào)經(jīng)常失真，信噪比低，因?yàn)閭鹘y(tǒng)電極不能有效地與截肢者的皮膚耦合。因此，截肢者經(jīng)常被迫使用更強(qiáng)的肌肉收縮(高于10%的MVC)，以觸發(fā)對(duì)微弱但精細(xì)的手指運(yùn)動(dòng)的信號(hào)識(shí)別。截肢者肌肉收縮和假體運(yùn)動(dòng)之間的這種不匹配會(huì)導(dǎo)致不適、過(guò)度出汗、皮膚刺激，最終導(dǎo)致假體排斥。
在此, 新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東等人開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為分子錨定的新策略，以驅(qū)動(dòng)疏水分子有效地與角質(zhì)層相互作用并嵌入到角質(zhì)層中，因?yàn)殡x子通量和電子電流之間存在高度耦合的區(qū)域。疏水性聚(N-乙烯基己內(nèi)酰胺)凝膠(PVCL)的使用使界面阻抗達(dá)到20kΩ，是商用丙烯酸酯電極的1/100，可以檢測(cè)到接近人類(lèi)極限的超低肌電信號(hào)(~1.5%MVC)。有了這種分子錨定技術(shù)，截肢者可以更靈活地操作假肢，因?yàn)榛糜笆种负褪滞筮\(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為97.6%。這一策略為截肢者通過(guò)精確而靈活的肌電控制完成日常任務(wù)提供了舒適的人機(jī)界面。該研究以題為“Enhancing Prosthetic Control through High-Fidelity Myoelectric Mapping with Molecular Anchoring Technology”的論文發(fā)表在《Advanced Materials》上。
【分子動(dòng)力學(xué)模擬】首先進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬，以了解PVCL分子如何與SC相互作用并錨定到SC中。以脂基質(zhì)為模型，SC是由游離脂肪酸(FFA)、長(zhǎng)鏈神經(jīng)酰胺(CER)和膽固醇(CHOL)按固定比例混合而成的。計(jì)算的勢(shì)均力(PMF)證實(shí)了脂基質(zhì)的固有疏水性，表明更疏水的單體有更低的能壘(?G)錨定到SC中，并且更容易嵌入。因此，該研究檢測(cè)了其他4種粘合劑分子：聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、丙烯酸、多巴胺(DOPA)和海藻酸鹽，以解釋分子錨定。在5種單體中，PVCL的疏水性最強(qiáng)，?G最低(6.57KBT)，最能錨定到脂質(zhì)基質(zhì)中。
圖1.凝膠電極與角質(zhì)層相互作用的分子動(dòng)力學(xué)模擬
PVCL錨定在由絲素制成的仿生皮膚(仿生皮膚的分子結(jié)構(gòu)與真實(shí)角質(zhì)層相同)3.07μm，比PVP(2.43μm)、丙烯酸(1.18μm)、多巴(0.97μm)和海藻酸鹽(0μm)更深。在5種單體中，疏水性最強(qiáng)的PVCL單體與皮膚的結(jié)合效果最好。
圖2.五種凝膠向仿生皮膚的動(dòng)態(tài)滲透過(guò)程
【PVCL電極的力學(xué)和電學(xué)性能】使用這些單體制造了五個(gè)凝膠電極，并評(píng)估了它們的機(jī)械和電學(xué)性能。在180°剝離試驗(yàn)中，PVCL凝膠仍然優(yōu)于其他凝膠。在1Hz時(shí)，5個(gè)電極的內(nèi)阻抗均為200~300Ω，而在1Hz時(shí)，正常皮膚(~14kΩ)和截肢者(~20kΩ)的內(nèi)阻抗最低。這些值比以前的電極更接近人體皮膚的固有阻抗(6-10kΩ)，可以檢測(cè)到接近人體極限(~1%MVC)的低水平(1.5%MVC)肌電信號(hào)。這表明，將PVCL錨定到SC中改善了離子-電子耦合，并顯著降低了皮膚上的阻抗。具有檢測(cè)用于精細(xì)假肢控制的超低肌電信號(hào)的潛力。
圖3.五種凝膠電極的電性能
【靈巧的肌電控制】此外，建立了基于PVCL的凝膠電極陣列，并用它們來(lái)測(cè)量截肢者殘肢的低水平肌電信號(hào)。電極通過(guò)柔性電纜連接到無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)記錄盒，測(cè)量的肌電信號(hào)用于控制假肢，在這項(xiàng)工作中，假臂由機(jī)器人汽車(chē)代表。為了使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)進(jìn)行圖像識(shí)別，通過(guò)1×n×m像素映射將肌電信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像，其中n是電極陣列上的通道數(shù)，m是記錄預(yù)期手指和手腕運(yùn)動(dòng)的每次肌肉收縮所需的時(shí)間(m是200ms)。在所有5個(gè)電極中，PVCL電極對(duì)低電平信號(hào)的CNN識(shí)別準(zhǔn)確率最高(97.6%)，使機(jī)械臂能夠成功地抓住蠟燭并將其放入孔中。在22.5s到36.4s之間，機(jī)器人汽車(chē)使用了超低水平和高質(zhì)量的肌電映射來(lái)靈巧地接近小孔。為了讓機(jī)械臂抓住蠟燭，截肢肢體產(chǎn)生的預(yù)定動(dòng)作的肌肉收縮的強(qiáng)度必須與正常手指運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度相匹配。如果不匹配，就不會(huì)發(fā)生抓取。該結(jié)果表明，牢固地固定在皮膚中的PVCL電極可以檢測(cè)到適合于基于CNN的識(shí)別和精細(xì)假肢控制的低電平肌電信號(hào)。
圖4.靈巧的肌電控制
【小結(jié)】該研究提出了一種通過(guò)開(kāi)發(fā)錨定在SC中的PVCL凝膠電極來(lái)提高低水平肌電信號(hào)的檢測(cè)和保真度的策略。這種牢固的錨定增強(qiáng)了離子電子耦合，并將截肢皮膚上的阻抗降至最低(最低可達(dá)20kΩ)。該研究的電極的整體機(jī)械和電學(xué)性能超過(guò)其他凝膠電極，可以檢測(cè)到接近人類(lèi)極限的超低(1.5%MVC)肌電信號(hào)。設(shè)計(jì)了一種基于CNN的映射識(shí)別算法，該算法可以從使用PVCL電極獲得的肌電信號(hào)中分類(lèi)和預(yù)測(cè)預(yù)期的手指和手腕運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)確率為97.6%。有了如此高保真的信號(hào)和分類(lèi)精度，該系統(tǒng)使截肢者能夠靈活地驅(qū)動(dòng)假肢。這種精細(xì)的運(yùn)動(dòng)有望改善依賴(lài)假肢完成日常任務(wù)的截肢者的生活質(zhì)量。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301290
