Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Laser-geïnduceerde grafeen-polyimide filmsensor voor gelijktijdige lipelektromyografie en drukmonitoring in gepersonaliseerde revalidatie

96 weergaven

⸱

DOI:

10.3791/70306

⸱

30 april 2026

 , 
1Department of Prosthodontics and Orthodontics, Shanghai Jiading District Dental Disease Prevention and Control Institute, 2Department of Orthodontics, Shanghai Ninth People's Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, 3College of Stomatology, Shanghai Jiao Tong University, 4National Center for Stomatology, National Clinical Research Center for Oral Diseases, Shanghai Key Laboratory of Stomatology

In dit artikel

Samenvatting

Dit protocol beschrijft de fabricage, kalibratie en het gebruik van een flexibele PI/LIG-sensor om synchrone OOM-EMG, lipsluitende druk en intraorale druk te meten tijdens gestandaardiseerde liptaken, met nadruk op reproduceerbaarheid via acceptatiecriteria, vochtmitigatie-encapsulatie, apparaatspecifieke kalibratie, gestandaardiseerde plaatsing, gesynchroniseerde acquisitie en vooraf gedefinieerde verwerkings- en kwaliteitscontroleregels.

Samenvatting

Gelijktijdige kwantificering van periorale spieractivatie en lipgerelateerde druk kan een objectieve beoordeling van orofaciale functie ondersteunen, maar conventionele metingen worden meestal uitgevoerd met aparte sensoren die moeilijk te synchroniseren zijn tijdens dynamische taken. Hier presenteren we een reproduceerbaar protocol voor gesynchroniseerde opname van orbicularis oris-elektromyografie (OOM-EMG), lipdichtende druk (LP) en intraorale druk (IP) met behulp van een flexibele polyimide (PI) filmgebaseerde composietsensor met laser-geïnduceerd grafeen (LIG) elektroden en een geïntegreerde drukkoppelingspad. Het protocol specificeert laserpatroonvorming met vooraf bepaalde elektrische acceptatiecriteria, selectieve inkapseling bedoeld voor metingen met korte duur, laboratoriumkalibratie voor apparaatspecifieke spanning-naar-drukconversie, gestandaardiseerde anatomische plaatsingspunten voor periorale en intraorale interfaces, een taakbatterij (lipsluiting, blazen en zuigen), gesynchroniseerde acquisitievereisten en kernregels voor signaalverwerking en proefkwaliteit. Representatieve opnames bij 120 gezonde volwassenen tonen gesynchroniseerde multimodale vangst onder gestandaardiseerde omstandigheden, waarbij PI/LIG-afgeleide EMG matige associatie vertoont met conventionele oppervlakte-EMG (vrouwen r = 0,65; mannen r = 0,68) en LP sterk gekoppeld is aan IP binnen dezelfde taakvensters (r = 0,90). Het artikel van deze methode biedt een end-to-end, replicatiegerichte workflow voor multimodale periorale meting in begeleide onderzoeksomgevingen; Validatie in patiëntcohorten en duurzaamheid onder langdurige blootstelling aan mondvocht en herhaalde mechanische vervorming moeten in toekomstige studies worden geëvalueerd.

Inleiding

Lipspieren zijn fundamenteel voor spraakarticulatie, slikken, gezichtsuitdrukking en orale vaardigheid. Neurologische aandoeningen, beroertes en maxillofaciale interventies kunnen deze functies verstoren, wat leidt tot klinisch betekenisvolle beperkingen in communicatie en voeding en een vermindering van de kwaliteit van leven1. Objectieve kwantificatie van periorale spieractivatie samen met kracht- of drukgeneratie is daarom waardevol voor functionele beoordeling en revalidatieplanning. In het bijzonder biedt gesynchroniseerde meting van orbicularis oris-elektromyografie (OOM-EMG), lipsluitende druk (LP) en intraorale druk (IP) complementaire perspectieven op hoe neurale activatie zich vertaalt in taakrelevante drukproductie tijdens gedragingen die vaak worden gebruikt in therapie en uitkomsttracking2.

Toch blijft de geïntegreerde acquisitie van deze signalen technisch en operationeel uitdagend. In veel laboratoria en klinische onderzoeksomgevingen worden EMG- en drukmetingen als aparte subsystemen uitgevoerd, wat de voorbereidingslast verhoogt en de tijdsafstemming foutgevoeliger maakt tijdens korte, dynamische taken3. Periorale EMG is bijzonder kwetsbaar voor bewegingsartefacten en interface-instabiliteit, en vocht uit de periorale en orale omgeving kan de basislijnruis verhogen, waardoor de effectieve signaal-ruisverhouding afneemt en de vergelijkbaarheid tussen sessies wordt bemoeilijkt4. Drukmetingen brengen extra gevoeligheden met zich mee, omdat fixatie en lokale contactmechanica de gemeten amplitudes kunnen veranderen, en starre transducers de verdraagbaarheid kunnen verminderen tijdens herhaalde proeven of langere sessies5. Samen beperken deze beperkingen het routinematige gebruik van gesynchroniseerde, taak-uitgelijnde periorale EMG en lipgerelateerde drukmonitoring buiten gespecialiseerde workflows 6,7.

Flexibele polyimide (PI) films vormen een praktisch substraat voor periorale sensing omdat ze dun, conform, chemisch stabiel en veel worden gebruikt voor biomedische interfaces. Laser-geïnduceerd grafeen (LIG) dat direct op PI is gepatrooneerd, vormt een poreus geleidend netwerk dat als conforme elektrode kan functioneren zonder omvangrijke behuizingen 8,9. Het integreren van LIG-elektroden en een drukkoppelingsstructuur op hetzelfde PI-substraat maakt co-locatie OOM-EMG-opname en drukdetectie van lip-oppervlak mogelijk, terwijl extra massa aan de randen wordt geminimaliseerd. In combinatie met expliciete fabricageacceptatiecriteria, vochtmitigatie-encapsulatie, gestandaardiseerde plaatsingsherkenningspunten en vaste taaktimingdefinities, kan dergelijke integratie de reproduceerbaarheid en interpreteerbaarheid van multimodale periorale opnames tussen operators en locaties verbeteren10,11.

Hier beschrijven we een reproduceerbaar protocol om een PI/LIG-composietsensor te fabriceren, kalibreren en inzetten voor gesynchroniseerde opname van OOM-EMG, LP en IP tijdens gestandaardiseerde liptaken. Het protocol legt de nadruk op replicatiegerichte details, waaronder fabricage- en kwaliteitsacceptatiecontroles, apparaatspecifieke bench-kalibratie voor spanning-naar-drukconversie, gestandaardiseerde plaatsings- en hygiëneprocedures, gesynchroniseerde acquisitievereisten en vooraf gedefinieerde signaalverwerkings- en trial-uitsluitingsregels. Representatieve opnames bij gezonde volwassenen worden opgenomen om de haalbaarheid van korte sessies onder gestandaardiseerde omstandigheden aan te tonen, terwijl patiëntvalidatie en langdurige duurzaamheid bij langdurige blootstelling aan oraal vocht en herhaalde mechanische vervorming als prioriteiten voor toekomstig onderzoek worden geplaatst in plaats van afgeleid uit de huidige dataset12.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Deze studie werd goedgekeurd en uitgevoerd in overeenstemming met de richtlijnen van de ethische commissie van de Shanghai Jiao Tong Universiteit. Schriftelijke geïnformeerde toestemming werd van elke deelnemer verkregen vóór het onderzoek.

1. Ethiek en toestemming

  1. Verkrijg institutionele ethische goedkeuring vóór inschrijving en registreer de protocol-ID en goedkeuringsdatum voor rapportage.
  2. Verkrijg schriftelijke geïnformeerde toestemming van elke deelnemer. Documenteer de versie van het toestemmingsformulier en de datum.

2. Fabricage van de PI/LIG-sensorelementen

  1. Knip polyimidefilm op de doelafdruk. Gebruik een filmdikte van 25 μm of 50 μm. Controleer de dikte met een micrometer (tolerantie ±1 μm) en noteer het lotnummer.
    OPMERKING: Houd de dikte consistent binnen elke batch. Als beide diktes worden gebruikt, kalibreer dan elk apparaat afzonderlijk (stap 4.2) en meng geen kalibratiecoëfficiënten tussen apparaten.
  2. Patroon laser-geïnduceerd grafeen op de polyimidefilm om twee orbicularis oris EMG-elektroden en een centrale drukkoppelingsplaat te vormen. Voor een CO2-laser (10,6 μm) stel je het gemiddelde vermogen op het werkoppervlak in op 4,0 W, stel je de scansnelheid in op 150 mm/s, stel je de luikafstand in op 50 μm (ongeveer 508 dpi), breng je twee passes toe, breng je +1,0 mm defocus toe en gebruik je een enkelrichtingsluik13.
    1. Accepteer alleen apparaten die aan alle criteria voldoen: (i) visueel uniforme matzwarte LIG, (ii) plaatweerstand 20-60 Ω/□ door een vierpuntsprobe, (iii) variatiecoëfficiënt binnen het pad ≤15% over vooraf gedefinieerde meetpunten, en (iv) geen gaatjes groter dan 100 μm onder ongeveer 10× inspectie14.
    2. Als een ander lasersysteem wordt gebruikt, stel je de patrooninstellingen af totdat aan de acceptatiecriteria in stap 2.2.1 is voldaan, en registreer je alle gebruikte laserinstellingen15.
      OPMERKING: Vat laserpatroneringsparameters en batchniveau-acceptatiecriteria samen in Tabel 1.
  3. Spoel de patroonfolie 30 seconden af onder gedeïoniseerd water zonder het LIG-oppervlak te wrijven. Spoel 30 seconden af onder isopropanol. Laat ze minstens 10 minuten aan de lucht drogen in een stofvrij verblijf.
  4. Kapsel alle niet-contactgebieden in om vochtinfiltratie te beperken en mechanische bediening te stabiliseren. Breng een laag van medisch polyurethaan of polydimethylsiloxaan (PDMS) aan op alle gebieden die niet direct contact maken met de huid of last van het lipoppervlak ondervinden, met een droge dikte van 10-30 μm.
    1. Masker de EMG-contactpads en het centrale drukpad voordat je het coat, zodat deze sensorinterfaces na het uitharden volledig blootliggen. Na het uitharden bevestig je visueel een continue encapsulatiefilm met schone, scherp gedefinieerde grenzen rond de belichte pads en geen speldengaatjes, ophoping of randlift bij rekconcentrerende hoeken (zie Figuur 1E-F voor representatieve gefabriceerde en selectief ingekapselde apparaten).
    2. Voeg spanningsontlasting toe bij de overgang tussen leiding en pad en leid leads zo dat de minimale buigradius ≥3 mm is om de spanningsconcentratie tijdens het hanteren en plaatsente verminderen.
    3. Als PDMS wordt gebruikt, bereid dan de encapsulatie consequent voor en hard deze binnen elke batch. Ontgass PDMS vóór het coaten om opgesloten bellen te verwijderen, breng de coating gelijkmatig aan en hard uit bij 70 °C gedurende 30 minuten. Na het uitharden inspecteer je de grenzen van de blootgestelde pads opnieuw om te bevestigen dat er geen resterende PDMS-bruggen over de sensorgebieden liggen.
      OPMERKING: Gebruik waar mogelijk consequent één inkapselingsmateriaal binnen een batch. Als het encapsulatiemateriaal tussen batches verandert, herhaal dan de acceptatiecontroles in stappen 2.6 en 4.2 voor elke batch.
  5. (Optioneel) Lamineer een meegaand membraan over het drukpad om de krachtoverdracht te verbeteren. Lamineer een siliconen membraan (100-200 μm) gecentreerd over het drukpad en bevestig dit met lijm die alleen aan de omtrek wordt aangebracht. Zorg ervoor dat geen lijm het sensorgebied blokkeert en dat het diafragmaoppervlak vlak blijft zonder rimpels. Inspecteer onder ongeveer 10× vergroting en verwerp apparaten met zichtbare occlusie of misuitlijning.
    OPMERKING: Als een middenrif wordt gebruikt, breng het dan consequent toe op deelnemers binnen een stevige arm en documenteer de diafragmadikte en fixatiemethode.
  6. Bewaar afgewerkte apparaten onder gecontroleerde luchtvochtigheid en controleer de elektrische stabiliteit van vóór gebruik. Bewaar apparaten in een desiccator bij 20-25 °C en ≤30% relatieve luchtvochtigheid tot 7 dagen voor gebruik.
    1. Meet de plaatweerstand direct voor gebruik opnieuw op dezelfde vooraf gedefinieerde locaties als na de fabricage. Accepteer apparaten met ≤5% drift ten opzichte van de waarde na de fabricage, en sluit apparaten die deze drempel overschrijden uit van deelnemers die testen17.
  7. Kortetermijnvochtigheidsuitdaging voor de integriteit van de encapsulatie (uitgevoerd)
    1. Plaats elk apparaat in een afgesloten luchtvochtigheidskamer bij 85 ± 5% relatieve luchtvochtigheid en 25 ± 2 °C gedurende 60 minuten, waarbij je ervoor zorgt dat de blootgestelde EMG-pads en drukpad onbedektblijven.
    2. Verwijder het apparaat en balanseer bij omgevingsomstandigheden (20-25 °C, 40-60% RH) gedurende 10 minuten.
    3. Meet de plaatweerstand opnieuw op dezelfde vooraf gedefinieerde locaties die in stap 2.2.1 zijn gebruikt.
    4. Definieer de doorlaatcriteria als plaatweerstanddrift ≤10% ten opzichte van de waarde na de fabricage en geen zichtbare delaminatie, blaren of scheurvorming19.
      OPMERKING: In deze studie werd de vochtigheidsuitdaging uitgevoerd op n = 12 apparaten verspreid over 2 batches, wat resulteerde in een gemiddelde drift van 3,9 ± 1,8% (bereik 1,1 tot 8,6%), waarbij 12/12 apparaten aan de slagcriteria voldeden (Aanvullende Tabel 1).
  8. Cyclische buigingsduurzaamheidstest voor LIG-fragiliteit en drift (uitgevoerd)
    1. Monter elk apparaat op een buigingsvoorstel, waarbij herhaalde buiging wordt toegepast op een vaste straal van 5 mm, met het patroongebied gecentreerd op de buigas.
    2. Pas 1.000 cycli toe bij 1 Hz (één buiging per seconde).
    3. Meet de sheetweerstand bij de basislijn (0 cycli) en na 100, 500 en 1.000 cycli.
    4. Definieer de doorslagcriteria als: (i) drift ≤15% bij de laatste cyclustelling, (ii) geen plotselinge weerstandsprongen >30% tussen controlepunten, en (iii) geen zichtbare scheuren of delaminatie bij ongeveer 10× inspectie21.
      OPMERKING: In deze studie werd de buigingstest uitgevoerd op n = 12 apparaten, en de laatste cyclusdrift was 6,2 ± 3,4% (bereik 1,4 tot 13,9%). Er werden geen abrupte weerstandsprongen waargenomen bij 12/12 apparaten, en 12/12 apparaten voldeden aan alle slagcriteria (Aanvullende Tabel 1).
    5. Als een apparaat niet aan de criteria voldoet, herfabriceer dan het LIG-patroon, herzie de encapsulatiedekking bij rekconcentrerende randen en herhaal de test met dezelfde jigradius en frequentie.
  9. Gesimuleerde speekselblootstelling en isolatielekcontrole (uitgevoerd)
    1. Bereid een gesimuleerde speekseloplossing voor bij pH 6,8-7,2 en balanseer tot 37 °C.
    2. Bescherm de blootgestelde EMG-pads en drukpad met een afneembaar masker zodat alleen ingekapselde gebieden worden aangetast. Laat het apparaat 60 minuten onder op 37 °C dompelen met een zachte beweging (bijv. 60 rpm).
    3. Verwijder het apparaat, spoel 10 seconden met gedeïoniseerd water en laat het 10 minuten aan de lucht drogen bij omgevingsomstandigheden.
    4. Meet de weerstand van de isolatie tussen lood bij 10 VDC en noteer de waarde.
    5. Definieer doorlaatcriteria als: (i) isolatieweerstand >20 MΩ, (ii) plaatweerstandsdrift ≤10% ten opzichte van de basislijn, en (iii) geen signaaluitval of intermitterend contact tijdens een 30 seconden durende bench recordingvan 23.
      OPMERKING: In deze studie werd gesimuleerde speekselblootstelling uitgevoerd op n = 12 apparaten. De minimale isolatieweerstand na blootstelling was 64 MΩ, en de afdrift van plaatweerstand was 4,6 ± 2,1% (bereik 0,9 tot 9,2%). Alle slagcriteria werden voldaan door 12/12-apparaten (Aanvullende Tabel 1). Als isolatieweerstand onder de drempel daalt, gebruik het apparaat dan niet bij de deelnemers. Herkap de vermoedelijke ingangsgebieden en herhaal stappen 2.9.1-2.9.6. Vat alle kamersetpoints, buigparameters, blootstellingscondities, steekproefgroottes en driftuitkomsten samen als batch-niveau metadata in Aanvullende Tabel 1. Indien nodig, geef per apparaat driftcurves in Aanvullende Tabel 2.

3. Het assembleren van de module en referentiekanalen

  1. Bevestig flexibele kabels aan de LIG-pads met soldeer of geleidende epoxy. Als er geleidende epoxy wordt gebruikt, hard dan 30 minuten uit bij 80 °C.
    1. Controleer de end-to-end loodweerstand <50 Ω. Leid de kabels naar een afgeschermde connector en zet de kabel vast om het trekken aan de padinterface te minimaliseren.
  2. Bereid referentiekanalen voor.
    1. Bereid conventionele EMG-elektroden voor het opnemen van orbicularis oris.
    2. Bereid een intraoraal drukreferentiekanaal voor met behulp van een manometrielijn (buitendiameter 2-3 mm) en een druktransducer (bereik ±20 kPa; resolutie ≤0,1 kPa).
  3. Controleer de elektrische continuïteit en isolatie. Meet de weerstand van de isolatie tussen lood >20 MΩ bij 10 VDC. Documentenkanaaltoewijzing.

4. Bench-kalibratie en veiligheidscontroles

  1. Meet de elektrodepadimpedantie bij 100 Hz met behulp van (i) een gestandaardiseerde huidcontactcontrole tijdens de opstelling of (ii) een gelfantoom die consequent wordt gebruikt tussen apparaten. Accepteer kanalen met impedantie <10 kΩ en registreer impedantiewaarden.
    1. (Aanbevolen check) Meet de elektrodehuidimpedantie opnieuw na de taakbatterij en herhaal de plaatsing als de impedantie met >20% toeneemt ten opzichte van de basislijn.
  2. Kalibreer het drukpad en de intraorale druklijn met bekende drukken van 0 tot 10 kPa.
    1. Oefen druk uit op 0, 1, 2, 3, 4, 5, 7,5 en 10 kPa met een 3 s dwell bij elke stap. Herhaal de volgorde drie keer vóór het deelnemerstesten en één keer na het testen.
    2. Als je een waterkolom gebruikt, zet je hoogte h (cmH₂O) om naar kPa met behulp van: kPa = 0,0980665 × h.
    3. Fit een lineair model kPa = a· V + b. Accepteer kalibraties die aan alle criteria voldoen: R² ≥0,995, maximale absolute residuele ≤0,2 kPa, en pre- versus post-experimentele hellingdrift ≤1% van de volledige schaal.
    4. Bewaar apparaatspecifieke kalibratiecoëfficiënten voor offline spanning-naar-kPa-conversie.
      OPMERKING: Als aan de kalibratiecriteria niet wordt voldaan, ga dan niet door met deelname aan de tests. Bouw het apparaat opnieuw op of kap het opnieuw en herhaal de kalibratie. Presenteer representatieve kalibratiecurves samen met het apparaatoverzicht in Figuur 1.
  3. Desinfecteer alle huidcontactdelen met 70% isopropylalcohol. Pas eenmalige of hoog-niveau desinfectie toe op intraorale delen volgens het institutionele beleid. Noteer desinfectiemiddel en wachttijd.
  4. Rond en omsluit blootgestelde LIG-randen om slijtage te voorkomen. Controleer het ontbreken van scherpe randen met een vingertop-snagtest.
    OPMERKING: Als er vastloopt, herkap dan onmiddellijk opnieuw of vervang het apparaat.

5. Deelnemers voorbereiden en sensoren plaatsen

  1. Screen gezonde volwassenen en registreer de demografie zoals gespecificeerd in Tabel 2. Sluit personen met actieve mondlaesies of acute luchtwegaandoeningen uit.
  2. Zet de deelnemer rechtop met rugsteun, ~90° heupflexie en een neutrale kinpositie.
  3. Maak de bovenste rand van vermiljoen schoon met 70% alcoholdoekjes. Laat de huid minstens 30 seconden aan de lucht drogen.
  4. Plaats de PI/LIG EMG-elektroden langs de superior orbicularis oris.
    1. Lijn het elektrodenpaar parallel aan de bovenste vermiljoenrand uit en centreer de array op de middenlijn van het gezicht. Stel de afstand tussen elektroden tussen het midden in op 11 ± 1 mm en zorg ervoor dat beide contactpads plat liggen zonder te rimpelen of de randen te liften.
    2. Plaats de referentie-elektrode op de ipsilaterale wang boven een laag bewegingsgebied en plaats de grondelektrode op de onderarm.
    3. Controleer stabiel contact door te controleren of de elektrode-huidinterface volledig vastzit tijdens een korte lipsluitingsoefening en dat de ontlasting van de loodspanning trekt aan de padinterface voorkomt (zie Figuur 1G voor representatieve plaatsing).
  5. Bevestig het drukkussen op de middenlijn van de bovenlip.
    1. Plaats het drukkoppelingskussen zodat het centrum uitlijnt met de middenlijn van het philtrum en het oppervlak volledig contact maakt met de lip zonder over de huidhuid te slaan. Bevestig de pad met hypoallergene chirurgische tape die op de randen van het apparaat is aangebracht, zodat tape niet overlapt over het sensorgebied.
    2. Oefen ongeveer 1-2 N druk op je vingertoppen uit gedurende 5 seconden om het kussen te plaatsen en micro-gaps te elimineren, en controleer dan visueel volledig contact (geen zichtbare blanchering en geen tape die "overbruggt" over het kussen). Als een compliant diafragma wordt gebruikt, zorg er dan voor dat deze na fixatie gecentreerd en niet geocclueerd blijft (Figuur 1G).
  6. Plaats de intraorale drukkatheter en stabiliseer de lijn.
    1. Breng de katheter centraal tussen de gesloten lippen in tot een diepte van 10-15 mm, waarbij je ervoor zorgt dat de buis de randen van de tanden niet raakt of scherp vouwt bij de rand. Bevestig het comfort van de deelnemer en onbelemmerde ademhaling.
    2. Stel de druktransducer direct voor het opnemen op nul bij atmosferische druk en controleer de basislijn opnieuw na fixatie.
    3. Bevestig de katheterlijn met tape aan de wang en leid deze naar achteren om bewegingsoverdracht tijdens taken te minimaliseren; Zorg ervoor dat de lijn niet onder spanning staat en niet aan de lip trekt tijdens het cue-en (Figuur 1G).
  7. Reken 2-3 minuten in voor stabilisatie. Record minstens 30 seconden van baseline.
  8. Verzamel door deelnemers gerapporteerde bruikbaarheids- en verdraagbaarheidsuitkomsten (uitgevoerd).
    1. Na het voltooien van de volledige taakbatterij (sectie 6), vraag je de deelnemer om de bruikbaarheid te beoordelen met een numerieke schaal van 0-10 (0 = slechtste/moeilijkste, 10 = beste/makkelijkste) voor de volgende punten: (i) algemeen comfort van de PI/LIG-lipsensor, (ii) comfort van de intraorale drukinterface/katheter, (iii) gemak van het uitvoeren van de gestandaardiseerde taken terwijl het systeem wordt gedragen, en (iv) bereidheid om de procedure in een toekomstige sessie te herhalen.
    2. Noteer beoordelingen op een gestandaardiseerd formulier van één pagina en documenteer of er ongemak nodig was om de sessie te pauzeren of te beëindigen (ja/nee) en de belangrijkste reden (vrije tekst).
  9. Documenteer de door de operator gerapporteerde opsteltijd (uitgevoerd).
    1. Begin met een stopwatch zodra de huidvoorbereiding begint (stap 5.3). Stop timing wanneer stabiele baselines op alle kanalen zijn verkregen (einde stap 5.7).
    2. Noteer de opsteltijd (min) voor elke deelnemer en operator. Als vervanging nodig is, neem dan de extra tijd op en noteer de reden.
  10. Rapporteer bruikbaarheidsitems en samenvattingen.
    1. Geef de exacte gebruiksvriendelijkheidsbewoording en ankers in Aanvullende Tabel 3.
    2. Vat de door deelnemers gerapporteerde bruikbaarheidsuitkomsten samen als mediaan (IQR) voor elk item in totaal en per geslachtsgroep in Aanvullende Tabel 4. Vat de opsteltijd samen met dezelfde statistieken en timingdefinitie in Figuur 6 of een gelijkwaardige tabel.
      OPMERKING: Als een sessie wordt afgebroken vanwege ongemak, noteer dan de taak bij het beëindigen, de getroffen interface (lipsensor versus intraorale katheter) en of er een nadelig voorval is opgetreden. Neem deze gebeurtenissen op in de samenvatting van de veiligheidsmonitoring in de resultaten.

6. Standaardisatie van taken en het verzamelen van gegevens

  1. Geef gestandaardiseerde verbale aanwijzingen die worden getemperd door een metronoom van 60 bpm. Demonstreer elke taak één keer.
  2. Geef de deelnemer opdracht om drie taken uit te voeren terwijl hij een consistente ademhaling en kaakhouding aanhoudt.
    1. Geef de deelnemer instructies om de lippen stevig te sluiten zonder kaakklemmen (lipsluiting).
    2. Geef de deelnemer instructies om positieve druk te genereren door getuite lippen (blazen).
    3. Geef de deelnemer opdracht om negatieve druk te genereren via een rietachtige interface (zuigen).
  3. Registreer vijf proeven per taak met een 3 s activatie en 10 s rust. Randomiseer de taakvolgorde tussen de deelnemers met behulp van een Latijns vierkant-schema.
  4. Verkrijg alle kanalen synchroon. Neem EMG op ≥1 kHz met ≥16-bits resolutie. Proefdruk bij ≥100 Hz. Pas passende anti-aliasing toe. Als hardwarefilters niet beschikbaar zijn, pas dan aangepaste digitale laagdoorlaatfilters toe onder de Nyquist-frequentie. Annoteer artefacten (spraak, slikken, hoesten) tijdens het verwerven.
  5. Prespecificeren analyse-endpoints voor correlatie- en overeenkomstuitkomsten en bereiden gesynchroniseerde taaktraces voor om timing en kanaaluitlijning te verifiëren.
    OPMERKING: Vat correlatie-/overeenkomstresultaten samen in Figuur 2 en geef representatieve gesynchroniseerde taaktraces in Figuur 3.

7. Signaalverwerking en handhaving van kwaliteitscontrole

  1. Filter EMG met een nulfase 4e-orde Butterworth banddoorlaatfilter (20-450 Hz). Pas een notch-filter toe op 50 of 60 Hz afhankelijk van de lokale netfrequentie. Gelijktrek het signaal en bereken de lineaire envelop met behulp van een nulfase 4e-orde laagdoorlaatfilter bij 8-10 Hz. Documenteer de gekozen cutoff.
  2. Laagdoorlaatfilterdruksignalen bij 10-20 Hz met een nulfase 4e-orde filter. Zet spanningen om naar kPa met behulp van apparaatspecifieke kalibratiecoëfficiënten uit stap 4.2.
  3. Lijn EMG-envelopes uit met LP en IP met cue-markers. Controleer of piektimingverschillen binnen ±200 ms liggen. Als de misalignment de tolerantie overschrijdt, herlijn dan met kruiscorrelatie en markeer de proef.
  4. Weiger proeven die voldoen aan een van de volgende criteria binnen het activatievenster van 3 seconden: (i) uitval of verzadiging van > 0,6 seconden, (ii) baseline drift die 3 SD van baseline RMS over 10 s overschrijdt, of (iii) bewegings-artefactuitbarstingen met envelope spikes > 5 SD van baseline tijdens rust. Behoud minstens drie geldige proeven per taak en deelnemer.
  5. Vat de instellingen voor signaalverwerking en de drempels voor kwaliteitscontrole samen in Tabel 3.

8. Kwantificeren van metrieken en statistieken analyseren

  1. Bereken de Pearson-correlaties binnen de deelnemer tussen PI/LIG-afgeleide EMG en conventionele EMG met behulp van trial-gewijze activatieamplitudes gedefinieerd als EMG RMS over de centrale 2 s van het 3 s activatievenster. Rapporteer r met 95% betrouwbaarheidsintervallen met behulp van Fisher's z-transformatie.
  2. Bereken correlaties tussen LP en IP per taak met dezelfde analysevensters.
  3. Beoordeel overeenstemming tussen PI/LIG-afgeleide EMG en conventionele EMG-amplitudes met behulp van Bland-Altman-analyse. Definieer bias als het gemiddelde gepaarde verschil, en grenzen van overeenstemming als bias ± 1,96 SD van verschillen. Als evenredige bias wordt gedetecteerd (p < 0,05 voor regressie van verschillen op gemiddelden), herhaal dan de analyse van log-getransformeerde amplitudes en back-transform limieten.
  4. Als herhaalde blokken beschikbaar zijn, schat de test-hertest betrouwbaarheid met behulp van ICC(2,1) (two-way random-effects, absolute-agree, single-measure) voor EMG-amplitude en piekdruk. Rapporteer ICC met 95% betrouwbaarheidsintervallen.
    OPMERKING: Als herhaalde blokken niet beschikbaar zijn, laat ICC weg en vermeld dit expliciet in de Resultaten.
  5. Bereid tijd-verloop grafieken voor om taakdynamiek en geslachtsgroepvergelijkingen te visualiseren, en vat deze tijdsdomeinprofielen samen in Figuur 4.
  6. Bereken de signaal-ruisverhouding in decibel: SNR_dB = 20·log10(RMS_active/RMS_baseline), waarbij RMS_active wordt berekend over de centrale 2s van activatie en RMS_baseline over de 1 s pre-cue rust. Vat SNR-verdelingen samen en voeg één illustratief voorbeeld van ruis/mislukt toe om uitsluitingscriteria aan te tonen in Figuur 5.
  7. Vergelijk vrouwen en mannen op per-deelnemer-samenvattingen (bijv. pieklipdruk, EMG RMS en SNR). Test normaliteit met Shapiro-Wilk. Gebruik Welch's t-test voor normaal verdeelde data of Mann-Whitney U anders. Stel tweezijdige α = 0,05. Rapporteer exacte p-waarden en pas Holm-Bonferroni-correctie toe op drie taakvergelijkingen. Maak installatietijdvergelijkingen met dezelfde timingdefinities over operators heen en vat deze samen in Figuur 6.

9. Veelvoorkomende problemen oplossen

  1. Om een lage EMG SNR aan te pakken, bereid de huid opnieuw voor en droog de huid, plaats de elektroden opnieuw op 11 ± 1 mm afstand, controleer impedantie <10 kΩ, optimaliseer de kabelafscherming en controleer de filterinstellingen voordat een enkele poging wordt herhaald.
  2. Om de druk onder de respons te corrigeren, druk je de pad opnieuw in om volledig contact te garanderen (1-2 N voor 5 seconden), verwijder je de vouwen van tape die de pad overbruggen en herhaal je de kalibratie om te voldoen aan de acceptatiecriteria van stap 4.2.
  3. Om intraorale drukdrift op te lossen, spoel je de bubbels, plaats je de katheter weer op 10-15 mm diepte en stel je de transducer voor elk blok opnieuw op nul.
  4. Om bewegingsartefacten te verminderen, oefen cues, verhoog de intertrialrust tot 15 seconden wanneer nodig, en markeer besmette epochs voor uitsluiting.
  5. Gebruik de gestandaardiseerde probleemoplossingsmatrix in Tabel 4 om faalmodi, corrigerende acties en verificatiecontroles te documenteren.

10. Veiligheid, hygiëne en verwijdering

  1. Gebruik intraorale interfaces voor eenmalig gebruik en voer deze af als biohazard afval volgens het institutionele beleid.
  2. Desinfecteer herbruikbare houders en leads tussen de deelnemers. Documenteer desinfectiemiddel en wachttijd.
  3. Let op huidirritatie of ongemak. Beëindig de sessie onmiddellijk als bijdelige gebeurtenissen optreden en registreer het voor IRB-rapportage.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Overzicht en kalibratie van het apparaat
De apparaatarchitectuur, plaatsing en werkwijze van laboratoriumkalibratie worden samengevat in Figuur 1. De module integreert twee geco-lokaliseerde laser-geïnduceerde grafeen (LIG) elektroden op een flexibel polyimide (PI) substraat voor orbicularis oris EMG (OOM-EMG) en een centrale drukkoppelingspad op het bovenlipoppervlak, samen met een aparte intraorale lijn voor intraorale druk (IP). Repres...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Dit artikel beschrijft een end-to-end protocol voor gesynchroniseerde monitoring van orbicularis oris-elektromyografie (OOM-EMG), lipsluitingsdruk (LP) en intraorale druk (IP) met behulp van een flexibele polyimide/laser-geïnduceerde grafeen (PI/LIG) composietsensor gekoppeld aan een gestandaardiseerde acquisitie- en verwerkingspijplijn. Reproduceerbaarheid in deze workflow hangt af van een klein aantal kritieke stappen die bepalen of opnames vergelijkbaar blijven tussen operators en ses...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Alcohol prep padsDynarex111370% isopropyl prep pads; Huidreiniging voor elektrodeplaatsing
BNC terminal blockNational InstrumentsBNC-2110 Gebruik met NI afgeschermde kabel voor DAQ-connectiviteit; Breakout/aansluiting voor analoge ingangen
CO2 laser graveer-/snijsysteemUniversal Laser SystemsVLS 3.50 (CO2)Elk CO2 lasersysteem acceptabel als de acceptatiecriteria in Tabel 1 worden vervuld; noteer gebruikt lasermodel/instellingen; LIG patroon op PI (10,6 μm klasse)
Geleidend epoxy (zilver)MG Chemicals8331Uithardingscondities moeten overeenkomen met de geïmplementeerde workflow; Lead aanhechting aan LIG pads (optionele alternatief voor solderen)
Data acquisitie apparaatNational InstrumentsUSB-6343Elke DAQ die voldoet aan de bemonsterings-/resolutievereisten is acceptabel; noteer het exacte apparaat dat is gebruikt; Synchrone multi-kanaals opname (EMG ≥1 kHz; druk ≥100 Hz)
De-ioniseerd waterFisher ScientificLaboratoriumkwaliteit DI waterEquivalent laboratorium DI water acceptabel; Spoelen na patroon
DesiccatorKartell554 (vacuüm desiccator, 250 mm)Elke verzegelde desiccator + droogmiddel acceptabel; Noteer opslag RH en duur; Droge opslag (RH ≤30%) voor voltooide apparaten
EMG wegwerpbare oppervlakte-elektrodenAmbuBlueSensor N (N-00-S/25)Equivalent voorgelijmde Ag/AgCl EMG elektroden acceptabel; Referentie EMG op orbicularis oris
Vierpunts sonde systeemOssilaVier-punts sonde systeem (T2001A5)Elk vierpunts sonde systeem acceptabel; Noteer sondespaatschroom/meetpunten; Scherm weerstandstest (Ω/figure-materials-1)
Hypoallergene chirurgische tapeSolventumMicropore chirurgische tape 1530 (Product ID 7100273771)Equivalent hypoallergene chirurgische tape acceptabel; Bevestig drukpad op bovenlip middellijn
Isopropyl alcohol (IPA), ≥99%Merck (Sigma-Aldrich)190764-500MLNoteer leverancier en batchnummer in lab log; Spoelen na patroon; algemene schoonmaak
Manometrie/druk katheter lijnKRUUSEVoedingsbuis, 8 Fr (230811)Elke katheter/buis die voldoet aan OD en veiligheidsvereisten acceptabel; Noteer exact gebruikt model; Intraorale druk (IP) lijn, OD ~2–3 mm
MetronoomKorgMA-2App-gebaseerde metronoom acceptabel indien gedocumenteerd (apparaat + app naam/versie); Cue pacing (60 bpm)
MicrometerMitutoyo293-340-30 (0–25 mm)Elke micrometer die voldoet aan de resolutiebehoeften acceptabel; Verifieer PI dikte (±1 μm tolerantie)
Polyimide film (25 μm)Merck (Sigma-Aldrich)GF596270090,025 mm dikte; noteer batchnummer; houd dikte consistent binnen elke batch; Substraat voor PI/LIG apparaat
Polyimide film (50 μm)Goodfellow10001067860,05 mm dikte; noteer batchnummer; meng niet calibratiecoëfficiënten tussen apparaten; Substraat voor PI/LIG apparaat
Druksensor (USB uitgang)Omega EngineeringPX409-USBH serieSelecteer bereik om ±20 kPa vereiste te dekken; noteer exact bereik/gebruikte model; IP meting (resolutie ≤0,1 kPa aanbevolen)
Afgeschermde kabel (68-pin)National InstrumentsSHC68-68-EPMGebruik met NI BNC-2110 voor afgeschermde verbindingen; DAQ connectiviteit (USB-6343 naar terminal block)
Siliconen elastomeer film (diafragma)GoodfellowSiliconen elastomeer film 0,125 mm (Ref 1000181130)Optioneel; breng consistent aan als gebruikt en noteer dikte/fixatie methode; Optioneel compliant diafragma (100–200 μm)
Siliconen elastomeer kit (PDMS)DowSYLGARD 184 kitGebruik consistent binnen een batch; noteer mengverhouding en uithardingscondities; Encapsulatie (doel droge dikte 10–30 μm)
Loodlood draadKester24-6337-0027 (Sn63/Pb37, rosin core, 0,031 in)Als loodlood soldeer wordt gebruikt, noteer legering en flux type; Lead aanhechting (indien solderen wordt gebruikt)
Software (signaalverwerking)Python Software FoundationPython 3.x + NumPy/SciPy/MatplotlibDocument exacte versies van Python en pakketten in Methoden of Aanvullende Methoden; Filteren, synchronisatie, statistieken, plotten

Referenties

  1. Wood, L. M., Hughes, J., Hayes, K. C., Wolfe, D. L. Reliability of labial closure force measurements in normal subjects and patients with CNS disorders. J Speech Hear Res. 35 (2), 252-258 (1992).
  2. Matsumoto, H., et al. Real-time continuous monitoring of oral soft tissue pressure with a wireless mouthguard device for assessing tongue thrusting habits. Sensors. 23 (11), 5027(2023).
  3. Hug, F. Can muscle coordination be precisely studied by surface electromyography. J. Electromyogr Kinesiol. 21 (1), 1-12 (2011).
  4. Surface Electromyography: Physiology, Engineering, and Applications. Merletti, R. , John Wiley & Sons. Hoboken, NJ. (2016).
  5. Soo, N. D., Moore, R. N. A technique for measurement of intraoral lip pressures with lip bumper therapy. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 99 (5), 409-417 (1991).
  6. Kohli, M., Hsu, L. F., Chen, C. C., Yao, C. C. J., Chung, T. K. Wearable wireless magnetic-reluctance-based pressure sensing module for intraoral pressure monitoring. IEEE Trans Magn. 59 (11), 1-9 (2023).
  7. Manca, A., et al. A survey on the use and barriers of surface electromyography in neurorehabilitation. Front Neurol. 11, 573616(2020).
  8. Lin, J., et al. Laser-induced porous graphene films from commercial polymers. Nat Commun. 5 (1), 5714(2014).
  9. Liu, M., Wu, J., Cheng, H. Effects of laser processing parameters on properties of laser-induced graphene by irradiating CO2 laser on polyimide. Sci China Technol Sci. 65 (1), 41-52 (2022).
  10. Hermens, H. J., et al. Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures. J Electromyogr Kinesiol. 10 (5), 361-374 (2000).
  11. Farina, D., Merletti, R., Enoka, R. M. The extraction of neural strategies from the surface EMG. J Appl Physiol. 96 (4), 1486-1495 (2004).
  12. Kim, J., et al. Wearable biosensors for healthcare monitoring. Nat Biotechnol. 37 (4), 389-406 (2019).
  13. Wang, Z., Tan, K. K., Lam, Y. C. Electrical resistance reduction induced with CO2 laser single line scan of polyimide. Micromachines (Basel). 12 (3), 227(2021).
  14. Paucar, Y. I., Pantoja-Suárez, F., Bertran-Serra, E., Sánchez, F., Moreno, K. Laser-induced graphene on polyimide: Material characterization toward strain-sensing applications. Sensors (Basel). 25 (24), 7641(2025).
  15. Qian, H., Moreira, G., Vanegas, D., et al. Improving high throughput manufacture of laser-inscribed graphene electrodes via hierarchical clustering. Sci Rep. 14, 7980(2024).
  16. Lu, N., Kim, D. -H. Flexible and stretchable electronics paving the way for soft robotics. Soft Robotics. 1 (1), 53-62 (2014).
  17. Behrent, A., Borggraefe, V., Baeumner, A. J. Laser-induced graphene trending in biosensors: understanding electrode shelf-life of this highly porous material. Anal Bioanal Chem. 416 (9), 2097-2106 (2024).
  18. Quellmalz, A., et al. Influence of humidity on contact resistance in graphene devices. ACS Appl Mater Interfaces. 10 (48), 41738-41746 (2018).
  19. Ray, T. R., et al. Bio-integrated wearable systems: a comprehensive review. Chem Rev. 119 (8), 5461-5533 (2019).
  20. Wang, S., et al. Skin electronics from scalable fabrication of an intrinsically stretchable transistor array. Nature. 555 (7694), 83-88 (2018).
  21. Amjadi, M., et al. Stretchable, skin-mountable, and wearable strain sensors and their potential applications: a review. Adv Funct Mater. 26 (11), 1678-1698 (2016).
  22. Leung, V. W. -H., Darvell, B. W. Artificial salivas for in vitro studies of dental materials. J Dent. 25 (6), 475-484 (1997).
  23. Zhang, Y., et al. Parylene C as an insulating polymer for implantable neural interfaces: acute electrochemical impedance behaviors in saline and pig brain in vitro. Polymers (Basel). 14 (15), 3033(2022).
  24. Searle, A., Kirkup, L. A direct comparison of wet, dry and insulating bioelectric recording electrodes. Physiol Meas. 21 (2), 271-283 (2000).
  25. Rogers, J. A., Someya, T., Huang, Y. Materials and mechanics for stretchable electronics. Science. 327 (5973), 1603-1607 (2010).
  26. Clancy, E. A., Morin, E. L., Merletti, R. Sampling, noise-reduction and amplitude estimation issues in surface electromyography. J Electromyogr Kinesiol. 12 (1), 1-16 (2002).
  27. Trung, T. Q., Lee, N. -E. Flexible and stretchable physical sensor integrated platforms for wearable human-activity monitoring and personal healthcare. Adv Mater. 28 (22), 4338-4372 (2016).
  28. Kim, D. -H., et al. Epidermal electronics. Science. 333 (6044), 838-843 (2011).
  29. De Luca, C. J. The use of surface electromyography in biomechanics. J Appl Biomech. 13 (2), 135-163 (1997).
  30. Someya, T., Bao, Z., Malliaras, G. G. The rise of plastic bioelectronics. Nature. 540 (7633), 379-385 (2016).
  31. Wang, C., et al. User-interactive electronic skin for instantaneous pressure visualization. Nat Mater. 12 (10), 899-904 (2013).
  32. Munafò, M. R., et al. A manifesto for reproducible science. Nat Hum Behav. 1 (1), 0021(2017).
  33. Hozawa, M., et al. Evaluation of oral function using a composite sensor during maximum lip closure and swallowing in normal children and adults. J Oral Rehabil. 51 (8), 1349-1356 (2024).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Elektromyografie monitoringactivering van periorale spierenlippressieintraorale drukgesynchroniseerde registratiesignaalverwerkingrehabilitatiesensor
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.