Artykuł metodologiczny

Laserowo indukowany sensor filmu grafen-poliimid do jednoczesnej elektromiografii warg i monitorowania ciśnienia w spersonalizowanej rehabilitacji

96 wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/70306

⸱

30 kwietnia 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

W tym artykule

Podsumowanie

Protokół ten opisuje wytwarzanie, kalibrację i użycie elastycznego czujnika PI/LIG do synchronicznego pomiaru OOM-EMG, ciśnienia przy zamykaniu wargi oraz ciśnienia wewnątrzustnego podczas standaryzowanych zadań wargowych, kładąc nacisk na powtarzalność poprzez kryteria akceptacji, enkapsulację przeciwwilgociową, kalibrację specyficzną dla urządzenia, standaryzowane umieszczanie, synchronizowane pozyskiwanie oraz zdefiniowane procedury przetwarzania i kontroli jakości.

Streszczenie

Jednoczesna ilościowa identyfikacja aktywacji mięśni okołoustnych i ciśnienia na wargach może wspierać obiektywną ocenę funkcji twarzy orze-twarzowej, jednak konwencjonalne pomiary są zwykle wykonywane za pomocą oddzielnych czujników, które trudno zsynchronizować podczas dynamicznych zadań. Przedstawiamy tutaj powtarzalny protokół synchronizowanego rejestrowania elektromiografii orbicularis oris (OOM-EMG), ciśnienia zamykającego wargi (LP) oraz ciśnienia wewnątrzustnego (IP) z użyciem elastycznego kompozytowego czujnika poliimidowego (PI) opartego na filmie z elektrodami laserowo indukowanymi (LIG) oraz zintegrowaną podkładką sprzężenia ciśnieniowego. Protokół określa wzorowanie laserowe z wcześniej określonymi kryteriami akceptacji elektrycznej, selektywną enkapsulację przeznaczoną do pomiarów krótkotrwałych, kalibrację stołu laboratoryjnego dla specyficznej dla urządzenia konwersji napięcia do ciśnienia, standaryzowane anatomiczne punkty orientacyjne dla interfejsów perioralnych i wewnątrzustnych, baterię zadaniową (zamykanie wargi, dmuchanie i ssanie), wymagania dotyczące synchronizacji akwizycji oraz podstawowe zasady przetwarzania sygnałów i jakości prób. Reprezentatywne nagrania u 120 zdrowych dorosłych wykazują zsynchronizowane przechwytywanie multimodalne w warunkach standaryzowanych, przy czym EMG pochodzące z PI/LIG wykazują umiarkowane powiązanie z konwencjonalnym EMG powierzchniowym (kobiety r = 0,65; mężczyźni r = 0,68) oraz LP silnie sprzężonym z IP w tych samych oknach zadań (r = 0,90). Artykuł tej metody przedstawia kompleksowy, oparty na replikacji workflow dla wielomodalnych pomiarów około-peryoralnych w nadzorowanych środowiskach badawczych; Walidacja w kohortach pacjentów oraz trwałość pod długotrwałym narażeniem na wilgoć w jamie ustnej oraz powtarzającą się deformacją mechaniczną powinna być oceniona w przyszłych badaniach.

Wprowadzenie

Mięśnie warg są kluczowe dla artykulacji mowy, połykania, mimiki twarzy i kompetencji ustnej. Zaburzenia neurologiczne, udar i interwencje szczękowo-twarzowe mogą zakłócać te funkcje, prowadząc do klinicznie istotnych ograniczeń w komunikacji i karmieniu oraz obniżając jakość życia1. Obiektywne ilościowe określenie aktywacji mięśni okołoustnych wraz z generowaniem siły lub ciśnienia jest zatem cenne dla oceny funkcjonalnej i planowania rehabilitacji. W szczególności zsynchronizowane pomiary elektromiografii orbicularis oris (OOM-EMG), ciśnienia zamykającego wargę (LP) oraz ciśnienia wewnątrzustnego (IP) oferują uzupełniające perspektywy na to, jak aktywacja nerwowa przekłada się na produkcję ciśnienia istotnego dla zadania podczas zachowań powszechnie stosowanych w terapii i śledzeniu wyników2.

Jednak zintegrowane pozyskiwanie tych sygnałów pozostaje technicznie i operacyjnie wyzwaniem. W wielu laboratoriach i środowiskach badawczych pomiary EMG i ciśnienia są realizowane jako oddzielne podsystemy, co zwiększa obciążenie przygotowania i sprawia, że wyrównanie czasu jest bardziej podatne na błędy podczas krótkich, dynamicznych zadań3. EMG około-okołowe jest szczególnie podatne na artefakty ruchu i niestabilność interfejsu, a wilgoć z otoczenia peryoralnego i ustnego może podnosić szum bazowy, zmniejszając efektywny stosunek sygnału do szumu i komplikując porównywalność między sesjami4. Pomiary ciśnienia wprowadzają dodatkowe czułości, ponieważ mechanizmy fiksacji i lokalnego kontaktu mogą zmieniać mierzone amplitudy, a przetworniki sztywne mogą obniżać tolerancję podczas powtarzalnych prób lub dłuższych sesji5. Razem te ograniczenia ograniczają rutynowe stosowanie zsynchronizowanego, zadaniowego EMG obwodowego i monitorowania ciśnienia związanego z wargami poza specjalistycznymi przepływamipracy 6,7.

Elastyczne folie poliimidowe (PI) stanowią praktyczne podłoże do wykrywania peryoralnego, ponieważ są cienkie, konformowalne, chemicznie stabilne i szeroko stosowane na interfejsach biomedycznych. Grafen indukowany laserowo (LIG) wzorowany bezpośrednio na PI tworzy porowatą przewodzącą sieć, która może funkcjonować jako elektroda konforemna bez dużych obudów 8,9. Integracja elektrod LIG i struktury sprzężenia ciśnieniowego na tym samym podłożu PI umożliwia jednoczesne rejestrowanie OOM-EMG oraz wykrywanie ciśnienia na powierzchni wargi, minimalizując dodatkową masę na krawędziach. W połączeniu z wyraźnymi kryteriami akceptacji fabrykacji, enkapsulacją przeciwwilgociową, standaryzowanymi punktami orientacyjnymi oraz stałymi definicjami czasu zadań, taka integracja może poprawić powtarzalność i interpretowalność multimodalnych nagrań peryoralnych na operatorach i lokalizacjach10,11.

Tutaj opisujemy powtarzalny protokół służący do wytwarzania, kalibracji i wdrażania kompozytowego czujnika PI/LIG do synchronizowanego rejestrowania OOM-EMG, LP i IP podczas standaryzowanych zadań lip. Protokół kładzie nacisk na szczegóły zorientowane na replikację, obejmujące procesy produkcji i kontrole akceptacji jakości, kalibrację stołu specyficzną dla urządzenia do konwersji napięcia na ciśnienie, standaryzowane procedury montażu i higieny, zsynchronizowane wymagania dotyczące pozyskiwania oraz zdefiniowane z góry zasady przetwarzania sygnału i testowego wykluczania. Reprezentatywne nagrania u zdrowych dorosłych są uwzględnione, aby wykazać wykonalność krótkich sesji w warunkach standaryzowanych, natomiast walidacja pacjentów i długoterminowa trwałość przy długotrwałym narażeniu na wilgoć jamy ustnej oraz powtarzające się deformacje mechaniczne są traktowane jako priorytety dla przyszłych badań, a nie wywnioskowane z obecnego zbioru danych12.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Badanie to zostało zatwierdzone i przeprowadzone zgodnie z wytycznymi komitetu etycznego Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju. Przed badaniem uzyskano pisemną świadomą zgodę każdego uczestnika.

1. Etyka i zgoda

  1. Uzyskaj zatwierdzenie etyki instytucjonalnej przed rozpoczęciem zapisu oraz zanotuj identyfikator protokołu i datę zatwierdzenia do zgłoszenia.
  2. Uzyskaj pisemną świadomą zgodę każdego uczestnika. Udokumentuj wersję i datę formularza zgody.

2. Wytwarzanie elementów wykrywających PI/LIG

  1. Wytnij warstwę poliimidową do docelowego planu. Użyj grubości filmu 25 μm lub 50 μm. Zweryfikowaj grubość za pomocą mikrometra (tolerancja ±1 μm) i zapisz numer partii.
    UWAGA: Utrzymuj jednolitą grubość w każdej partii. Jeśli stosuje się obie grubości, kalibruj każde urządzenie osobno (krok 4.2) i nie mieszaj współczynników kalibracji między urządzeniami.
  2. Wzoruj grafen indukowany laserowo na warstwie poliimidowej, tworząc dwie elektrody EMG orbicularis oris oraz centralną podkładkę sprzężenia ciśnieniowego. Dla lasera CO2 (10,6 μm) ustaw średnią moc na powierzchni roboczej na 4,0 W, prędkość skanowania na 150 mm/s, ustaw odstęp włazu na 50 μm (około 508 dpi), zastosuj dwa przejścia, zastosuj defokus +1,0 mm i użyj jednokierunkowego włazu13.
    1. Akceptować wyłącznie urządzenia spełniające wszystkie kryteria: (i) wizualnie jednolity matowo-LIG, (ii) odporność na płytę 20-60 Ω/□ przy czteropunktowej sondzie, (iii) współczynnik zmienności wewnątrz padki ≤15% na określonych wcześniej punktach pomiarowych oraz (iv) żadnych otworów na otwory większe niż 100 μm poniżej około 10× inspekcja14.
    2. Jeśli używany jest inny system laserowy, dostosuj ustawienia wzorcowania aż do spełnienia kryteriów akceptacji w kroku 2.2.1 i zapisz wszystkie użyte ustawienia lasera15.
      UWAGA: Podsumuj parametry wzorowania laserowego oraz kryteria akceptacji na poziomie partii w Tabeli 1.
  3. Płucz wzorzystą folię pod wodą dejonizowaną przez 30 sekund, nie pocierając powierzchni LIG. Płukaj pod izopropanolem przez 30 sekund. Susz na powietrzu przez co najmniej 10 minut w wolnym od kurzu terracji.
  4. Otoczenie wszystkich obszarów niekontaktowych, aby ograniczyć przedostawanie się wilgoci i ustabilizować mechaniczne zachowanie. Nałóż warstwę poliuretanu medycznego lub polidimetylosiloksanu (PDMS) na wszystkie obszary, które nie mają bezpośredniego kontaktu ze skórą lub nie obciążają powierzchnią wargi, celując w suchą grubość 10-30 μm.
    1. Maskuj kontakty EMG i centralną podkładkę ciśnieniową przed pokryciem, aby te interfejsy detekcyjne pozostały całkowicie odsłonięte po utwardzeniu. Po utwardzeniu należy wizualnie potwierdzić ciągłą powłokę enkapsulacyjną z czystymi, wyraźnie zdefiniowanymi granicami wokół odsłoniętych podkładek oraz bez dziurków, kałuż czy podniesienia krawędzi w narożnikach koncentrujących odkształcenie (patrz Rysunek 1E-F dla reprezentatywnych urządzeń wytwarzanych i selektywnie kapsulowanych).
    2. Dodaj odciążenie na przejściu między ołowiem a podkładką i prowadzeniem tak, aby minimalny promień zgięcia wynosił ≥3 mm, aby zmniejszyć stężenie naprężeń podczas manipulacji i umieszczania16.
    3. Jeśli stosuje się PDMS, przygotuj i utwardzaj enkapsulację konsekwentnie w każdej partii. Odgazuj PDMS przed powłoką, aby usunąć uwięzione pęcherzyki, równomiernie nałożyć powłokę i utwardzić w temperaturze 70 °C przez 30 minut. Po utwardzeniu ponownie sprawdź granice odsłoniętej platformy, aby potwierdzić, że nie ma pozostałości PDMS na obszarach detekcji.
      UWAGA: Używaj jednego materiału do enkapsulacji konsekwentnie w partii, kiedy tylko to możliwe. Jeśli materiały do enkapsulacji zmieniają się między partiami, powtórz kontrole akceptacji w krokach 2.6 i 4.2 dla każdej partii.
  5. (Opcjonalnie) Laminuj elastycznie elastyczną membranę na podkładkę naciskową, aby poprawić przenoszenie siły. Laminuj silikonową membranę (100-200 μm) umieszczoną na środku podkładki naciskowej i zabezpiecz ją klejem nałożonym tylko na obwód. Upewnij się, że żaden klej nie zasłania obszaru detekcyjnego i że powierzchnia membrany pozostaje płaska, bez zagnieceń. Sprawdź przy powiększeniu około 10× i odrzuć urządzenia z widoczną okluzją lub niewyrównaniem.
    UWAGA: Jeśli używasz membrany, stosuj ją konsekwentnie na uczestnikach w ramach solidnego ramienia i dokumentuj grubość oraz sposób mocowania membrany.
  6. Przechowywanie gotowych urządzeń pod kontrolą wilgotności i weryfikacja stabilności elektrycznej przed użyciem. Przechowuj urządzenia w osuszaczu w temperaturze 20-25 °C i wilgotności względnej ≤30% przez maksymalnie 7 dni przed użyciem.
    1. Ponownie zmierz rezystancję arkusza tuż przed użyciem w tych samych wcześniej zdefiniowanych miejscach, co po wyprodukowaniu. Zaakceptuj urządzenia z driftem ≤5% względem wartości post-fabrykacji i wyklucz urządzenia przekraczające ten próg z testówuczestników 17.
  7. Krótkoterminowe wyzwanie wilgotności dla integralności enkapsulacji (przeprowadzone)
    1. Umieść każde urządzenie w szczelnej komorze wilgotności przy 85 ± 5% wilgotności względnej i 25 ± 2 °C przez 60 minut, dbając o to, by odsłonięte podkładki EMG i podkładki ciśnieniowe pozostały odsłonięteprzez 18 minut.
    2. Wyjmij urządzenie i wyrównuj w warunkach otoczenia (20-25 °C, 40-60% wilgotności powietrznej) przez 10 minut.
    3. Ponownie zmierz rezystancję arkusza w tych samych wcześniej zdefiniowanych miejscach, co w kroku 2.2.1.
    4. Kryteria przejścia definiują jako dryf rezystancji płyt ≤10% względem wartości po produkcji oraz brak widocznych delaminacji, pęcherzy ani pęknięć19.
      UWAGA: W tym badaniu wyzwanie wilgotności przeprowadzono na n = 12 urządzeniach w 2 partiach, co dało średni dryf 3,9 ± 1,8% (zakres 1,1 do 8,6%), przy czym 12 z 12 urządzeń spełniło kryteria zdania (Tabela Uzupełniająca 1).
  8. Test wytrzymałości cyklicznego zginania dla kruchości i dryfu LIG (przeprowadzony)
    1. Każde urządzenie zamontuj na przyrządzie do zginania, stosując powtarzane zginanie z stałym promieniem 5 mm, z obszarem wzorcowym wyśrodkowanym wokół osi zgięcia.
    2. Stosuj 1000 cykli przy częstotliwości 1 Hz (jedno zgięcie i zwolnienie na sekundę)20.
    3. Mierz rezystancję na poziomie bazowym (0 cykli) oraz po 100, 500 i 1000 cyklach.
    4. Zdefiniuj kryteria zdania jako: (i) dryf ≤15% przy końcowym liczeniu cykli, (ii) brak nagłych skoków oporu >30% między punktami kontrolnymi oraz (iii) brak widocznych pęknięć lub delaminacji poniżej około 10× inspekcji21.
      UWAGA: W tym badaniu test zginania wykonano na n = 12 urządzeniach, a dryf końcowego cyklu wynosił 6,2 ± 3,4% (zakres od 1,4 do 13,9%). Nie zaobserwowano nagłych skoków oporu w urządzeniach 12/12, a 12/12 spełniło wszystkie kryteria zdania (Tabela Uzupełniająca 1).
    5. Jeśli jakiekolwiek urządzenie nie spełni kryteriów, przepracuj wzór LIG, zrewiduj pokrycie enkapsulacji na krawędziach koncentrujących odkształcenie i powtórz test z tym samym promieniem i częstotliwością przyrządu.
  9. Symulowana ekspozycja śliny i kontrola przecieków izolacji (przeprowadzona)
    1. Przygotuj symulowany roztwór śliny o pH 6,8-7,2 i wyrównuj do 37 °C.
    2. Chroń odsłonięte elektrody EMG i podkładki naciskowe za pomocą zdejmowanej maski, aby tylko obszary zamknięte były zagrożone. Zanurz urządzenie w temperaturze 37 °C przez 60 minut z delikatnym mieszaniem (np. 60 obr./min).
    3. Wyjmij urządzenie, spłukuj wodą dejonizowaną przez 10 sekund i susz na powietrzu przez 10 minut w warunkach otoczenia.
    4. Zmierz rezystancję izolacji międzyprzewodowej przy napięciu 10 VDC i zapisz wartość.
    5. Kryteria przepustowości zdefiniuj następująco: (i) rezystancja izolacji >20 MΩ, (ii) dryf rezystancji płyty ≤10% względem wartości bazowej, oraz (iii) brak przerw sygnału lub przerywanego kontaktu podczas 30-sekundowego pomiaru23 sekundy.
      UWAGA: W tym badaniu przeprowadzono symulowaną ekspozycję śliny na n = 12 urządzeniach. Minimalna rezystancja izolacji po ekspozycji wynosiła 64 MΩ, a dryf rezystancji płyty 4,6 ± 2,1% (zakres od 0,9 do 9,2%). Wszystkie kryteria zdawalności spełniły urządzenia 12/12 (Tabela Uzupełniająca 1). Jeśli rezystancja izolacji spadnie poniżej progu, nie używaj urządzenia na uczestnikach. Ponownie zapakuj podejrzane regiony wejścia i powtórz kroki 2.9.1-2.9.6. Podsumuj wszystkie wartości nastawione w komorze, parametry zginania, warunki ekspozycji, rozmiary próbek oraz wyniki dryfu jako metadane na poziomie partii w Tabeli Uzupełniającej 1. W razie potrzeby podaj krzywe dryfu dla poszczególnych urządzeń w Tabeli Uzupełniającej 2.

3. Montaż modułu i kanałów referencyjnych

  1. Podłącz elastyczne przewody do padów LIG za pomocą lutu lub przewodzącej epoksydu. Jeśli używa się przewodzącego epoksydu, utwardzaj w 80 °C przez 30 minut.
    1. Sprawdź rezystancję przewodzeń end-to-end <50 Ω. Poprowadź przewody do ekranowanego złącza i zabezpiecz kabel, aby zminimalizować szarpnięcie na interfejsie padu.
  2. Przygotuj kanały referencyjne.
    1. Przygotuj konwencjonalne powierzchniowe elektrody EMG do rejestracji orbicularis oris.
    2. Przygotuj wewnątrzustny kanał odniesienia ciśnienia za pomocą linii manometrycznej (średnica zewnętrzna 2-3 mm) oraz przetwornika ciśnienia (zakres ±20 kPa; rozdzielczość ≤0,1 kPa).
  3. Potwierdź ciągłość elektryczną i izolację. Zmierz rezystancję izolacji między przewodami >20 MΩ przy 10 VDC. Dokumentuj mapowanie kanałów.

4. Kalibracja stołu i kontrole bezpieczeństwa

  1. Zmierz impedancję ścieżki elektrody przy 100 Hz, stosując (i) standardowy test kontaktu ze skórą podczas konfiguracji lub (ii) żelowy fantom używany konsekwentnie we wszystkich urządzeniach. Akceptuj kanały o impedancji <10 kΩ i rejestruj wartości impedancji.
    1. (Zalecane sprawdzenie) Ponownie zmierz impedancję elektrody po baterii zadaniowej i powtórz umieszczenie, jeśli impedancja wzrośnie o >20% względem poziomu wyjściowego.
  2. Skalibruj podkładkę ciśnieniową i linię ciśnienia wewnątrzustnego, używając znanych ciśnień od 0 do 10 kPa.
    1. Stosuj naciski o 0, 1, 2, 3, 4, 5, 7,5 i 10 kPa, z 3 sekundami zatrzymania się na każdym kroku. Powtórz sekwencję trzy razy przed testami uczestników i raz po testach.
    2. Jeśli używamy kolumny wodnej, przelicz wysokość h (cmH₂O) na kPa, używając: kPa = 0,0980665 × h.
    3. Dopasowujemy model liniowy kPa = a·V + b. Akceptuj kalibracje spełniające wszystkie kryteria: R² ≥0,995, maksymalne bezwzględne ciśnienie resztkowe ≤0,2 kPa oraz dryf nachylenia przed eksperymentem ≤1% pełnej skali.
    4. Zachowaj współczynniki kalibracji specyficzne dla urządzenia na konwersję napięcia do kPa offline.
      UWAGA: Jeśli kryteria kalibracji nie zostaną spełnione, nie przystępuj do testów uczestników. Zbuduj lub ponownie enkapsuluj urządzenie i powtórz kalibrację. Przedstawij reprezentatywne krzywe kalibracyjne wraz z przeglądem urządzenia na Rysunku 1.
  3. Dezynfekuj wszystkie części stykające się ze skórą za pomocą alkoholu izopropylowego o stężeniu 70%. Stosuj jednorazowe lub wysokopoziomowe środki dezynfekcji części wewnątrzustnych zgodnie z polityką instytucji. Zapisz czas dezynfekcji i czasu zatrzymania.
  4. Zaokrąglić i otoczyć odsłonięte krawędzie LIG, aby uniknąć ścierań. Potwierdź brak ostrych krawędzi testem zaczepania opuszków palców.
    UWAGA: Jeśli pojawi się zacięcie, natychmiast ponownie zapakuj lub wymień urządzenie.

5. Przygotowanie uczestników i umieszczanie czujników

  1. Przesiewaj badania zdrowych dorosłych i rejestruj dane demograficzne zgodnie z Tabelą 2. Wyklucz osoby z aktywnymi zmianami jamy ustnej lub ostrymi chorobami układu oddechowego.
  2. Usadź uczestnika pionowo z wsparciem pleców, zgięciem bioder ~90° i neutralną pozycją podbródka.
  3. Oczyść górną karminałową granicę chusteczkami alkoholowymi 70%. Pozwól skórze wyschnąć na powietrzu przez co najmniej 30 sekund.
  4. Umieść elektrody PI/LIG EMG wzdłuż górnej orbikularii oris.
    1. Ustaw parę elektrod równolegle do górnej karmilionowej krawędzi i wycentruj matrycę na linii środkowej twarzy. Ustaw odległość między elektrodami środek do środka na 11 ± 1 mm i upewnij się, że obie podkładki stykowe leżą płasko bez marszczenia się czy udźwigania krawędzi.
    2. Umieść elektrodę referencyjną na policzku po stronie ipsilateralnej, nad obszarem o niskim ruchu, a elektrodę uziemiającą umieść na przedramieniu.
    3. Zweryfikowaj stabilny kontakt, potwierdzając, że interfejs elektroda-skórka pozostaje w pełni przyległy podczas krótkiej próby zamykania wargi oraz że odciążenie naprężeń ołowiu zapobiega szarpaniu na interfejsie padki (patrz Rysunek 1G dla reprezentatywnego umieszczenia).
  5. Przymocuj poduszkę ciśnieniową na środku górnej wargi.
    1. Ustaw podkładkę sprzęgania naciskowego tak, aby jej środek był wyrównany z linią środkową filtrum, a powierzchnia podkładki w pełni stykała się z wargą, nie rozpinając się na skórze skóry. Zabezpiecz podkładkę hipoalergiczną taśmą chirurgiczną przyklejoną do brzegów urządzenia, unikając nachodzenia taśmy na obszarze detekcji.
    2. Przez 5 sekund naciskaj około 1-2 N opuszkiem palca, aby osadzić podkładkę i wyeliminować mikroszczeliny, a następnie wizualnie potwierdzić pełny kontakt (brak widocznego blanszowania i brak "mostowania" taśmą przez podkładkę). Jeśli używa się elastycznej membrany, upewnij się, że pozostaje wyśrodkowana i niezamknięta po fiksacji (Rysunek 1G).
  6. Wprowadź cewnik ciśnieniowy wewnątrzustny i ustabilizuj żyłkę.
    1. Włóż cewnik centralnie między zamkniętymi wargami na głębokość 10-15 mm, dbając o to, aby rurka nie stykała się z krawędziami zębów ani nie zgięła gwałtownie na krawędzi wargi. Potwierdź komfort uczestników i niezakłócony oddech.
    2. Zresetuj przetwornik ciśnienia na ciśnienie atmosferyczne tuż przed rejestracją i ponownie sprawdź wartość bazową po ustabilizowaniu.
    3. Przymocuj żyłkę cewnika do policzka taśmą i poprowadź ją do tyłu, aby zminimalizować przenoszenie ruchu podczas czynności; upewnij się, że żyłka nie jest napięta i nie ciągnie krawędzi podczas wskazywania (Rysunek 1G).
  7. Daj sobie 2-3 minuty na stabilizację. Zapisz co najmniej 30 sekund z bazowym poziomem.
  8. Zbieranie wyników dotyczących użyteczności i tolerancji raportowanych przez uczestników (przeprowadzone).
    1. Po ukończeniu pełnego zestawu zadań (sekcja 6) poproś uczestnika o ocenę użyteczności za pomocą skali ocen numerycznej 0-10 (0 = najgorszy/najtrudniejszy, 10 = najlepszy/najłatwiejszy) dla następujących elementów: (i) ogólny komfort czujnika warg PI/LIG, (ii) komfort interfejsu ciśnienia wewnątrzustnego/cewnika, (iii) łatwość wykonywania ustandaryzowanych zadań podczas noszenia systemu, oraz (iv) gotowość do powtórzenia procedury podczas kolejnej sesji.
    2. Zapisz oceny na ustandaryzowanym, jednostronicowym formularzu i dokumentuj, czy jakiś dyskomfort wymagał przerwania lub przerwania sesji (tak/nie) oraz główny powód (tekst wolny).
  9. Czas konfiguracji raportowany przez operatora dokumentu (wykonany).
    1. Zacznij stoper, gdy zaczyna się przygotowanie skóry (krok 5.3). Zatrzymaj pomiar czasu, gdy na wszystkich kanałach uzyskane zostaną stabilne bazy (koniec kroku 5.7).
    2. Zapisz czas przygotowania (min) dla każdego uczestnika i operatora. Jeśli konieczne jest ponowne umieszczenie, uwzględnij dodatkowy czas i podaj powód.
  10. Zgłaszaj elementy użyteczności i podsumowania.
    1. Podaj dokładne sformułowania i kotwicy dotyczące użyteczności w Tabeli Uzupełniającej 3.
    2. Podsumuj wyniki użyteczności zgłaszane przez uczestników jako medianę (IQR) dla każdego elementu oraz według grupy płciowej w Tabeli Uzupełniającej 4. Podsumuj czas przygotowania, używając tych samych statystyk i definicji czasowych co Rysunek 6 lub równoważnej tabeli.
      UWAGA: Jeśli jakaś sesja zostanie przerwana z powodu dyskomfortu, zapisz zadanie podczas zakończenia, dotknięty interfejs (czujnik wargi vs cewnik doustny) oraz czy wystąpiło jakieś niepożądane zdarzenie. Uwzględnij te zdarzenia w podsumowaniu monitoringu bezpieczeństwa w wynikach.

6. Standaryzacja zadań i pozyskiwanie danych

  1. Zapewnij ustandaryzowane wskazówki werbalne z tempem metronomu o częstotliwości 60 bpm. Pokaż każde zadanie raz.
  2. Polec uczestnikowi wykonać trzy zadania, zachowując jednocześnie stały oddech i postawę szczęki.
    1. Polec uczestnikowi mocno zamykać usta, nie zaciskając szczęki (zamykanie warg).
    2. Instruuj uczestnika, aby generował dodatnie ciśnienie poprzez zaciśnięte wargi (dmuchanie).
    3. Poinstruuj uczestnika generowania ciśnienia ujemnego przez interfejs przypominający słomkę (ssanie).
  3. Zarejestruj pięć prób na zadanie, stosując paradygmat aktywacji 3 sekundy i 10 sekund odpoczynku. Losowo ułóż kolejność zadań między uczestnikami za pomocą harmonogramu łacińskiego kwadratu.
  4. Rejestruj wszystkie kanały synchronicznie. Próbkowanie EMG z częstotliwością ≥1 kHz z rozdzielczością ≥16-bitową. Ciśnienie próbki przy ≥100 Hz. Zastosuj odpowiednie wygładzanie krawędzi. Jeśli filtry sprzętowe są niedostępne, należy zastosować dopasowane cyfrowe filtry dolnoprzepustowe poniżej częstotliwości Nyquista. Notuj artefakty (mowę, połykanie, kaszel) podczas zdobywania przedmiotów.
  5. Wstępnie określ końcowe punkty analizy dla wyników korelacji i zgody oraz przygotuj zsynchronizowane trasy zadań do weryfikacji czasu i dopasowania kanałów.
    UWAGA: Podsumuj wyniki korelacji/zgody na Rysunku 2 oraz przedstawij reprezentatywne zsynchronizowane ślady zadań na Rysunku 3.

7. Przetwarzanie sygnałów i egzekwowanie kontroli jakości

  1. Filtr EMG za pomocą zerowego filtra pasmowego Butterwortha IV rzędu (20-450 Hz). Stosuj filtr z wycięciem o częstotliwości 50 lub 60 Hz zgodnie z lokalną częstotliwością sieciową. Skreduj sygnał i oblicz obwiednię liniową za pomocą filtra dolnoprzepustowego fazy 4. rzędu o częstotliwości 8-10 Hz. Dokumentuj wybrane odcięcie.
  2. Sygnały ciśnienia filtra dolnoprzepustowego przy 10-20 Hz za pomocą filtra zerowego czwartego rzędu. Przelicz napięcia na kPa, stosując specyficzne dla urządzenia współczynniki kalibracyjne od kroku 4.2.
  3. Wyrównaj obwiedni EMG z LP i IP za pomocą znaczników cue. Sprawdź, czy różnice w szczytowym czasie są w granicach ±200 ms. Jeśli niedopasowanie przekracza tolerancję, przereguluj za pomocą korelacji krzyżowej i oznacz próbę.
  4. Odrzucić badania spełniające któreś z następujących kryteriów w ramach 3 s okna aktywacji: (i) przerwa lub nasycenie o łącznym poziomie > 0,6 s, (ii) dryf bazowy przekraczający 3 SD bazowego RMS przez 10 s, lub (iii) wybuchy artefaktów ruchu z impulsami obwiedni > 5 SD wartości bazowej podczas spoczynku. Zachowuj co najmniej trzy ważne próby na każde zadanie i uczestnika.
  5. Podsumuj ustawienia przetwarzania sygnałów i progi kontroli jakości w Tabeli 3.

8. Ilościowe określenie metryk i analiza statystyk

  1. Oblicz korelacje Pearsona w ramach uczestników między EMG pochodzącym z PI/LIG a konwencjonalnym EMG, używając amplitud aktywacji według badań definiowanych jako EMG RMS w centralnych 2 sekundach okna aktywacji 3 s. Zgłoś r z 95% przedziałami ufności z transformacją Fishera.
  2. Obliczaj korelacje między LP a IP dla każdego zadania, używając tych samych okien analizy.
  3. Oceń zgodność między amplitudami EMG pochodzącymi z PI/LIG a konwencjonalnymi amplitudami EMG za pomocą analizy Bland-Altmana. Zdefiniuj błędy jako średnią różnicę par, a granice zgodności jako błędność ± 1,96 SD różnic. Jeśli wykryto proporcjonalne bias (p < 0,05 dla regresji różnic na średnich), powtórz analizę amplitud logarytmicznych i limitów transformacji wstecznej.
  4. Jeśli dostępne są powtarzające się bloki, oszacuj niezawodność testów i ponownych testów za pomocą ICC(2,1) (dwukierunkowe efekty losowe, zgodność absolutna, pojedyncza miara) dla amplitudy EMG i ciśnienia szczytowego. Zgłoś ICC z 95% przedziałami ufności.
    UWAGA: Jeśli powtarzające się bloki nie są dostępne, pomiń ICC i wyraźnie podaj to w Wynikach.
  5. Przygotuj wykresy obciążenia, siły i kursu, aby zwizualizować dynamikę zadań i porównania grup płciowych, a następnie podsumuj te profile w dziedzinie czasu na Rysunku 4.
  6. Oblicz stosunek sygnału do szumu w decybelach: SNR_dB = 20·log10(RMS_active/RMS_baseline), gdzie RMS_active oblicza się przez centralne 2 sekundy aktywacji, a RMS_baseline przez 1 sekundę przed odpoczynkiem cue. Podsumuj rozkłady SNR i dołącz jeden ilustracyjny przykład "hałaśliwy/nieudolny" w celu pokazania kryteriów wykluczenia na Rysunku 5.
  7. Porównaj kobiety i mężczyzn w podsumowaniach dla uczestników (np. szczytowe ciśnienie warg, EMG RMS i SNR). Sprawdź normalność za pomocą Shapiro-Wilka. Użyj testu t Welcha dla danych normalnie rozproszonych, a w przeciwnym razie Mann-Whitney U. Ustaw dwustronne α = 0,05. Raportuj dokładne wartości p i stosuj korektę Holma-Bonferroniego w trzech porównaniach zadań. Przygotuj porównania w czasie konfiguracji z użyciem tych samych definicji czasowych dla różnych operatorów i podsumuj je na Rysunku 6.

9. Rozwiązywanie typowych problemów

  1. Aby przeciwdziałać niskiemu sygnałowi EMG SNR, ponownie przygotować i całkowicie wysuszyć skórę, ponownie zamontować elektrody w odstępie 11 ± 1 mm, potwierdzić impedancję <10 kΩ, zoptymalizować ekranowanie kabla oraz zweryfikować ustawienia filtrów przed powtórzeniem jednego testu.
  2. Aby skorygować niedociążenie nacisku, ponownie dociskaj podkładkę, aby zapewnić pełny kontakt (1-2 N przez 5 sekund), usuń zagniecenia taśmy łączące podkładkę i powtórz kalibrację, aby spełnić kryteria akceptacji kroku 4.2.
  3. Aby rozwiązać dryf ciśnienia wewnątrzustnego, usuń pęcherzyki, ponownie osadz cewnik na głębokość 10-15 mm i wyzeruj przetwornik przed każdym blokiem.
  4. Aby zmniejszyć artefakty ruchu, ćwiczyć sygnały, wydłużać przerwę między próbami do 15 sekund, gdy jest to potrzebne, oraz oznaczać skażone epoki do wykluczenia.
  5. Użyj standaryzowanej macierzy rozwiązywania problemów z Tabeli 4 , aby dokumentować tryby awarii, działania naprawcze i kontrole weryfikacyjne.

10. Bezpieczeństwo, higiena i utylizacja

  1. Używaj jednorazowych interfejsów wewnątrzustnych i utylizuj je jako odpady biologiczne zgodnie z polityką instytucji.
  2. Dezynfekuj wielorazowe uchwyty i smycze między uczestnikami. Dokumentuj środek dezynfekujący i czas pobytu.
  3. Monitoruj podrażnienia lub dyskomfort skóry. Natychmiast zakończ sesję, jeśli wystąpią zdarzenia niepożądane i zapisz je do raportu IRB.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Przegląd i kalibracja urządzenia
Architektura urządzenia, ich rozmieszczenie oraz workflow kalibracji stołu laboratoryjnego są podsumowane na Rysunku 1. Moduł integruje dwie współlokalizowane elektrody laserowo indukowane grafenowe (LIG) na elastycznym podłożu poliimidowym (PI) dla EMG ORBICULARIS ORIS (OOM-EMG) oraz centralną podkładkę sprzężenia ciśnieniowego umieszczoną na powierzchni górnej wargi, wraz z oddzielną linią wewnątrzustną do pomiaru ciśnienia wewnątrzust...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

W artykule przedstawiono kompleksowy protokół do synchronizowanego monitorowania elektromiografii orbicularis oris (OOM-EMG), ciśnienia zamykającego wargi (LP) oraz ciśnienia wewnątrzustnego (IP) z wykorzystaniem elastycznego czujnika kompozytowego poliimido/laserowo indukowanego (PI/LIG) połączonego ze standaryzowanym pipeline'em akwizycji i przetwarzania. Powtarzalność w tym procesie zależy od niewielkiej liczby kluczowych kroków, które decydują, czy nagrania pozostają porównywalne między operatorami i sesjami. Po pier...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Podpaski do przygotowania alkoholuDynarex111370% izopropylowe podpaski przygotowawcze; Czyszczenie skóry przed założeniem elektrody
Blok końcowy BNCInstrumenty narodoweBNC-2110 Użycie z ekranowanym kablem NI do łączności DAQ; Breakout/połączenie dla wejść analogowych
System grawerowania/cięcia CO2Uniwersalne Systemy LaseroweVLS 3.50 (CO2)Każdy system laserowy CO2 akceptowalny, jeśli spełnione są kryteria akceptacji z Tabeli 1; rejestrować model/ustawienia lasera używanego; Wzorowanie LIG na PI (10,6 μ Klasa M)
Przewodząca epoksydowa (srebro)MG Chemicals8331Warunki leczenia powinny odpowiadać wdrożonemu przepływowi pracy; Mocowanie ołów do padów LIG (opcjonalna alternatywa dla lutu)
Urządzenie do akwizycji danychInstrumenty narodoweUSB-6343Każdy DAQ spełniający wymagania dotyczące próbkowania/rozdzielania jest akceptowalny; rejestrować dokładne użyte urządzenie; Synchroniczne nagrywanie wielokanałowe (EMG ≥ 1 kHz; ciśnienie ≥ 100 Hz)
Woda dejonizowanaFisher ScientificLaboratoryjna woda DIRównoważna woda laboratoryjna DI akceptowalna; Płukanie po wykroju
SuszarkaKartell554 (próżniowy odsuwniacz, 250 mm)Akceptowalny jest dowolny szczelny osuszacz + środek osuszający; RH i czas przechowywania płyt; Suche przechowywanie (RH ≤ 30%) dla gotowych urządzeń
Jednorazowe elektrody powierzchniowe EMGAmbuBlueSensor N (N-00-S/25)Akceptowalne są równoważne preżelowane elektrody EMG Ag/AgCl; Referencyjne EMG na orbicularis oris oris
System czteropunktowej sondyOssilaSystem sond czteropunktowych (T2001A5)Każdy system czteropunktowej sondy jest akceptowalny; rejestrować odstępy między sondami/pomiary; Rezystancja arkusza (Ω/figure-materials-1) przesiewania
Hipoalergiczna taśma chirurgicznaSolventumMicropore Surgical Tape 1530 (ID produktu 7100273771)Akceptowalna jest równoważna hipoalergiczna taśma chirurgiczna; Mocuj podkładkę naciskową na środku górnej wargi
Alkohol izopropylowy (IPA) ≥ 99%Merck (Sigma-Aldrich)190764-500MLDostawca zapisów i numer partii w dzienniku laboratoryjnym; Płukanie po wzorze; Ogólne sprzątanie
Manometria/linia cewnika ciśnieniowegoKRUUSESonda do karmienia, 8 Fr (230811)Każdy cewnik/rurka spełniająca dopuszczalne wymagania dotyczące przedawkowania i bezpieczeństwa; zapisz dokładny użyty model; Linia ciśnienia wewnątrzustnego (IP), OD ~2– 3 mm
MetronomKorgMA-2Metronom oparty na aplikacji akceptowalny, jeśli jest udokumentowany (urządzenie + nazwa/wersja aplikacji); Tempo sygnałów (60 bpm)
MikrometrMitutoyo293-340-30 (0– 25 mm)Każdy mikrometr spełniający rozdzielczość musi być akceptowalna; Zweryfikowaj grubość PI (± 1 μ tolerancja m)
Folia poliimidowa (25 μ m)Merck (Sigma-Aldrich)GF596270090,025 mm grubości; numer rejestru partii; utrzymuj jednolitą grubość w każdej partii; Podłoże dla urządzenia PI/LIG
Folia poliimidowa (50 μ m)Goodfellow10001067860,05 mm grubości; numer rejestru partii; nie mieszaj współczynników kalibracji między urządzeniami; Podłoże dla urządzenia PI/LIG
Przetwornik ciśnieniowy (wyjście USB)Omega EngineeringSeria PX409-USBHWybierz zasięg, aby pokryć i plusmn; Wymagane 20 kPa; zapisuj dokładny zakres/używany model; Pomiar IP (rozdzielczość ≤ zalecane 0,1 kPa)
Ekranowany kabel (68-pinowy)Instrumenty narodoweSHC68-68-EPMZastosowanie z NI BNC-2110 do połączeń ekranowanych; Łączność DAQ (USB-6343 do bloku terminalowego)
Folia silikonowa elastomerowa (membrana)GoodfellowFilma elastomerowa silikonowa 0,125 mm (Ref 1000181130)Opcjonalne; stosuj konsekwentnie, jeśli używasz, i zapisuj metodę grubości/utrwalania; Opcjonalna zgodna membrana (100 i dodatek; 200 μ m)
Zestaw elastomerów silikonowych (PDMS)DowZestaw SYLGARD 184Stosuj konsekwentnie w danej partii; rejestrować współczynnik mieszania i warunki utwardzania; Enkapsulacja (cel sucha grubość 10– 30 μ m)
Przewód lutowniczyKester24-6337-0027 (Sn63/Pb37, rdzeń z kalafonii, 0,031 cala)Jeśli używa się lutu bezołowiowego, zapisz stop i typ topnika; Mocowanie ołowiu (jeśli używa się lutowania)
Oprogramowanie (przetwarzanie sygnałów)Python Software FoundationPython 3.x + NumPy/SciPy/MatplotlibDokumentuj dokładne wersje Pythona i pakiety w metodach lub metodach uzupełniających; Filtrowanie, synchronizacja, statystyka, wykresy

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Monitorowanie elektromiograficzneaktywacja mi ni oko oustnychci nienie wargci nienie wewn trzustnezsynchronizowany zapisprzetwarzanie sygna wsensor rehabilitacyjny

Powiązane artykuły