Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Лазерно-индуцированный графен-полиимидный сенсор пленки для одновременной электромиографии губ и мониторинга давления в персонализированной реабилитации

96 просмотров

⸱

DOI:

10.3791/70306

⸱

30 апреля 2026 г.

 , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Этот протокол описывает изготовление, калибровку и использование гибкого датчика PI/LIG для синхронного измерения OOM-EMG, давления при закрывающейся губе и внутриорального давления во время стандартизированных задач с губами, делая акцент на воспроизводимости через критерии приема, инкапсуляцию влаги, калибровку для конкретного устройства, стандартизированное размещение, синхронизированное получение, а также заранее определённые правила обработки и контроля качества.

Аннотация

Одновременная количественная оценка активации периоральных мышц и давления, связанного с губами, может поддержать объективную оценку орофациальной функции, однако традиционные измерения обычно проводятся с помощью отдельных датчиков, которые трудно синхронизировать во время динамических задач. Здесь мы представляем воспроизводимый протокол синхронной записи орбикулярной электромиографии (OOM-EMG), давления закрывающего губ (LP) и внутриротового давления (IP) с использованием гибкого полиимидного (PI) композитного сенсора на плёнке с лазерно-индуцированными графеновыми электродами (LIG) и интегрированной накладкой на связь давления. Протокол определяет лазерное изображение с заранее заданными критериями электрической приемки, селективную инкапсуляцию для краткосрочных измерений, настольную калибровку для преобразования напряжения в давление, стандартизированные анатомические ориентиры для периорального и интраорального интерфейсов, батарею задач (закрытие губ, выдувка и всасывание), требования к синхронизированному получению, а также правила обработки основных сигналов и качества испытаний. Репрезентативные записи у 120 здоровых взрослых демонстрируют синхронный мультимодальный захват в стандартизированных условиях, при этом ЭМГ, полученный от PI/LIG, демонстрирует умеренную связь с традиционной поверхностной ЭМГ (женщины r = 0,65; мужчины r = 0,68) и LP тесно связанным с IP в тех же окнах задач (r = 0,90). В статье этого метода представлен сквозно-конечный, ориентированный на репликацию рабочий процесс для мультимодальных периоральных измерений в условиях под контролем исследовательских исследований; Валидация в когортах пациентов и долговечность при длительном воздействии влаги и повторяющейся механической деформации следует оценивать в будущих исследованиях.

Введение

Губные мышцы являются основой для артикуляции речи, глотания, мимики и умений рта. Неврологические расстройства, инсульт и челюстно-лицевые вмешательства могут нарушать эти функции, приводя к клинически значимым ограничениям в коммуникации и питании, а также к снижению качестважизни 1. Объективная количественная оценка активации периоральной мышцы вместе с созданием силы или давления поэтому ценна для функциональной оценки и планирования реабилитации. В частности, синхронное измерение электромиографии orbicularis oris (OOM-EMG), давления на закрытие губ (LP) и внутриорального давления (IP) предлагает дополняющие взгляды на то, как нейронная активация приводит к созданию давления, соответствующего задаче, во время поведения, широко используемого в терапии и отслеживаниирезультатов 2.

Однако интегрированное приобретение этих сигналов остаётся технически и оперативно сложным. Во многих лабораториях и клинических исследовательских установках измерения ЭМГ и давления реализованы как отдельные подсистемы, что увеличивает нагрузку на подготовку и делает выравнивание времени более уязвимым при коротких, динамическихзадачах 3. Периоральная ЭМГ особенно уязвима к артефактам движения и нестабильности интерфейса, а влага из периоральной и оральной среды может повышать базовый шум, снижая эффективное соотношение сигнал/шум и усложняя сопоставимость междусессиями 4. Измерения давления добавляют дополнительную чувствительность, так как фиксация и локальная механика контакта могут изменять измеренные амплитуды, а жёсткие преобразователи могут снижать переносимость при повторных испытаниях или длительныхсеансах 5. Вместе эти ограничения ограничивают рутинное использование синхронизированного, согласованного по задаче периорального ЭМГ и мониторинга давления, связанного с губами, вне специализированных рабочихпроцессов 6,7.

Гибкие полиимидные (PI) пленки служат практичной основой для периорального сенсорирования, поскольку они тонкие, конформируемые, химически устойчивые и широко используются для биомедицинских интерфейсов. Лазерно-индуцированный графен (ЛИГ), нанесённый непосредственно на PI, образует пористую проводящую сеть, которая может функционировать как конформный электрод без громоздкихкорпусов 8,9. Интеграция электродов LIG и структуры связывания давления на одном подложке PI позволяет совместно размещать OOM-EMG запись и датчик давления поверхности края при минимизации дополнительной массы на краях. В сочетании с явными критериями принятия изготовления, инкапсуляцией для снижения влажности, стандартизированными ориентирами размещения и фиксированными определениями времени выполнения задач, такая интеграция может повысить воспроизводимость и интерпретируемость мультимодальных периоральных записей между операторами исайтами 10,11.

Здесь мы описываем воспроизводимый протокол для изготовления, калибровки и развертывания композитного сенсора PI/LIG для синхронизированной записи OOM-EMG, LP и IP во время стандартизированных задач с губами. Протокол акцентирует внимание на деталях, ориентированных на репликацию, включая проверку изготовления и прием качества, специализированную калибровку на стенде для преобразования напряжения в давление, стандартизированные процедуры размещения и гигиены, синхронизированные требования к получению, а также заранее определённые правила обработки сигналов и исключения из испытаний. Репрезентативные записи у здоровых взрослых включены для демонстрации возможности коротких сессий в стандартизированных условиях, а валидация пациентов и долгосрочная устойчивость при длительном воздействии влаги и повторяющейся механической деформации ставятся приоритетами будущих исследований, а не выводятся из настоящего набораданных 12.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Это исследование было одобрено и проведено в соответствии с руководящими принципами этического комитета Шанхайского университета Цзяо Тун. Письменное информированное согласие было получено от каждого участника до проведения исследования.

1. Этика и согласие

  1. Получите одобрение институциональной этики до регистрации и зафиксируйте идентификатор протокола и дату утверждения для отчётности.
  2. Получите письменное информированное согласие каждого участника. Задокументируйте версию формы согласия и дату.

2. Изготовление сенсорных элементов PI/LIG

  1. Вырежьте полиимидную плёнку на целевую площадь. Используйте толщину пленки 25 мкм или 50 мкм. Проверьте толщину микрометром (допуск ±1 мкм) и запишите номер партии.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Поддерживайте одинаковую толщину в каждой партии. Если используются обе толщины, калибруйте каждое устройство отдельно (шаг 4.2) и не смешивайте коэффициенты калибровки между устройствами.
  2. Узор лазерно-индуцированного графена на полиимидной пленке образует два orbicularis oris EMG электрода и центральную контактную площадку. Для лазераCO 2 (10,6 мкм) установите среднюю мощность на рабочей поверхности на 4,0 Вт, установить скорость сканирования на 150 мм/с, установить расстояние между люками на 50 мкм (примерно 508 dpi), применить два прохода, применить +1,0 мм дефокус и использовать однонаправленныйлюк 13.
    1. Принимаются только устройства, соответствующие всем критериям: (i) визуально однородный матово-чёрный LIG, (ii) сопротивление листов 20-60 Ω/□ с помощью четырёхточечного зонда, (iii) коэффициент вариации внутри площадки ≤15% по заранее заданным точкам измерения, и (iv) отсутствие отверстий больше 100 мкм при примерно 10×осмотре 14.
    2. Если используется другая лазерная система, настройте настройку шаблона до выполнения критериев принятия шага 2.2.1, и записывайте все используемые лазерныенастройки 15.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Краткое изложение параметров лазерного узора и критерии приёма на уровне пакетов в таблице 1.
  3. Промывайте узорчатую плёнку под деионизированной водой в течение 30 секунд, не натирая поверхность LIG. Промывайте под изопропанолом в течение 30 секунд. Сушить на воздухе минимум 10 минут в террариуме без пыли.
  4. Инкапсулируйте все бесконтактные участки для снижения проникновения влаги и стабилизации механической обработки. Нанесите медицинский слой полиуретана или полидиметилсилоксана (PDMS) на все области, которые не будут напрямую контактировать с кожей и не испытывают нагрузки на поверхность губ, с целью сухой толщины 10-30 мкм.
    1. Перед покрытием замаскируйте контактные площадки ЭМГ и центральную нажимную площадку, чтобы эти контактные интерфейсы оставались полностью открытыми после отверждения. После отверждения визуально подтвердите наличие непрерывной инкапсуляционной пленки с чистыми, чётко очерченными границами вокруг открытых площадок и без отверстий, пулов или подъёма краёв в углах, концентрирующих деформации (см. рисунок 1E-F для репрезентативных изготовленных и селективно инкапсулированных устройств).
    2. Добавьте снисходитель деформации в переходе между контактами и проложите вывода так, чтобы минимальный радиус изгиба составлял ≥3 мм, чтобы снизить концентрацию напряжений при обработке иустановке 16.
    3. Если используется PDMS, подготовьте и отверждайте инкапсуляцию последовательно в каждой партии. Дегазируйте PDMS перед нанесением покрытия, чтобы удалить застрявшие пузырьки, равномерно нанести покрытие и затвердеть при 70 °C в течение 30 минут. После отверждения повторно осмотрите границы обнажённых площадок, чтобы убедиться, что через зону датчиков нет остаточных мостов PDMS.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте один инкапсуляционный материал последовательно внутри партии, когда это возможно. Если инкапсуляционные материалы меняются между партиями, повторяйте проверки приёмки в шагах 2.6 и 4.2 для каждой партии.
  5. (По желанию) Ламинируйте гибкую диафрагму поверх нажимной площадки для улучшения переноса силы. Ламинируйте силиконовую диафрагму (100-200 мкм), расположенную по центру над нажимной площадкой, и закрепите её клеем, нанесённым только на периметр. Убедитесь, что ни один клей не закрывает зону чувствительности, а поверхность диафрагмы остаётся ровной без складок. Осмотрите устройства с видимой окклюзией или смещением при увеличении примерно 10× и отвергайте устройства.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если используется диафрагма, наносите её равномерно на всех участников в крепкой руке и задокументируйте толщину и способ фиксации диафрагмы.
  6. Храните готовые устройства при контролируемой влажности и проверяйте электрическую стабильность до использования. Храните устройства в осушителе при температуре 20-25 °C и относительной влажности ≤30% до 7 дней перед использованием.
    1. Заново измерьте сопротивление листа непосредственно перед использованием в тех же заранее определённых местах, что и после изготовления. Принимать устройства с дрейфом ≤5% относительно значения постпроизводства, и исключать устройства, превышающие этот порог из тестированияучастников 17.
  7. Краткосрочный тест влажности для целостности инкапсуляции (выполнен)
    1. Поместите каждое устройство в герметичную камеру влажности при влажности 85 ± 5% относительной влажности и 25 ± 2 °C на 60 минут, убедившись, что открытые ЭМГ-площадки и нажимная площадка остаютсяоткрытыми 18.
    2. Снимите устройство и уравновесите при условиях окружающей среды (20-25 °C, 40-60% влажности) в течение 10 минут.
    3. Повторное измерение сопротивления листа в тех же заранее заданных местах, что и на шаге 2.2.1.
    4. Определите критерии прохождения как дрейф сопротивления листов ≤10% относительно значения постфабрикации и отсутствие видимой деламинации, пузырей илитрещин 19.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании испытание влажности проводилось на n = 12 устройствах в 2 партиях, что дало средний дрейф 3,9 ± 1,8% (диапазон 1,1–8,6%), при этом 12 из 12 устройств соответствовали критериям прохода (Дополнительная таблица 1).
  8. Циклическое испытание на выносливость при изгибе на хрупкость и дрейф LIG (выполнено)
    1. Устанавливайте каждое устройство на изгибающий шаблон, применяя многократное изгибание с фиксированным радиусом 5 мм, при этом узорная область будет центрирована по оси изгиба.
    2. Примените 1 000 циклов при 1 Гц (один изгиб в секунду)20.
    3. Измеряйте сопротивление листа на исходном уровне (0 циклов) и после 100, 500 и 1 000 циклов.
    4. Определите критерии прохода так: (i) дрейф ≤15% при итоговом подсчёте, (ii) отсутствие резких скачков сопротивления >30% между контрольными точками, и (iii) отсутствие видимых трещин или деламинации при примерно 10×инспекции 21.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В данном исследовании тест на изгиб проводился на n = 12 устройствах, и дрейф финального цикла составил 6,2 ± 3,4% (диапазон 1,4–13,9%). Резкие скачки сопротивления не наблюдались в устройствах 12/12, а 12/12 соответствовали всем критериям прохождения (Дополнительная таблица 1).
    5. Если какое-либо устройство не соответствует критериям, заново изготовьте шаблон LIG, пересмотрите покрытие инкапсуляции на краях, концентрирующих деформации, и повторите тест с тем же радиусом и частотой джига.
  9. Имитация воздействия слюны и проверка утечки изоляции (выполнено)
    1. Приготовьте имитированный раствор слюны при pH 6,8-7,2 и уравновесьте до 37 °C.
    2. Защитите открытые ЭМГ и нажимную площадку съемной маской, чтобы затронуть только инкапсулированные участки. Погрузите устройство в 37 °C на 60 минут с мягким перемешиванием (например, 60 об/мин)22.
    3. Снимите устройство, прополосните деионизированной водой в течение 10 секунд и сушите на воздухе 10 минут в условиях окружающей среды.
    4. Измерьте сопротивление межпроводной изоляции на 10 В постоянного тока и запишите значение.
    5. Определите критерии прохождения так: (i) сопротивление изоляции >20 МОМ), (ii) дрейф сопротивления листов ≤10% относительно базовой линии, и (iii) отсутствие прорыва сигнала или прерывистых контактов во время 30-секундной записи настенде 23.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании имитация воздействия слюны проводилась на n = 12 устройствах. Минимальное сопротивление изоляции после экспозиции составляло 64 МОМ, а дрейф листового сопротивления — 4,6 ± 2,1% (диапазон 0,9–9,2%). Все критерии сдачи были выполнены 12 из 12 устройств (Дополнительная таблица 1). Если сопротивление изоляции снижается ниже порога, не используйте устройство на участниках. Повторно инкапсулируйте предполагаемые проникновение и повторите шаги 2.9.1-2.9.6. Суммируем все параметры задания, параметры изгиба, условия воздействия, размеры выборки и результаты дрейфа в виде метаданных на уровне пакета в Дополнительной таблице 1. При необходимости укажите кривые дрейфа по устройству в дополнительной таблице 2.

3. Сборка модуля и опорных каналов

  1. Крепите гибкие провода к LIG-площадкам с помощью припоя или проводящей эпоксидки. Если используется проводящая эпоксидка, затвердейте при 80 °C в течение 30 минут.
    1. Проверьте сопротивление от конца до конца <50 Ω. Проведите провода к экранированному разъёму и закрепите кабель, чтобы минимизировать натяжение на интерфейсе площадки.
  2. Подготовьте референсные каналы.
    1. Подготовьте обычные поверхностные электроды ЭМГ для записи orbicularis oris.
    2. Подготовьте внутриротовый эталонный канал давления с помощью манометрической линии (внешний диаметр 2–3 мм) и датчика давления (диапазон ±20 кПа; разрешение ≤0,1 кПа).
  3. Подтвердите электрическую целостность и изоляцию. Измерьте сопротивление межпроводной изоляции >20 МОМ при 10 В постоянного тока. Документное отображение каналов.

4. Калибровка и проверка безопасности на стенде

  1. Измеряйте сопротивление по пути электрода при 100 Гц с помощью (i) стандартизированной проверки контакта кожи при установке или (ii) использования геля фантома, который используется стабильно на разных устройствах. Принимайте каналы с импедансом <10 кОм и записывайте значения импеданса.
    1. (Рекомендуемая проверка) Повторно измеряйте импеданс электрод-скин после батареи задачи и повторяйте установку, если импеданс увеличивается на >20% относительно исходного уровня.
  2. Калибруйте давление и внутреннюю линию давления с использованием известных давлений от 0 до 10 кПа.
    1. Прикладывайте давление при 0, 1, 2, 3, 4, 5, 7,5 и 10 кПа, при этом на каждом шаге 3 секунды задержки. Повторите эту последовательность три раза перед тестированием участников и один раз после тестирования.
    2. Если используется водяной столб, преобразите высоту h (cmH₂O) в кПа, используя такие значения: kPa = 0,0980665 × h.
    3. Подгонка линейной модели kPa = a· V + b. Принимайте калибровки, соответствующие всем критериям: R² ≥0,995, максимальный абсолютный остаточный ≤0,2 кПа, а также дрейф склона до и после эксперимента ≤1% от полного масштаба.
    4. Сохраняйте индивидуальные калибровочные коэффициенты для офлайн-преобразования напряжения в кПа.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если критерии калибровки не выполнены, не переходите к тестированию участников. Восстанавливайте или заново инкапсулируйте устройство и повторяйте калибровку. Представлены репрезентативные кривые калибровки вместе с обзором прибора на рисунке 1.
  3. Дезинфицируйте все контактные части кожи с помощью 70% изопропилового спирта. Применять одноразовую или высокоуровневую дезинфекцию для интраоральных частей в соответствии с институциональной политикой. Запишите дезинфицирующее средство и время задержки.
  4. Округляйте и инкапсулируйте открытые LIG-края, чтобы избежать истирания. Проверьте отсутствие острых краёв с помощью теста на зацепление кончиками пальцев.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если возникает зацепка, немедленно заново инкапсулируйте или замените устройство.

5. Подготовка участников и размещение датчиков

  1. Проверьте здоровых взрослых и фиксируйте демографические данные, указанные в Таблице 2. Исключайте лиц с активными поражениями полости рта или острыми респираторными заболеваниями.
  2. Посадите участника вертикально с поддержкой спины, сгибанием бедра под углом ~90° и нейтральным положением подбородка.
  3. Очистите верхнюю вермилионовую кайму салфетками с 70% спирта. Дайте коже высохнуть на воздухе не менее 30 секунд.
  4. Разместите электроды PI/LIG EMG вдоль верхнего orbicularis oris.
    1. Выровняйте пару электродов параллельно верхней красной границе и центрируйте массив по средней линии лица. Установите расстояние между центром электрода на 11 ± 1 мм и убедитесь, что обе контактные площадки лежат ровно без морщин или подъёма краёв.
    2. Положите опорный электрод на ипсилатеральную щёку над областью с низким движением, а заземляющий электрод — на предплечье.
    3. Проверьте стабильный контакт, убедившись, что интерфейс электрод-кожа полностью прилип во время короткой репетиции закрытия губ и что снятие напряжения предотвращает дергание на интерфейсе площадки (см. рисунок 1G для репрезентативного размещения).
  5. Закрепите нажимную подушку на средней линии верхней губы.
    1. Расположите натисковую подушечку так, чтобы её центр совпадал с средней линией филтрума, а поверхность подушечки полностью соприкасалась с губами, не распространяясь на кожную кожу. Закрепите прокладку гипоаллергенной хирургической лентой, приклеенной к краям устройства, чтобы избежать перекрытия ленты в зоне датчика.
    2. Приложите примерно 1-2 N давления кончиком пальца в течение 5 секунд, чтобы установить колодку и устранить микрозазоры, затем визуально подтвердите полный контакт (без видимого бланширования и без «мостов» ленты через площадку). Если используется гибкая диафрагма, убедитесь, что она остаётся центрированной и не закрытой после фиксации (рисунок 1G).
  6. Введите внутриротовый катетер давления и стабилизируйте катетер.
    1. Введите катетер по центру между закрытыми губами на глубину 10-15 мм, чтобы трубка не соприкасалась с краями зубьев и не сгибалась резко у края губы. Убедитесь, что у игрока комфорт и свободное дыхание.
    2. Занулите датчик давления при атмосферном давлении непосредственно перед записью и перепроверьте базовую линию.
    3. Закрепите катетера на щеке скотчем и проложите его назад, чтобы минимизировать перенос движений во время выполнения задач; убедитесь, что верёвка не натягивается и не тянет за край во время подачи сигналов (рисунок 1G).
  7. Дайте 2-3 минуты на стабилизацию. Запишите минимум 30 секунд базовой линии.
  8. Собирать результаты по удобству использования и переносимости, сообщаемым участниками (выполнено).
    1. После завершения полной батареи задач (раздел 6) попросите участника оценить удобство использования по числовой шкале оценки 0-10 (0 = худшее/самое сложное, 10 = лучшее/простое) по следующим параметрам: (i) общий комфорт датчика губ PI/LIG, (ii) комфорт внутриорального интерфейса/катетера давления, (iii) простота выполнения стандартизированных задач при ношении системы, и (iv) готовность повторить процедуру в будущей сессии.
    2. Запишите оценки в стандартизированную одностраничную форму и задокументируйте, потребовалось ли приостановление или завершение сессии (да/нет) и основную причину (свободный текст).
  9. Документируйте время установки, сообщаемая оператором (выполнено).
    1. Начинайте секундомер, когда начинается подготовка кожи (шаг 5.3). Остановка тайминга, когда на всех каналах получены стабильные базовые линии (конец шага 5.7).
    2. Записывайте время установки (минимум) для каждого участника и оператора. Если требуется замена, укажите дополнительное время и укажите причину.
  10. Сообщайте о товарах и сводках удобства использования.
    1. Укажите точную формулировку элемента удобства использования и якоря в Дополнительной таблице 3.
    2. Суммируем результаты юзабилити, сообщаемые участниками, как медиану (IQR) для каждого элемента в целом и по половой группе в Дополнительной таблице 4. Суммируем время настройки, используя те же статистические данные и определение времени, описанные на рисунке 6 или аналогичной таблице.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если какая-либо сессия прерывается из-за дискомфорта, зафиксируйте задачу на этапе окончания, затронутый интерфейс (датчик губы против интраорального катетера) и наличие побочных эффектов. Включите эти события в сводку по мониторингу безопасности в результатах.

6. Стандартизация задач и сбор данных

  1. Предоставляйте стандартизированные вербальные сигналы с ритмом метронома 60 уд/мин. Продемонстрируйте каждую задачу один раз.
  2. Попросите участника выполнить три задачи, сохраняя равномерное дыхание и стойку челюсти.
    1. Инструктуйте участника плотно закрыть губы, не сжимая челюсть (закрытие губ).
    2. Инструктуйте участника создавать положительное давление через сжатые губы (дуние).
    3. Инструктируйте участника создавать отрицательное давление через интерфейс, похожий на соломинку (всасывание).
  3. Записывайте по пять испытаний на задание с использованием парадигмы активации 3 с и отдыха 10 секунд. Рандомизуйте порядок задач для участников с помощью латинского квадратного расписания.
  4. Получайте все каналы синхронно. Сэмплируйте EMG с частотой ≥1 кГц с разрешением ≥16 бит. Давление в образце ≥100 Гц. Примените соответствующее сглаживание. Если аппаратные фильтры недоступны, применяйте согласованные цифровые низкочастотные фильтры ниже частоты Найквиста. Аннотировать артефакты (речь, глотание, кашель) во время приобретения.
  5. Заранее определите конечные точки анализа для корреляции и результатов согласования и подготовьте синхронизированные трассы задач для проверки времени и выравнивания каналов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Краткое изложение результатов корреляции и согласования на рисунке 2 и приведены репрезентативные синхронизированные трассы задач на рисунке 3.

7. Обработка сигналов и обеспечение контроля качества

  1. Фильтруйте ЭМГ с помощью нулевого фазного полосного фильтра Баттерворта четвёртого порядка (20-450 Гц). Примените выемочный фильтр на частоте 50 или 60 Гц в зависимости от частоты локальной сети. Исправьте сигнал и вычислите линейную огибающую с помощью нулевой фазы фильтра 4-го порядка низкочастотного фильтра при частоте 8-10 Гц. Задокументируйте выбранный срез.
  2. Сигналы давления низкочастотного фильтра на частоте 10-20 Гц с использованием нулевого фазового фильтра четвёртого порядка. Преобразуйте напряжения в кПа, используя специфичные для устройства калибровочные коэффициенты с шага 4.2.
  3. Выровняйте огибающие ЭМГ с LP и IP с помощью маркеров подсказок. Проверьте, что разница в пиковых временах в пределах ±200 мс. Если смещение превышает допустимую допустимость, перевыравнивайте с помощью перекрёстной корреляции и отмечайте результат исследования.
  4. Отклонять исследования, соответствующие любому из следующих критериев в рамках 3 секундного окна активации: (i) выпадение или насыщение > 0,6 с, (ii) базовый дрейф превышающий 3 SD базового RMS за 10 с, или (iii) всплески артефактов движения с скаками огибающей > 5 SD от исходного уровня во время покоя. Сохраняйте минимум три действительных испытания на задание и участника.
  5. Краткое изложение настроек обработки сигналов и порогов контроля качества в таблице 3.

8. Количественная оценка метрик и анализ статистики

  1. Вычислить внутри-участники корреляции Пирсона между ЭМГ, полученными от PI/LIG, и традиционной ЭМГ с использованием амплитуд активации по исследованиям, определяемых как EMG RMS в центральных 2 секундах окна активации 3 с. Отчёт r с 95% доверительными интервалами с использованием преобразования z Фишера.
  2. Вычислите корреляции между LP и IP для каждой задачи, используя одни и те же окна анализа.
  3. Оценка согласованности между ЭМГ, полученными на основе PI/LIG, и традиционными амплитудами ЭМГ с помощью анализа Бланда-Альтмана. Определите смещение как среднюю парную разность, а пределы согласия — как смещение ± 1,96 SD различий. Если обнаружено пропорциональное смещение (p < 0,05 для регрессии различий на средних), повторный анализ по амплитудам, преобразованным в логарифми, и пределах обратного преобразования.
  4. Если доступны повторные блоки, оцените надежность теста-повторного теста с помощью ICC(2,1) (двусторонние случайные эффекты, абсолютное согласование, одномерное) для амплитуды ЭМГ и пикового давления. Сообщайте ICC с 95% доверительными интервалами.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если повторные блокировки недоступны, опустите ICC и укажите это явно в разделе Результаты.
  5. Подготовьте графики временного цикла нагрузки и силы для визуализации динамики задач и сравнения половых групп, а также резюмируйте эти временные профили на рисунке 4.
  6. Вычислите отношение сигнал/шум в децибелах: SNR_dB = 20·log10(RMS_active/RMS_baseline), где RMS_active вычисляется над центральными 2 секундами активации и RMS_baseline — по 1 с предварительным отдыхом. Краткое изложение распределений SNR и включите один иллюстративный пример шумного/неудачного примера для демонстрации критериев исключения на рисунке 5.
  7. Сравните женщин и мужчин по итогам каждого участника (например, пиковое давление губ, EMG RMS и SNR). Проверьте нормальность с помощью Шапиро-Уилка. Используйте t-тест Уэлча для нормально распределённых данных или Манн-Уитни U в противном случае. Поставьте двусторонний α = 0,05. Сообщите точные p-значения и примените коррекцию Холма-Бонферрони для трёх сравнений по задачам. Подготовьте сравнения времени установки с использованием одинаковых определений времени между операторами и резюмируем их на рисунке 6.

9. Устранение распространённых проблем

  1. Для устранения низкого ЭМГ SNR заново подготовьте и полностью высушите кожу, установите электроды с расстоянием 11 ± 1 мм, подтвердите импеданс <10 кОм, оптимизируйте экранирование кабелей и проверьте настройки фильтра перед повторением одного испытания.
  2. Чтобы исправить недостаточную реакцию давления, повторно нажмите площадку для полного контакта (1-2 Н на 5 секунд), уберите складки ленты, соединяющие площадку, и повторите калибровку для соответствия критериям принятия шага 4.2.
  3. Для устранения внутриорального дрейфа давления очищайте пузырьки, заново устанавливайте катетер на глубину 10-15 мм и занулите датчик перед каждым блоком.
  4. Чтобы уменьшить количество артефактов движения, репетировать сигналы, увеличивать межсудебный отдых до 15 секунд при необходимости и отмечать заражённые эпохи для исключения.
  5. Используйте стандартизированную матрицу устранения неполадок в Таблице 4 для документирования режимов отказа, корректирующих действий и проверок проверки.

10. Безопасность, гигиена и утилизация

  1. Используйте одноразовые внутриротовые интерфейсы и утилизируйте их как биологические опасные отходы в соответствии с институциональной политикой.
  2. Дезинфицируйте многоразовые держатели и проводки между участниками. Документируйте дезинфицирующее средство и время пребывания.
  3. Следите за раздражением или дискомфортом кожи. Немедленно прекратите сессию при возникновении неблагоприятных событий и зафиксируйте событие для отчётности IRB.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Обзор и калибровка устройства
Архитектура устройства, размещение и рабочий процесс калибровки на столе изложены на рисунке 1. Модуль интегрирует два совместно расположенных лазерно-индуцированных графеновых электрода (LIG) на гибкой полиимидной (PI) подложке для orbicularis oris EMG (OOM-EMG) и центральную площадку давления, расположенную на верхней поверхности губы, а также отдельную внутриротовую линию для внутреннего давления (IP). Пре...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В этой статье представлен сквозный протокол синхронного мониторинга орбикулярной электромиографии (OOM-EMG), давления закрывающего губ (LP) и внутриротового давления (IP) с использованием гибкого полиимидного/лазерно-индуцированного графена (PI/LIG) композитного датчика, связанного со стандартизированным конвейером сбора и обработки. Воспроизводимость в этом рабочем процессе зависит от небольшого числа критических шагов, которые определяют, остаются ли записи сопоставимы между операторам...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Ни одного.

Благодарности

Ни одного.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Прокладки для подготовки алкоголяДинарекс111370% изопропиловые подготовительные площадки; Чистка кожи перед установкой электрода
Терминальный блок BNCНациональные инструментыBNC-2110 Используйте с экранированным NI кабелем для подключения к DAQ; Выход/подключение для аналоговых входов
CO2 система лазерной гравировки и резкиУниверсальные лазерные системыVLS 3.50 (CO2)Любая CO2 лазерная система приемлема при соблюдении критериев принятия Таблицы 1; запись используемой модели и настроек лазера; Паттерн LIG по PI (10.6 & mu; класс m)
Проводящая эпоксидка (серебро)MG Chemicals8331Условия лечения должны соответствовать реализованному рабочему процессу; Крепление вида к LIG-колодкам (опциональная альтернатива пайке)
Устройство сбора данныхНациональные инструментыUSB-6343Любые требования по выборке/разрешению на собрании DAQ допустимы; записывать точный используемый прибор; Синхронная многоканальная запись (EMG и GE; 1 кГц; давление и GE; 100 Гц)
Деионизированная водаFisher ScientificВода лабораторного уровня DIЭквивалентная лабораторная DI-вода допустима; Промывка после выкройки
ДесикаторКартелл554 (вакуумный десикатор, 250 мм)Любой герметичный десушитель + осушитель допустим; RH и длительность хранения записей; Сухое хранение (RH & le; 30% для готовых устройств
Одноразовые электроды ЭМГАмбуBlueSensor N (N-00-S/25)Допустимо использовать эквивалентные предварительно гельированные электроды Ag/AgCl EMG; Ссылка на ЭМГ на orbicularis oris
Четырёхточечная зондовая системаОссилаЧетырёхточечная зондовая система (T2001A5)Любая четырёхточечная зондовая система приемлема; фиксировать расстояние между зондом/точки измерения; Сопротивление листа (Ω/figure-materials-1Гипоаллергенная хирургическая лентаСольвентумМикропоровая хирургическая лента 1530 (ID продукта 7100273771)Эквивалентная гипоаллергенная хирургическая лента допустима; Зафиксируйте нажимную подушку на верхней губе по средней линии
Изопропиловый спирт (IPA) и ge; 99%Merck (Sigma-Aldrich)190764-500MLУкажите поставщика и номер партии в лабораторном журнале; Промывка после выкройки; Общая уборка
Манометрия/катетерная линия давленияKRUUSEКормовая трубка, 8 Фр (230811)Любой катетер/трубка, соответствующий требованиям передозировки и безопасности, допустимы; зафиксировать точную модель, использованную; Линия внутриорального давления (IP), OD ~2– 3 мм
МетрономКоргMA-2Метроном на базе приложений допустим, если документирован (устройство + название/версия); Сигнал о темпе (60 ударов в минуту)
МикрометрМитутойо293-340-30 (0– 25 мм)Любое решение по микрометру на собрании должно быть приемлемым; Проверьте толщину PI (± 1 и мю; m толерантность)
Полиимидная плёнка (25 и мю; m)Merck (Sigma-Aldrich)GF59627009толщина 0,025 мм; регистрационный номер партии; поддерживайте равномерную толщину внутри каждой партии; Подложка для устройства PI/LIG
Полиимидная плёнка (50 μ m)Гудфеллоу1000106786толщина 0,05 мм; регистрационный номер партии; не смешивать коэффициенты калибровки между устройствами; Подложка для устройства PI/LIG
Датчик давления (USB-выход)Омега ИнжинирингСерия PX409-USBHВыберите диапазон для покрытия и плюса; Требование 20 кПа; фиксировать точный диапазон/используемую модель; Измерение IP (разрешение и le; Рекомендуется 0,1 кПа)
Экранированный кабель (68-контактный)Национальные инструментыSHC68-68-EPMИспользование с NI BNC-2110 для экранированных соединений; DAQ-подключение (USB-6343 к клеммовому блоку)
Силиконовая эластомерная пленка (диафрагма)ГудфеллоуСиликоновая эластомерная плёнка 0,125 мм (см. ссылка 1000181130)По желанию; наносить регулярно, если используешь, и фиксировать толщину/метод фиксации; Опциональная совместимая диафрагма (100– 200 и мю; m)
Набор силиконового эластомера (PDMS)ДауКомплект SYLGARD 184Используйте последовательно внутри партии; коэффициент смешивания записей и условия отверждения; Инкапсуляция (целевая сухая толщина 10 и дюйм; 30 & MU; m)
Паяльная проволокаКестер24-6337-0027 (Sn63/Pb37, сердцевина канифоли, 0,031 дюйма)Если используется безсвинцовый припой, фиксируйте тип сплава и флюса; Приставка для свинца (если используется пайка)
Программное обеспечение (обработка сигналов)Фонд программного обеспечения PythonPython 3.x + NumPy/SciPy/MatplotlibДокументировать точные версии Python и пакеты в разделах Методы или Дополнительные методы; Фильтрация, синхронизация, статистика, построение графиков

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.