肌電感測器成為腦控假肢的肌電介面

當大腦指示肌肉活動時，EMG感測器墊會檢測出在肌肉系統內產生的微小模擬電訊號。

透過使用透過表面安裝的感測器和檢測器連線來自大腦的訊號的現代修復裝置，解決了當今世界上膝上型電腦和手機的使用問題。新的感測器技術與高效能的微佈線相結合，擴充套件了有源肌電假體的效能和可靠性。新開發的微處理器晶片感測器的發展提供了從大腦到假體裝置的高階通訊。當肌肉從鬆弛模式運動到收縮狀態時，肌電晶片可以監測和測量肌肉產生的力，並且可以傳遞強度和肌肉訊號速度。具有隔離式微佈線的表面安裝式肌電感測器可接收從大腦傳送的模擬訊號，以進行捕獲並將其轉換為數字訊號。

高質量人機介面系統的關鍵是廣泛但嚴格且定義明確。視情況而定，指導假肢運動的選項包括使用人體動力，使用電輔助動力以及對於更簡單的應用程式使用被動或氣動裝置。所選的修復方法應最佳化患者及其生活方式的修復裝置利用率。多年來，工業界一直致力於深層肌電圖（EMG），以從前臂內部區域收集肌肉訊號，以供假手使用。然而，如今，表面水平肌電圖（sEMG）已顯著改善了資料採集能力，是無創的，並且已經發展為遮蓋了與手術相關的修復過程。

改善人機介面

資料處理系統由一個電極介面，一個訊號調節單元和一個設計成小型密封裝置的電源組成。從驅動機器儀表的感測器中獲得可靠且有用的訊號需要幾個步驟。在該點上，將兩到三個感測器墊小心地放在手臂的外部，以顯示強烈的肌肉訊號活動。感測器的位置必須靠近進入肌肉的腱凸起以收集最佳訊號。電極放置的理想位置是在神經支配區（或運動單元）與肌肉組織附著於肌腱的位置之間。

當大腦指示肌肉活動時，感測器板會檢測出在肌肉系統內產生的微小模擬電訊號。這些訊號在高頻和低頻處都經過濾波，以消除電噪聲並使訊號與潛在的電源干擾隔離。在某些情況下，可變訊號電阻被用作數字電位器，以幫助控制訊號增益的穩定性，因為在使用過程中訊號有時會上下波動。淨化後的訊號隨後經過整流，以提供數字訊號，該訊號在5–12 V的典型範圍內表現出可確定的電壓漂移。在某些情況下，使用放大器設定訊號電平和增益以最佳化電路中的佈線阻抗和驅動機制。假肢。根據設計，

需要專門的電線和電纜設計來保護和隔離EMG的微小數字訊號與電動機的電源接線。

這種人機介面的複雜性顯著增加了對驅動修復裝置中多個自由度的過程控制的需求。幸運的是，這些sEMG在不斷改進，併為使用較舊的肌內肌電假體方法提供了使用機會。表面型電極很容易在檢測表面和人體面板之間形成可靠的電化學狀態，因此電流可以流入電極。由於感測器的設計和訊號收集仍然是挑戰的關鍵因素，因此面板準備至關重要，尤其是在感測器領域。人們需要確保良好的資料採集和乾淨的訊號傳輸到放大器。在安裝感測器之前，必須先擦洗面板和頭髮以減少表皮堆積，然後徹底乾燥。

為此，正在以多種形式測試神經訊號檢測電極。乾式和凝膠表面感測器均已被研究。凝膠電極使用嵌入氯化銀的有機矽電解漿料。這增加了訊號傳導性，並防止了金屬氧化為面板介面。清潔時，電阻低，導電性足夠強，可以阻擋外界和表面產生的訊號噪聲。乾電極感測器通常使用帶有多個收集點的小型前置放大器模組，並且在面板和裝置之間不使用凝膠。儘管在電子方面更好，但乾式電極感測器更容易受到衝擊和振動，甚至汗水也會挑戰電路的穩定性。

提供力和振動反饋的運動學通訊的植入式換能器在需要同時啟用多塊肌肉的全腿和手臂假肢中特別有用。

在許多情況下，EMG系統使用電動微型電機和/或齒輪，可以旋轉手腕，開啟和閉合手指並撿起物體，從而幫助患者進行神經活動部件。但是，除了肌肉訊號傳輸以外，新型假肢還向系統或患者提供了感覺反饋。握力，觸感和壓力是模仿人肢自然使用所需的關鍵要素。包括感測器電子裝置，以提供經典的控制，可以撿起雞蛋而不將其壓碎。植入式肌電感測器（IMES）再次為改善肢體控制和檢測立足位置和壓力​鋪平了道路。這些植入的換能器為患者提供了三維的力量感覺和振動反饋的良好的運動感覺通訊。

在假肢應用（例如手和手臂控制）中，操作員多個部分之間的同步互動已成為一項重大進步。面板包含生物感測器晶片，可檢測電容和/或壓力的變化，類似於機器人裝置中使用的壓力感測器。奈米級微機電系統（MEMS），晶片或電容感應場效應電晶體（FET）用於提供觸覺，以反映人體面板中的壓力，觸覺和疼痛感受器。面板透過電子方式連線到手臂神經，這些神經負責將觸控和疼痛感傳遞給大腦。該過程允許患者以與原始手相似的方式來操作其新的義肢。

EMG感測器的未來

美國國立衛生研究院（NIH）和美國國家生物醫學與生物工程研究所繼續支援各種EMG感測器裝置和系統的進一步開發。兩項不斷髮展的技術使用可面板安裝的系統和先進的電子裝置。從在聚醯亞胺薄膜片上使用導電電路的圖案電鍍或3D列印開始，可能會逐漸發展出堅固，可穿戴的外部安裝在患者面板上的薄膜電路。

用於假肢的感測器和運動控制系統在精度能力和操作更廣泛的元件方面一直在迅速擴充套件。緊湊的手和腳控制設計正在擴充套件，以服務於全腿裝置和外骨骼系統。訊號檢測和資料處理系統是先前設計的某種擴充套件，但是定向訊號和響應資訊的路由很快就變得更加詳細，因為它們必須經過一定距離。一些假肢系統的物理尺寸還要求更高的電壓或電流水平，以操作諸如臀部和膝蓋電機之類的裝置。這些系統的佈線和互連物理可能成為一個挑戰。需要專門的電線和電纜設計來保護和隔離EMG的微小數字訊號與電動機的電源線。來自外部環境的電動勢干擾可能會使路由到假體裝置某些部分的數字資料混淆。電線和電纜在整個連續使用過程中必須保持相對較小和柔軟，並在暴露於高溫，高溼和突然電擊時提供訊號完整性。特殊的極化奈米（PZN）和圓形奈米聯結器有助於將導線連線到系統內的電子元件。

肌電圖和修復裝置的開發技術已發生重大變化。從研究中心到醫療裝置行業，該流程都得到了很好的開發，可以快速開發針對個性化應用的定製裝置。在設計假肢互連時，可以從詳細列出個人用途，物理應用和環境暴露開始。與經驗豐富的電子電路設計人員合作並使用快速旋轉原型系統可以快速增強系統。透過使用實體建模軟體，並與設計師線上協同工作，OEM可以開發出精確的形式並適合其特定功能。當實體模型軟體看起來正確時，可以在每個元素的3D內建裝置中實現它們，並且可以構建完整的假體裝置的聚合物模型。然後，這將允許對訊號路由系統進行最佳規劃，以最好地服務於特定的裝置系統。可以組裝專用電纜和聯結器以匹配裝置的需求。