基于同轴屏蔽导电纱线的体表尺度纺织品肌电监测系统

《SCIENCE ADVANCES》：A body-scale textile-based electromyogram monitoring system with coaxially shielded conductive yarns

本研究针对大范围肌电(EMG)信号采集易受环境噪声干扰的难题，开发了一种集成同轴屏蔽导电纱线的纺织品基无线EMG监测系统。该系统通过三层可拉伸结构（信号纱、聚氨酯绝缘层、屏蔽导体）有效抑制物理接触和电磁噪声，使噪声水平保持在0.1 mV以下，并在肩关节活动度(ROM)测试和动态运动（如反向跳跃、跑步）中成功实现多部位肌肉活动的高精度监测，为可穿戴电子设备在复杂环境下的生物信号采集提供了新方案。

　　

随着可穿戴电子技术的飞速发展，实时获取人体生物信号已成为健康监测、运动科学和康复医学等领域的重要需求。其中，肌电图（Electromyogram, EMG）作为记录肌肉电活动的关键指标，能够直接反映神经肌肉系统的功能状态。然而，由于EMG信号本身极其微弱（通常小于几毫伏），在日常生活或运动过程中极易受到环境电磁干扰、身体运动以及外部物理接触等多种噪声源的影响。特别是在需要大面积、多部位采集信号时，传统的硬质电子模块不仅会限制人体自然运动，其重量和体积还可能改变皮肤-电极界面的稳定性，进一步引入运动伪影。虽然现有研究已尝试通过柔性电路、印刷电极等技术将传感系统集成于纺织品，但如何在大范围布线中维持高信噪比，尤其是在存在直接物理接触的苛刻环境下实现稳定监测，仍是亟待突破的技术瓶颈。

为解决上述挑战，发表在《SCIENCE ADVANCES》上的研究论文"A body-scale textile-based electromyogram monitoring system with coaxially shielded conductive yarns"提出了一种创新解决方案：通过设计具有同轴屏蔽结构的可拉伸导电纱线，构建了能够覆盖全身尺度的纺织品基EMG监测系统。该系统成功实现了在噪声环境下（如他人直接触碰布线区域）仍保持低于0.1 mV的噪声水平，并完成了上肢肩关节活动度和下肢动态运动（如跳跃、跑步）中的多肌肉群同步监测。

研究人员主要采用了几项关键技术方法：首先，通过熔融纺丝工艺在商业导电纱线（AGfit）表面包裹热塑性聚氨酯（TPU）绝缘层，形成可拉伸的信号传输核心；其次，采用浸涂工艺在绝缘层外多次涂覆银片/氟橡胶复合导电墨水，构建屏蔽导体层，形成完整的同轴结构；最后，通过热压工艺将制得的同轴纱线集成至针织纺织品，并与纺织电极、无线模块（FREEEMG）连接形成完整系统。实验招募了4名健康成年男性参与者，在伦理委员会批准（批准号KE220206）下开展测试。

RESULTS

屏蔽纱线的结构与性能

研究团队成功制备出直径约360 μm的同轴屏蔽导电纱线，其横截面显示三层结构分明：中心为导电信号纱，中间为聚氨酯绝缘层，外层为银基屏蔽导体。该纱线可承受超过120%的拉伸应变，且在80%应变下信号纱与屏蔽导体的电阻变化分别仅为0.3 Ω和4.9 Ω。机械测试表明，纱线在5%应变下的拉力小于0.8 N，远低于常规运动服装的受力范围，确保穿着舒适性。

噪声抑制效能验证

通过对比有/无屏蔽层的布线在物理接触下的噪声表现，发现未屏蔽布线在36 kPa压力下噪声振幅升至0.264±0.018 mV，而屏蔽布线始终保持在0.035±0.001 mV以下。此外，在电磁场干扰（如电子设备靠近）场景下，屏蔽结构同样表现出优异的噪声抑制能力。

肩关节活动度监测应用

在主动和被动肩关节活动度（ROM）测试中，屏蔽系统均能清晰记录三角肌在不同角度（-45°至180°）的EMG信号。特别是在被动ROM（由他人辅助活动）时，未屏蔽布线因接触噪声导致信噪比（SNR）低于3 dB，而屏蔽系统仍能保持11.7 dB（-45°）至31.2 dB（180°）的SNR，有效区分细微肌肉活动。

下肢动态运动监测

系统在八通道下肢EMG监测中展现出强大性能：在反向跳跃（countermovement jump）过程中，可清晰捕捉到胫骨前肌、股直肌和腓肠肌的激活时序差异；在骑行实验中，随负荷增加（低、中、高），腘绳肌的EMG振幅从0.02 mV逐步升高至0.07 mV；在步行（约4.8 km/h）和跑步（约12.6 km/h）时，系统成功记录了左右肢体肌肉的交替激活模式，且所有位点噪声均低于0.1 mV。

DISCUSSION

本研究开发的同轴屏蔽纺织系统突破了传统可穿戴设备在噪声环境下的信号采集限制。其创新点在于将屏蔽结构微型化并融入可拉伸纱线，实现了"布线即屏蔽"的一体化设计，为大面积生物电信号监测提供了硬件基础。尽管目前屏蔽层制备需多次涂覆和热处理，未来可通过优化溶剂挥发性（如采用高挥发性溶剂）和自动化工艺提升量产效率。此外，结合微结构电极设计、表面改性技术有望进一步降低皮肤-电极阻抗，实现无凝胶化监测；引入单向导热纺织品或Janus结构（仿生双疏结构）可提升长时间穿戴的舒适性。若进一步采用生物可降解弹性体（如聚酯类材料）和碳基导电材料（如石墨烯），还能增强系统的环境可持续性。

该技术不仅为运动生理学、康复评估提供了高精度工具，更拓展了电子纺织品在日常健康监测、人机交互等领域的应用边界。其核心价值在于通过材料与结构创新，将实验室级信号质量"编织"进日常服饰，使无感化、全天候生理监测成为可能。