柔性仿生肢体电路：用于肌电控制的高阻抗复用前端

《npj Flexible Electronics》：Flexible circuits for bionic limbs: a high impedance multiplexing front-end for myoelectric control

【编辑推荐】本研究针对传统假肢系统中电极与假肢界面存在的运动伪影、信号串扰和干扰等问题，开发了首个完全柔性、可穿戴的肌电控制系统。该系统基于非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)薄膜晶体管技术，采用预充电缓冲和自归零技术，实现了841 MΩ的高输入阻抗和22 μVrms的低输入噪声，支持干/湿电极使用。实验显示，该系统在模拟仿生肘关节控制中实现了20° RMS的角度控制精度，为下一代超薄、全集成假肢奠定了技术基础。

　　

在全球范围内，肢体截肢是导致残疾的常见原因，2017年统计显示约影响5770万人。电动肌电假肢（或称仿生臂）为恢复部分肢体功能提供了有前景的解决方案，这些系统通常通过解读使用者的生物电信号来实现直观的假体运动。然而，现有假肢控制系统面临一个关键挑战：如何确保长期使用过程中完全自主、连续的仿生肢体控制。

传统系统面临的主要问题包括运动伪影、信号串扰、有线连接中的干扰，以及无线解决方案的体积庞大、小型化受限等局限性。特别是对于经肱骨截肢者，由于没有残留的前臂或肘部来捕获惯性数据，惯性测量单元(IMU)无法用于控制假肢。因此，表面肌电(sEMG)信号成为一种有前景的替代控制方式。但sEMG信号与假肢之间的接口限制阻碍了进展——硅电子学需要电极与硅芯片之间的长互连，这种解决方案易受电磁干扰(EMI)影响，并因增加的寄生电容而降低输入阻抗。

柔性电子通过将电极和读出电子器件集成在单一基板上，为这些接口挑战提供了有前景的解决方案。这种方案支持使用超薄、适形的电极紧密贴合皮肤，同时在信号源附近提供信号放大或缓冲。局部电子器件的好处还包括减少信号串扰、提高输入阻抗、增强对外部干扰的鲁棒性以及降低运动伪影。

埃因霍温理工大学和特文特大学的研究团队在《npj Flexible Electronics》上发表的这项研究，突破了柔性电子在肌电传感领域的性能瓶颈。他们开发了一种基于a-IGZO TFT的创新多路复用前端，将时分多路复用(TDM)与使用自归零放大器的预充电技术相结合，解决了输入阻抗限制并增强了抗干扰能力。

关键技术方法

研究采用a-IGZO TFT技术在30微米厚聚酰亚胺柔性基板上制造模拟前端(AFE)电路，支持4个电极通道，总面积3.76 mm2。系统集成采用各向异性导电环氧树脂(IQ-BOND 5976)键合技术连接AFE与柔性PCB。信号处理包括带通滤波(40-200 Hz)、陷波滤波(50 Hz及其谐波)、全波整流和低通滤波(2 Hz截止频率)。使用改进的Hill型肌肉肌腱模型和 musculoskeletal model( musculoskeletal model)进行肘关节力矩预测，通过基于无源性的控制器实现虚拟假肢的实时扭矩控制。实验由一名健康参与者(25岁男性)进行，使用湿电极和BQEL1环状干电极对比验证。

系统架构与设计创新

研究团队提出的假肢控制系统架构包含四个电极阵列，其中三个作为控制输入通道，一个作为参考电极。柔性PCB设计为可调节 band( band)，可牢固包裹上臂。AFE包含采用预充电技术增强输入阻抗的多路复用器，自归零技术用于降低预充电放大器引入的1/f噪声。

核心创新在于预充电与自归零技术的结合应用。在预充电阶段(φ_p)，输入通过缓冲器(A)传输至负载电容C_s，使负载电容通过电源而非输入充电。在多路复用阶段(φ_m)，输入重新连接至负载电容。自归零技术通过两个相位操作有效抑制了缓冲器的低频噪声和偏移：第一阶段(φ₁闭合)中，放大器A以缓冲器配置连接，C_az顶部极板充电至输入电压加噪声/偏移；第二阶段(φ₂闭合)中，反馈路径使负输入跟踪正输入，从而抵消噪声和偏移。

电气性能表征

测量结果显示，该AFE在50 Hz时输入阻抗达841 MΩ，通道间串扰<-90 dBc，在500 Hz带宽内输入参考噪声(IRN)为22 μV_rms，每通道功耗55.3 μW。输入偏移均值仅4.6 mV，噪声效率因子(NEF)为150，功率效率因子(PEF)为7.9×10⁴。与现有柔性电子前端相比，该设计在噪声基底、功耗和输入阻抗方面均达到最优水平，特别适合sEMG信号采集。

假肢控制性能

sEMG信号经数字化后，通过肌肉激活转换、Hill型肌肉肌腱模型和 musculoskeletal model( musculoskeletal model)预测肘关节力矩。改进的模型通过纳入肱肌，将屈曲力分配在两个不同的力矩臂上，使肘关节总力矩预测更准确。虚拟假肢控制采用基于无源性的控制器，跟踪参考扭矩的RMSE为0.22 Nm。

体内实验表明，系统在30-90 BPM的节拍器引导下能有效跟踪肘部屈伸运动。使用干湿电极均获得相似信噪比，角度预测的RMSE为20.8°，虽比REFA放大器(11.5°)略高，但实现了可穿戴解决方案的突破性进展。通过增加肱肌电极，相比Pau等人的模型，误差降低约30%。

研究结论与展望

本研究首次演示了基于柔性电子的可穿戴sEMG传感设备，适用于假肢控制。通过将预充电与自归零技术创新结合，a-IGZO AFE在降低低频噪声和偏移的同时不影响输入阻抗，实现了干电极在sEMG传感中的应用，显著提升了使用舒适性和便利性。

该技术为未来超薄、全集成假肢奠定了基础，提供了与人体无缝、适形接口的潜力。随着通道数量的扩展，柔性电子在假肢控制应用中的能力将得到实质性增强。每通道0.88 mm²的紧凑占地面积即使与高密度电极阵列配对也不会产生限制，为下一代智能假肢系统的发展开辟了新道路。