综述：微针电极在肌电图中的应用

本综述系统探讨了干性微针电极（MNEs）在表面肌电信号（sEMG）检测中的突破性进展，重点分析了其通过穿透角质层（stratum corneum）降低电极-皮肤接触阻抗（ESCI）、提升信号稳定性的机制，并综述了微针设计、多通道阵列（MNAEs）及在动态监测中的应用潜力，为可穿戴医疗设备研发提供新思路。

　　

微针电极在肌电图中的革新应用

引言

表面肌电图（sEMG）作为非侵入性肌肉电活动监测技术，在运动科学、康复医学等领域应用广泛。然而传统湿电极依赖导电凝胶和繁琐的皮肤预处理（如角质层剥离），且长期使用易因凝胶干燥导致信号劣化。微针电极（MNEs）通过穿透高阻抗的角质层，直接接触导电性更强的活表皮层，为上述问题提供了创新解决方案。

微针电极的设计原理

微针阵列（MNAs）通常为长度<1 mm、宽度数百微米的锥形结构，材质涵盖金属（金、不锈钢）、硅及生物相容性聚合物。其核心优势在于：

1. 1.

   阻抗突破：角质层阻抗可达深层组织的1000倍，而微针穿透后使电极-皮肤接触阻抗（ESCI）降低10-100倍，尤其在低频段（<100 Hz）效果显著。

2. 2.

   动态稳定性：锚定于真皮层的微针可抵抗皮肤形变，运动伪迹较传统电极减少60%。

3. 3.

   无凝胶设计：消除导电介质干燥问题，支持长达72小时连续监测。

技术演进与创新设计

早期"多点穿透式电极"（1960s）已验证穿透角质层的可行性。现代微针技术通过MEMS工艺实现精密加工，如：

• •

  倒钩结构（Griss等人设计）：提升锚定力至0.3 N/针，适用于高运动量场景。

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  柔性基底集成：将硅微针阵列与聚酰亚胺柔性电路结合，兼顾穿透性与佩戴舒适度。

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  多通道阵列（MNAEs）：6×10金针阵列可实现高密度sEMG（HD-sEMG）信号采集，空间分辨率达5 mm，助力肌肉协同作用研究。

性能验证与临床应用

1. 1.

   信号质量：在肱二头肌等测试中，MNEs信噪比（SNR）较湿电极提升8 dB，肌电振幅变异系数降低至<15%。

2. 2.

   长期稳定性：未预处理皮肤下，MNEs可维持稳定阻抗（<10 kΩ at 50 Hz）超过48小时。

3. 3.

   特殊场景适配：多孔微针设计（如Lee等人开发的空心结构）可同步实现电信号采集与透皮给药，为神经肌肉疾病治疗提供闭环方案。

挑战与展望

当前MNEs面临针体断裂风险（<3%发生率）和毛发皮肤适用性等问题。未来方向包括：

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  智能材料应用：形状记忆合金微针可自适应不同皮肤厚度。

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  无线集成：结合柔性电子实现全无线sEMG监测系统。

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  标准化建设：建立微针穿透深度与信号质量的量化关系模型。

微针电极技术正推动sEMG从实验室走向居家医疗，其"无感监测"特性尤其契合帕金森病、卒中后康复等长期管理需求，有望成为下一代可穿戴健康技术的核心传感单元。