基于原位凝胶化水凝胶的柔性肌电传感器在腰椎疾病早期诊断中的创新应用

本刊推荐：本文开发了一种基于体温触发原位凝胶化水凝胶的柔性肌电传感器（FES），其粘附力达传统电极15倍，接触阻抗低至40 kΩ/cm2（10 Hz），信噪比高达23.28 dB。该传感器通过监测久坐状态下的细微肌电（EMG）信号，为腰椎疾病早期诊断提供了可靠生物标志，实现了从被动治疗到主动预防的突破性转变。

　　

引言

现代生活方式中久坐已成为腰椎疾病的主要诱因，全球超过6.19亿人受慢性背痛困扰。传统临床诊断依赖症状出现后的影像学评估，往往错过早期干预时机。肌电监测技术虽能实现床旁检测，但传统电极在灵活性和信号稳定性方面存在局限。

传感器设计与原理

本研究开发的柔性肌电传感器（FES）由热响应原位凝胶化水凝胶和柔性网状电极贴片构成。水凝胶以明胶和吡咯烷酮羧酸钠（PCA-Na）为基础，在体温（28-30°C）下发生溶胶-凝胶转变，有效填充皮肤微皱纹，形成牢固粘接。这种设计使传感器粘附力达到传统电极的15倍（0.3 N/cm），接触阻抗降至40 kΩ/cm²（10 Hz），信噪比提升至23.28 dB。

网状电极采用铜导电层和聚酰亚胺封装层，杨氏模量低至1.8 MPa，经历600次拉伸循环后仍保持稳定的电阻性能。这种结构确保了传感器在自然、扭曲和弯曲状态下都能保持完整性和信号采集能力。

水凝胶特性表征

通过X射线光电子能谱（XPS）证实了钠离子的成功掺入，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱显示酰胺I带和II带发生浓度依赖性蓝移（1630→1651 cm^-1和1541→1580 cm^-1），表明明胶中质子化酰胺与PCA-Na羧基间发生静电交联。扫描电镜显示随着PCA-Na浓度从0%增加到40%，凝胶网络逐渐致密化，电阻率降低82%，伸长率增加310%，模量降低110%。

生物相容性评估

体外溶血实验显示所有水凝胶均无溶血现象。CCK-8和活/死染色表明G-P水凝胶培养1天和3天后对细胞活力无显著影响。小鼠体内实验显示，植入3天后未引起显著炎症反应或组织坏死，主要器官（心、肝、脾、肺、肾）未见损伤。与商业电极相比，G-P 40%电极支持24小时佩戴而不引起瘙痒或炎症。

肌电监测性能

在久坐测试中，FES被放置在受试者L4-L5椎体水平的腰部区域。与仅能捕获单峰EMG信号的商业电极相比，FES能够记录多峰信号，提供更详细的腰部状态信息。FES的信噪比达到22.7 dB，显著高于商业电极的18.2 dB。

通过分析2569秒、3538秒、3541秒、3543秒和3603秒的疲劳信号，发现疲劳模式频率随时间逐渐增加，表明疲劳程度逐步加剧。5-10 Hz频率范围内的信号积分面积从0.019稳步增加到0.049，进一步证实了腰部疲劳的逐渐强化。

机器学习辅助诊断

采用卷积神经网络对肌电信号进行分类，包含数据预处理、特征提取和分类三个步骤。使用带通滤波器（200-500 Hz）保留细微EMG信号，小波变换去除随机噪声，独立成分分析消除伪迹信号。特征提取阶段将时域、频域和小波特征作为独立视图，通过张量化转换为适合深度学习模型的格式。

分类器采用分层K折交叉验证策略结合标准化合成少数过采样技术（SMOTE），确保模型泛化和类平衡。多分支卷积模块提取不同尺度的信号特征，残差融合改进这些多尺度特征的表示。混淆矩阵显示，FES在检测非疲劳状态方面达到95%的准确率，在疲劳状态达到81.67%的准确率。

疲劳阶段划分

研究识别出三个腰椎疲劳阶段：非疲劳阶段（0-1600秒）仅出现少量孤立疲劳模式；疲劳积累阶段（1600-3100秒）疲劳加剧，疲劳信号比率达到15%；阈值后阶段（3100秒后）虽然疲劳达到阈值，但疲劳信号比率开始下降，这可能是因为腰部肌肉因长时间疲劳而兴奋性降低。

结论与展望

该柔性肌电传感器通过原位凝胶化水凝胶界面和低模量网状电极的创新结合，实现了对久坐状态下细微肌电信号的高质量监测。其优异的柔韧性、粘附性能和信号采集能力，为腰椎疾病的早期诊断提供了新的技术手段，有望推动腰椎疾病管理从被动治疗向主动预防转变。未来研究可进一步探索该技术在个性化康复方案制定和长期健康监测中的应用潜力。