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Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 9650 (2022) Citer cet article

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Nous présentons une nouvelle conception pour une combinaison d'électromyographie de surface (sEMG) à base de textile électronique qui intègre des textiles conducteurs extensibles comme électrodes et interconnexions dans un vêtement de compression athlétique. L'approche de fabrication et d'assemblage est une combinaison facile de découpe laser et de laminage par presse à chaud qui permet un prototypage rapide de conceptions dans un environnement de recherche typique sans avoir besoin d'équipement spécialisé de fabrication de textiles ou de vêtements. Les matériaux utilisés sont robustes à l'usure, résistants aux contraintes élevées rencontrées dans les vêtements et peuvent être lavés en machine. La combinaison produit une qualité de signal sEMG comparable aux électrodes adhésives classiques, mais avec un confort, une longévité et une réutilisation améliorés. L'électronique intégrée fournit le conditionnement, l'amplification, la numérisation et la puissance de traitement du signal pour convertir les signaux EMG bruts en une estimation du niveau d'effort pour la flexion et l'extension des articulations du coude et du genou. L’approche que nous détaillons ici devrait également être extensible à une variété d’autres capteurs électrophysiologiques.

La surveillance des signaux biopotentiels de décharge musculaire, généralement appelée électromyographie (EMG), permet une détection et un rapport dynamiques et rapides de l'emplacement et de l'intensité des mouvements dans le corps humain. Cette technique puissante a été utilisée pour des applications telles que le contrôle des prothèses1,2,3, la surveillance de la santé4,5,6 et les interfaces homme-machine transparentes7,8,9. Bien qu'il existe des formes invasives d'EMG, l'électromyographie de surface non invasive (sEMG) est plus courante et acceptée pour la plupart des applications. L’étalon-or actuel pour le sEMG consiste à fixer manuellement des électrodes de gel temporaires attachées à la peau à l’aide d’un adhésif. Bien que cette technologie soit bien établie et produise des signaux haute fidélité, sa dépendance à l'égard de gels conducteurs et de systèmes d'acquisition de données volumineux dégrade sa durée de vie opérationnelle, son confort et son caractère pratique pour la surveillance longitudinale. Il est donc nécessaire de développer des capteurs sEMG de qualité laboratoire, intégrés de manière ergonomique dans des vêtements haute performance.

Pour résoudre ce problème, d’importants efforts de recherche ont été consacrés à la conception et à l’optimisation de vêtements portables exploitant l’utilisation de textiles électroniques (e-textiles). Contrairement aux systèmes basés sur l'argent et le chlorure d'argent (Ag – AgCl), ces vêtements sEMG portables sont des circuits hybrides qui intègrent des électrodes et des interconnexions flexibles à base de textile électronique10,11,12,13,14. De nombreuses techniques existent pour incorporer des matériaux conducteurs dans un vêtement, notamment la broderie de fibres conductrices15,16,17,18,19, l'impression d'encres conductrices20,21,22,23,24,25 et l'utilisation d'adhésifs pour fixer des tissus conducteurs au textile26. Parmi ces techniques bien établies, la broderie et l’impression sont les plus couramment employées. Cependant, ils nécessitent des compétences spécialisées pour générer des modèles et des outils complexes et anti-tension spécifiques à l'industrie du vêtement qui ne sont pas facilement accessibles au laboratoire de recherche moyen. Peu d’études présentent des systèmes entièrement intégrés sur de grandes surfaces avec une optimisation de bout en bout pour la qualité et la fabricabilité. Les exceptions notables à cette règle sont les plates-formes commerciales ciblées dotées de systèmes opaques et autonomes qui sont à la fois coûteux et bloquent l'accès aux données brutes et non traitées. En revanche, notre approche basée sur les adhésifs se concentre sur la stratification à chaud pour fixer les tissus conducteurs au textile de base, une approche beaucoup plus simple de la construction de vêtements. De plus, comme démontré dans ce travail, cette approche peut être étendue de manière transparente pour former une connexion facile du textile à la carte de circuit imprimé avec des languettes flexibles de carte de circuit imprimé pour la transmission du signal à l'électronique embarquée.

En conséquence, pour démocratiser les combinaisons sEMG de grande qualité et de grande surface, nous présentons dans ce travail un vêtement sEMG modulaire robuste, évolutif et entièrement intégré, basé sur du textile électronique, fabriqué à partir de matériaux commerciaux facilement disponibles. Nous effectuons une optimisation minutieuse des matériaux et de la conception pour chaque composant, caractérisons les performances électriques pendant la contrainte et l'exposition, et quantifions les mesures du niveau d'effort pour les muscles biceps/triceps, quadriceps/ischio-jambiers et tibial antérieur/gastrocnémien. Au-delà de notre intérêt immédiat pour le sEMG à base de textile, notre approche crée une voie permettant d'intégrer des électrodes cutanées haute fidélité et des interconnexions pour une variété de capteurs physiologiques, notamment l'électrocardiogramme (ECG), l'électroencéphalographie (EEG) et la réponse galvanique cutanée (GSR).