أقطاب كهربائية قابلة للارتداء متوافقة: من التصنيع إلى التقييم الكهروفسيولوجي
July 22nd, 2022
أظهرت تقنيتان حديثتان - الوشم والمنسوجات - نتائج واعدة في الاستشعار الجلدي. هنا ، نقدم طرق تصنيع وتقييم أقطاب الوشم والنسيج للاستشعار الكهروفسيولوجي الجلدي. هذه الواجهات الإلكترونية المصنوعة من البوليمرات الموصلة تتفوق على المعايير الحالية من حيث الراحة والحساسية.
الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء هي اللاعبين الرئيسيين اليوم في مراقبة إشارة جسم الإنسان. هناك حاجة إلى تطوير واجهات جلدية متوافقة لتوفير دقة إشارة عالية وتشغيل طويل الأجل لأجهزة الاستشعار الجلدية. سنعرض هنا كيفية تصنيع وتوصيف واستخدام أقطاب كهربائية لمسية وناعمة بسهولة كأجهزة استشعار إلكترونية عضوية يمكن ارتداؤها.
للتحقق من صحة أداء أجهزة الاستشعار المصنعة لدينا ، نطبق نظاما إلكترونيا محمولا لتسجيل الإشارات الكهروفسيولوجية المختلفة من جسم الإنسان. نقترح تكوينا متعدد لتسجيل الإشارات الفسيولوجية المختلفة ببساطة في المختبر. تم استخدام البروتوكول التالي لتصنيع الأقطاب الكهربائية على ركائز مرنة تجاريا ، مثل ورق الوشم والمنسوجات.
يتم توفير مجموعة ورق الوشم التجاري أيضا مع ورقة الغراء. يحتوي ورق الوشم على بنية ذات طبقات بما في ذلك ورقة داعمة ، وطبقة كحول بولي فينيل قابلة للذوبان في الماء ، وفيلم بولي يوريثين قابل للنشر ، وطبقة PVA علوية. لتصنيع مستشعر يمكن ارتداؤه ، ابدأ بقطع المجموعة الفرعية من الاهتمام.
ضع المجموعة الفرعية على لوحة الطابعة، مع ضبط حدودها لإبقائها مسطحة. ثم املأ خرطوشة الطابعة بالحبر التجاري PWSs بعد تصفيتها. هذا هو تشتت دقيق للبوليمر الموصل.
ثم اطبع تصميمك على الركيزة. بالنسبة لورق الوشم والمنسوجات ، التي تحتوي على طاقة سطحية عالية أكثر ، يتم تعيينها في معلمات الطباعة التي تتناول التباعد حول 15 أو 20 ميكرومتر. بعد ذلك ، جفف القطب الكهربائي في الفرن عند 110 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة لإكمال تبخر المذيبات.
يجب أن يبدو المستشعر المطبوع النهائي هكذا على ورق الوشم والنسيج والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني والمنسوجات القابلة للتمدد. لتصنيع موصل خارجي لنظام الموضع ، قم بقطع قطعة مستطيلة من الركيزة الرقيقة للغاية ، مثل PEN. اطبع فوقه تصميما مستطيلا مع ثلاث طبقات PWSs.
قم بتغليف التوصيل البيني الرقيق للغاية على القطبين الكهربائيين. قطع حفرة في ورقة الوشم ورقة الغراء. قم بمحاذاة كل هذا مع جزء استشعار الإشارة من قطب PWSs الوشم.
أضف قطعة من شريط البوليمر إلى الطرف الحر من التوصيل البيني للقرون. لنقل قطب الوشم ، قم بإزالة بطانة الغراء. ضع الوشم على الجزء المطلوب من الجلد.
قم بترطيب ورقة الدعم الخلفية مباشرة ، مع الحفاظ على الوشم في موضعه. بمجرد نقع ورق الدعم الخلفي ، قم بتحريكه لإزالته ، تاركا فقط نهاية القطب الكهربائي للفيلم الفائق القابل للنقل على الجلد. ثم قم بتوصيل جهة اتصال PEN المسطحة بوحدة الاقتناء الخارجية.
لتوصيف القطب الكهربائي المصنع باستخدام التحليل الطيفي للمعاوقة الكهروكيميائية ، قم بإجراء قياس الجسم. أولا ، تأكد من أن المتطوع يجلس بشكل مريح مع وضع ذراع على الطاولة أثناء الراحة. ثم ضع قطبا كهربائيا واحدا على الجلد وقم بتوصيله بزوجين يعملان على استشعار البداية المحتملة.
ثم ضع قطبا كهربائيا آخر على بعد ثلاثة سنتيمترات من القطب الأول وقم بتوصيله بالقطب المضاد. أخيرا ، ضع القطب الثالث على الكوع وقم بتوصيله بكبل القطب المرجعي. ثم ابدأ القياس مع البداية المحتملة.
تطبيق تيار بين العداد والأقطاب الكهربائية العاملة ، وقياس التباين المحتمل عبر المرجع والزوجين المستشعرين. لاحظ أن معاوقة النواتج المحسوبة في كل تردد تتكون من مساهمتين. مقاومة الجلد ، ومقاومة ملامسة القطب الجلدي.
يصف القسم التالي الموضع المتدرج لكل إشارة حيوية ذات أهمية. مثال على مراقبة المادة الكهروبصرية باستخدام أقطاب C-يسار و C-يمين المتاحة تجاريا. بالنسبة ل ECG ، قم بتكييف تكوين مع ثلاثة أقطاب كهربائية ، واحدة تستخدم كأرض.
بالنسبة للنشاط الكهربائي للدماغ ، EEG ، ضع الأقطاب الكهربائية على الجبهة وحول الأذنين الخارجيتين. لقياس النشاط الكهربائي الجلدي ، EDA ، ضع قطبين كهربائيين في الجزء العلوي من اليد اليسرى. ثم قم بإجراء التسجيل أثناء راحة الشخص أو ممارسة التمارين البدنية.
لتوصيف أداء القطب الكهربائي ، أبلغنا عن المعاوقة التمثيلية للأقطاب الكهربائية النسيجية. تظهر أقطاب النسيج مقاومة أعلى قليلا ولكنها قابلة للمقارنة من الأقطاب الكهربائية القياسية اليمنى المتكلسة من CI. يشير شكل نماذج المعاوقة إلى سلوك مقاوم أعلى قليلا في حالة أقطاب النسيج.
في حين أن CI القياسي المتكلس يظهر سلوك السعة المقاومة النموذجي. من خلال وضع أقطاب كهربائية على الجلد في مناطق الجسم المختلفة ، يمكننا الوصول إلى إشارات حيوية متعددة. أدى تتبع EEG إلى إزاحة تسجيل النشاط الكهربائي لمجموعة من الخلايا العصبية النشطة.
واحدة من المجموعة الأساسية من موجات الدماغ هي ألفا بين 8 و 13 هرتز. تعكس موجات ألفا حالة الدماغ تحت الاسترخاء ويمكن تحفيزها عن طريق مطالبة الشخص بإغلاق عينيه. يمثل خط الشرطة العمودي الرمادي اللحظة في التسجيل عندما طلب من المتطوع فتح عينيه.
يظهر تتبع تخطيط القلب استقطاب واستقطاب الأذين والبطينين في القلب ، ممثلا في النمط المميز الذي يتكون من موجة P ومجمع IQRS وموجة T. تظهر قمم R أعلى سعة وتستخدم لحساب معدل ضربات القلب من خلال النظر في الوقت بين اثنين متتاليين. سجلنا تتبع EMG بينما زاد المتطوع تدريجيا من قوة عضلات R.
يتم قياس نشاط العضلات المكثف كميا من خلال زيادة سعة قمم الجهد. في تتبع EMG ، تعكس المسامير ذات السعة من عدد قليل من الميكروفولت إلى عدد قليل من الفولت الصغير في نطاق التردد من 10 إلى ألف هرتز عضلة النشاط المفرط ، مدفوعة بإمكانات عمل الوحدة الحركية. يتكون تتبع EDA عادة من مكونات منشطة وغامضة.
يعكس المكون المنشط مستوى توصيل الجلد ويتوافق مع إشارة الخلفية. يعكس المكون الضبابي استجابة الشخص لحافز معين ، ويمكن اكتشافه عن طريق التغيير في قيمة توصيل الجلد. يستخدم هذا التتبع لتقييم مستوى الإجهاد البشري وترطيب الجسم.
من خلال بروتوكولنا ، نحصل على مستشعر بشرة ناعم ومريح لنمط حبر موصل على الخلايا الناعمة في كثير من الأحيان بشكل مستقيم. والطباعة هي تقنية محلية وقابلة للتطوير تبرز من عمليات التصنيع الإلكترونية الدقيقة التقليدية. تصف الطريقة المقترحة كيفية الحصول على إشارة كهربائية تختلف من النشاط العصبي الضعيف إلى تقلص العضلات عالي القوة.
تسمح الإشارة بالدخول إلى الحالة الفسيولوجية لجسم المستخدم. من دور ، نقدم الخطوة الأولية حول جدوى الأجهزة اللفظية السلسة لمجموعة متنوعة من تطبيقاتي الطبية ، والتي نسجت من اللياقة البدنية إلى مراقبة الرعاية الصحية.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
المراجعة
تناقش هذه المقالة تصنيع وتقييم أقطاب الوشم والنسيج للكشف الكهربائي الجلدي. تم تصميم هذه المستشعرات الإلكترونية العضوية القابلة للارتداء لتوفير دقة إشارة عالية وراحة لرصد إشارات جسم الإنسان.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم الأعصاب
- الهندسة الطبية الحيوية
- التكنولوجيا القابلة للارتداء
الخلفية
- الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء ضرورية لرصد الإشارات الفسيولوجية.
- تعزز واجهات الجلد المتوافقة أداء المستشعرات الجلدية.
- تتطلب التقنيات الحالية تحسينًا في الراحة والحساسية.
- يتم استخدام البوليمرات الموصلة في تصنيع هذه المستشعرات.
هدف الدراسة
- تقديم طرق لتصنيع أقطاب نسيجية ناعمة وملموسة.
- لتقييم أداء هذه الأقطاب في تسجيل الإشارات الكهربائية الفسيولوجية.
- ل提议 تكوينات لتسجيل إشارات فسيولوجية بسيطة تستند إلى المختبر.
الطرق المستخدمة
- تصنيع الأقطاب على ركائز مرنة مثل ورق الوشم والنسيج.
- توصيف الأقطاب لتقييم الأداء.
- استخدام نظام إلكتروني محمول لتسجيل الإشارة.
- تطبيق تكوينات مختلفة للإشارات الفسيولوجية المختلفة.
النتائج الرئيسية
- أظهرت الأقطاب المصنوعة حساسية عالية وراحة.
- تسجيل ناجح لمختلف الإشارات الكهربائية الفسيولوجية من جسم الإنسان.
- فعالية مثبتة للتكوينات المقترحة في إعدادات المختبر.
- تفوقت البوليمرات الموصلة على المعايير الحالية في الإحساس الجلدي.
الاستنتاجات
- تسلط الدراسة الضوء على إمكانات أقطاب الوشم والنسيج في التكنولوجيا القابلة للارتداء.
- يمكن لهذه المستشعرات تحسين رصد إشارات جسم الإنسان بشكل كبير.
- قد تركز الأعمال المستقبلية على تحسين أداء وتطبيقات هذه الواجهات.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Conformable wearable electrodes address the critical need for high-fidelity, long-duration electrophysiological monitoring in decentralized clinical trials and remote patient monitoring. By enabling reliable signal acquisition from skin-interfaced sensors, this method supports early-phase target validation and mechanistic de-risking in neuroscience and cardiovascular discovery programs. The scalable fabrication approach using PEDOT:PSS on off-the-shelf substrates facilitates integration into discovery workflows requiring reproducible, quantitative biosignal readouts.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through quantitative measurement of neurogenic, cardiac, and muscular activity in human models.
- Operational Value: Supports biological de-risking by providing reproducible electrophysiological readouts that clarify target engagement and pathway modulation.
- Predictive Value: Generates translational biomarker data (e.g., EEG alpha rhythms, ECG R-wave intervals) to inform portfolio triage and lead selection.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Produces standardized, low-impedance cutaneous interfaces suitable for high-throughput electrophysiological screening in discovery settings.
- Quantitative Output: Delivers impedance spectroscopy and time-domain signal metrics that enable assay standardization and inter-lab comparability.
- Platform Scalability: Leverages inkjet printing on flexible substrates to support reproducible electrode fabrication across multiple model systems and screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Facilitates continuous monitoring of EEG, ECG, EMG, and EDA in preclinical models to align with clinical endpoints.
- Mechanistic De-risking: Provides objective, quantifiable electrophysiological endpoints to reduce uncertainty in target mechanism validation.
- Translational Continuity: Bridges discovery and preclinical stages by enabling consistent signal acquisition from ex vivo to in vivo systems.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target hypothesis testing through lead identification to preclinical validation, particularly for indications involving neuromodulation, cardiac safety, or stress-response biomarkers.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via quantitative biosignal acquisition that clarifies functional target activity in human-derived systems.
- Screening: Enables assay-ready electrode fabrication with reproducible impedance profiles for reliable compound effect detection.
- Analytics: Generates time-series and frequency-domain electrophysiological data (e.g., power spectra, peak amplitudes) for comparative condition analysis.
- Translational Research: Aligns with biomarker-driven advancement by capturing clinically relevant signals such as heart rate variability and skin conductance responses.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable fabrication and characterization platform adaptable across therapeutic areas and discovery sites.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence through high-fidelity, conformal electrophysiological recordings that reduce mechanistic ambiguity.
- Operational Value: Delivers standardized, scalable sensor fabrication with quantifiable impedance and signal-to-noise performance.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing objective, quantitative biosignal data early in the discovery pipeline.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization via translatable electrophysiological endpoints linked to clinical outcomes.
Implementation Considerations
- Requires expertise in organic electronics, skin-electrode interface design, and biosignal acquisition.
- Needs access to inkjet printing equipment, impedance spectroscopy systems, and biopotential amplifiers.
- Demands standardization of skin preparation, electrode placement, and signal conditioning protocols across teams.
- Involves adaptation considerations for varying skin properties, substrate flexibility, and long-term wearability.
- Limited by signal attenuation in high-motion environments and the need for validation against clinical gold standards.
