Anpassungsfähige tragbare Elektroden: Von der Herstellung bis zur elektrophysiologischen Bewertung

Tragbare elektronische Geräte sind heute die Hauptakteure in der Überwachung des menschlichen Körpersignals. Es müssen konforme Skin-Schnittstellen entwickelt werden, um eine hohe Signalauflösung und einen langfristigen Betrieb von Hautsensoren zu ermöglichen. Hier stellen wir vor, wie Sie taktile und weiche Textilelektroden als tragbare organische elektronische Sensoren einfach herstellen, charakterisieren und verwenden können.

Um die Leistung unserer hergestellten Sensoren zu validieren, wenden wir ein tragbares elektronisches System an, um verschiedene elektrophysiologische Signale aus dem menschlichen Körper aufzuzeichnen. Wir schlagen mehrere Konfigurationen vor, um verschiedene physiologische Signale einfach im Labor aufzuzeichnen. Das folgende Protokoll wurde verwendet, um Elektroden auf kommerziell flexiblen Substraten wie Tätowierpapier und Textil herzustellen.

Das kommerzielle Tattoo-Papier-Kit wird ebenfalls mit dem Klebeblatt geliefert. Tattoo-Papier hat eine Schichtstruktur, einschließlich einer tragenden Papierfolie, einer wasserlöslichen Polyvinylalkoholschicht, einer lösbaren Polyurethanfolie und einer obersten PVA-Schicht. Um tragbare Sensoren herzustellen, beginnen Sie mit dem Schneiden der Teilmenge des Interesses.

Legen Sie die Teilmenge auf die Druckerplatte, und kleben Sie ihren Rand ab, um sie flach zu halten. Füllen Sie dann die Druckerpatrone mit der kommerziellen PWS-Tinte, nachdem Sie sie gefiltert haben. Dies ist eine genaue Dispersion des leitfähigen Polymers.

Drucken Sie dann Ihr Design auf das Substrat. Für Tätowierpapier und Textilien, die mehr die hohe Oberflächenenergie haben, werden in den Druckparametern Adressabstände um 15 oder 20 Mikrometer eingestellt. Danach trocknen Sie die Elektrode im Ofen bei 110 Grad für 15 Minuten, um die Lösungsmittelverdampfung abzuschließen.

Der endgültige gedruckte Sensor sollte auf Tätowierpapier, Stoff, PET und dehnbarem Textil so aussehen. Um einen externen Stecker für das Positionssystem herzustellen, schneiden Sie ein rechteckiges Stück ultradünnes Substrat, z. B. PEN. Drucken Sie darauf ein rechteckiges Design mit drei PWS-Schichten.

Laminieren Sie die ultradünne Verbindung auf die beiden Elektroden. Schneiden Sie ein Loch in Tätowierpapierklebefolie. Richten Sie dies alles mit dem Signalsensorteil der Tattoo-PWS-Elektrode aus.

Fügen Sie ein Stück Polymerband auf das freie Ende der PEN-Verbindung hinzu. Um die Tattoo-Elektrode zu übertragen, entfernen Sie die Klebefolie. Legen Sie das Tattoo auf den gewünschten Teil der Haut.

Befeuchten Sie rechts das hintere Stützpapier und halten Sie das Tattoo in Position. Sobald das hintere Stützpapier eingeweicht ist, schieben Sie es, um es zu entfernen, und lassen Sie nur das Elektrodenende des übertragbaren Ultrafilms auf der Haut zurück. Schließen Sie dann den flachen PEN-Kontakt an die externe Erfassungseinheit an.

Um die hergestellte Elektrode mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie zu charakterisieren, führen Sie eine Körpermessung durch. Stellen Sie zunächst sicher, dass der Freiwillige bequem sitzt und einen Arm auf den Tisch legt. Legen Sie dann eine Elektrode auf die Haut und verbinden Sie sie mit dem Arbeitssensorpaar des Potentialstarts.

Platzieren Sie dann eine weitere Elektrode drei Zentimeter von der ersten entfernt und verbinden Sie sie mit der Gegenelektrode. Legen Sie schließlich die dritte Elektrode auf den Ellenbogen und verbinden Sie sie mit dem Referenzelektrodenkabel. Starten Sie dann die Messung mit dem Potentialstart.

Legen Sie einen Strom zwischen dem Zähler und den Arbeitselektroden an und messen Sie die Potentialvariation über die Referenz und das Sensorpaar. Beachten Sie, dass die bei jeder Frequenz berechnete Ausgangsimpedanz aus zwei Beiträgen besteht. Die Hautimpedanz und die Haut-Elektroden-Kontaktimpedanz.

Der folgende Abschnitt beschreibt die Leiterplatzierung für jedes Biosignal von Interesse. Ein Beispiel für die elektrovisuelle Artikelüberwachung mit handelsüblichen C-Links- und C-Rechts-Elektroden. Passen Sie für das EKG eine Konfiguration mit drei Elektroden an, von denen eine als Masse verwendet wird.

Für die elektrische Aktivität des Gehirns, EEG, platzieren Sie die Elektroden auf der Stirn und um die äußeren Ohren. Für die elektrodermale Aktivitätsmessung, EDA, platzieren Sie zwei Elektroden auf der Oberseite der linken Hand. Führen Sie dann die Aufnahme durch, während das Subjekt in Ruhe ist oder körperliche Übungen macht.

Um die Leistungen der Elektrode zu charakterisieren, berichteten wir über die repräsentative Impedanz von Textilelektroden. Textilelektroden weisen eine etwas höhere, aber vergleichbare Impedanz auf als CI-gesinterte rechte Standardelektroden. Die Form der Impedanzmodelle deutet bei textilen Elektroden auf ein etwas höheres Widerstandsverhalten hin.

Während die Standard-CI-gesinterte Rechte ein typisches resistives Kapazitätsverhalten zeigen. Durch das Platzieren von Elektroden auf der Haut in verschiedenen Körperbereichen haben wir Zugang zu mehreren Biosignalen. Die EEG-Verfolgung verdrängte die elektrische Aktivitätsaufzeichnung der Population aktiver Neuronen.

Eine der Grundgruppen der Gehirnwellen ist das Alpha zwischen 8 und 13 Hertz. Die Alpha-Wellen spiegeln den Zustand des Gehirns unter Entspannung wider und können induziert werden, indem das Subjekt aufgefordert wird, die Augen zu schließen. Die graue vertikale Strichlinie markiert den Moment in der Aufnahme, in dem der Freiwillige gebeten wurde, seine Augen zu öffnen.

Die EKG-Verfolgung zeigt die Polarisation und die Polarisation des Vorhofs und der Ventrikel des Herzens, dargestellt durch das charakteristische Muster aus der P-Welle, dem IQRS-Komplex und einer T-Welle. Die R-Spitzen zeigen die höchste Amplitude und werden verwendet, um die Herzfrequenz zu berechnen, indem die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden betrachtet wird. Wir zeichneten die EMG-Verfolgung auf, während der Freiwillige die Kraft der R-Muskeln schrittweise erhöhte.

Die intensivierte Muskelaktivität wird durch die Erhöhung der Amplitude der Spannungsspitzen quantifiziert. Bei einem EMG-Tracing spiegeln Spitzen mit Amplitude von wenigen Mikrovolt bis zu wenigen Minivolt im Frequenzbereich von 10 bis Tausend Hertz den Muskel der Hyperaktivität wider, angetrieben von den Aktionspotentialen der motorischen Einheit. Die EDA-Rückverfolgung besteht typischerweise aus einem Tonikum und einer unscharfen Komponente.

Die Tonic-Komponente spiegelt den Hautleitwert wider und entspricht dem Hintergrundsignal. Die Fuzzy-Komponente spiegelt die Reaktion des Subjekts auf einen bestimmten Reiz wider und ist durch Änderung des Hautleitwerts nachweisbar. Diese Rückverfolgung wird verwendet, um das menschliche Stressniveau und die Körperhydratation zu bewerten.

Mit unserem Protokoll erhalten wir einen weichen und angenehmen Hautsensor zur Strukturierung einer leitfähigen Tinte auf oft weichen Zellen gerade. Und der Druck ist eine lokale und skalierbare Technik, die sich von traditionellen mikroelektronischen Fertigungsprozessen abhebt. Die vorgeschlagene Methode beschreibt, wie Elektrosignale erfasst werden können, die von schwacher Neuroaktivität bis hin zu Muskelkontraktion mit hoher Leistung variieren.

Das Signal ermöglicht es, in den physiologischen Zustand des Körpers des Benutzers einzudringen. In einer Rolle präsentieren wir den ersten Schritt zur Machbarkeit nahtloser verbaler Geräte für eine Vielzahl meiner medizinischen Anwendungen, die sich von der Fitness- bis zur Gesundheitsüberwachung entwickelt haben.