Elettrodi indossabili conformabili: dalla fabbricazione alla valutazione elettrofisiologica

I dispositivi elettronici indossabili sono oggi attori chiave nel monitoraggio del segnale del corpo umano. È necessario sviluppare interfacce cutanee conformabili per fornire un'elevata risoluzione del segnale e un funzionamento a lungo termine dei sensori cutanei. Qui presenteremo come fabbricare, caratterizzare e utilizzare facilmente elettrodi tessili tattili e morbidi come sensori elettronici organici indossabili.

Per convalidare le prestazioni dei nostri sensori fabbricati, applichiamo un sistema elettronico portatile per registrare vari segnali elettrofisiologici dal corpo umano. Proponiamo configurazioni multiple per registrare vari segnali fisiologici semplicemente in laboratorio. Il seguente protocollo è stato utilizzato per fabbricare elettrodi su substrati commercialmente flessibili, come carta per tatuaggi e tessuti.

Il kit di carta per tatuaggi commerciali è fornito anche con il foglio di colla. La carta per tatuaggi ha una struttura stratificata che include un foglio di carta di supporto, uno strato di alcool polivinilico solubile in acqua, un film di poliuretano rilasciabile e uno strato PVA più in alto. Per fabbricare sensori indossabili, inizia con il taglio del sottoinsieme di interesse.

Posizionare il sottoinsieme sulla piastra della stampante, nastrandone il bordo per mantenerlo piatto. Quindi, riempire la cartuccia della stampante con l'inchiostro commerciale PWS dopo averla filtrata. Questa è una dispersione accurata del polimero conduttivo.

Quindi stampare il disegno sul substrato. Per la carta e il tessuto del tatuaggio, che hanno più energia superficiale elevata, impostare nei parametri di stampa la spaziatura dell'indirizzo intorno a 15 o 20 micrometri. Dopo, asciugare l'elettrodo nel forno a 110 gradi Celsius per 15 minuti per completare l'evaporazione del solvente.

Il sensore stampato finale dovrebbe essere simile a questo su carta per tatuaggi, tessuto, PET e tessuto estensibile. Per fabbricare un connettore esterno al sistema di posizione, tagliare un pezzo rettangolare di substrato ultra sottile, come PEN. Stampa sopra di esso un design rettangolare con tre strati PWS.

Laminare l'interconnessione ultra sottile sui due elettrodi. Taglia un buco nel foglio di colla di carta per tatuaggi. Allinea tutto questo con la parte di rilevamento del segnale dell'elettrodo PWS del tatuaggio.

Aggiungere un pezzo di nastro polimerico all'estremità libera dell'interconnessione PEN. Per trasferire l'elettrodo del tatuaggio, rimuovere il rivestimento della colla. Posiziona il tatuaggio sulla porzione desiderata della pelle.

Inumidire a destra la carta di supporto posteriore, mantenendo il tatuaggio in posizione. Una volta che la carta di supporto posteriore è imbevuta, farla scorrere per rimuoverla, lasciando solo l'estremità dell'elettrodo della pellicola ultra trasferibile sulla pelle. Quindi, collegare il contatto PEN piatto all'unità di acquisizione esterna.

Per caratterizzare l'elettrodo fabbricato utilizzando la spettroscopia di impedenza elettrochimica, eseguire la misurazione del corpo. In primo luogo, assicurarsi che il volontario sia comodamente seduto con un braccio posto sul tavolo a riposo. Quindi posizionare un elettrodo sulla pelle e collegarlo alla coppia di rilevamento funzionante del potenziale inizio.

Quindi posizionare un altro elettrodo a tre centimetri di distanza dal primo e collegarlo al controelettrodo. Infine, posizionare il terzo elettrodo sul gomito e collegarlo al cavo dell'elettrodo di riferimento. Quindi avviare la misurazione con l'avvio potenziale.

Applicare una corrente tra il contatore e gli elettrodi di lavoro e misurare la variazione potenziale tra il riferimento e la coppia di rilevamento. Si noti che l'impedenza di uscita calcolata a ciascuna frequenza è costituita da due contributi. L'impedenza cutanea e l'impedenza di contatto pelle-elettrodo.

La sezione seguente descrive il posizionamento in scala per ogni segnale bio di interesse. Un esempio di monitoraggio elettrovisivo di articoli utilizzando elettrodi C-sinistra e C-destra disponibili in commercio. Per l'ECG, adattare una configurazione con tre elettrodi, uno usato come terra.

Per l'attività elettrica del cervello, EEG, posizionare gli elettrodi sulla fronte e intorno alle orecchie esterne. Per la misurazione dell'attività elettrodermica, EDA, posizionare due elettrodi sulla parte superiore della mano sinistra. Quindi eseguire la registrazione mentre il soggetto è a riposo o fa esercizio fisico.

Per caratterizzare le prestazioni dell'elettrodo, abbiamo riportato l'impedenza rappresentativa degli elettrodi tessili. Gli elettrodi tessili presentano un'impedenza leggermente superiore ma comparabile rispetto agli elettrodi standard a destra sinterizzati CI. La forma dei modelli di impedenza indica un comportamento resistivo leggermente superiore nel caso di elettrodi tessili.

Considerando che, il CI standard sinterizzato a destra mostra il tipico comportamento della capacità resistiva. Posizionando elettrodi sulla pelle in diverse aree del corpo, abbiamo accesso a più segnali bio. Il tracciamento EEG ha spostato la registrazione dell'attività elettrica della popolazione di neuroni attivi.

Uno dei gruppi di base delle onde cerebrali è l'Alfa tra 8 e 13 hertz. Le onde alfa riflettono lo stato del cervello sotto rilassamento e possono essere indotte chiedendo al soggetto di chiudere gli occhi. La linea grigia del trattino verticale segna il momento della registrazione in cui al volontario è stato chiesto di aprire gli occhi.

Il tracciato ECG mostra la polarizzazione e la polarizzazione dell'atrio e dei ventricoli del cuore, rappresentata dal modello caratteristico costituito dall'onda P, dal complesso IQRS e da un'onda T. I picchi R mostrano l'ampiezza più alta e vengono utilizzati per calcolare la frequenza cardiaca considerando il tempo tra due consecutivi. Abbiamo registrato il tracciamento EMG mentre il volontario ha progressivamente aumentato la forza dei muscoli R.

L'attività muscolare intensificata è quantificata dall'ampiezza di aumento dei picchi di tensione. In un tracciato EMG, picchi con ampiezza da pochi microvolt a pochi mini volt nella gamma di frequenza da 10 a mila hertz riflettono il muscolo dell'iperattività, guidato dai potenziali d'azione dell'unità motoria. Il tracciamento EDA è tipicamente composto da un tonico e da componenti sfocati.

La componente tonica riflette il livello di conduttanza cutanea e corrisponde al segnale di fondo. La componente fuzzy riflette la risposta del soggetto a uno stimolo specifico ed è rilevabile dal cambiamento del valore di conduttanza cutanea. Questo tracciamento viene utilizzato per valutare il livello di stress umano e l'idratazione del corpo.

Con il nostro protocollo, otteniamo un sensore di pelle morbido e confortevole per il pattern di un inchiostro conduttivo su cellule spesso morbide dritte. E la stampa è una tecnica locale e scalabile che si distingue dai tradizionali processi di fabbricazione microelettronica. Il metodo proposto descrive come acquisire segnali elettro che variano da debole attività neuro a contrazione muscolare ad alta potenza.

Il segnale consente di entrare nello stato fisiologico del corpo dell'utente. Di un ruolo, presentiamo il primo passo sulla fattibilità di dispositivi verbali senza soluzione di continuità per una varietà della mia applicazione medica, che è passata dal fitness al monitoraggio sanitario.