方法論記事

コンフォーマブルウェアラブル電極:製造から電気生理学的評価まで

DOI：

10.3791/63204

⸱

2022年7月22日

 ,  , 
1Centre CMP, Département BEL, Mines Saint-Etienne, 2INRIA, Université Côte d'Azur

この記事について

サマリー

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

タトゥーとテキスタイルという最近の2つの技術は、皮膚センシングにおいて有望な結果を示しています。ここでは、皮膚電気生理学的センシングのためのタトゥーおよび繊維電極の作製および評価方法を提示する。導電性ポリマーで作られたこれらの電子インターフェースは、快適性と感度の点で既存の規格を凌駕します。

要約

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ウェアラブル電子機器は、身体活動の追跡中に主に変化する身体信号を監視する上で重要なプレーヤーになりつつあります。モノのインターネット時代の台頭によって遠隔医療とパーソナライズされたケアへの関心が高まっていることを考慮すると、ウェアラブルセンサーは医療への応用分野を拡大しました。臨床的に関連するデータの収集を確実にするために、これらのデバイスは、高信号品質の記録と長期的な動作を提供するために、人体との適合可能なインターフェースを確立する必要があります。この目的のために、本稿では、ウェアラブル有機電子デバイスとして幅広い表面電気生理学的記録における応用のために、順応性のある薄い入れ墨およびソフトテキスタイルベースのセンサを容易に製造する方法を提示する。

これらのセンサは、バイオエレクトロニクスで最も人気のある導電性高分子であるポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)-ポリ(スチレンスルホネート)(PEDOT:PSS)を既製のウェアラブル基板上で使用して、費用対効果が高くスケーラブルな皮膚電極パターニングプロセスを通じて開発されています。このホワイトペーパーでは、インピーダンス分光法による電極特性評価における重要なステップを示し、皮膚と結合させたときのシグナル伝達における性能を調査します。臨床のゴールドスタンダードに関して新しいセンサーの性能を位置づけるためには、比較研究が必要です。製造されたセンサーの性能を検証するために、このプロトコルは、実験室環境でユーザーフレンドリーでポータブルな電子セットアップを通じて、さまざまな構成からさまざまな生体信号記録を実行する方法を示しています。この方法の論文は、人体の健康モニタリングのためのウェアラブルセンサーの現在の最先端を前進させるための複数の実験的イニシアチブを可能にするでしょう。

概要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

非侵襲的な生体電位記録は、皮膚接触電極を介して行われ、フィットネスおよびヘルスケアにおける人体の生理学的状態に関する膨大な量のデータを提供する1。新しいタイプのウェアラブルバイオモニタリングデバイスは、エレクトロニクスにおける最新の技術進歩から、統合された制御および通信コンポーネントのポータブル寸法へのダウンスケーリングまで開発されました。スマート監視装置は日々市場に普及しており、複数の監視機能を提供し、医療診断を可能にするのに十分な生理学的コンテンツを提供することを最終目標としています2。したがって、人体との安全で信頼性が高く、堅牢なインターフェースは、医療のための合法的なウェアラブル技術の開発において重大な課題を提示します。タトゥーとテキスタイル電極は、ウェアラブルバイオセンシングのための革新的で快適なデバイスとして認識される信頼性が高く安定したインターフェースとして最近登場しました3,4,5。

タトゥーセンサーは乾燥した薄いインターフェースで、厚さが低い(約1μm)ため、接着剤フリーで順応性のある皮膚接触を保証します。これらは、層状構造からなる市販のタトゥーペーパーキットに基づいており、これは、皮膚6上の超薄型ポリマー層の放出を可能にする。層状構造により、センサーの製造プロセスおよび皮膚への転写中に薄いポリマー層を簡単に処理できます。最終的な電極は完全に順応性があり、着用者にはほとんど知覚できません。繊維センサは、電気活性材料7による布帛機能化から得られる電子機器である。それらは主に、柔らかさ、通気性、および衣服との明らかな親和性のためにユーザーの快適さを確保するために、衣服に統合または単に縫い付けられている。ほぼ10年間、テキスタイルおよびタトゥー電極は、表面電気生理学的記録3、8、9で評価され、ウェアラビリティおよび信号品質記録の両方で良好な結果を示し、短期および長期評価において高い信号対雑音比(SNR)を報告してきた。彼らはまた、ウェアラブルな生化学的汗分析のための潜在的なプラットフォームとして考えられている1,10。

入れ墨、テキスタイル、および一般に、柔軟な薄膜技術(例えば、パリレンまたは異なるエラストマーなどのプラスチック箔で作られたもの)への関心の高まりは、主に低コストでスケーラブルな製造方法との互換性によって促進される。スクリーン印刷、インクジェット印刷、直接パターニング、ディップコーティング、およびスタンプ転写は、このような種類の電子インターフェース11を製造するために首尾よく採用されている。これらの中で、インクジェット印刷は、最も先進的なデジタルおよび高速プロトタイピング技術です。これは主に、周囲条件下で、および多種多様な基材12上に非接触で付加的な様式で導電性インクのパターニングに適用される。貴金属インクパターニング13を介して複数のウェアラブルセンサが作製されているが、金属膜は脆く、機械的に応力を受けると割れを受ける。異なる研究グループは、金属に皮膚との機械的適合性の特性を与えるために異なる戦略を採用している。これらの戦略には、膜厚を薄くすること、および蛇行したデザインまたはしわのあるおよび予め延伸された基材を使用することが含まれる14、15、16。導電性ポリマーなどの柔らかく本質的に柔軟な導電性材料は、柔軟なバイオエレクトロニクスデバイスにおけるそれらの用途を見出した。それらのポリマーの柔軟性は、電気およびイオン伝導性と組み合わされる。PEDOT:PSSは、バイオエレクトロニクスで最も使用されている導電性ポリマーです。柔らかさ、生体適合性、持続可能性、および印刷加工性17によって特徴付けられ、生物医学的デバイスの広範な生産と互換性があります。

取得システムに接続された平面電極などのデバイスは、健康モニタリングにおける生体電位の記録を可能にします。人体の生体電位は、電気発生細胞によって生成された電気信号であり、体内を通って皮膚表面まで伝播する。電極が配置される場所に応じて、脳の電気的活動(EEG)、筋肉(EMG)、心臓(ECG)、および皮膚伝導率(例えば、生体インピーダンスまたは電気皮膚活動、EDA)に関連するデータを取得することができる。次に、データの品質を評価して、臨床アプリケーションにおける電極の使いやすさを評価します。高いSNRは、その性能18を定義し、これは典型的には、最先端のAg/AgCl電極記録と比較される。Ag/AgCl電極も高いSNRを備えていますが、長期的な動作性と順応性に欠けています。高品質の生体信号記録は、特定の臓器の機能に関連する人間の健康状態に関する洞察を提供します。したがって、快適な入れ墨またはテキスタイルインターフェースのこれらの利点は、現実のモバイルヘルスモニタリングを可能にし、遠隔医療の開発への道を開くことができる長期アプリケーションへの有望性を示しています19。

この論文では、健康バイオモニタリングにおけるタトゥーとテキスタイル電極の製造と評価の方法を報告します。その製造後、新規な電極を特徴付けなければならない。典型的には、電気化学インピーダンス分光法(EIS)は、伝達関数の観点から標的界面(例えば皮膚)に対する電極の電気的性能を研究するために採用される。EISは、複数の電極のインピーダンス特性を比較し、異なる条件(電極設計の変更や長期的な応答の研究など)でテストを実行するために使用されます。この論文は、簡単なセットアップによる表面生体信号の記録を示し、皮膚生体電位記録のために検証する必要がある新規作製電極に適用可能なさまざまな種類の生体信号を記録するためのユーザーフレンドリーな方法を報告する。

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プロトコル

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注:ヒトを対象とする実験は、個人の健康状態に関する識別可能な個人情報の収集を伴わず、ここでは技術的なデモンストレーションのためにのみ使用されます。データは、3つの異なる被験者について平均化した。電気生理学的記録は、以前に公開されたデータ6、21から抽出した。

1. インクジェット印刷PEDOT:PSS電極作製

注:以下のプロトコルは、市販のフレキシブル基板 - タトゥーペーパー6 およびテキスタイル21上に電気生理学のための電極を製造するために使用されている。同じアプローチは、薄いプラスチック箔22などのフレキシブル基板上に電極を作るために主に採用されている。いずれの場合も、PEDOT:PSSのパターニングにはインクジェットプリンタが用いられた( 材料表参照)。

  1. 電極基板前処理
    1. 目的の基板の断片を切り取る。
      1. 入れ墨基材を使用する場合は、印刷前に水洗いして、紙23から最上部の水溶性層を除去する。
        注:タトゥーペーパーキットには、タトゥーの密着性を高めるために、パッシベーション層として、この作業で使用される接着剤シートも用意されています。タトゥー紙は、支持紙シート、水溶性ポリビニルアルコール(PVA)層、離型性ポリウレタンフィルム、および最上部のPVA層を含む層状構造(補足図S1)を有する。この糊シートは、支持体としてのシリコーン紙、水性アクリル糊、及びトップ剥離ライナーからなる層状構造を有する。
    2. ウェアラブルセンサーを製作するには、目的の基板の切断を開始します。基板をプリンタプレートの上に置き、境界線をテープで留めて平らに保ちます。
  2. ペドットの印刷:PSSインク
    1. 底部に長方形のパッド(3 mm x 7 mm)を備えた円(直径12 mm)など、相互接続に使用するデザインを準備します。
    2. プリンタカートリッジ(10 pl)にPEDOT:PSS商用インクをろ過した後、充填します。これは導電性高分子の水分散液である。
    3. デザインを基板に印刷します。
      1. それぞれ中程度から高い表面エネルギーと吸収特性を持つタトゥー紙とテキスタイルを使用する場合は、〜20μmのドロップ間隔で印刷してください。
      2. 複数のPEDOT:PSS層を連続して印刷するか、層間に乾燥プロセス(110°Cで15分間)を適用して、均質で連続的な導電パターンを作成します。
        注:これは、織物の3D様構造が布地内に連続的な導電経路を作成するためにより多くのインク含有量を必要とする織物電極の場合に特に必要とされる。
    4. 電極をオーブン中で110°Cで15分間乾燥させ、溶媒蒸発を完了させた。
      メモ:複数のデバイスを1回に印刷してテキスタイル、PET、タトゥー用紙(図1A-C)に取得した電極(図1D)は、次の手順に進む前に、閉じた清潔で乾燥した環境で保存できるようになりました。
  3. 外部コネクタ製造
    1. タトゥー電極
      1. 長方形のポリエチレンナフタレート(PEN)基板(8 mm x 12 mm、厚さ1.3 mm)を切り取ります。
      2. 基板の上に 3 つの PEDOT:PSS レイヤーを配置した長方形のデザイン (3 mm x 12 mm) を印刷します。
      3. 印刷したサンプルを110°Cのオーブンで15分間乾燥させる。
      4. PEN相互接続をタトゥー電極に積層し、PEDOT:PSS長方形の部品を互いに対向させます。
      5. 入れ墨紙の接着剤シートに穴(直径11.3mm)を切ります。接着剤シートのこの穴を、入れ墨PEDOT:PSS電極の円形の検出部分に合わせます。ポリイミドテープ( 材料表を参照)をPEN相互接続の自由端に追加します。
    2. 繊維およびプラスチック箔電極
      1. 長方形の印刷された接続の周りに導電性テープ(例えば、銅テープ)を取り付けて、堅牢で安定した相互接続を得る。
      2. ポゴピンコネクタを銅テープに差し込み、ポゴピンを録音システムに接続します。
  4. タトゥー電極転写
    1. 接着剤ライナーを取り外します。入れ墨を皮膚の所望の部分に置く。
    2. 背面サポート紙を濡らし、入れ墨を所定の位置に保ちます。背もたれの支持紙が染み込んだら、転写可能な超薄膜でできた電極だけを皮膚に残して、スライドさせて外します。
    3. フラットPEN接点を外部集録ユニットに差し込みます。セクション 1.3 を参照してください。
  5. テキスタイル電極の位置決め
    1. 電極を皮膚の上に置きます。ファブリックスポーツブレスレットまたは医療用テープの助けを借りて、電極を皮膚に安定して接触させ、移動中に高品質の信号記録を確保します。
  6. 所望の表面電気生理学的記録を行う。録音後にタトゥー電極を濡れたスポンジでこすって洗い流します。

2. 電気化学インピーダンス分光法を用いた電極特性評価

  1. オンボディ測定
    1. ボランティアがテーブルに腕を置いて快適に座っていることを確認してください。
      メモ:皮膚のクリーニングやスクラブは必要ありません。
  2. 電極の配置
    1. 1つの電極を皮膚に置き、EISの作用電極検出電極(WE-S)に接続します。
    2. 最初の電極から3cm離れた別の電極を置き、EISの対極(CE)に接続します。
    3. 3番目の電極を肘の上に置き、EISの参照電極(RE)に接続します。3つの電極のセットアップについては、 図2A を参照してください。
      注:EISのCEおよびREに接続される電極は、本研究のWEの場合と同様に、Ag/AgCl電極またはPEDOT:PSSでできている。
  3. EISポテンショスタットで記録を開始します。対極と作用極の間に電流を流します。リファレンスと検出のカップル全体の電位変動を測定します。
    メモ:アクイジションシステムとのタトゥーおよびテキスタイル電極接続は、クリップで作成して、ポテンショスタットケーブルとの安定した電気接続を形成できます。各周波数で計算される出力インピーダンスは、皮膚インピーダンスと皮膚電極接触インピーダンスの2つの寄与分で構成されます。

3. 表面電気生理学的記録

注:以下のセクションでは、対象となる各生体信号の電極配置について説明します。電極が正しく配置され、皮膚にしっかりと取り付けられたら、ポータブルアクイジションシステムに接続して録音を開始できます。本稿の映像内容は、市販のAg/AgCl電極と携帯型電子ユニットを用いた電気生理学的モニタリングの一例である。

  1. ECGの場合は、電極を2~3個(1個はアースとして使用)のウェアラブル構成とします。電極を複数の身体領域(胸部、手首、肋骨など)に置き、電極間距離を6cm以上で配置して、かなりの信号を得ます。
    注:古典的な位置は、左右の鎖骨に2つの電極を配置することを伴う。この場合、接地電極は左腸骨頂部に配置することができる。
  2. 筋電気活動記録(EMG)のために、電極を目的の筋肉に沿って(例えば、上腕二頭筋またはふくらはぎの上)配置する。接地電極を隣接する骨などの静的な場所に置きます。
  3. 脳の電気活動記録(EEG)のために、電極を頭部の複数の場所に置きます。
    注:快適な場所は、額と外耳の周りです。参照電極は、典型的には乳様骨の耳の後ろに必要であり得る。
  4. 電気皮膚活動測定(EDA)の場合は、左手のひらに2つの電極を置きます。被験者が休息中または身体運動をしているときに記録を行う。
    注:皮膚インピーダンスは、全身表面(例えば、肋骨、背中、足の裏)にわたって測定することができる。6cmの十分な電極間距離は、良好な監視を保証する。

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結果

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本稿では、インクジェット印刷による快適な皮膚接触電極の作製と、それらを特徴付け、電気生理学的記録を行う方法を示す。参考までに、PEDOT:PSSインクジェット印刷の作製ステップを、布地(図1A)、PEN(図1B)、タトゥー用紙(図1C、D)など、さまざまな基材に直接印刷しました。プロトコルステップ1.2.1で提案された設計。ステップ 1.3.1.5.1cm2の円形センシング領域を定義して、電極を主に診療所で採用されている最先端のAg/AgClと比較します。

電極の性能を特徴付けるために、それらのインピーダンスは3電極EISセットアップによって測定されました(図2A,B)。この方法により、電極を腕に当てて体内測定を行う際の皮膚電極インピーダンスの研究が可能にな...

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ディスカッション

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

この論文では、ウェアラブル電極を製造するための簡単でスケーラブルなプロセスについて説明し、電気生理学的生体信号を記録する方法を実証する。ウェアラブル基板のタトゥー、テキスタイル、薄膜の3つの例を使用しています。これらの基板上にセンサを構築し、その性能をアプリケーションに先立って特徴付ける方法を紹介します。ここでの電極を作るために、我々は、その費用対効果、汎用性の高い加工性、生体適合性、柔らかさ、およびグリーンプロセッシング29との適合性のための持続可能性のために、金属ベースの導体から際立っている導電性高分子であるPEDOT:PSSを採用した。既製の基板上のPEDOT:PSSパターニングは、インクジェット印刷技術によって実現され、設計の自由度でインク堆積を正確に制御できます(図1)。

インクジェット印刷は、従来のフォトリソグラフィー微細加工プロセスと化学的および物理的に互換性のない柔軟で型破りな基板の選択的官能化を可能にする非接触技術です。電極作製にしばしば使用される別の技術で...

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開示事項

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

著者らは、開示する利益相反はありません。

謝辞

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

この研究は、ANR JCJC OrgTexプロジェクト(ANR-17-CE19-0010)を通じてフランス国立研究庁の支援を受けた。また、欧州連合(EU)のHorizon 2020研究・イノベーションプログラムから、マリー・スクロドフスカ・キュリー助成金協定第813863号に基づく資金提供を受けています。E.I.は、プロヴァンスのマイクロエレクトロニクスセンターのCMPクリーンルームスタッフに、プロジェクトの開発中の技術サポートに感謝します。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
Biosignalplux - 電気生理学的記録のためのPlux無線デバイスPLUX無線Biosignals S.AEEG、ECG、EMG、EDAセンサー
Covidien Kendal 使い捨て電極、医療グレードの使い捨て電極(Pregelled、24 mm)Covidien / Kendal(旧Tyco) ARBO電極H124SG電気生理学用商用Ag/AgCl電極
Dimatixインクジェットプリンター富士フイルムDMP 2800インクジェットプリンター
レーザーカッターユニバーサルレーザーシステムズVLS 3.50, 50 Wレーザーカッター タトゥー電極製造用接着剤シートをカット
NOVAメトローム オートラボNOVA 2.1オートラボ機器を制御する電気化学ソフトウェア
OpenSignals2020 PLUX ワイヤレスバイオシグナル、S.A.PLUXデバイスとの直接対話が可能な、リアルタイムの生体信号視覚化のためのソフトウェアスイート
PEDOT:PSSインクジェット印刷可能インクHeraeus Deutschland GmbH & Co. KGCLEVIOS Pjet 700
ポリエチレンナフタレン(PEN)箔 グッドフェローの厚さ 1.3 μmタトゥー電極の相互接続製造に使用
ポリイミドテープ3Mカプトンテープ 3 M、厚さ50 μmタトゥー電極、相互接続製造
、ポテンショスタット、メトローム、オートラボオートラボ、ポテンショスタット、B.V.EIS測定に使用
シルエット一時的な入れ墨のペーパーキットシルエットアメリック株式会社、入れ墨ベースの電極のための米国の
Wowen繊維綿100%と市販のパンストベースの電極のための基板
、に使用基板繊維

参考文献

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