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
July 22nd, 2022
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。
ウェアラブル電子機器は、今日の人体信号監視のキープレーヤーです。皮膚センサの高い信号分解能と長期動作を提供するために、適合可能な皮膚インターフェースを開発する必要があります。ここでは、触覚および軟質繊維電極をウェアラブル有機電子センサーとして簡単に製造、特性評価、および使用する方法を紹介します。
作製したセンサーの性能を検証するために、ポータブル電子システムを適用して人体からのさまざまな電気生理学的信号を記録します。研究室で簡単に様々な生理学的信号を記録できる複数の構成を提案します。以下のプロトコルは、タトゥー紙やテキスタイルなどの商業的に柔軟な基板上に電極を製造するために使用されてきた。
市販のタトゥーペーパーキットには、接着剤シートも付属しています。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層、離型性ポリウレタンフィルム、最上段PVA層を含む層状構造を有する。ウェアラブルセンサーを製造するには、目的のサブセットを切断することから始めます。
サブセットをプリンタプレートに置き、境界線をテープで留めて平らに保ちます。次に、プリンタカートリッジを濾過した後、PWSの市販インクをプリンタカートリッジに充填する。これは導電性高分子の正確な分散である。
次に、デザインを基板に印刷します。表面エネルギーが高いタトゥー用紙とテキスタイルの場合、印刷パラメータで設定すると、約15または20マイクロメートルの間隔が割り当てられます。その後、110°Cのオーブン中で電極を乾燥させ、15分間、溶媒蒸発を完了した。
最終的な印刷されたセンサーは、タトゥー用紙、布地、PET、伸縮性のあるテキスタイルでこのようになります。位置システムへの外部コネクタを製造するには、PENなどの長方形の超薄型基板を切断する。その上に3つのPWSレイヤーを持つ長方形のデザインを印刷します。
2つの電極上に超薄型配線を積層する。入れ墨紙の接着剤シートに穴を開けます。これをすべてタトゥーPWS電極の信号検出部分に合わせます。
PEN相互接続の自由端にポリマーテープを追加します。入れ墨電極を転写するには、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。
バックサポートペーパーを湿らせて、入れ墨を所定の位置に保ちます。バックサポートペーパーが濡れたら、スライドさせて取り外し、転写可能なウルトラフィルムの電極端だけを皮膚に残します。次に、フラットPEN接点を外部集録ユニットに差し込みます。
電気化学的インピーダンス分光法を用いて作製された電極を特徴付けるために、身体測定を行う。まず、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。次に、皮膚に1つの電極を置き、ポテンシャルスタートの作業検出カップルに接続します。
次に、最初の電極から3センチ離れた別の電極を配置し、それを対極に接続します。最後に、3番目の電極を肘の上に置き、参照電極ケーブルに接続します。次に、潜在的な開始で測定を開始します。
カウンタ電極と作用電極の間に電流を印加し、リファレンスと検出カップの両端の電位変動を測定します。各周波数で計算される出力インピーダンスは、2つの寄与で構成されることに注意してください。皮膚インピーダンスとしては、皮膚電極接触インピーダンスが挙げられる。
次のセクションでは、対象となる各生体信号のラダー配置について説明します。市販のC左電極およびC右電極を用いた電気視覚物品モニタリングの一例。ECGの場合、3つの電極(1つはグランドとして使用される)を備えた構成を適応させます。
脳の電気的活動のために, EEG, 額と外耳の周りに電極を置きます.電気皮膚活性測定のために、EDAは、左手の上部に2つの電極を配置する。その後、被験者が休息中または身体運動をしている間に録音を行います。
電極の性能を特徴付けるために、我々は繊維電極の代表的なインピーダンスを報告した。テキスタイル電極は、CI焼結右標準電極よりもわずかに高いが同等のインピーダンスを示す。インピーダンスモデルの形状は、繊維電極の場合にわずかに高い抵抗挙動を示す。
一方、標準CI焼結右側は、典型的な抵抗容量挙動を示す。皮膚に電極をさまざまな身体領域に配置することで、複数の生体信号にアクセスできます。EEGトレースは、活動ニューロンの集団の電気的活動記録を置き換えた。
脳波の基本的なグループの1つは、8〜13ヘルツのアルファです。アルファ波は、リラクゼーション中の脳の状態を反映し、被験者に目を閉じるように頼むことによって誘発することができる。灰色の縦の破線は、ボランティアが目を開けるように求められた録音の瞬間を示しています。
ECGトレースは、心臓の心房および心室の偏光および分極を示し、P波、IQRS複合体、およびT波からなる特徴的なパターンで表される。Rピークは最も高い振幅を示し、2つの連続するピーク間の時間を考慮して心拍数を計算するために使用されます。私たちはEMGトレースを記録し、ボランティアは徐々にR筋肉の力を増やしました。
強化された筋肉活動は、電圧ピークの増加振幅によって定量化される。EMGトレースでは、10~1000ヘルツの周波数範囲で数マイクロボルトから数ミニボルトまでの振幅を持つスパイクは、モーターユニット活動電位によって駆動されるハイパーアクティビティの筋肉を反映します。EDAトレースは、通常、強壮剤とファジー成分で構成されています。
強壮成分は皮膚コンダクタンスレベルを反映し、バックグラウンド信号に対応します。ファジィ成分は、特定の刺激に対する被験者の応答を反映し、皮膚コンダクタンス値の変化によって検出可能である。このトレースは、人間のストレスレベルと身体の水分補給を評価するために使用されます。
私たちのプロトコルでは、多くの場合、ソフトセルストレートに導電性インクのパターニングに柔らかく快適な皮膚センサーを取得します。また、印刷は、従来のマイクロ電子製造プロセスから際立っているローカルでスケーラブルな技術です。提案された方法は,弱い神経活動から高出力の筋肉収縮まで変化する電気信号を獲得する方法を記述している.
この信号は、ユーザーの身体の生理学的状態に入ることを可能にします。その役割として、フィットネスからヘルスケアモニタリングへとスピンしたさまざまな医療アプリケーションのためのシームレスな言語デバイスの実現可能性に関する最初のステップを紹介します。
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概要
この記事では、皮膚の電気生理学的センシングのためのタトゥーおよびテキスタイル電極の製造と評価について説明します。これらのウェアラブルな有機電子センサーは、人体信号のモニタリングに高い信号分解能と快適さを提供するように設計されています。
主要な研究構成要素
科学分野
- 神経科学
- バイオメディカルエンジニアリング
- ウェアラブルテクノロジー
背景
- ウェアラブル電子デバイスは生理信号のモニタリングに不可欠です。
- 適合性のある皮膚インターフェースは皮膚センサーの性能を向上させます。
- 既存の技術は快適性と感度において改善が必要です。
- 導電性ポリマーがこれらのセンサーの製造に使用されています。
研究の目的
- 触覚および柔らかいテキスタイル電極を製造する手法を提示すること。
- これらの電極の電気生理学的信号の記録性能を評価すること。
- 単純なラボベースの生理信号記録の構成を提案すること。
使用された方法
- タトゥーペーパーやテキスタイルなどの柔軟な基板に電極を製造すること。
- 性能評価のための電極の特徴付け。
- 信号記録のためのポータブル電子システムの使用。
- 異なる生理信号のための様々な構成の適用。
主な結果
- 製造された電極は高い感度と快適さを示しました。
- 人体からの様々な電気生理学的信号の成功した記録。
- 提案された構成のラボ設定における有効性の証明。
- 導電性ポリマーは皮膚センシングにおいて既存の基準を上回る性能を示しました。
結論
- この研究は、ウェアラブルテクノロジーにおけるタトゥーおよびテキスタイル電極の可能性を強調しています。
- これらのセンサーは人体信号のモニタリングを大幅に改善できます。
- 将来の研究は、これらのインターフェースの性能と応用のさらなる向上に焦点を当てる可能性があります。
よくある質問
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.
