Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-07-22T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 3 s
Description: 学ぶコンフォーマブルウェアラブル電極の製造と電気生理学的評価法。タトゥー紙や繊維基板に導電性ポリマーを印刷し、ECG・EEG・EMG・EDAなどの生体信号を高感度かつ快適に記録する手法を解説。

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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。

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)。
<ol><li>電極基板前処理<ol>
<li>目的の基板の断片を切り取る。<ol>
<li>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。</li>
		</ol>
</li>
		<li>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。</li>
	</ol></li>
	<li>ペドットの印刷:PSSインク<ol>
<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>デザインを基板に印刷します。<ol>
<li>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。</li>
			<li>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。</li>
		</ol>
</li>
		<li>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。</li>
	</ol></li>
	<li>外部コネクタ製造<ol>
<li>タトゥー電極<ol>
<li>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。</li>
			<li>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。</li>
			<li>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。</li>
			<li>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。</li>
			<li>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。</li>
		</ol>
</li>
		<li>繊維およびプラスチック箔電極<ol>
<li>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。</li>
			<li>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。</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>タトゥー電極転写<ol>
<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol></li>
	<li>テキスタイル電極の位置決め<ol>
<li>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。</li>
	</ol></li>
	<li>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。</li>
</ol>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
<ol><li>オンボディ測定<ol>
<li>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。</li>
	</ol>
</li>
	<li>電極の配置<ol>
<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
	<li>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。</li>
</ol>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。
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>

<ol><li>Kim, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noninvasive+alcohol+monitoring+using+a+wearable+tattoo-based+iontophoretic-biosensing+system%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Sensors%22%5BJournal%5D)">Noninvasive alcohol monitoring using a wearable tattoo-based iontophoretic-biosensing system.</a> ACS Sensors. 1 (8), 1011-1019 (2016).</li>
<li>Ha, M., Lim, S., Ko, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wearable+and+flexible+sensors+for+user-interactive+health-monitoring+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Chemistry+B%22%5BJournal%5D)">Wearable and flexible sensors for user-interactive health-monitoring devices.</a> Journal of Materials Chemistry B. 6 (24), 4043-4064 (2018).</li>
<li>Kim, D. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epidermal+electronics%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Epidermal electronics.</a> Science. 333 (6044), 838-843 (2011).</li>
<li>Takamatsu, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+patterning+of+organic+conductors+on+knitted+textiles+for+long-term+electrocardiography%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Direct patterning of organic conductors on knitted textiles for long-term electrocardiography.</a> Scientific Reports. 5, 1-7 (2015).</li>
<li>Windmiller, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+sensing+based+on+printable+temporary+transfer+tattoos%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Communications%22%5BJournal%5D)">Electrochemical sensing based on printable temporary transfer tattoos.</a> Chemical Communications. 48 (54), 6794-6796 (2012).</li>
<li>Ferrari, L. M., Ismailov, U., Badier, J. M., Greco, F., Ismailova, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conducting+polymer+tattoo+electrodes+in+clinical+electro-+and+magneto-encephalography%5BTitle%5D)+AND+%22npj+Flexible+Electronics%22%5BJournal%5D)">Conducting polymer tattoo electrodes in clinical electro- and magneto-encephalography.</a> npj Flexible Electronics. 4 (1), 1-9 (2020).</li>
<li>Heo, J. S., Eom, J., Kim, Y. H., Park, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+progress+of+textile-based+wearable+electronics%3A+A+comprehensive+review+of+materials%2C+devices%2C+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">Recent progress of textile-based wearable electronics: A comprehensive review of materials, devices, and applications.</a> Small. 14 (3), 1-16 (2018).</li>
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<li>Tseghai, G. B., Mengistie, D. A., Malengier, B., Fante, K. A., Van Langenhove, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((PEDOT%3APSS-based+conductive+textiles+and+their+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">PEDOT:PSS-based conductive textiles and their applications.</a> Sensors. 20 (7), 1-18 (2020).</li>
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<li>Raut, N. C., Al-Shamery, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inkjet+printing+metals+on+flexible+materials+for+plastic+and+paper+electronics%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Chemistry+C%22%5BJournal%5D)">Inkjet printing metals on flexible materials for plastic and paper electronics.</a> Journal of Materials Chemistry C. 6 (7), 1618-1641 (2018).</li>
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<li>Yu, Y., Peng, S., Blanloeuil, P., Wu, S., Wang, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wearable+temperature+sensors+with+enhanced+sensitivity+by+engineering+microcrack+morphology+in+PEDOT%3APSS-PDMS+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+and+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Wearable temperature sensors with enhanced sensitivity by engineering microcrack morphology in PEDOT:PSS-PDMS sensors.</a> ACS Applied Materials and Interfaces. 12 (32), 36578-36588 (2020).</li>
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<li>Inzelberg, L., Hanein, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrophysiology+meets+printed+electronics%3A+The+beginning+of+a+beautiful+friendship%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Electrophysiology meets printed electronics: The beginning of a beautiful friendship.</a> Frontiers in Neuroscience. 12, 992(2019).</li>
<li>Kim, J., Campbell, A. S., de Ávila, B. E. F., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wearable+biosensors+for+healthcare+monitoring%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Biotechnology%22%5BJournal%5D)">Wearable biosensors for healthcare monitoring.</a> Nature Biotechnology. 37 (4), 389-406 (2019).</li>
<li>Bihar, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fully+inkjet-printed%2C+ultrathin+and+conformable+organic+photovoltaics+as+power+source+based+on+cross-linked+PEDOT%3APSS+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials+Technologies%22%5BJournal%5D)">Fully inkjet-printed, ultrathin and conformable organic photovoltaics as power source based on cross-linked PEDOT:PSS electrodes.</a> Advanced Materials Technologies. 5 (8), 2000226(2020).</li>
<li>Bihar, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fully+printed+all-polymer+tattoo%2Ftextile+electronics+for+electromyography%5BTitle%5D)+AND+%22Flexible+and+Printed+Electronics%22%5BJournal%5D)">Fully printed all-polymer tattoo/textile electronics for electromyography.</a> Flexible and Printed Electronics. 3 (3), 034004(2018).</li>
<li>Seekaew, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-cost+and+flexible+printed+graphene-PEDOT%3APSS+gas+sensor+for+ammonia+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Organic+Electronics%22%5BJournal%5D)">Low-cost and flexible printed graphene-PEDOT:PSS gas sensor for ammonia detection.</a> Organic Electronics. 15 (11), 2971-2981 (2014).</li>
<li>Ferrari, L. M., Keller, K., Burtscher, B., Greco, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Temporary+tattoo+as+unconventional+substrate+for+conformable+and+transferable+electronics+on+skin+and+beyond%5BTitle%5D)+AND+%22Multifunctional+Materials%22%5BJournal%5D)">Temporary tattoo as unconventional substrate for conformable and transferable electronics on skin and beyond.</a> Multifunctional Materials. 3 (3), 032003(2020).</li>
<li>Searle, A., Kirkup, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+direct+comparison+of+wet%2C+dry+and+insulating+bioelectric+recording+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Physiological+Measurement%22%5BJournal%5D)">A direct comparison of wet, dry and insulating bioelectric recording electrodes.</a> Physiological Measurement. 21 (2), 271-283 (2000).</li>
<li>Ferrari, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultraconformable+temporary+tattoo+electrodes+for+electrophysiology%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Science%22%5BJournal%5D)">Ultraconformable temporary tattoo electrodes for electrophysiology.</a> Advanced Science. 5 (3), 1700771(2018).</li>
<li>Teplan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fundamental+of+EEG+measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+Science+Review%22%5BJournal%5D)">Fundamental of EEG measurement.</a> Measurement Science Review. 2 (2), 1-11 (2002).</li>
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<li>Caruelle, D., Gustafsson, A., Shams, P., Lervik-Olsen, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+use+of+electrodermal+activity+%28EDA%29+measurement+to+understand+consumer+emotions-A+literature+review+and+a+call+for+action%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Business+Research%22%5BJournal%5D)">The use of electrodermal activity (EDA) measurement to understand consumer emotions-A literature review and a call for action.</a> Journal of Business Research. 104, 146-160 (2019).</li>
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<li>Bihar, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fully+printed+electrodes+on+stretchable+textiles+for+long-term+electrophysiology%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials+Technologies%22%5BJournal%5D)">Fully printed electrodes on stretchable textiles for long-term electrophysiology.</a> Advanced Materials Technologies. 2 (4), 1600251(2017).</li>
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</ol>

著者らは、開示する利益相反はありません。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>Biosignalplux - 電気生理学的記録のためのPlux無線デバイス</td><td>PLUX無線Biosignals S.A</td><td></td><td>EEG、ECG、EMG、EDAセンサー</td></tr><tr><td>Covidien Kendal 使い捨て電極、医療グレードの使い捨て電極(Pregelled、24 mm)</td><td>Covidien / Kendal(旧Tyco) ARBO電極</td><td>H124SG</td><td>電気生理学用商用Ag/AgCl電極</td></tr><tr><td>Dimatixインクジェットプリンター</td><td>富士フイルム</td><td>DMP 2800</td><td>インクジェットプリンター</td></tr><tr><td>レーザーカッター</td><td>ユニバーサルレーザーシステムズ</td><td>VLS 3.50, 50 W</td><td>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</td></tr><tr><td>NOVA</td><td>メトローム オートラボ</td><td>NOVA 2.1</td><td>オートラボ機器を制御する電気化学ソフトウェア</td></tr><tr><td>OpenSignals</td><td>2020 PLUX ワイヤレスバイオシグナル、S.A.</td><td></td><td>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</td></tr><tr><td>PEDOT:PSSインクジェット印刷可能インク</td><td>Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG</td><td>CLEVIOS Pjet 700</td><td></td></tr><tr><td>ポリエチレンナフタレン(PEN)箔</td><td>&nbsp;グッドフェロー</td><td>の厚さ 1.3 &mu;m</td><td>タトゥー電極の相互接続製造に使用</td></tr><tr><td>ポリイミドテープ</td><td>3M</td><td>カプトンテープ 3 M、厚さ50 &mu;m</td><td>タトゥー電極、相互接続製造</td></tr><tr><td>、ポテンショスタット</td><td>、メトローム、オートラボ</td>、<td>オートラボ、ポテンショスタット、B.V.</td>に使用<td>EIS測定に使用</td></tr><tr><td>シルエット一時的な入れ墨のペーパーキット</td><td>シルエットアメリック株式会社、入れ</td><td>墨ベースの電極のための米国の</td><td></td>基板</tr><tr><td>Wowen繊維綿100%と市販のパンスト</td><td></td><td></td>繊維<td>ベースの電極のための基板</td></tr></tbody></table>

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

Conformable Wearable Electrodes: From Fabrication to Electrophysiological Assessment

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。

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...

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。

Wearable electronic devices are becoming key players in monitoring the body signals predominantly altered during physical activity tracking. Considering ...

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。

conformable-wearable-electrodes-from-fabrication-to

Research

JoVE Journal

Bioengineering

バイオエンジニアリング（生体工学）

細胞やタンパク質と機能化することができる生体適合性フィルムを作成するためのバイアス電極の存在下で刺激応答性多糖類の沈着：この資料では、biofabricationアプローチを説明しています。我々は、ラボ·オン·チップ·アプリケーション用の対話biofunctionalizedサーフェスを作成するためのフィルムだけでなく、その基本的な用途を生成するためのベンチトップ型の戦略を示しています。...

Biofabricationとバイオエレクトロニック·インタフェースをブリッジする

このビデオは、平らな神経ラッピング電極の製作を示しています。シールドメタルと精密なポリマー積層の統合により、効果的な記録面を実現している。このプロセスでは、最適な神経接触と正確な信号記録のために、ポリマー層の接着、硬化、トリミング、および切断を行います。...

神経活動を記録するためのフラットインターフェース神経電極の作製

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定量的、皮膚が創傷管理のためのコンフォーマルスキンのような電子システムの作製と評価

この記事では、高い接触密度フラットインタフェース神経電極（FINE）の製造工程の詳細な説明を提供します。この電極は、末梢神経内で選択的神経活動を記録し、刺激のために最適化されています。...

記録と刺激アプリケーションの高接触密度、フラットインターフェイスの神経電極の作製

本稿では、ウェアラブルと有機電子デバイスの直接統合を可能にする選択的織物上に有機材料を堆積するためのプロトコルを提示します。製造されたデバイスは、完全に機械的な外観を尊重し、検知機能を有効にする、繊維に組み込むことができます。...

テキスタイル上の有機電子デバイスのためのシンプルでスケーラブルな製造方法

このプロトコルは、完全に埋め込まれた厚い金属メッシュを備えた、高性能で柔軟性のある透明電極のためのソリューションベースの製造戦略を記述しています。このプロセスによって製造された可撓性透明電極は、極低シート抵抗、高い光透過率、曲げ下での機械的安定性、強い基材接着性、表面平滑性および環境安定性を含む、報告された最高性能の中で実証されている。...

埋め込み金属メッシュを用いた高性能で柔軟で透明な電極のための拡張可能なソリューション処理製作戦略

フレキシブル電極は、ソフトロボティクスやウェアラブルエレクトロニクスに幅広い用途があります。本プロトコルは、リソグラフィ的に定義されたマイクロ流体チャネル を介して...

マイクロ流体チャネルベースのソフト電極とその静電容量式圧力センシングへの応用

ミリサイズのコイルと組み合わせた低コスト脳波記録システムにより、マウス脳をin vivoで経頭的に刺激する

私たちの目的は、エピミシス型筋電図電極の作製と試験に関する最新のわかりやすいガイドを提供することでした。そのために、材料調達の手順と、製造およびテストプロセスの詳細なウォークスルーを提供します。...

低コストのエピミジオル筋電図電極の開発:製造と試験のための簡素化されたワークフロー

私たちは、電極製造のためのシンプルで費用対効果の高いアプローチを開発し、自由に動くマウスで複数の領域にわたる信号の記録を行いました。光遺伝学と多領域電気生理学およびカルシウムシグナル記録を利用することで、発作キンドリングモデルにおける領域間のニューロン活動の解明が可能になりました。...

多領域In Vivo記録のための柔軟で便利な電気生理学的オプトロードを作成するための統合的手法

このプロトコルは、光学的および電気的双方向バイオインターフェーシングのための高度な材料製造と ex vivo...

健康および虚血 性ex vivo ラット心臓における双方向電気および光電子界面

学ぶコンフォーマブルウェアラブル電極の製造と電気生理学的評価法。タトゥー紙や繊維基板に導電性ポリマーを印刷し、ECG・EEG・EMG・EDAなどの生体信号を高感度かつ快適に記録する手法を解説。

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

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