Dopasowane elektrody do noszenia: od produkcji do oceny elektrofizjologicznej
22 lipca 2022
Dwie najnowsze technologie - tatuaż i tekstylia - wykazały obiecujące wyniki w zakresie czucia skóry. W tym miejscu przedstawiamy metody wytwarzania i oceny elektrod do tatuażu i elektrod tekstylnych do elektrofizjologicznego wykrywania skóry. Te interfejsy elektroniczne wykonane z przewodzących polimerów przewyższają istniejące standardy pod względem komfortu i czułości.
Ubieralne urządzenia elektroniczne są obecnie kluczowymi graczami w monitorowaniu sygnałów ludzkiego ciała. Konieczne jest opracowanie elastycznych interfejsów skórnych, aby zapewnić wysoką rozdzielczość sygnału i długotrwałą pracę czujników skórnych. Tutaj przedstawimy, jak łatwo wyprodukować, scharakteryzować i używać dotykowych i miękkich elektrod tekstylnych jako organicznych czujników elektronicznych do noszenia.
Aby zweryfikować wydajność naszych wyprodukowanych czujników, stosujemy przenośny system elektroniczny do rejestrowania różnych sygnałów elektrofizjologicznych z ludzkiego ciała. Proponujemy wiele konfiguracji, aby rejestrować różne sygnały fizjologiczne po prostu w laboratorium. Poniższy protokół został wykorzystany do wytwarzania elektrod na komercyjnie elastycznych podłożach, takich jak papier do tatuażu i tekstylia.
Komercyjny zestaw papieru do tatuażu jest również dostarczany z arkuszem kleju. Papier do tatuażu ma strukturę warstwową, w tym arkusz papieru nośnego, rozpuszczalną w wodzie warstwę alkoholu poliwinylowego, rozłączną folię poliuretanową i najwyższą warstwę PVA. Aby wyprodukować czujnik do noszenia, zacznij od wycięcia podzbioru będącego przedmiotem zainteresowania.
Umieść podzestaw na płycie drukarki, przyklejając jego obramowanie, aby pozostał płaski. Następnie napełnij wkład drukarki komercyjnym atramentem PWS po jego przefiltrowaniu. Jest to dokładna dyspersja przewodzącego polimeru.
Następnie wydrukuj swój projekt na podłożu. W przypadku papieru do tatuażu i tekstyliów, które mają większą energię powierzchniową, ustaw w parametrach druku odstępy między adresami około 15 lub 20 mikrometrów. Następnie wysusz elektrodę w piekarniku w temperaturze 110 stopni Celsjusza przez 15 minut, aby zakończyć odparowanie rozpuszczalnika.
Ostateczny wydrukowany czujnik powinien wyglądać tak na papierze do tatuażu, tkaninie, PET i rozciągliwej tkaninie. Aby wyprodukować zewnętrzne złącze do systemu pozycjonowania, wytnij prostokątny kawałek ultracienkiego podłoża, takiego jak PEN. Wydrukuj na nim prostokątny wzór z trzema warstwami PWS.
Zalaminuj ultracienkie połączenie na dwóch elektrodach. Wytnij otwór w arkuszu kleju do papieru do tatuażu. Dopasuj to wszystko do części wykrywającej sygnał elektrody PWS do tatuażu.
Dodaj kawałek taśmy polimerowej na wolnym końcu połączenia PEN. Aby przenieść elektrodę do tatuażu, usuń wkładkę kleju. Umieść tatuaż na wybranej części skóry.
Zwilż papier podtrzymujący plecy, utrzymując tatuaż na miejscu. Gdy papier podtrzymujący plecy zostanie nasączony, przesuń go, aby go usunąć, pozostawiając na skórze tylko koniec elektrody z przenośnego filmu ultra. Następnie podłącz płaski styk PEN do zewnętrznej jednostki akwizycyjnej.
Aby scharakteryzować wytworzoną elektrodę za pomocą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej, należy wykonać pomiar na ciele. Po pierwsze, upewnij się, że wolontariusz siedzi wygodnie z ręką umieszczoną na stole w spoczynku. Następnie umieść jedną elektrodę na skórze i podłącz ją do działającej pary czujników potencjalnego startu.
Następnie umieść kolejną elektrodę w odległości trzech centymetrów od pierwszej i podłącz ją do przeciwelektrody. Na koniec umieść trzecią elektrodę na kolanku i podłącz ją do elektrody odniesienia. Następnie rozpocznij pomiar od potencjalnego startu.
Przyłóż prąd między licznikiem a elektrodami roboczymi i zmierz zmienność potencjału na parze referencyjnej i czujnikowej. Należy zauważyć, że impedancja wyjściowa obliczona dla każdej częstotliwości składa się z dwóch wkładów. Impedancja skóry i impedancja kontaktowa skóra-elektroda.
W poniższej sekcji opisano rozmieszczenie drabinkowe dla każdego interesującego sygnału biologicznego. Przykład elektrowizualnego monitoringu artykułów z wykorzystaniem dostępnych na rynku elektrod C-lewych i C-prawych. W przypadku EKG dostosuj konfigurację z trzema elektrodami, z których jedna służy jako masa.
W przypadku aktywności elektrycznej mózgu, EEG, umieść elektrody na czole i wokół uszu zewnętrznych. W celu pomiaru aktywności elektrodermalnej, EDA, umieść dwie elektrody na górze lewej ręki. Następnie wykonaj nagranie, gdy obiekt odpoczywa lub wykonuje ćwiczenia fizyczne.
Aby scharakteryzować wydajność elektrody, podaliśmy reprezentatywną impedancję elektrod tekstylnych. Elektrody tekstylne wykazują nieco wyższą, ale porównywalną impedancję niż prawe elektrody standardowe spiekane CI. Kształt modeli impedancyjnych wskazuje na nieco wyższą rezystancję w przypadku elektrod tekstylnych.
Natomiast standardowe prawe spiekane CI wykazują typowe zachowanie nośności rezystancyjnej. Umieszczając elektrody na skórze w różnych obszarach ciała, mamy dostęp do wielu biosygnałów. Śledzenie EEG wyparło zapis aktywności elektrycznej populacji aktywnych neuronów.
Jedną z podstawowych grup fal mózgowych jest Alfa między 8 a 13 hercami. Fale alfa odzwierciedlają stan mózgu w stanie relaksacji i mogą być wywołane przez poproszenie badanego o zamknięcie oczu. Szara pionowa linia kreski oznacza moment na nagraniu, w którym ochotnik został poproszony o otwarcie oczu.
Zapis EKG pokazuje polaryzację i polaryzację przedsionka i komór serca, reprezentowaną przez charakterystyczny wzór składający się z załamka P, kompleksu IQRS i załamka T. Szczyty R pokazują najwyższą amplitudę i są używane do obliczania tętna z uwzględnieniem czasu między dwoma kolejnymi szczytami. Zarejestrowaliśmy zapis EMG, podczas gdy ochotnik stopniowo zwiększał siłę mięśni R.
Wzmożoną aktywność mięśni określa się ilościowo za pomocą amplitudy wzrostu skoków napięcia. W śledzeniu EMG skoki o amplitudzie od kilku mikrowoltów do kilku mini woltów w zakresie częstotliwości od 10 do tysięcy herców odzwierciedlają mięśnie hiperaktywności, napędzane potencjałami czynnościowymi jednostek motorycznych. Śledzenie EDA zwykle składa się z toniku i rozmytych składników.
Składnik tonizujący odzwierciedla poziom przewodnictwa skóry i odpowiada sygnałowi tła. Komponent rozmyty odzwierciedla reakcję osoby badanej na określony bodziec i jest wykrywalny przez zmianę wartości przewodnictwa skóry. To śledzenie służy do oceny poziomu stresu człowieka i nawodnienia organizmu.
Dzięki naszemu protokołowi uzyskujemy miękki i wygodny czujnik skóry do wzoru przewodzącego atramentu na często miękkiej komórce prosto. Drukowanie jest lokalną i skalowalną techniką, która wyróżnia się na tle tradycyjnych procesów produkcji mikroelektroniki. Proponowana metoda opisuje, w jaki sposób uzyskać sygnał elektromagnetyczny, który waha się od słabej aktywności neurologicznej do skurczu mięśni o dużej mocy.
Sygnał pozwala dostać się do wnętrza stanu fizjologicznego organizmu użytkownika. Przedstawiamy pierwszy krok w kierunku wykonalności bezproblemowych urządzeń werbalnych dla różnych moich zastosowań medycznych, które przewinęły się od fitnessu do monitorowania opieki zdrowotnej.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
W niniejszym artykule omówiono wykonanie i ocenę elektrod tatuażowych oraz tekstylnych do skórnego pomiaru elektrofizjologicznego. Te noszalne organiczne czujniki elektroniczne zostały zaprojektowane w celu zapewnienia wysokiej rozdzielczości sygnału oraz komfortu podczas monitorowania sygnałów organizmu ludzkiego.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Inżynieria biomedyczna
- Technologia ubieralna
Wstęp
- Elektroniczne urządzenia ubieralne są niezbędne do monitorowania sygnałów fizjologicznych.
- Elastyczne interfejsy skórne poprawiają działanie czujników skórnych.
- Istniejące technologie wymagają poprawy w zakresie komfortu i czułości.
- Przewodzące polimery są wykorzystywane do produkcji tych czujników.
Cel badania
- Przedstawienie metod wytwarzania dotykowych i miękkich elektrod tekstylnych.
- Ocena wydajności tych elektrod w rejestracji sygnałów elektrofizjologicznych.
- Zaproponowanie konfiguracji do prostego laboratoryjnego zapisu sygnałów fizjologicznych.
Zastosowane metody
- Wytwarzanie elektrod na elastycznych podłożach, takich jak papier do tatuaży i tekstylia.
- Charakterystyka elektrod w celu oceny ich wydajności.
- Wykorzystanie przenośnego systemu elektronicznego do rejestracji sygnałów.
- Zastosowanie różnych konfiguracji dla odmiennych sygnałów fizjologicznych.
Główne wyniki
- Wykonane elektrody wykazały wysoką czułość oraz komfort użytkowania.
- Pomyślne zarejestrowanie różnych sygnałów elektrofizjologicznych z ludzkiego organizmu.
- Udowodniona skuteczność zaproponowanych konfiguracji w warunkach laboratoryjnych.
- Polimery przewodzące okazały się wydajniejsze od istniejących standardów w detekcji skórnej.
Wnioski
- Badanie podkreśla potencjał elektrod tatuażowych i tekstylnych w technologiach ubieralnych.
- Sensory te mogą znacząco poprawić monitorowanie sygnałów organizmu ludzkiego.
- Przyszłe prace mogą skupić się na dalszej optymalizacji wydajności i zastosowań tych interfejsów.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Elastyczne elektrody do noszenia odpowiadają na krytyczną potrzebę wysokiej wierności i długotrwałego monitorowania elektrofizjologicznego w zdecentralizowanych badaniach klinicznych oraz zdalnym monitorowaniu pacjentów. Poprzez umożliwienie niezawodnej akwizycji sygnałów z sensorów stykaących się ze skórą, metoda ta wspiera wczesnofazową walidację celów orazBniżenie ryzyka mechanistycznego w programach odkrywania leków w obszarze neuronauki i kardiologii. Skalowalne podejście do produkcji z wykorzystaniem PEDOT:PSS na gotowych podłożach ułatwia integrację z procesami badawczymi wymagającymi powtarzalnych i ilościowych odczytów biosygnałów.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez ilościowy pomiar aktywności neurogennej, kardiologicznej i mięśniowej w modelach ludzkich.
- Wartość operacyjna: Wspiera ograniczanie ryzyka biologicznego poprzez dostarczanie powtarzalnych odczytów elektrofizjologicznych, które wyjaśniają stopień oddziaływania na cel i modulację szlaków.
- Wartość prognostyczna: Generuje translacyjne dane biomarkerowe (np. rytmy alfa EEG, odstępy fali R w EKG), które służą do selekcji projektów w portfolio oraz wyboru związków wiodących.
Przesiew i opracowanie testu
- Gotowość do analizy: Umożliwia wytwarzanie standaryzowanych, niskoopornościowych interfejsów skórnych, odpowiednich do wysokoprzepustowego przesiewu elektrofizjologicznego w badaniach poszukiwawczych.
- Wyniki ilościowe: Dostarcza wyniki spektroskopii impedancyjnej oraz metryki sygnałów w dziedzinie czasu, co pozwala na standaryzację analizy i porównywalność wyników między laboratoriami.
- Skalowalność platformy: Wykorzystuje druk atramentowy na elastycznych podłożach, co pozwala na powtarzalną fabrykację elektrod w wielu systemach modelowych i kampaniach przesiewowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Znaczenie dla badanych chorób: Umożliwia ciągłe monitorowanie EEG, ECG, EMG i EDA w modelach przedklinicznych w celu dopasowania do punktów końcowych w badaniach klinicznych.
- Ograniczanie ryzyka mechanistycznego: Zapewnia obiektywne, mierzalne punkty końcowe elektrofizjologiczne w celu zmniejszenia niepewności podczas walidacji mechanizmu działania celu.
- Ciągłość translacyjna: Łączy etapy odkrycia i fazy przedklinicznej poprzez umożliwienie spójnego pozyskiwania sygnałów z systemów ex vivo i in vivo.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum procesu odkrywania leków – od testowania hipotez dotyczących celu, przez identyfikację związków wiodących, aż po walidację przedkliniczną, w szczególności w przypadku wskazań obejmujących neuromodulację, bezpieczeństwo kardiologiczne lub biomarkery odpowiedzi stresowej.
- Biologia odkrywcza: Wspiera weryfikację hipotez poprzez ilościowe pozyskiwanie biosygnałów, co pozwala wyjaśnić aktywność funkcjonalną celu w systemach pochodzenia ludzkiego.
- Przesiewanie: Umożliwia wytwarzanie elektrod gotowych do testów, z powtarzalnymi profilami impedancji, co zapewnia niezawodną detekcję efektów działania związków.
- Analityka: Generuje szeregi czasowe oraz dane elektrofizjologiczne w dziedzinie częstotliwości (np. widma mocy, amplitudy szczytowe) do analizy porównawczej warunków.
- Badania translacyjne: Wspiera postępy oparte na biomarkerach poprzez rejestrację klinicznie istotnych sygnałów, takich jak zmienność rytmu serca i reakcje przewodnictwa skóry.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy wielokrotnego użytku platformę do wytwarzania i charakterystyki, którą można dostosować do różnych obszarów terapeutycznych i ośrodków badawczych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną dzięki wysokiej wierności, konformalnym zapisom elektrofizjologicznym, które redukują niejednoznaczność mechanistyczną.
- Wartość operacyjna: Zapewnia zestandaryzowany, skalowalny proces wytwarzania czujników z mierzalną impedancją i wydajnością stosunku sygnału do szumu.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji go/no-go poprzez dostarczanie obiektywnych, ilościowych danych biosygnałowych na wczesnym etapie procesu odkrywania.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację skorygowaną o ryzyko dzięki translacyjnym punktom końcowym elektrofizjologicznym powiązanym z wynikami klinicznymi.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu elektroniki organicznej, projektowania interfejsu skóra-elektroda oraz akwizycji biosygnałów.
- Wymaga dostępu do urządzeń do druku atramentowego, systemów spektroskopii impedancyjnej oraz wzmacniaczy potencjałów biologicznych.
- Wymaga standaryzacji przygotowania skóry, rozmieszczenia elektrod oraz protokołów kondycjonowania sygnału we wszystkich zespołach.
- Obejmuje rozważania dotyczące adaptacji do zmiennych właściwości skóry, elastyczności podłoża oraz długotrwałej możliwości noszenia.
- Ograniczone przez tłumienie sygnału w środowiskach o wysokiej ruchomości oraz konieczność walidacji w odniesieniu do klinicznych standardów referencyjnych.
