Dopasowane elektrody do noszenia: od produkcji do oceny elektrofizjologicznej
July 22nd, 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.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł omawia wytwarzanie i ocenę elektrod tatuażowych i tekstylnych do skórnego czucia elektrofizjologicznego. Te noszone organiczne sensory elektroniczne są zaprojektowane, aby zapewnić wysoką rozdzielczość sygnału i komfort dla monitorowania sygnałów ludzkiego ciała.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Inżynieria biomedyczna
- Technologia noszona
Tło
- Noszone urządzenia elektroniczne są niezbędne do monitorowania sygnałów fizjologicznych.
- Konformowalne interfejsy skórne poprawiają wydajność czujników skórnych.
- Istniejące technologie wymagają poprawy w komforcie i wrażliwości.
- Polimery przewodzące są wykorzystywane do wytwarzania tych czujników.
Cel badania
- Przedstawić metody wytwarzania taktylnych i miękkich elektrod tekstylnych.
- Ocenić wydajność tych elektrod w rejestracji sygnałów elektrofizjologicznych.
- Zaproponować konfiguracje do prostego rejestrowania sygnałów fizjologicznych w laboratorium.
Stosowane metody
- Wytwarzanie elektrod na elastycznych podłożach, takich jak papier do tatuażu i tkanina.
- Charakterystyka elektrod w celu oceny wydajności.
- Użycie przenośnego systemu elektronicznego do rejestracji sygnałów.
- Zastosowanie różnych konfiguracji do różnych sygnałów fizjologicznych.
Główne wyniki
- Wyprodukowane elektrody wykazały wysoką wrażliwość i komfort.
- Sukces w rejestrowaniu różnych sygnałów elektrofizjologicznych z ludzkiego ciała.
- Dowód skuteczności zaproponowanych konfiguracji w warunkach laboratoryjnych.
- Polimery przewodzące przewyższyły istniejące standardy w czuciu skórnym.
Wnioski
- Badanie podkreśla potencjał elektrod tatuażowych i tekstylnych w technologii noszonej.
- Te sensory mogą znacząco poprawić monitorowanie sygnałów ciała ludzkiego.
- Przyszła praca może skupić się na dalszym zwiększeniu wydajności i zastosowań tych interfejsów.
Często zadawane pytania
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.
