Anpassungsfähige tragbare Elektroden: Von der Herstellung bis zur elektrophysiologischen Bewertung

Zusammenfassung

Zwei neuere Technologien - Tätowierung und Textilien - haben vielversprechende Ergebnisse bei der Hautsensorik gezeigt. Hier stellen wir die Herstellungs- und Bewertungsmethoden von Tattoo- und Textilelektroden für die kutane elektrophysiologische Sensorik vor. Diese elektronischen Schnittstellen aus leitfähigen Polymeren übertreffen die bestehenden Standards in Bezug auf Komfort und Empfindlichkeit.

Zusammenfassung

Tragbare elektronische Geräte werden zu Schlüsselfiguren bei der Überwachung der Körpersignale, die hauptsächlich während der Verfolgung körperlicher Aktivität verändert werden. Angesichts des wachsenden Interesses an Telemedizin und personalisierter Pflege, das durch den Aufstieg des Internets der Dinge angetrieben wird, haben tragbare Sensoren ihr Anwendungsgebiet auf das Gesundheitswesen ausgeweitet. Um die Erfassung klinisch relevanter Daten zu gewährleisten, müssen diese Geräte konforme Schnittstellen zum menschlichen Körper herstellen, um Aufzeichnungen in hoher Signalqualität und einen langfristigen Betrieb zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wird in diesem Artikel eine Methode zur einfachen Herstellung von konformen dünnen Tattoo- und Soft-Textil-basierten Sensoren für ihre Anwendung als tragbare organische elektronische Geräte in einem breiten Spektrum von elektrophysiologischen Oberflächenaufzeichnungen vorgestellt.

Die Sensoren werden durch einen kostengünstigen und skalierbaren Prozess der kutanen Elektrodenstrukturierung unter Verwendung von Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS), dem beliebtesten leitfähigen Polymer in der Bioelektronik, auf handelsüblichen, tragbaren Substraten entwickelt. Dieses Papier stellt wichtige Schritte in der Elektrodencharakterisierung durch Impedanzspektroskopie vor, um ihre Leistung bei der Signaltransduktion zu untersuchen, wenn sie mit der Haut gekoppelt sind. Vergleichende Studien sind erforderlich, um die Leistung neuartiger Sensoren in Bezug auf den klinischen Goldstandard zu positionieren. Um die Leistung der hergestellten Sensoren zu validieren, zeigt dieses Protokoll, wie verschiedene Biosignalaufzeichnungen aus verschiedenen Konfigurationen durch ein benutzerfreundliches und tragbares elektronisches Setup in einer Laborumgebung durchgeführt werden können. Dieses Methodenpapier wird es mehreren experimentellen Initiativen ermöglichen, den aktuellen Stand der Technik bei tragbaren Sensoren für die Überwachung der Gesundheit des menschlichen Körpers voranzutreiben.

Einleitung

Die nichtinvasive Biopotentialaufzeichnung erfolgt durch Hautkontaktelektroden, die eine große Menge an Daten über den physiologischen Zustand des menschlichen Körpers in Fitness und Gesundheitswesen^{liefern 1}. Neuartige Arten von tragbaren Biomonitoring-Geräten wurden aus den neuesten technologischen Fortschritten in der Elektronik durch die Verkleinerung integrierter steuernder und kommunizierender Komponenten auf tragbare Abmessungen entwickelt. Intelligente Überwachungsgeräte durchdringen den Markt täglich und bieten mehrere Überwachungsfunktionen mit dem ultimativen Ziel, ausreichende physiologische Inhalte bereitzustellen, um eine medizini....

Protokoll

HINWEIS: Experimente mit menschlichen Probanden beinhalteten nicht die Sammlung identifizierbarer privater Informationen über den Gesundheitszustand der Person und werden hier nur zur technologischen Demonstration verwendet. Die Daten wurden über drei verschiedene Probanden gemittelt. Die elektrophysiologischen Aufzeichnungen wurden aus zuvor veröffentlichten Daten ^6,21 extrahiert.

1. Inkjet-gedruckte PEDOT: PSS-Elektrodenherstellung

HINWEIS: Das folgende Protokoll wurde verwendet, um Elektroden für die Elektrophysiologie auf kommerziellen,....

Ergebnisse

Dieses Papier zeigt die Herstellung von komfortablen Hautkontaktelektroden durch Tintenstrahldruck und eine Methode, um sie zu charakterisieren und elektrophysiologische Aufnahmen durchzuführen. Wir berichteten über die Herstellungsschritte des PEDOT:PSS-Tintenstrahldrucks direkt auf verschiedenen Substraten wie Stoff (Abbildung 1A), PEN (Abbildung 1B) und Tätowierpapier (Abbildung 1C, D) als Referenz. Die vorges.......

Diskussion

Dieses Papier beschreibt einen einfachen und skalierbaren Prozess zur Herstellung tragbarer Elektroden und demonstriert eine Methode zur Aufzeichnung elektrophysiologischer Biosignale. Es verwendet drei Beispiele für tragbare Substrate wie Tätowierung, Textil und dünne Filme. Es stellt vor, wie man einen Sensor auf diesen Substraten baut und seine Leistung vor seiner Anwendung charakterisiert. Für die Herstellung der Elektroden haben wir hier PEDOT:PSS verwendet, ein leitfähiges Polymer, das sich durch seine Wirtsch.......

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Biosignalplux - Plux wireless device for electrophysiological recordings	PLUX Wireless Biosignals S.A		EEG, ECG, EMG, EDA sensors
Covidien Kendal Disposable electrodes, medical grade disposable electrodes (Pregelled, 24 mm)	Covidien / Kendal (formally Tyco) ARBO electrodes	H124SG	Commercial Ag/AgCl electrodes for electrophysiology
Dimatix inkjet printer	Fujifilm	DMP 2800	Inkjet printer
Laser Cutter	Universal Laser Systems	VLS 3.50, 50 W	Laser cutter to cut the glue sheet for tattoo electrodes fabrication
NOVA	Metrohm Autolab	NOVA 2.1	Electrochemistry software to control Autolab instruments
OpenSignals	2020 PLUX wireless biosignals, S.A.		Software suite for real-time biosignals visualisation, capable of direct interaction with PLUX devices
PEDOT:PSS inkjet printable ink	Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG	CLEVIOS Pjet 700
Polyethylene naphthalene (PEN) foil	Goodfellow	thickness 1.3 μm	Used for tattoo electrodes interconnection fabrication
Polyimide tape	3M	Kapton tape by 3 M, thickness 50 μm	Used for tattoo electrodes interconnection fabrication
Potentiostat	Metrohm Autolab	Autolab potentiostat B.V.	Used for EIS measurements
Silhouette temporary tattoo paper kit	Silhouette Americ, Inc, US		Substrate for tattoo-based electrodes
Wowen textile 100% cotton and commercially available pantyhose			Substrate for textile-based electrodes