적합성 웨어러블 전극: 제작에서 전기생리학적 평가에 이르기까지

요약

문신과 섬유의 두 가지 최근 기술은 피부 감각에서 유망한 결과를 보여주었습니다. 여기에서는 피부 전기 생리 감지를위한 문신 및 섬유 전극의 제조 및 평가 방법을 제시합니다. 전도성 폴리머로 만들어진 이러한 전자 인터페이스는 편안함과 감도 측면에서 기존 표준을 능가합니다.

초록

웨어러블 전자 장치는 신체 활동 추적 중에 주로 변경된 신체 신호를 모니터링하는 데 중요한 역할을하고 있습니다. 사물 인터넷 시대의 부상으로 인한 원격 의료 및 개인화 된 치료에 대한 관심이 높아짐에 따라 웨어러블 센서는 응용 분야를 의료 분야로 확대했습니다. 임상 관련 데이터의 수집을 보장하기 위해 이러한 장치는 인체와 호환 가능한 인터페이스를 구축하여 고품질 기록 및 장기 작동을 제공해야 합니다. 이를 위해이 논문은 광범위한 표면 전기 생리학 기록에서 웨어러블 유기 전자 장치로 응용 프로그램을 위해 순응 가능한 얇은 문신 및 부드러운 섬유 기반 센서를 쉽게 제작하는 방법을 제시합니다.

이 센서는 기성품의 웨어러블 기판에서 바이오 일렉트로닉스에서 가장 널리 사용되는 전도성 폴리머인 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS)를 사용하여 비용 효율적이고 확장 가능한 피부 전극 패터닝 공정을 통해 개발되었습니다. 이 논문은 임피던스 분광법을 통한 전극 특성화의 주요 단계를 제시하여 피부와 결합 될 때 신호 전달에서의 성능을 조사합니다. 임상 금 표준과 관련하여 새로운 센서의 성능을 위치시키기 위해서는 비교 연구가 필요합니다. 제작된 센서의 성능을 검증하기 위해 이 프로토콜은 실험실 환경에서 사용자 친화적이고 휴대용 전자 설정을 통해 다양한 구성에서 다양한 생체 신호 기록을 수행하는 방법을 보여줍니다. 이 방법 논문은 인체 건강 모니터링을위한 웨어러블 센서의 현재 상태를 발전시키기 위해 여러 실험 이니셔티브를 가능하게합니다.

서문

비침습적 생체전위 기록은 피부 접촉 전극을 통해 수행되어, 피트니스 및 헬스케어에서 인체의 생리학적 상태에 대한 방대한 양의 데이터를 제공한다¹. 새로운 유형의 웨어러블 바이오 모니터링 장치는 전자 제품의 최신 기술 발전에서 통합 제어 및 통신 구성 요소를 휴대용 차원으로 축소하는 과정을 거쳐 개발되었습니다. 스마트 모니터링 장치는 매일 시장에 퍼져 있으며, 의료 진단을 가능하게하는 충분한 생리 학적 콘텐츠를 제공한다는 궁극적 인 목표로 여러 모니터링 기능을 제공합니다². 따라서 인체와의 안전하고 신뢰할 수 있으며 견고한 인터페이스는 의료 서비스를 위한 합법적인 웨어러블 기술 개발에 중요한 과제를 안고 있습니다. 문신 및 섬유 전극은 최근 웨어러블 바이오 센싱 ^3,4,5를위한 혁신적이고 편안한 장치로 인식 된 안정적이고 안정적인 인터페이스로 나타났습니다.

문신 센서는 건조하고 얇은 인터페이스로 두께가 낮기 때문에 (~ 1 μm) 접착제가없고 순응 가능한 피부 접촉을 보장합니다. 이들은 층상 구조로 구성된 상업적으로 이용 가능한 문신 종이 키트를 기반으로하며, 이는 피부 상에 초박형 폴리머 층의 방출을 허용한다⁶. 층상 구조는 또한 센서의 제조 과정 및 피부로의 이송 과정에서 얇은 폴리머 층을 쉽게 취급 할 수 있습니다. 최종 전극은 완전히 순응 가능하며 착용자에게 거의 인식 할 수 없습니다. 섬유 센서는 전기 활성 물질⁽⁷)을 사용한 직물 기능화로부터 얻어진 전자 장치이다. 그들은 주로 부드러움, 통기성 및 의복과의 명백한 친화력으로 인해 사용자의 편안함을 보장하기 위해 옷에 통합되거나 단순히 바느질됩니다. 거의 십 년 동안 섬유 및 문신 전극은 표면 전기 생리학 기록 ^3,8,9에서 평가되어 착용성 및 신호 품질 기록에서 모두 좋은 결과를 보여 주며 단기간 및 장기 평가에서 높은 신호 대 잡음비 (SNR)를보고했습니다. 그들은 또한 웨어러블 생화학 적 땀 분석^1,10을위한 잠재적 인 플랫폼으로 생각됩니다.

문신, 섬유 및 일반적으로 유연한 박막 기술 (예 : 파릴렌 또는 다른 엘라스토머와 같은 플라스틱 호일로 만들어진 기술)에 대한 관심이 높아지는 것은 주로 저비용 및 확장 가능한 제조 방법과의 호환성에 의해 촉진됩니다. 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄, 직접 패터닝, 딥 코팅 및 스탬프 전송은 이러한 종류의 전자 인터페이스⁽¹¹)를 생산하기 위해 성공적으로 채택되었다. 이 중 잉크젯 인쇄는 가장 진보 된 디지털 및 빠른 프로토 타이핑 기술입니다. 그것은 주로 주변 조건 하에서 그리고 매우 다양한 기판(¹²) 상에서 비접촉식, 첨가제 방식으로 전도성 잉크의 패터닝에 적용된다. 다수의 웨어러블 센서들이 귀금속 잉크 패터닝⁽¹³)을 통해 제조되었지만, 금속 필름은 부서지기 쉽고 기계적으로 응력을 받을 때 균열을 겪는다. 다른 연구 그룹은 금속에 피부와의 기계적 호환성의 특성을 부여하기위한 다양한 전략을 채택했습니다. 이러한 전략은 막 두께를 줄이고 뱀 모양 디자인 또는 주름지고 미리 연신 된 기판^(14,15,16)을 사용하는 ^것을 포함한다. 전도성 고분자와 같은 부드럽고 본질적으로 유연한 전도성 물질은 유연한 생체 전자 장치에서 응용 프로그램을 발견했습니다. 이들의 폴리머 유연성은 전기 및 이온 전도성과 결합됩니다. PEDOT : PSS는 생체 전자 공학에서 가장 많이 사용되는 전도성 폴리머입니다. 그것은 부드러움, 생체 적합성, 지속 가능성 및 인쇄 가공성¹⁷을 특징으로하며, 이는 생물 의학 장치의 광범위한 생산과 호환되도록합니다.

획득 시스템에 연결된 평면 전극과 같은 장치는 건강 모니터링에서 생체 전위를 기록 할 수 있습니다. 인체 생체 전위는 신체를 통해 피부 표면까지 전파되는 전기 생성 세포에 의해 생성 된 전기 신호입니다. 전극이 배치되는 위치에 따라, 뇌의 전기적 활동(EEG), 근육(EMG), 심장(ECG) 및 피부 전도도(예를 들어, 생체임피던스 또는 상피 활성, EDA)와 관련된 데이터를 획득할 수 있다. 그런 다음 데이터의 품질을 평가하여 임상 응용 분야에서 전극의 유용성을 평가합니다. 높은 SNR은 그들의 성능⁽¹⁸⁾을 정의하는데, 이는 전형적으로 최첨단 Ag/AgCl 전극 기록과 비교된다. Ag/AgCl 전극도 높은 SNR을 갖지만 장기적인 작동성과 적합성 웨어러빌리티가 부족합니다. 고품질 생체 신호 기록은 특정 기관의 기능과 관련된 인간의 건강 상태에 대한 통찰력을 제공합니다. 따라서, 편안한 문신 또는 섬유 인터페이스의 이러한 이점은 실제 모바일 건강 모니터링을 가능하게하고 원격 의료⁽¹⁹)의 개발을위한 길을 닦을 수있는 장기적인 응용 프로그램에 대한 약속을 나타냅니다.

이 논문은 건강 바이오 모니터링에서 문신 및 섬유 전극을 제조하고 평가하는 방법을보고합니다. 제작 후에는 새로운 전극이 특징 지어 져야합니다. 전형적으로, 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)은 전달 함수의 관점에서 타겟 인터페이스(예를 들어, 피부)에 대하여 전극의 전기적 성능을 연구하기 위해 채택된다. EIS는 다중 전극의 임피던스 특성을 비교하고 상이한 조건(예: 전극 설계 변경 또는 장기 응답 연구)에서 테스트를 수행하는 데 사용됩니다. 이 백서는 쉬운 설정을 통해 표면 생체 신호의 기록을 보여주고 피부 생체 전위 기록을 위해 검증되어야하는 새로운 제작 전극에 적용 할 수있는 다양한 유형의 생체 신호를 기록하는 사용자 친화적 인 방법을보고합니다.

프로토콜

참고 : 인간 피험자와 관련된 실험은 개인의 건강 상태와 관련된 식별 가능한 개인 정보의 수집을 포함하지 않았으며 기술 시연을 위해서만 사용됩니다. 데이터는 세 가지 다른 피험자에 대해 평균화되었습니다. 전기생리학적 기록은 이전에 공개된 데이터^(6,21)로부터 추출되었다.

1. 잉크젯 인쇄 PEDOT : PSS 전극 제조

참고 : 다음 프로토콜은 상업적이고 유연한 기질 문신 용지⁶ 및 섬유²¹에서 전기 생리학을위한 전극을 제조하는 데 사용되었습니다. 동일한 접근법이 얇은 플라스틱 호일(²²)과 같은 가요성 기판 상에 전극을 만들기 위해 크게 채택되었다. 모든 경우에, 잉크젯 프린터는 PEDOT:PSS의 패터닝에 사용되었다( 재료 표 참조).

1. 전극 기판 전처리
   1. 관심있는 기판 조각을 자릅니다.
      1. 문신 기재를 사용하는 경우, 인쇄하기 전에 물로 씻어 종이⁽²³)로부터 최상단의 수용성 층을 제거한다.
         참고 : 문신 종이 키트에는 문신 접착력을 향상시키고 패시베이션 층으로이 작업에 사용되는 접착제 시트가 제공됩니다. 문신 종이는 지지지 시트, 수용성 폴리비닐알콜(PVA) 층, 박리성 폴리우레탄 필름, 및 최상단 PVA 층을 포함하는 층상 구조(보충도 S1)를 갖는다. 접착제 시트는 실리콘 종이를 지지체, 수성 아크릴 접착제 및 상단 릴리스 라이너로 구성된 층상 구조를 가지고 있습니다.
   2. 웨어러블 센서를 제작하려면 관심 있는 기판을 절단하기 시작합니다. 기판을 프린터 플레이트에 놓고 테두리를 테이핑하여 평평하게 유지합니다.
2. PEDOT의 인쇄 : PSS 잉크
   1. 하단에 직사각형 패드(3 mm x 7 mm)가 있는 원형(직경 12 mm)과 같이 인쇄할 디자인을 준비하고, 후자는 상호 연결에 사용할 수 있다.
   2. 프린터 카트리지 (10 pl)를 여과 한 후 PEDOT : PSS 상업용 잉크로 채 웁니다. 이것은 전도성 중합체의 수성 분산액이다.
   3. 기판에 디자인을 인쇄합니다.
      1. 중간 정도의 높은 표면 에너지와 흡수 특성을 가진 문신 종이와 섬유를 각각 사용하는 경우 ~ 20μm의 드롭 간격으로 인쇄하십시오.
      2. 여러 PEDOT:PSS 층을 연속적으로 인쇄하거나 레이어 사이에 건조 공정(15분 동안 110°C)을 적용하여 균일하고 지속적인 전도성 패턴을 만듭니다.
         참고: 이것은 직물 내에서 연속적인 전도성 경로를 만들기 위해 섬유의 3D와 유사한 구조가 더 많은 잉크 함량을 필요로 하는 섬유 전극의 경우에 특히 필요합니다.
   4. 전극을 오븐에서 15분 동안 110°C에서 건조시켜 용매 증발을 완료하였다.
      참고: 한 번에 여러 장치를 인쇄하여 섬유, PET 및 문신 용지(그림 1A-C)에서 얻은 전극(그림 1D)은 이제 다음 단계를 계속하기 전에 폐쇄적이고 깨끗하며 건조한 환경에 저장할 수 있습니다.
3. 외부 커넥터 제작
   1. 문신 전극
      1. 폴리에틸렌 나프탈레이트 (PEN) 기재 (8 mm x 12 mm, 1.3 mm 두께)의 직사각형 조각을 자른다.
      2. 기판 위에 세 개의 PEDOT:PSS 레이어가 있는 직사각형 디자인(3mm x 12mm)을 인쇄합니다.
      3. 인쇄된 샘플을 오븐에서 110°C에서 15분 동안 건조시킨다.
      4. PEDOT:PSS 직사각형 부품이 서로 마주보고 있는 상태에서 PEN 상호 연결을 문신 전극에 적층합니다.
      5. 문신 종이 접착제 시트에 구멍 (직경 11.3mm)을 자릅니다. 접착제 시트의이 구멍을 문신 PEDOT : PSS 전극의 원형 감지 부분과 정렬하십시오. 폴리이미드 테이프 조각( 재료 표 참조)을 PEN 상호 연결의 자유 끝에 추가합니다.
   2. 섬유 및 플라스틱 호일 전극
      1. 직사각형 인쇄 연결 주위에 전도성 테이프(예를 들어, 구리 테이프) 조각을 부착하여 견고하고 안정적인 상호 연결을 얻는다.
      2. 포고 핀 커넥터를 구리 테이프에 꽂고 포고 핀을 레코딩 시스템에 연결합니다.
4. 문신 전극 전송
   1. 접착제 라이너를 제거하십시오. 문신을 피부의 원하는 부분에 놓습니다.
   2. 뒤쪽 지지대를 적시고 문신을 제자리에 유지하십시오. 후면 지지 용지가 담근 후에는 밀어 제거하여 전사 가능한 초박막으로 만든 전극 만 피부에 남겨 둡니다.
   3. 플랫 PEN 접점을 외부 수집 장치에 꽂습니다. 섹션 1.3을 참조하십시오.
5. 섬유 전극 위치 지정
   1. 전극을 피부에 놓습니다. 직물 스포츠 팔찌 또는 의료용 테이프의 도움으로 전극을 피부와 안정적으로 접촉시켜 이동 중에 고품질 신호 기록을 보장합니다.
6. 원하는 표면 전기생리학적 기록을 수행한다. 녹음 후 문신 전극을 젖은 스폰지로 문질러 씻어 내십시오.

2. 전기화학적 임피던스 분광법을 이용한 전극 특성화

1. 신체 측정
   1. 자원 봉사자가 휴식중인 테이블 위에 팔을 올려 놓고 편안하게 앉을 수 있도록하십시오.
      참고: 피부 세척이나 스크러빙은 필요하지 않습니다.
2. 전극 배치
   1. 피부에 하나의 전극을 놓고 EIS의 작동 전극 감지 전극 (WE-S)에 연결하십시오.
   2. 첫 번째 전극과 3cm 떨어진 곳에 다른 전극을 놓고 EIS의 상대 전극 (CE)에 연결하십시오.
   3. 세 번째 전극을 팔꿈치 위에 놓고 EIS의 기준 전극 (RE)에 연결하십시오. 세 전극의 설정에 대해서는 도 2A 를 참조한다.
      참고: EIS의 CE 및 RE에 연결된 전극은 Ag/AgCl 전극이거나 PEDOT:PSS로 만들 수 있으며, 이 연구에서 WE의 경우와 마찬가지입니다.
3. EIS 포텐시오스탯에서 녹화를 시작합니다. 카운터와 작동 전극 사이에 전류를 인가하십시오. 참조 및 감지 커플 전반의 잠재적 변동을 측정합니다.
   참고 : 획득 시스템과의 문신 및 섬유 전극 연결은 클립으로 만들어 전위차 케이블과 안정적인 전기 연결을 형성 할 수 있습니다. 각 주파수에서 계산된 출력 임피던스는 피부 임피던스와 스킨-전극 접촉 임피던스의 두 가지 기여로 구성됩니다.

3. 표면 전기 생리학 기록

참고: 다음 섹션에서는 관심 있는 각 생체 신호에 대한 전극 배치에 대해 설명합니다. 전극이 올바르게 배치되고 피부에 잘 부착되면 휴대용 수집 시스템에 연결하여 기록을 시작할 수 있습니다. 이 기사의 비디오 내용은 상업적으로 이용 가능한 Ag/AgCl 전극 및 휴대용 전자 장치를 사용한 전기생리학적 모니터링의 예를 보여준다.

1. ECG의 경우 두 개 또는 세 개(접지로 사용됨) 전극이 있는 웨어러블 구성을 채택합니다. 전극을 6cm의 최소 전극 간 거리로 여러 신체 부위 (예 : 가슴, 손목, 갈비뼈)에 배치하여 상당한 신호를 얻으십시오.
   참고 : 고전적인 위치는 왼쪽과 오른쪽 쇄골에 두 개의 전극을 배치하는 것을 수반합니다. 이 경우, 접지 전극은 왼쪽 장골 볏에 배치될 수 있다.
2. 근육 전기 활동 기록(EMG)을 위해, 전극을 관심 근육을 따라(예를 들어, 이두근 또는 종아리 위에) 놓는다. 접지 전극을 인접한 뼈와 같은 정적 위치에 놓습니다.
3. 뇌 전기 활동 기록 (EEG)의 경우 전극을 머리의 여러 위치에 놓습니다.
   참고 : 편안한 위치는 이마와 바깥 귀 주위입니다. 기준 전극이 필요할 수 있으며, 전형적으로 유양돌기 뼈 상의 귀 뒤에 있다.
4. 전기 피 활성 측정(EDA)을 위해 왼손 손바닥에 두 개의 전극을 놓습니다. 피험자가 휴식 중이거나 신체 운동을 할 때 녹음을 수행하십시오.
   참고 : 피부 임피던스는 전신 표면 (예 : 갈비뼈, 등, 발 밑창)에 걸쳐 측정 할 수 있습니다. 6cm의 충분한 전극 간 거리는 좋은 모니터링을 보장합니다.

결과

이 논문은 잉크젯 인쇄에 의한 편안한 피부 접촉 전극의 제조와 이를 특성화하고 전기 생리학 기록을 수행하는 방법을 보여줍니다. PEDOT:PSS 잉크젯 인쇄의 제조 단계를 직물(그림 1A), PEN(그림 1B) 및 문신 용지(그림 1C,D)와 같은 다른 기판에 직접 보고했습니다. 프로토콜 단계 1.2.1에서 제안된 설계. 및 1.3.1.5 단계. 전극?...

토론

이 논문은 웨어러블 전극을 제조하기 위한 쉽고 확장 가능한 공정을 설명하고 전기생리학적 생체신호를 기록하는 방법을 시연한다. 문신, 섬유 및 박막과 같은 웨어러블 기판의 세 가지 예를 사용합니다. 이 기판에 센서를 구축하고 적용하기 전에 성능을 특성화하는 방법을 소개합니다. 여기서 전극을 만들기 위해 우리는 비용 효율성, 다목적 가공성, 생체 적합성, 부드러움 및 녹색 가공

자료

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