Совместимые носимые электроды: от изготовления до электрофизиологической оценки

Резюме

Две последние технологии - татуировка и текстиль - продемонстрировали многообещающие результаты в кожном восприятии. Здесь мы представляем методы изготовления и оценки татуировок и текстильных электродов для кожного электрофизиологического зондирования. Эти электронные интерфейсы, изготовленные из проводящих полимеров, превосходят существующие стандарты с точки зрения комфорта и чувствительности.

Аннотация

Носимые электронные устройства становятся ключевыми игроками в мониторинге сигналов тела, преимущественно измененных во время отслеживания физической активности. Учитывая растущий интерес к телемедицине и персонализированному уходу, вызванный подъемом эпохи Интернета вещей, носимые датчики расширили область своего применения в здравоохранении. Чтобы обеспечить сбор клинически значимых данных, эти устройства должны установить совместимые интерфейсы с человеческим телом для обеспечения записи высокого качества сигнала и долгосрочной работы. С этой целью в данной статье представлен метод легкого изготовления совместимых тонких датчиков на основе татуировки и мягкого текстиля для их применения в качестве носимых органических электронных устройств в широком спектре поверхностных электрофизиологических записей.

Датчики разработаны с помощью экономически эффективного и масштабируемого процесса структурирования кожных электродов с использованием поли(3,4-этилендиокситиофена)-поли(стиронесульфоната) (PEDOT: PSS), самого популярного проводящего полимера в биоэлектронике, на готовых, носимых подложках. В этой статье представлены ключевые этапы характеристики электродов с помощью импедансной спектроскопии для исследования их эффективности в передаче сигнала в сочетании с кожей. Необходимы сравнительные исследования, чтобы позиционировать производительность новых датчиков по отношению к клиническому золотому стандарту. Чтобы проверить производительность изготовленных датчиков, этот протокол показывает, как выполнять различные записи биосигналов из разных конфигураций с помощью удобной и портативной электронной установки в лабораторных условиях. Этот документ о методах позволит нескольким экспериментальным инициативам продвинуть текущее состояние носимых датчиков для мониторинга здоровья человеческого тела.

Введение

Неинвазивная биопотенциальная запись осуществляется с помощью контактирующих с кожей электродов, обеспечивая огромное количество данных о физиологическом состоянии человеческого организма в фитнесе и здравоохранении¹. Новые типы носимых устройств биомониторинга были разработаны на основе последних технологических достижений в электронике путем уменьшения масштаба интегрированных компонентов управления и связи с портативными размерами. Интеллектуальные устройства мониторинга ежедневно пронизывают рынок, предлагая множество возможностей мониторинга с конечной целью обеспечения достаточного физиологического контента для обеспечения медицинской диагностики². Поэтому безопасные, надежные и надежные интерфейсы с человеческим телом представляют собой критические проблемы в разработке законных носимых технологий для здравоохранения. Татуировочные и текстильные электроды в последнее время появились как надежные и стабильные интерфейсы, воспринимаемые как инновационные, удобные устройства для носимого биозондирования ^3,4,5.

Датчики татуировки представляют собой сухие и тонкие интерфейсы, которые благодаря своей низкой толщине (~ 1 мкм) обеспечивают безадгезивный, совместимый контакт с кожей. Они основаны на коммерчески доступном наборе тату-бумаги, состоящем из слоистой структуры, которая позволяет высвобождать ультратонкий полимерный слой на коже⁶. Слоистая структура также позволяет легко обращаться с тонким полимерным слоем во время процесса изготовления датчика и его переноса на кожу. Конечный электрод полностью конфидентен и почти незаметен для владельца. Текстильные датчики представляют собой электронные устройства, полученные из функционализации ткани электроактивными материалами⁷. Они в основном интегрированы или просто вшиты в одежду, чтобы обеспечить комфорт пользователя из-за их мягкости, воздухопроницаемости и очевидного сходства с одеждой. В течение почти десятилетия текстильные и татуировочные электроды оценивались в поверхностных электрофизиологических записях ^3,8,9, показывая хорошие результаты как в записях носимости и качества сигнала, так и сообщая о высоком соотношении сигнал/шум (SNR) в краткосрочных и долгосрочных оценках. Они также задуманы как потенциальная платформа для носимого биохимического анализа пота ^1,10.

Растущему интересу к татуировочным, текстильным и, в целом, гибким тонкопленочным технологиям (например, изготовленным из пластиковой фольги, такой как парилен или различные эластомеры) в основном способствует совместимость с недорогими и масштабируемыми методами изготовления. Трафаретная печать, струйная печать, прямое нанесение рисунков, погружное покрытие и перенос штампов были успешно приняты для производства таких видов электронных интерфейсов¹¹. Среди них струйная печать является самой передовой цифровой и быстрой техникой прототипирования. Он в основном применяется для моделирования проводящих чернил бесконтактным, аддитивным способом в условиях окружающей среды и на большом разнообразии подложек¹². Несмотря на то, что несколько носимых датчиков были изготовлены с помощью чернил из благородного металла¹³, металлические пленки хрупкие и подвергаются растрескиванию при механическом напряжении. Различные исследовательские группы приняли разные стратегии, чтобы наделить металлы свойством механической совместимости с кожей. Эти стратегии включают уменьшение толщины пленки и использование змеевидных конструкций или морщинистых и предварительно вытянутых подложек 14,15,16. Мягкие и по своей сути гибкие проводящие материалы, такие как проводящие полимеры, нашли свое применение в гибких биоэлектронных устройствах. Их полимерная гибкость сочетается с электрической и ионной проводимостью. PEDOT:PSS является наиболее используемым проводящим полимером в биоэлектронике. Он характеризуется мягкостью, биосовместимостью, устойчивостью и обрабатываемостью печати¹⁷, что делает его совместимым с широко распространенным производством биомедицинских устройств.

Устройства, такие как планарные электроды, подключенные к системе сбора, позволяют регистрировать биопотенциалы в мониторинге здоровья. Биопотенциалы человеческого тела представляют собой электрические сигналы, генерируемые электрогенными клетками, которые распространяются по телу до поверхности кожи. В зависимости от того, где размещены электроды, можно получить данные, связанные с электрической активностью мозга (ЭЭГ), мышц (ЭМГ), сердца (ЭКГ) и проводимостью кожи (например, биоимпеданс или электродермальная активность, ЭДА). Затем оценивается качество данных для оценки удобства использования электродов в клинических приложениях. Высокий SNR определяет их производительность¹⁸, которая обычно сравнивается с современными электродными записями Ag / AgCl. Хотя электроды Ag/AgCl также имеют высокий SNR, им не хватает долгосрочной эксплуатационной способности и конформируемой носимости. Высококачественные записи биосигналов дают представление о состоянии здоровья человека, связанном с функцией конкретного органа. Таким образом, эти преимущества удобных татуировочных или текстильных интерфейсов указывают на их перспективность для долгосрочных применений, которые могут обеспечить реальный мобильный мониторинг здоровья и проложить путь для развития телемедицины¹⁹.

В этой статье сообщается, как изготовить и оценить татуировки и текстильные электроды в биомониторинге здоровья. После его изготовления необходимо охарактеризовать новый электрод. Как правило, электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) используется для изучения электрических характеристик электрода по отношению к целевому интерфейсу (например, коже) с точки зрения передаточной функции. EIS используется для сравнения импедансных характеристик нескольких электродов и проведения испытаний в различных условиях (например, изменение конструкции электрода или изучение долгосрочных реакций). В этой статье показана регистрация поверхностных биосигналов с помощью простой настройки и сообщается о удобном для пользователя методе записи различных типов биосигналов, применимых к любому новому изготовленному электроду, который необходимо проверить для кожных биопотенциальных записей.

протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: Эксперименты с участием людей не включали сбор идентифицируемой частной информации, связанной с состоянием здоровья человека, и используются здесь только для технологической демонстрации. Данные были усреднены по трем различным предметам. Электрофизиологические записи были извлечены из ранее опубликованных данных ^6,21.

1. Струйная печать PEDOT: изготовление электродов PSS

ПРИМЕЧАНИЕ: Следующий протокол был использован для изготовления электродов для электрофизиологии на коммерческих, гибких подложках - тату-бумаге⁶ и текстиле²¹. Тот же подход был в значительной степени принят для изготовления электродов на гибких подложках, таких как тонкие пластиковые фольги²². Во всех случаях для моделирования PEDOT:PSS использовался струйный принтер (см. Таблицу материалов).

1. Предварительная обработка электродной подложки
   1. Вырежьте кусок интересующей субстраты.
      1. При использовании татуировочной подложки вымойте ее водой перед печатью, чтобы удалить самый верхний, водорастворимый слой с бумаги²³.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Набор татуировочной бумаги также снабжен клеевым листом, используемым в этой работе, как для усиления адгезии татуировки, так и в качестве пассивационного слоя. Татуировочная бумага имеет слоистую структуру (дополнительный рисунок S1), включая поддерживающий бумажный лист, водорастворимый слой поливинилового спирта (ПВА), съемную полиуретановую пленку и самый верхний слой ПВА. Клеевой лист имеет слоистую структуру, состоящую из силиконовой бумаги в качестве опоры, акрилового клея на водной основе и верхнего вкладыша.
   2. Чтобы изготовить носимые датчики, начните резать интересующую подложку. Поместите подложку на печатную пластину, заклеив ее границу, чтобы она оставалась плоской.
2. Печать чернил PEDOT:PSS
   1. Подготовьте конструкцию к печати, например, круг (диаметр 12 мм) с прямоугольной прокладкой внизу (3 мм х 7 мм), последняя будет использоваться для соединения.
   2. Заполните картриджи принтера (10 пл) коммерческими чернилами PEDOT:PSS после их фильтрации. Это водная дисперсия проводящего полимера.
   3. Распечатайте дизайн на подложке.
      1. При использовании тату-бумаги и текстиля, которые обладают умеренно-высокой поверхностной энергией и поглощающими свойствами соответственно, печатают с интервалом между каплями ~20 мкм.
      2. Печатайте несколько слоев PEDOT:PSS либо последовательно, либо путем применения процесса сушки (110 °C в течение 15 минут) между слоями для создания однородного и непрерывного проводящего рисунка.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Это особенно необходимо в случае текстильных электродов, где 3D-подобная структура текстиля требует большего содержания чернил для создания непрерывного проводящего пути внутри ткани.
   4. Высушите электрод при 110 °C в течение 15 мин в духовке до полного испарения растворителя.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Электроды, полученные на текстильной, ПЭТ и тату-бумаге (рисунок 1A-C) путем печати нескольких устройств за один прогон (рисунок 1D), теперь можно хранить в закрытой, чистой и сухой среде, прежде чем переходить к следующим шагам.
3. Изготовление внешних разъемов
   1. Электроды для татуировок
      1. Вырежьте прямоугольный кусок полиэтиленнафталатной (PEN) подложки (8 мм x 12 мм, толщина 1,3 мм).
      2. Печать прямоугольного дизайна (3 мм x 12 мм) с тремя слоями PEDOT:PSS поверх подложки.
      3. Высушите напечатанный образец в духовке при 110 °C в течение 15 мин.
      4. Ламинируйте соединение PEN на электрод татуировки, при этом прямоугольные части PEDOT: PSS обращены друг к другу.
      5. Вырежьте отверстие (диаметр 11,3 мм) в бумаге для татуировки клеевым листом. Выровняйте это отверстие клеевого листа с круговой чувствительной частью электрода татуировки PEDOT:PSS. Добавьте кусок полиимидной ленты (см. Таблицу материалов) на свободный конец соединения PEN.
   2. Электроды из текстильной и пластиковой фольги
      1. Прикрепите кусок проводящей ленты (например, медную ленту) вокруг прямоугольного печатного соединения для получения прочного и стабильного соединения.
      2. Подключите контактный разъем pogo к медной ленте и подключите контакт pogo к системе записи.
4. Перенос электродов татуировки
   1. Снимите клеевой вкладыш. Нанесите татуировку на нужный участок кожи.
   2. Смочите заднюю опорную бумагу, удерживая татуировку в нужном положении. Как только задняя опорная бумага пропитается, сдвиньте ее, чтобы удалить ее, оставив на коже только электрод, изготовленный из переносимой ультратонкой пленки.
   3. Подключите плоский контакт PEN к внешнему блоку сбора. См. раздел 1.3.
5. Позиционирование текстильных электродов
   1. Поместите электрод на кожу. С помощью тканевого спортивного браслета или медицинской ленты удерживайте электрод в стабильном контакте с кожей, чтобы обеспечить качественную запись сигнала во время движения.
6. Выполните нужную поверхностную электрофизиологическую запись. Смойте электроды татуировки после записей, потерев их мокрой губкой.

2. Определение характеристик электродов с помощью электрохимической импедансной спектроскопии

1. Измерение на теле
   1. Убедитесь, что волонтер удобно сидит, положив руку на стол в состоянии покоя.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Чистка кожи или скрабирование не требуется.
2. Размещение электродов
   1. Поместите один электрод на кожу и подключите его к рабочему электродно-чувствительному электроду (WE-S) EIS.
   2. Поместите еще один электрод на расстоянии 3 см от первого и подключите его к встречному электроду (CE) EIS.
   3. Поместите третий электрод на колено и подключите его к электроду сравнения (RE) EIS. См. рисунок 2А для настройки трех электродов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Электроды, подключенные к CE и RE EIS, могут быть как электродами Ag/AgCl, так и изготовлены из PEDOT:PSS, как в случае с WE в данном исследовании.
3. Начните запись на потенциостате EIS. Подайте ток между счетчиком и рабочими электродами. Измерьте потенциальную вариацию в эталонной и сенсорной паре.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Соединение татуировки и текстильного электрода с системой сбора может быть выполнено с помощью зажима для формирования стабильного электрического соединения с кабелями потенциостата. Выходное сопротивление, рассчитанное на каждой частоте, состоит из двух вкладов: импеданса кожи и контактного импеданса кожи-электрода.

3. Поверхностные электрофизиологические записи

ПРИМЕЧАНИЕ: В следующем разделе описывается размещение электродов для каждого интересующего биосигнала. После того, как электроды правильно размещены и хорошо прикреплены к коже, их можно подключить к портативной системе сбора для запуска записи. Видеоконтент данной статьи показывает пример электрофизиологического мониторинга с использованием коммерчески доступных электродов Ag/AgCl и портативного электронного блока.

1. Для ЭКГ примите носимую конфигурацию с двумя или тремя (один используется в качестве заземляющего) электрода. Поместите электроды в несколько областей тела (например, грудь, запястья, ребра) с минимальным межэлектродным расстоянием 6 см, чтобы получить заметный сигнал.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Классическое расположение влечет за собой размещение двух электродов на левой и правой ключицах; в этом случае заземляющий электрод может быть размещен на левом подвздошном гребне.
2. Для регистрации мышечной электрической активности (ЭМГ) поместите электроды вдоль интересующей мышцы (например, на бицепс или икру). Поместите заземленный электрод в статическое место, такое как соседняя кость.
3. Для регистрации электрической активности мозга (ЭЭГ) поместите электроды в нескольких местах на голове.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Удобными местами являются лоб и вокруг наружных ушей. Может потребоваться опорный электрод, как правило, за ухом на сосцевидной кости.
4. Для измерения электродермальной активности (EDA) поместите два электрода на ладонь левой руки. Выполняйте запись, когда субъект находится в состоянии покоя или выполняет физические упражнения.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Сопротивление кожи может быть измерено по всей поверхности тела (например, ребра, на спине, на подошве стопы); достаточное межэлектродное расстояние 6 см обеспечивает хороший мониторинг.

Результаты

В данной работе показано изготовление удобных контактирующих с кожей электродов методом струйной печати и метод их характеристики и выполнения электрофизиологических записей. Мы сообщили о этапах изготовления струйной печати PEDOT: PSS непосредственно на различных подложках, таких как ?...

Обсуждение

В этой статье описывается простой и масштабируемый процесс изготовления носимых электродов и демонстрируется метод регистрации электрофизиологических биосигналов. Он использует три примера носимых подложек, таких как татуировка, текстиль и тонкие пленки. Он знакомит с тем, как постр...

Материалы

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