Summary
タトゥーとテキスタイルという最近の2つの技術は、皮膚センシングにおいて有望な結果を示しています。ここでは、皮膚電気生理学的センシングのためのタトゥーおよび繊維電極の作製および評価方法を提示する。導電性ポリマーで作られたこれらの電子インターフェースは、快適性と感度の点で既存の規格を凌駕します。
Abstract
ウェアラブル電子機器は、身体活動の追跡中に主に変化する身体信号を監視する上で重要なプレーヤーになりつつあります。モノのインターネット時代の台頭によって遠隔医療とパーソナライズされたケアへの関心が高まっていることを考慮すると、ウェアラブルセンサーは医療への応用分野を拡大しました。臨床的に関連するデータの収集を確実にするために、これらのデバイスは、高信号品質の記録と長期的な動作を提供するために、人体との適合可能なインターフェースを確立する必要があります。この目的のために、本稿では、ウェアラブル有機電子デバイスとして幅広い表面電気生理学的記録における応用のために、順応性のある薄い入れ墨およびソフトテキスタイルベースのセンサを容易に製造する方法を提示する。
これらのセンサは、バイオエレクトロニクスで最も人気のある導電性高分子であるポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)-ポリ(スチレンスルホネート)(PEDOT:PSS)を既製のウェアラブル基板上で使用して、費用対効果が高くスケーラブルな皮膚電極パターニングプロセスを通じて開発されています。このホワイトペーパーでは、インピーダンス分光法による電極特性評価における重要なステップを示し、皮膚と結合させたときのシグナル伝達における性能を調査します。臨床のゴールドスタンダードに関して新しいセンサーの性能を位置づけるためには、比較研究が必要です。製造されたセンサーの性能を検証するために、このプロトコルは、実験室環境でユーザーフレンドリーでポータブルな電子セットアップを通じて、さまざまな構成からさまざまな生体信号記録を実行する方法を示しています。この方法の論文は、人体の健康モニタリングのためのウェアラブルセンサーの現在の最先端を前進させるための複数の実験的イニシアチブを可能にするでしょう。
Introduction
非侵襲的な生体電位記録は、皮膚接触電極を介して行われ、フィットネスおよびヘルスケアにおける人体の生理学的状態に関する膨大な量のデータを提供する1。新しいタイプのウェアラブルバイオモニタリングデバイスは、エレクトロニクスにおける最新の技術進歩から、統合された制御および通信コンポーネントのポータブル寸法へのダウンスケーリングまで開発されました。スマート監視装置は日々市場に普及しており、複数の監視機能を提供し、医療診断を可能にするのに十分な生理学的コンテンツを提供することを最終目標としています2。したがって、人体との安全で信頼性が高く、堅牢なインターフェースは、医療のための合法的なウェアラブル技術の開発において重大な課題を提示します。タトゥーとテキスタイル電極は、ウェアラブルバイオセンシングのための革新的で快適なデバイスとして認識される信頼性が高く安定したインターフェースとして最近登場しました3,4,5。
タトゥーセンサーは乾燥した薄いインターフェースで、厚さが低い(約1μm)ため、接着剤フリーで順応性のある皮膚接触を保証します。これらは、層状構造からなる市販のタトゥーペーパーキットに基づいており、これは、皮膚6上の超薄型ポリマー層の放出を可能にする。層状構造により、センサーの製造プロセスおよび皮膚への転写中に薄いポリマー層を簡単に処理できます。最終的な電極は完全に順応性があり、着用者にはほとんど知覚できません。繊維センサは、電気活性材料7による布帛機能化から得られる電子機器である。それらは主に、柔らかさ、通気性、および衣服との明らかな親和性のためにユーザーの快適さを確保するために、衣服に統合または単に縫い付けられている。ほぼ10年間、テキスタイルおよびタトゥー電極は、表面電気生理学的記録3、8、9で評価され、ウェアラビリティおよび信号品質記録の両方で良好な結果を示し、短期および長期評価において高い信号対雑音比(SNR)を報告してきた。彼らはまた、ウェアラブルな生化学的汗分析のための潜在的なプラットフォームとして考えられている1,10。
入れ墨、テキスタイル、および一般に、柔軟な薄膜技術(例えば、パリレンまたは異なるエラストマーなどのプラスチック箔で作られたもの)への関心の高まりは、主に低コストでスケーラブルな製造方法との互換性によって促進される。スクリーン印刷、インクジェット印刷、直接パターニング、ディップコーティング、およびスタンプ転写は、このような種類の電子インターフェース11を製造するために首尾よく採用されている。これらの中で、インクジェット印刷は、最も先進的なデジタルおよび高速プロトタイピング技術です。これは主に、周囲条件下で、および多種多様な基材12上に非接触で付加的な様式で導電性インクのパターニングに適用される。貴金属インクパターニング13を介して複数のウェアラブルセンサが作製されているが、金属膜は脆く、機械的に応力を受けると割れを受ける。異なる研究グループは、金属に皮膚との機械的適合性の特性を与えるために異なる戦略を採用している。これらの戦略には、膜厚を薄くすること、および蛇行したデザインまたはしわのあるおよび予め延伸された基材を使用することが含まれる14、15、16。導電性ポリマーなどの柔らかく本質的に柔軟な導電性材料は、柔軟なバイオエレクトロニクスデバイスにおけるそれらの用途を見出した。それらのポリマーの柔軟性は、電気およびイオン伝導性と組み合わされる。PEDOT:PSSは、バイオエレクトロニクスで最も使用されている導電性ポリマーです。柔らかさ、生体適合性、持続可能性、および印刷加工性17によって特徴付けられ、生物医学的デバイスの広範な生産と互換性があります。
取得システムに接続された平面電極などのデバイスは、健康モニタリングにおける生体電位の記録を可能にします。人体の生体電位は、電気発生細胞によって生成された電気信号であり、体内を通って皮膚表面まで伝播する。電極が配置される場所に応じて、脳の電気的活動(EEG)、筋肉(EMG)、心臓(ECG)、および皮膚伝導率(例えば、生体インピーダンスまたは電気皮膚活動、EDA)に関連するデータを取得することができる。次に、データの品質を評価して、臨床アプリケーションにおける電極の使いやすさを評価します。高いSNRは、その性能18を定義し、これは典型的には、最先端のAg/AgCl電極記録と比較される。Ag/AgCl電極も高いSNRを備えていますが、長期的な動作性と順応性に欠けています。高品質の生体信号記録は、特定の臓器の機能に関連する人間の健康状態に関する洞察を提供します。したがって、快適な入れ墨またはテキスタイルインターフェースのこれらの利点は、現実のモバイルヘルスモニタリングを可能にし、遠隔医療の開発への道を開くことができる長期アプリケーションへの有望性を示しています19。
この論文では、健康バイオモニタリングにおけるタトゥーとテキスタイル電極の製造と評価の方法を報告します。その製造後、新規な電極を特徴付けなければならない。典型的には、電気化学インピーダンス分光法(EIS)は、伝達関数の観点から標的界面(例えば皮膚)に対する電極の電気的性能を研究するために採用される。EISは、複数の電極のインピーダンス特性を比較し、異なる条件(電極設計の変更や長期的な応答の研究など)でテストを実行するために使用されます。この論文は、簡単なセットアップによる表面生体信号の記録を示し、皮膚生体電位記録のために検証する必要がある新規作製電極に適用可能なさまざまな種類の生体信号を記録するためのユーザーフレンドリーな方法を報告する。
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Protocol
注:ヒトを対象とする実験は、個人の健康状態に関する識別可能な個人情報の収集を伴わず、ここでは技術的なデモンストレーションのためにのみ使用されます。データは、3つの異なる被験者について平均化した。電気生理学的記録は、以前に公開されたデータ6、21から抽出した。
1. インクジェット印刷PEDOT:PSS電極作製
注:以下のプロトコルは、市販のフレキシブル基板 - タトゥーペーパー6 およびテキスタイル21上に電気生理学のための電極を製造するために使用されている。同じアプローチは、薄いプラスチック箔22などのフレキシブル基板上に電極を作るために主に採用されている。いずれの場合も、PEDOT:PSSのパターニングにはインクジェットプリンタが用いられた( 材料表参照)。
- 電極基板前処理
- 目的の基板の断片を切り取る。
- 入れ墨基材を使用する場合は、印刷前に水洗いして、紙23から最上部の水溶性層を除去する。
注:タトゥーペーパーキットには、タトゥーの密着性を高めるために、パッシベーション層として、この作業で使用される接着剤シートも用意されています。タトゥー紙は、支持紙シート、水溶性ポリビニルアルコール(PVA)層、離型性ポリウレタンフィルム、および最上部のPVA層を含む層状構造(補足図S1)を有する。この糊シートは、支持体としてのシリコーン紙、水性アクリル糊、及びトップ剥離ライナーからなる層状構造を有する。
- 入れ墨基材を使用する場合は、印刷前に水洗いして、紙23から最上部の水溶性層を除去する。
- ウェアラブルセンサーを製作するには、目的の基板の切断を開始します。基板をプリンタプレートの上に置き、境界線をテープで留めて平らに保ちます。
- 目的の基板の断片を切り取る。
- ペドットの印刷:PSSインク
- 底部に長方形のパッド(3 mm x 7 mm)を備えた円(直径12 mm)など、相互接続に使用するデザインを準備します。
- プリンタカートリッジ(10 pl)にPEDOT:PSS商用インクをろ過した後、充填します。これは導電性高分子の水分散液である。
- デザインを基板に印刷します。
- それぞれ中程度から高い表面エネルギーと吸収特性を持つタトゥー紙とテキスタイルを使用する場合は、〜20μmのドロップ間隔で印刷してください。
- 複数のPEDOT:PSS層を連続して印刷するか、層間に乾燥プロセス(110°Cで15分間)を適用して、均質で連続的な導電パターンを作成します。
注:これは、織物の3D様構造が布地内に連続的な導電経路を作成するためにより多くのインク含有量を必要とする織物電極の場合に特に必要とされる。
- 電極をオーブン中で110°Cで15分間乾燥させ、溶媒蒸発を完了させた。
メモ:複数のデバイスを1回に印刷してテキスタイル、PET、タトゥー用紙(図1A-C)に取得した電極(図1D)は、次の手順に進む前に、閉じた清潔で乾燥した環境で保存できるようになりました。
- 外部コネクタ製造
- タトゥー電極
- 長方形のポリエチレンナフタレート(PEN)基板(8 mm x 12 mm、厚さ1.3 mm)を切り取ります。
- 基板の上に 3 つの PEDOT:PSS レイヤーを配置した長方形のデザイン (3 mm x 12 mm) を印刷します。
- 印刷したサンプルを110°Cのオーブンで15分間乾燥させる。
- PEN相互接続をタトゥー電極に積層し、PEDOT:PSS長方形の部品を互いに対向させます。
- 入れ墨紙の接着剤シートに穴(直径11.3mm)を切ります。接着剤シートのこの穴を、入れ墨PEDOT:PSS電極の円形の検出部分に合わせます。ポリイミドテープ( 材料表を参照)をPEN相互接続の自由端に追加します。
- 繊維およびプラスチック箔電極
- 長方形の印刷された接続の周りに導電性テープ(例えば、銅テープ)を取り付けて、堅牢で安定した相互接続を得る。
- ポゴピンコネクタを銅テープに差し込み、ポゴピンを録音システムに接続します。
- タトゥー電極
- タトゥー電極転写
- 接着剤ライナーを取り外します。入れ墨を皮膚の所望の部分に置く。
- 背面サポート紙を濡らし、入れ墨を所定の位置に保ちます。背もたれの支持紙が染み込んだら、転写可能な超薄膜でできた電極だけを皮膚に残して、スライドさせて外します。
- フラットPEN接点を外部集録ユニットに差し込みます。セクション 1.3 を参照してください。
- テキスタイル電極の位置決め
- 電極を皮膚の上に置きます。ファブリックスポーツブレスレットまたは医療用テープの助けを借りて、電極を皮膚に安定して接触させ、移動中に高品質の信号記録を確保します。
- 所望の表面電気生理学的記録を行う。録音後にタトゥー電極を濡れたスポンジでこすって洗い流します。
2. 電気化学インピーダンス分光法を用いた電極特性評価
- オンボディ測定
- ボランティアがテーブルに腕を置いて快適に座っていることを確認してください。
メモ:皮膚のクリーニングやスクラブは必要ありません。
- ボランティアがテーブルに腕を置いて快適に座っていることを確認してください。
- 電極の配置
- 1つの電極を皮膚に置き、EISの作用電極検出電極(WE-S)に接続します。
- 最初の電極から3cm離れた別の電極を置き、EISの対極(CE)に接続します。
- 3番目の電極を肘の上に置き、EISの参照電極(RE)に接続します。3つの電極のセットアップについては、 図2A を参照してください。
注:EISのCEおよびREに接続される電極は、本研究のWEの場合と同様に、Ag/AgCl電極またはPEDOT:PSSでできている。
- EISポテンショスタットで記録を開始します。対極と作用極の間に電流を流します。リファレンスと検出のカップル全体の電位変動を測定します。
メモ:アクイジションシステムとのタトゥーおよびテキスタイル電極接続は、クリップで作成して、ポテンショスタットケーブルとの安定した電気接続を形成できます。各周波数で計算される出力インピーダンスは、皮膚インピーダンスと皮膚電極接触インピーダンスの2つの寄与分で構成されます。
3. 表面電気生理学的記録
注:以下のセクションでは、対象となる各生体信号の電極配置について説明します。電極が正しく配置され、皮膚にしっかりと取り付けられたら、ポータブルアクイジションシステムに接続して録音を開始できます。本稿の映像内容は、市販のAg/AgCl電極と携帯型電子ユニットを用いた電気生理学的モニタリングの一例である。
- ECGの場合は、電極を2~3個(1個はアースとして使用)のウェアラブル構成とします。電極を複数の身体領域(胸部、手首、肋骨など)に置き、電極間距離を6cm以上で配置して、かなりの信号を得ます。
注:古典的な位置は、左右の鎖骨に2つの電極を配置することを伴う。この場合、接地電極は左腸骨頂部に配置することができる。 - 筋電気活動記録(EMG)のために、電極を目的の筋肉に沿って(例えば、上腕二頭筋またはふくらはぎの上)配置する。接地電極を隣接する骨などの静的な場所に置きます。
- 脳の電気活動記録(EEG)のために、電極を頭部の複数の場所に置きます。
注:快適な場所は、額と外耳の周りです。参照電極は、典型的には乳様骨の耳の後ろに必要であり得る。 - 電気皮膚活動測定(EDA)の場合は、左手のひらに2つの電極を置きます。被験者が休息中または身体運動をしているときに記録を行う。
注:皮膚インピーダンスは、全身表面(例えば、肋骨、背中、足の裏)にわたって測定することができる。6cmの十分な電極間距離は、良好な監視を保証する。
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Representative Results
本稿では、インクジェット印刷による快適な皮膚接触電極の作製と、それらを特徴付け、電気生理学的記録を行う方法を示す。参考までに、PEDOT:PSSインクジェット印刷の作製ステップを、布地(図1A)、PEN(図1B)、タトゥー用紙(図1C、D)など、さまざまな基材に直接印刷しました。プロトコルステップ1.2.1で提案された設計。ステップ 1.3.1.5.1cm2の円形センシング領域を定義して、電極を主に診療所で採用されている最先端のAg/AgClと比較します。
電極の性能を特徴付けるために、それらのインピーダンスは3電極EISセットアップによって測定されました(図2A,B)。この方法により、電極を腕に当てて体内測定を行う際の皮膚電極インピーダンスの研究が可能になります。例として、繊維電極の代表インピーダンスが図2Cに報告され、インピーダンス弾性率がボード線図で報告される。テキスタイル電極は、電気生理学のゴールドスタンダードであるAg/AgCl電極よりもわずかに高いが同等のインピーダンスを示す。インピーダンス弾性率の形状(図2C)は、テキスタイル電極の場合にわずかに高い抵抗挙動を示すが、標準Ag/AgClは典型的な抵抗容量挙動24を示す。入れ墨、織物、および薄箔の3つのタイプの電極はすべて、EISを介して研究されており、皮膚25との界面の特性評価を可能にしている。
図3に示すように、皮膚の電極をさまざまな身体領域に配置することで、複数の生体信号(EEG、ECG、EMG、EDAなど)にアクセスできます。生体信号記録は、電極を適切なポータブルまたはラボ規模の機器に接続することで簡単に取得できます。図3Aは、脳波トレース−活動ニューロンの集団の電気的活動記録を表示する。脳波の基本的なグループの1つはアルファ波(8-13 Hz)です。アルファ波は、弛緩下の脳の状態を反映し、対象に目を閉じるように求めることによって誘発され得る26。灰色の縦破線(図3A)は、ボランティアが目を開けるように求められた記録の瞬間を示しています。図3Bの心電図トレースにおいて、心臓の心房および心室の分極および脱分極は、P波、QRS複合体、およびT波27からなる特徴的なパターンで表される。図3Bでは、QRS複素数は識別可能であり、Rピークは最も高い振幅を示し、2つの連続するピーク間の時間を考慮して心拍数を計算するために使用されます。
図3C は、ボランティアが腕の筋肉の力を徐々に増加させている間のEMGトレースを示しています。強化された筋肉活動は、電圧ピークの振幅の増加によって定量化される。EMGトレースでは、10〜1,000Hzの周波数範囲で、数マイクロボルトから数ミリボルトまでの振幅を有するスパイクは、運動単位活動電位によって駆動される筋線維活動を反映する。 図3D は、典型的には強壮成分と位相成分で構成されるEDAトレースを示す。強壮成分は皮膚コンダクタンスレベルを反映し、バックグラウンド信号に対応します。位相成分は、特定の刺激に対する対象の応答を反映し、皮膚コンダクタンス値28の変化によって検出可能である。このトレースは、人間のストレスレベルと身体の水分補給を評価するために使用されます。
図1:PEDOT:PSSインクジェット印刷電極(A)綿100%生地、(B)PET箔、(C)仮入れ墨紙に印刷された電極。(D)タトゥー紙基材に複数のPEDOT:PSS電極を印刷した際のインクジェットプリンタの写真。略語: PET = ポリエチレンテレフタレート;PEDOT:PSS = ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)-ポリ(スチレンスルホン酸塩)。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:EIS測定。 (A)オンボディEIS測定のための電極構成の概略;作用極は、対Ag/AgCl電極から3cm離して配置される。参照Ag/AgClはボランティアの肘に置かれる。(B)皮膚上のEIS測定のための3電極セットアップのスキーム。対向電極と作用電極の間に電流を印加し、基準電極とセンス電極の間に電圧を測定します。(C)Ag/AgClおよびPEDOT:PSSイオン液体ゲルテキスタイル電極のインピーダンス係数(それぞれ青と緑の曲線)。インピーダンスは、アーム上の3電極セットアップで測定した。この図は、Bihar et al.21から修正されたものである。略語: EIS = 電気化学インピーダンス分光法;CE = 対極;WE = 作用電極;RE = 参照電極;S = センス電極;PEDOT:PSS =ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)-ポリ(スチレンスルホン酸塩)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:(A)脳波トレースの各電気生理学的記録トレースを用いた電極体位置決め回路図。破線の縦線は、アルファ波のある状態からアルファ波のない状態への移行を示しており、これはボランティアが目を開けるように求められたときと一致します。(B)ECGトレース。上部スパイクは、QRS複合体に属するRピークを表す。(C) EMG トレース。筋肉活動は、ボランティアによって誘発された筋肉の活動の増加に伴って振幅が増加する電圧信号によって表される。(D) EDA トレース。最初の2秒間、信号は強壮成分を表し、その後の振幅増加は位相成分を示し、これは刺激に対するボランティアの反応を反映しています。すべての録音は、健康なボランティアのAg/AgCl電極で行われました。略語: EEG = 脳波;ECG = 心電図;EMG = 筋電図;EDA = 電気皮膚活性。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
補足図S1:タトゥー紙層状構造スキーム。 裏打ち紙シートは、ポリウレタンおよび他のポリマー混合物で作られた放出可能なナノフィルムを支持する。2つの水溶性ポリビニルアルコール(PVA)層がフィルムの両面を覆う。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
この論文では、ウェアラブル電極を製造するための簡単でスケーラブルなプロセスについて説明し、電気生理学的生体信号を記録する方法を実証する。ウェアラブル基板のタトゥー、テキスタイル、薄膜の3つの例を使用しています。これらの基板上にセンサを構築し、その性能をアプリケーションに先立って特徴付ける方法を紹介します。ここでの電極を作るために、我々は、その費用対効果、汎用性の高い加工性、生体適合性、柔らかさ、およびグリーンプロセッシング29との適合性のための持続可能性のために、金属ベースの導体から際立っている導電性高分子であるPEDOT:PSSを採用した。既製の基板上のPEDOT:PSSパターニングは、インクジェット印刷技術によって実現され、設計の自由度でインク堆積を正確に制御できます(図1)。
インクジェット印刷は、従来のフォトリソグラフィー微細加工プロセスと化学的および物理的に互換性のない柔軟で型破りな基板の選択的官能化を可能にする非接触技術です。電極作製にしばしば使用される別の技術であるスクリーン印刷と比較して、インクジェットはマスクを必要とせず、したがって、インクの無駄が少なく、簡単なカスタマイズをもたらす30。インクジェット技術は、多層蒸着(インクジェット:<1μm対スクリーン:>数μm)により、厚さを厳密に制御する。実際、タトゥー用紙(図1D)に印刷する場合、PEDOT:PSS印刷層(厚さ240nm±30nm)1枚で均質な導電膜(図1C)を得るのに十分であり、その敷物31に続いて皮膚に自然に自己付着するサブマイクロメートルの厚さを有する。しかし、布地に印刷すると、編み糸や波打糸によって作成された3D多孔質構造の上にインクが落ちます(図1A)。被覆繊維間の電気的接続を得るためには複数の層が必要であり、制御されたカスタマイズされた様式32で繊維物質を機能化する。
新しい非定型基材に印刷する場合、製造プロセスの性能と速度のトレードオフを考慮して、最適な印刷層数を見つけることが重要です。テキスタイル電極の製造では、印刷中に基板を平らに保つことに注意を払う必要があります(プロトコルセクション1.3を参照)。したがって、印刷戦略は、多層堆積における印刷レイアウトの最適化および連続材料の堆積における位置合わせの可能性を考慮するべきである。
しかし、これらの電極とその製造のいくつかの制限を指摘することが重要です。テキスタイル電極は、ゲル電解質の追加印刷ステップを必要とするかもしれない。皮膚−電極接触インピーダンスを減少させる上で重要な役割を果たし、したがって高品質の生体信号記録を提供することが実証されている33 さらに、繊維ウェアラブルセンサの洗浄性は、衣服への完全な統合を想定する上で重要な側面である。繊維基材および導電性ポリマーインクの物理化学的特性は、最終デバイスの洗浄サイクルへの準拠に影響します。したがって、前述の側面を徹底的に調査して、長期的なパフォーマンスを完全に評価する必要があります。
タトゥーセンサーの製造において、繊細なステップは、タトゥーセンサーと取得システムとの間の最良の電気的相互接続を見つけることです(プロトコルセクション1.3を参照)。実際、タトゥー技術は、タトゥー電極を知覚不能にする薄膜フォーマットのために関心を集めている。したがって、機械的応力が加えられる場合、特に相互接続部品にそれらの操作には特に注意が必要です。また、支持紙を水で濡らす必要がある皮膚への入れ墨の転写メカニズムを覚えておくことも重要です。この方法は簡単ですが、水とすでに転送されたタトゥーセンサーとの突然の接触は、後者を層間剥離します。超薄型のタトゥーの適合性はウェアラブル技術にとって重要な利点ですが、水や擦れの機械的ストレスに対する脆弱性により、タトゥーセンサーの動作期間は数日に短縮されます。
新しいタイプの電極が導入されると、EISは、アプリケーションを進める前に、ベンチマーク(Ag/AgCl電極)と比較した電極の性能の一次評価を提供するのに役立ちます。プロトコルセクション2は、それらが皮膚と電気的に結合されている方法に関する洞察を得るために、人体に直接配置されたときに作製された電極のEIS測定を説明しました。3電極構成(図2A,B)は、皮膚電極インタフェースを介した信号伝達能力を評価します。調査対象となる新規電極は、EISのWEおよびSに接続された電極である。他の2つの電極は、CEおよびREとして使用される。EISはポテンショスタティックモードで実行され、CEとWEの間に小さな(0.1V)正弦波電流(0.1~100Hz)が印加され、RE-Sカップル全体で電位変動が測定されます。次に、各周波数でインピーダンスが計算されます。測定されたインピーダンスは、皮膚インピーダンスと皮膚電極接触インピーダンスの2つの寄与分で構成されています。
電極の容量性および抵抗動作は、EISプロットから定義されます(図2C)。実験データに適合する等価回路を開発することにより、電極が生体信号をどのように伝達し、皮膚34とどのようなインターフェースを確立するかを理解することができる。タトゥー電極は乾燥しており、皮膚に付着していますが、そのインピーダンスは標準的なゲル化Ag / AgCl電極とはわずかに異なります。皮膚と電極との間にゲル界面が存在すると、信号伝達が促進され、接触インピーダンスが低下します。
機械的強度はウェアラブルのもう一つの重要な特性です。テキスタイルPEDOT:PSS電極は、ストレッチストレス33に耐えることが実証されています。印刷されたイオン液体ゲルと組み合わせることで、皮膚との安定した電気的接触とウェアラブル条件下での機械的堅牢性を提供します。人体との接触による汗を通す能力を与える伸縮性、柔らかさ、構造的空隙率は、このタイプの電極をウェアラブル電子機器に最も適した技術として駆動します。ここでも、電子システムとの相互接続は微妙なままです。したがって、これらのシステムは、布帛に直接堆積させることができる。
皮膚センサーの究極の検証は、被験者に対してのみ実行できます。皮膚センサは、被験者間の皮膚変動性および様々な動的要因および環境条件によって条件付けられ、それらはそれらの性能に直接影響する。ここでは、完全にポータブルなプラットフォームを介して意味のあるEEG、ECG、EMG、およびEDAトレースを取得する方法を示しました。電極の配置は、監視中に信頼性が高く正確な情報を得る上で重要な役割を果たします。図3に示す記録の分析は、電気生理学的記録における電極の能力を確認し、貴重な身体モニタリング結果を得ることができます。記録能力は、極端に弱い神経活動(図3A)から高出力の筋肉収縮(図3C)までさまざまです。
図 3B および 図3Dでは、心臓活動および電気皮膚応答が、作製された電極の分解能および感度を実証している。生体信号記録は、ユーザーの身体の健康状態、特定の条件下でのパフォーマンス、および特定の内部または外部刺激に対する応答に関する有用なデータを提供し、さまざまな生物医学研究への応用を拡大します。ECG、EMG、EEG、EDAなどの生体信号を集録するために、複数のポータブル電子機器フロントエンドが存在します。例としては、インタンテクノロジーズのポータブル電気生理学アンプチップRHD2216、シマーウェアラブル、OTバイオエレトロニカのDueLiteデバイス、アドバンストバージョンのPLUXワイヤレスデバイス(バイオシグナルPLUXという名前)、またはDITバージョン(BITalinoという名前)があります。
結論として、提示されたプロトコルを使用して複数のセンサーを製造でき、さまざまなヘルスモニタリングアプリケーション用に使用できます。例えば、タトゥーベースのPEDOT:PSS多電極アレイ(MEA)は、自然な顔の動きを損なわず、変化のない生体信号記録を可能にするため、顔のEMGに首尾よく採用されています25,35。しかしながら、薄くて伸縮性のある電極は、低コストの伸縮性パンティストッキング基材上にPEDOT:PSSをインクジェット印刷することによって製造されており、ユーザ33の不快感を最小限に抑えながら、安静時および運動条件下の両方で高品質のECG記録を得ている。このプロトコルにより、既製の基板に導電性インクをパターニングすることで、柔らかく、順応性があり、快適な皮膚センサーを得ました。インクジェット印刷は、従来のマイクロエレクトロニクス製造プロセスから際立っている低コストでスケーラブルな技術です。提案手法は,弱い神経活動から高出力の筋肉収縮まで様々な電気生理学的信号を獲得する方法を記述している.これらの信号により、ユーザーの身体の生理学的状態に関する洞察を得ることができます。全体として、私たちは、フィットネスからヘルスケアモニタリングまで、さまざまな生物医学的アプリケーションのためのシームレスなウェアラブル電子機器の実現可能性に関する最初のステップを紹介します。
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Disclosures
著者らは、開示する利益相反はありません。
Acknowledgments
この研究は、ANR JCJC OrgTexプロジェクト(ANR-17-CE19-0010)を通じてフランス国立研究庁の支援を受けた。また、欧州連合(EU)のHorizon 2020研究・イノベーションプログラムから、マリー・スクロドフスカ・キュリー助成金協定第813863号に基づく資金提供を受けています。E.I.は、プロヴァンスのマイクロエレクトロニクスセンターのCMPクリーンルームスタッフに、プロジェクトの開発中の技術サポートに感謝します。
Materials
| 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 |
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