Uyumlu Giyilebilir Elektrotlar: İmalattan Elektrofizyolojik Değerlendirmeye.

Summary

Son iki teknoloji - dövme ve tekstil - kutanöz algılamada umut verici sonuçlar göstermiştir. Burada, kutanöz elektrofizyolojik algılama için dövme ve tekstil elektrotlarının üretim ve değerlendirme yöntemlerini sunuyoruz. İletken polimerlerden yapılmış bu elektronik arayüzler, konfor ve hassasiyet açısından mevcut standartlardan daha iyi performans göstermektedir.

Abstract

Giyilebilir elektronik cihazlar, fiziksel aktivite takibi sırasında ağırlıklı olarak değiştirilen vücut sinyallerinin izlenmesinde kilit oyuncular haline geliyor. Nesnelerin İnterneti çağının yükselişiyle teletıp ve kişiselleştirilmiş bakıma olan ilginin artması göz önüne alındığında, giyilebilir sensörler uygulama alanlarını sağlık hizmetlerine genişletti. Klinik olarak ilgili verilerin toplanmasını sağlamak için, bu cihazların yüksek sinyal kalitesinde kayıtlar ve uzun süreli çalışma sağlamak için insan vücuduyla uyumlu arayüzler oluşturması gerekir. Bu amaçla, bu makale, geniş bir yüzey elektrofizyolojik kayıt yelpazesinde giyilebilir organik elektronik cihazlar olarak uygulamaları için uyumlu ince dövme ve yumuşak tekstil tabanlı sensörleri kolayca üretmek için bir yöntem sunmaktadır.

Sensörler, biyoelektronikte en popüler iletken polimer olan poli(3,4-etilendioksitiofen)-poli(stirensülfonat) (PEDOT:PSS) kullanılarak, kullanıma hazır, giyilebilir substratlar üzerinde uygun maliyetli ve ölçeklenebilir bir kutanöz elektrot modelleme süreci ile geliştirilmiştir. Bu yazıda, cilt ile birleştiğinde sinyal iletimindeki performanslarını araştırmak için empedans spektroskopisi yoluyla elektrot karakterizasyonunda önemli adımlar sunulmaktadır. Yeni sensörlerin performansını klinik altın standarda göre konumlandırmak için karşılaştırmalı çalışmalara ihtiyaç vardır. Üretilen sensörlerin performansını doğrulamak için bu protokol, laboratuvar ortamında kullanıcı dostu ve taşınabilir bir elektronik kurulum yoluyla farklı konfigürasyonlardan çeşitli biyosinyal kayıtlarının nasıl gerçekleştirileceğini gösterir. Bu yöntem belgesi, insan vücudu sağlığının izlenmesi için giyilebilir sensörlerdeki mevcut teknolojiyi ilerletmek için birden fazla deneysel girişime izin verecektir.

Introduction

Noninvaziv biyopotansiyel kayıt, cilt ile temas eden elektrotlar aracılığıyla gerçekleştirilir ve insan vücudunun fitness ve sağlık hizmetlerinde fizyolojik durumu hakkında çok miktarda veri sağlar¹. Elektronikteki en son teknolojik gelişmelerden, entegre kontrol ve iletişim bileşenlerinin ölçeklerinin küçültülmesi yoluyla taşınabilir boyutlara indirgenmesi yoluyla yeni giyilebilir biyoizleme cihazları türleri geliştirilmiştir. Akıllı izleme cihazları her gün pazara yayılmakta ve tıbbi teşhisi mümkün kılmak için yeterli fizyolojik içerik sağlama nihai hedefiyle birden fazla izleme yeteneği sunmaktadır^. Bu nedenle, insan vücudu ile güvenli, güvenilir ve sağlam arayüzler, sağlık hizmetleri için meşru giyilebilir teknolojilerin geliştirilmesinde kritik zorluklar ortaya koymaktadır. Dövme ve tekstil elektrotları son zamanlarda giyilebilir biyosensing ^3,4,5 için yenilikçi^, konforlu cihazlar olarak algılanan güvenilir ve istikrarlı arayüzler olarak ortaya çıkmıştır.

Dövme sensörleri, düşük kalınlıkları (~ 1 μm) sayesinde yapışkansız, uyumlu cilt teması sağlayan kuru ve ince arayüzlerdir. Bunlar, ciltte ultra ince bir polimerik tabakanın salınmasına izin veren katmanlı bir yapıdan oluşan ticari olarak temin edilebilen bir dövme kağıdı kitine dayanmaktadır⁶. Katmanlı yapı ayrıca sensörün üretim işlemi sırasında ince polimerik tabakanın kolay kullanılmasını ve cilde aktarılmasını sağlar. Son elektrot tamamen uyumludur ve kullanıcı tarafından neredeyse algılanamaz. Tekstil sensörleri, elektroaktif malzemelerle kumaş fonksiyonelleştirilmesinden elde edilen elektronik cihazlardır⁷. Yumuşaklıkları, nefes alabilirlikleri ve giysilerle belirgin yakınlıkları nedeniyle kullanıcının rahatlığını sağlamak için esas olarak kıyafetlere entegre edilir veya basitçe dikilirler. Neredeyse on yıldır, tekstil ve dövme elektrotları yüzey elektrofizyolojik kayıtlarında ^3,8,9 olarak değerlendirilmiş^, hem giyilebilirlik hem de sinyal kalitesi kayıtlarında iyi sonuçlar vermiş ve kısa ve uzun vadeli değerlendirmelerde yüksek sinyal-gürültü oranı (SNR) bildirilmiştir. Ayrıca giyilebilir biyokimyasal ter analizi için potansiyel bir platform olarak tasarlanmıştır ^1,10.

Dövme, tekstil ve genel olarak esnek ince film teknolojilerine (örneğin, parilen veya farklı elastomerler gibi plastik folyolardan yapılanlar) artan ilgi, esas olarak düşük maliyetli ve ölçeklenebilir imalat yöntemleriyle uyumluluk ile desteklenmektedir. Serigrafi, mürekkep püskürtmeli baskı, doğrudan desenleme, daldırma kaplama ve damga aktarımı, bu tür elektronik arayüzler üretmek için başarıyla benimsenmiştir¹¹. Bunlar arasında mürekkep püskürtmeli baskı en gelişmiş dijital ve hızlı prototipleme tekniğidir. Esas olarak iletken mürekkeplerin ortam koşullarında ve çok çeşitli substratlarda temassız, katkı maddesi şeklinde desenlenmesine uygulanır¹². Her ne kadar birden fazla giyilebilir sensör asil metal mürekkep deseni¹³ ile üretilmiş olsa da, metal filmler kırılgandır ve mekanik olarak gerildiğinde çatlamaya maruz kalır. Farklı araştırma grupları, metallere cilt ile mekanik uyumluluk özelliği kazandırmak için farklı stratejiler benimsemiştir. Bu stratejiler arasında film kalınlığının azaltılması ve serpantin tasarımlarının veya buruşuk ve önceden gerilmiş substratların^{kullanılması 14,15,16 yer almaktadır}. İletken polimerler gibi yumuşak ve özünde esnek iletken malzemeler, uygulamalarını esnek biyoelektronik cihazlarda buldu. Polimerik esneklikleri elektrik ve iyonik iletkenlik ile birleştirilir. PEDOT: PSS, biyoelektronikte en çok kullanılan iletken polimerdir. Yumuşaklık, biyouyumluluk, sürdürülebilirlik ve baskı işlenebilirliği¹⁷ ile karakterizedir ve bu da onu biyomedikal cihazların yaygın üretimi ile uyumlu kılar.

Bir edinme sistemine bağlı düzlemsel elektrotlar gibi cihazlar, sağlık izlemede biyopotansiyellerin kaydedilmesine izin verir. İnsan vücudu biyopotansiyelleri, vücuttan cilt yüzeyine kadar yayılan elektrojenik hücreler tarafından üretilen elektrik sinyalleridir. Elektrotların yerleştirildiği yere göre, beynin elektriksel aktivitesi (EEG), kaslar (EMG), kalp (EKG) ve cilt iletkenliği (örneğin, biyoempedans veya elektrodermal aktivite, EDA) ile ilgili veriler elde etmek mümkündür. Daha sonra verilerin kalitesi, elektrotların klinik uygulamalarda kullanılabilirliğini değerlendirmek için değerlendirilir. Yüksek SNR, tipik olarak son teknoloji Ag / AgCl elektrot kayıtlarıyla karşılaştırılan performanslarını¹⁸ olarak tanımlar. Ag/AgCl elektrotları da yüksek SNR'ye sahip olmasına rağmen, uzun süreli çalışma kabiliyetinden ve uyumlu giyilebilirlikten yoksundur. Yüksek kaliteli biyosinyal kayıtları, belirli bir organın işleviyle ilgili insan sağlığı durumu hakkında fikir verir. Bu nedenle, rahat dövme veya tekstil arayüzlerinin bu faydaları, gerçek hayattaki mobil sağlık izlemeyi mümkün kılabilecek ve teletıp^19'un geliştirilmesinin önünü açabilecek uzun vadeli uygulamalar için vaatlerini göstermektedir.

Bu makale, sağlık biyomonitörizasyonunda dövme ve tekstil elektrotlarının nasıl üretileceğini ve değerlendirileceğini bildirmektedir. Üretiminden sonra, yeni bir elektrot karakterize edilmelidir. Tipik olarak, elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS), elektrotun transfer fonksiyonu açısından bir hedef arayüze (örneğin cilt) göre elektriksel performansını incelemek için benimsenmiştir. EIS, birden fazla elektrotun empedans özelliklerini karşılaştırmak ve farklı koşullar altında testler yapmak için kullanılır (örneğin, elektrot tasarımını değiştirmek veya uzun vadeli tepkileri incelemek). Bu makale, yüzey biyosinyallerinin kolay bir kurulumla kaydedilmesini göstermektedir ve kutanöz biyopotansiyel kayıtlar için doğrulanması gereken herhangi bir yeni imal elektrot için geçerli olan farklı biyosinyal türlerini kaydetmek için kullanıcı dostu bir yöntem bildirmektedir.

Protocol

NOT: İnsan denekleri içeren deneyler, bireyin sağlık durumuyla ilgili tanımlanabilir özel bilgilerin toplanmasını içermemiştir ve burada yalnızca teknolojik gösterim için kullanılmaktadır. Verilerin ortalaması üç farklı denek üzerinden alınmıştır. Elektrofizyolojik kayıtlar daha önce yayınlanmış ^6,21 verilerinden çıkarıldı.

1. Mürekkep püskürtmeli baskılı PEDOT: PSS elektrot üretimi

NOT: Aşağıdaki protokol, ticari, esnek substratlar-dövme kağıdı⁶ ve tekstil²¹ üzerinde elektrofizyoloji için elektrotlar üretmek için kullanılmıştır. Aynı yaklaşım, ince plastik folyolar²² gibi esnek yüzeyler üzerinde elektrotlar yapmak için büyük ölçüde benimsenmiştir. Her durumda, PEDOT:PSS'nin desenlenmesi için bir mürekkep püskürtmeli yazıcı kullanılmıştır ( bkz.

1. Elektrot substrat ön işleme
   1. İlgilenilen substratın bir parçasını kesin.
      1. Bir dövme substratı kullanırken, kağıttan en üstteki, suda çözünür tabakayı çıkarmak için yazdırmadan önce suyla yıkayın²³.
         NOT: Dövme kağıdı kiti, bu çalışmada hem dövme yapışmasını arttırmak hem de pasivasyon tabakası olarak kullanılan bir tutkal tabakası ile birlikte verilir. Dövme kağıdı, destekleyici bir kağıt tabaka, suda çözünür bir polivinilalkol (PVA) tabakası, kiralanabilir bir poliüretan film ve en üstteki PVA tabakası dahil olmak üzere katmanlı bir yapıya (Ek Şekil S1) sahiptir. Tutkal tabakası, destek olarak silikon kağıttan, su bazlı akrilik yapıştırıcıdan ve üst serbest bırakma astarı olarak katmanlı bir yapıya sahiptir.
   2. Giyilebilir sensörler üretmek için, ilgilendiğiniz alt tabakayı kesmeye başlayın. Alt tabakayı yazıcı plakasına yerleştirin ve düz tutmak için kenarlığına dokunun.
2. PEDOT baskısı: PSS mürekkep
   1. Tasarımı, altta dikdörtgen bir ped (3 mm x 7 mm) olan bir daire (12 mm çapında) gibi, ara bağlantı için kullanılacak şekilde yazdıracak şekilde hazırlayın.
   2. Yazıcı kartuşlarını (10 pl) filtreledikten sonra PEDOT:PSS ticari mürekkebi ile doldurun. Bu, iletken polimerin sulu bir dispersiyonudur.
   3. Tasarımı alt tabakaya yazdırın.
      1. Sırasıyla orta-yüksek yüzey enerjisine ve emici özelliklere sahip dövme kağıdı ve tekstil kullanırken, ~ 20 μm'lik bir damla aralığıyla yazdırın.
      2. Homojen ve sürekli iletken bir desen oluşturmak için katmanlar arasında ardışık olarak veya bir kurutma işlemi (15 dakika boyunca 110 °C) uygulayarak birden fazla PEDOT:PSS katmanı yazdırın.
         NOT: Bu, özellikle tekstillerin 3D benzeri yapısının, kumaş içinde sürekli bir iletken yol oluşturmak için daha fazla mürekkep içeriği gerektirdiği tekstil elektrotları için gereklidir.
   4. Solvent buharlaşmasını tamamlamak için elektrodu 110 °C'de fırında 15 dakika kurutun.
      NOT: Tekstil, PET ve dövme kağıdı üzerine (Şekil 1A-C) tek seferde birden fazla cihaz yazdırılarak elde edilen elektrotlar (Şekil 1D) artık sonraki adımlara geçmeden önce kapalı, temiz ve kuru bir ortamda saklanabilir.
3. Harici konnektör imalatı
   1. Dövme elektrotları
      1. Dikdörtgen bir polietilen naftalat (PEN) substrat parçasını kesin (8 mm x 12 mm, 1,3 mm kalınlık).
      2. Alt tabakanın üzerine üç PEDOT:PSS katmanı ile dikdörtgen bir tasarım (3 mm x 12 mm) yazdırın.
      3. Basılı numuneyi fırında 110 °C'de 15 dakika kurulayın.
      4. PEN ara bağlantısını dövme elektroduna PEDOT:PSS dikdörtgen parçaları birbirine bakacak şekilde lamine edin.
      5. Dövme kağıdı tutkal tabakasında bir delik (çap 11,3 mm) kesin. Tutkal tabakasının bu deliğini, dövme PEDOT: PSS elektrodunun dairesel algılama kısmı ile hizalayın. PEN ara bağlantısının serbest ucuna bir parça poliimid bant ekleyin (Malzeme Tablosuna bakın).
   2. Tekstil ve plastik folyo elektrotları
      1. Sağlam ve kararlı bir ara bağlantı elde etmek için dikdörtgen baskılı bağlantının etrafına bir parça iletken bant (örneğin bakır bant) takın.
      2. Bakır banda bir pogo pim konektörü takın ve pogo pimini kayıt sistemine bağlayın.
4. Dövme elektrot transferi
   1. Tutkal astarını çıkarın. Dövmeyi cildin istenen kısmına yerleştirin.
   2. Arka destek kağıdını ıslatın, dövmeyi yerinde tutun. Arka destek kağıdı ıslatıldıktan sonra, çıkarmak için kaydırın, sadece aktarılabilir ultra ince filmden yapılmış elektrodu cilt üzerinde bırakın.
   3. Düz PEN kontağını harici alma ünitesine takın. Bkz. bölüm 1.3.
5. Tekstil elektrot konumlandırma
   1. Elektrodu cilde yerleştirin. Bir kumaş spor bileziği veya tıbbi bant yardımıyla, hareket sırasında yüksek kaliteli sinyal kayıtları sağlamak için elektrodu ciltle sabit temas halinde tutun.
6. İstenilen yüzey elektrofizyolojik kaydını gerçekleştirin. Dövme elektrotlarını kayıtlardan sonra ıslak bir süngerle ovalayarak yıkayın.

2. Elektrokimyasal empedans spektroskopisi kullanılarak elektrot karakterizasyonu

1. Vücut ölçümü
   1. Gönüllünün, dinlenme halindeki bir masanın üzerine yerleştirilmiş bir kolla rahatça oturduğundan emin olun.
      NOT: Cilt temizliği veya fırçalama gerekmez.
2. Elektrot yerleştirme
   1. Cilde bir elektrot yerleştirin ve EIS'nin çalışan elektrot algılama elektroduna (WE-S) bağlayın.
   2. İlkinden 3 cm uzakta başka bir elektrot yerleştirin ve EIS'nin sayaç elektroduna (CE) bağlayın.
   3. Üçüncü elektrodu dirseğe yerleştirin ve EIS'nin referans elektroduna (RE) bağlayın. Üç elektrotun kurulumu için Şekil 2A'ya bakınız.
      NOT: EIS'nin CE ve RE'sine bağlı elektrotlar, bu çalışmada WE için olduğu gibi, hem Ag / AgCl elektrotları hem de PEDOT: PSS'den yapılmış olabilir.
3. EIS potansiyostatında kaydı başlatın. Sayaç ve çalışma elektrotları arasına bir akım uygulayın. Referans ve algılama çifti arasındaki potansiyel varyasyonu ölçün.
   NOT: Edinme sistemi ile dövme ve tekstil elektrot bağlantısı, potansiyostat kabloları ile sabit bir elektrik bağlantısı oluşturmak için bir klipsle yapılabilir. Her frekansta hesaplanan çıkış empedansı iki katkıdan oluşur: cilt empedansı ve cilt-elektrot temas empedansı.

3. Yüzey elektrofizyolojik kayıtları

NOT: Aşağıdaki bölümde, ilgilenilen her biyosinyal için elektrot yerleşimi açıklanmaktadır. Elektrotlar doğru şekilde yerleştirildikten ve cilde iyi bağlandıktan sonra, kayıtları başlatmak için taşınabilir toplama sistemine bağlanabilirler. Bu makalenin video içeriği, piyasada satılan Ag/AgCl elektrotları ve taşınabilir bir elektronik ünite kullanılarak elektrofizyolojik izlemeye bir örnek gösterilmektedir.

1. EKG için, iki veya üç (biri toprak olarak kullanılan) elektrotlu giyilebilir bir konfigürasyon benimseyin. Kayda değer bir sinyal almak için elektrotları minimum 6 cm'lik bir elektrot mesafesi ile birden fazla vücut bölgesine (örneğin, göğüs, bilek, kaburga) yerleştirin.
   NOT: Klasik bir konum, sol ve sağ klavikulalara iki elektrotun yerleştirilmesini gerektirir; Bu durumda, toprak elektrodu sol iliak tepeye yerleştirilebilir.
2. Kas elektriksel aktivitesi kaydı (EMG) için, elektrotları ilgilenilen kas boyunca yerleştirin (örneğin, biseps veya baldır). Toprak elektrodunu bitişik kemik gibi statik bir yere yerleştirin.
3. Beyin elektriksel aktivite kaydı (EEG) için, elektrotları kafanın birden fazla yerine yerleştirin.
   NOT: Rahat yerler alın ve dış kulakların etrafıdır. Tipik olarak mastoid kemikte kulağın arkasında bir referans elektrodu gerekebilir.
4. Elektrodermal aktivite ölçümleri (EDA) için, sol elin avucuna iki elektrot yerleştirin. Kaydı konu dinlenirken veya fiziksel egzersiz yaparken gerçekleştirin.
   NOT: Cilt empedansı tüm vücut yüzeyi üzerinden ölçülebilir (örneğin, kaburgalar, arkada, ayak tabanında); 6 cm'lik yeterli bir interelektrot mesafesi iyi izleme sağlar.

Representative Results

Bu makale, mürekkep püskürtmeli baskı ile rahat cilt temaslı elektrotların üretimini ve bunları karakterize etmek ve elektrofizyoloji kayıtlarını gerçekleştirmek için bir yöntemi göstermektedir. PEDOT:PSS mürekkep püskürtmeli baskının üretim adımlarını doğrudan kumaş (Şekil 1A), PEN (Şekil 1B) ve dövme kağıdı (Şekil 1C, D) gibi farklı yüzeylere referans olarak bildirdik. Protokol adım 1.2.1'de önerilen tasarımlar. ve adım 1.3.1.5. elektrotları esas olarak kliniklerde benimsenen son teknoloji Ag / AgCl ile karşılaştırmak için 1^cm2'lik dairesel bir algılama alanı tanımlayın.

Elektrotların performansını karakterize etmek için, empedansları üç elektrotlu EIS kurulumu ile ölçülmüştür (Şekil 2A, B). Bu yöntem, kola yerleştirilen elektrotlarla vücut ölçümleri yaparken cilt-elektrot empedansının incelenmesine izin verir. Örnek olarak, tekstil elektrotlarının temsili empedansı, empedans modülünün Bode grafiğinde bildirildiği Şekil 2C'de bildirilmiştir. Tekstil elektrotları, elektrofizyolojide altın standart olan Ag / AgCl elektrotlarından biraz daha yüksek ancak karşılaştırılabilir empedanslar sergiler. Empedans modülünün şekli (Şekil 2C), tekstil elektrotlarında biraz daha yüksek bir direnç davranışına işaret ederken, standart Ag / AgCl tipik dirençli-kapasitif davranış²⁴ gösterir. Her üç elektrot türü, dövme, tekstil ve ince folyolar, EIS aracılığıyla incelenmiş ve arayüzlerinin cilt²⁵ ile karakterizasyonunu sağlamıştır.

Elektrotları cilt üzerine Şekil 3'te gösterildiği gibi farklı vücut bölgelerine yerleştirerek, çoklu biyosinyallere (örneğin, EEG, EKG, EMG ve EDA) erişebiliriz. Biyosinyal kayıtları, elektrotları uygun taşınabilir veya laboratuvar ölçeğinde enstrümantasyona bağlayarak kolayca elde edilebilir. Şekil 3A, EEG izlemesini gösterir - aktif nöronların popülasyonlarının elektriksel aktivite kaydı. Beyin dalgalarının temel gruplarından biri alfa dalgalarıdır (8-13 Hz). Alfa dalgaları, gevşeme altındaki beynin durumunu yansıtır ve deneğin gözlerini kapatmasını isteyerek indüklenebilir²⁶. Gri dikey kesikli çizgi (Şekil 3A), kayıtta gönüllüden gözlerini açmasının istendiği anı işaret eder. Şekil 3B'deki EKG izlemesinde, kalbin atriyum ve ventriküllerinin polarizasyonu ve depolarizasyonu, P dalgası, QRS kompleksi ve bir T dalgası^27'den oluşan karakteristik model ile temsil edilir. Şekil 3B'de, QRS kompleksi tanımlanabilir ve R zirveleri en yüksek genliği gösterir ve ardışık iki arasındaki süreyi dikkate alarak kalp atış hızını hesaplamak için kullanılır.

Şekil 3C, EMG izlemesini gösterirken, gönüllü kol kaslarının kuvvetini kademeli olarak arttırdı. Yoğunlaştırılmış kas aktivitesi, voltaj piklerinin artan genliği ile ölçülür. Bir EMG izlemede, 10-1.000 Hz frekans aralığında, birkaç mikrovolttan birkaç milivolta kadar genliğe sahip sivri uçlar, motor birim aksiyon potansiyelleri tarafından yönlendirilen kas lifi aktivitesini yansıtır. Şekil 3D, tipik olarak tonik ve fazik bileşenlerden oluşan EDA izlemesini göstermektedir. Tonik bileşen cilt iletkenlik seviyesini yansıtır ve arka plan sinyaline karşılık gelir. Fazik bileşen, öznenin belirli bir uyarana tepkisini yansıtır ve cilt iletkenlik değeri^28'deki bir değişiklikle tespit edilebilir. Bu izleme, insan stres seviyelerini ve vücut hidrasyonunu değerlendirmek için kullanılır.

Resim 1: PEDOT: PSS mürekkep püskürtmeli baskılı elektrotlar. (A) %100 pamuklu kumaş, (B) PET folyo ve (C) geçici dövme kağıdı üzerine basılmış elektrotlar. (D) Dövme kağıdı alt tabakasına birden fazla PEDOT: PSS elektrodu yazdırırken mürekkep püskürtmeli yazıcının fotoğrafı. Kısaltmalar: PET = polietilen tereftalat; PEDOT: PSS = poli (3,4-etilendioksitiyofen)-poli (stirensülfonat). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: EIS ölçümleri. (A) Vücut üzerindeki EIS ölçümü için elektrot konfigürasyonunun şeması; çalışma elektrodu, sayaç Ag / AgCl elektrodundan 3 cm uzağa yerleştirilir; Ag/AgCl referansı gönüllünün dirseğine yerleştirilir. (B) Ciltteki EIS ölçümleri için üç elektrotlu kurulumun şeması. Sayaç ve çalışma elektrotları arasında bir akım uygulanır ve referans ve duyu elektrotları arasındaki voltaj ölçülür. (C) Ag/AgCl ve PEDOT'un empedans modülü: PSS-iyonik sıvı jel tekstil elektrotları (sırasıyla mavi ve yeşil eğriler). Empedans, koldaki üç elektrotlu bir kurulumla ölçüldü. Bu rakam Bihar ve ^ark.21'den değiştirilmiştir. Kısaltmalar: EIS = elektrokimyasal empedans spektroskopisi; CE = sayaç elektrodu; WE = çalışma elektrodu; RE = referans elektrodu; S = duyu elektrodu; PEDOT: PSS = poli(3,4-etilendioksitiofen)-poli(stirensülfonat). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: İlgili elektrofizyolojik kayıt izlemeleri ile elektrot gövdesi konumlandırma şeması . (A) EEG izleme. Kesikli dikey çizgi, alfa dalgaları olan bir durumdan olmayan bir duruma geçişi gösterir; bu, gönüllüden gözlerini açmasının istendiği zamana denk gelir. (B) EKG takibi. Üst sivri uçlar, QRS kompleksine ait R zirvelerini temsil eder. (C) EMG izleme. Kas aktivitesi, gönüllü tarafından uyandırılan kasın artan aktivitesi ile genliği artan bir voltaj sinyali ile temsil edilir. (D) EDA izleme. İlk 2 s sırasında, sinyal tonik bileşeni temsil ederken, aşağıdaki genlik artışı, gönüllünün bir uyarana tepkisini yansıtan fazik bileşeni gösterir. Tüm kayıtlar Ag/AgCl elektrotları ile sağlıklı bir gönüllü üzerinde gerçekleştirildi. Kısaltmalar: EEG = elektroensefalografi; EKG = elektrokardiyografi; EMG = elektromiyografi; EDA = elektrodermal aktivite. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil S1: Dövme kağıdı katmanlı yapı şeması. Bir destek kağıdı tabakası, bir poliüretan ve diğer polimer karışımı ile yapılan kiralanabilir nanofilmi destekler. İki suda çözünür polivinilalkol (PVA) tabakası filmin her iki tarafını kaplar. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.

Discussion

Bu makale, giyilebilir elektrotlar üretmek için kolay ve ölçeklenebilir bir süreci açıklamakta ve elektrofizyolojik biyosinyalleri kaydetmek için bir yöntem göstermektedir. Dövme, tekstil ve ince filmler gibi giyilebilir alt tabakaların üç örneğini kullanır. Bu yüzeyler üzerinde bir sensörün nasıl oluşturulacağını ve uygulamadan önce performansının nasıl karakterize edileceğini tanıtmaktadır. Elektrotları burada yapmak için, yeşil işleme²⁹ ile uyumluluğu için maliyet etkinliği, çok yönlü işlenebilirliği, biyouyumluluğu, yumuşaklığı ve sürdürülebilirliği nedeniyle metal bazlı iletkenlerden sıyrılan iletken bir polimer olan PEDOT: PSS'yi kullandık. PEDOT: Kullanıma hazır alt tabakalarda PSS desenlemesi, mürekkep birikiminin tasarım özgürlüğü ile hassas bir şekilde kontrol edilmesini sağlayan bir mürekkep püskürtmeli baskı tekniği ile sağlanmıştır (Şekil 1).

Mürekkep püskürtmeli baskı, geleneksel fotolitografi mikrofabrikasyon işlemleriyle kimyasal ve fiziksel olarak uyumsuz olan esnek ve geleneksel olmayan substratların seçici işlevselleştirilmesini sağlayan temassız bir tekniktir. Elektrot üretimi için sıklıkla kullanılan bir başka teknik olan serigrafi baskı ile karşılaştırıldığında, mürekkep püskürtmeli maske gerektirmez, bu nedenle daha düşük mürekkep atığı ve basit özelleştirme³⁰ ile sonuçlanır. Inkjet teknolojisi, kalınlığı çok katmanlı biriktirme ile titizlikle kontrol eder (mürekkep püskürtmeli: <1 μm ve ekran: >birkaç μm). Gerçekten de, dövme kağıdına baskı yaparken (Şekil 1D), bir PEDOT: PSS baskılı tabaka (240 nm ± 30 nm kalınlığı), homojen bir iletken film elde etmek için yeterlidir (Şekil 1C), mikrometre altı kalınlığa sahip, rugosity^31'i takiben cilde doğal olarak yapışır. Bununla birlikte, kumaşlara baskı yaparken, mürekkep örme veya sallanan ipliklerin oluşturduğu 3D gözenekli yapıların üzerine düşer (Şekil 1A). Kaplanmış lifler arasında elektrik bağlantısı elde etmek için çoklu katmanlar gereklidir, bu da tekstil maddesini kontrollü ve özelleştirilmiş bir şekilde işlevselleştirir³².

Yeni ve atipik yüzeylere baskı yaparken, üretim sürecinin performansı ve hızı arasındaki dengeyi göz önünde bulundurarak en uygun sayıda basılı katman bulmak çok önemlidir. Tekstil elektrot üretimi için, baskı sırasında alt tabakanın düz tutulmasına dikkat edilmelidir (bkz. protokol bölüm 1.3.). Bu nedenle, baskı stratejisi, çok katmanlı biriktirmede baskı düzenini optimize etmeyi ve ardışık malzemelerin biriktirilmesinde hizalama olasılığını göz önünde bulundurmalıdır.

Bununla birlikte, bu elektrotların ve bunların imalatının bazı sınırlamalarına dikkat çekmek önemlidir. Tekstil elektrotları, bir jel elektrolitin ek baskı adımlarına ihtiyaç duyabilir. Cilt-elektrot temas empedansının azaltılmasında önemli bir rol oynadığı ve böylece yüksek kaliteli biyosinyal kayıtları sağladığı gösterilmiştir³³ Ayrıca, tekstil giyilebilir sensörlerinin yıkanabilirliği, giysilere tam entegrasyon öngörülürken kritik bir husustur. Tekstil substratının ve iletken polimer mürekkebin fizikokimyasal özellikleri, son cihazın yıkama döngülerine uygunluğunu etkiler. Bu nedenle, uzun vadeli performanslarını tam olarak değerlendirmek için yukarıda belirtilen yönü kapsamlı bir şekilde araştırmak gerekir.

Dövme sensörü imalatında, hassas bir adım, dövme sensörü ile edinme sistemi arasındaki en iyi elektrik bağlantısını bulmaktır (bkz. protokol bölüm 1.3.). Gerçekten de, dövme teknolojisi, dövme elektrotlarını algılanamaz kılan ince film formatı nedeniyle ilgi kazanmıştır. Bu nedenle, manipülasyonları, özellikle ara bağlantı parçasına mekanik gerilim uygulandığında özel dikkat gerektirir. Dövmelerin, destekleyici kağıdın suyla ıslatılmasını gerektiren cilde transfer mekanizmasını hatırlamak da önemlidir. Bu yöntem basit olmasına rağmen, su ile önceden transfer edilmiş dövme sensörü arasındaki ani temas, ikincisini delaminasyona uğratacaktır. Ultra ince dövmelerin uyumluluğu giyilebilir teknoloji için önemli bir avantaj olsa da, suya karşı kırılganlık ve sürtünme mekanik stresleri dövme sensörünün çalışma süresini birkaç güne daraltır.

Yeni bir elektrot türü tanıtıldığında, EIS, bir uygulamaya geçmeden önce elektrotun performansının kıyaslama (Ag / AgCl elektrotları) ile karşılaştırıldığında birincil değerlendirmesini sağlamaya yardımcı olur. Protokol bölüm 2, fabrikasyon elektrotların EIS ölçümlerini, doğrudan insan vücuduna yerleştirildiğinde, elektriksel olarak ciltle nasıl birleştirildiklerine dair fikir edinmek için tanımladı. Üç elektrot konfigürasyonu (Şekil 2A, B), cilt-elektrot arayüzü üzerinden sinyal aktarım kapasitesini değerlendirir. İncelenecek yeni elektrot, EIS'nin WE ve S'sine bağlı olanıdır. Diğer iki elektrot CE ve RE olarak kullanılır. EIS, CE ve WE arasında küçük (0.1 V) bir sinüzoidal akımın (0.1-100 Hz) uygulandığı potansiyostatik bir modda gerçekleştirilirken, potansiyel varyasyon RE-S çifti boyunca ölçülür. Empedans daha sonra her frekansta hesaplanır. Ölçülen empedans iki katkıdan oluşur: cilt empedansı ve cilt-elektrot temas empedansı.

Bir elektrotun kapasitif ve dirençli davranışları EIS grafiklerinden tanımlanır (Şekil 2C). Deneysel verilere uyacak eşdeğer devreler geliştirerek, bir elektrotun biyosinyalleri nasıl dönüştürdüğünü ve cilt³⁴ ile nasıl bir arayüz oluşturduğunu anlamak mümkündür. Dövme elektrotları kuru ve cilde yapışmış olsa da, empedansları standart jelleştirilmiş Ag / AgCl elektrotlarından biraz farklıdır. Cilt ve elektrot arasında bir jel arayüzünün varlığı, sinyal iletimini teşvik eder ve temas empedansını düşürür.

Mekanik dayanım, giyilebilir cihazların bir diğer önemli özelliğidir. Tekstil PEDOT: PSS elektrotlarının gerilme stresine dayandığı gösterilmiştir³³. Baskılı iyonik sıvı jellerle birlikte, ciltle sabit elektrik teması ve giyilebilir koşullarda mekanik sağlamlık sunarlar. İnsan vücuduyla temas nedeniyle terlemeyi geçirme kabiliyeti kazandıran gerilebilirlik, yumuşaklık ve yapısal gözeneklilik, bu tip elektrotları giyilebilir elektronikler için en uygun teknoloji haline getirmektedir. Bir kez daha, elektronik sistemlerle ara bağlantı hassas olmaya devam ediyor. Bu nedenle, bu sistemler doğrudan kumaşa yatırılabilir.

Kutanöz sensörlerin nihai doğrulaması sadece denekler üzerinde gerçekleştirilebilir. Kutanöz sensörler, denekler arasındaki cilt değişkenliği ve performanslarını doğrudan etkileyen çeşitli dinamik faktörler ve çevresel koşullar tarafından şartlandırılır. Burada, tamamen taşınabilir bir platform üzerinden anlamlı EEG, EKG, EMG ve EDA izlemelerinin nasıl elde edileceğini gösterdik. Elektrot yerleştirme, izleme sırasında güvenilir ve doğru bilgi elde etmede önemli bir rol oynar. Şekil 3'te gösterilen kayıtların analizi, elektrotun elektrofizyolojik kayıtlardaki kapasitesini doğrulayabilir ve değerli vücut izleme sonuçları elde edebilir. Kayıt yeteneği son derece zayıf nöral aktiviteden (Şekil 3A) yüksek güçlü kas kasılmalarına (Şekil 3C) kadar değişir.

Şekil 3B ve Şekil 3D'de, kardiyak aktivite ve elektrodermal yanıtlar, imal edilen elektrotların çözünürlüğünü ve duyarlılığını göstermektedir. Biyosinyal kaydı, kullanıcının vücut sağlığı, belirli koşullar altındaki performansı ve belirli iç veya dış uyaranlara verilen yanıt hakkında yararlı veriler sağlayarak uygulamalarını çeşitli biyomedikal çalışmalara genişletir. EKG, EMG, EEG ve EDA gibi biyosinyalleri elde etmek için birden fazla taşınabilir elektronik ön uç mevcuttur. Örnekler, Intan Technologies'den taşınabilir elektrofizyoloji amplifikatör çipleri RHD2216, Shimmer giyilebilir, OT Bioelettronica'dan DueLite cihazı, gelişmiş sürümdeki PLUX kablosuz cihaz (Biosignal PLUX olarak adlandırılır) veya DIT sürümü (BITalino adlı).

Sonuç olarak, çeşitli sağlık izleme uygulamaları için sunulan protokollerle birden fazla sensör üretilebilir. Örneğin, dövme tabanlı PEDOT: PSS çoklu elektrot dizileri (MEA'lar), doğal yüz hareketlerini bozmadıkları ve^25,35 değişiklikten arındırılmış biyosinyal kaydına izin verdikleri için yüz ^EMG'si için başarıyla kullanılmıştır. Bununla birlikte, ince ve gerilebilir elektrotlar, düşük maliyetli, gerilebilir külotlu çorap substratı üzerine mürekkep püskürtmeli baskı PEDOT: PSS ile üretilmiştir ve hem dinlenme hem de hareket koşulları altında, kullanıcı için minimum rahatsızlıkla yüksek kaliteli EKG kayıtları elde edilmiştir³³. Bu protokolle, kullanıma hazır yüzeyler üzerinde iletken mürekkebin desenlenmesi yoluyla yumuşak, uyumlu ve konforlu cilt sensörleri elde ettik. Mürekkep püskürtmeli baskı, geleneksel mikroelektronik üretim süreçlerinden sıyrılan düşük maliyetli ve ölçeklenebilir bir tekniktir. Önerilen yöntem, zayıf nöral aktiviteden yüksek güçlü kas kasılmalarına kadar değişen elektrofizyolojik sinyallerin nasıl elde edileceğini açıklamaktadır. Bu sinyaller, kullanıcının vücudunun fizyolojik durumuna ilişkin içgörülerin elde edilmesini sağlar. Genel olarak, fitness'tan sağlık hizmetlerinin izlenmesine kadar uzanan çeşitli biyomedikal uygulamalar için kesintisiz giyilebilir elektronik cihazların fizibilitesi ile ilgili ilk adımları sunuyoruz.

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