Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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 분석1,10을위한 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.
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Protocol
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).
- 전극 기판 전처리
- 관심있는 기판 조각을 자릅니다.
- 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.
- 문신 기재를 사용하는 경우, 인쇄하기 전에 물로 씻어 종이(23)로부터 최상단의 수용성 층을 제거한다.
- 웨어러블 센서를 제작하려면 관심 있는 기판을 절단하기 시작합니다. 기판을 프린터 플레이트에 놓고 테두리를 테이핑하여 평평하게 유지합니다.
- 관심있는 기판 조각을 자릅니다.
- PEDOT의 인쇄 : PSS 잉크
- 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.
- 프린터 카트리지 (10 pl)를 여과 한 후 PEDOT : PSS 상업용 잉크로 채 웁니다. 이것은 전도성 중합체의 수성 분산액이다.
- 기판에 디자인을 인쇄합니다.
- 중간 정도의 높은 표면 에너지와 흡수 특성을 가진 문신 종이와 섬유를 각각 사용하는 경우 ~ 20μm의 드롭 간격으로 인쇄하십시오.
- 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.
- 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.
- 외부 커넥터 제작
- 문신 전극
- 폴리에틸렌 나프탈레이트 (PEN) 기재 (8 mm x 12 mm, 1.3 mm 두께)의 직사각형 조각을 자른다.
- 기판 위에 세 개의 PEDOT:PSS 레이어가 있는 직사각형 디자인(3mm x 12mm)을 인쇄합니다.
- 인쇄된 샘플을 오븐에서 110°C에서 15분 동안 건조시킨다.
- PEDOT:PSS 직사각형 부품이 서로 마주보고 있는 상태에서 PEN 상호 연결을 문신 전극에 적층합니다.
- 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.
- 섬유 및 플라스틱 호일 전극
- 직사각형 인쇄 연결 주위에 전도성 테이프(예를 들어, 구리 테이프) 조각을 부착하여 견고하고 안정적인 상호 연결을 얻는다.
- 포고 핀 커넥터를 구리 테이프에 꽂고 포고 핀을 레코딩 시스템에 연결합니다.
- 문신 전극
- 문신 전극 전송
- 접착제 라이너를 제거하십시오. 문신을 피부의 원하는 부분에 놓습니다.
- 뒤쪽 지지대를 적시고 문신을 제자리에 유지하십시오. 후면 지지 용지가 담근 후에는 밀어 제거하여 전사 가능한 초박막으로 만든 전극 만 피부에 남겨 둡니다.
- 플랫 PEN 접점을 외부 수집 장치에 꽂습니다. 섹션 1.3을 참조하십시오.
- 섬유 전극 위치 지정
- 전극을 피부에 놓습니다. 직물 스포츠 팔찌 또는 의료용 테이프의 도움으로 전극을 피부와 안정적으로 접촉시켜 이동 중에 고품질 신호 기록을 보장합니다.
- 원하는 표면 전기생리학적 기록을 수행한다. 녹음 후 문신 전극을 젖은 스폰지로 문질러 씻어 내십시오.
2. 전기화학적 임피던스 분광법을 이용한 전극 특성화
- 신체 측정
- 자원 봉사자가 휴식중인 테이블 위에 팔을 올려 놓고 편안하게 앉을 수 있도록하십시오.
참고: 피부 세척이나 스크러빙은 필요하지 않습니다.
- 자원 봉사자가 휴식중인 테이블 위에 팔을 올려 놓고 편안하게 앉을 수 있도록하십시오.
- 전극 배치
- 피부에 하나의 전극을 놓고 EIS의 작동 전극 감지 전극 (WE-S)에 연결하십시오.
- 첫 번째 전극과 3cm 떨어진 곳에 다른 전극을 놓고 EIS의 상대 전극 (CE)에 연결하십시오.
- 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.
- 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.
- 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. - 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.
- 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. - 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.
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Representative Results
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. 전극을 클리닉에서 주로 채택한 최첨단 Ag/AgCl과 비교하기 위해 1cm2의 원형 감지 영역을 정의합니다.
전극의 성능을 특성화하기 위해, 전극의 임피던스는 세 전극 EIS 셋업을 통해 측정되었다(그림 2A,B). 이 방법은 팔에 놓인 전극으로 신체 측정을 수행 할 때 피부 - 전극 임피던스를 연구 할 수있게합니다. 일례로서, 섬유 전극의 대표적인 임피던스는 도 2C에 보고되고, 여기서 임피던스 모듈러스는 Bode 플롯에서 보고된다. 섬유 전극은 전기 생리학의 황금 표준 인 Ag / AgCl 전극보다 약간 높지만 비슷한 임피던스를 나타냅니다. 임피던스 모듈러스의 형상(그림 2C)은 섬유 전극의 경우 약간 더 높은 저항 거동을 나타내는 반면, 표준 Ag/AgCl은 전형적인 저항-정전 용량 거동(24)을 나타낸다. 세 가지 유형의 전극, 문신, 섬유 및 얇은 호일은 모두 EIS를 통해 연구되어 피부와의 인터페이스 특성화(25)를 가능하게합니다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상이한 신체 영역에 피부 상에 전극들을 배치함으로써, 우리는 다수의 생체신호들(예를 들어, EEG, ECG, EMG, 및 EDA)에 접근할 수 있다. 생체 신호 기록은 전극을 적절한 휴대용 또는 실험실 규모의 계측에 연결하여 쉽게 얻을 수 있습니다. 도 3A는 EEG 추적-활성 뉴런 집단의 전기적 활동 기록을 디스플레이한다. 뇌파의 기본 그룹 중 하나는 알파 파 (8-13 Hz)입니다. 알파파는 이완 중인 뇌의 상태를 반영하며, 피험자에게 눈을 감으라고 요청함으로써 유도될 수 있다(26). 회색 세로 파선(그림 3A)은 자원 봉사자가 눈을 뜨도록 요청 받은 순간을 기록에서 표시합니다. 도 3B의 심전도 추적에서, 심장의 심방 및 심실의 편광 및 탈분극은 P파, QRS 복합체, 및 T파(27)로 구성된 특징적인 패턴으로 표현된다. 도 3B에서, QRS 복합체는 식별가능하고, R 피크는 가장 높은 진폭을 보여주며, 두 개의 연속적인 것 사이의 시간을 고려함으로써 심박수를 계산하는데 사용된다.
도 3C 는 자원봉사자들이 팔 근육의 힘을 점진적으로 증가시키는 동안 근전도 추적을 보여준다. 강화 된 근육 활동은 전압 피크의 증가 된 진폭에 의해 정량화됩니다. EMG 추적에서 10-1,000Hz의 주파수 범위에서 몇 마이크로볼트에서 수 밀리볼트까지의 진폭을 가진 스파이크는 모터 유닛 활동 전위에 의해 구동되는 근육 섬유 활동을 반영합니다. 도 3D는 전형적으로 강장제 및 phasic 성분으로 구성된 EDA 추적을 도시한다. 강장제 성분은 피부 컨덕턴스 레벨을 반영하고 배경 신호에 해당합니다. phasic 성분은 특정 자극에 대한 피험자의 반응을 반영하고, 피부 전도도 값28의 변화에 의해 검출가능하다. 이 추적은 인간의 스트레스 수준과 신체 수분 공급을 평가하는 데 사용됩니다.
그림 1: PEDOT:PSS 잉크젯 인쇄 전극. (A) 100 % 면직물, (B) PET 호일 및 (C) 임시 문신 용지에 인쇄 된 전극. (D) 문신 종이 기판에 여러 PEDOT : PSS 전극을 인쇄하는 동안 잉크젯 프린터의 사진. 약어: PET = 폴리에틸렌 테레프탈레이트; PEDOT : PSS = 폴리 (3,4- 에틸렌 디옥시 티오펜) - 폴리 (스티렌 설포 네이트). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 2: EIS 측정. (A) 온바디 EIS 측정을 위한 전극 구성의 개략도; 작동 전극은 카운터 Ag / AgCl 전극에서 3cm 떨어져 배치됩니다. 참조 Ag / AgCl은 자원 봉사자의 팔꿈치에 배치됩니다. (b) 피부에 EIS 측정을 위한 세 전극 셋업의 반응식. 카운터 전극과 작동 전극 사이에 전류가 인가되고, 전압은 기준과 감지 전극 사이에서 측정된다. (C) Ag / AgCl 및 PEDOT의 임피던스 계수 : PSS 이온성 액체 겔 섬유 전극 (각각 파란색과 녹색 곡선). 임피던스는 팔에 세 개의 전극 셋업으로 측정되었다. 이 수치는 Bihar et al.21에서 수정되었습니다. 약어: EIS = 전기화학적 임피던스 분광법; CE = 상대 전극; WE = 작동 전극; RE = 기준 전극; S = 감지 전극; PEDOT: PSS = 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리(스티렌설포네이트). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 3: 전극체 위치 결정 개략도는 각각의 전기생리학적 기록 추적을 통한 것이다. (A) EEG 추적. 파선 세로선은 알파파가 있는 상태에서 없는 상태로 전환되는 것을 나타내며, 이는 자원봉사자가 눈을 뜨도록 요청받았을 때와 일치합니다. (B) 심전도 추적. 상위 스파이크는 QRS 복합체에 속하는 R 피크를 나타냅니다. (C) 근전도 추적. 근육 활동은 자원 봉사자가 불러 일으킨 근육의 활동이 증가함에 따라 진폭이 증가하는 전압 신호로 표현됩니다. (D) EDA 추적. 처음 2초 동안, 신호는 강장제 성분을 나타내고, 다음의 진폭 증가는 자극에 대한 자원봉사자의 반응을 반영하는 phasic 성분을 나타낸다. 모든 기록은 건강한 자원 봉사자에 Ag / AgCl 전극으로 수행되었습니다. 약어: EEG = 뇌파 조영술; 심전도 = 심전도; 근전도 = 근전도; EDA = 표피 활성. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 S1 : 문신 종이 레이어 구조 구성표. 백킹 페이퍼 시트는 폴리우레탄 및 다른 폴리머 혼합물로 만들어진 분리가능한 나노필름을 지지한다. 두 개의 수용성 폴리비닐알코올(PVA) 층이 필름의 양면을 덮습니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
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 가공29와의 호환성으로 인해 금속 기반 도체에서 눈에 띄는 전도성 폴리머 인 PEDOT : PSS를 사용했습니다. PEDOT:기성품 기판의 PSS 패터닝은 설계의 자유로움으로 잉크 증착을 정밀하게 제어할 수 있는 잉크젯 인쇄 기술을 통해 달성되었습니다(그림 1).
잉크젯 인쇄는 전통적인 포토 리소그래피 미세 제조 공정과 화학적으로 물리적으로 양립 할 수없는 유연하고 비 전통적인 기판의 선택적 기능화를 허용하는 비접촉 기술입니다. 스크린 인쇄와 비교할 때, 전극 제조에 자주 사용되는 또 다른 기술인 잉크젯은 마스크를 필요로 하지 않으며, 따라서 잉크 낭비를 줄이고 간단한 사용자 정의(30)를 초래한다. 잉크젯 기술은 다중 층 증착(잉크젯: <1μm 대 스크린: >수 μm)으로 두께를 엄격하게 제어합니다. 실제로, 문신 용지에 인쇄 할 때 (그림 1D), 하나의 PEDOT : PSS 인쇄 층 (240nm ± 30nm의 두께)은 견고성31에 따라 자연스럽게 피부에 부착되는 마이크로 미터 이하의 두께로 균일 한 전도성 필름 (그림 1C)을 얻기에 충분합니다. 그러나 직물에 인쇄할 때 잉크는 뜨개질되거나 흔들린 원사에 의해 생성된 3D 다공성 구조물 위로 떨어집니다(그림 1A). 코팅된 섬유들 사이의 전기적 연결을 얻기 위해서는 다수의 층이 필요하며, 제어되고 맞춤화된 방식으로 섬유 물질을 기능화한다(32).
새로운 기판과 비정형 기판에 인쇄 할 때 제조 공정의 성능과 속도 간의 트레이드 오프를 고려하여 최적의 인쇄 레이어 수를 찾는 것이 중요합니다. 섬유 전극 제조의 경우 인쇄 중에 기판을 평평하게 유지하는 데주의를 기울여야합니다 (프로토콜 섹션 1.3 참조). 따라서 인쇄 전략은 다층 증착에서 인쇄 레이아웃을 최적화하고 연속 재료의 증착에서 정렬 할 수있는 가능성을 고려해야합니다.
그러나 이러한 전극과 그 제조의 몇 가지 한계를 지적하는 것이 중요합니다. 섬유 전극은 겔 전해질의 추가 인쇄 단계가 필요할 수 있습니다. 피부-전극 접촉 임피던스를 감소시키는데 중요한 역할을 한다는 것이 입증되었고, 따라서 고품질의 생체신호 기록(33 )을 제공함으로써, 섬유 웨어러블 센서의 세척성은 옷으로의 완전한 통합을 구상할 때 중요한 측면이다. 섬유 기판과 전도성 폴리머 잉크의 물리 화학적 특성은 최종 장치의 세척 사이클 준수에 영향을 미칩니다. 따라서 장기적인 성과를 완전히 평가하기 위해 앞서 언급 한 측면을 철저히 조사해야합니다.
문신 센서 제작에서 섬세한 단계는 문신 센서와 수집 시스템 간의 최상의 전기 상호 연결을 찾는 것입니다 (프로토콜 섹션 1.3 참조). 사실, 문신 기술은 문신 전극을 인식 할 수 없게 만드는 박막 형식으로 인해 관심을 끌었습니다. 따라서, 이들의 조작은 기계적 응력이 가해질 때, 특히 상호 연결 부분에 특별한주의가 필요합니다. 지지지를 물로 적셔야하는 문신의 피부에 전달 메커니즘을 기억하는 것도 중요합니다. 이 방법은 간단하지만 물과 이미 전송 된 문신 센서 사이의 갑작스런 접촉은 후자를 박리합니다. 초박형 문신의 적합성은 웨어러블 기술의 주요 장점이지만 물에 대한 취약성과 기계적 스트레스로 인해 문신 센서 작동 기간이 며칠로 단축됩니다.
새로운 유형의 전극이 도입되면 EIS는 응용 분야를 진행하기 전에 벤치마크(Ag/AgCl 전극)와 비교하여 전극의 성능을 일차적으로 평가하는 데 도움을 줍니다. 프로토콜 섹션 2는 인체에 직접 배치될 때 제작된 전극의 EIS 측정을 설명하여 이들이 피부와 전기적으로 어떻게 결합되는지에 대한 통찰력을 얻을 수 있도록 했습니다. 세 전극 구성(그림 2A,B)은 스킨-전극 인터페이스를 통한 신호 전달 능력을 평가합니다. 조사될 새로운 전극은 EIS의 WE 및 S에 연결된 전극이다. 다른 두 전극은 CE 및 RE로서 사용된다. EIS는 전위차 모드에서 수행되며, CE와 WE간에 작은(0.1V) 정현파 전류(0.1-100Hz)가 인가되고 RE-S 커플 전체에서 전위 변동이 측정됩니다. 그런 다음 임피던스는 각 주파수에서 계산됩니다. 측정된 임피던스는 피부 임피던스와 피부 전극 접촉 임피던스의 두 가지 기여로 구성됩니다.
전극의 정전 용량 및 저항 거동은 EIS 플롯에서 정의됩니다(그림 2C). 실험 데이터에 적합하도록 등가 회로를 개발함으로써, 전극이 생체 신호를 어떻게 트랜스듀싱하는지, 그리고 그것이 피부(34)와 어떤 종류의 인터페이스를 설정하는지를 이해할 수 있다. 문신 전극은 건조하고 피부에 부착되어 있지만 임피던스는 표준 겔화 된 Ag / AgCl 전극과 약간 다릅니다. 피부와 전극 사이의 젤 계면의 존재는 신호 전달을 촉진하고 접촉 임피던스를 낮춘다.
기계적 강도는 웨어러블의 또 다른 주요 특성입니다. 섬유 PEDOT : PSS 전극은 스트레칭 응력(33)을 견딜 수있는 것으로 입증되었습니다. 인쇄 된 이온 액체 젤과 결합하여 피부와의 안정적인 전기적 접촉과 웨어러블 조건에서 기계적 견고성을 제공합니다. 인체와의 접촉으로 인해 땀을 통과 할 수있는 기능을 부여하는 신축성, 부드러움 및 구조적 다공성은 이러한 유형의 전극을 웨어러블 전자 장치에 가장 적합한 기술로 구동합니다. 다시 한번, 전자 시스템과의 상호 연결은 섬세하게 유지됩니다. 따라서, 이들 시스템은 직물 내로 직접 증착될 수 있다.
피부 센서의 궁극적 인 검증은 피사체에서만 수행 할 수 있습니다. 피부 센서는 피험자 간의 피부 변동성과 다양한 동적 요인 및 환경 조건에 의해 조절되며, 이는 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 여기서는 완전 휴대용 플랫폼을 통해 의미 있는 EEG, ECG, EMG 및 EDA 추적을 얻는 방법을 시연했습니다. 전극 배치는 모니터링 중에 신뢰할 수 있고 정확한 정보를 얻는 데 중요한 역할을합니다. 그림 3에 표시된 기록의 분석은 전기생리학적 기록에서 전극의 능력을 확인하고 귀중한 신체 모니터링 결과를 얻을 수 있습니다. 기록 능력은 매우 약한 신경 활동(그림 3A)에서 고출력 근육 수축(그림 3C)까지 다양합니다.
도 3B 및 도 3D에서, 심장 활성 및 심해 반응은 제작된 전극의 분해능 및 감도를 입증한다. 생체 신호 기록은 사용자의 신체 건강, 특정 조건에서의 성능 및 특정 내부 또는 외부 자극에 대한 반응에 대한 유용한 데이터를 제공하여 다양한 생물 의학 연구에 대한 응용 프로그램을 확장합니다. ECG, EMG, EEG 및 EDA와 같은 생체 신호를 수집하기 위해 여러 휴대용 전자 프런트 엔드가 존재합니다. 예를 들어 Intan Technologies의 휴대용 전기 생리학 증폭기 칩 RHD2216, Shimmer 웨어러블, OT Bioelettronica의 DueLite 장치, 고급 버전의 PLUX 무선 장치 (Biosignal PLUX로 명명) 또는 DIT 버전 (BITalino로 명명 됨)이 있습니다.
결론적으로, 여러 센서는 다양한 건강 모니터링 애플리케이션을 위해 제시된 프로토콜로 제작될 수 있습니다. 예를 들어, 문신 기반 PEDOT:PSS 다중 전극 어레이(MEA)는 자연스러운 안면 움직임을 손상시키지 않고25,35의 변경으로부터 자유로운 생체 신호 기록을 허용하므로 얼굴 EMG에 성공적으로 사용되었습니다. 그러나 얇고 신축성이 좋은 전극은 저비용의 신축성 팬티스타킹 기판에 잉크젯 인쇄 PEDOT:PSS로 제작되어 휴식 및 이동 조건 모두에서 고품질 ECG 기록을 획득하고 사용자(33)에게 최소한의 불편함을 안겨줍니다. 이 프로토콜을 통해 우리는 기성품 기판에 전도성 잉크를 패터닝하여 부드럽고 적합하며 편안한 피부 센서를 확보했습니다. 잉크젯 인쇄는 전통적인 마이크로 전자 제조 공정에서 눈에 띄는 저비용 확장 가능한 기술입니다. 제안 된 방법은 약한 신경 활동에서 고출력 근육 수축에 이르기까지 다양한 전기 생리 학적 신호를 얻는 방법을 설명합니다. 이러한 신호를 통해 사용자의 신체의 생리적 상태에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 전반적으로, 우리는 피트니스에서 건강 관리 모니터링에 이르기까지 다양한 생물 의학 응용 분야를 위한 원활한 웨어러블 전자 장치의 실현 가능성에 대한 초기 단계를 제시합니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 이해 상충이 없습니다.
Acknowledgments
이 작업은 ANR JCJC OrgTex 프로젝트 (ANR-17-CE19-0010)를 통해 프랑스 국립 연구소의 지원을 받았습니다. 또한 Marie Sklodowska-Curie 보조금 계약 No. 813863에 따라 유럽 연합의 Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램으로부터 자금을 지원받았습니다. E.I.는 프로방스의 센터 마이크로 일렉트로닉스의 CMP 클린룸 직원에게 프로젝트 개발 중 기술 지원에 감사드립니다.
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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