Conformable पहनने योग्य इलेक्ट्रोड: निर्माण से Electrophysiological मूल्यांकन करने के लिए
Summary
दो हालिया प्रौद्योगिकियों-टैटू और वस्त्रों ने त्वचीय संवेदन में आशाजनक परिणामों का प्रदर्शन किया है। यहां, हम त्वचीय इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल सेंसिंग के लिए टैटू और टेक्सटाइल इलेक्ट्रोड के निर्माण और मूल्यांकन विधियों को प्रस्तुत करते हैं। प्रवाहकीय पॉलिमर से बने ये इलेक्ट्रॉनिक इंटरफेस आराम और संवेदनशीलता के मामले में मौजूदा मानकों से आगे निकल जाते हैं।
Abstract
पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरण शारीरिक गतिविधि ट्रैकिंग के दौरान मुख्य रूप से परिवर्तित शरीर के संकेतों की निगरानी में प्रमुख खिलाड़ी बन रहे हैं। इंटरनेट ऑफ थिंग्स युग के उदय से प्रेरित टेलीमेडिसिन और व्यक्तिगत देखभाल में बढ़ती रुचि को ध्यान में रखते हुए, पहनने योग्य सेंसर ने स्वास्थ्य देखभाल में आवेदन के अपने क्षेत्र का विस्तार किया है। नैदानिक रूप से प्रासंगिक डेटा के संग्रह को सुनिश्चित करने के लिए, इन उपकरणों को उच्च-सिग्नल-गुणवत्ता रिकॉर्डिंग और दीर्घकालिक संचालन प्रदान करने के लिए मानव शरीर के साथ अनुरूप इंटरफेस स्थापित करने की आवश्यकता है। इस अंत के लिए, यह पेपर सतह इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल रिकॉर्डिंग के एक व्यापक स्पेक्ट्रम में पहनने योग्य कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के रूप में उनके आवेदन के लिए आसानी से अनुरूप पतले टैटू- और नरम वस्त्र-आधारित सेंसर बनाने के लिए एक विधि प्रस्तुत करता है।
सेंसर को पॉली (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) का उपयोग करके त्वचीय इलेक्ट्रोड पैटर्निंग की लागत प्रभावी और स्केलेबल प्रक्रिया के माध्यम से विकसित किया जाता है, जो बायोइलेक्ट्रॉनिक्स में सबसे लोकप्रिय प्रवाहकीय बहुलक है, ऑफ-द-शेल्फ, पहनने योग्य सब्सट्रेट पर। यह पेपर प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से इलेक्ट्रोड लक्षण वर्णन में महत्वपूर्ण चरणों को प्रस्तुत करता है ताकि त्वचा के साथ युग्मित होने पर सिग्नल ट्रांसडक्शन में उनके प्रदर्शन की जांच की जा सके। नैदानिक सोने के मानक के संबंध में उपन्यास सेंसर के प्रदर्शन की स्थिति के लिए तुलनात्मक अध्ययन की आवश्यकता होती है। गढ़े गए सेंसर के प्रदर्शन को मान्य करने के लिए, यह प्रोटोकॉल दिखाता है कि प्रयोगशाला वातावरण में उपयोगकर्ता के अनुकूल और पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक सेटअप के माध्यम से विभिन्न कॉन्फ़िगरेशन से विभिन्न बायोसिग्नल रिकॉर्डिंग कैसे करें। यह विधियां कागज मानव शरीर के स्वास्थ्य की निगरानी के लिए पहनने योग्य सेंसर में कला की वर्तमान स्थिति को आगे बढ़ाने के लिए कई प्रयोगात्मक पहलों की अनुमति देगा।
Introduction
Noninvasive biopotential रिकॉर्डिंग त्वचा-संपर्क इलेक्ट्रोड के माध्यम से किया जाता है, फिटनेस और स्वास्थ्य देखभाल में मानव शरीर की शारीरिक स्थिति पर डेटा की एक विशाल राशि प्रदानकरता है। पहनने योग्य बायोमॉनिटरिंग उपकरणों के उपन्यास प्रकार ों को इलेक्ट्रॉनिक्स में नवीनतम तकनीकी प्रगति से विकसित किया गया है, जो एकीकृत नियंत्रण और पोर्टेबल आयामों के लिए घटकों को संचारित करने के डाउनस्केलिंग के माध्यम से विकसित किया गया है। स्मार्ट निगरानी उपकरण दैनिक बाजार में व्याप्त हैं, जो चिकित्सा निदानको सक्षम करने के लिए पर्याप्त शारीरिक सामग्री प्रदान करने के अंतिम लक्ष्य के साथ कई निगरानी क्षमताओं की पेशकश करते हैं। इसलिए, मानव शरीर के साथ सुरक्षित, विश्वसनीय और मजबूत इंटरफेस स्वास्थ्य देखभाल के लिए वैध पहनने योग्य प्रौद्योगिकियों के विकास में महत्वपूर्ण चुनौतियां पेश करते हैं। टैटू और कपड़ा इलेक्ट्रोड हाल ही में विश्वसनीय और स्थिर इंटरफेस के रूप में दिखाई दिए हैं, जिन्हें पहनने योग्य बायोसेंसिंग 3,4,5 के लिए अभिनव, आरामदायक उपकरणों के रूप में माना जाता है।
टैटू सेंसर शुष्क और पतले इंटरफेस हैं, जो उनकी कम मोटाई (~ 1 μm) के कारण, चिपकने वाले-मुक्त, अनुरूप त्वचा संपर्क सुनिश्चित करते हैं। वे एक स्तरित संरचना से बने व्यावसायिक रूप से उपलब्ध टैटू पेपर किट पर आधारित हैं, जो त्वचा 6 पर एक अल्ट्राथिन बहुलक परत की रिहाई की अनुमति देताहै। स्तरित संरचना सेंसर की निर्माण प्रक्रिया के दौरान पतली बहुलक परत के आसान हैंडलिंग और त्वचा पर इसके हस्तांतरण की भी अनुमति देती है। अंतिम इलेक्ट्रोड पूरी तरह से अनुरूप है और पहनने वाले के लिए लगभग अगोचर है। वस्त्र संवेदक इलेक्ट्रोएक्टिव सामग्री7 के साथ फैब्रिक फंक्शनलाइजेशन से प्राप्त इलेक्ट्रॉनिक उपकरण हैं। वे मुख्य रूप से एकीकृत होते हैं या बस कपड़ों में सिले जाते हैं ताकि उनकी कोमलता, सांस लेने की क्षमता और कपड़ों के साथ स्पष्ट संबंध के कारण उपयोगकर्ता के आराम को सुनिश्चित किया जा सके। लगभग एक दशक के लिए, कपड़ा और टैटू इलेक्ट्रोड का मूल्यांकन सतह इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल रिकॉर्डिंग 3,8,9 में किया गया है, जो पहनने की क्षमता और सिग्नल गुणवत्ता रिकॉर्डिंग दोनों में अच्छे परिणाम दिखा रहा है और अल्पकालिक और दीर्घकालिक मूल्यांकन में उच्च सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर) की रिपोर्टिंग कर रहा है। वे भी पहनने योग्य जैव रासायनिक पसीना विश्लेषण1,10 के लिए एक संभावित मंच के रूप में कल्पना कर रहे हैं।
टैटू, कपड़ा, और, सामान्य रूप से, लचीली पतली फिल्म प्रौद्योगिकियों में बढ़ती रुचि (उदाहरण के लिए, प्लास्टिक की पन्नियों से बने जैसे कि पैरिलीन या विभिन्न इलास्टोमर्स) मुख्य रूप से कम लागत और स्केलेबल निर्माण विधियों के साथ संगतता द्वारा बढ़ावा दिया जाता है। स्क्रीन प्रिंटिंग, इंकजेट प्रिंटिंग, डायरेक्ट पैटर्निंग, डिप कोटिंग और स्टैंप ट्रांसफर को इस तरह के इलेक्ट्रॉनिक इंटरफेस11 का उत्पादन करने के लिए सफलतापूर्वक अपनाया गया है। इनमें इंकजेट प्रिंटिंग सबसे एडवांस्ड डिजिटल और फास्ट प्रोटोटाइप तकनीक है। यह मुख्य रूप से एक गैर-संपर्क में प्रवाहकीय स्याही के पैटर्निंग पर लागू होता है, परिवेश की स्थिति में additive फैशन और सब्सट्रेट की एक बड़ी विविधता पर12। यद्यपि कई पहनने योग्य सेंसर ों को महान धातु स्याही पैटर्निंग13 के माध्यम से गढ़ा गया है, धातु की फिल्में भंगुर होती हैं और यांत्रिक रूप से तनावग्रस्त होने पर क्रैकिंग से गुजरती हैं। विभिन्न शोध समूहों ने त्वचा के साथ यांत्रिक संगतता की संपत्ति के साथ धातुओं को संपन्न करने के लिए विभिन्न रणनीतियों को अपनाया है। इन रणनीतियों में फिल्म की मोटाई को कम करना और सर्पाइन डिजाइन या झुर्रीदार और पूर्व-विस्तारितसब्सट्रेट्स 14,15,16 का उपयोग करना शामिल है। नरम और आंतरिक रूप से लचीली प्रवाहकीय सामग्री, जैसे कि प्रवाहकीय पॉलिमर, ने लचीले बायोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में अपना आवेदन पाया। उनके बहुलक लचीलेपन को विद्युत और आयनिक चालकता के साथ जोड़ा जाता है। PEDOT: PSS बायोइलेक्ट्रॉनिक्स में सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला प्रवाहकीय बहुलक है। यह कोमलता, biocompatibility, स्थिरता, और मुद्रण processability17 की विशेषता है, जो इसे जैव चिकित्सा उपकरणों के व्यापक उत्पादन के साथ संगत बनाते हैं।
उपकरण, जैसे कि एक अधिग्रहण प्रणाली से जुड़े प्लानर इलेक्ट्रोड, स्वास्थ्य निगरानी में बायोपोटेंशियल्स की रिकॉर्डिंग की अनुमति देते हैं। मानव शरीर biopotentials विद्युतजनित कोशिकाओं द्वारा उत्पन्न विद्युत संकेत हैं जो शरीर के माध्यम से त्वचा की सतह तक फैलते हैं। जहां इलेक्ट्रोड रखे जाते हैं, उसके अनुसार, मस्तिष्क (ईईजी), मांसपेशियों (ईएमजी), हृदय (ईसीजी), और त्वचा चालकता (जैसे, बायोइम्पीडेंस या इलेक्ट्रोडर्मल गतिविधि, ईडीए) की विद्युत गतिविधि से संबंधित डेटा प्राप्त करना संभव है। डेटा की गुणवत्ता का मूल्यांकन तब नैदानिक अनुप्रयोगों में इलेक्ट्रोड की प्रयोज्यता का मूल्यांकन करने के लिए किया जाता है। एक उच्च एसएनआर उनके प्रदर्शन18 को परिभाषित करता है, जिसकी तुलना आमतौर पर अत्याधुनिक एजी / एजीसीएल इलेक्ट्रोड रिकॉर्डिंग के साथ की जाती है। हालांकि एजी / एजीसीएल इलेक्ट्रोड में भी उच्च एसएनआर होता है, लेकिन उनके पास दीर्घकालिक परिचालन और अनुरूप पहनने की क्षमता की कमी होती है। उच्च गुणवत्ता वाले बायोसिग्नल रिकॉर्डिंग किसी विशेष अंग के कार्य से संबंधित मानव स्वास्थ्य स्थिति में अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं। इस प्रकार, आरामदायक टैटू या कपड़ा इंटरफेस के ये लाभ दीर्घकालिक अनुप्रयोगों के लिए अपने वादे को इंगित करते हैं जो वास्तविक जीवन मोबाइल स्वास्थ्य निगरानी को सक्षम कर सकते हैं और टेलीमेडिसिन19 के विकास के लिए मार्ग प्रशस्त कर सकते हैं।
यह पेपर रिपोर्ट करता है कि स्वास्थ्य बायोमॉनिटरिंग में टैटू और टेक्सटाइल इलेक्ट्रोड को कैसे बनाया जाए और उनका आकलन कैसे किया जाए। इसके निर्माण के बाद, एक उपन्यास इलेक्ट्रोड की विशेषता होनी चाहिए। आमतौर पर, इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईआईएस) को हस्तांतरण फ़ंक्शन के संदर्भ में लक्ष्य इंटरफ़ेस (जैसे, त्वचा) के संबंध में इलेक्ट्रोड के विद्युत प्रदर्शन का अध्ययन करने के लिए अपनाया जाता है। ईआईएस का उपयोग कई इलेक्ट्रोड की प्रतिबाधा विशेषताओं की तुलना करने और विभिन्न परिस्थितियों में परीक्षण करने के लिए किया जाता है (उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रोड डिजाइन को बदलना या दीर्घकालिक प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करना)। यह पेपर एक आसान सेटअप के माध्यम से सतह biosignals की रिकॉर्डिंग से पता चलता है और किसी भी उपन्यास गढ़े इलेक्ट्रोड है कि त्वचीय biopotential रिकॉर्डिंग के लिए मान्य किया जा करने की जरूरत है करने के लिए लागू biosignals के विभिन्न प्रकार के रिकॉर्ड करने के लिए एक उपयोगकर्ता के अनुकूल विधि की रिपोर्ट करता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
यह पेपर पहनने योग्य इलेक्ट्रोड बनाने के लिए एक आसान और स्केलेबल प्रक्रिया का वर्णन करता है और इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल बायोसिग्नल रिकॉर्ड करने के लिए एक विधि प्रदर्शित करता है। यह पहनने योग्य सब्सट्र?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम को ANR JCJC OrgTex परियोजना (ANR-17-CE19-0010) के माध्यम से फ्रांसीसी राष्ट्रीय अनुसंधान एजेंसी द्वारा समर्थित किया गया था। इसे मैरी स्क्लोदोस्का-क्यूरी अनुदान समझौते संख्या 813863 के तहत यूरोपीय संघ के क्षितिज 2020 अनुसंधान और नवाचार कार्यक्रम से भी धन प्राप्त हुआ है। E.I. परियोजना के विकास के दौरान उनके तकनीकी समर्थन के लिए प्रोवेंस में सेंटर माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स में सीएमपी क्लीनरूम कर्मचारियों को धन्यवाद देना चाहता है।
Materials
| 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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