Summary
שתי טכנולוגיות עדכניות - קעקועים וטקסטיל - הדגימו תוצאות מבטיחות בחישה עורית. כאן אנו מציגים את שיטות הייצור וההערכה של אלקטרודות קעקועים וטקסטיל לחישה אלקטרופיזיולוגית עורית. ממשקים אלקטרוניים אלה העשויים מפולימרים מוליכים עולים בביצועיהם על הסטנדרטים הקיימים מבחינת נוחות ורגישות.
Abstract
מכשירים אלקטרוניים לבישים הופכים לשחקני מפתח בניטור אותות הגוף שהשתנו בעיקר במהלך מעקב אחר פעילות גופנית. בהתחשב בעניין הגובר בטלה-רפואה ובטיפול מותאם אישית המונע על ידי עלייתו של עידן האינטרנט של הדברים, חיישנים לבישים הרחיבו את תחום היישום שלהם לתחום הבריאות. כדי להבטיח איסוף של נתונים רלוונטיים מבחינה קלינית, התקנים אלה צריכים ליצור ממשקים תואמים עם גוף האדם כדי לספק הקלטות באיכות אותות גבוהה ותפעול לטווח ארוך. לשם כך, מאמר זה מציג שיטה לייצור קל של חיישנים דקים ומבוססי טקסטיל רכים הניתנים להתאמה ליישום שלהם כמכשירים אלקטרוניים אורגניים לבישים בספקטרום רחב של הקלטות אלקטרופיזיולוגיות על פני השטח.
החיישנים מפותחים בתהליך חסכוני ומדרגי של דפוס אלקטרודות עורי באמצעות פולי(3,4-אתילנדיוקסיתיופן)-פולי(סטירנסולפונט) (PEDOT:PSS), הפולימר המוליך הפופולרי ביותר בביואלקטרוניקה, על מצעים לבישים מהמדף. מאמר זה מציג שלבים מרכזיים באפיון אלקטרודות באמצעות ספקטרוסקופיה של עכבה כדי לחקור את הביצועים שלהן בהתמרת אותות כאשר הן משולבות עם העור. נדרשים מחקרים השוואתיים כדי למקם את הביצועים של חיישנים חדשניים ביחס לתקן הזהב הקליני. כדי לאמת את ביצועי החיישנים המפוברקים, פרוטוקול זה מראה כיצד לבצע הקלטות ביו-סיגנליות שונות מתצורות שונות באמצעות התקנה אלקטרונית ידידותית למשתמש וניידת בסביבת מעבדה. מאמר שיטות זה יאפשר ליוזמות ניסיוניות מרובות לקידום המצב הקיים בחיישנים לבישים לניטור בריאות גוף האדם.
Introduction
הקלטה ביופוטנציאלית לא פולשנית מתבצעת באמצעות אלקטרודות מגע עם העור, ומספקת כמות עצומה של נתונים על המצב הפיזיולוגי של גוף האדם בכושר ובבריאות1. סוגים חדשים של התקני ניטור ביולוגי לביש פותחו מההתקדמות הטכנולוגית האחרונה בתחום האלקטרוניקה ועד לצמצום השליטה המשולבת ורכיבי התקשורת לממדים ניידים. מכשירי ניטור חכמים חודרים לשוק מדי יום, ומציעים יכולות ניטור מרובות במטרה הסופית לספק מספיק תוכן פיזיולוגי כדי לאפשר אבחון רפואי2. לכן, ממשקים בטוחים, אמינים וחזקים עם גוף האדם מציבים אתגרים קריטיים בפיתוח טכנולוגיות לבישות לגיטימיות לשירותי בריאות. אלקטרודות קעקועים וטקסטיל הופיעו לאחרונה כממשקים אמינים ויציבים הנתפסים כמכשירים חדשניים ונוחים לביסנסינג 3,4,5.
חיישני קעקועים הם ממשקים יבשים ודקים, אשר בשל עובים הנמוך (~ 1 מיקרומטר), מבטיחים מגע עור ללא דבקים וניתן להתאמה. הם מבוססים על ערכת נייר קעקועים זמינה מסחרית המורכבת ממבנה שכבות, המאפשר שחרור של שכבה פולימרית אולטרה-טימין על העור6. מבנה השכבות מאפשר גם טיפול קל בשכבה הפולימרית הדקה בתהליך הייצור של החיישן והעברתו לעור. האלקטרודה הסופית ניתנת להתאמה מלאה וכמעט בלתי מורגשת ללובש. חיישני טקסטיל הם מכשירים אלקטרוניים המתקבלים מפונקציונאליזציה של הבד עם חומרים אלקטרואקטיביים7. הם משולבים בעיקר או פשוט תפורים לבגדים כדי להבטיח את נוחות המשתמש בשל רכותם, נשימתם וזיקתם הברורה לבגדים. במשך כמעט עשור, אלקטרודות טקסטיל וקעקועים הוערכו ברישומים אלקטרופיזיולוגיים של פני השטח 3,8,9, והראו תוצאות טובות הן בהקלטות לבלאי והן בהקלטות באיכות האות ודיווח על יחס אות לרעש גבוה (SNR) בהערכות לטווח הקצר והארוך. הם גם נתפסים כפלטפורמה פוטנציאלית לניתוח זיעה ביוכימי לביש 1,10.
העניין הגובר בטכנולוגיות קעקועים, טקסטיל, ובאופן כללי, בטכנולוגיות סרט דק גמישות (למשל, אלה העשויות מירידי פלסטיק כגון פארילן או אלסטומרים שונים) מקודם בעיקר על ידי תאימות לשיטות ייצור בעלות נמוכה ומדרגיות. הדפסת מסך, הדפסת הזרקת דיו, דפוס ישיר, ציפוי טבילה והעברת בולים אומצו בהצלחה כדי לייצר סוגים כאלה של ממשקים אלקטרוניים11. בין אלה, הדפסת הזרקת דיו היא טכניקת האב-טיפוס הדיגיטלית והמהירה המתקדמת ביותר. הוא מיושם בעיקר על דפוס של דיו מוליך באופן שאינו מגע, תוסף בתנאי סביבה ועל מגוון גדול של מצעים12. למרות שחיישנים לבישים מרובים יוצרו באמצעות דיו מתכתי אצילי בדוגמת13, יריעות מתכת הן שבירות ועוברות סדקים כאשר הם לחוצים מכנית. קבוצות מחקר שונות אימצו אסטרטגיות שונות כדי להעניק למתכות את התכונה של תאימות מכנית לעור. אסטרטגיות אלה כוללות הפחתת עובי הסרט ושימוש בעיצובי נחשים או במצעים מקומטים ומוכשריםמראש 14,15,16. חומרים מוליכים רכים וגמישים במהותם, כגון פולימרים מוליכים, מצאו את יישומם בהתקנים ביו-אלקטרוניים גמישים. הגמישות הפולימרית שלהם משולבת עם מוליכות חשמלית ויונית. PEDOT:PSS הוא הפולימר המוליך הנפוץ ביותר בביו-אלקטרוניקה. הוא מאופיין ברכות, תאימות ביולוגית, קיימות ויכולת עיבוד הדפסה17, מה שהופך אותו לתואם לייצור נרחב של התקנים ביו-רפואיים.
התקנים, כגון אלקטרודות מישוריות המחוברות למערכת רכישה, מאפשרים הקלטה של ביופוטנציאלים בניטור בריאות. ביופוטנציאלים של גוף האדם הם אותות חשמליים הנוצרים על ידי תאים אלקטרוגניים המתפשטים דרך הגוף עד לפני העור. על פי המקום שבו ממוקמות האלקטרודות, ניתן להשיג נתונים הקשורים לפעילות החשמלית של המוח (EEG), השרירים (EMG), הלב (א.ק.ג.) ומוליכות העור (למשל, ביו-אימפדנס או פעילות אלקטרודרמלית, EDA). לאחר מכן מעריכים את איכות הנתונים כדי להעריך את השימושיות של האלקטרודות ביישומים קליניים. SNR גבוה מגדיר את הביצועים שלהם18, אשר בדרך כלל בהשוואה להקלטות אלקטרודות Ag/AgCl חדישות. למרות שלאלקטרודות Ag/AgCl יש גם SNR גבוה, הן חסרות יכולת תפעול ארוכת טווח ויכולת לבישה תואמת. הקלטות ביו-סיגנליות באיכות גבוהה מספקות תובנות לגבי מצב בריאות האדם הקשורות לתפקודו של איבר מסוים. לפיכך, יתרונות אלה של ממשקי קעקועים או טקסטיל נוחים מצביעים על ההבטחה שלהם ליישומים ארוכי טווח שיכולים לאפשר ניטור בריאות נייד בחיים האמיתיים ולסלול את הדרך לפיתוח טלרפואה19.
מאמר זה מדווח כיצד לייצר ולהעריך אלקטרודות קעקועים וטקסטיל בניטור ביולוגי בריאותי. לאחר ייצורו, יש לאפיין אלקטרודה חדשה. בדרך כלל, ספקטרוסקופיית עכבה אלקטרוכימית (EIS) מאומצת כדי לחקור את הביצועים החשמליים של האלקטרודה ביחס לממשק מטרה (למשל, עור) במונחים של פונקציית ההעברה. EIS משמש להשוואת מאפייני העכבה של אלקטרודות מרובות ולבצע בדיקות בתנאים שונים (למשל, שינוי תכנון האלקטרודה או לימוד תגובות ארוכות טווח). מאמר זה מציג את ההקלטה של ביו-סיגנלים על פני השטח באמצעות התקנה קלה ומדווח על שיטה ידידותית למשתמש להקלטת סוגים שונים של ביו-סיגנלים החלים על כל אלקטרודה מפוברקת חדשה שיש לאמת אותה עבור הקלטות ביופוטנציאליות עוריות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
הערה: ניסויים בהם היו מעורבים נבדקים אנושיים לא כללו איסוף של מידע פרטי הניתן לזיהוי הקשור למצבו הבריאותי של האדם ומשמשים כאן רק להדגמה טכנולוגית. הנתונים היו ממוצעים על פני שלושה נושאים שונים. הרישומים האלקטרופיזיולוגיים הוצאו מנתונים שפורסמו בעבר 6,21.
1. PEDOT מודפס בהזרקת דיו:ייצור אלקטרודות PSS
הערה: הפרוטוקול הבא שימש לייצור אלקטרודות לאלקטרופיזיולוגיה על מצעים מסחריים וגמישים - נייר קעקוע6 וטקסטיל21. אותה גישה אומצה במידה רבה לייצור אלקטרודות על מצעים גמישים כגון רדידי פלסטיק דקים22. בכל המקרים, מדפסת הזרקת דיו שימשה לדפוס של PEDOT:PSS (ראה טבלת החומרים).
- עיבוד מקדים של מצע אלקטרודה
- חותכים חתיכה ממצע העניין.
- בעת שימוש במצע קעקוע, שטפו אותו במים לפני ההדפסה כדי להסיר את השכבה העליונה והמסיסה ביותר במים מהנייר23.
הערה: ערכת נייר הקעקועים מסופקת גם עם דף דבק המשמש בעבודה זו, הן כדי לשפר את הידבקות הקעקוע והן כשכבת פסיבציה. לנייר קעקוע יש מבנה שכבתי (איור משלים S1), הכולל גיליון נייר תומך, שכבת פוליוויניל-אלקוהול (PVA) מסיסה במים, סרט פוליאוריתן הניתן לשחרור ושכבת PVA עליונה. גיליון הדבק הוא בעל מבנה שכבתי המורכב מנייר סיליקון כתמיכה, דבק אקרילי על בסיס מים ותוחם שחרור עליון.
- בעת שימוש במצע קעקוע, שטפו אותו במים לפני ההדפסה כדי להסיר את השכבה העליונה והמסיסה ביותר במים מהנייר23.
- כדי לייצר חיישנים לבישים, התחל לחתוך את מצע העניין. מקם את המצע על לוח המדפסת, והקש על הגבול שלו כדי לשמור עליו שטוח.
- חותכים חתיכה ממצע העניין.
- הדפסת דיו PEDOT:PSS
- הכן את העיצוב להדפסה, כגון עיגול (קוטר 12 מ"מ) עם משטח מלבני בתחתית (3 מ"מ x 7 מ"מ), האחרון שישמש לחיבור.
- מלא את מחסניות המדפסת (10 pl) בדיו המסחרי PEDOT:PSS לאחר סינוןו. זהו פיזור מימי של הפולימר המוליכה.
- הדפס את העיצוב על המצע.
- בעת שימוש בנייר קעקועים וטקסטיל, בעלי אנרגיית פני שטח בינונית-גבוהה ותכונות ספיגה, בהתאמה, הדפס עם מרווח טיפה של ~ 20 מיקרומטר.
- הדפס שכבות PEDOT:PSS מרובות, ברצף או על ידי החלת תהליך ייבוש (110 °C למשך 15 דקות) בין השכבות כדי ליצור תבנית מוליכה הומוגנית ורציפה.
הערה: הדבר נדרש במיוחד במקרה של אלקטרודות טקסטיל, שבהן המבנה התלת-ממדי של טקסטיל דורש תכולת דיו רבה יותר כדי ליצור נתיב מוליך רציף בתוך הבד.
- מייבשים את האלקטרודה בטמפרטורה של 110 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות בתנור כדי להשלים את אידוי הממס.
הערה: אלקטרודות המתקבלות על נייר טקסטיל, PET וקעקועים (איור 1A-C) על-ידי הדפסת מספר התקנים בהפעלה אחת (איור 1D) יכולות כעת להיות מאוחסנות בסביבה סגורה, נקייה ויבשה לפני שנמשיך בשלבים הבאים.
- ייצור מחבר חיצוני
- אלקטרודות קעקועים
- חותכים חתיכה מלבנית של מצע פוליאתילן נפטלט (PEN) (8 מ"מ x 12 מ"מ, עובי 1.3 מ"מ).
- הדפס עיצוב מלבני (3 מ"מ x 12 מ"מ) עם שלוש שכבות PEDOT:PSS על גבי המצע.
- מייבשים את הדגימה המודפסת בתנור בטמפרטורה של 110 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות.
- למינציה של חיבור PEN על אלקטרודת הקעקוע, כאשר החלקים המלבניים PEDOT:PSS פונים זה לזה.
- חותכים חור (קוטר 11.3 מ"מ) בגיליון דבק נייר הקעקוע. יישרו את החור הזה של יריעת הדבק עם חלק החישה העגול של אלקטרודת PEDOT:PSS של הקעקוע. הוסף חתיכת סרט פולימיד (ראה טבלת החומרים) לקצה החופשי של חיבור PEN.
- אלקטרודות נייר כסף טקסטיל ופלסטיק
- חברו פיסת סרט מוליך (לדוגמה, סרט נחושת) סביב החיבור המודפס המלבני כדי לקבל חיבור חזק ויציב.
- חבר מחבר פין פוגו לתוך סרט הנחושת וחבר את פין הפוגו למערכת ההקלטה.
- אלקטרודות קעקועים
- העברת אלקטרודות קעקועים
- הסר את תוחם הדבק. מניחים את הקעקוע על החלק הרצוי של העור.
- הרטיבו את נייר התמיכה האחורי, תוך שמירה על הקעקוע במקומו. לאחר השריית נייר התמיכה האחורי, החליקו אותו כדי להסיר אותו, והשאירו רק את האלקטרודה העשויה מסרט האולטרה-טיין הניתן להעברה על העור.
- חבר את איש הקשר השטוח של PEN ליחידת הרכישה החיצונית. ראה סעיף 1.3.
- מיקום אלקטרודות טקסטיל
- מניחים את האלקטרודה על העור. בעזרת צמיד ספורט מבד או סרט רפואי, שמרו על האלקטרודה במגע יציב עם העור כדי להבטיח הקלטות אותות באיכות גבוהה במהלך התנועה.
- בצע את ההקלטה האלקטרופיזיולוגית הרצויה על פני השטח. שטפו את אלקטרודות הקעקועים לאחר ההקלטות על ידי שפשוף שלהן בספוג רטוב.
2. אפיון אלקטרודות באמצעות ספקטרוסקופיית עכבה אלקטרוכימית
- מדידה על הגוף
- יש לוודא כי המתנדב יושב בנוחות עם זרוע מונחת על שולחן במנוחה.
הערה: אין צורך בניקוי או קרצוף של העור.
- יש לוודא כי המתנדב יושב בנוחות עם זרוע מונחת על שולחן במנוחה.
- מיקום אלקטרודות
- מניחים אלקטרודה אחת על העור ומחברים אותה לאלקטרודה העובדת לחישת האלקטרודה (WE-S) של ה-EIS.
- מניחים אלקטרודה נוספת במרחק של 3 ס"מ מהראשונה ומחברים אותה לאלקטרודה הנגדית (CE) של ה-EIS.
- מניחים את האלקטרודה השלישית על המרפק ומחברים אותה לאלקטרודת הייחוס (RE) של ה-EIS. ראה איור 2A להגדרת שלוש האלקטרודות .
הערה: האלקטרודות המחוברות ל- CE ול- RE של ה- EIS יכולות להיות גם אלקטרודות Ag/AgCl או עשויות מ- PEDOT:PSS, כפי שקורה ל- WE במחקר זה.
- התחל את ההקלטה ב- EIS potentiostat. החל זרם בין המונה לבין האלקטרודות העובדות. מדוד את השונות הפוטנציאלית על פני זוג הייחוס והחישה.
הערה: ניתן ליצור את חיבור אלקטרודות הקעקוע והטקסטיל עם מערכת הרכישה באמצעות קליפס ליצירת חיבור חשמלי יציב עם כבלי הפוטנציוסטט. עכבת הפלט המחושבת בכל תדר מורכבת משתי תרומות: עכבת עור ועכבת מגע עור-אלקטרודה.
3. הקלטות אלקטרופיזיולוגיות על פני השטח
הערה: הסעיף הבא מתאר את מיקום האלקטרודה עבור כל ביו-סיגנל בעל עניין. ברגע שהאלקטרודות ממוקמות בצורה נכונה ומחוברות היטב לעור, ניתן לחבר אותן למערכת הרכישה הניידת כדי להתחיל את ההקלטות. תוכן הווידאו של מאמר זה מציג דוגמה לניטור אלקטרופיזיולוגי באמצעות אלקטרודות Ag/AgCl הזמינות מסחרית ויחידה אלקטרונית ניידת.
- עבור א.ק.ג., אמצו תצורה לבישה עם שתיים או שלוש אלקטרודות (אחת מהן משמשת כקרקע). מקם את האלקטרודות במספר אזורי גוף (למשל, חזה, פרקי ידיים, צלעות) עם מרחק אינטראלקטרודה מינימלי של 6 ס"מ כדי לקבל אות ניכר.
הערה: מיקום קלאסי כרוך במיקום של שתי אלקטרודות על הזיזים השמאלי והימני; במקרה זה, אלקטרודת הקרקע יכולה להיות ממוקמת על סמל האיליאק השמאלי. - לצורך רישום פעילות חשמלית של השריר (EMG), הניחו את האלקטרודות לאורך השריר המעניין (למשל, על שרירי הזרוע או על השוק). מניחים את אלקטרודת הקרקע על מיקום סטטי כגון עצם סמוכה.
- לצורך רישום פעילות חשמלית במוח (EEG), הניחו את האלקטרודות במספר מקומות על הראש.
הערה: מיקומים נוחים הם המצח וסביב האוזניים החיצוניות. ייתכן שיהיה צורך באלקטרודת ייחוס, בדרך כלל מאחורי האוזן על עצם המסטואיד. - למדידות פעילות אלקטרודרמלית (EDA), הניחו שתי אלקטרודות על כף יד שמאל. בצע את ההקלטה כאשר הנבדק נמצא במנוחה או עושה פעילות גופנית.
הערה: ניתן למדוד את עכבת העור על פני כל משטח הגוף (למשל, הצלעות, בגב, על כף הרגל); מרחק אינטראלקטרוד מספיק של 6 ס"מ מבטיח ניטור טוב.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
מאמר זה מציג ייצור של אלקטרודות נוחות במגע עור על ידי הדפסת הזרקת דיו ושיטה לאפיוןן וביצוע הקלטות אלקטרופיזיולוגיות. דיווחנו על שלבי הייצור של הדפסת הזרקת דיו PEDOT:PSS ישירות על מצעים שונים, כגון בד (איור 1A), PEN (איור 1B) ונייר קעקוע (איור 1C,D) לעיון. העיצובים המוצעים בפרוטוקול שלב 1.2.1. ושלב 1.3.1.5. להגדיר אזור חישה מעגלי של 1 ס"מ2 כדי להשוות אלקטרודות עם Ag/AgCl החדיש שאומץ בעיקר במרפאות.
כדי לאפיין את ביצועי האלקטרודות, העכבות שלהן נמדדו באמצעות מערך ה-EIS בעל שלוש האלקטרודות (איור 2A,B). שיטה זו מאפשרת לחקור את עכבת האלקטרודה בעור בעת ביצוע מדידות על הגוף עם אלקטרודות המונחות על הזרוע. לדוגמה, העכבה הייצוגית של אלקטרודות טקסטיל מדווחת באיור 2C, שם מודולוס העכבה מדווח בחלקת Bode. אלקטרודות טקסטיל מציגות עכבות מעט גבוהות יותר אך דומות לאלה של אלקטרודות Ag/AgCl, תקן הזהב באלקטרופיזיולוגיה. הצורה של מודולוס העכבה (איור 2C) מצביעה על התנהגות התנגדותית מעט גבוהה יותר במקרה של אלקטרודות הטקסטיל, בעוד שה-Ag/AgCl הסטנדרטי מראה התנהגות התנגדותית-קיבולית טיפוסית24. כל שלושת הסוגים של אלקטרודות, קעקועים, טקסטיל ויריעות דקות, נחקרו באמצעות EIS, מה שמאפשר את אפיון הממשק שלהם עם העור25.
על ידי הצבת האלקטרודות על העור באזורי גוף שונים, כפי שמוצג באיור 3, יש לנו גישה למספר ביו-סיגנלים (למשל, EEG, ECG, EMG ו-EDA). ניתן להשיג בקלות הקלטות ביוסיגנליות על ידי חיבור האלקטרודות למכשור נייד או בקנה מידה של מעבדה מתאים. איור 3A מציג את מעקב ה-EEG - רישום הפעילות החשמלית של אוכלוסיות של תאי עצב פעילים. אחת הקבוצות הבסיסיות של גלי המוח היא גלי האלפא (8-13 הרץ). גלי האלפא משקפים את מצב המוח תחת הרפיה ויכולים להיות מושרים על ידי כך שהם מבקשים מהנבדק לעצום את עיניו26. הקו המקווקו האנכי האפור (איור 3A) מסמן את הרגע בהקלטה שבו המתנדב התבקש לפקוח את עיניו. במעקב האק"ג באיור 3B, הקיטוב והדה-פולריזציה של האטריה והחדרים של הלב מיוצגים על ידי התבנית האופיינית המורכבת מגל P, קומפלקס QRS וגל T27. באיור 3B, קומפלקס ה-QRS ניתן לזיהוי, ופסגות ה-R מראות את המשרעת הגבוהה ביותר ומשמשות לחישוב הדופק על ידי התחשבות בזמן שבין שניים רצופים.
איור 3C מראה את מעקב ה-EMG בזמן שהמתנדבים הגבירו בהדרגה את כוח שרירי הזרוע שלהם. פעילות השרירים המוגברת מכמתת על ידי המשרעת המוגברת של פסגות המתח. במעקב EMG, קוצים עם משרעת מכמה מיקרו-וולטים לכמה מיליוולטים, בטווח התדרים של 10-1,000 הרץ, משקפים את פעילות סיבי השריר המונעת על ידי פוטנציאל הפעולה של היחידה המוטורית. איור 3D מראה את מעקב ה-EDA המורכב בדרך כלל ממרכיבים טוניקים ופאזיים. הרכיב הטוני משקף את רמת מוליכות העור ומתאים לאות הרקע. המרכיב הפאזי משקף את התגובה של הנושא לגירוי מסוים וניתן לזיהוי על ידי שינוי בערך מוליכות העור28. מעקב זה משמש להערכת רמות הלחץ האנושיות והידרציה בגוף.
איור 1: אלקטרודות מודפסות בהזרקת דיו PEDOT:PSS. אלקטרודות מודפסות על (A) 100% בד כותנה, (B) רדיד PET, ו-(C) נייר קעקועים זמני. (D) תצלום של מדפסת הזרקת הדיו בעת הדפסת אלקטרודות PEDOT:PSS מרובות על מצע נייר קעקוע. קיצורים: PET = פוליאתילן טרפתלט; PEDOT:PSS = poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 2: מדידות EIS. (A) סכמטית של תצורת האלקטרודה למדידת EIS על הגוף; האלקטרודה העובדת ממוקמת במרחק של 3 ס"מ מאלקטרודת הנגד Ag/AgCl; ההתייחסות Ag/AgCl מונחת על מרפקו של המתנדב. (B) סכמת מערך שלוש האלקטרודות למדידות EIS על העור. זרם מופעל בין המונה לאלקטרודות עובדות, והמתח נמדד בין אלקטרודות הייחוס לאלקטרודות החישה. (C) מודולוס עכבה של Ag/AgCl ו-PEDOT:PSS-אלקטרודות טקסטיל ג'ל נוזלי יוני (עקומות כחולות וירוקות, בהתאמה). העכבה נמדדה באמצעות מערך של שלוש אלקטרודות על הזרוע. נתון זה שונה מ-Bihar et al.21. קיצורים: EIS = ספקטרוסקופיית עכבה אלקטרוכימית; CE = אלקטרודה נגדית; WE = אלקטרודה עובדת; RE = אלקטרודת ייחוס; S = אלקטרודת חושים; PEDOT: PSS = poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 3: סכמת מיקום גוף האלקטרודה עם מעקבי ההקלטה האלקטרופיזיולוגיים המתאימים. הקו האנכי המקווקו מציין את המעבר ממצב עם גלי אלפא למצב ללא, אשר עולה בקנה אחד עם המועד שבו המתנדב התבקש לפקוח את עיניו. (ב) מעקב א.ק.ג. הקוצים העליונים מייצגים את פסגות ה-R השייכות למתחם ה-QRS. (C) מעקב EMG. פעילות השריר מיוצגת על ידי אות מתח אשר המשרעת שלו עולה עם הפעילות הגוברת של השריר המעורר על ידי המתנדב. (ד) מעקב אחר EDA. במהלך 2 השניות הראשונות, האות מייצג את המרכיב הטוני, בעוד שהגדלת המשרעת הבאה שלו מצביעה על המרכיב הפאזי, המשקף את תגובת המתנדב לגירוי. כל ההקלטות בוצעו עם אלקטרודות Ag/AgCl בהתנדבות בריאה. קיצורים: EEG = אלקטרואנצפלוגרפיה; אק"ג = אלקטרוקרדיוגרפיה; EMG = אלקטרומיוגרפיה; EDA = פעילות אלקטרודרמלית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור משלים S1: סכמת מבנה שכבתית של נייר קעקוע. גיליון נייר גיבוי תומך בננו-פילם הניתן לשחרור המיוצר מתערובת פוליאוריתן ופולימרים אחרים. שתי שכבות פוליוויניל-אלקוהול (PVA) מסיסות במים מכסות את שני צידי הסרט. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
מאמר זה מתאר תהליך קל וניתן להרחבה לייצור אלקטרודות לבישות ומדגים שיטה לרישום ביו-סיגנלים אלקטרופיזיולוגיים. הוא משתמש בשלוש דוגמאות של מצעים לבישים, כגון קעקוע, טקסטיל וסרטים דקים. הוא מציג כיצד לבנות חיישן על מצעים אלה ולאפיין את ביצועיו לפני יישומו. כדי לייצר את האלקטרודות כאן, השתמשנו ב-PEDOT:PSS, פולימר מוליך מוליך מוליכים מבוססי מתכת בשל יעילותו החסכונית, יכולת העיבוד הרב-תכליתית, ההתאמה הביולוגית, הרכות והקיימות שלו לתאימותו לעיבוד ירוק29. דפוס PEDOT:PSS על מצעים מהמדף הושג באמצעות טכניקת הדפסה בהזרקת דיו המאפשרת שליטה מדויקת בתצהיר הדיו עם חופש העיצוב (איור 1).
הדפסת הזרקת דיו היא טכניקה ללא מגע המאפשרת פונקציונליזציה סלקטיבית של מצעים גמישים ולא קונבנציונליים שאינם תואמים מבחינה כימית ופיזיקלית לתהליכי מיקרו-פבריקציה פוטוליתוגרפיה מסורתיים. בהשוואה להדפסת מסך, טכניקה נוספת המשמשת לעתים קרובות לייצור אלקטרודות, הזרקת דיו אינה דורשת מסכות, וכתוצאה מכך בזבוז דיו נמוך יותר והתאמה אישית פשוטה30. טכנולוגיית הזרקת הדיו שולטת בעובי בקפדנות על ידי תצהיר מרובה שכבות (הזרקת דיו: <1 מיקרומטר לעומת מסך: >כמה מיקרומטר). ואכן, כאשר מדפיסים על נייר קעקוע (איור 1D), שכבה אחת מודפסת PEDOT:PSS (עובי של 240 ננומטר ± 30 ננומטר) מספיקה כדי לקבל סרט מוליך הומוגני (איור 1C), עם עובי תת-מיקרומטר שנדבק באופן טבעי לעור בעקבות הרוגוזיות שלו31. עם זאת, בעת הדפסה על בדים, הדיו יורד מעל המבנים הנקבוביים התלת-ממדיים שנוצרו על-ידי חוטים סרוגים או מנופפים (איור 1A). שכבות מרובות נחוצות כדי לקבל חיבור חשמלי בין הסיבים המצופים, ולתפקד את חומר הטקסטיל בצורה מבוקרת ומותאמת אישית32.
בעת הדפסה על מצעים חדשים ולא טיפוסיים, חשוב למצוא את המספר האופטימלי של שכבות מודפסות, בהתחשב בפשרה בין הביצועים והמהירות של תהליך הייצור. עבור ייצור אלקטרודות טקסטיל, יש לשים לב לשמירה על המצע שטוח במהלך ההדפסה (ראה פרוטוקול סעיף 1.3.). לכן, אסטרטגיית ההדפסה צריכה לשקול אופטימיזציה של פריסת ההדפסה בתצהיר רב שכבתי ואפשרות ליישור בתצהיר של חומרים עוקבים.
עם זאת, חשוב להצביע על כמה מגבלות של אלקטרודות אלה וייצורן. אלקטרודות טקסטיל עשויות להזדקק לשלבי הדפסה נוספים של אלקטרוליט ג'ל. הוכח כי הוא ממלא תפקיד מפתח בהפחתת עכבת המגע בין העור לאלקטרודה, ובכך מספק הקלטות ביו-סיגנליות באיכות גבוהה33 יתר על כן, יכולת הכביסה של חיישנים לבישים לטקסטיל היא היבט קריטי כאשר צופים שילוב מלא בבגדים. התכונות הפיזיקוכימיות של מצע הטקסטיל ודיו הפולימר המוליכה משפיעים על עמידת המכשיר הסופי במחזורי הכביסה. לכן, יש לחקור באופן ממצה את ההיבט הנ"ל כדי להעריך באופן מלא את הביצועים ארוכי הטווח שלהם.
בייצור חיישני קעקועים, צעד עדין הוא למצוא את החיבור החשמלי הטוב ביותר בין חיישן הקעקוע לבין מערכת הרכישה (ראו סעיף פרוטוקול 1.3). ואכן, טכנולוגיית הקעקועים צברה עניין בשל פורמט הסרט הדק שהופך את אלקטרודות הקעקוע לבלתי מורגשות. לכן, המניפולציה שלהם דורשת טיפול מיוחד כאשר מופעל מתח מכני, במיוחד על חלק הקישוריות. חשוב גם לזכור את מנגנון ההעברה של קעקועים על העור הדורש הרטבת הנייר התומך במים. למרות ששיטה זו היא פשוטה, כל מגע פתאומי בין מים לבין חיישן הקעקוע שכבר הועבר יבטל את האחרון. בעוד שהתאמתיות של קעקועי אולטרה-טווין היא יתרון מרכזי עבור טכנולוגיה לבישה, הפגיעות למים וללחצים מכניים שפשוף מצמצמים את תקופת הפעולה של חיישן הקעקוע למספר ימים.
כאשר סוג חדש של אלקטרודה מוצג, EIS עוזר לספק את ההערכה הראשונית של ביצועי האלקטרודה בהשוואה למדד (אלקטרודות Ag/AgCl) לפני שהוא מתקדם עם יישום. פרוטוקול סעיף 2 תיאר את מדידות ה-EIS של האלקטרודות המפוברקות כאשר הן מונחות ישירות על גוף האדם כדי לקבל תובנות על האופן שבו הן מחוברות חשמלית לעור. תצורת שלוש האלקטרודות (איור 2A,B) מעריכה את יכולת העברת האותות דרך ממשק העור-אלקטרודה. האלקטרודה החדשה שיש לחקור היא זו הקשורה ל-WE ול-S של ה-EIS. שתי האלקטרודות האחרות משמשות כ-CE ו-RE. EIS מבוצע במצב פוטנציוסטטי, שבו זרם סינוסואידלי קטן (0.1 V) (0.1-100 הרץ) מוחל בין CE ל-WE, בעוד שהשונות הפוטנציאלית נמדדת על פני זוג RE-S. לאחר מכן מחושבת העכבה בכל תדר. העכבה הנמדדת מורכבת משתי תרומות: עכבת העור ועכבת המגע בין העור לאלקטרודה.
ההתנהגויות הקיבוליות וההתנגדותיות של אלקטרודה מוגדרות מתוך חלקות ה-EIS (איור 2C). על ידי פיתוח מעגלים מקבילים שיתאימו לנתוני הניסוי, ניתן להבין כיצד אלקטרודה מתמרת ביו-סיגנלים ואיזה סוג של ממשק היא יוצרת עם העור34. בעוד שאלקטרודות קעקועים יבשות ודבקות בעור, העכבות שלהן שונות במקצת מאלקטרודות Ag/AgCl הסטנדרטיות. נוכחות של ממשק ג'ל בין העור לאלקטרודה מקדמת התמרת אותות ומורידה את עכבת המגע.
חוזק מכני הוא מאפיין מרכזי נוסף של התקנים לבישים. אלקטרודות PEDOT:PSS לטקסטיל הודגמו כעומדות בלחץ מתיחה33. בשילוב עם ג'לים נוזליים יוניים מודפסים, הם מציעים מגע חשמלי יציב עם העור וחוסן מכני בתנאים לבישים. יכולת המתיחה, הרכות והנקבוביות המבנית, המעניקות את היכולת לעבור זיעה עקב מגע עם גוף האדם, מניעות סוג זה של אלקטרודה להיות הטכנולוגיה המתאימה ביותר לאלקטרוניקה לבישה. שוב, הקישוריות עם מערכות אלקטרוניות נשארת עדינה. לכן, מערכות אלה ניתן להפקיד ישירות לתוך הבד.
האימות האולטימטיבי של חיישנים עוריים יכול להתבצע רק בנושאים. חיישנים עוריים מותנים על ידי השתנות העור בין הנבדקים וגורמים דינמיים שונים ותנאי סביבה, המשפיעים ישירות על הביצועים שלהם. כאן, הדגמנו כיצד להשיג מעקבי EEG, אק"ג, EMG ו-EDA משמעותיים באמצעות פלטפורמה ניידת לחלוטין. מיקום האלקטרודות ממלא תפקיד חשוב בקבלת מידע אמין ומדויק במהלך הניטור. הניתוח של ההקלטות המוצגות באיור 3 יכול לאשר את יכולת האלקטרודה בהקלטות אלקטרופיזיולוגיות ולהשיג תוצאות ניטור גוף חשובות. יכולת ההקלטה משתנה מפעילות עצבית חלשה ביותר (איור 3A) לכיווץ שרירים בעוצמה גבוהה (איור 3C).
באיור 3B ובאיור 3D, פעילות הלב והתגובות האלקטרודרמליות מדגימות את הרזולוציה והרגישות של האלקטרודות המפוברקות. הקלטה ביו-סיגנלית מספקת נתונים שימושיים על בריאות הגוף של המשתמש, ביצועיו בתנאים ספציפיים ותגובה לגירויים פנימיים או חיצוניים ספציפיים, ומרחיבה את היישום שלהם למגוון מחקרים ביו-רפואיים. קיימים מספר חזיתות של אלקטרוניקה ניידת כדי לרכוש ביו-סיגנלים כגון א.ק.ג., EMG, EEG ו-EDA. דוגמאות לכך הן שבבי מגבר האלקטרופיזיולוגיה הניידים RHD2216 מבית Intan Technologies, ה-Shimmer הלביש, מכשיר ה-DueLite מבית OT Bioelettronica, ההתקן האלחוטי PLUX בגרסה המתקדמת (בשם Biosignal PLUX), או גרסת ה-DIT (בשם BITalino).
לסיכום, ניתן לייצר חיישנים מרובים עם הפרוטוקולים המוצגים עבור מגוון יישומי ניטור בריאות. לדוגמה, מערכי PEDOT:PSS multielectrode מבוססי קעקועים (MEAs) שימשו בהצלחה עבור EMG בפנים מכיוון שהם אינם פוגעים בתנועות פנים טבעיות ומאפשרים הקלטה ביו-סיגנלית ללא שינוי25,35. עם זאת, אלקטרודות דקות וניתנות למתיחה יוצרו על ידי הדפסת הזרקת דיו PEDOT:PSS על מצע גרביונים בעלות נמוכה וניתן למתיחה, תוך קבלת הקלטות א.ק.ג. באיכות גבוהה, הן בתנאי מנוחה והן בתנאי תנועה, עם אי נוחות מינימלית עבור המשתמש33. בעזרת פרוטוקול זה, השגנו חיישני עור רכים, תואמים ונוחים באמצעות דפוס דיו מוליך על מצעים מהמדף. הדפסת הזרקת דיו היא טכניקה זולה וניתנת להרחבה הבולטת מתהליכי ייצור מיקרו-אלקטרוניים מסורתיים. השיטה המוצעת מתארת כיצד לרכוש אותות אלקטרופיזיולוגיים, המשתנים מפעילות עצבית חלשה להתכווצויות שרירים בהספק גבוה. אותות אלה מאפשרים לקבל תובנות לגבי מצבו הפיזיולוגי של הגוף של המשתמש. בסך הכל, אנו מציגים שלבים ראשוניים לגבי ההיתכנות של מכשירים אלקטרוניים לבישים חלקים עבור מגוון יישומים ביו-רפואיים, המשתרעים מכושר גופני לניטור רפואי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין ניגודי עניינים לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על ידי סוכנות המחקר הלאומית הצרפתית באמצעות פרויקט ANR JCJC OrgTex (ANR-17-CE19-0010). היא גם קיבלה מימון מתוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי במסגרת הסכם מענק מארי סקלודובסקה-קירי מס' 813863. E.I. מבקשת להודות לצוות החדר הנקי של CMP במרכז המיקרואלקטרוניקה בפרובאנס על תמיכתם הטכנית במהלך פיתוח הפרויקט.
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 |
References
- Kim, J., et al. Noninvasive alcohol monitoring using a wearable tattoo-based iontophoretic-biosensing system. ACS Sensors. 1 (8), 1011-1019 (2016).
- Ha, M., Lim, S., Ko, H. Wearable and flexible sensors for user-interactive health-monitoring devices. Journal of Materials Chemistry B. 6 (24), 4043-4064 (2018).
- Kim, D. H., et al.
- Takamatsu, S., et al. Direct patterning of organic conductors on knitted textiles for long-term electrocardiography. Scientific Reports. 5, 1-7 (2015).
- Windmiller, J. R., et al. Electrochemical sensing based on printable temporary transfer tattoos. Chemical Communications. 48 (54), 6794-6796 (2012).
- Ferrari, L. M., Ismailov, U., Badier, J. M., Greco, F., Ismailova, E. Conducting polymer tattoo electrodes in clinical electro- and magneto-encephalography. npj Flexible Electronics. 4 (1), 1-9 (2020).
- Heo, J. S., Eom, J., Kim, Y. H., Park, S. K. Recent progress of textile-based wearable electronics: A comprehensive review of materials, devices, and applications. Small. 14 (3), 1-16 (2018).
- Nigusse, A. B., Mengistie, D. A., Malengier, B., Tseghai, G. B., Van Langenhove, L. Wearable smart textiles for long-term electrocardiography monitoring-a review. Sensors. 21 (12), 4174 (2021).
- Wang, Y., et al. Electrically compensated, tattoo-like electrodes for epidermal electrophysiology at scale. Science Advances. 6 (43), (2020).
- Fan, W., et al. Machine-knitted washable sensor array textile for precise epidermal physiological signal monitoring. Science Advances. 6 (11), (2020).
- Tseghai, G. B., Mengistie, D. A., Malengier, B., Fante, K. A., Van Langenhove, L. PEDOT:PSS-based conductive textiles and their applications. Sensors. 20 (7), 1-18 (2020).
- Magliulo, M., et al. Printable and flexible electronics: From TFTs to bioelectronic devices. Journal of Materials Chemistry C. 3 (48), 12347-12363 (2015).
- Raut, N. C., Al-Shamery, K. Inkjet printing metals on flexible materials for plastic and paper electronics. Journal of Materials Chemistry C. 6 (7), 1618-1641 (2018).
- Kaltenbrunner, M., et al. An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics. Nature. 499 (7459), 458-463 (2013).
- Kim, D. H., et al. Optimized structural designs for stretchable silicon integrated circuits. Small. 5 (24), 2841-2847 (2009).
- Yu, Y., Peng, S., Blanloeuil, P., Wu, S., Wang, C. H. Wearable temperature sensors with enhanced sensitivity by engineering microcrack morphology in PEDOT:PSS-PDMS sensors. ACS Applied Materials and Interfaces. 12 (32), 36578-36588 (2020).
- Martin, D. C., Malliaras, G. G. Interfacing electronic and ionic charge transport in bioelectronics. ChemElectroChem. 3 (5), 686-688 (2016).
- Inzelberg, L., Hanein, Y. Electrophysiology meets printed electronics: The beginning of a beautiful friendship. Frontiers in Neuroscience. 12, 992 (2019).
- Kim, J., Campbell, A. S., de Ávila, B. E. F., Wang, J. Wearable biosensors for healthcare monitoring. Nature Biotechnology. 37 (4), 389-406 (2019).
- Bihar, E., et al. Fully inkjet-printed, ultrathin and conformable organic photovoltaics as power source based on cross-linked PEDOT:PSS electrodes. Advanced Materials Technologies. 5 (8), 2000226 (2020).
- Bihar, E., et al. Fully printed all-polymer tattoo/textile electronics for electromyography. Flexible and Printed Electronics. 3 (3), 034004 (2018).
- Seekaew, Y., et al. Low-cost and flexible printed graphene-PEDOT:PSS gas sensor for ammonia detection. Organic Electronics. 15 (11), 2971-2981 (2014).
- Ferrari, L. M., Keller, K., Burtscher, B., Greco, F. Temporary tattoo as unconventional substrate for conformable and transferable electronics on skin and beyond. Multifunctional Materials. 3 (3), 032003 (2020).
- Searle, A., Kirkup, L. A direct comparison of wet, dry and insulating bioelectric recording electrodes. Physiological Measurement. 21 (2), 271-283 (2000).
- Ferrari, L. M., et al. Ultraconformable temporary tattoo electrodes for electrophysiology. Advanced Science. 5 (3), 1700771 (2018).
- Teplan, M.
- Pachori, R., Gupta, V. Biomedical engineering fundamentals. Intelligent Internet of Things. From Device to Fog and Cloud. Firouzi, F., Chakrabarty, K., Nassif, S. , Springer. Cham. 547-605 (2019).
- Caruelle, D., Gustafsson, A., Shams, P., Lervik-Olsen, L. The use of electrodermal activity (EDA) measurement to understand consumer emotions-A literature review and a call for action. Journal of Business Research. 104, 146-160 (2019).
- Huseynova, G., Hyun Kim, Y., Lee, J. H., Lee, J. Rising advancements in the application of PEDOT:PSS as a prosperous transparent and flexible electrode material for solution-processed organic electronics. Journal of Information Display. 21 (2), 71-91 (2020).
- Bonnassieux, Y., et al. The 2021 flexible and printed electronics roadmap. Flexible and Printed Electronics. 6, 023001 (2022).
- Nawrocki, R. A. Super- and ultrathin organic field-effect transistors: from flexibility to super- and ultraflexibility. Advanced Functional Materials. 29 (51), 1-12 (2019).
- Kim, I., Shahariar, H., Ingram, W. F., Zhou, Y., Jur, J. S. Inkjet process for conductive patterning on textiles: Maintaining inherent stretchability and breathability in knit structures. Advanced Functional Materials. 29 (7), 1807573 (2019).
- Bihar, E., et al. Fully printed electrodes on stretchable textiles for long-term electrophysiology. Advanced Materials Technologies. 2 (4), 1600251 (2017).
- Ferrari, L. M., Ismailov, U., Greco, F., Ismailova, E. Capacitive coupling of conducting polymer tattoo electrodes with the skin. Advanced Materials Interfaces. 8 (15), 2100352 (2021).
- Inzelberg, L., Rand, D., Steinberg, S., David-Pur, M., Hanein, Y. A wearable high-resolution facial electromyography for long term recordings in freely behaving humans. Scientific Reports. 8 (1), 2058 (2018).
