적합성 웨어러블 전극: 제작에서 전기생리학적 평가에 이르기까지
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.
Protocol
Representative Results
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 가공<sup class="…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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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