Efectuarea de electrozi de tatuaj polimeric în electro- și magneto-encefalografie clinică npj Flexible
Subiecte
Abstract
Electrozii de tatuaj temporar sunt cea mai recentă dezvoltare în domeniul senzorilor cutanati. Ei și-au demonstrat cu succes performanțele în monitorizarea diferitelor semnale electrofiziologice pe piele. Aceste dispozitive electronice epidermice oferă un contact conform și imperceptibil cu purtătorul, permițând în același timp înregistrări de bună calitate în timp. Evaluările activității creierului în practica clinică se confruntă cu multiple limitări, unde astfel de electrozi pot oferi soluții tehnologice realiste și pot crește eficiența diagnosticării. Aici vă prezentăm performanța electrozilor de tatuaj din polimer conductori imprimați cu jet de cerneală în electroencefalografie clinică și compatibilitatea lor cu magnetoencefalografia. Mecanismul de lucru al acestor senzori uscați este investigat prin modelarea impedanței pielii/electrodului pentru o mai bună înțelegere a transducției biosemnalelor la această interfață. Mai mult, o platformă personalizată pentru fantomele pielii demonstrează fezabilitatea înregistrărilor cu densitate mare, care sunt esențiale în localizarea activităților neuropatologice. Aceste evaluări oferă un aport valoros pentru aplicarea cu succes a acestor senzori de tatuaje electronice ultra subțiri în monitorizarea și diagnosticarea creierului multimodal.
Introducere
În practica clinică, înregistrările EEG sunt frecvent asociate cu magnetoencefalografia (MEG). În timp ce EEG înregistrează modificări ale câmpului electric în creier, MEG simte variații ale câmpului magnetic induse de modificările câmpului electric generate de aceeași populație de neuroni. Înregistrările simultane EEG/MEG sunt esențiale în înțelegerea proceselor cognitive dinamice, datorită rezoluției temporale ridicate 23. Deoarece electrozii EEG sunt predispuși să interfereze cu senzorii MEG, trebuie luate în considerare cerințe și precauții speciale. Anumiți electrozi metalici pot produce într-adevăr artefacte care ascund detectarea câmpului magnetic (mai detaliat mai jos). Electrozii EEG fără metal din astfel de configurații experimentale promit să ofere o perturbare minimă a semnalului magnetic.
Aici investigăm performanța TTE în înregistrările semnalelor EEG cu amplitudine redusă și potențialul acestora de a integra un protocol standard de evaluare clinică pentru evaluarea sănătății creierului. Pentru a înțelege cât de eficient transduce TTE biosemnalele, investigăm impedanța lor de contact, analizând în detaliu modelul de circuit echivalent al Ag/AgCl și al electrozilor de tatuaj. Apoi, efectuăm trei evaluări experimentale adoptate de obicei pentru epilepsie: înregistrări spontane ale activității cerebrale (monitorizarea undelor alfa), detectarea activității induse artificial (potențial evocat auditiv, (AEP)) și înregistrări simultane MEG/EEG. În MEG, numărul mare de senzori permite restituirea cartografierii activității creierului cu o rezoluție spațială excelentă. Folosind o fantomă care imită pielea, explorăm fezabilitatea hdEEG cu electrozi de tatuaj. Compatibilitatea TTE-urilor cu MEG și capacitatea lor de înregistrare de înaltă densitate vizează oferirea de instrumente avansate pentru diagnosticarea bolilor neurodegenerative cu rezoluție tempo-spațială ridicată 12 .
A Structura stratificată a hârtiei de tatuaj temporare permite eliberarea filmului superior pe care sunt fabricați electrozii. Vizualizare extinsă a unui TTE tipărit integral din polimeri. c Un TTE eliberat pe scalp, în poziția Oz. d Vizualizare apropiată a unui TTE eliberat pe scalp după 12 ore de la aplicare. e Înregistrări de impedanță pe antebraț folosind electrozi TTE și Ag/AgCl. Datele au fost echipate cu modele prezentate în partea dreaptă. Detalii despre model sunt date în textul principal.
Problema principală și cea mai provocatoare din electronica epidermică cu film subțire este interconectarea dispozitivelor moi, aproape imperceptibile, cu dispozitivele electronice dure. Într-adevăr, interfața moale/rigidă se poate rupe cu ușurință în timpul montării electrozilor sau în mișcarea participantului. În acest scop, a fost dezvoltată o conexiune externă special concepută, realizată dintr-o foaie subțire (1,3 µm) și flexibilă de polietilen naftalat (PEN) și o clemă de plastic dedicată, îmbunătățind robustețea conexiunii și rezultând la rândul său o înregistrare fiabilă a biopotențialelor cerebrale. Acest contact plat fără metal reduce zgomotul electromagnetic și interferențele cu alte echipamente, așa cum este necesar în special în MEG. Un senzor și un cablu de contact asamblate monolitic, prezentate în Fig. 1b, facilitează manipularea în timpul plasării pe scalp, care se face într-un singur pas. Un exemplu de TTE laminat pe scalpul uman este prezentat în Fig. 1c, d.
rezultate si discutii
Evaluarea impedanței principiului de funcționare a TTE
Înregistrări cu unde alfa
Înregistrarea unei activități electrofiziologice bine definite servește ca o validare relevantă a funcției TTE. Activitatea creierului se schimbă atunci când subiectul trece de la o stare de vigilență la relaxare. În acest caz, undele alfa, cel mai studiat ritm al creierului, apar în mod proeminent din lobul occipital. Undele alfa apar într-un interval de frecvență de 8-12 Hz cu o amplitudine tipică de 50 μV (vârf-la-vârf) 2. O astfel de activitate spontană a creierului este detectată de TTE (Fig. 2), din derivarea Cz - Oz, identificată în conformitate cu sistemul internațional 10-20 (Fig. 2a). În graficul timp-frecvență (Fig. 2b), ritmurile alfa sunt centrate în jurul a 10 Hz în timpul unui minut de relaxare cu ochii închiși. De obicei, acestea dispar atunci când participantul își deschide ochii. La intervalul de 60-70 s putem observa că activitatea alfa este dispărută cu câteva secunde înainte de solicitarea explicită de a deschide ochii (la 75 s, Fig. 2b, c). Aceasta a furnizat o validare semnificativă a naturii electrofiziologice a înregistrărilor efectuate. Amplitudinea semnalelor EEG este prezentată în vizualizarea mărită de la 55 la 85 cu un interval de timp în Fig. 2c. Amplitudinea medie vârf-la-vârf a undelor alfa în medie înregistrată pe 1 s a fost de 25 ± 14 µV.
A Cartografierea schematică a localizării electrozilor pe cap, conform sistemului internațional 10-20, cu derivare Cz-Oz evidențiată adoptată pentru înregistrările activității cerebrale spontane. Grafic timp - frecvență cu activitate alfa vizibilă la 10 Hz. Undele alfa au dispărut momentan timp de 10 secunde, subiectul auzind un zgomot de mediu în timp ce se afla încă în faza de relaxare. La 75 s, participantului i s-a cerut direct să deschidă ochii (distinct prin linie punctată albă verticală). c Diagrama amplitudine-timp aproape de 75 s. Înregistrarea EEG prezintă oscilații ale undelor alfa de la 55 la 60 s și de la 71 la 75 s, reprezentând o stare de relaxare trezită.