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 .

tatuaj

A Structura stratificată a hârtiei de tatuaj temporare permite eliberarea filmului superior pe care sunt fabricați electrozii. b 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. b 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.

A, b Diagrama frecvenței de timp a înregistrărilor de undă alfa, cu activitate vizibilă de 10 Hz obținută cu tatuaj (A) și AgAgCl (b) electrozi. c PSD suprapus (dB) în timpul înregistrărilor de undă alfa de la TTE - în roșu și electrozi Ag/AgCl - în albastru. Insertul din stânga jos arată plasarea electrozilor cu derivarea folosită (Tz - Cz, în albastru deschis pentru TTE și sT7-sCz pentru electrozii Ag/AgCl în violet deschis). d Imagine a doi electrozi în poziția Cz pe capul participantului. e Potențial evocat auditiv înregistrat atât cu electrozi TTE (roșu), cât și cu electrozi Ag/AgCl (albastru), cu N100 - o componentă potențială evocată auditiv.

În ceea ce privește posibila integrare a electrozilor de tatuaj în evaluările clinice, înregistrările EEG au fost, de asemenea, efectuate pe un echipament de calitate medicală într-o cameră de evaluare a spitalului. Nu sunt utilizate unități speciale, cum ar fi o cușcă Faraday sau componentele de potrivire a impedanței, pentru a conecta electrozii de tatuaj la unitatea de înregistrare. TTE-urile sunt capabile să înregistreze unde alfa bine definite în timpul sesiunii de 2 minute, cu 30-50 µV amplitudine vârf-la-vârf (vezi Fig. 2 suplimentară). Semnalul este comparabil cu cele înregistrate de electrozii standard Ag/AgCl.

Înregistrări cu potențial evocat auditiv (AEP)

Compatibilitate MEG

A Înregistrare MEG cu TTE pe capul subiectului, descrisă pe o hartă a capului. Semnalul este prezentat fracționat în cele mai cunoscute cinci ferestre de frecvență: Delta (2-4 Hz), Theta (4-8 Hz), Alpha (8-12 Hz), Beta (12-30 Hz), Gamma (30-120 Hz). b Exemplificarea senzorilor MEG cuplați cu capul uman. c Înregistrări simultane MEG și EEG cu TTE. În dreapta, reprezentarea schematică a senzorului MEG (locația posterioară dreaptă) și TTE (locația Oz) de la care sunt dobândite două semnale recodificate. În ambele modalități, prezența undelor alfa apare după 8 secunde.

Platforma fantomă pentru evaluarea înregistrărilor de înaltă densitate

A Semnalele de intrare de la electrozii de stimulare inferiori: unda pătrată de 50 Hz este trimisă la perechea stângă de electrozi (sus) și unda pătrată de 5 Hz trimisă la perechea dreaptă de electrozi (jos). b Redarea fantomei cu electrozi de înregistrare poziționați deasupra. Vizualizarea de jos a electrozilor de intrare dedicate inițierii intrărilor bipolare. Vedere de sus a fantomei cu electrozi Ag/AgCl și TTE. c Semnalele de ieșire înregistrate de la fantomă. Din partea de sus: semnalul din cuplul din stânga al TTE; semnalul de la perechea dreaptă de TTE; semnalul de la electrozii Ag/AgCl.

Prin urmare, am căutat o configurație fantomă care să poată aproxima pe cât posibil impedanța tipică a pielii. Fantoma este compusă dintr-un gel de agaroză umflat cu o soluție salină. Conținutul său ionic definește conductivitatea fantomă, optimizată pentru a se potrivi cu valoarea tipică observată pe scalp, 0,34 S/m 62. Diferite tipuri de electrozi pot fi așezați deasupra gelului, în timp ce stimularea este inițiată de jos. Unitatea de stimulare este formată din patru electrozi care furnizează simultan două tipuri de forme de semnal de intrare distanțate (Fig. 5a): un vârf (electrozi stâng) și o undă pătrată (electrozi drepți). Figura 5b prezintă schematic setarea de lucru. Un semnal de ieșire este înregistrat cu patru TTE și doi electrozi Ag/AgCl așezați pe suprafața superioară fantomă. Distanța dintre electrozi între electrozii Ag/AgCl este fixată la 33 mm, corespunzând unei configurații de 64 de electrozi pe cap 63. Pe de altă parte, TTE-urile sunt plasate la o distanță de 20 mm centru-la-centru pentru a dubla densitatea electrozilor în raport cu carcasa Ag/AgCl.

În plus, înregistrările unipolare ale semnalului, utilizând aceeași platformă fantomă cu aceeași configurație a electrozilor, sunt prezentate în figurile suplimentare. 3. Discriminarea semnalelor este posibilă privind amplitudinea lor într-o singură înregistrare cu electrod. Semnalele înregistrate de la cele două TTE-uri și electrodul Ag/AgCl orientate spre stimularea undei de vârf (forma de undă pătrată de 5 Hz) au o amplitudine egală cu 20 mV pentru TTE stânga (cea mai apropiată de electrodul de semnal sursă), 6,1 mV pentru TTE-ul drept și 14 mV pentru electrodul Ag/AgCl. Diferența de amplitudine între înregistrările celor două TTE adiacente este, prin urmare, de 13,9 mV, ceea ce corespunde cu 70% din semnal. Desigur, în localizarea sursei fiziologice, complexitatea corpului nu permite o dependență atât de dreaptă și sunt necesare metode sofisticate pentru a extrage originea semnalelor de propagare. Cu toate acestea, aceste experimente arată că TTE-urile sunt o tehnologie care permite realizarea hdEEG, utilizat pentru a efectua localizarea sursei EEG de suprafață neinvazivă.

Aspectul de formă fizică a TTE permite depășirea numărului actual de electrozi utilizați în EEG clinic, permițând astfel rezolvarea localizării sursei de activitate neuronală. Posibilitatea de a defini mai bine zonele corticale specifice responsabile de activitatea patologică a creierului ar avea un impact mare în evaluarea chirurgicală a pacienților epileptici.

Metode

Materiale

PEDOT: dispersia apoasă PSS (Clevios PJet 700 de Heraeus) este utilizată ca o cerneală pentru a imprima electrozii și conexiunile plate. Setul de hârtie de transfer temporar disponibil în comerț (Silhouette America, Inc, SUA) este adoptat pentru fabricarea electrozilor. Kitul de tatuaj este compus din două foi: hârtia de transfer a decalcomaniei și foaia de lipici folosite ca substrat neconvențional și, respectiv, strat de pasivare. Hârtia de decalcomanie este alcătuită din patru straturi: un suport de hârtie, un strat solubil în apă cu alcool polivinilic (PVA), un strat eliberabil format dintr-un amestec de polimeri (rășină polialilică și poliuretan) și un strat PVA solubil în apă. Stratul PVA este spălat cu apă înainte de tipărire (a se vedea secțiunea Fabricare pentru detalii), terminându-se astfel cu o structură de hârtie tatuaj cu trei straturi. În special, pelicula de tatuaj adoptată aici are un strat de transfer realizat din folie de rășină poliuretanică/alilică cu grosimea de 1,5 µm. S-a demonstrat că acest substrat îmbunătățește stabilitatea mecanică a TTE pe piele în raport cu

Hârtie autocolant pentru tatuaj pe bază de celuloză etilică de 500 nm folosită anterior 22. Partea de adeziv este, de asemenea, o foaie cu trei straturi compusă dintr-o foaie de transport din silicon, un adeziv acrilic (grosime ~ 700 nm) și o căptușeală din plastic. Piesa de lipici a fost utilizată pentru a asigura aderența tatuajului, prevenind în același timp contactul direct al liniilor de interconectare cu pielea. Polietilen naftalenă (PEN, de Goodfellow, grosime 1,3 µm) a fost folosită ca substrat pentru conector plat și bandă Polyimidă (bandă Kapton de 3 M, grosime 50 µm) pentru suportul posterior al părții externe a conexiunii.

Fabricare

Evaluarea impedanței

Evaluarea impedanței se efectuează cu un potențiostat Autolab (Metrohm Autolab BV). Măsurătorile sunt executate în trei configurații de electrozi, cu un spațiu de 2,5 cm între centru între ei. Contorul (CE) și electrozii de lucru (WE) sunt electrozi Ag/AgCl (de Ambu BlueSensor, REF M-00-S/50), în timp ce electrodul de interes în fiecare măsurare, TTE sau Ag/AgCl, a acționat ca Electrod de lucru (WE). Toate măsurătorile de impedanță sunt efectuate pe antebraț cu electrozi de 1 cm 2. Măsurătorile se fac în mod potențiometric cu un semnal sinusoidal aplicat de 1 mV amplitudine. Gama de frecvență este setată între 0,1 Hz și 0,1 MHz.

Platforma fantomă

Evaluări EEG/MEG

Înregistrările MEG sunt efectuate într-o cameră MEG cu un sistem de Neuroimagerie cu cap întreg 4D (WH3600 (), cu o trecere de bandă de DC-800Hz și o rată de eșantionare de 2134,51 Hz. Participantul este întins pe un pat special de susținere a capului plasat sub senzori MEG.

Prelucrarea semnalului post-achiziție

Toate înregistrările sunt revizuite și filtrate digital folosind un filtru de trecere de bandă de 3–40 Hz cu software-ul Anywave 66. Datele sunt apoi analizate folosind instrumente personalizate scrise din caseta de instrumente Fieldtriep MATLAB (Mathworks) 67 .

Experimente care implică participanți umani

Doi participanți sănătoși (un bărbat și o femeie în vârstă de 33,5 ± 3,5 ani) liberi de orice tulburări motorii și neuronale și-au dat consimțământul în cunoștință de cauză și au participat la acest studiu. Un participant a efectuat înregistrările de impedanță cu cele trei seturi diferite de TTE, în timp ce un alt participant s-a oferit voluntar la evaluările EEG/MEG cu TTE și electrozi Ag/AgCl. Toate experimentele sunt efectuate în conformitate cu reglementările spitalului Timone privind protecția datelor cu caracter personal. Experimentul a fost realizat în condițiile prevăzute de reglementările franceze.

Rezumatul raportării

Mai multe informații despre proiectarea cercetării sunt disponibile în Rezumatul raportării cercetării naturii, legat de acest articol.

Disponibilitatea datelor

Datele experimentale la care se face referire în acest text sunt disponibile de la autori la cerere rezonabilă.