ЕКГ у вигляді малюнка на тілі: дослідники створили медичний електрод, який наноситься на шкіру

Дослідники з Університету штату Пенсільванія створили медичні електроди, які просто наносяться на шкіру й працюють як тонкий сенсор.

Електроди створені на основі провідного чорнила, яке після висихання повторює мікроскопічні нерівності на шкірі. Ці електроди підключені до багаторазового бездротового сенсора й за результатами кількох випробувань успішно реєстрували електричні сигнали від серця, м’язів та мозку.

Чорнило також можна змішувати з харчовими барвниками й наносити на шкіру у вигляді символів та персоналізованих малюнків. На думку дослідників, подібні датчики дозволять зробити тривалий моніторинг зручнішим, особливо для дітей та людей, які відчувають незручності під час носіння медичних пластирів.

Лікарі та дослідники використовують електроди для виявлення слабких електричних сигналів організму. За таким принципом працюють електрокардіограма (ЕКГ), електроміографія (ЕМГ), що реєструє скорочення м’язів, та електроенцефалографія (ЕЕГ) для реєстрації електричної активності головного мозку.

Стандартні клінічні електроди зазвичай використовують металеві контакти та клейкі гелі. Вони добре працюють, коли пацієнт залишається нерухомим. Однак піт, рухи, волосся можуть послаблювати контакти між електродом та шкірою.

Як альтернативу використовують м’які електроди на основі гідрогелю, оскільки вони краще взаємодіють зі шкірою. Однак водна основа робить їх неефективними після висихання за тривалого використання. Втрачаючи воду, вони стають менш гнучкими та втрачають адгезію. Навіть добре закріплений електрод має ще одне слабке місце. Це його з’єднання з жорсткою електронікою, яка посилює, обробляє та передає сигнал. Багаторазове розтягування деформує це з’єднання, викликаючи перешкоди або повну втрату сигналу.

За словами першої авторки дослідження Ванцин Чжан, традиційні методи виробництва також створюють проблеми ще до початку застосування. З огляду на це науковці з Пенсільванського університету вирішили піти іншим шляхом.

Дослідники обрали чорнило на водній основі, яке містить кілька полімерів, серед яких PEDOT — пластикоподібний провідний матеріал. Інший компонент має назву DBSA й допомагає матеріалу проводити електричний струм, зберігаючи при цьому його гнучкість. Полівініловий спирт широко використовується як м’який полімер, що допомагає суміші надати більшої міцності.

Дослідники назвали це поєднання WE-PPD від абревіатури з компонентів, які містяться в суміші — води, етанолу, полівінілового спирту, PEDOT та DBSA. У рідкому стані чорнило за консистенцією аналогічне клею. Його можна наносити пензлем й воно висихає менш як за 10 хв. Тепле повітря може зробити цей процес ще швидшим.

Оскільки рідина заповнює дрібні проміжки на шкірі, перш ніж чорнило затвердіє, електрод розміщується надзвичайно близько до тіла. Після висихання матеріал також потовщується замість різкого переходу від надзвичайно м’якого стану до твердого. Це дозволяє розподіляти механічну напругу по всій площі пристрою.

За словами дослідників, чорнило фактично поводиться як фарба для обличчя. Початково воно майже прозоре, однак можна використати харчові барвники аби забарвити його у будь-які кольори. Це може спростити встановлення подібних електродів дітям, яких зазвичай лякає вигляд медичних пристроїв.

Дослідники протестували створені електроди у кількох демонстраціях, які імітували повсякденні рухи. В одному з експериментів один зі співавторів дослідження носив систему протягом 12 годин, займаючись повсякденними справами. Електроди записували ЕКГ користувача, показуючи електричний ритм серця.

Інший учасник виконував фізичні вправи. Під час тесту на біговій доріжці сигнал ЕКГ зберігав 95% стабільність до та після легко потовиділення. Дослідники також наносили електроди на передпліччя одного з учасників для збору сигналів м’язових скорочень. Система машинного навчання навчилась пов’язувати ці сигнали з різними жестами руками, а потім використовувала їх для керування роботизованою рукою.

Подібний інтерфейс може використовуватись для підтримки протезів кінцівок, реабілітаційних інструментів та бездротового керування. Однак це лише рання демонстрація, а не готовий клінічний протез. Практична система має надійно розпізнавати жести різних користувачів за різних положень рук, рівнів втоми та умов навколишнього середовища.

Дослідникам також вдалось зареєструвати сигнали активності мозку через волосся. Волосся часто заважає пласким електродам рівномірно досягати шкіри голови, послаблюючи сигнали ЕЕГ. Матеріал, подібний до фарби, може огортати окремі пасма та ефективніше проникати до шкіри.

Результати дослідження були опубліковані в журналі PNAS

Джерело: ZME Science