纹身电极: 一种新型的可以进行脑信号测量的电极

简介

临时纹身电极是皮肤传感器领域的最新发展。他们已被成功证明了其在监测皮肤上各种电生理信号方面的性能。这些表皮电子设备可与穿戴者保持适形且不易察觉的接触，同时可随时间推移提供高质量的记录。在临床实践中对大脑活动的评估面临多个限制，其中这种电极可以提供切合实际的技术解决方案并提高诊断效率。

Greco与EsmaIsmailova等研究人员在《Conductingpolymer tattoo electrodes in clinical electro- and magneto-encephalography》介绍了临床脑电图中喷墨打印的导电聚合物纹身电极的性能及其与磁脑图的兼容性。通过对皮肤/电极阻抗的建模来研究这些干式传感器的工作机制，以更好地了解该界面处的生物信号传导。此外，定制的皮肤幻影平台展示了高密度录音的可行性，这对于定位神经病理学活动至关重要。这些评估为这些超薄电子纹身传感器在多模式大脑监测和诊断中的成功应用提供了宝贵的意见。

纹身电极(tattooelectrodes)历史

2015年，格拉茨技术大学(GrazUniversity of Technology)固态物理研究所(Instituteof Solid State Physics)的印刷和软电子应用材料实验室(LAMPSe)负责人FrancescoGreco与意大利科学家共同开发了所谓的"纹身电极(tattooelectrodes) "。

纹身电极，这是一种导电聚合物，使用喷墨打印机在标准的纹身纸上打印出来，然后贴在皮肤上，以测量心脏或肌肉活动。

这种电极在2018年得到了优化，为电生理检查(比如心电图(ECG)或肌电图(EMG)) 开辟了全新的途径。由于纹身的厚度在700到800纳米之间，比人的头发还要细100倍，所以纹身能适应不均匀的皮肤，而且在身体上几乎看不到。

而且，"纹身电极(tattooelectrodes) "是干电极;与凝胶电极相比，它们没有液体界面，也不会干透。

纹身电极和Ag / AgCl电极之间的记录性能比较

它们非常适用于长期测量。甚至在纹身处生长的毛发也不会干扰信号记录。

新一代纹身电极

在这一开创性的成就的基础上,Greco与EsmaIsmailova（法国圣埃蒂安国立高等矿业学院生物电子学系）和LauraFerrari（意大利圣安娜超级学院生物机器人研究所）一起在生物电信号测量中取得又一个里程碑：该小组改进了纹身电极，使其也可用于脑电图（EEG）–即测量脑部活动。

格拉茨技术大学(GrazUniversity of Technology)固态物理研究所(Instituteof Solid State Physics)的FrancescoGreco和他的团队正在开发一种临时纹身形式的电极，用于长期监测生物电信号。

为此，研究人员采用了与2018年相同的方法，即在纹身纸上用导电聚合物进行喷墨打印。优化了转移纸和导电聚合物的组成和厚度，使纹身电极与皮肤之间的连接更加良好，并以最高质量记录脑电图信号。

“脑电波属于低频范围，脑电图信号的振幅非常低。它们比EMG或ECG信号更难捕捉到。”LauraFerrari解释说，她在博士期间参与了这个项目，现在是法国的一名博士后研究员。

在实际临床条件下的测试表明，优化纹身的脑电图测量与传统脑电图电极一样成功。

“由于喷墨打印和可商购的材料，我们的纹身比目前的脑电图电极要便宜得多，而且在穿戴舒适和长期测量方面也有更多的优势，”Greco说。

首次脑磁图(MEG)兼容干电极

新型纹身电极是首个适用于长期脑电图测量的干式电极，同时与脑磁图(MEG)兼容。脑磁图是一种成熟的监测大脑活动的方法，目前为止，只有所谓的“湿电极”可以使用。

TTE与脑磁图（MEG）的兼容性

如上图a中表示，在受试者头部上带有"纹身电极"(TTE)的MEG记录，描绘在头部地图上，信号显示为已知的五个频率窗口的一部分：Delta（2-4 Hz），Theta（4-8 Hz），Alpha（8-12 Hz），Beta（12-30 Hz），Gamma（30-120）赫兹）。b为脑磁图传感器与人类头部耦合的例子。c为使用TTE同时记录MEG和EEG。右侧是从中获取两个重新编码信号的MEG传感器（右侧后部位置）和TTE（Oz位置）的示意图。在这两种方式中，α波的出现都会在8秒钟后出现。

这种电极在电解液、凝胶或电极糊的基础上工作，因此干得很快，不适合长期测量。新一代纹身电极完全由导电聚合物组成，即它不包含任何金属，而金属对于MEG检查来说可能有问题的。

Greco 表示：”使用我们的方法，可以生产出完美的MEG兼容电极，同时降低成本和生产时间。”格拉茨技术大学(GrazUniversity of Technology)的研究人员目前正在设想如何将这项技术应用于临床、神经工程以及脑机接口领域。

该项研究成果《Conductingpolymer tattoo electrodes in clinical electro- and magneto-encephalography》，
已经发表在《npj Flexible Electronics》杂志上。

论文信息：
Laura M. Ferrari et al.Conducting polymer tattoo electrodes in clinical electro- andmagneto-encephalography, npj Flexible Electronics (2020). DOI:10.1038/s41528-020-0067-z

参考
纹身电极: 一种新型的可以进行脑信号测量的电极
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