ЭКГ в виде рисунка на теле: исследователи создали медицинский электрод, который наносится на кожу

Исследователи из Университета штата Пенсильвания создали медицинские электроды, которые просто наносятся на кожу и работают как тонкий датчик.

Электроды созданы на основе проводящих чернил, которые после высыхания повторяют микроскопические неровности кожи. Эти сенсоры подключены к многоразовому беспроводному датчику и, по результатам нескольких испытаний, успешно регистрировали электрические сигналы от сердца, мышц и мозга.

Чернила также можно смешивать с пищевыми красителями и наносить на кожу в виде символов и индивидуальных рисунков. По мнению исследователей, подобные датчики позволят сделать длительный мониторинг более удобным, особенно для детей и людей, испытывающих дискомфорт при ношении медицинских пластырей.

Врачи и исследователи используют электроды для обнаружения слабых электрических сигналов организма. По такому принципу работают электрокардиограмма (ЭКГ), электромиография (ЭМГ), регистрирующая сокращения мышц, и электроэнцефалография (ЭЭГ) для регистрации электрической активности головного мозга.

В стандартных клинических электродах обычно используются металлические контакты и клейкие гели. Они хорошо работают, когда пациент находится в неподвижном состоянии. Однако пот, движения и волосы могут ослаблять контакт между электродом и кожей.

В качестве альтернативы используют мягкие электроды на основе гидрогеля, поскольку они лучше взаимодействуют с кожей. Однако водная основа делает их неэффективными после высыхания при длительном использовании. Теряя воду, они становятся менее гибкими и теряют адгезию. Даже хорошо закрепленный электрод имеет ещё одно слабое место. Это его соединение с жёсткой электроникой, которая усиливает, обрабатывает и передаёт сигнал. Многократное растяжение деформирует это соединение, вызывая помехи или полную потерю сигнала.

По словам первого автора исследования Ванцин Чжан, традиционные методы производства также создают проблемы ещё до начала их применения. Учитывая это, учёные из Пенсильванского университета решили пойти другим путём.

Исследователи выбрали чернила на водной основе, содержащие несколько полимеров, в том числе PEDOT — пластикоподобный проводящий материал. Другой компонент называется DBSA и помогает материалу проводить электрический ток, сохраняя при этом его гибкость. Поливиниловый спирт широко используется в качестве мягкого полимера, придающего смеси большую прочность.

Исследователи назвали эту смесь WE-PPD по аббревиатуре от компонентов, входящих в её состав: — воды, этанола, поливинилового спирта, PEDOT и DBSA. В жидком состоянии чернила по консистенции похожи на клей. Их можно наносить кистью, и они высыхают менее чем за 10 минут. Теплый воздух может ускорить этот процесс.

Поскольку жидкость заполняет мелкие промежутки на коже, прежде чем чернила затвердеют, электрод располагается чрезвычайно близко к телу. После высыхания материал также утолщается, а не переходит резко из чрезвычайно мягкого состояния в твердое. Это позволяет распределять механическое напряжение по всей площади устройства.

По словам исследователей, чернила фактически ведут себя как краска для лица. Изначально они почти прозрачные, однако можно использовать пищевые красители, чтобы окрасить их в любые цвета. Это может упростить установку подобных электродов детям, которых обычно пугает вид медицинских устройств.

Исследователи протестировали созданные электроды в ходе нескольких демонстраций, имитировавших повседневные движения. В одном из экспериментов один из соавторов исследования носил систему в течение 12 часов, занимаясь повседневными делами. Электроды записывали ЭКГ пользователя, отображая электрический ритм сердца.

Другой участник выполнял физические упражнения. Во время теста на беговой дорожке сигнал ЭКГ сохранял стабильность на 95 % до и после легкого потоотделения. Исследователи также наносили электроды на предплечье одного из участников для регистрации сигналов мышечных сокращений. Система машинного обучения научилась соотносить эти сигналы с различными жестами рук, а затем использовала их для управления роботизированной рукой.

Подобный интерфейс может использоваться для поддержки протезов конечностей, реабилитационных инструментов и беспроводного управления. Однако это лишь ранняя демонстрация, а не готовый клинический протез. Практическая система должна надежно распознавать жесты разных пользователей при различных положениях рук, уровнях усталости и условиях окружающей среды.

Исследователям также удалось зарегистрировать сигналы активности мозга через волосы. Волосы часто мешают плоским электродам равномерно соприкасаться с кожей головы, ослабляя сигналы ЭЭГ. Материал, похожий на краску, может обволакивать отдельные пряди и более эффективно проникать к коже.

Результаты исследования были опубликованы в журнале PNAS

Источник: ZME Science