< Terug naar vorige pagina

Project

Droge polymeer-elektroden voor biopotentiaal-metingen

Biopotentiaalsignalen zoals electrocardiografie (ECG) en electro-encefalografie (EEG) geven belangrijke informatie over bepaalde aspecten van iemands gezondheid, waardoor ECG/EEG metingen een brede waaier aan medische toepassingen hebben. Zowel de elektrische als de mechanische eigenschappen van de elektroden die gebruikt worden om biopotentiaalmetingen te doen, hebben een belangrijke impact op de kwaliteit van de gemeten signalen. De traditioneel gebruikte natte gel-elektroden bevatten een geleidende gel die de huid hydrateert en hierdoor de huid/elektrode impedantie drastisch verlaagt. De gel zorgt ook voor uitstekend contact met de huid, zelfs bij beweging van de huid, waardoor een lage impedantie behouden blijft. Nochtans heeft het gebruik van deze gel-elektroden ook belangrijke nadelen. Het plaatsen van de gel-elektroden alvorens de EEG meting kan starten, moet gebeuren door een expert ter zake en neemt ook dan nog een hele tijd in beslag. Verder zal de gel van de elektroden uitdrogen tijdens de EEG meting, en vaak veroorzaakt de gel en/of de lijm nodig voor de elektrodebevestiging ook huidirritatie. Tot slot is het wegnemen van de gel-elektroden en de bevestigingslijm na de EEG meting een zeer lastige zaak en in de meeste gevallen verlaat de patiënt het hospitaal met een nog vuile en erg verwarde haardos.

Om de nadelen van het gebruik van natte gel-elektroden te vermijden, zijn er al een reeks alternatieve elektrodesoorten bedacht en uitgetest. In deze thesis worden droge elektroden bestudeerd die gefabriceerd zijn uit een flexibel geleidend polymeer. De elastische eigenschappen - in het bijzonder de flexibiliteit - van dit polymeer vormen een belangrijk pluspunt met betrekking tot het gebruikscomfort, zeker in vergelijking met metalen droge elektrodes. De geleidbaarheid van het polymeer vermijdt dat er nog een geleidend laagje op het zachtere materiaal moet worden aangebracht, wat een voordeel is gezien het snelle afpellen van zo’n harder laagje aangebracht op een flexibel materiaal. De vorm van de elektroden (met name pinlengte, breedte en densiteit) kan aangepast worden naargelang de toepassing. Additieven die aan het basispolymeer worden toegevoegd zijn geoptimaliseerd om zowel een lage huid/elektrode impedantie te bekomen als om de geschikte mechanische eigenschappen te verkrijgen die bijdragen tot een hoger gebruikscomfort en een beter huidcontact.

De impedantie van deze polymeer-elektroden is uitvoerig gekarakteriseerd op relevante surrogaat-substraten en op menselijke huid. De optimale polymeersamenstelling (43% koolstof als additief) is hieruit bepaald, en deze blijkt een huid/elektrode impedantie te hebben die slechts een factor 10 hoger is dan die van natte gel-elektroden. Deze impedantie kan nog extra verlaagd worden door het gebruik van een licht schurende gel (scrub) op de huid, een hydraterende huidlotion, of gewoon door lokale transpiratie, maar de bereikte impedantie-verlaging houdt slechts tijdelijk aan.

De mechanische eigenschappen van droge elektroden zijn uitvoerig geëvalueerd, voornamelijk via samendrukkingstesten gebruikt om de hardheid (via elastische modulus) van de polymeren te bepalen als functie van de hoeveelheid koolstof in het polymeer. De flexibiliteit van de elektroden zelf, mede bepaald door de vorm en densiteit van de pinnen op de elektrode, is ook uitgetest via samendrukkingstesten. Deze testen toonden dat de elektroden minder samendrukbaar waren indien de elektrode meer koolstof bevat, kortere en/of dikkere pinnen heeft, of een hogere pindichtheid heeft. Via de gemeten elastische modulus van het gebruikte elektrodemateriaal, gecombineerd met de afmetingen van de elektroden, kan de hardheid van de uiteindelijke elektrode vrij goed voorspeld worden.

De polymeer-elektroden met optimale polymeersamenstelling zijn dadelijk geschikt om sterkere biopotentiaalsignalen te registreren, zoals het geval bij een ECG. Testen tonen aan dat ECG signalen opgemeten met polymeer-elektroden bij een testpersoon in rust, een zeer sterke gelijkenis vertonen met signalen simultaan opgemeten met de klassieke natte gel-elektroden. De pinvormige polymeer-elektroden zijn echter minder geschikt voor een ECG, zij zijn gevoelig aan signaalstoringen tgv. beweging indien gebruikt op onbehaarde huid, wat bewijst dat de elektrodevorm moet gekozen worden naargelang het gebruik.

Om signalen op te meten die eerder zwak zijn, zoals EEG signalen, moeten de polymeer-elektroden aan een actief elektronisch circuit worden gekoppeld. Zo’n actief circuit is in deze thesis geoptimaliseerd, en de compatibiliteit met de bestaande klinische EEG systemen is geëvalueerd. De EEG signalen opgemeten met polymeer-elektroden is uitvoerig vergeleken met signalen bekomen via natte gel-elektroden. De polymeer-elektroden leverden goede signalen op, maar ze waren gevoeliger voor ruis en storingen (zoals 50Hz ruis van het net), en voor drift van het nulniveau van de meting (zeer laagfrequente signaalstoring). 50Hz ruis kan zeer eenvoudig weggefilterd worden, waardoor het EEG signaal –ondanks de drift van het nulniveau- zeer vlot interpreteerbaar is door ervaren medisch personeel. Indien toch gewenst kan trouwens het nulniveau gestabiliseerd worden door de laagste frequenties weg te filteren. Dit moet echter met de nodige voorzichtigheid gebeuren, om een mogelijke foutieve interpretatie te vermijden van laagfrequente signaalcomponenten (< 2Hz). De polymeer-elektroden werden in dit werk ook vergeleken met andere ‘droge’ alternatieven van natte gel-elektroden, zoals AgCl elektroden en polymeer-elektroden met een AgCl-coating. Voor deze vergelijking werd imec’s EEG systeem gebruikt. De flexibele polymeerelektroden vertoonden initieel een hogere huid/elektrode impedantie dan de alternatieven, maar na een zekere stabilisatietijd verlaagt en stabiliseert de impedantie, en wordt ook de drift van het nulniveau kleiner.

Biocompatibiliteit en gebruikscomfort zijn ook belangrijke eigenschappen van elektroden. Het basispolymeer dat gebruikt wordt voor de droge elektroden is niet cytotoxisch, en er is ook geen huidirritatie waargenomen na langdurig (enkele dagen) gebruik van de elektroden. Ook de vele testpersonen hebben geen huidirritatie gemeld tijdens of na de kortere testen. Tijdens de EEG metingen is door een beperkt aantal testpersonen (met wat groter hoofd) wel een verhoogde druk opgemerkt ter hoogte van sommige elektroden. Voor deze metingen werd dan ook een bevestigingsmethode voor de elektroden gebruikt die maar beperkt aanpasbaar was aan verschillende hoofdmaten. Het aanbrengen en wegnemen van de droge elektroden werd door alle EEG-testpersonen als veel praktischer ervaren.

We kunnen besluiten dat onze polymeer-elektroden hoogkwalitatieve ECG en EEG signalen opnemen. Indien polymeerelektroden gecombineerd worden met een optimale bevestigingsmethode op de huid, dan vormen zij een veelbelovend alternatief voor natte elektroden of voor harde droge elektroden.

Datum:8 dec 2011 →  29 nov 2016
Trefwoorden:flexible polymer dry electrode, biopotential measurements, impedance
Disciplines:Nanotechnologie, Ontwerptheorieën en -methoden
Project type:PhD project