La amplitud de la señal del electrocardiograma (ecg) es de solo milivoltios, y la cutícula de la piel constituye la barrera máxima de atenuación de la señal durante la transmisión del corazón a la superficie corporal. La tarea del electrodo es establecer un canal de conversión de iones electrónicos estable y de bajo ruido en esta barrera.

El monitoreo clínico tradicional del ECG utiliza ampliamente electrodos húmedos de gel AG / agcll. El gel conductor llena el hueco microscópico entre el electrodo y la piel, reduciendo la resistencia de la interfaz a un nivel lo suficientemente bajo. En el monitoreo estático y a corto plazo, la relación señal - ruido y la fidelidad de la señal de los electrodos húmedos son excelentes. Sin embargo, los Electrodos de gel se enfrentan a tres cuellos de botella de ingeniería insuperables en el uso a largo plazo: el secado del gel con el tiempo hace que la resistencia continúe aumentando y la calidad de la señal comience a deteriorarse horas después; Los ingredientes del gel pueden causar alergias cutáneas y dermatitis de contacto; La mala transpirabilidad conduce a la acumulación de sudor, lo que deteriora aún más las condiciones de la interfaz.

2. cuatro propuestas de ingeniería para electrodos secos

Los electrodos secos flexibles no requieren gel conductor y pueden entrar en contacto directo con la piel para recoger señales. Sin embargo, para lograr el salto del laboratorio a las aplicaciones a gran escala, debe resolver sistemáticamente las siguientes cuatro propuestas básicas de ingeniería:

3. sistema de materiales de recubrimiento: comparación de propiedades de oro, platino, plata / cloruro de plata

Las propiedades de los Electrodos de ECG se derivan de la selección de su material de recubrimiento conductor. Los tres metales preciosos de oro (au), platino (pt) y plata (ag) se centran en la conductividad eléctrica, la estabilidad química, la biocompatibilidad y la actividad electroquímica.

Oro (au)Tiene las ventajas de una mejor biocompatibilidad, una fuerte inercia química y una fácil modificación funcional de autoensamblaje, y es ampliamente utilizado en sensores electroquímicos y electrodos de inmunodetección. La inercia química del oro le permite no corroer ni precipitar iones tóxicos en un entorno fisiológico, adecuado para escenarios de contacto a largo plazo con la piel. La desventaja es que la conductividad eléctrica es ligeramente inferior a la del platino y la plata, y la resistencia es relativamente alta.

Platino (pt)Con la mayor capacidad de transferencia de carga y excelente actividad catalítica, es el material preferido para electrodos de estimulación eléctrica, neuromodulación y biosensores. La resistencia eléctrica del electrodo de platino puede ser tan baja como 1,65 muohm · cm. su principal desafío es el alto costo y la adherencia del recubrimiento al sustrato debe optimizarse.

Plata / cloruro de plata (ag / agcl1)Es el sistema de materiales más clásico en electrodos biopotenciales. La capa de cloruro de plata puede reducir el efecto de polarización, estabilizar la transmisión de señal y evitar la deriva de corriente continua. La conductividad eléctrica de la plata es la mejor de las tres y tiene propiedades antibacterianas naturales. Sin embargo, la plata es fácil de oxidar y decolorar, y su estabilidad a largo plazo es pobre, por lo general se utiliza en forma de capas compuestas AG / agc1 para tener en cuenta el rendimiento y la estabilidad.

IV. de los electrodos húmedos a los secos: la evolución múltiple de las rutas tecnológicas

La ruta técnica de los electrodos secos se está diferenciando rápidamente, y los diferentes esquemas hacen diferentes compensaciones entre resistencia, flexibilidad y comodidad de uso.

Electrodos de tejidos conductoresDesarrollado con materiales textiles y procesos textiles, tiene las características de flexibilidad, transpirabilidad y lavado de agua. Los estudios han demostrado que los Electrodos de tela preparados con el proceso de bordado pueden recoger señales de ECG de buena calidad tanto dinámicas como estáticas.

Polímeros conductores y electrodos de nanomaterialesEl uso de nuevos materiales funcionales como metales líquidos, nanomateriales e hidrogeles conductores mejora la comodidad de uso al tiempo que mejora las propiedades eléctricas. Algunos de los nuevos electrodos de hidrogel han demostrado mejores propiedades que los electrodos tradicionales AG / agc1 en términos de relación señal - ruido.

Electrodos de matriz de microagujasA través de la estructura de microagujas para penetrar en la cutícula de la piel, eludir la barrera de alta resistencia de la cutícula y recoger señales en la epidermis activa, la baja resistencia de los electrodos húmedos y la conveniencia no invasiva de los electrodos secos son considerados como el esquema principal de la próxima generación de electrodos portátiles.

V. proceso de recubrimiento: un eslabón clave en la transformación de las propiedades de los materiales en la fiabilidad de los Electrodos

El proceso de recubrimiento es el eslabón central para transformar las ventajas teóricas de los materiales conductores en las propiedades reales de los electrodos. Para las cuatro principales propuestas de ingeniería de electrodos de ecg,Ciencia y tecnología avanzadas de la AcademiaSe ha construido un sistema técnico completo, desde el material hasta el proceso.

• Avance en la Unión de la interfaz: activación del pretratamiento de plasma.En respuesta al problema de la industria de la falta de unión entre metales y sustratos poliméricos, el proceso de pretratamiento de plasma desarrollado por la Ciencia y la tecnología de la academia avanzada bombardea la superficie del sustrato a través del plasma, mejorando efectivamente la resistencia de unión entre el sustrato y la capa metálica. Con el diseño del recubrimiento gradiente, se logra la transición de tensión del sustrato a la capa metálica, evitando efectivamente el desprendimiento de la interfaz causado por la diferencia de módulo, la fuerza de adhesión de 100 celosías del recubrimiento alcanza el nivel 5b, la resistencia al desprendimiento supera los 0,8 n / mm, puede soportar cientos de miles de curvas dinámicas y múltiples usos, y la resistencia del electrodo no tiene deriva significativa.
• Baja resistencia y fidelidad de la señal.Al controlar con precisión el grosor del recubrimiento (ajustable continuamente de nanómetros a micras) y la microestructura, el producto presenta una resistencia de contacto electrodo - piel extremadamente baja y estable en la banda de 10 Hz a 10 khz. Baja resistencia significa una mayor relación señal - ruido y una adquisición de señal más precisa, lo que puede reducir significativamente la interferencia de modo común y los artefactos de movimiento, especialmente adecuado para el monitoreo dinámico de ecg.
• Biocompatibilidad y resistencia a la corrosión por sudor.El recubrimiento conductor selecciona materiales metálicos evaluados por la bioseguridad. El proceso seco al vacío completo elimina los residuos de disolventes químicos, y el producto terminado puede cumplir con los estándares de biocompatibilidad de las series ISO 10993 y GB / T 16886. Para ambientes húmedos y sudorosos, la inercia química del oro otorga al recubrimiento una excelente resistencia a la corrosión, adecuada para escenarios de uso a largo plazo.
• El plan de recubrimiento personalizable.Además de los electrodos AG / agcls estándar, Advanced Academy Technology también puede proporcionar recubrimientos de titanio, oro, platino y otros programas, así como recubrimientos de nanotubos de carbono, grafeno, pedot: PSS y otros recubrimientos de polímeros conductores. La capa de titanio se puede utilizar en electrodos secos flexibles, tanto conductores como bioininertes; El recubrimiento de oro es adecuado para el registro de EEG de alta precisión; El proceso gráfico puede fabricar una matriz de electrodos multicanal y apoyar el diseño diferenciado del cliente.

La ciencia y la tecnología avanzadas de la Academia han construido independientemente una línea de producción de pulverización de magnetrón y evaporación al vacío, utilizando el proceso de producción continua de rollos, que puede lograr una deposición precisa de capas metálicas en la superficie de sustratos flexibles de películas poliméricas como pi, pet, fep, LCP y peek. El espesor del sustrato es ajustable de varias micras a cientos de micras, y se puede recubrir con una serie completa de oro, plata, cobre, aluminio, estaño, níquel, titanio y platino.

6. consideraciones de selección: desde el escenario de aplicación hasta el esquema de recubrimiento

Al seleccionar electrodos de monitoreo de ecg, los ingenieros deben centrarse en las siguientes dimensiones:

• Los escenarios de aplicación determinan el camino del material.El diagnóstico clínico a corto plazo puede seleccionar el sistema AG / agcls, cuyo potencial de baja polarización y el proceso de fabricación maduro garantizan una calidad de señal confiable. El monitoreo wearable a largo plazo debe dar prioridad a los programas de chapado en oro o platino para obtener una resistencia a largo plazo más estable y una mejor biocompatibilidad. Los electrodos que requieran una función de estimulación eléctrica, como la estimulación eléctrica neuromuscular, deben elegir un esquema compuesto de platino o platino / polímero conductor.
• La resistencia al contacto es el primer umbral para la calidad de la señal.Al seleccionar, se debe prestar atención a las características de resistencia de los electrodos dentro de la banda objetivo (la señal efectiva del ECG se concentra en 0,05 - 100 hz), en lugar de centrarse solo en los valores nominales a una sola frecuencia. Baja resistencia significa una mayor relación señal - ruido y un reconocimiento de características más preciso.
• La adherencia del recubrimiento y la estabilidad de la deformación determinan la fiabilidad a largo plazo.La adherencia de grado 5b (nivel más alto de ASTM d3359) es el umbral del proceso para garantizar que los electrodos no se caigan en curvas repetidas, aplicaciones e infiltración de sudor. Las capas conductoras recubiertas o impresas tradicionales son fáciles de caer en la deformación repetida, lo que limita seriamente la vida útil de los electrodos.
• La precisión de procesamiento satisface las necesidades de la matriz multicanal.La matriz de mapeo de ECG de alta densidad requiere una precisión de patrón de micras. Se deben seleccionar proveedores que apoyen la producción continua de volúmenes y procesos de recubrimiento de precisión para garantizar la consistencia y trazabilidad de los lotes.

VII. observaciones finales

La esencia de los Electrodos de monitoreo de ECG es establecer un canal de señal estable, de bajo ruido y amigable con la biología entre el sistema electrónico rígido y la piel suave, dinámica y sudorosa. Coincide con las propiedades mecánicas de la piel con un sustrato flexible, garantiza la calidad de la señal con una capa conductora Chapada en oro / platino / AG / agcl1, y convierte la inercia química del material en propiedades confiables a largo plazo con un proceso de pretratamiento por plasma y recubrimiento gradiente, que trabajan juntas para responder a una pregunta central de ingeniería: cómo hacer que los electrodos sean tan suaves como la piel y, al mismo tiempo, entender el lenguaje del corazón.

El cambio de paradigma de los electrodos húmedos a los secos refleja la mejora de la demanda de monitoreo de ECG de "detección clínica a corto plazo" a "monitoreo diario a largo plazo". Comprender las limitaciones mutuas entre las cuatro propuestas de ingeniería, los límites de rendimiento de los diferentes sistemas de materiales de recubrimiento y el papel decisivo del proceso de recubrimiento en la fiabilidad a largo plazo de los electrodos son las claves para actualizar los Electrodos de monitoreo de ECG de "un sensor" a "decisión de ingeniería".