A amplitude dos sinais de eletrocardiograma (ECG) está apenas no intervalo de millivolt, e durante o processo de condução do coração até a superfície corporal, o córneu de estrato da pele forma a maior barreira de atenuação do sinal. A tarefa do eletrodo é estabelecer um canal estável de conversão de ións eletrônicos de baixo ruído nesta barreira.

Eletrodo molhado de gel Ag/AgCl é amplamente utilizado no monitoramento clínico tradicional da ECG. O gel condutivo preenche a lacuna micro entre o eletrodo e a pele, reduzindo a impedência da interface a um nível suficientemente baixo. Em monitoramento estático e a curto prazo, a relação sinal-ruído e a fidelidade sinal dos eletrodos húmidos funcionam bem. No entanto, o eletrodo de gel enfrenta três obstáculos de engenharia insurmonáveis em uso a longo prazo: o gel seca com o tempo, resultando em um aumento contínuo da impedância, e a qualidade do sinal começa a deteriorar após algumas horas; Os ingredientes do gel podem causar alergia cutânea dermatite de contato; A falta de respirabilidade leva a acumulação do suor, deteriorando ainda mais as condições da interface.

2[UNK] Quatro propostas principais de engenharia para eletrodos secos

O eletrodo seco flexível não precisa de gel condutivo, e pode contatar diretamente com a pele para coletar sinais. Mas para alcançar um salto do laboratório para aplicações em grande escala, deve abordar sistematicamente as seguintes quatro propostas de engenharia essenciais:

3[UNK] Sistema de material de cobertura: comparação de desempenho de ouro, platina, prata/cloreto de prata

O desempenho de eletrodos eletrocardiogramas está radicado na seleção de seus materiais de revestimento condutivo. Os três metais preciosos de ouro (Au), platino (Pt) e prata (Ag) têm cada um seus próprios fortes em condutividade, estabilidade química, biocompatibilidade e atividade eletroquímica.

Ouro (Au)Tem as vantagens de melhor biocompatibilidade, forte inerência química, fácil auto-montagem e modificação funcional, e é amplamente utilizado em sensores eletroquímicos e eletrodos de detecção imunológica. A inerência química do ouro o impede de corrodir e libertar iões tóxicos em ambientes fisiológicos, tornando-o adequado para cenários de contato pele a longo prazo. A desvantagem é que a condutividade é ligeiramente inferior a platina e prata, e a impedância é relativamente alta.

Platino (Pt)Tem a maior capacidade de transfer ência de carga e excelente atividade catalítica, tornando-a o material preferido para eletrodos de estimulação elétrica, regulação neural e biosensores. A resistência dos eletrodos de platina pode ser tão baixa quanto 1,65 μ Ω·cm. O principal desafio é o alto custo e a necessidade de otimizar a adesão entre o revestimento e o substrato.

Clorido de prata/prata (Ag/AgCl)É o sistema material mais clássico em eletrodos biopotenciais. A camada de cloreto de prata pode reduzir efeitos de polarização, estabilizar a transmissão do sinal e evitar desvio DC. A prata tem a melhor condutividade entre os três e possui propriedades antibacterias naturais. No entanto, a prata é propensa à oxidação e descoloração, e sua estabilidade a longo prazo é ruim. Normalmente é usada na forma de uma camada composta Ag/AgCl para equilibrar desempenho e estabilidade.

4[UNK] Desde eletrodo húmido para eletrodo seco: a diversa evolução das rotas tecnológicas

A rota tecnológica dos eletrodos secas está rapidamente diferenciando, com diferentes esquemas fazendo diferenças entre impedência, flexibilidade e uso de conforto.

Eletrodo de tecido condutivoDesenvolvido usando materiais e técnicas têxteis, tem características de flexibilidade, respirabilidade e lavabilidade. Pesquisas mostraram que eletrodos de tecido preparados usando técnicas de embroidagem podem capturar sinais de eletrocardiograma de alta qualidade tanto dinamicamente como estaticamente.

Polímero condutivo e eletrodo nanomaterialNovos materiais funcionais como metal líquido, nanomateriais e hidrogel condutivo são usados para melhorar o desempenho elétrico e usar conforto. Alguns novos eletrodos de hidrogelo mostraram melhor desempenho do que eletrodos tradicionais Ag/AgCl em relação sinal-ruído.

Eletrodo de microagulhasO uso de estruturas de microagulhas para penetrar o córneu de estrato da pele, evitar a barreira de alta impedância do córneu de estrato, e coletar sinais na camada epidermal ativa, combinando a baixa impedância de eletrodos húmidos com a conveniência não invasiva de eletrodos secos, é considerada a solução principal para a próxima geração de eletrodos portables.

5[UNK] Processo de cobertura: uma ligação chave na conversão de propriedades materiais em confiabilidade de eletrodos

O processo de revestimento é o passo central na tradução das vantagens teóricas dos materiais condutivos para o desempenho real dos elétrodos. Quanto às quatro propostas principais de engenharia de eletrodos eletrocardiogramas,Instituto Avançado de TecnologiaConstruí um sistema técnico completo de materiais a processos.

• Avançamento na integração da interface - ativação do pré-tratamento plasma.Em resposta ao problema da indústria de força insuficiente de ligação entre substratos de metal e polímero, o processo de pré-tratamento plasma desenvolvido pela Advanced Institute Technology melhora efetivamente a força de ligação entre o substrato e a camada de metal bombardeando a superfície do substrato com plasma. Em conjunto com o projeto de revestimento gradiente, a transição de estresse do substrato para camada de metal é alcançada, evitando efetivamente a delaminação da interface causada por diferenças módulas. O revestimento tem uma adesão de 100 grelhas de nível 5B, uma força de corte superior a 0,8 N/mm, e pode resistir centenas de milhares de dobramentos dinâmicos e múltiplos usos sem desvio significativo na impedância eletroda.
• Baixa impedância e fidelidade de sinais.Ao controlar exatamente a espessura do revestimento (contínuamente ajustada de nanômetro para nível de micrometro) e a microestrutura, o produto mostra impedância extremamente baixa e estável de contacto com a pele de eletrodos na faixa de frequências de 10Hz-10kHz. Baixa impedância significa maior relação sinal-ruído e aquisição mais precisa de sinal, o que pode reduzir significativamente a interferência de modo comum e artefatos de movimento, especialmente adequados para monitoramento dinâmico de eletrocardiograma.
• Biocompatibilidade e resistência à corrosão do suor.O revestimento condutivo é feito de materiais de metal que foram submetidos a avaliação biológica de segurança. O processo seca em vácuo completo elimina resíduos de solventes químicos, e o produto acabado cumpre os padrões de biocompatibilidade das séries ISO 10993 e GB/T 16886. Para ambientes de alta umidade e suor, a inerência química do ouro proporciona o revestimento com excelente resistência à corrosão, tornando-o adequado para cenários de uso a longo prazo.
• Solução de revestimento personalizada.Além de eletrodos padrão Ag/AgCl, Advanced Institute Technology também pode fornecer soluções como placa de titânio, placa de ouro, placa de platino, bem como revestimentos de polímeros baseados em carbono e condutivos como nanotubos de carbono, grafeno, PEDOT: PSS, etc. A camada de titânio pode ser usada para eletrodos secos flexíveis, combinando condutividade e inerência biológica; A placa de ouro é adequada para gravação EEG de alta precisão; A tecnologia gráfica pode fabricar arrays de eletrodos multicanais, apoiando o design diferenciado do cliente.

Tecnologia do Instituto Avançado construiu independentemente uma linha de produção de sputtering magnetron e evaporação de vácuo, usando rolo para rolar tecnologia de produção contínua, que pode alcançar depositação precisa de camadas de metal em substratos flexíveis de filme de polímero como PI, PET, FEP, LCP, PEEK, etc. A espessura do substrato pode ser ajustada de alguns micrometros a várias centenas de micrometros, e pode ser revestida com uma gama completa de metais incluindo ouro, prata, cobre, alumínio, lata, níquel, titânio, platina, etc.

6[UNK] Considerações de seleção: de cenários de aplicação a soluções de revestimento

Quando os engenheiros escolhem eletrodos de monitoramento do ECG, as seguintes dimensões merecem atenção especial:

• O cenário de aplicação determina o caminho material.O sistema Ag/AgCl pode ser escolhido para diagnóstico clínico de curto prazo, e seu baixo potencial de polarização e processo de fabricação maduro asseguram qualidade de sinal confiável. Monitorização portable a longo prazo deve priorizar soluções de ouro ou platina para alcançar impedância mais estável a longo prazo e melhor biocompatibilidade. Eletrodos que requerem função de estimulação elétrica (como estimulação elétrica neuromuscular) devem escolher soluções compostas de platino ou platino/polímero condutivo.
• A impedência de contato é o primeiro limiar para qualidade do sinal.Ao selecionar, a atenção deve ser prestada às características de impedância do eletrodo na banda de frequência alvo (onde o sinal eletrocardiograma efetivo está concentrado entre 0,05-100Hz), em vez de focar apenas no valor nominal numa única frequência. Baixa impedância significa maior relação sinal-ruído e reconhecimento mais preciso das características.
• A estabilidade de adesão e deformação do revestimento determina a confiabilidade a longo prazo.A adesão ao nível 5B (ASTM D3359 mais alto grau) é o limiar de processo para assegurar que o eletrodo não se separa durante a dobra repetida, aplicação e infiltração do suor. A revestimento tradicional ou a impressão de camadas condutivas são propensos a desmantelamento durante uma deformação repetida, limitando severamente a vida de serviço dos eletrodos.
• A precisão do processamento satisfaz os requisitos da série multicanal.Sistemas de mapeamento de eletrocardiogramas de alta densidade requerem precisão de padronização de nível de micrometros. Os fornecedores que suportem rolamento para rolamento de produção contínua e processos de revestimento de precisão devem ser selecionados para assegurar a coerência e rastreabilidade dos lotes.

7[UNK] Conclusão

A essência dos eletrodos de monitoramento do eletrocardiograma é estabelecer um canal de sinal estável, baixo ruído e biológicamente amigável entre um sistema eletrônico rígido e uma pele suave, dinâmica e suave. Ele coincide com as propriedades mecânicas da pele com um substrato flexível, assegura qualidade do sinal com uma camada condutiva ouro/platino/Ag/AgCl, e converte a inerência química do material em desempenho confiável a longo prazo através de pré-tratamento plasma e processos de revestimento gradiente - todos os três trabalham juntos para responder a uma questão de engenharia central: como fazer eletrodos tão suaves como a pele enquanto também entender a linguagem do coração.

A mudança de paradigma de eletrodos húmidos para eletrodos secos reflete a atualização do monitoramento do eletrocardiograma, de "detecção clínica a curto prazo" para "monitoramento diário a longo prazo". Entender as restrições mútuas entre as quatro grandes propostas de engenharia, os limites de desempenho de diferentes sistemas de materiais de revestimento, e o papel decisivo dos processos de revestimento na confiabilidade a longo prazo dos eletrodos - estas são a chave para actualizar eletrodos de monitoramento de eletrocardiograma de "um dispositivo sensor" para "tomada de decisões de engenharia".