Forscher der Universität Tampere haben einen tragbaren, äußerst unauffälligen und kostengünstigen E-Tatoo entwickelt, der Messungen der arteriellen Pulswellen auf der Grundlage der peizoelektrischen Technologie ermöglicht. Diese Technologie wird auf der TechBlick-Konferenz über tragbare Sensoren, E-Textilien und gedruckte Elektronik am 2. Dezember 2022 vorgestellt. Es handelt sich um eine kostenlose Online-Veranstaltung, bei der Sie sich mit über 400 Teilnehmern vernetzen und über 40 Stände besuchen können. Bei Interesse sehen Sie bitte die Tagesordnung und melden Sie sich hier an www.TechBlick.com/wearables
Folie 1: Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind die häufigste Todesursache in der Welt und waren 2016 für etwa 30 % (~17,9 Millionen) aller Todesfälle verantwortlich. Daraus ergibt sich eine Risikogruppe von Hunderten von Millionen Menschen weltweit, die von potenziell tödlichen Herz-Kreislauf-Erkrankungen bedroht sind (allein in den USA wurden in einer Studie aus dem Jahr 2010 82,6 Millionen Menschen mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen gezählt). Die kontinuierliche Überwachung der arteriellen Pulswellen (pw) wurde kürzlich vorgeschlagen, um diese immense Risikogruppe zu überwachen. Derzeit gibt es jedoch keine Lösung, die die kostengünstige Herstellung, Unauffälligkeit und Genauigkeit dieser Geräte miteinander verbindet.
Folie 2: In unserer Studie haben wir ein skalierbares und kosteneffizientes Druckverfahren für einen pw-Sensor vom Typ elektronisches Tattoo (e-Tattoo) entwickelt und seine Genauigkeit anhand eines Referenzgeräts und mehrerer Probanden eingehend untersucht. Das Gerät basiert auf einer mit Stäben beschichteten piezoelektrischen P(VDF-TrFE)-Schicht, die zwischen einer im Tintenstrahldruckverfahren hergestellten, mit GOPS vernetzten PEDOT:PSS-Boden-/Oberelektrode liegt. Die gewählten Materialien sind biokompatibel, transparent und die Gesamtdicke des Geräts (einschließlich des Parylene C-Substrats) beträgt nur ~4,2 µm, was das Gerät für den Benutzer sehr unauffällig macht. Der dünne Formfaktor ermöglicht auch den Zugang zu einer hohen Biegemodus-Empfindlichkeit des P(VDF-TrFE) während der pw-Messung. Die Verwendung des piezoelektrischen Transduktionsprinzips verbessert darüber hinaus die Energieeffizienz des Geräts, was besonders bei energiearmen On-Skin-Anwendungen wichtig ist.
Folie 3: Die ferro-/piezoelektrische Leistung der ultradünnen P(VDF-TrFE)-Schicht wurde mit GOPS-vernetztem PEDOT:PSS optimiert. Im Vergleich zu reinem PEDOT:PSS wurde der remanente Polarisationswert um ~70% erhöht und das Koerzitivfeld um ~34% verringert. Die wahrscheinliche Ursache für diese Verbesserung ist der geringere Leckstrom bei der Verwendung von vernetzten PEDOT:PSS-Elektroden, der die Effizienz des Polungsschritts verbessert. Der geringere Leckstrom hängt wahrscheinlich mit der verbesserten chemischen Stabilität des vernetzten PEDOT:PSS zusammen, die ein Auslaugen des Elektrodenmaterials in die P(VDF-TrFE)-Schicht verhindert. Erste Leckstromanalysen zeigen, dass die Poole-Frenkle-Leitung (die mit internen P(VD-TrFE)-Fallenzuständen zusammenhängt) bei Proben mit vernetzten PEDOT:PSS-Elektroden nicht auftritt.
Folie 4: Der ultradünne Formfaktor des Bauelements ermöglicht es uns, die hohe Biegemodus-Empfindlichkeit des P(VDF-TrFE) bei der pw-Messung zu nutzen. Zu diesem Zweck wurde der Sensor bei uniaxialer Biegung auf PET und bei multiaxialer Biegung auf verschiedenen weichen Elastomeren (PDMS) charakterisiert; der erste Charakterisierungsaufbau entspricht der Situation, in der sich der E-Tattoo-Sensor frei mit der Haut über der Arterie ohne Manschette verformt, während der zweite Aufbau der Messung mit Manschette entspricht. In beiden Fällen betrug die maximal gemessene Empfindlichkeit 1700 pC/N, was ca. 50-mal höher ist als die Empfindlichkeit im Normalmodus von P(VDF-TrFE), die bei der traditionellen Applanationstonometrie (Sensor auf starrer Rückplatte befestigt und gegen die Arterie gedrückt) wirksam ist. Zur Verifizierung der Ergebnisse wurde ein FE-Modell erstellt.
Schaubild 6. Pulswellenmessungen ohne Manschette und mit Weichelastomermanschette wurden mit dem E-Tattoo-Sensor durchgeführt. Der Vergleich mit dem Referenzgerät bei n=7 Testpersonen zeigt, dass die beste Übereinstimmung der aus der Pulswellenform abgeleiteten klinisch relevanten radialen Augmentationszahl mit einer Weichelastomermanschette mit mittlerem Elastizitätsmodul (1:10 PDMS) erzielt wird (p≈0,22 bei allen Testpersonen, p≈0,81 bei 5 Messungen ohne Probleme). Die Messung ohne Manschette ist auch mit dem E-Tattoo-Sensor möglich, auch wenn die Schwankungen von Versuch zu Versuch aufgrund der mechanischen Kopplung des Sensors und der Schwankungen der Ausgangsimpedanz von Sensor zu Sensor erheblich sind. In den besten Fällen führt die Messung ohne Manschette jedoch zu einer sehr guten Übereinstimmung zwischen dem Sensor und dem Referenzgerät.
Diese Technologie wird auf der TechBlick-Konferenz über tragbare Sensoren, E-Textilien und gedruckte Elektronik am 2. Dezember 2022 vorgestellt. Es handelt sich um eine kostenlose Online-Veranstaltung, bei der Sie sich mit über 400 Teilnehmern vernetzen und über 40 Stände besuchen können.
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