Gedruckte Elektroden

Für Langzeit-EEGs ohne Gel

18. Mai 2022, 7:20 Uhr | Fraunhofer IBMT
Gedruckte Elektronik Elektroden EEG Haut Fraunhofer IBMT
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Eine leitfähige Hautelektrode auf Kunststoff soll Langzeit-EEGs und -EMGs noch zuverlässiger machen.

Für die Elektroenzephalographie (EEG) als auch für die Elektromyographie (EMG) sind auf der Haut angebrachte Elektroden das Kernelement. Neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit müssen die eingesetzten Elektroden hautverträglich sein und einen geringen Haut-Elektroden-Widerstand aufweisen. Heutige Standardelektroden aus Metall sind dafür mit einer leitfähigen Gelschicht versehen. Bei Langzeitmessungen kann das Gel jedoch austrocknen und eine zuverlässige Messung am Patienten verhindern.

Geringer Haut-Widerstand ohne Gel

Ein niedriger Haut-Elektroden-Widerstand lässt sich auch ohne Einsatz eines Gels realisieren, wie das erfolgreich abgeschlossene BMBF-Forschungsprojekt »NanoEDGE« bewiesen hat. Die Elektrode muss sich dafür gut an die zerklüftete Hautoberfläche anschmiegen und so eine große Kontaktfläche bilden. Zu diesem Zweck wird die Hautelektrode als dünne elektrisch leitfähige Schicht realisiert, die auf eine dünne und mechanisch flexible Kunststofffolie gedruckt ist.

Die Herstellung der Hautelektrode umfasst das Drucken einer elektrisch leitfähigen Tinte auf weiches Folienmaterial, gefolgt vom Zuschneiden und Laminieren einer für das Aufkleben auf die Haut geeigneten Isolationsschicht. Vor allem die Dicke der einzelnen Schichten sowie die Gesamtdicke bestimmen hierbei die Kopplung der Elektroden mit der Haut und damit das erreich­bare Signal-Rausch-Verhältnis. Die nur wenige Mikrometer dünnen Elektroden in Kombination mit kostengünstiger, minia­turisierter Elektronik dienen als Bausteine für eine neue Generation tragbarer Sensoren.

Neue Generation tragbarer Sensoren

Das »NanoEDGE«-Projektteam untersuchte die Eignung verschiedener Tinten hinsicht­lich ihrer Anwendung als Hautelektroden. Erfolgreich war schließlich der Ansatz, biokompatible Elektroden mit ausreichend hoher elektrischer Leitfähigkeit durch das Drucken einer biokompatiblen Kohlenstoffschicht auf eine hoch leitfähige Silberunterschicht zu realisieren. Zytotoxi­zitätstests zeigten, dass der biokom­patible Kohlenstoff in dieser Mehrfachschicht das zellschädigende Silber ausreichend abdeckt.

Die im Laufe des Projekts erarbeiteten Druckprozesse wurden beim Projekt­partner Notion Systems GmbH (Schwetzingen, Deutschland) auf einen Industriedrucker transferiert, der ein Drucken im Hochdurchsatz gestattet. Das Drucken der Elektroden­strukturen im industriellen Maßstab erfolgte mit einem n.jet-Drucker von Notion Systems mit industriellen Druckköpfen. Die Projektpartner der Universität Tel Aviv, Israel, erbrachten den Nachweis der Eignung der gedruckten Elektroden sowohl für die EMG- als auch für die EEG-Signalableitung. Dabei kamen jeweils anwendungs­spezifische Elektrodengeometrien zum Einsatz. Hierzu entwickelte die SensoMedical Labs Ltd. in Nazareth, Israel, eine miniaturisierte Sensorelektronik zum Aufbau kompletter Monitoringsysteme.

Signal-Rausch-Verhältnis des EEGs

Eine eigens entwickelte Messmethode und Vorrichtung zur Charakteri­sierung der Steifigkeit gedruckter Elektroden half dabei, mit unterschiedlichen Tinten gedruckte Strukturen auf ihre mechanische Verformbarkeit hin zu untersuchen. Durch den Vergleich der mit dieser Methode ermittelten Verform­barkeiten mit dem Signal-Rausch-Verhältnis der abgeleiteten EEG-Signale konnte erstmals gezeigt werden, dass die Eig­nung von Hautelektroden zur Ableitung von EEG-Signalen mit der mechanischen Ver­formbarkeit der Elektroden korreliert. Dieses Ergebnis stützt die dem Forschungsprojekt zugrundeliegende Hypothese, dass die möglichst gute Anpassung der Elektroden an die Kontur der Haut einen entschei­denden Faktor für die rauscharme Ableitung von EEG-Signalen darstellt. (uh)


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