Przyjazny dla skóry czujnik EKG zapewnia komfort bez uszczerbku dla pielęgnacji serca

W niedawnym badaniu opublikowanym w Recenzje fizyki stosowanejNaukowcy zoptymalizowali geometrię przenośnych, suchych elektrod do elektrokardiogramu (EKG), aby zwiększyć ich wydajność i porównywalność z dostępnymi na rynku monitorami EKG do diagnostyki zdalnej i w miejscu opieki (PoC).

tło

Szybki postęp w technologii medycznej zwraca uwagę na urządzenia przenośne do zastosowań od sportu po opiekę geriatryczną i noworodkową, zwłaszcza w obliczu rosnących kosztów opieki zdrowotnej. Elektrokardiografia, która ma kluczowe znaczenie w leczeniu chorób układu krążenia – jednego z głównych zabójców na świecie – tradycyjnie opiera się na „mokrych elektrodach” zawierających srebro/chlorek srebra (Ag/AgCl), które mogą podrażniać skórę. Coraz częściej preferowane są „suche elektrody” bez żelu przewodzącego.

Chociaż materiały takie jak grafen i nanorurki węglowe (CNT) są obiecujące w przypadku urządzeń do noszenia, nadal istnieją obawy dotyczące toksyczności i siły sygnału. Konieczne są dalsze badania w celu optymalizacji materiałów i konfiguracji elektrod pod kątem skutecznego i długoterminowego monitorowania EKG, szczególnie w przypadku ciągłego i zdalnego użytkowania.

O badaniu

W najnowocześniejszym pomieszczeniu czystym posiadającym certyfikat ISO 5 klasa 1000 wyprodukowano nowy czujnik przy użyciu zaawansowanego Heidelberg 150 Advanced Maskless Aligner, który jest niezbędny na etapie litografii. Konwencjonalna technologia fotolitografii odegrała kluczową rolę w wytwarzaniu cienkowarstwowych elektrod czujnikowych EKG. Kluczem do tej produkcji było zastosowanie fotomaski AZ5214E. Ten specyficzny materiał, którego zastosowania można znaleźć w dodatkowych źródłach, został starannie nałożony na folie poliimidowe, a następnie przeprowadzono specyficzny proces wypieku.

Przy wyborze materiału głównym wyborem elektrody było złoto (Au), zapewniające optymalną transmisję sygnału. Aby to uzupełnić, wprowadzono chrom (Cr), który działa jako warstwa wiążąca zapewniająca stabilność złota. W tej fazie dużą uwagę zwrócono na proces nakładania warstw obu elementów.

Cel był jasny: osiągnięcie jednakowej grubości na elektrodzie. Ze względów ochronnych wybrano Allevyn Ag Gentle Border. To nie tylko chroniło elektrodę, ale także przyczyniło się do jej ogólnej skuteczności.

Następnie przetestowano zastosowanie tego czujnika w rzeczywistych warunkach, w którym zgłosił się na ochotnika zdrowy 28-letni mężczyzna bez problemów z sercem. Aby zapewnić najlepsze rezultaty, otoczenie jest w dużej mierze wolne od stresu i prezentowane są tylko określone, kontrolowane bodźce. Przed przystąpieniem do badania EKG ochotnik został poddany kompleksowym badaniom. Oceniono takie parametry, jak masa ciała, ogólna budowa ciała i procent tkanki tłuszczowej, aby wykluczyć wszelkie anomalie, które mogłyby zniekształcić wyniki EKG.

Porównanie uznano za konieczne w celu sprawdzenia skuteczności i dokładności nowego czujnika. Wykorzystano do tego bezprzewodowe urządzenie EKG Hillrom Welch Allyn®, wyposażone w konfigurację 12-elektrodową. Z technicznego punktu widzenia komponent AD8232 jest ściśle zintegrowany z Arduino 1.0.5 IDE.

Dokonano tego po to, aby doskonale uzupełniał on nowo opracowane elektrody EKG. Na tym etapie przestrzegano ścisłych procedur komunikacyjnych, zapewniając, że zebrane dane były dokładne i reprezentatywne dla różnych warunków.

Wyniki

W bieżącym badaniu przeanalizowano sygnały EKG i stwierdzono, że na wyniki wpływa konstrukcja elektrod, pozycja ciała i różne bodźce. Warto zauważyć, że sześciokątny labirynt był doskonały, wykazując doskonałe możliwości adaptacji i ciągły kontakt z klatką piersiową i szyją. Konstrukcja ta może konkurować z komercyjnymi monitorami EKG i charakteryzuje się doskonałą kompatybilnością ze skórą oraz niższym oporem, co poprawia przechwytywanie sygnału. W badaniu elektrody tej konstrukcji mocowano za pomocą bandaża Allevyn, wybranego ze względu na jego antybakteryjny charakter i zdolność do zwiększania przyczepności do skóry.

Za pomocą tych elektrod śledzono złożone działanie serca, wychwytując takie sekwencje, jak depolaryzacja przedsionków i komór. Wykorzystując w tym badaniu trójdrożny, przenośny czujnik EKG, można ocenić istotne parametry serca, takie jak brak załamka P, zmienność rytmu serca i odstępy załamków QT.

Wstępne pomiary obejmowały konfigurację przewodową podłączoną do urządzenia AD8232 sterowanego przez Arduino Uno. Po umieszczeniu na klatce piersiowej sześciokątny czujnik w kształcie labiryntu rejestruje wysokiej jakości sygnały w różnych pozycjach i bodźcach.

Przy interpretacji sygnałów EKG konieczna jest ocena parametrów czasowych. Na przykład sektor public relations Oznaczający Okres od początku załamka P (depolaryzacja przedsionków) do początku zespołu QRS (depolaryzacja komór), odzwierciedlający przewodzenie pulsacyjne przez węzeł przedsionkowo-komorowy, służy jako punkt odniesienia do pomiaru amplitudy dowolnej fali.

Zaobserwowano specyficzne pasma dla załamków PR, QT i ST Oznaczający Okres między depolaryzacją a repolaryzacją komór, mierzony za pomocą sześciu elektrod labiryntowych, co pomaga w diagnozowaniu potencjalnych anomalii serca.

W badaniu badacze przedstawili wyniki dotyczące parametrów amplitudy pomiarów EKG wykonanych w pozycji leżącej na plecach, przy użyciu różnych konstrukcji elektrod. W szczególności skupili się na sześciokątnym projekcie labiryntu, który wykazał, że załamek R, krytyczny parametr amplitudy, wynosił około 0,22–0,23 mV.

Inne główne parametry amplitudy, takie jak załamki P, Q i T, również wykazały określone wartości. Ze względu na charakter ambulatoryjnych pomiarów EKG spodziewano się niewielkich odchyleń w odczytach.

Wykorzystując czujnik oparty na sześciokątnym labiryncie, rozszerzyli swoje pomiary na obszar szyi. Pod wpływem różnych bodźców, takich jak odpoczynek, stres fizyczny lub połączony stres fizyczny i psychiczny, czujnik skutecznie zbiera sygnały wysokiej jakości, rozróżniając stany spoczynku i stresu.

Co więcej, analizując parametry czasowe sygnałów EKG, odkryli, że odczyty różnych przedziałów czasowych, takich jak załamki PR, ST i QT, mieszczą się w standardowych zakresach, biorąc pod uwagę konstrukcję elektrod.

Analizę porównawczą przeprowadzono przy użyciu standardowego 12-odprowadzeniowego monitora EKG, a odpowiedzi z okolic klatki piersiowej i szyi były zgodne z idealnymi odczytami EKG. Porównanie to uwypukliło ścisłą korelację pomiędzy niektórymi parametrami, z pewnymi odchyleniami. Podkreślili, że takie specyficzne dla urządzenia reakcje są niezbędne na etapie opracowywania czujników EKG.

Ponadto do porównania wykorzystano dostępny na rynku przenośny 12-odprowadzeniowy monitor EKG firmy Welch Allyn®. Obserwacje wykazały, że chociaż istniały pewne różnice w pomiarach specyficznych dla urządzenia, ogólna korelacja pozostała spójna, szczególnie po zastosowaniu bodźców zewnętrznych.

Pod względem konstrukcyjnym opracowany czujnik EKG stanowi potencjalną korektę przenośnego czujnika EKG. Wykazał przewagę nad urządzeniem komercyjnym pod względem przenośności i wagi, gdzie urządzenie Welch Allyn było większe i cięższe. W badaniu uwydatniono także różnice w materiałach elektrod i możliwościach akwizycji sygnału między obydwoma urządzeniami.

Na koniec zespół opracował prototyp kompaktowego, przenośnego, bezprzewodowego czujnika EKG z możliwością ciągłego monitorowania serca i zintegrowanym z modułem Bluetooth umożliwiającym płynne przesyłanie danych do aplikacji na smartfonie.