Thin dry electrodes are promising components in wearable healthcare devices. Assessing the condition of the human body by monitoring biopotentials facilitates the early diagnosis of diseases as well as their prevention, treatment, and therapy. Existing clinical-use electrodes have limited wearable-device usage because they use gels, require preparation steps, and are uncomfortable to wear. While dry electrodes can improve these issues and have demonstrated performance on par with gel-based electrodes, providing advantages in mobile and wearable applications; the materials and fabrication methods used are not yet at the level of disposable gel electrodes for low-cost mass manufacturing and wide adoption.
The market for wearable medical devices has thrived in the last few years, providing people a convenient way to monitor their health condition or track their physical activity. Elevated blood pressure (BP) affects a large amount of the adult population worldwide, and it is a risk factor for cardiovascular complications, which are among the leading causes of death in recent years. BP measurement has become one of the most anticipated functions on wearable devices, but it is difficult to integrate in the devices due to the need for inflatable cuffs that would hinder the search for a small size in wearable devices.
In clinical environments, arterial lines are used to monitor blood pressure of patients in critical care. However, such devices involve risk of complications such as ischemia and infection. The placement of these devices is also challenging in very small or very ill patients, such as in neonatal or pediatric intensive care units.
Here, a low-cost manufacturing process for thin dry electrodes with a conductive micro-pyramidal array is presented for large-scale on-skin wearable applications. The electrode is fabricated using micromolding techniques in conjunction with solution processes in order to guarantee ease of fabrication, high device yield, and the possibility of mass production compatible with current semiconductor production processes. Fabricated using a conductive paste and an epoxy resin that are both biocompatible, the developed micro-pyramidal array electrode operates in a conformal, non-invasive manner, with low skin irritation, which ensures improved comfort for brief or extended use. The operation of the developed electrode was examined by analyzing electrode-skin-electrode impedance, electroencephalography, electrocardiography, and electromyography signals and comparing them with those measured simultaneously using gel electrodes.
The second part of this thesis report further advancements in the context of BP and other cardiovascular measurements. Cuff-less BP measurement is commonly based on the measurement of pulse transit time (PTT) between an electrocardiogram (ECG) and a photoplethysmogram (PPG) in order to acquire proximal and peripheral blood pulse signals. First, a small low-power circuit is presented, able to acquire ECG and Red/IR PPG at an extremely low-power consumption. This component is able to measure the biosignals for extended periods of time on a small sized battery, in a small space. The last part of the thesis focuses on the algorithms used to calculate the derived values (such as heart rate, oxygen saturation or blood pressure) from measured ECG and PPG signals. These calculations are done on a smart device connected wirelessly to the sensor, and able to show all the monitored values in real time.
얇은 건식 전극은 웨어러블 의료 기기의 유망한 구성 요소입니다. 생체 전위를 모니터링하여 인체의 상태를 평가하면 질병의 조기 진단과 예방, 치료 및 치료가 용이합니다. 기존 임상용 전극은 젤을 사용하고 준비 단계가 필요하고 착용이 불편하기 때문에 웨어러블 기기 사용이 제한적이었습니다. 건식 전극은 이러한 문제를 개선할 수 있고 겔 기반 전극과 동등한 성능을 입증하여 모바일 및 웨어러블 애플리케이션에서 이점을 제공합니다. 사용된 재료 및 제조 방법은 아직 저비용 대량 제조 및 널리 채택되는 일회용 겔 전극 수준이 아닙니다.
웨어러블 의료 기기 시장은 지난 몇 년 동안 번창하여 사람들에게 건강 상태를 모니터링하거나 신체 활동을 추적할 수 있는 편리한 방법을 제공했습니다. 상승된 혈압(BP)은 전 세계적으로 많은 성인 인구에 영향을 미치며 최근 몇 년간 주요 사망 원인 중 하나인 심혈관 합병증의 위험 요소입니다. 혈압 측정은 웨어러블 기기에서 가장 기대되는 기능 중 하나가 되었지만, 웨어러블 기기에서 작은 사이즈를 찾는 데 방해가 되는 팽창 가능한 커프가 필요하기 때문에 기기에 통합하기가 어렵습니다.
임상 환경에서 동맥 라인은 중환자의 혈압을 모니터링하는 데 사용됩니다. 그러나 이러한 장치는 허혈 및 감염과 같은 합병증의 위험이 있습니다. 이러한 장치의 배치는 신생아 또는 소아 중환자실과 같이 매우 작거나 매우 아픈 환자에게도 어려운 일입니다.
여기에서는 전도성 마이크로 피라미드형 배열이 있는 얇은 건식 전극의 저비용 제조 공정을 피부에 착용할 수 있는 대규모 응용 분야에 대해 설명합니다. 전극은 제조 용이성, 높은 소자 수율 및 현재 반도체 생산 공정과 호환되는 대량 생산 가능성을 보장하기 위해 용액 공정과 함께 마이크로 몰딩 기술을 사용하여 제조됩니다. 생체 적합성인 전도성 페이스트와 에폭시 수지를 사용하여 제작된 개발된 마이크로 피라미드 어레이 전극은 피부 자극이 적으면서 등각적이고 비침습적인 방식으로 작동하여 단기간 또는 장기간 사용 시 향상된 편안함을 보장합니다. 개발된 전극의 동작은 전극-피부-전극 임피던스, 뇌파, 심전도, 근전도 신호를 분석하고 젤 전극을 사용하여 동시에 측정한 신호와 비교하여 확인하였다.
이 논문의 두 번째 부분은 BP 및 기타 심혈관 측정의 맥락에서 추가 발전을 보고합니다. Cuff-less BP 측정은 일반적으로 근위 및 말초 혈액 맥박 신호를 획득하기 위해 심전도(ECG)와 광혈류계(PPG) 사이의 맥박 통과 시간(PTT) 측정을 기반으로 합니다. 먼저 초저전력 소모로 ECG 및 Red/IR PPG를 획득할 수 있는 소형 저전력 회로가 제공됩니다. 이 구성 요소는 작은 공간에서 작은 크기의 배터리로 장기간 생체 신호를 측정할 수 있습니다. 논문의 마지막 부분은 측정된 ECG 및 PPG 신호에서 파생된 값(예: 심박수, 산소 포화도 또는 혈압)을 계산하는 데 사용되는 알고리즘에 중점을 둡니다. 이러한 계산은 센서에 무선으로 연결된 스마트 장치에서 수행되며 모니터링되는 모든 값을 실시간으로 표시할 수 있습니다.
