Verdens tyndeste, letteste signalforstærker muliggør bioinstrumentering med reduceret støj

En forskergruppe ledet af professor Tsuyoshi Sekitani og lektor Takafumi Uemura fra Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka Universitet, lykkedes med at udvikle verdens tyndeste og letteste differentialforstærker til bioinstrumentering.

Konventionelt, bioinstrumenteringskredsløb til sundhedspleje og medicinsk brug har bestået af hårde elektroniske enheder, såsom siliciumtransistorer. Imidlertid, når blødt biologisk væv, såsom hud, komme i kontakt med hårde elektroniske enheder, de har tendens til at blive betændte. Derfor, overvågning af biosignaler i hverdagen over en længere periode viste sig vanskelig. Forskergruppen udviklede et fleksibelt bioinstrumenteringskredsløb, der eliminerer ubehaget forårsaget af den enhed, der er fastgjort til brugerens krop, ved at integrere fleksible elektroniske enheder kaldet organiske transistorer på en tynd og fleksibel plastikfilm med en tykkelse på 1 μm. Det udviklede kredsløb er et signalbehandlingskredsløb kaldet en differentialforstærker.

Sammenlignet med konventionelle single-ended forstærkere, den fleksible differentialforstærker udviklet i denne undersøgelse kan ikke kun forstærke meget svag biopotentiale, men også reducere forstyrrelsesstøj. Denne gruppe demonstrerede, at differentialforstærkeren kan anvendes på menneskelig instrumentering og realisere overvågning i realtid af elektrokardielle signaler, som er vigtige biosignaler, med reduceret støjniveau.

Denne præstation forventes at føre til overvågning af forskellige svage biosignaler (f.eks. Hjernebølger og hjertelyde fra et foster) i hverdagen ud over elektrokardielle signaler uden at udsætte brugerne for det ubehag, der forårsages af enheder, der er fastgjort til kroppen.

I Japan, med sin faldende fødselsrate og befolkningens aldring, anvendelsen af ​​fleksibel elektronik såsom organiske transistorer inden for læge- og sundhedsområdet er blevet aktivt fremmet. Sensorer og elektroniske kredsløb med høj kompatibilitet med biologiske væv såsom hud og organer er realiseret ved at bruge bløde organiske materialer.

Blandt disse sensorer og elektroniske kredsløb, fleksible forstærkere med organiske transistorer integreret i dem eliminerer det ubehag, brugerne føler, forårsaget af de enheder, der er fastgjort til kroppen. Forskning og udvikling af sådanne forstærkere som sensorer til kontinuerligt at overvåge meget svage biosignaler er i øjeblikket i gang. Imidlertid, konventionelle organiske forstærkere har hovedsageligt en enkelt-endet struktur, der ikke kan skelne målbiosignalerne fra forstyrrende støj, gør det svært at overvåge biosignaler med et lavt støjniveau (fig. 1). En differentialforstærker er et kredsløb, der kan måle signaler med fjernede støjkomponenter. Imidlertid, variationen i kvaliteten af ​​fremstillede organiske transistorer er stor sammenlignet med siliciumtransistorer; dermed, der har ikke været rapporter om fleksible differentialforstærkere, der realiserer præcis støjreduktion.

Det lykkedes for forskergruppen at udvikle en fleksibel organisk differentialforstærker med en støjreduktionsfunktion ved at udvikle en kompensationsteknik, der kan reducere spredningen af ​​strømmen i organiske transistorer inde i forstærkeren til så lille som 2 % eller mindre. Forstærkeren blev fremstillet på en parylenfilm med en tykkelse på 1 μm. Forstærkeren går ikke i stykker, når filmen bøjes og kan fastgøres til menneskelig hud uden at forårsage ubehag (fig. 2). Elektrokardiale signaler blev forstærket 25 gange, og støjen blev reduceret til en syvendedel eller mindre ved at bruge denne fleksible differentialforstærker til at overvåge signalerne. Gruppen viste, at støj forårsaget af eksterne strømkilder samt stor kropsbevægelsesstøj forårsaget af gang fjernes under overvågningen af ​​elektrokardiale signaler (fig. 1).

Smarture og andre bærbare enheder til overvågning af biosignaler, såsom elektrokardiale signaler, i hverdagen er allerede på markedet. Bioinstrumentering forventes at blive lettere og mere behagelig i forskellige situationer ved hjælp af de højpræcise fleksible bioinstrumenteringskredsløb uden at udsætte brugerne for ubehag forårsaget af de enheder, der er fastgjort til deres krop. For eksempel, bioinstrumentering af mennesker, der udfører fysisk anstrengende træning, som under sport, bliver muligt på grund af den forbedrede slidstyrke og vedhæftning mellem enheden og huden. De således opnåede bioinstrumenteringsdata i realtid over lang tid vil fremme tidlig påvisning af sygdomme og forbedre effektiviteten af ​​behandlingen, overvågning af ældre og patienter, og overvågning af træningsbelastning. Disse resultater vil yderligere føre til løsning af forskellige problemer i Japans aldrende samfund ved hjælp af reducerede lægeudgifter og forbedret livskvalitet (QOL).

Artiklen, "En ultrafleksibel organisk differentialforstærker til optagelse af elektrokardiogrammer" blev udgivet i Naturelektronik .