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Nov 06, 2023

Messung des Gehirnsignals mithilfe gedruckter Tattoo-Elektroden

13. Mai 2020

13. Mai 2020

von der Technischen Universität Graz

Im Jahr 2015 entwickelte Francesco Greco, Leiter des Laboratory of Applied Materials for Printed and Soft electronics (LAMPSe) am Institut für Festkörperphysik der TU Graz, gemeinsam mit italienischen Wissenschaftlern sogenannte „Tattoo-Elektroden“.

Dabei handelt es sich um leitfähige Polymere, die mit einem Tintenstrahldrucker auf handelsübliches Tätowierpapier gedruckt und dann wie Transfers auf die Haut geklebt werden, um die Herz- oder Muskelaktivität zu messen.

Dieser im Jahr 2018 optimierte Elektrodentyp eröffnete völlig neue Wege in elektrophysiologischen Untersuchungen, wie zum Beispiel der Elektrokardiographie (EKG) oder Elektromyographie (EMG). Dank einer Dicke von 700 bis 800 Nanometern – das ist etwa 100 Mal dünner als ein menschliches Haar – passen sich die Tattoos an unebene Haut an und sind am Körper kaum spürbar.

Darüber hinaus handelt es sich bei den „Tätowierungen“ um trockene Elektroden; Sie arbeiten im Gegensatz zu Gel-Elektroden ohne Flüssigkeitsschnittstelle und können nicht austrocknen.

Sie eignen sich hervorragend für Langzeitmessungen. Auch durch das Tattoo hindurchwachsende Haare beeinträchtigen die Signalaufzeichnung nicht.

Aufbauend auf dieser Pionierleistung hat Greco nun zusammen mit Esma Ismailova (Abteilung für Bioelektronik, École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne, Frankreich) und Laura Ferrari (The BioRobotics Institute, Scuola Superiore Sant'Anna, Italien) eine erreicht weiterer Meilenstein in der Messung bioelektrischer Signale: Die Gruppe hat die Tattoo-Elektroden so modifiziert, dass sie auch in der Elektroenzephalographie (EEG) – also zur Messung der Gehirnaktivität – eingesetzt werden können.

Dazu nutzten die Forscher den gleichen Ansatz wie 2018, nämlich den Tintenstrahldruck von leitfähigem Polymer auf Tätowierpapier. Die Zusammensetzung und Dicke des Transferpapiers und des leitfähigen Polymers wurden optimiert, um eine noch bessere Verbindung zwischen der Tattoo-Elektrode und der Haut zu erreichen und die EEG-Signale mit maximaler Qualität aufzuzeichnen, denn:

„Gehirnwellen liegen im Niederfrequenzbereich und EEG-Signale haben eine sehr geringe Amplitude. Sie sind viel schwieriger in hoher Qualität zu erfassen als EMG- oder EKG-Signale“, erklärt Laura Ferrari, die während ihrer Doktorarbeit an diesem Projekt gearbeitet hat. und ist jetzt Postdoc-Forscher in Frankreich.

Tests unter realen klinischen Bedingungen haben gezeigt, dass die EEG-Messung mit den optimierten Tattoos genauso erfolgreich ist wie mit herkömmlichen EEG-Elektroden.

„Aufgrund des Tintenstrahldrucks und der handelsüblichen Substrate sind unsere Tattoos jedoch deutlich günstiger als aktuelle EEG-Elektroden und bieten auch im direkten Vergleich mehr Vorteile beim Tragekomfort und bei Langzeitmessungen“, sagt Greco.

Die neuen Tattoo-Elektroden sind der erste Trockenelektrodentyp überhaupt, der für Langzeit-EEG-Messungen geeignet und gleichzeitig mit der Magnetenzephalographie (MEG) kompatibel ist. MEG ist eine etablierte Methode zur Überwachung der Gehirnaktivität, für die bisher nur sogenannte „nasse Elektroden“ verwendet werden können.

Solche Elektroden arbeiten auf der Basis von Elektrolyt, Gel oder einer Elektrodenpaste, trocknen daher schnell aus und sind für Langzeitmessungen ungeeignet. Die neue Generation der Tattoo-Elektroden besteht ausschließlich aus leitfähigen Polymeren, enthält also keine Metalle, die für MEG-Untersuchungen problematisch sein können, und wird ausschließlich mit Inkjet gedruckt.

„Mit unserer Methode stellen wir die perfekte MEG-kompatible Elektrode her und reduzieren gleichzeitig Kosten und Produktionszeit“, freut sich Greco. Der TU Graz-Forscher entwickelt derzeit Ideen, wie diese Technologie in Kliniken und im Neuroengineering sowie im Bereich Brain-Computer-Interfaces eingesetzt werden kann.

Details zur neuesten Entwicklung der steirisch-italienisch-französischen Forschungsallianz können in der Zeitschrift npj Flexible Electronics nachgelesen werden.

Mehr Informationen: Laura M. Ferrari et al. Leitende Polymer-Tätowierungselektroden in der klinischen Elektro- und Magnetenzephalographie, npj Flexible Electronics (2020). DOI: 10.1038/s41528-020-0067-z