Gedruckte Testelektroden. Bild: Fraunhofer IBMT.

Anschmiegsame gedruckte Elektroden für die Ableitung von EEG- und EMG-Signalen

Publiziert

Auf der Haut angebrachte Elektroden sind das Kernelement sowohl für die Elektroenzephalographie (EEG) als auch für die Elektromyographie (EMG). Neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit müssen die eingesetzten Elektroden auch hautverträglich sein und einen geringen Haut-Elektroden-Widerstand aufweisen. Heutige Standardelektroden sind aus Metall gefertigt und mit einer leitfähigen Gelschicht versehen, welche einen großflächigen elektrischen Kontakt zwischen der Metalloberfläche und der zerklüfteten Hautoberfläche herstellt. Bei Langzeitmessungen kann das Gel austrocknen und eine zuverlässige Messung am Patienten verhindern.

 

 

Im erfolgreich beendeten BMBF-Forschungsprojekt »NanoEDGE« wurde ein alternativer Ansatz verfolgt - basierend auf der Annahme, dass sich ein niedriger Haut-Elektroden-Widerstand auch ohne Einsatz eines Gels realisieren lässt. 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.

Das »NanoEDGE«-Projektteam untersuchte die Eignung verschiedener Tinten hinsichtlich ihrer Anwendung als Hautelektroden. Zunächst wurde die Druckbarkeit verschiedener Kohlenstoff-, Graphen- und Silbertinten per Inkjet-Drucker auf einer 80 µm dünnen Folie aus Polyurethan (PU) bewertet. Weiterhin wurden die Abriebfestigkeit, die elektrische Leitfähigkeit und die Hautverträglichkeit der gedruckten Strukturen untersucht. Um die Druckbarkeit zu verbessern, wurde nachträglich die Zusammensetzung einer kommerziellen Graphentinte verändert. Die bewerteten Tinten umfassten insgesamt vier Silbertinten und fünf Graphen- bzw. Kohlenstofftinten. Während sich wie erwartet die Silbertinten als zellschädigend erwiesen, eigneten sich die Tinten auf Graphen- oder Kohlenstoffbasis, einschließlich der modifizierten Graphentinte, für den späteren Einsatz als Hautelektroden. Die Höhe der elektrischen Leitfähigkeit der mit Graphen- bzw. Kohlenstofftinten hergestellten Elektroden und Leiterbahnen erwies sich jedoch als unzureichend. 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 schließlich 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.

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.

Expertise des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT

Das Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT war im Projekt für die mechanische und biologische Charakterisierung der verschiedenen Tinten, die Konzeption der Prozesskette sowie die Entwicklung der Druckprozesse verantwortlich. Als Projektergebnis steht nun eine auf Graphen und Industrieruß (»carbon black«) basierte Tinte für den Inkjet-Druck zur Verfügung, die die erwartete elektrische Leitfähigkeit und eine gute Haftung auf PU-Folien aufweist. Weiterhin sind die Evaluierungsergebnisse verschiedener kommerzieller Silber- und Kohlenstofftinten bezüglich Druckbarkeit, Biokompatibilität und elektrischer Leitfähigkeit verfügbar.

Eine Prozesskette für das Drucken mechanisch flexibler Elektrodenstrukturen auf ein dünnes Foliensubstrat aus PU mit dem nachfolgenden Aufbringen einer Isolationsschicht wurde erarbeitet und steht für den Transfer in die industrielle Anwendung bereit. Durch die Kombination einer sehr leitfähigen Silbertinte mit einer biokompatiblen Tinte auf Basis von Kohlenstoff-Nanopartikeln lassen sich biokompatible Elektrodenstrukturen herstellen, die für das rauscharme Ableiten von EMG- und EEG-Signalen geeignet sind.

Die Koordination des nach einer Laufzeit von dreieinhalb Jahren erfolgreich abgeschlossenen deutsch-israelischen Forschungsprojekts »NanoEDGE« oblag dem Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept »Innovationen für Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen« (Förderkennzeichen 02P17W000) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Darüber hinaus wurden die Arbeiten der israelischen Partner von der Israel Innovation Authority (IIA) gefördert.

Die Ergebnisse wurden in dem gemeinsamen Abschlussbericht »Nano-based portable electronics for the diagnosis of mental disorders and functional restoration, production technologies and devices (NanoEDGE)« veröffentlicht.
http://publica.fraunhofer.de/documents/N-644064.html

EVENTS

BioFach

Weltleitmesse für Bio-Lebensmittel

Datum: 14.-17. Februar 2023

Ort: Nürnberg (D)

Vivaness

Internationale Fachmesse für Naturkosmetik

Datum: 14.-17. Februar 2023

Ort: Nürnberg (D)

LOPEC

International führende Fachmesse mit Kongress für Gedruckte Elektronik

Datum: 01.-02. März 2023

Ort: München (D)

ZHAW-IFM Day

Der IFM-Day der ZHAW findet als Begegnungstag für FM-Ausbildung und FM-Praxis statt.

Datum: 10. März 2023

Ort: Wädenswil (CH)

INTERNORGA

Leitmesse für den Ausser-Haus-Markt

Datum: 10.-14. März 2023

Ort: Hamburg (D)

Pro Wein

Internationale Fachmesse Weine und Spirituosen

Datum: 19.-21. März 2023

Ort: Düsseldorf (D)

Trendtage Gesundheit Luzern

Die TGL sind die führende nationale Plattform für Trends und Perspektiven im Gesundheitswesen.

Datum: 22.-23. März 2023

Ort: Luzern (CH)

HR Festival Europe

Fachmesse für HRM, trainings to business und Corporate Health

Datum: 28.-29. März 2023

Ort: Zürich (CH)

Gastia

Die Fach- und Erlebnismesse für Gastfreundschaft

Datum: 2.-4. April 2023

Ort: Olma Messen St.Gallen (CH)

Hannover Messe

TRANSFORMING INDUSTRY TOGETHER

Datum: 17.-21. April 2023

Ort: Hannover (D)

SBK Kongress

Kongress vom Berufsverband der diplomierten Pflegefachpersonen der Schweiz

Datum: 20.-21. April 2023

Ort: Online (CH)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 25.-27. April 2023

Ort: Stuttgart (D)

Altenpflegemesse

Leitmesse für die Pflegewirtschaft

Datum: 25.-27. April 2023

Ort: Nürnberg (D)

DMEA

Connecting Digital Health

Datum: 25.-27. April 2023

Ort: Berlin (D)

Lebensmitteltag

Die führende schweizerische Lebensmittelfachtagung von bio.inspecta und SQS

Datum: 27. April 2023

Ort: Luzern (CH)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 04.-10. Mai 2023

Ort: Düsseldorf (D)

TUTTOFOOD

Internationale B2B-Messe für Food & Beverage

Datum: 08.-11. Mai 2023

Ort: Mailand (I)

Control

Internationale Fachmesse für Qualitätssicherung

Datum: 09.-12. Mai 2023

Ort: Stuttgart (D)

LABVOLUTION

Als europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows bildet die LABVOLUTION das gesamte Spektrum der Laborwelt ab und zeigt neue Wege für Anwenderbranchen auf.

Datum: 09.-11. Mai 2023

Ort: Messegelände Hannover (D)

Vorsorge-Symposium

Fachmesse 2. Säule sowie ein Vorsorge-Symposium

Datum: 14.-15. Juni 2023

Ort: Zürich (CH)

MedtecLIVE with T4M

Fachmesse für die gesamte Wertschöpfungskette der Medizintechnik

Datum: 23.-25. Mai 2023

Ort: Nürnberg/Stuttgart (D)

HealthEXPO

Gesundheit, New Health Care und Zukunftsform

Datum: 26. Mai 2023

Ort: Basel (CH)

EPHJ-EPMT-SMT

Interationale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 06.-09. Juni 2023

Ort: Palexpo Genf (CH)

MedTech Summit

Kongress mit technologie- und marktrelevante Themen aus der Medizintechnik- und Gesundheitsbranche

Datum: 19.-23. Juni 2023

Ort: Brussels, Belgium (D)

Automatica

Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 27.-30. Juni 2023

Ort: München (D)

Blezinger Healthcare

7. Fachkonferenz - Das Pflegeheim der Zukunft

Datum: 22.-23. Juni 2023

Ort: Luzern (CH)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse für Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 27.-30. Juni 2023

Ort: München (D)

SWISS eHEALTH FORUM

Pusher der Digitalisierung im Gesundheitswesen

Datum: 29.-30. Juni 2023

Ort: Bern (CH)

Additive Manufacturing Forum

Die Entscheider- und Expertenkonferenz bringt das gesamte Wertschöpfungssystem rund um die additive Fertigung zusammen.

Datum: 04.-05. Juli 2023

Ort: Berlin (D)

AM Expo

Fachmesse und Symposium: Inspiration, Weiterbildung und Netzwerk

Datum: 12.-13. September 2023

Ort: Luzern (CH)

Swiss Medtech Expo

Fachmesse und Symposium: Inspiration, Weiterbildung und Netzwerk

Datum: 12.-13. September 2023

Ort: Luzern (CH)

Rehacare

Die REHACARE ist die internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege.

Datum: 13.-16. September 2023

Ort: Düsseldorf (D)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 26.-28. September 2023

Ort: Basel (CH)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 26.-28. September 2023

Ort: Nürnberg (D)

Anuga

Weltweite Ernährungsmesse für Handel und Gastronomie/Ausser-Haus-Markt

Datum: 07.-11. Oktober 2023

Ort: Köln (D)

Blezinger Healthcare

12. Fachkonferenz - Das Spital der Zukunft

Datum: 19.-21. Oktober 2023

Ort: Luzern (CH)

A + A

Internationale Fachmesse für Persönlichen Schutz, Betriebliche Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit.

Datum: 24.-27. Oktober 2023

Ort: Düsseldorf (D)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für Pumpen- und Ventiltechnik

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

IN.STAND

Die Fachmesse für Instandhaltung und Services

Datum: 07.-08. November 2023

Ort: Stuttgart (D)

Medica

Die Weltleitmesse der Medizinbranche

Datum: 13.-16. November 2023

Ort: Düsseldorf (D)

Compamed

Schmelztiegel für High-Tech-Lösungen in der Medizintechnik

Datum: 13.-16. November 2023

Ort: Düsseldorf (D)

igeho

Internationale Plattform für Hotellerie, Gastronomie, Take-away und Care-Institutionen in der Schweiz

Datum: 18.-22. November 2023

Ort: Basel (CH)

Lefa (ehemals Mefa)

Branchentreffpunkt für das verarbeitende schweizerische Lebensmittelgewerbe

Datum: 18.-22. November 2023

Ort: Basel (CH)

Heimtextil

Weltweit führende Fachmesse für Wohn- und Objekttextilien

Datum: 09.-12. Januar 2024

Ort: Frankfurt (D)

Swissbau

Die führende Plattform der Bau- und Immobilienwirtschaft in der Schweiz.

Datum: 16.-19. Januar 2024

Ort: Basel (CH)

Anuga FoodTec

Internationale Zuliefermesse für die Lebensmittel-und Getränkeindustrie

Datum: 19.-22. März 2024

Ort: Köln (D)

analytica

Leitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 09.-12. April 2024

Ort: München (D)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 13.-17. Mai 2024

Ort: München (D)

drupa

Weltweit führenden Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 28. Mai - 07. Juni 2024

Ort: Düsseldorf (D)

ArbeitsSicherheitSchweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz & Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 05.-06. Juni 2024

Ort: Bern (CH)

aqua pro

B2B-Plattform in der Schweiz für Fachkräfte des Globalen Wasserkreislaufs

Datum: 2024

Ort: Bulle (CH)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 10.-14. Juni 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

PFLEGE PLUS

Die Fachmesse PFLEGE PLUS bringt Fachbesucher mit ausstellenden Unternehmen, Branchenverbände sowie Experten des Pflegemarkts zusammen.

Datum: 14.-16. Mai 2024

Ort: Stuttgart (D)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

Cleanzone

Internationale Fachmesse und Kongress für Reinraumtechnologie

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 24.-26. September 2024

Ort: Nürnberg (D)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Lausanne (CH)

Chillventa

Weltleitmesse der Kältetechnik

Datum: 08.-10. Oktober 2024

Ort: Nürnberg (D)

SIAL

Fachmesse für Nahrungsmittel-Innovationen

Datum: 19.-23 Oktober 2024

Ort: Paris (F)

ZAGG

DER BRANCHENTREFFPUNKT MIT RELEVANTEN GASTRO-TRENDS

Datum: 20.-23. Oktober 2024

Ort: Luzern (CH)

Ifas

Fachmesse für Gesundheitsmarkt

Datum: 22.-24. Oktober 2024

Ort: Digital (CH)

all4pack Paris

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 04.-07. November 2024

Ort: Paris (F)

Swiss Handicap

Nationale Messe für Menschen mit und ohne Behinderung.

Datum: 29. November-1. Dezember 2024

Ort: Luzern (CH)

Oils + fats

Leitmesse der Öl- und Fettindustrie in Europa.

Datum: Herbst 2025

Ort: München (D)

Bezugsquellenverzeichnis