Fig. 1. Segnali elettrocardiaci ottenuti utilizzando un amplificatore differenziale organico flessibile (A) Amplificatore convenzionale single-ended (B) Amplificatore differenziale sviluppato in questo studio (C) Segnali elettrocardiaci ottenuti da un soggetto in deambulazione. Nei segnali elettrocardiaci ottenuti utilizzando un convenzionale amplificatore single-ended, grande rumore causato dal camminare è incluso nella forma d'onda. In contrasto, tale rumore viene rimosso dalla forma d'onda ottenuta utilizzando l'amplificatore differenziale organico flessibile sviluppato. Credito:Università di Osaka
Un gruppo di ricerca guidato dal professor Tsuyoshi Sekitani e dal professore associato Takafumi Uemura dell'Istituto di ricerca scientifica e industriale, Università di Osaka, è riuscito a sviluppare l'amplificatore differenziale più sottile e leggero al mondo per la biostrumentazione.
Convenzionalmente, i circuiti di biostrumentazione per uso sanitario e medico sono costituiti da dispositivi elettronici rigidi, come i transistor al silicio. Però, quando i tessuti biologici molli, come la pelle, entrare in contatto con dispositivi elettronici rigidi, tendono ad infiammarsi. Perciò, il monitoraggio dei biosegnali nella vita quotidiana per un lungo periodo di tempo si è rivelato difficile. Il gruppo di ricerca ha sviluppato un circuito di biostrumentazione flessibile che elimina il disagio causato dal dispositivo attaccato al corpo dell'utente integrando dispositivi elettronici flessibili chiamati transistor organici su un film plastico sottile e flessibile con uno spessore di 1 μm. Il circuito sviluppato è un circuito di elaborazione del segnale chiamato amplificatore differenziale.
Rispetto agli amplificatori single-ended convenzionali, l'amplificatore differenziale flessibile sviluppato in questo studio può non solo amplificare biopotenziali molto deboli ma anche ridurre il rumore di disturbo. Questo gruppo ha dimostrato che l'amplificatore differenziale può essere applicato alla strumentazione umana e realizzare il monitoraggio in tempo reale dei segnali elettrocardiaci, che sono importanti biosegnali, con livelli di rumorosità ridotti.
Questo risultato dovrebbe portare al monitoraggio di vari biosegnali deboli (ad esempio onde cerebrali e suoni cardiaci di un feto) nella vita quotidiana oltre ai segnali elettrocardiaci senza sottoporre gli utenti al disagio causato da dispositivi attaccati al corpo.
Fig. 2. Amplificatore differenziale organico flessibile fissato al torace umano L'amplificatore differenziale organico è estremamente leggero e sottile e può essere fissato sulla pelle morbida senza causare alcun disagio all'utente. Ci si aspetta che la biostrumentazione nella vita di tutti i giorni diventi più semplice e più comoda da usare. Credito:Università di Osaka
In Giappone, con il suo tasso di natalità in declino e l'invecchiamento della popolazione, l'applicazione dell'elettronica flessibile come i transistor organici nei campi medico e sanitario è stata attivamente promossa. Sensori e circuiti elettronici ad alta compatibilità con i tessuti biologici come pelle e organi sono realizzati utilizzando materiali organici morbidi.
Tra questi sensori e circuiti elettronici, amplificatori flessibili con transistor organici integrati al loro interno eliminano il disagio provato dagli utenti causato dai dispositivi attaccati al corpo. La ricerca e lo sviluppo di tali amplificatori come sensori per il monitoraggio continuo di biosegnali molto deboli sono attualmente in corso. Però, gli amplificatori organici convenzionali hanno principalmente una struttura single-ended che non è in grado di distinguere i biosegnali target dal rumore di disturbo, rendendo difficile il monitoraggio di biosegnali con un basso livello di rumore (Fig. 1). Un amplificatore differenziale è un circuito in grado di misurare i segnali con i componenti del rumore rimossi. Però, la variazione nella qualità dei transistor organici fabbricati è grande rispetto a quella dei transistor al silicio; così, non ci sono state segnalazioni su amplificatori differenziali flessibili che realizzano una precisa riduzione del rumore.
Il gruppo di ricerca è riuscito a sviluppare un amplificatore differenziale organico flessibile con una funzione di riduzione del rumore sviluppando una tecnica di compensazione in grado di ridurre la dispersione della corrente che scorre nei transistor organici all'interno dell'amplificatore fino al 2% o meno. L'amplificatore è stato fabbricato su un film di parylene con uno spessore di 1 μm. L'amplificatore non si rompe quando il film viene piegato e può essere attaccato alla pelle umana senza causare alcun disagio (Fig. 2). I segnali elettrocardiaci sono stati amplificati di 25 volte e il rumore è stato ridotto a un settimo o meno utilizzando questo amplificatore differenziale flessibile per monitorare i segnali. Il gruppo ha dimostrato che il rumore causato da fonti di energia esterne così come il grande rumore di movimento del corpo causato dalla deambulazione vengono rimossi durante il monitoraggio dei segnali elettrocardiaci (Fig. 1).
Orologi intelligenti e altri dispositivi indossabili per il monitoraggio dei biosegnali, come segnali elettrocardiaci, nella vita di tutti i giorni sono già sul mercato. Ci si aspetta che la biostrumentazione diventi più facile e confortevole in varie situazioni attraverso l'uso di circuiti di biostrumentazione flessibili ad alta precisione senza sottoporre gli utenti a nessun disagio causato dai dispositivi attaccati al loro corpo. Per esempio, biostrumentazione di persone che stanno eseguendo esercizi fisici faticosi, come durante lo sport, diventa possibile grazie alla migliore vestibilità e adesione tra dispositivo e pelle. I dati di biostrumentazione in tempo reale e a lungo termine così ottenuti promuoveranno la diagnosi precoce delle malattie e miglioreranno l'efficienza del trattamento, monitoraggio degli anziani e dei pazienti, e monitoraggio del carico di esercizio. Questi risultati porteranno ulteriormente alla soluzione di vari problemi nell'invecchiamento della società giapponese attraverso la riduzione delle spese mediche e il miglioramento della qualità della vita (QOL).
L'articolo, "Un amplificatore differenziale organico ultraflessibile per la registrazione di elettrocardiogrammi" è stato pubblicato in Elettronica della natura .
