Design and fabrication by inkjet printing of electrodes for electromyography

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013A utilização de impressoras de jacto de tinta (inkjet printers) tem dado um enorme contributo na indústria eletrónica reduzindo as dimensões dos componentes e introduzindo processos de fabricação mais rápidos e menos dispendiosos. Uma das grandes vantagens deste método de fabricação é a facilidade de design dos circuitos, a deposição de materiais directamente no substrato sem haver contacto, a sobreposição de desenhos impressos e a versatilidade de materiais utilizados, tirando o maior partido das suas características. Duas formas de tirar partido das funcionalidades de uma impressora inkjet, em engenharia biomédica, é, por um lado, desenvolver circuitos elétricos desenhados especialmente para aquisição de sinais fisiológicos. Esses circuitos, aliados às capacidades da impressão por jacto de tinta, poderão resultar em eletrónica flexível com materiais com elevada biocompatibilidade, promovendo desta forma uma próxima interacção com o corpo humano. Por outro lado, as aplicações da impressora inkjet podem levar ao desenvolvimento de eletródios impressos enquadrando-os no conceito de pele eletrónica, isto é, integrar dispositivos eletrónicos utilizando características da pele humana (flexibilidade, extensibilidade e compatibilidade). Assim, o principal objectivo deste trabalho é fabricar, utilizando esta técnica, elétrodos com a capacidade de medir sinais electromiográficos dos músculos responsáveis pelo movimento da mão e dedos. A fim de utilizar as potencialidades da tecnologia inkjet, os eléctrodos devem obter medições congruentes do ponto de visto fisiológico e devem se mostrar vantajosos face aos, já convencionais, eléctrodos descartáveis. A finalidade da construção destes eléctrodos deverá preencher a carência que os eléctrodos convencionais possuem, de não serem flexíveis e de não serem utilizados durante largos períodos de tempo. As vantagens extraídas de eléctrodos impressos poderão ainda ser mais vastas não só a nível económico, pela construção de eléctrodos low-cost, mas também a nível de desempenho, biocompatibilidade e design, com o desenvolvimento de eléctrodos finos, paper-like e passiveis de acoplarem circuitos eletrónicos também impressos. O desenvolvimento do trabalho apresentou uma variedade de tarefas, com inicio na aprendizagem dos conceitos e métodos de funcionamento da impressora FujiFilm Dimatrix 2831 Materials Printer. Esta impressora, utilizada para obtenção de todos os eléctrodos e circuitos aqui referidos, possui uma tecnologia drop-on-deman coordenada por material piezoeléctrico, conseguindo uma resolução até -5 um. As voltagens induzidas a este material tem um enorme impacto na formação das gotas de tinta, e por isso a uma boa qualidade de impressão. No entanto, outros factores como a viscosidade da tinta e a tensão de superfície também desempenham importantes papeis para aumento da qualidade de impressão. As tarefas seguintes incluíram a otimização dos procedimentos para tratamento dos substratos de forma a que a deposição da tinta de prata fosse óptima. Os substratos utilizados neste trabalho foram: papel fotográfico, biocelulose e polidimetilsiloxano (PDMS). Também os métodos de impressão tiveram que ser optimizados controlando a velocidade e a direcção da deposição das gotas de tinta. Uma vez que foi apenas utilizado um tipo de tinta prata, uma dispersão de nanopartículas de prata, foi utilizada a mesma velocidade de deposição das gotas, 10 m/s com temperatura do tinteiro constante, de 30ºC. Por fim, houve necessidade de melhorar o processo de sinterização que visa a remoção do solvente e outras substâncias presentes na tinta de prata, e que tem enorme impacto na resistividade final do padrão impresso. Um bom processo de sinterização faz com que as nanopartículas de prata tenham um forte contacto entre elas, aumentando consideravelmente a conductividade do material. Para este fim, foi testada a sinterização térmica padrão e introduzida um novo método, a sinterização elétrica cuja aplicação de uma diferença de potencial permite a passagem de corrente elétrica gerando calor localmente. Para impressão de eléctrodos, os seus designs foram adaptados às características dos materiais, sendo que, por exemplo, para materiais mais flexíveis foram implementadas conexões serpenteadas entre pequenos eléctrodos. Para outros substratos, como o papel fotográfico, foi optado um design semelhante ao dos eléctrodos convencionais para obter melhor termo de comparação. Já para aplicação de sinterização elétrica, optou-se por um design que consiste num único filamento para que seja possível a aplicação de uma diferença de potencial em ambas as extremidades. Durante o aperfeiçoamento dos eléctrodos, foi elaborado uma série de estudos acerca das características dos mesmos (resistividade e impedância) e as suas medições foram comparadas com os resultados obtidos, em condições semelhantes, aos eléctrodos tipicamente utilizados em ambiente clínico. Como resultados de medições de sinais electrocardiográficos, os eléctrodos impressos em papel fotográfico mostraram-me vantajosos quanto à morfologia do traçado, pois o termo de comparação foi similar aos obtidos por eléctrodos convencionais. No estudo de sinais electromiográficos, os eléctrodos impressos em biocelulose e papel fotográfico tiveram taxas de sinal-ruído abaixo das obtidas pelos tradicionais eléctrodos de uso clínico. Ainda assim, os dados dos eléctrodos impressos podem ser utilizados para captação de sinais fisiológicos pois foi possível demonstrar a extração de informações acerca do movimento dos músculos esqueléticos e cardíaco. Contudo, não foi possível a obtenção de sinais fisiológicos utilizando eléctrodos impressos em PDMS. Devido a uma fraca adesão da tinta de prata à superfície do substrato, a tinta era removida do eléctrodo quando havia contacto entre o eléctrodo e a pele. Tarefas intermédias incluíram a impressão de pequenos circuitos eletrónicos, nomeadamente um circuito impresso cuja principal função é a leitura e tratamento (amplificação e filtragem) de sinais electrocardiográficos. Dois outros circuitos, mais simples, foram impressos: um díodo emissor de luz e um sensor de luz. Todas as pistas de condução de ambas as camadas foram impressas com prata em papel fotográfico e os componentes eletrónicos foram colados com cola de prata. A otimização deste processo poderá trazer enormes vantagens pela possibilidade de construção de circuitos eletrónicos flexíveis e finos com eléctrodos incorporados. Por fim, a última tarefa inclui processamento de sinal a qual inclui a implementação de algoritmos em ambiente MatLab para extracção de movimentos dos músculos do antebraço. Com a informação extraída por três movimentos distintos da mão foi provado que os eléctrodos impressos podem ser usados para posterior reconhecimento de padrões. A distinção dos três movimentos foi feita com sucesso, sobretudo para os eléctrodos impressos em biocelulose e para os eléctrodos de baixa resistividade em papel fotográfico. Este trabalho também abriu portas para investigações futuras em que mais substratos e tintas podem ser testadas e mais componentes podem ser integrados aos já aqui desenvolvidos. Desta forma, a tecnologia inkjet pode contribuir com a sua versatilidade para a inovação nos campos electrofisiologia e das interacções homem-máquina.Inkjet technology has advantages as a fabrication method when compared to other conventional procedures. Inkjet technology allows the deposition of several materials directly with non contact with it, mask-less and the possibility of printing over a previous printed pattern. Due its versatility of inks (conductive, polymers and organic) and substrates, direct deposition of materials with high precision (-5 um) using simple methods, this technique shows a high potential as a fabrication method. Despite the wide range of applications of inkjet printing in electronics, a lack of intend for printing devices for collecting biosignals. The subject of the work presented was the first step towards the development of a inkjet device for a close contact with skin for collecting biosignals. One way to apply the functionalities of an inkjet printer, in biomedical engineering, is developing printed electrodes introducing electronic skin concept, i.e., implement electronic devices using features of electronic skin (exibility, extensibility and compatibility). Thus, the major goal of this work was develop, using this technique, electrodes capable of measuring electromyographic signals from the forearm's muscles responsible to move hand and fingers. In order to use the potentials of inkjet technology, these electrodes must obtain congruent measurements and should prove advantageous when compared to the standard electrodes. The versatility of inkjet printing allowed to print electrodes, using a inkjet printer DMP-2831, onto substrates that included photographic paper, biocellulose and PDMS and test the performance of different designs: standard at discs, spiked, filamentary and serpentine array of small electrodes. This thesis presents the development of tasks that includes the design and choice of materials, optimization of printing and sintering procedures, printing electronic circuits and ends with signal processing. During the optimization of the electrodes measurements of resistivity and impedance were performed to understand the behavior and characteristics of them. Finally, a linear discriminant analysis was used to successfully distinguish between three hand movements

Microfluidics and Nanofluidics Handbook

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