В современной медицине и системах контроля за состоянием здоровья электрофизиологические методы получили широкое применение – от регистрации электрокардиограммы (ЭКГ) до исследования биоэлектрической активности головного мозга. Однако традиционные плоские электроды, прикрепляемые к коже, обладают рядом недостатков. Для их корректной работы требуется значительная площадь соприкосновения, а результаты измерений могут быть искажены из-за высокого сопротивления кожного покрова. Это негативно сказывается на достоверности диагностики и создает дискомфорт при продолжительном использовании.
Специалисты Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина) разработали альтернативное решение – электроды, изготовленные на основе микроигл, длина которых не превышает 2 мм. Эти иглы позволяют проводить минимально инвазивное проникновение через роговой слой кожи, характеризующийся наибольшим сопротивлением, и гарантируют более точную передачу сигнала.
«Микроигольчатые электроды, произведенные с использованием современных методов аддитивного производства, представляют собой многообещанную альтернативу традиционным методам. Нами было установлено, что они обеспечивают такую же точность при измерении импеданса, однако требуют значительно меньшей площади контакта с кожным покровом и формируют более четкий сигнал, преодолевая барьер, создаваемый роговым слоем», – сообщил младший научный сотрудник Института силовой электроники и фотоники (ИСЭФ) Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» Степан Евгеньевич Парфенович.
В ходе исследования ученые создали и проанализировали три вида электродов: обычные плоские, изготовленные из цельных металлических микроигл, и электроды на основе металлизированных полимерных микроигл, полученных с помощью 3D-печати. Тестирование осуществлялось с использованием моделей, имитирующих кожу, и прецизионного измерителя импеданса – устройства, которое в широком диапазоне частот измеряет электрическое сопротивление тканей, обеспечивая возможность объективного сравнения эффективности различных сенсоров.
Массивы, состоящие из 25 металлизированных полимерных микроигл, показали наилучшие результаты: их показатели были практически идентичны данным, полученным с использованием стандартных плоских электродов с токосъемной площадью 144 мм². При этом общая площадь поверхности игл была на 3,7 раза меньше.
Предложенная технология позволяет создавать удобные носимые датчики для продолжительного мониторинга электрокардиограммы (как в медицинском учреждении, так и в домашних условиях), а также компактные фитнес-трекеры нового поколения, которые смогут комплексно оценивать физиологическое состояние (пульс, активность мышц, уровень гидратации, биоимпеданс) в процессе физической нагрузки.
Научные исследования нашли отражение в публикации в специализированном журнале «Медицинская техника».
Материалы и изображения предоставлены Центром научных коммуникаций Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета имени В.И. Ульянова (Ленина)