Fig. 1. Signaux électrocardiaques obtenus à l'aide d'un amplificateur différentiel organique flexible (A) Amplificateur asymétrique conventionnel (B) Amplificateur différentiel développé dans cette étude (C) Signaux électrocardiaques obtenus à partir d'un sujet marchant. Dans les signaux électrocardiaques obtenus à l'aide d'un amplificateur asymétrique classique, un bruit important causé par la marche est inclus dans la forme d'onde. En revanche, ce bruit est supprimé de la forme d'onde obtenue à l'aide de l'amplificateur différentiel organique flexible développé. Crédit :Université d'Osaka
Un groupe de recherche dirigé par le professeur Tsuyoshi Sekitani et le professeur agrégé Takafumi Uemura de l'Institut de recherche scientifique et industrielle, Université d'Osaka, a réussi à développer l'amplificateur différentiel le plus fin et le plus léger au monde pour la bioinstrumentation.
Classiquement, les circuits de bioinstrumentation pour les soins de santé et à usage médical ont consisté en des dispositifs électroniques durs, comme les transistors au silicium. Cependant, lorsque les tissus biologiques mous, comme la peau, entrer en contact avec des appareils électroniques durs, ils ont tendance à s'enflammer. Par conséquent, le suivi des biosignaux dans la vie quotidienne sur une longue période s'est avéré difficile. Le groupe de recherche a développé un circuit de bioinstrumentation souple qui élimine l'inconfort causé par l'appareil fixé au corps de l'utilisateur en intégrant des dispositifs électroniques souples appelés transistors organiques sur un film plastique mince et souple d'une épaisseur de 1 µm. Le circuit développé est un circuit de traitement du signal appelé amplificateur différentiel.
Par rapport aux amplificateurs asymétriques conventionnels, l'amplificateur différentiel flexible développé dans cette étude peut non seulement amplifier un biopotentiel très faible mais également réduire les bruits parasites. Ce groupe a démontré que l'amplificateur différentiel peut être appliqué à l'instrumentation humaine et réaliser une surveillance en temps réel des signaux électrocardiaques, qui sont des biosignaux importants, avec des niveaux de bruit réduits.
Cette réalisation devrait conduire à la surveillance de divers biosignaux faibles (par exemple, les ondes cérébrales et les sons cardiaques d'un fœtus) dans la vie quotidienne en plus des signaux électrocardiaques sans soumettre les utilisateurs à l'inconfort causé par les appareils attachés au corps.
Fig. 2. Amplificateur différentiel organique flexible fixé sur le thorax humain L'amplificateur différentiel organique est extrêmement léger et fin et peut être fixé sur une peau douce sans gêner l'utilisateur. La bioinstrumentation dans la vie quotidienne devrait devenir plus simple et plus confortable à utiliser. Crédit :Université d'Osaka
Au Japon, avec son taux de natalité en baisse et le vieillissement de sa population, l'application de l'électronique flexible telle que les transistors organiques dans les domaines médicaux et des soins de santé a été activement encouragée. Des capteurs et des circuits électroniques à haute compatibilité avec les tissus biologiques tels que la peau et les organes sont réalisés en utilisant des matériaux organiques mous.
Parmi ces capteurs et circuits électroniques, des amplificateurs flexibles avec des transistors organiques intégrés éliminent l'inconfort ressenti par les utilisateurs causé par les appareils attachés au corps. La recherche et le développement d'amplificateurs tels que des capteurs pour surveiller en permanence des signaux biologiques très faibles sont actuellement en cours. Cependant, les amplificateurs organiques conventionnels ont principalement une structure asymétrique qui ne permet pas de distinguer les biosignaux cibles du bruit perturbateur, rendant difficile la surveillance des biosignaux avec un faible niveau de bruit (Fig. 1). Un amplificateur différentiel est un circuit qui peut mesurer des signaux avec les composants de bruit supprimés. Cependant, la variation de la qualité des transistors organiques fabriqués est importante par rapport à celle des transistors au silicium; Donc, il n'y a eu aucun rapport sur les amplificateurs différentiels flexibles qui réalisent une réduction précise du bruit.
Le groupe de recherche a réussi à développer un amplificateur différentiel organique flexible avec une fonction de réduction du bruit en développant une technique de compensation qui peut réduire la dispersion du courant circulant dans les transistors organiques à l'intérieur de l'amplificateur jusqu'à 2 % ou moins. L'amplificateur a été fabriqué sur un film de parylène d'une épaisseur de 1 µm. L'amplificateur ne se casse pas lorsque le film est plié et peut être fixé sur la peau humaine sans causer de gêne (Fig. 2). Les signaux électrocardiaques ont été amplifiés 25 fois et le bruit a été réduit à un septième ou moins en utilisant cet amplificateur différentiel flexible pour surveiller les signaux. Le groupe a démontré que le bruit causé par les sources d'alimentation externes ainsi que le bruit important des mouvements corporels causés par la marche sont supprimés lors de la surveillance des signaux électrocardiaques (Fig. 1).
Montres intelligentes et autres appareils portables pour surveiller les biosignaux, tels que les signaux électrocardiaques, dans la vie de tous les jours sont déjà sur le marché. La bioinstrumentation devrait devenir plus facile et plus confortable dans diverses situations grâce à l'utilisation de circuits de bioinstrumentation flexibles de haute précision sans soumettre les utilisateurs à l'inconfort causé par les dispositifs attachés à leur corps. Par exemple, bioinstrumentation des personnes qui effectuent des exercices physiques intenses, comme pendant le sport, devient possible grâce à l'amélioration de la portabilité et de l'adhérence entre le dispositif et la peau. Les données de bioinstrumentation en temps réel et de longue durée ainsi obtenues favoriseront la détection précoce des maladies et amélioreront l'efficacité du traitement, suivi des personnes âgées et des patients, et la surveillance de la charge d'exercice. Ces réalisations permettront en outre de résoudre divers problèmes de la société japonaise vieillissante grâce à la réduction des dépenses médicales et à l'amélioration de la qualité de vie (QOL).
L'article, "Un amplificateur différentiel organique ultraflexible pour l'enregistrement d'électrocardiogrammes" a été publié dans Nature Électronique .
