Tattoo-Elektroden messen Hirnströme

Im Jahr 2015 entwickelte Francesco Greco, Leiter des Labora­tory of Applied Materials for Printed and Soft electronics am Institut für Festkörper­physik der TU Graz, gemeinsam mit ita­lienischen Kollegen erste „Tattoo-Elektroden“. Dabei handelt es sich um leitfähige Polymere, die mit einem Tintenstrahl­drucker auf handels­übliches Tattoo-Papier gedruckt und dann wie Abziehbilder auf die Haut geklebt werden, um die Herz- oder Muskelaktivität zu messen. Diese Art von Elektrode eröffnete völlig neue Wege bei elektro­physiologischen Untersuchungen wie der Elektro­kardiographie (EKG) oder der Elektro­myografie (EMG). Dank einer Dicke von 700 bis 800 Nanometern passen sich die Tattoos an Unebenheiten der Haut an und sind am Körper kaum wahrnehmbar. Außerdem handelt es sich um Trocken-Elektroden, sie funktionieren im Gegensatz zu Gel-Elektroden ohne Flüssigkeits­schnittstelle und können nicht austrocknen. Sie eignen sich hervor­ragend für die Langzeit­messung. Selbst Haare, die durch das Tattoo hindurch­wachsen, behindern die Signal-Aufzeichnung nicht.

Aufbauend auf dieser Pionier­leistung setzte Greco gemeinsam mit Esma Ismailova von der École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne und Laura Ferrari von der Scuola Superiore Sant’Anna nun einen weiteren Fortschritt in der Messung bio­elektrischer Signale: Die Gruppe hat die Tattoo-Elektroden derart modifiziert, dass diese auch in der Elektro­enzephalografie (EEG) zur Messung der Gehirn­aktivitäten eingesetzt werden können. Hierzu verwendeten die Forscher den gleichen Ansatz wie 2018: den Tintenstrahl­druck von leitendem Polymer auf Tattoo-Papier.

Zusammen­setzung sowie Dicke des Abzieh­papiers und des leitenden Polymers wurden optimiert, um eine noch bessere Verbindung zwischen Tattoo-Elektrode und Haut zu erreichen und die EEG-Signale mit maximaler Qualität aufzeichnen zu können, denn: „Hirnstrom­wellen befinden sich im niedrigen Frequenz­bereich und EEG-Signale haben eine sehr geringe Amplitude. Sie sind viel schwieriger in einer hohen Qualität zu erfassen, als EMG- oder EKG-Signale“, erklärt Laura Ferrari. Tests unter realen klinischen Bedingungen haben gezeigt, dass die EEG-Messung mit den optimierten Tattoos genauso gut gelingt wie mit konven­tionellen EEG-Elektroden. „Durch den Tintenstrahl­druck und die handels­üblichen Substrate sind unsere Tattoos aber deutlich günstiger als derzeitige EEG-Elektroden und bieten im direkten Vergleich auch mehr Vorteile hinsichtlich Tragekomfort und Langzeit­messungen“, so Greco.

Bei den neuartigen Tattoo-Elektroden handelt es sich um die aller­erste Trocken-Elektrodenart, die für Langzeit-EEG-Messungen geeignet und gleichzeitig kompatibel mit der Magnet­enzephalographie (MEG) ist. MEG ist eine gut eingeführte Methode zur Überwachung der Gehirn­aktivität, für die bisher aus­schließlich „nasse Elektroden“ eingesetzt werden können. Solche Elektroden funktionieren auf Basis von Elektrolyt, Gel oder einer Elektroden­paste, trocknen somit rasch aus und sind für Langzeit­messungen ungeeignet. Die neue Generation von Tattoo-Elektroden besteht ausschließlich aus leitfähigen Polymeren, beinhaltet also keine Metalle, die für MEG-Untersuchungen proble­matisch sein könnten und wird aus­schließlich mit Tintenstrahl gedruckt. Der TU Graz-Forscher spinnt derzeit Ideen, wie diese Technologie in Kliniken, aber auch im Neuro­engineering und im Bereich der Brain Computer Interfaces eingesetzt werden kann.

TU Graz / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. M. Ferrari et al.: Conducting polymer tattoo electrodes in clinical electro- and magneto-encephalography, npj Flex. Elec. 4, 4 (2020); DOI: 10.1038/s41528-020-0067-z
• Institut für Festkörperphysik, Technische Universität Graz
• Center for MicroBiorobotics, Istituto Italiano di Tecnologia, Pontedera, Italien