Hirnsignale mit Tattoo-Elektroden messen

Wissenschaftler der TU Graz haben gemeinsam mit italienischen Kollegen Tattoo-Elektroden entwickelt, die für Langzeit-EEG-Messungen geeignet und gleichzeitig kompatibel mit der Magnetenzephalographie (MEG) sind.

Schon im Jahr 2015 entwickelte Francesco Greco, Leiter des Laboratory of Applied Materials for Printed and Soft electronics (LAMPSe) am Institut für Festkörperphysik der TU Graz, gemeinsam mit italienischen WissenschafterInnen sogenannte „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.

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 bei den „Tätowierungen“ 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.

Neue Generation von Tattoo-Elektroden

Darauf aufbauend hat Greco die Tattoo-Elektroden nun gemeinsam mit Kolleginnen aus Frankreich und Italien so modifiziert, dass diese auch in der Elektroenzephalografie (EEG) eingesetzt werden können.

Hierzu verwendeten die Forscher den gleichen Ansatz wie 2018, also 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, die während ihrer Doktorarbeit an diesem Projekt arbeitete und jetzt als Postdoc in Frankreich forscht.

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.

Allererste MEG-kompatible Trocken-Elektroden

Bei den neuartigen Tattoo-Elektroden handelt es sich den Forschern zufolge um die erste Trocken-Elektrodenart, die für Langzeit-EEG-Messungen geeignet und gleichzeitig kompatibel mit der Magnetenzephalographie (MEG) ist. Für die MEG können bisher ausschließlich „nasse Elektroden“ eingesetzt werden. Diese trocknen allerdings 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. „Mit unserer Methode stellen wir die perfekte MEG-kompatible Elektrode her und reduzieren gleichzeitig die Kosten und die Produktionszeit“, freut sich Greco. Der Grazer Forscher entwickelt derzeit Ideen, wie diese Technologie in Kliniken, aber auch im Neuroengineering und im Bereich der Brain Computer Interfaces eingesetzt werden kann.

Originalpublikation:
Ferrari LM et al. Conducting polymer tattoo electrodes in clinical electro- and magneto-encephalography. npj Flex Electron 4, 4 (2020).