Een onderzoeksgroep onder leiding van professor Tsuyoshi Sekitani en universitair hoofddocent Takafumi Uemura van het Instituut voor Wetenschappelijk en Industrieel Onderzoek, Universiteit van Osaka, erin geslaagd om 's werelds dunste en lichtste differentiële versterker voor bio-instrumentatie te ontwikkelen.

conventioneel, bio-instrumentatiecircuits voor gezondheidszorg en medisch gebruik bestonden uit harde elektronische apparaten, zoals siliciumtransistors. Echter, wanneer zachte biologische weefsels, zoals huid, in aanraking komen met harde elektronische apparaten, ze hebben de neiging om ontstoken te raken. Daarom, monitoring van biosignalen in het dagelijks leven over een lange periode bleek moeilijk. De onderzoeksgroep ontwikkelde een flexibel bio-instrumentatiecircuit dat het ongemak elimineert dat wordt veroorzaakt door het apparaat dat aan het lichaam van de gebruiker is bevestigd door flexibele elektronische apparaten, organische transistors genaamd, te integreren op een dunne en flexibele plastic film met een dikte van 1 μm. Het ontwikkelde circuit is een signaalverwerkingscircuit dat een differentiële versterker wordt genoemd.

Vergeleken met conventionele single-ended versterkers, de flexibele differentiële versterker die in deze studie is ontwikkeld, kan niet alleen zeer zwakke biopotentiaal versterken, maar ook storende ruis verminderen. Deze groep toonde aan dat de differentiële versterker kan worden toegepast op menselijke instrumentatie en real-time monitoring van elektrocardiale signalen kan realiseren, welke belangrijke biosignalen zijn, met verminderde geluidsniveaus.

Deze prestatie zal naar verwachting leiden tot de monitoring van verschillende zwakke biosignalen (bijvoorbeeld hersengolven en hartgeluiden van een foetus) in het dagelijks leven naast elektrocardiale signalen zonder gebruikers te onderwerpen aan het ongemak dat wordt veroorzaakt door apparaten die aan het lichaam zijn bevestigd.

In Japan, met zijn dalende geboortecijfer en vergrijzende bevolking, de toepassing van flexibele elektronica zoals organische transistors in de medische sector en de gezondheidszorg is actief gepromoot. Sensoren en elektronische schakelingen met een hoge compatibiliteit met biologische weefsels zoals huid en organen worden gerealiseerd door gebruik te maken van zachte organische materialen.

Onder deze sensoren en elektronische circuits, flexibele versterkers met daarin geïntegreerde organische transistoren elimineren het ongemak dat gebruikers voelen veroorzaakt door de apparaten die aan het lichaam zijn bevestigd. Het onderzoek en de ontwikkeling van dergelijke versterkers als sensoren om continu zeer zwakke biosignalen te bewaken, is momenteel gaande. Echter, conventionele organische versterkers hebben voornamelijk een single-ended structuur die de beoogde biosignalen niet kan onderscheiden van storende ruis, waardoor het moeilijk is om biosignalen met een laag ruisniveau te monitoren (Fig. 1). Een differentiële versterker is een circuit dat signalen kan meten zonder de ruiscomponenten. Echter, de variatie in kwaliteit van vervaardigde organische transistoren is groot in vergelijking met die van siliciumtransistoren; dus, er zijn geen rapporten over flexibele differentiële versterkers die nauwkeurige ruisonderdrukking realiseren.

De onderzoeksgroep slaagde erin een flexibele organische differentiële versterker met een ruisonderdrukkingsfunctie te ontwikkelen door een compensatietechniek te ontwikkelen die de dispersie van stroom die in organische transistors in de versterker vloeit, kan verminderen tot 2% of minder. De versterker is gefabriceerd op een paryleenfilm met een dikte van 1 m. De versterker breekt niet wanneer de film wordt gebogen en kan op de menselijke huid worden bevestigd zonder enig ongemak te veroorzaken (Fig. 2). Elektrocardiale signalen werden 25-voudig versterkt en de ruis werd teruggebracht tot een zevende of minder door deze flexibele differentiële versterker te gebruiken voor het bewaken van de signalen. De groep toonde aan dat de ruis veroorzaakt door externe stroombronnen en de grote lichaamsbewegingen veroorzaakt door lopen worden verwijderd tijdens het bewaken van elektrocardiale signalen (Fig. 1).

Slimme horloges en andere draagbare apparaten voor het bewaken van biosignalen, zoals elektrocardiale signalen, in het dagelijks leven zijn al op de markt. Bio-instrumentatie zal naar verwachting in verschillende situaties gemakkelijker en comfortabeler worden door het gebruik van de uiterst nauwkeurige flexibele bio-instrumentatiecircuits zonder gebruikers te onderwerpen aan enig ongemak veroorzaakt door de apparaten die aan hun lichaam zijn bevestigd. Bijvoorbeeld, bio-instrumentatie van mensen die fysiek inspannende oefeningen doen, zoals tijdens het sporten, wordt mogelijk dankzij de verbeterde draagbaarheid en hechting tussen het apparaat en de huid. De aldus verkregen real-time bio-instrumentatiegegevens zullen de vroege detectie van ziekten bevorderen en de efficiëntie van de behandeling verbeteren, monitoring van ouderen en patiënten, en monitoring van de inspanningsbelasting. Deze prestaties zullen verder leiden tot de oplossing van verschillende problemen in de vergrijzende Japanse samenleving door middel van lagere medische kosten en een betere kwaliteit van leven (QOL).

Het artikel, "Een ultraflexibele organische differentiële versterker voor het opnemen van elektrocardiogrammen" werd gepubliceerd in Natuur Elektronica .