Penguat sinyal tertipis dan teringan di dunia memungkinkan bioinstrumentasi dengan pengurangan noise – Sains Terkini


Secara konvensional, rangkaian bioinstrumentasi untuk perawatan kesehatan dan penggunaan medis terdiri dari perangkat elektronik keras, seperti transistor silikon. Namun, ketika jaringan biologis lunak, seperti kulit, bersentuhan dengan perangkat elektronik keras, mereka cenderung meradang. Oleh karena itu, pemantauan biosignal dalam kehidupan sehari-hari selama periode waktu yang lama terbukti sulit. Kelompok penelitian mengembangkan sirkuit bioinstrumentation fleksibel yang menghilangkan ketidaknyamanan yang disebabkan oleh perangkat yang melekat pada tubuh pengguna dengan mengintegrasikan perangkat elektronik fleksibel yang disebut transistor organik (* 1) pada film plastik tipis dan fleksibel dengan ketebalan 1 μm (1) μm adalah 1 satu juta dari 1 m). Sirkuit yang dikembangkan adalah sirkuit pemrosesan sinyal yang disebut penguat diferensial (* 2).

Dibandingkan dengan amplifier ujung tunggal konvensional (* 3), amplifier diferensial fleksibel yang dikembangkan dalam penelitian ini tidak hanya dapat memperkuat biopotensial yang sangat lemah tetapi juga mengurangi noise gangguan (* 4). Kelompok ini menunjukkan bahwa penguat diferensial dapat diterapkan pada instrumentasi manusia dan mewujudkan pemantauan sinyal elektrokardiak real-time, yang merupakan biosignal penting, dengan tingkat kebisingan yang berkurang.

Pencapaian ini diharapkan akan mengarah pada pemantauan berbagai biosigna lemah (mis. Gelombang otak dan bunyi jantung janin) dalam kehidupan sehari-hari selain sinyal elektrokardiak tanpa membuat pengguna merasa tidak nyaman yang disebabkan oleh perangkat yang terpasang pada tubuh.

Latar belakang penelitian


Di Jepang, dengan angka kelahiran yang menurun dan populasi yang menua, aplikasi elektronik fleksibel seperti transistor organik di bidang medis dan perawatan kesehatan telah dipromosikan secara aktif. Sensor dan sirkuit elektronik dengan kompatibilitas tinggi dengan jaringan biologis seperti kulit dan organ direalisasikan dengan menggunakan bahan organik lunak.

Di antara sensor dan sirkuit elektronik ini, amplifier fleksibel dengan transistor organik terintegrasi ke dalamnya menghilangkan ketidaknyamanan yang dirasakan oleh pengguna yang disebabkan oleh perangkat yang terpasang pada tubuh. Penelitian dan pengembangan amplifier seperti sensor untuk terus memonitor biosignals yang sangat lemah saat ini sedang berlangsung. Namun, penguat organik konvensional terutama memiliki struktur ujung tunggal yang tidak dapat membedakan target biosignal dari gangguan noise, membuatnya sulit untuk memonitor biosignals dengan tingkat kebisingan yang rendah. Penguat diferensial adalah sirkuit yang dapat mengukur sinyal dengan komponen kebisingan dihapus. Namun, variasi dalam kualitas transistor organik yang diproduksi adalah besar dibandingkan dengan transistor silikon; dengan demikian, belum ada laporan tentang amplifier diferensial fleksibel yang menyadari pengurangan kebisingan yang tepat.

Kelompok penelitian berhasil mengembangkan penguat diferensial organik yang fleksibel dengan fungsi pengurangan kebisingan dengan mengembangkan teknik kompensasi yang dapat mengurangi dispersi arus yang mengalir dalam transistor organik di dalam penguat hingga sekecil 2% atau kurang. Penguat dibuat pada film parylene dengan ketebalan 1 μm. Penguat tidak pecah ketika film ditekuk dan dapat dipasang ke kulit manusia tanpa menimbulkan rasa tidak nyaman. Sinyal elektrokardiak diamplifikasi 25 kali lipat dan noise dikurangi menjadi sepersepuluh atau kurang dengan menggunakan penguat diferensial fleksibel ini untuk memantau sinyal. Kelompok ini menunjukkan bahwa kebisingan yang disebabkan oleh sumber daya eksternal serta kebisingan gerak tubuh yang besar yang disebabkan oleh berjalan dihilangkan selama pemantauan sinyal elektrokardiak.

Dampak pencapaian penelitian terhadap masyarakat (signifikansi pencapaian penelitian)

Jam tangan pintar dan perangkat yang dapat dipakai lainnya untuk memonitor biosignal, seperti sinyal elektrokardiak, dalam kehidupan sehari-hari sudah ada di pasaran. Bioinstrumentation diharapkan menjadi lebih mudah dan lebih nyaman dalam berbagai situasi melalui penggunaan sirkuit bioinstrumentation fleksibel presisi tinggi tanpa membuat pengguna merasa tidak nyaman yang disebabkan oleh perangkat yang terpasang pada tubuh mereka. Sebagai contoh, bioinstrumentasi orang yang melakukan latihan fisik yang berat, seperti saat berolahraga, menjadi mungkin karena peningkatan daya tahan pakai dan adhesi antara perangkat dan kulit. Data bioinstrumentation real-time lama sehingga diperoleh akan mempromosikan deteksi dini penyakit dan meningkatkan efisiensi pengobatan, pemantauan orang tua dan pasien, dan pemantauan beban olahraga. Prestasi ini selanjutnya akan mengarah pada solusi dari berbagai masalah di masyarakat lanjut usia Jepang dengan cara mengurangi biaya medis dan meningkatkan kualitas hidup (QOL).

Pekerjaan ini dilakukan oleh Universitas Osaka, bekerja sama dengan Institut Nasional Sains dan Teknologi Industri Lanjut.

Glosarium

* 1 transistor organik

Transistor organik adalah transistor di mana bagian semikonduktor yang melakukan arus terdiri dari bahan organik. Tidak seperti semikonduktor anorganik, sebagian besar semikonduktor organik dibuat pada suhu rendah 200 HaiC atau lebih rendah. Oleh karena itu, film plastik tipis dapat digunakan sebagai substrat, memungkinkan pembuatan transistor yang ringan dan fleksibel. Dengan menggabungkan dan mengintegrasikan beberapa transistor dari jenis ini, kelompok penelitian menyadari sirkuit elektronik yang mampu memperkuat sinyal dan mengurangi noise.

* 2 penguat diferensial


Amplifier diferensial memiliki dua terminal input dan dapat memperkuat perbedaan antara sinyal dari dua terminal. Dalam kasus bioinstrumentation, sebagian besar sinyal selain dari target biosignal adalah sinyal gangguan noise yang memasuki dua terminal input dengan bentuk gelombang yang sama; oleh karena itu, dimungkinkan untuk menghilangkan hanya gangguan noise berdasarkan perbedaan ini.

* 3 Amplifier berujung tunggal

Berbeda dengan amplifier diferensial yang dijelaskan di atas, amplifier ujung tunggal memiliki satu terminal input. Biosigna target serta sinyal noise gangguan yang tidak perlu adalah output karena sinyal input diperkuat tanpa menghilangkan noise input. Karena sebagian besar biosignal sangat lemah, amplifier satu ujung tidak cocok untuk pemantauan sinyal tersebut.

* 4 Gangguan kebisingan

Biosigna yang dipantau terkontaminasi oleh kebisingan gangguan yang terdiri dari kebisingan AC komersial (kebisingan hum) dan kebisingan gerakan tubuh. Kebisingan AC komersial dihasilkan oleh sumber daya di sekitarnya; memiliki frekuensi konstan 60 dan 50 Hz di Jepang bagian barat dan timur. Kebisingan gerak tubuh disebabkan oleh ketidaksepakatan antara elektroda dan kabel yang terkait dengan gerakan tubuh. Oleh karena itu, pengembangan elektroda fleksibel dan sirkuit pengukur yang dapat bersentuhan dengan kulit adalah penting untuk mencapai bioinstrumentasi presisi tinggi.

Referensi:

Material disediakan oleh Universitas Osaka. Catatan: Konten dapat diedit untuk gaya dan panjangnya.

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.