PT104882A

PT104882A - Um eléctrodo seco e activo para bio-sinais usando como material de interface um híbrido orgânico-inorgânico

Info

Publication number: PT104882A
Application number: PT104882A
Authority: PT
Inventors: Joao Paulo Trigueiros Da Silva Cunha; Luis Antonio Ferreira Martins Dais Carlos; David Manuel Dieteren Ribeiro Eng
Original assignee: Univ Aveiro; Ieeta Inst De Engenharia Electronica E Telematica De Aveiro
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-06-14
Also published as: WO2011070403A1

Abstract

A INVENÇÃO AQUI APRESENTADA É UM BIO-ELÉCTRODO QUE É CARACTERIZADO PELO USO DE UM MATERIAL HÍBRIDO ORGÂNICO-INORGÂNICO OBTIDO PELO MÉTODO SOL-GEL USADO COMO INTERFACE ELÉCTRODO-PELE. ALÉM DISSO, A INCORPORAÇÃO DE UM PRÉ-AMPLIFICADOR DE SINAL E CIRCUITO DE PROCESSAMENTO DE SINAL NUMA PCB FLEXÍVEL DEIXA ESTE ELÉCTRODO MENOS SENSÍVEL A VARIAÇÕES REFERENTES A IMPEDÂNCIA NA INTERFACE ELÉCTRODO-PELE REDUZINDO, ASSIM, ARTEFACTOS INTRODUZIDOS POR MOVIMENTO E RUÍDO. O MATERIAL DE INTERFACE HÍBRIDO ORGÂNICO-INORGÂNICO NUNCA FOI USADO ANTERIORMENTE PARA ESTE TIPO DE APLICAÇÃO E ATRAVÉS DA INCORPORAÇÃO DE TODAS AS PARTES AQUI DESCRITAS RESULTA, ASSIM, NA INVENÇÃO DE UM NOVO ELÉCTRODO SECO, ACTIVO E FLEXÍVEL. EM SUMÁRIO, ESTA INVENÇÃO CONSISTE NUM NOVO ELÉCTRODO SECO E ACTIVO FLEXÍVEL QUE, EM COMBINAÇÃO COM A ELECTRÓNICA DESCRITA, USA UM HÍBRIDO ORGÂNICO-INORGÂNICO COMO UM MATERIAL DE INTERFACE ELÉCTRODO-PELE.

Description

DESCRIÇÃO "UM ELÉCTRODO SECO E ACTIVO PARA BIO-SINAIS USANDO COMO MATERIAL DE INTERFACE UM HÍBRIDO ORGÂNICO-INORGÂNICO"

Domínio da Técnica A invenção aqui apresentada é um bio-eléctrodo que é caracterizado pelo uso de um híbrido orgânico-inorgânico obtido pelo método sol-gel como interface eléctrodo-pele. Além disso, a incorporação de um pré-amplificador e circuito de processamento de sinal numa PCB flexível deixa este eléctrodo menos sensível a variações referentes à impedância na interface eléctrodo-pele reduzindo, assim, artefactos introduzidos pelo ruído.

Antecedentes da invenção 0 eléctrodo mais popular usado nos dias de hoje para a medição de sinais bio-eléctricos é o eléctrodo de prata/cloreto de prata. Apesar de terem sido obtidos alguns bons resultados, este tipo de material apresenta diversos problemas, tais como a deterioração de propriedades eléctricas e reacções alérgicas. Apesar de este eléctrodo ter as suas vantagens, ele acarreta algumas desvantagens consideráveis. Algumas das vantagens e desvantagens deste eléctrodo são apresentadas abaixo.

Vantagens 0 baixo custo dos eléctrodos permite a sua não reutilização 1

Um design simples assegura uma fiabilidade, quando correctamente preso ao paciente.

Uma boa qualidade do sinal, quando o sinal é usado por um curto período de tempo.

Desvantagens 0 eléctrodo apresenta uma impedância na interface eléctrodo-pele relativamente grande, tornando-se, portanto, muito sensível à interferência electromagnética e ao movimento.

Uma diferença na impedância da interface eléctrodo-pele causada pela desidratação do electrólito introduz ruído dentro do sistema. Isto significa que, em medidas prolongadas, o electrólito precisa de ser reaplicado regularmente.

Para baixar a impedância na interface eléctrodo-pele, a pele necessita de ser preparada o que consome tempo e tem inconvenientes, especialmente em medições prolongadas.

Existem algumas preocupações toxicológicas sobre o uso de gel electrolítico. Apesar de raros, alguns casos de dermatites têm sido reportados.

Como referido no sumário acima, as três maiores desvantagens do eléctrodo húmido são: 0 ruído introduzido dentro do sistema devido a diferenças de impedância na interface eléctrodo-pele, bem como o ruído introduzido devido a interferências electromagnéticas. 2 0 consumo de tempo e desconforto associado ao processo de preparação da pele

Em medições prolongadas o electrólito precisa ser reaplicado regularmente. O primeiro é especialmente importante quando se mede sinais bio-eléctricos de amplitudes muito baixas. Na literatura, eléctrodos secos e activos têm sido apontados como uma solução para estes problemas. Eléctrodos activos distinguem-se de eléctrodos convencionais devido ao facto de possuírem um dispositivo para converter impedância, no sítio de detecção de sinal. Como foi referido acima, a diferença de impedância na pele é uma das maiores fontes de ruído. Devido à grande impedância de entrada do amplificador operacional, o sistema de medidas torna-se menos sensível a mudanças de impedância na interface eléctrodo-pele.

Os eléctrodos activos podem geralmente ser classificados em dois grupos: eléctrodos húmidos e activos e eléctrodos secos e activos. Os eléctrodos húmidos e activos são usualmente os eléctrodos que usam prata/cloreto de prata como material de interface. Estes eléctrodos são similares aos eléctrodos convencionais, com excepção do facto de incorporarem electrónica no sítio de detecção de sinais.

Os eléctrodos secos e activos podem ser constituídos por vários tipos de materiais, tais como um metal inerte como a platina, um metal com uma camada de cerâmica exterior, ou um polímero. Alguns autores referem-se, também, a adesivos carregados com partículas condutoras, tal como grafite ou 3 prata, embora tenha sido concluído que estes materiais degradam as propriedades adesivas. Um outro autor refere, também, o uso de nanotubos de carbono que penetram a camada exterior da pele. Apesar dos bons resultados que podem ser alcançados, a penetração na pele traz algumas preocupações toxicológicas. Uma das principais razões para a pesquisa em eléctrodos activos é a escolha do material de interface. Esta parte do eléctrodo está em contacto directo com a pele e, portanto, é um dos primeiros pontos de introdução de ruído no sistema de medição. 0 material escolhido deve ser um bom condutor, deve, também, ser flexível e ter uma estabilidade de sinal prolongada. A flexibilidade é importante, pois permite ao eléctrodo uma adaptação aos contornos do corpo humano.

Os documentos que foram encontrados relacionados com o design de eléctrodos secos e activos para a monitorização de bio-sinais são listados abaixo. Contudo nenhuma destas patentes usa o material de interface usado na presente patente que propomos. Título: Biosignal electrode Número de registo: US 5337748 4

Propriedades avaliadas Iirportantes propriedades de design para o nosso produto Substrato do material Substrato flexível Electrónica Nenhum presente Material de interface' Ag/AgCl ccm propriedades adesivas fc*. *3 :w\ ^'C*££rrr Impacto no nosso conceito e design Apesar do eléctrodo aqui descrito não usar electrónica a flexibilidade deste eléctrodo é muito interessante. Também o material de interface e suas propriedades adesivas é algo que poderia adaptar-se às nossas vantagens.

Titulo: Skm Impedance matched Biopotential electrode Número de registo: US 2005177038 Propriedades avaliadas Importantes propriedades de design para o nosso produto Substrato Encapsulamento isolante não flexível Electrónica Pré-amplificador para transformação de impedância Material de interface Folha de borracha moldada, suspensão de carbono Iv /" X LJ· r *: V vt # Irrpacto no nosso conceito e design 0 eléctrodo apresentado é encapsulado num corpo não condutor com uma camada condutora num único lado. 0 material de interface pode ser uma folha moldada de borracha contendo uma suspensão de carbono. Além disso, a patente também foi testada com diferentes tipos de elastómeros, neoprenos e borrachas contendo sílica. A patente também se refere a substratos que possuem baixa condutividade em volume. Isto pode ser uma linha importante em relação à nossa patente. 5 Título: Biopotential sensor electrode Número de registo: US 6434421 Propriedades avaliadas Importantes propriedades de design para o nosso produto Substrato Um corpo fechado não flexível Electrónica Um circuito de transformação de impedância e sistema wireless para transmissão de sinal sem fio. Material de interface Uma solução híbrida de materiais secos e isoladores :¾ .-····---..................; !; 'ν' : υ'νΧν$·; · % l s s ^ v V* 1.,,,,,,-.___________ «WW-xçs ,v: ^x·: ·%<*>>$>: :·>χ·χν Impacto no nosso conceito e design Este sensor é uma combinação de dispositivos de captura e estimulação. 0 dispositivo aqui apresentado usa transmissão wireless para transferir o seu sinal para o sistema de aquisição de dados. 0 material de interface é uma mistura de material condutor e dieléctrico. Esta ccmbinação forma um condensador, tal como um elemento de sensor. 0 metal condutor pode ser ouro, platina, etc. Este design não tem a flexibilidade que o nosso produto apresenta. Além do mais este eléctrodo híbrido é chamado híbrido por causa da combinação de materiais condutores e dieléctricos, a qual o torna seco, bem como, um eléctrodo isolado. Título: A dry electrode system for detection of biopotentials Numero de registo: US 4669479 Propriedades avaliadas Importantes propriedades de design para o nosso produto Substrato Substrato rígido Electrónica Pré-amplificador para transformação de impedância. Bateria para funcionamento. Material de interface Espuma de poliuretano carregado com carbono 6

mi

Impacto no nosso conceito e design 0 dispositivo aqui apresentado usa um material de interface elástico, que consiste em espuma de poliuretano carregado com carbono. 0 dispositivo funciona através de baterias, que estão localizadas no lado do conector, aumentando bastante o tamanho da invenção. Título: Electrode for measurement of weak bioelectrical signals Número de registo: US 6622035 Propriedades avaliadas Importantes propriedades de design para o nosso produto Substrato Substrato rígido Electrónica Circuito pré-amplificador para transformação de impedância. Bateria para funcionamento. Material de interface Micro agulhas de metal ou plástico condutor μ Iirpacto no nosso conceito e design - 'X . ' do ' \W r V· .v; ·, r >.vj ,.v · % \ L' \ ov.N > . i ,v s . .· ;Λ N V í N s vt ' v" \- x *; v SN ' Ν\Λ S S ^ S ' J iV, , , S'-ss.XvNS'.^ss'.^-.'>'" Este produto usa micro agulhas para penetrar o topo da camada da pele. Isto traz algumas preocupações toxicológicas. A forma do substrato e a integração da electrónica na parte de trás do substrato são similar ao design adoptado na presente patente. 7

Titulo: Um eléctrodo de tipo seco e active para monitorização de biopotências Numero de registo: PT 102999 Propriedades avaliadas Irrportantes propriedades de design para o nosso produto Substrato Transportador rigido Electrónica Circuito amplificador para transformação de irnpedância e um circuito de processamento de sinal Material de interface Disco de aço inoxidável revestido com titânio Impacto no nosso conceito e design > O í f ··:·—— " -O .dO 0 produto aqui apresentado usa um disco de aço inoxidável revestido com uma camada de dióxido de titânio. 0 pré-amplificador também é similar ao do nosso produto. Apesar dos bons resultados obtidos com este sistema o produto não tem as propriedades flexíveis que o nosso possui. 8 Título: Non-polarizable dry biomedical electrode Número de registo: US 5003978 Propriedades avaliadas Importantes propriedades de design para o nosso produto Substrato Rígido, não polarizável Electrónica Não apresenta, ver US 4669479 Material de interface Borracha ou espuma condutora 1 4— r*,t r*>· 2 Irrpacto no nosso conceito e design 0 produto aqui apresentado pode usar vários tipos de materiais de interface, tais como espumas condutoras. Além do mais, este eléctrodo também apresenta propriedades flexíveis.

Apesar de muitas patentes apresentarem o mesmo objectivo, que é capturar sinais bioeléctricos de baixa amplitude, tais como, EEG, EMG ou EKG, as invenções diferem no uso do material associado à interface eléctrodo-pele. Muitas patentes adoptam um método similar para diminuir a impedância da interface eléctrodo-pele, através da utilização de electrónica com amplificadores operacionais específicos e a combinação com um bom material de interface, podendo a relação sinal-ruído (SNR) ser consideravelmente melhorada. Encontrámos igualmente diversas patentes que possuem algumas semelhanças em relação à flexibilidade, forma e ao uso de electrónica. Porém podemos concluir inequivocamente que não foram encontradas patentes que usem o material híbrido orgânico-inorgânico denominado di-ureasil unicamente como um material de interface, ou em combinação com electrónica como um eléctrodo seco e activo, o que confere um grau elevado de inovação à nossa proposta. 9

Sumário da Invenção O método apresentado nesta proposta de patente descreve um eléctrodo seco e activo em combinação com o uso de um novo material de interface com caracteristicas inovadoras, sendo este um dos pontos requeridos. A invenção que apresentamos aqui é um eléctrodo que pode ser agregado à pele de forma a capturar sinais electrofisiológicos causados pelo actividade do coração, cérebro ou músculos. 0 eléctrodo é flexível e, portanto, pode adaptar-se aos contornos do corpo humano. 0 eléctrodo é especialmente apropriado para a detecção de sinais de um Electrocardiograma (ECG), embora possa ser facilmente ajustado para qualquer outro sinal bio-eléctrico, tais como sinais de Electroencefalograma (EEG) ou sinais de Electromiografia (EMG). Dependendo do sinal electrofisiológico, e portanto, para cada aplicação mencionada anteriormente, pode-se mudar a forma, o tamanho e as propriedades eléctricas do eléctrodo proposto. Como exemplo, podemos referir que em EEG uma grande quantidade de eléctrodos está presente numa pequena superfície e, portanto, um eléctrodo mais pequeno poderia ser preferível. Além disso, como um EEG é muito menor em amplitude a condutividade do material de interface pode ser melhorada, mudando consequentemente as propriedades eléctricas, de forma a adaptá-la às caracteristicas do sinal a medir. Quanto a estudos de EMG, o movimento dos músculos pode interferir com a interface eléctrodo-pele. Com o presente método podemos aumentar o eléctrodo e adicionar algumas propriedades 10 adesivas para manter um alto nível de qualidade do sinal. Além disso, o eléctrodo fabricado segundo o método aqui proposto pode ser usado em têxteis inteligentes ou mesmo integrado em tecidos. 0 eléctrodo proposto compõe-se dos seguintes elementos: um sensor consistindo de um PCB feito de substrato flexível com o material de interface depositado na sua superfície. No topo da pequena PCB flexível está o circuito electrónico e o botão em metal ou o tecido condutor de fácil conexão para um dispositivo de medição e integração em tecidos e em outros têxteis inteligentes, como por exemplo o "vital jacket", um produto desenvolvido pela Universidade de Aveiro. 0 sensor é feito a partir de um substrato flexível e revestido com um material híbrido orgânico-inorgânico preparado através do método sol-gel, que faz interface com a camada externa da pele. O sensor captura o sinal injectando-o no interior do circuito electrónico. 0 contacto eléctrico entre o híbrido orgânico-inorgânico e o PCB feito de substrato flexível é efectuado, mas não limitado, por têxteis condutores, fibras de tecido condutor ou fios de cobre. 0 material de interface - um híbrido orgânico-inorgânico preparado pelo método sol-gel - nunca foi usado anteriormente como um biosensor e, portanto, constitui uma das características inovadoras deste produto. O híbrido orgânico-inorgânico usado como material de interface tem desempenho semelhante ao de eléctrodos húmidos. Além do mais pode, também, ser agregado a tecidos e assim possibilitar o uso em sensores têxteis inteligentes. 0 sensor incorpora um circuito de adaptação de impedância e processamento de sinal. Como em todos os eléctrodos activos, o circuito apresenta elevada 11 impedância de entrada e baixa impedância de saída, mas também incorpora um filtro passa-alto para condicionamento do sinal. 0 circuito pode ser alimentado por uma pequena bateria de lítio de 3.6V, ou uma fonte de alimentação isolada para prevenir o risco de choque eléctrico. A voltagem pode ser tão baixa quanto 3,3V, 3,0V ou até 2.7V, até que o circuito deixe de funcionar.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS FIG 1: Vista superior do eléctrodo 1 - PCB feito de substrato flexível 2 - Amplificador operacional (op-amp) 3 - Botão de montagem 4 - Cabo conector 5 - Inversor de tensão FIG 2: Vista inferior do eléctrodo 1 - PCB feito de substrato flexível 6 - Eléctrodo seco e activo orgânico-inorgânico

agregado à PCB FIG 3: Desenho mecânico do eléctrodo de acordo com as FIG 2, 3 7 - Vista do Eléctrodo 8 - Vista lateral do eléctrodo 9 - Deposição de material 10 - Botão montado na parte superior 12 FIG 4: Diagrama de blocos e esquema eléctrico do eléctrodo seco e activo orgânico-inorgânico 4a) Diagrama de blocos 11- Material híbrido orgânico-inorgânico 12- Filtro passa-alto 13- Pré-amplificador de alta impedância 14- Inversor de tensão 15- Saída para aquisição de biosinais 4b) Circuito pré-amplificador 4c) Inversor de tensão 4d) Conector de sinal e alimentação FIG 5: Configuração Experimental 16 - Eléctrodo seco e activo RA (Ríght Arm - braço direito) 17 - Eléctrodo seco e activo LA (Left Arm - braço esquerdo) 18 - Eléctrodo húmido prata/cloreto de prata RA (braço direito) 19 - Eléctrodo húmido prata/cloreto de prata LA (braço esquerdo) 20 - Eléctrodo húmido de referência de cloreto de prata 21 - Sistema de aquisição de biosinais 22 - Computador FIG 6: Segmentos ECG para 6 a) Eléctrodo seco e activo 6 b) Eléctrodos Ag/AgCl 13 6 c) e 6 d) Estimativa da densidade espectral de potência (PSD) calculada para 5 horas completas de aquisição.

Frequência da amostragem é 150Hz.

DESCRIÇÃO DETALHADA

As figuras 1, 2 e 3 mostram as propriedades mecânicas do eléctrodo. De acordo com a figura 1 o eléctrodo é construído a partir de um substrato flexível (1) que lhe dá toda a resistência mecânica. Os componentes electrónicos (2, 4) estão montadas na parte superior do substrato. Optámos por um substrato flexível, possibilitando ao eléctrodo a capacidade de adaptação aos contornos do corpo humano. A figura 1 também mostra o botão (3) de tal modo que o eléctrodo pode ser agregado ao tecido. Um pequeno conector (5) liga o eléctrodo à sua fonte de alimentação e aquisição de sinal. Na figura 2 podemos ver o híbrido orgânico-inorgânico (6) agregado ao botão no substrato flexível (1). Inicialmente o material é vertido dentro de um molde, que é montado no eléctrodo de espessura típica de 2 a 5mm, podendo esta ser modificada de acordo com a aplicação final a que se destina. Após secagem entre 24 e 72 horas, o molde é removido e um material sólido e flexível é obtido. A figura 3 mostra as dimensões mecânicas típicas dum exemplar do nosso eléctrodo. 0 eléctrodo tem cerca de 10 a 50 mm de diâmetro e cerca de 2 a 5 mm de altura. O material apresenta cerca de 10 a 60 mm de diâmetro e cerca de 2 a 5 mm de altura. O botão tem cerca de 10 a 20 mm de diâmetro e cerca 14 de 5 a 10 mm de altura. Todas estas dimensões podem ser alteradas para diferentes finalidades no futuro.

Na figura 4 são apresentados os diagramas e esquemas eléctricos do eléctrodo. Na figura 4A podemos ver o diagrama esquemático, que descreve globalmente o eléctrodo seco e activo. Na figura 4B podemos ver o pré-amplificador, que consiste num amplificador operacional, numa resistência e num condensador. A resistência e o condensador formam um filtro passa-alto com frequência de corte de 0,03Hz eliminando assim flutuações DC. A configuração testada para sinais ECG usou uma resistência de 5G-ohm e um condensador de lOnF, mas pode facilmente ser modificada de acordo com os requisitos necessários. O amplificador operacional foi escolhido pelo seu baixo consumo de alimentação e pequeno tamanho. A fonte de alimentação usada pode diminuir de 5 a 2,7V e o consumo de corrente é 25μΑ a 5V. Além do mais este amplificador operacional tem uma impedância de entrada muito grande, tipicamente >10 ΤΩ. Para fazer o dispositivo o mais universal possível usámos um inversor de tensão de 4C para gerar uma fonte de tensão negativa para o amplificador operacional. A configuração de dupla alimentação dá ao amplificador operacional mais precisão e maior gama dinâmica. Escolhemos um inversor de voltagem para a nossa invenção. O inversor é um pequeno pacote e é perfeitamente apropriado para aplicações que funcionam através de bateria. Devido ao baixo consumo de alimentação a eficiência do inversor de tensão é >90%. A resistência de 50 ohm e o condensador de lOOnF formam um filtro passa-baixo com uma frequência de corte de 31 kHz para filtrar frequência de comutação do inversor. 15

Para testar os nossos novos eléctrodos secos e activos e compará-los com eléctrodos de Ag/AgCl nós usamos um sistema de aquisição de bio-potenciais sem fios (21), Figura 5. O sistema de aquisição de dados pode aceitar e alimentar os novos eléctrodos secos e activos (16, 17) usando o eléctrodo convencional de Ag/AgCl (18, 19, 20) para comparação. Para cada canal um filtro passa-baixo análogo foi aplicado com a frequência de corte de 100Hz para eliminar ruído de alta frequência. Também um filtro passa-alto de 0.03Hz foi aplicado para eliminar flutuações DC. Ambos os canais foram testados a 150Hz e o conversor analógico-digital (ADC) usado tinha uma resolução de 8 bits. Tal como se pode observar na Figura 5, ambos os tipos de eléctrodos foram aplicados simultaneamente no corpo do voluntário. Antes de colocar os eléctrodos de Ag/AgCl em contacto coma pele, aplicou-se um gel electrolítico. Os nossos eléctrodos secos e activos foram usados sem recorrer a um qualquer gel electrolítico ou a uma preparação específica da pele. Ambos os sinais foram adquiridos durante 5 horas em condições de laboratório. Os resultados obtidos para ambos os tipos de eléctrodos estão representados nas figuras 6a e 6b. A figura 6a mostra um segmento de 10 segundos de aquisição de dados para os eléctrodos secos e activos e a figura 6b mostra a aquisição de dados para os eléctrodos de Ag/AgCl. Comparando os dados podemos ver que ambos os tipos de eléctrodos sofrem interferências mínimas das linhas de alimentação, as quais são visíveis nas figuras 6c e 6d no pico à frequência de 50Hz. Embora seja uma pequena diferença, podemos concluir que os eléctrodos secos e activos apresentam características similares relacionadas com as interferências da linha de 16 alimentação quando comparadas aos eléctrodos de Ag/AgCl. Além disso, observando a região de frequência de 0 a 10 Hz nas figuras 6c e 6d podemos concluir que o eléctrodo seco e activo tem menos amplitude do que o eléctrodo Ag/AgCl. Isto pode estar relacionado com a posição do eléctrodo no corpo, que pode apresentar diferenças na amplitude e forma do sinal. Também há algum artefacto de movimento presente na figura 6b, porém com menos intensidade comparado com a figura 6a. Os resultados aqui apresentados provam o conceito claro de funcionamento para aplicações práticas. A síntese para obtenção do material de interface é descrita abaixo. A matéria-prima usada nesta síntese pode ser alterada de acordo com a aplicação pretendida. O material usado como material de interface é um híbrido orgânico-inorgânico preparado através do processo sol-gel. Este processo envolve a transição de um material no estado líquido ("sol") para o estado sólido ("gel"). Os sóis são uma dispersão de partículas em líquido, designada de colóides. Estes colóides são partículas sólidas com um diâmetro de 1 -100 nm, dispersos num solvente. Um gel é uma rede rígida interconectada com poros de dimensões sub-micrométricas e cadeias poliméricas cujo comprimento médio ultrapassa um micrómetro. Um exemplo simples envolvendo o processo sol-gel é a gelatina. Inicialmente a gelatina é um pó, ao qual acrescenta-se um solvente, que neste caso é a água. A mistura é então aquecida a temperatura moderadas (<100°C) e o solvente evapora dos poros (através de reacções de hidrólise e policondensação) formando-se, então, a gelatina. Apesar dos 17 materiais propostos serem preparados através do processo sol-gel, o produto final é um material sólido flexível que pode ser produzido em qualquer forma e tamanho. Os híbridos orgânicos-inorgânicos descritos nesta patente são chamados "di-ureiasils".

Os di-ureiasils consistem em cadeias de óxido de polietileno (POE) de comprimento variável, enxertadas em ambas as extremidades, a domínios de siloxano através de pontes de ureia. Isto significa que o material tem uma componente orgânica, que no nosso casso consiste numa cadeia à base de carbono e a uma parte inorgânica, que consiste numa rede organosilícia. Estas duas componentes são conectadas através de ligações covalentes. A vantagem mais óbvia dos híbridos orgânicos-inorgânicos é que eles podem combinar, de maneira favorável, as propriedades de compostos orgânicos com as de sistemas inorgânicos num único material. Para além disso, o material usado neste caso como material de interface foi dopado com ferro, mas poderia também ter sido dopado com um metal alcalino (e.g. Li, K) ou qualquer outro metal de transição, como por exemplo Fe, Au ou Ag.

Um procedimento típico para a síntese da matriz di-ureiasil (neste caso foi usado o d-U(2000), o qual possui uma cadeia polimérica de alto peso molecular) dopada com Fe2+ abrange dois passos: No primeiro passo, 1,5 g (0,75 mmol) do precursor diamina ED-2001 foi dissolvido em 5 mL de tetrahidrofurano (THF) em banho ultra-sónico. Depois 0,39 ml (1,5 mmol) de 3-isocianatopropiltrietoxisilano (ICPTES) foi adicionado sob agitação, à razão molar ICPTES: ED-2001 de 18 2,0. As misturas foram adicionalmente agitadas durante 24 horas à temperatura ambiente em atmosfera de azoto (N2) . No segundo passo, 0,5956 g (1,52 mmol) de ( (NH4) 2Fe (SO4) 2) foi dissolvido em 1,0 mL de HC1 2,0 mol/L, à razão molar de n=[O]/[Fe2+]=20. Neste caso, [O] representa o número de unidades de OCH2CH2 na cadeia polimérica do ED-2001 por por catião Fe2+. Quando o ( (NH4) 2Fe (SO4) 2) foi totalmente dissolvido obteve-se uma solução verde-claro que foi posteriormente adicionada, gota-a-gota, sob agitação, à solução realizada no primeiro passo. Após um curto período de tempo, este sol mudou para uma solução viscosa, que foi vertida num molde. A gelificação ocorre entre 2 a 5 minutos e o híbrido orgânico-inorgânico resultante pode ser usado como um material de interface eléctrodo-pele no novo eléctrodo seco e activo proposto nesta patente.

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Ravi, P. Silva, C. Grau, J. Marco-Pallares, L. Fuentemilla and B. Vandecasteele. Enobio - Dry electrophysiology electrode; first human trial plus wireless electrode System. Proceedings of the 29th IEEE EMBS Annual International Conference, Cite International, Lyon, França Agosto 23 - 26 Setembro, 2007.

Lisboa, 3 de Março de 2010 23

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Um eléctrodo seco e activo orgânico-inorgânico flexível para detecção de sinais bio-eléctricos, caracterizado pelos seguintes elementos: um eléctrodo activo, que inclui um material híbrido orgânico-inorgânico flexível (6) agregado mas não limitado a um substrato electrónico flexível (1) e electricamente conectado a um pré-amplificador (2, 5), que está localizado no PCB feito de substrato flexível.
2. Um eléctrodo seco e activo orgânico-inorgânico flexível de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por o eléctrodo seco e activo usar um material híbrido orgânico-inorgânico (6) conectado à electrónica por uma PCB flexível agregado ao material híbrido orgânico-inorgânico, oferecendo um eléctrodo seco e activo dobrável e flexível favorecendo um melhor contacto com a pele.
3. Um eléctrodo seco e activo orgânico-inorgânico flexível de acordo com as reivindicações 1 e 2 caracterizado por o circuito pré-amplificador (4b) em combinação com um filtro passa-alto, compreendendo uma resistência e um condensador(4b) , e que tem uma tensão positiva e negativa aplicada (4c) .
4. Um eléctrodo seco e activo orgânico-inorgânico flexível de acordo com a reivindicação 3 caracterizado por um botão em 1 metal (3) ou um tecido condutor, que permite uma conexão simples a um dispositivo de medição e integração em roupas e outros têxteis inteligentes para uma monitorização a longo prazo de sinais bio-eléctricos.
5. Um eléctrodo seco e activo orgânico-inorgânico flexível de acordo com a reivindicação 3 caracterizado por um eléctrodo com o PCB feito de substrato flexível completamente fixado no material híbrido orgânico-inorgânico criar então um eléctrodo que é completamente envolvido pelo material híbrido orgânico-inorgânico.
6. Um eléctrodo seco e activo orgânico-inorgânico flexível de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4 e 5 caracterizado por o contacto eléctrico entre o híbrido orgânico-inorgânico e o PCB feito de substrato flexível mas não limitado ao tecido condutor ou fio de cobre.
7. Um eléctrodo seco e activo orgânico-inorgânico flexível de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 e 6 caracterizado por o material híbrido orgânico-inorgânico flexível que pode ser dopado com metais de transição, tais como Fe, Au ou Ag.
8. Um eléctrodo seco e activo orgânico-inorgânico flexível de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6 caracterizado por o material híbrido orgânico-inorgânico flexível ser dopado com metais alcalinos, tais como K ou Li. Lisboa, 3 de Março de 2010 2