世界上最轻薄的信号放大器:可精准监测生物信号

  • 日期:09-12
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00: 57: 30 ChinaFit Health

指南

根据大阪大学官方网站最近的一份报告,学校的研究人员已经成功开发出世界上最薄,最轻的生物仪器差分放大器。这款超薄柔性有机差分放大器能够在低噪声水平下精确监测微弱的生物信号,而不会让使用者接触到附着在身体上的设备造成的任何不适。

背景

传统上,医疗保健中使用的生物仪器电路由硬电子设备组成,例如硅晶体管。

MIT)

然而,当与硬电子设备接触时,诸如皮肤的柔软生物组织易于发红和发炎。因此,长期监测日常生活中的生物信号已被证明是困难的。因此,研究人员经常通过开发舒适灵活的电子设备来解决这个问此前,作者还介绍了这方面的许多案例。

John A. Rogers /西北大学)

在日本,由于低出生率和人口老龄化,有机晶体管等柔性电子器件在医疗保健领域的应用正在积极增加。可以用软有机材料实现与诸如皮肤和器官的生物组织高度兼容的传感器和电子电路。

乔治亚理工学院Rob Felt)

在这些传感器和电子电路中,集成有机晶体管的柔性放大器消除了由附着在身体上的装置引起的用户不适。目前正在开发诸如用于连续监测非常弱的生物信号的传感器的放大器。

然而,大多数传统的有机放大器具有单端结构,不能区分生物信号和干扰噪声,因此难以在低噪声水平下监测生物信号(图1)。差分放大器是一种测量消除噪声分量的信号的电路。然而,与硅晶体管相比,制造的有机晶体管的质量完全不同;因此,到目前为止还没有出现用于实现精确降噪的灵活差分放大器的报告。

创新

最近,由日本大阪理工大学的Tsuyoshi Sekitani和副教授Takemumi Uemura领导的研究小组成功开发出世界上最薄,最轻的生物仪器差分放大器。

这款超薄,灵活的有机差分放大器能够在低噪声水平下精确监测微弱的生物信号,而不会让使用者接触到附着在身体上的设备造成的任何不适。

使用这种先进差分放大器的研究人员有望开发出新的有价值的应用,例如先进的家用生物仪器。

技术

该团队开发了一种灵活的生物仪器电路,将柔性电子称为“有机晶体管(* 1)”集成在厚度为1微米(1微米等于百万分之一米)的超薄柔性塑料薄膜上。以消除附着在使用者身体上的设备所带来的不适。该高级电路是称为“差分放大器(* 2)”的信号处理电路。

与传统的单端放大器(* 3)相比,本研究中开发的这种灵活的差分放大器不仅可以放大非常微弱的生物电信号,还可以降低干扰噪声(* 4)。研究小组证明,这种差分放大器可以应用于人体仪器,并能够以低噪声水平实时监测非常重要的生物信号,即ECG信号。

除了心电图信号外,这一结果预计会带来日常生活中各种微弱生物信号的监测(如脑电波和胎心音),并且不会让用户感受到附着在设备上的设备带来的不适感。身体。

该研究小组通过开发补偿技术成功开发了这种灵活的有机差分放大器,该放大器具有降噪功能,可将放大器中有机晶体管中消耗的电流降至2%或更低。该放大器在厚度为1微米的聚对二甲苯薄膜上制造。它在弯曲时不会损坏薄膜,并且在涂在人体皮肤上时不会引起任何不适(图2)。使用这种灵活的差分放大器监测信号,ECG信号被放大25倍,噪声降低到七分之一或更少。研究小组的研究表明,在检测心电信号时,外部电源引起的噪声和行走引起的身体运动的大噪声被消除(图1)。

图1:使用灵活的有机差分放大器采集的ECG信号。 (A)传统的单端放大器(B)本研究中开发的差分放大器。 (C)从行走对象获得的心电图信号。在使用单端放大器获取的心电图信号中,由波形引起的大噪声包括在波形中。相比之下,使用先进的柔性有机差分放大器获得的波形消除了这种噪声。

大阪大学)

图2:柔性有机差分放大器连接到人体胸部。这款有机差分放大器超轻,超薄,适用于柔软的皮肤,不会有任何不适。日常生活中的生物仪器应该变得更轻,更舒适。

大阪大学)

智能手表和其他可穿戴设备监控生物电信号,如日常生活中的心电信号,已经上市。然而,这种高精度柔性生物仪器电路不允许使用者感觉到附着在其身体上的装置引起的任何不适。通过这种电路,生物仪器在所有情况下都可以更简单,更舒适。例如,设计用于剧烈运动的人(例如运动)的生物器械可能由于该装置和皮肤之间的耐磨性和改善的粘附而发生。

这种实时,长期的生物仪器数据采集将有助于早期发现疾病,提高医疗效率,老年人和患者监测以及运动负荷监测。这些成果将通过降低医疗费用和提高生活质量,进一步解决日本老龄化社会的各种问题。

术语

* 1有机晶体管

有机晶体管是导电半导体部分由有机材料构成的晶体管。与无机半导体不同,大多数有机半导体是在200摄氏度或更低的温度下制造的。因此,塑料膜可用作基板以制造轻质,柔性的晶体管。通过组合和集成这种类型的多个晶体管,研究团队实现了一种放大信号并降低噪声的电子电路。

* 2差分放大器

差分放大器有两个输入,用于放大两端信号之间的差异。在生物仪器的情况下,目标生物信号之外的大多数信号是以相同波形进入两个输入的干扰噪声信号;因此,基于该差异,可以仅消除干扰噪声。

* 3单端放大器

与上面解释的差分放大器不同,单端放大器只有一端。由于在不消除噪声的情况下放大输入信号,因此输出目标生物信号和不必要的干扰噪声信号。由于大多数生物信号非常弱,单端放大器不适合监测这些信号。

* 4干扰噪声

被监测的生物信号被干扰噪声污染,该噪声由商业交替噪声(通信声音)和身体运动噪声组成。商用交流噪声由周围的电源产生;在日本西部和东部,固定频率分别为60Hz和50Hz。身体噪声是由电极和与人体运动相关的线之间的不一致引起的。因此,开发与皮肤紧密接触的柔性电极和测量电路对于获得高度精确的生物仪器是重要的。

关键字

柔性电子,有机电子,医疗电子,晶体管

参考

[1] Masahiro Sugiyama等人。用于记录心电图的超柔性有机差分放大器,Nature Electronics(2019)。 DOI: 10.1038/s-019-0283-5

[2]

指南

根据大阪大学官方网站最近的一份报告,学校的研究人员已经成功开发出世界上最薄,最轻的生物仪器差分放大器。这款超薄柔性有机差分放大器能够在低噪声水平下精确监测微弱的生物信号,而不会让使用者接触到附着在身体上的设备造成的任何不适。

背景

传统上,医疗保健中使用的生物仪器电路由硬电子设备组成,例如硅晶体管。

MIT)

然而,当与硬电子设备接触时,诸如皮肤的柔软生物组织易于发红和发炎。因此,长期监测日常生活中的生物信号已被证明是困难的。因此,研究人员经常通过开发舒适灵活的电子设备来解决这个问此前,作者还介绍了这方面的许多案例。

John A. Rogers /西北大学)

在日本,由于低出生率和人口老龄化,有机晶体管等柔性电子器件在医疗保健领域的应用正在积极增加。可以用软有机材料实现与诸如皮肤和器官的生物组织高度兼容的传感器和电子电路。

乔治亚理工学院Rob Felt)

在这些传感器和电子电路中,集成有机晶体管的柔性放大器消除了由附着在身体上的装置引起的用户不适。目前正在开发诸如用于连续监测非常弱的生物信号的传感器的放大器。

然而,大多数传统的有机放大器具有单端结构,不能区分生物信号和干扰噪声,因此难以在低噪声水平下监测生物信号(图1)。差分放大器是一种测量消除噪声分量的信号的电路。然而,与硅晶体管相比,制造的有机晶体管的质量完全不同;因此,到目前为止还没有出现用于实现精确降噪的灵活差分放大器的报告。

创新

最近,由日本大阪理工大学的Tsuyoshi Sekitani和副教授Takemumi Uemura领导的研究小组成功开发出世界上最薄,最轻的生物仪器差分放大器。

这款超薄,灵活的有机差分放大器能够在低噪声水平下精确监测微弱的生物信号,而不会让使用者接触到附着在身体上的设备造成的任何不适。

使用这种先进差分放大器的研究人员有望开发出新的有价值的应用,例如先进的家用生物仪器。

技术

该团队开发了一种灵活的生物仪器电路,将柔性电子称为“有机晶体管(* 1)”集成在厚度为1微米(1微米等于百万分之一米)的超薄柔性塑料薄膜上。以消除附着在使用者身体上的设备所带来的不适。该高级电路是称为“差分放大器(* 2)”的信号处理电路。

与传统的单端放大器(* 3)相比,本研究中开发的这种灵活的差分放大器不仅可以放大非常微弱的生物电信号,还可以降低干扰噪声(* 4)。研究小组证明,这种差分放大器可以应用于人体仪器,并能够以低噪声水平实时监测非常重要的生物信号,即ECG信号。

除了心电图信号外,这一结果预计会带来日常生活中各种微弱生物信号的监测(如脑电波和胎心音),并且不会让用户感受到附着在设备上的设备带来的不适感。身体。

该研究小组通过开发补偿技术成功开发了这种灵活的有机差分放大器,该放大器具有降噪功能,可将放大器中有机晶体管中消耗的电流降至2%或更低。该放大器在厚度为1微米的聚对二甲苯薄膜上制造。它在弯曲时不会损坏薄膜,并且在涂在人体皮肤上时不会引起任何不适(图2)。使用这种灵活的差分放大器监测信号,ECG信号被放大25倍,噪声降低到七分之一或更少。研究小组的研究表明,在检测心电信号时,外部电源引起的噪声和行走引起的身体运动的大噪声被消除(图1)。

图1:使用灵活的有机差分放大器采集的ECG信号。 (A)传统的单端放大器(B)本研究中开发的差分放大器。 (C)从行走对象获得的心电图信号。在使用单端放大器获取的心电图信号中,由波形引起的大噪声包括在波形中。相比之下,使用先进的柔性有机差分放大器获得的波形消除了这种噪声。

大阪大学)

图2:柔性有机差分放大器连接到人体胸部。这款有机差分放大器超轻,超薄,适用于柔软的皮肤,不会有任何不适。日常生活中的生物仪器应该变得更轻,更舒适。

大阪大学)

智能手表和其他可穿戴设备监控生物电信号,如日常生活中的心电信号,已经上市。然而,这种高精度柔性生物仪器电路不允许使用者感觉到附着在其身体上的装置引起的任何不适。通过这种电路,生物仪器在所有情况下都可以更简单,更舒适。例如,设计用于剧烈运动的人(例如运动)的生物器械可能由于该装置和皮肤之间的耐磨性和改善的粘附而发生。

这种实时,长期的生物仪器数据采集将有助于早期发现疾病,提高医疗效率,老年人和患者监测以及运动负荷监测。这些成果将通过降低医疗费用和提高生活质量,进一步解决日本老龄化社会的各种问题。

术语

* 1有机晶体管

有机晶体管是导电半导体部分由有机材料构成的晶体管。与无机半导体不同,大多数有机半导体是在200摄氏度或更低的温度下制造的。因此,塑料膜可用作基板以制造轻质,柔性的晶体管。通过组合和集成这种类型的多个晶体管,研究团队实现了一种放大信号并降低噪声的电子电路。

* 2差分放大器

差分放大器有两个输入,用于放大两端信号之间的差异。在生物仪器的情况下,目标生物信号之外的大多数信号是以相同波形进入两个输入的干扰噪声信号;因此,基于该差异,可以仅消除干扰噪声。

* 3单端放大器

与上面解释的差分放大器不同,单端放大器只有一端。由于在不消除噪声的情况下放大输入信号,因此输出目标生物信号和不必要的干扰噪声信号。由于大多数生物信号非常弱,单端放大器不适合监测这些信号。

* 4干扰噪声

被监测的生物信号被干扰噪声污染,该噪声由商业交替噪声(通信声音)和身体运动噪声组成。商用交流噪声由周围的电源产生;在日本西部和东部,固定频率分别为60Hz和50Hz。身体噪声是由电极和与人体运动相关的线之间的不一致引起的。因此,开发与皮肤紧密接触的柔性电极和测量电路对于获得高度精确的生物仪器是重要的。

关键字

柔性电子,有机电子,医疗电子,晶体管

参考

[1] Masahiro Sugiyama等人。用于记录心电图的超柔性有机差分放大器,Nature Electronics(2019)。 DOI: 10.1038/s-019-0283-5

[2]

http://www.sugys.com/bds0.html