Gedruckte Tattoo-Elektrode misst Gehirnaktivität

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Mit dem Tintenstrahldruck lässt sich auf die Tattoo-Elektrode ausdrucken und kaum wahrnehmbar auf die Haut auftragen. Somit lassen sich Hirnaktivitäten über lange Zeit messen.

Sie sind weniger ein modisches Accessoires, sondern vielmehr eine medizinische Notwendigkeit: Tattoo-Elektroden. Dabei handelt es sich um leitfähige Polymere, die mit einem Tintenstrahldrucker auf handelsübliches Tattoo-Papier gedruckt und dann wie ein Abziehbild auf die Haut geklebt werden. Damit lassen sich Herz- und Muskelaktivität messen. Entwickelt wurden sie im Jahr 2015 von Francesco Greco, Leiter des Laboratory of Applied Materials for Printed and Soft electronics (LAMPSe) am Institut für Festkörperphysik der TU Graz, gemeinsam mit italienischen Wissenschaftlern.

In verbesserter Form sind die Forscher im Jahr 2018 neue Wege gegangen: Sie haben die Tattoo-Elektroden für eine elektrophysiologische Untersuchung wie der Elektrokardiographie (EKG) oder der Elektromyografie (EMG) verbessert. Dank einer Dicke von 700 bis 800 nm – das ist ungefähr 100-mal dünner als ein menschliches Haar – passen sich die Tattoos an Unebenheiten der Haut an und sind am Körper kaum wahrnehmbar.

Tattoo-Elektroden für die Langzeitmessung

Außerdem handelt es sich bei den Tattoo-Elektroden um Trocken-Elektroden, sie funktionieren im Gegensatz zu Gel-Elektroden ohne Flüssigkeitsschnittstelle und können nicht austrocknen. Sie eignen sich deshalb sehr gut für die Langzeitmessung. Selbst Haare, die durch das Tattoo hindurchwachsen, behindern die Signal-Aufzeichnung nicht.

Darauf aufbauend setzte Greco gemeinsam mit Esma Ismailova (Department of Bioelectronics, École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne, Frankreich) und Laura Ferrari (The BioRobotics Institute, Scuola Superiore Sant’Anna, Italien) nun einen weiteren Meilenstein in der Messung bioelektrischer Signale: Die Gruppe hat die Tattoo-Elektroden derart modifiziert, dass diese auch in der Elektroenzephalografie (EEG) – also zur Messung der Gehirnaktivitäten – eingesetzt werden können.

EEG-Messung mit optimierten Tattoos

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“, berichtet Greco.

Trocken-Elektroden überwachen Gehirnaktivität

Bei den aktuellen Tattoo-Elektroden handelt es sich um die allererste Trocken-Elektrodenart, die für Langzeit-EEG-Messungen geeignet und gleichzeitig kompatibel mit der Magnetenzephalographie (MEG) ist. MEG ist eine gut eingeführte Methode, um die Gehirnaktivität zu überwachen, für die bisher ausschließlich sogenannte „nasse Elektroden“ eingesetzt werden können.

Solche Elektroden funktionieren auf Basis von Elektrolyt, Gel oder einer Elektrodenpaste, trocknen somit 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 Forscher von der TU Graz spinnt derzeit Ideen, wie mit der Technik in Kliniken, aber auch im Neuroengineering oder für Brain Computer Interfaces eingesetzt werden kann.

Video: Francesco Greco erklärt Tattoo-Elektroden

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