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世界上最薄 最轻的信号放大器使生物仪器降低噪音


通常,用于保健和医疗的生物仪器电路由硬电子设备组成,如硅晶体管。然而,当软组织,如皮肤,接触到硬电子设备,他们往往会发炎。因此,长期监测日常生活中的生物信号是很困难的。研究小组开发了一种灵活的生物检测电路,通过在厚度为1μm的薄柔性塑料薄膜上集成称为有机晶体管的柔性电子设备,消除了附着在用户身体上的设备带来的不适。所开发的电路是一种称为差分放大器的信号处理电路。

与传统单端放大器相比,本研究开发的柔性差分放大器不仅能放大微弱的生物电位,而且能降低干扰噪声。该小组证明,差分放大器可应用于人类仪器,并实现对心脏电信号的实时监测,这些信号是重要的生物信号,降低了噪声水平。

预期该实现将导致除了电心脏信号之外的日常生活中对各种弱生物信号(例如胎儿的脑电波和心脏声音)的监测,而不使用户经受由附着在身体上的装置引起的不适。

在日本,随着出生率和人口老龄化的下降,在医疗和保健领域的有机晶体管等柔性电子器件的应用已经得到了积极的推动。通过使用柔软的有机材料来实现与诸如皮肤和器官的生物组织具有高相容性的传感器和电子电路。

在这些传感器和电子电路中,具有集成到它们中的有机晶体管的柔性放大器消除了由附着在主体上的器件引起的用户的不适。目前正在研究和开发这种放大器作为连续监测非常微弱的生物信号的传感器。然而,传统的有机放大器主要具有单端结构,其不能将目标生物信号与干扰噪声区分开,使得难以监测具有低噪声水平的生物信号(图3。1)。差分放大器是一种电路,其可以测量与去除的噪声分量的信号。然而,与硅晶体管相比,制造的有机晶体管的质量的变化较大;因此,没有关于可实现精确降噪的柔性差分放大器的报告。

研究小组成功地开发了一种具有降噪功能的柔性有机差分放大器,开发了一种补偿技术,可以将电流在放大器内部有机晶体管中的色散减小到2%或2%以下。该放大器是在一层厚度为1μm的对甲苯薄膜上制作的,当薄膜弯曲时,放大器不会断裂,并且可以附着在人体皮肤上,不会引起任何不适(图2)。使用这种灵活的差分放大器对信号进行监测,可将心电信号放大25倍,噪声降至七分之一或更低。研究小组证明,在监测心脏电信号的过程中,由外部电源引起的噪声以及行走引起的较大的身体运动噪声都可以消除(图1)。

智能手表和其他用于监测日常生活中的生物信号(如心电信号)的可穿戴设备已经上市。通过使用高精度的柔性生物仪器电路,预计生物仪器在各种情况下都会变得更容易和更舒适,而不会使用户受到附着在其身体上的设备造成的任何不适。例如,由于设备和皮肤之间的可穿戴性和粘附性的改善,可以对正在进行身体剧烈运动的人进行生物仪器处理,例如在运动期间。所获得的实时长时间生物仪器数据将促进疾病的早期发现,提高治疗效率,监测老年人和病人,监测运动负荷。这些成就将通过降低医疗费用和提高生活质量来进一步解决日本老龄化社会的各种问题。


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