2_5398071706868817438

1.

Электрох имия P E DOT: P S S
sE MG-электрода
Смешанная электронно-ионная проводимость
при регистрации sEMG и ECoG
Главная идея: гидратированный PEDOT:PSS
переводит
ионный сигнал ткани в электронный тракт
усилителя
Иллюстрация: Lu et al., Nature Communications (2019), Fig. 1
1

2.

Почему P E DOT: P S S важен дл я мягких
биоэлектродов
Материал работает на границе «ионная ткань ↔ электронная электроника»
1 / Контекст
• Биологическая ткань переносит сигнал
ионами, тогда как усилитель регистрирует
электронный ток.
• PE DOT:PSS — mixed ionic-electronic
conductor: дырки идут по PE DOT-сетке, а
ионы входят в гидратированный PSSбогатый объём.
• Для sE MG это помогает уменьшать skininterface impedance; для E CoG — снижать
импеданс малых контактов и шум.
Ключевой тезис: для регистрации решает не
максимум «сухой» проводимости,
а баланс ионной доступности, объ ёмной ёмкости
и мягкого контакта с тканью.
Морф ология PE DOT:PSS: R ivnay et al., Nature Communications (201 6), Fig. 1
2

3.

Как проходит заряд: от ионного сигнала к
электронному
В режиме записи PEDOT:PSS работает как мягкий объёмно заряжаемый смешанный проводник
Ткань /
электролит
Вход ионов
в гидрогель
Объёмная
зарядка
PEDOT:PSS
2 / Механизм
Дырочная
проводимость
по PEDOT
Металл /
усилитель
Что важно для электрохимии
интерфейса
• В отличие от металла, заряд накапливается не только на
внешней поверхности, но и внутри гидратированного объёма.
• Поэтому импеданс падает с ростом эффективной объёмной
ёмкости: |Z| ≈ 1/(ωC).
• В малосигнальной записи интерфейс ведёт себя
преимущественно как ёмкостный/псевдоёмкостный, но не как
чисто металлический.
По данным Rivnay 2016 и Volkov 2017; схема на слайде построена заново
|Z| ≈ 1/(ωC)
чем больше Cvol, тем
ниже импеданс
в полосе биосигналов
Mixed
ionic +
electronic
3

4.

Почему P E DOT: P S S даёт низкий импеданс
3 / Импеданс
Для микроэлектродов это напрямую связано со снижением шума записи
• Volkov и соавт. интерпретируют
ёмкость PE DOT:PSS как объёмную:
вклад дают многочисленные
внутренние PE DOT-rich / PSS-rich
границы.
• Ganji и соавт. показали, что PE DOT:PSSмикроконтакты имеют более чем
десятикратно меньший импеданс, чем
Pt-микроконтакты, в полосе 1 Hz–1 0
kHz.
• Более низкий |Z| ведёт к меньшему
тепловому шуму и лучшему SNR при
E CoG/μE CoG.
Низкий импеданс PEDOT:PSS — это
следствие не только площади контакта,
но и развитой объ ёмной электрохимии
полимера.
Электрохимические данные: Ganji et al., Advanced Functional Materials (201 8), Fig. 2
4

5.

Что именно происходит при регистрации sEMG
4 / sEMG
Узкое место — skin–electrode interface: роговой слой, влага и микродвижения
Мышца /
внеклеточный
электролит
Дерма и
роговой слой
PEDOT:PSS
гидрогель
Металл /
токосъёмник
Высокоомный
усилитель
Три практических следствия для sEMG
• Мягкий гидрогель уменьшает микрозазоры, удерживает воду и
снижает motion artifacts.
• При пассивной записи ионы модулируют электрохимический
потенциал PEDOT:PSS, после чего усилитель видит уже
электронный сигнал.
• Roubert Martinez et al. (2023): skin-interface impedance снижается
на 88/82/77% при 10/ 100/ 1000 Hz, среднее улучшение EMG SNR
≈ +2.1 dB.
Ключевые прикладные данные по sEMG: Roubert Martinez et al. (2023)
Для sEMG нужен не
максимум
«сухой» проводимости,
а минимум контактного
импеданса в рабочей
полосе.
5

6.

Почему те же принципы важны и дл я E CoG /
μE
КогдаCoG
контакт становится маленьким, требования к импедансу и шуму резко возрастают
• В ECoG исчезает роговой слой, но
появляется другая проблема: малые
площадки контакта и рост шумов.
• PEDOT:PSS позволяет делать мягкие
микроэлектроды, у которых маленькая
геометрическая площадь остаётся
электрохимически «большой».
• Прозрачные массивы на PEDOT:PSS
полезны для совмещения записи с
оптическим доступом к коре.
5 / ECoG
Ganji et al. 2018: PEDOT:PSS-микромассивы для интраоперационного
мониторинга
Ganji: низкий импеданс и шум для
PEDOT:PSS-микроконтактов.
Yang: прозрачный PEDOT:PSS–ITO–Ag–ITO
массив с падением импеданса на 91.25%.
Yang et al. 2021: прозрачный PEDOT:PSS–ITO–Ag–ITO μECoG-массив
Иллюстрации: Ganji et al. (2018), Fig. 1; Yang et al. (2021), Fig. 2
6

7.

Инженерны е компромиссы : что реал ь но
оптимизируют
Один параметр нельзя улучшить изолированно — электронный и ионный транспорт связаны с морфологией
Ионная доступность / гидратация
↑
6 / Дизайн
Что из этого следует
Мягкий
влажный
контакт
Баланс
ионов и
дырок
Слишком
много воды
↓ сухая σ
Слишком
плотная
структура
Электронная
перколяция →
Сводный инженерный вывод по Rivnay 2016, Lu 2019, Gregorio 2024
• sEMG: приоритет — низкий skin-interface
impedance, удержание влаги, адгезия к коже,
устойчивость к движению.
• ECoG/ μECoG: приоритет — низкий шум
малых площадок, высокая объёмная ёмкость,
стерилизуемость и прочная связь с подложкой.
• Rivnay и Gregorio показывают общий
принцип: максимум mixed-conductor
performance не совпадает с максимумом сухой
электронной проводимости.
Хороший PEDOT:PSS-электрод — это
компромисс между перколяцией PEDOT,
ионной доступностью, объёмной ёмкостью и
механической совместимостью.
7

8.

Выводы и литература
7 / Итоги
4 тезиса для запоминания + статьи, на которых основан доклад
01
PE DOT:PSS ценен тем, что связывает ионный сигнал ткани с
электронным трактом измерения.
02
Низкий импеданс возникает из сочетания mixed conduction,
объёмной ёмкости и мягкого влажного контакта.
03
Для sE MG решает skin-interface impedance; для E CoG —
поведение малых контактов и шум.
04
Оптимальный электрод — это баланс морфологии,
гидратации, механики и долговременной стабильности.
Статьи в основе
презентации
Rivnay 201 6
Volkov 201 7
Ganji 201 8
Lu 201 9
Y ang 2021
Roubert Martinez
2023
Gregorio 2024
Спасибо за внимание
Полный список источников совпадает с текстовым докладом.
Доклад и презентация согласованы по содержанию и списку литературы
8