Ultra-mince

Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de décès dans le monde. La surveillance cardiaque continue pourrait permettre une détection plus précoce des maladies cardiaques, permettant une intervention rapide pour prévenir les complications cardiaques graves. Les dispositifs de surveillance traditionnels, cependant, sont conçus pour les environnements cliniques et sont trop lourds et gourmands en énergie pour des mesures à long terme de personnes en déplacement.

Une équipe dirigée par l'Université du Texas à Austin vise à résoudre ce problème avec la création d'un appareil ultra fin (200 µm) et léger (2,5 g) qui permet une surveillance cardiaque continue en dehors de la clinique. Le tatouage électronique extensible, ou e-tatouage, se fixe sur la poitrine via un pansement médical. Il bénéficie d'une consommation d'énergie ultra-faible (moins de 3 mW), fonctionne sur une petite batterie d'une autonomie de plus de 40 h et diffuse sans fil des données en temps réel vers un appareil hôte tel qu'un téléphone mobile.

"La plupart des maladies cardiaques ne sont pas très évidentes. Les dégâts se font en arrière-plan et nous ne le savons même pas", explique l'auteur principal Nanshu Lu dans un communiqué de presse. "Si nous pouvons avoir une surveillance mobile continue à domicile, alors nous pouvons faire un diagnostic et un traitement précoces, et si cela peut être fait, 80% des maladies cardiaques peuvent être évitées."

Le e-tatouage fonctionne en mesurant deux signaux cardiaques clés : l'activité électrique du cœur via l'électrocardiographie (ECG) ; et rythme cardiaque mécanique (vibrations subtiles causées par la contraction cardiaque et le mouvement sanguin) via la sismocardiographie (SCG). Le capteur ECG s'interface avec le corps à l'aide d'électrodes à film de graphite biocompatibles, tandis que le SCG est enregistré par un accéléromètre à haute résolution et à faible bruit.

La synchronisation entre les signaux ECG et SCG permet la mesure d'intervalles de temps cardiaques clés - la période de pré-éjection (PEP) et le temps d'éjection ventriculaire gauche (LVET) - avec une grande précision. Ces intervalles de temps sont des indicateurs importants de nombreuses maladies cardiovasculaires, mais ne peuvent actuellement être mesurés que par des moyens invasifs.

"Ces deux mesures, électriques et mécaniques, peuvent fournir ensemble une image beaucoup plus complète et complète de ce qui se passe avec le cœur", explique Lu. "Il existe de nombreuses autres caractéristiques cardiaques qui pourraient être extraites des deux signaux mesurés de manière synchrone de manière non invasive."

Un e-tatouage conçu pour un port prolongé doit être confortable, épouser les contours de la poitrine et s'étirer avec la peau au fur et à mesure des mouvements de l'utilisateur. Pour y parvenir, l'équipe a utilisé des interconnexions serpentines entre les capteurs et les circuits électroniques. Ils ont découvert que l'e-tatouage pouvait s'étirer jusqu'à 20 % sans aucun dommage ni baisse de la qualité du signal.

Pour valider la qualité des signaux acquis, les chercheurs ont comparé les données des capteurs de l'e-tatouage aux appareils cliniques de référence, en observant que les deux appareils captaient des signaux et des données équivalents. Ensuite, ils ont testé l'e-tatouage sur cinq volontaires en bonne santé, qui portaient l'e-tatouage tout en tenant des poses statiques et en faisant du vélo sous une charge incrémentielle avec des pauses. À titre de comparaison, les participants portaient également un moniteur de débit cardiaque non invasif (NICOM).

Pendant les poses statiques, les fréquences cardiaques mesurées par le e-tattoo et le NICOM concordaient bien pour tous les participants, avec une différence de 0,07 ± 1,21 battements par minute (bpm). Au fur et à mesure que les participants passaient de la position allongée à la position assise, puis à la position debout, l'e-tatouage a enregistré une augmentation de la PEP et une diminution de la LVET, comme prévu. Cela démontre la capacité de l'appareil à mesurer de petits changements dans les intervalles de temps cardiaques causés par des variations de posture.

Le tatouage au graphène permet de surveiller la pression artérielle sans brassard

Dans l'expérience de cyclisme, les mesures de fréquence cardiaque du e-tattoo et du NICOM étaient à nouveau fortement corrélées, avec une différence de 0,02 ± 1,24 bpm. Le signal ECG est resté intact pendant le cycle, mais le signal SCG a été corrompu par des artefacts de mouvement. Ainsi, les chercheurs ont examiné les périodes de repos entre chaque segment de cycle, pendant lesquelles la différence moyenne de LVET entre le e-tattoo et le NICOM était de -0,44 ± 8,74 ms. Cette relation linéaire montre que le tatouage électronique peut constituer une alternative viable aux moniteurs cliniques encombrants et coûteux.

Enfin, l'équipe a réalisé un test de portabilité à long terme avec un seul sujet, qui a porté l'e-tatouage pendant plus de 24 h pour démontrer son utilisation au quotidien. L'e-tatouage a démontré une bonne corrélation avec une montre connectée grand public dans les mesures de la fréquence cardiaque. L'inspection manuelle des données à long terme a montré que pendant les segments de repos (tels que le travail devant un ordinateur, la pause pendant une promenade ou le sommeil), les données ECG et SCG étaient pour la plupart exemptes d'artefacts de mouvement et adaptées à l'extraction d'intervalles de temps cardiaques.

Les chercheurs décrivent le e-tatouage dans Advanced Electronic Materials.