Dry Electrode Solutions for Measuring Cardiac Activity in Wearable Technology

Abstract

Terveydenhuoltoon kohdistuu painetta kasvavan potilasmäärän vuoksi. Kasvu johtuu väestön ikääntymisestä, liikunnan vähyydestä, liikalihavuudesta ja toisaalta tehokkaista diagnoosimenetelmistä. Sydän- ja verisuonitaudit, kuten iskeemiset ja läppäsairaudet, sydänlihaksen sairaudet ja rytmihäiriöt, aiheuttavat maailmanlaajuisesti 32 prosenttia kaikista kuolemista tehden niistä yleisimmän kuolinsyyn. Eteisvärinä on yleisin pitkäkestoinen sydämen rytmihäiriö. Vuonna 2017 37,6 miljoonalla ihmisellä oli diagnosoitu eteisvärinä tai samankaltaisista taustasyistä johtuva eteislepatus. Eteisvärinä voi aiheuttaa komplikaatioita, kuten aivohalvauksia, sydämen vajaatoimintaa ja tietoisuuden häiriöitä, kaksinkertaistaen kuolleisuuden verrattuna sinusrytmissä oleviin ikävakioituihin verrokkeihin.

Lääkintälaitteita tarvitaan potilastiedon keräämiseen, hoitopäätösten tekemiseen ja hoidon seurannan tueksi. Teknologian kehitys on yleisesti lisännyt puettavien laitteiden käyttöä, mikä voi tarjota kustannustehokkaan vaihtoehdon perinteisille sairaalalaitteille, erityisesti pitkäaikaisessa sydänseurannassa. Sydänsähkökäyrän mittauksessa käytetään perinteisesti kertakäyttöisiä märkäelektrodeja. Niiden käyttö vaatii valmistelua, ja ne soveltuvat huonosti pitkäaikaisiin mittauksiin mahdollisen ihoärsytyksen, elektrolyytin kuivumisen aiheuttaman signaalilaadun heikkenemisen, elektrodien ajoittaisen uusimistarpeen ja mahdollisen signaalijohtimen irtoamisen aiheuttaman mittauksen epäonnistumisen takia. Laaja kertakäyttöelektrodien käyttö on myös ympäristön kannalta haasteellista.

Sydänsähkökäyrän mittaukseen tarkoitetuilla kuivaelektrodeilla varustetut puettavat laitteet voivat tarjota ratkaisuja edellä esitettyihin haasteisiin. Kuivaelektrodit eivät vaadi ihon valmistelua tai elektrodien uusimista, ne ovat hyvin siedettyjä ja elektrodit asettuvat iholle oikeille paikoille laitteen rakenteen ansiosta. Mitatun signaalin laatu ja liikehäiriöiden sieto saattavat olla heikommat kuin märkäelektrodeissa, mutta puettaviin laitteisiin integroidut kuivaelektrodit mahdollistavat pitkäaikaisen mittauksen, jonka tulokset voivat silti olla määrältään ja laadultaan riittäviä kliinisen päätöksenteon tarkoituksiin. Tämän väitöskirjan tavoitteena on tutkia kuivaelektrodien ominaisuuksia ja löytää siten sopivin ratkaisu sydämen toiminnan mittaamiseksi puettavilla laitteilla. Tavoitteen saavuttamiseksi tehtiin materiaalitutkimus, kolme laboratoriotutkimusta terveillä koehenkilöillä sekä yksi kenttätutkimus eteisvärinäpotilailla käyttäen puettavaa laitetta.

Tutkimustulokset osoittavat kuivaelektrodien toimivuuden puettavissa laitteissa. Pinnaltaan kiinteät elektrodimateriaalit, kuten ruostumaton teräs ja platina, toimivat huokoisia materiaaleja paremmin. Kaikki elektrodimateriaalit kuitenkin kuluivat toistuvissa pesuissa, mikä vaikutti niiden sähköisiin ominaisuuksiin. Vaikutus oli lievempi metallisilla elektrodimateriaaleilla. Elektrodin suurempi koko oli suhteessa parempaan suorituskykyyn ja liikehäiriöiden sietoon. Ruostumattomasta teräksestä valmistettuja kuivaelektrodeja ja optisia antureita sisältävä rannelaite osoitti toimivuutensa lääketieteellisessä käyttötarkoituksessa. Laite havaitsi eteisvärinän luotettavasti ja oli potilaista miellyttävä käyttää.

Tämän väitöstutkimuksen löydökset avaavat uusia näkökulmia kuivaelektrodeihin ja niiden hyödyntämiseen sydämen toiminnan mittaamisessa puettavilla laitteilla. Tulokset valottavat uusien teknologioiden tarjoamia mahdollisuuksia, antavat tietoa puettavien laitteiden suunnittelua varten ja edistävät sitä kautta alan innovaatioita.

Healthcare is under pressure due to a growing number of patients. This is because of the aging population, a sedentary lifestyle, obesity, and improved diagnosis methods. Cardiovascular diseases, including, for example, ischemic and valvular heart diseases, cardiomyopathies, and arrhythmias, are responsible for 32 percent of all deaths globally, making them the number one killer in the world. Atrial fibrillation is the most common sustained cardiac arrhythmia. In 2017, a total of 37.6 million individuals were diagnosed with atrial fibrillation and atrial flutter, a condition with a similar etiology. Atrial fibrillation can lead to complications such as ischemic stroke, heart failure, and cognitive impairment. Indeed, the mortality of atrial fibrillation patients is double compared to age-standardized controls with a sinus rhythm.

Medical devices are needed for collecting and analyzing patient data for diagnosis, making decisions regarding treatment, and follow-up monitoring. Technological advances have increased the utilization of wearable devices. Wearables can offer a cost-effective alternative to traditional medical devices used in hospitals, especially in collecting long-term data on cardiac activity during free living. Electrocardiographic recordings are traditionally made by attaching single-use wet electrodes to specific locations on the patient’s body. These electrodes require preparation and are not well-suited for long-term recordings due to possible skin irritation, decreasing signal quality caused by the drying of the electrolyte, as well as the required electrode replacement at specific intervals and the loss of data in the case of lead wire disconnection. The widely used disposable electrodes also have sustainability issues.

Wearable devices with dry electrodes for electrocardiographic recordings may offer a solution to the above-mentioned challenges. Dry electrodes do not require skin preparation or electrode replacement, are well-tolerated and, when integrated to the device, correct electrode locations are ensured because of the design. The signal quality may not be as high or tolerate motion artifacts as well as wet electrodes do, but during a long-term recording, the yield of data and its quality may be sufficient for clinical decision making. This thesis aims to investigate dry electrodes to find optimal solutions for measuring cardiac activity by means of wearable technology. In order to reach this aim, a material testing study, three laboratory studies involving healthy participants with wearables, as well as a field study involving patients with atrial fibrillations for the purpose of validating the effectiveness of a wearable device for cardiac monitoring, were performed.

The findings from the studies highlight the potential of dry electrodes for measuring cardiac activity with wearable applications. Solid electrode materials, such as stainless steel and platinum, showed superior performance compared to porous materials. All dry electrode materials experienced erosion when washed repeatedly, affecting their electrical properties, but the effect was less pronounced with metallic materials. Larger electrode sizes demonstrated better performance and resilience to motion artifacts. A wrist device combining stainless steel dry electrodes with optical sensors reliably detected atrial fibrillation and was well-accepted by the users and, therefore, validated for its intended purpose.

The findings of this thesis offer novel insights into the utilization of dry electrode materials in cardiac monitoring wearables. The outcomes demonstrate the potential of the technology and can facilitate wearable device design and foster innovation in this field.