ITTO20110297A1 - Dispositivo di elettrodo tessile e relativo procedimento di realizzazione - Google Patents

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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: “DISPOSITIVO DI ELETTRODO TESSILE E RELATIVO PROCEDIMENTO DI REALIZZAZIONEâ€
La presente invenzione à ̈ relativa ad un dispositivo di elettrodo tessile e ad un relativo procedimento di realizzazione.
In vari ambiti, ad esempio in ambito medico o sportivo, à ̈ nota l’esigenza di prelevare ed acquisire segnali bioelettrici (o elettrofisiologici) sulla superficie della cute di un soggetto da monitorare.
Ad esempio, tali segnali includono segnali elettromiografici (EMG) di superficie, rappresentativi dell’attività elettrica (data dalla somma dei potenziali d’azione delle unità motorie attive) generata durante una contrazione muscolare; segnali elettrocardiografici (ECG), rappresentativi dell’attività elettrica associata alla contrazione del miocardio durante il ciclo cardiaco, o segnali elettroencefalografici (EEG), rappresentativi del flusso di corrente extracellulare generato dalla somma delle attività di un numero sufficientemente elevato di neuroni corticali.
Il prelievo dei segnali bioelettrici sulla superficie della cute, pur avendo il considerevole vantaggio di essere totalmente non invasivo, presenta indubbiamente una serie di problematiche legate principalmente alla ridotta ampiezza dei segnali da registrare (a causa dell’effetto di filtro dovuto ai tessuti interposti tra la fonte dei potenziali elettrici e la superficie cutanea) ed alla difficoltà di ottenere uno stabile contatto tra sensori di prelievo e cute (ad esempio per la presenza di peli sulla cute stessa).
Le tecniche di prelievo dei segnali bioelettrici superficiali prevedono la disposizione sulla cute (ad esempio, nel caso di prelievo di segnali EMG, sulla porzione di cute sovrastante il muscolo o i muscoli di interesse) di dispositivi di prelievo comprendenti uno o più elettrodi di materiale conduttivo, ad esempio argento o rame. Gli elettrodi, ad esempio disposti in schiere o matrici, vengono fissati sulla cute mediante materiale adesivo o biadesivo. I segnali elettrici rilevati, ad esempio indicativi dell’attività muscolare, vengono quindi inviati ad un’opportuna elettronica di condizionamento per successive operazioni di amplificazione e filtraggio.
Per semplificare le operazioni di prelievo di segnali bioelettrici superficiali, à ̈ stato proposto l’utilizzo di dispositivi di elettrodi tessili, ovvero costituiti da filamenti conduttivi intessuti all’interno di un materiale tessile, con tecniche note di cucitura o ricamo.
Tali dispositivi di elettrodo presentano il vantaggio di essere facilmente posizionabili sulla superficie della cute, quando integrati in un capo di vestiario. Tuttavia, il contatto elettrico tra tali dispositivi e la cute risulta spesso critico, tanto da richiedere l’interposizione di materiale di contatto, ad esempio sotto forma di un opportuno gel conduttivo, che può a lungo termine costituire una fonte di irritazione per la cute stessa.
Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un dispositivo di elettrodo tessile ed un relativo procedimento di realizzazione, che consentano di perfezionare le tecniche di acquisizione note di segnali bioelettrici di superficie e di risolvere, in tutto o in parte, i problemi precedentemente evidenziati.
Secondo la presente invenzione vengono pertanto forniti un dispositivo di elettrodo tessile ed un procedimento di realizzazione dello stesso dispositivo, come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati nei quali:
- la figura 1 mostra, in una vista in pianta, un dispositivo di elettrodo tessile, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 2 mostra una sezione del dispositivo di figura 1, presa lungo la linea di sezione II-II;
- la figura 3 mostra una porzione ingrandita della sezione di figura 2;
- la figura 4 mostra, in una vista in pianta, un dispositivo di elettrodo tessile, secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione;
- le figure 5 e 6 mostrano viste assonometriche del dispositivo di figura 4 in condizioni operative; e
- la figura 7 mostra schematicamente un’apparecchiatura per la realizzazione di un dispositivo di elettrodo tessile, secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione.
Come mostrato nelle figure 1-3, un dispositivo di elettrodo tessile 1, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, comprende: un substrato 2, ad esempio un substrato di materiale tessile, preferibilmente elastico, (quale ad esempio cotone o lycra) ed almeno un elettrodo di prelievo 4, disposto sul substrato 2.
Secondo un aspetto particolare della presente invenzione, l’elettrodo di prelievo 4 à ̈ realizzato con la tecnica del floccaggio (o floccatura); tale tecnica consente, in modo di per sé noto, la deposizione su un substrato di una pluralità di fibre di piccole dimensioni (cosiddette flock), che si dispongono secondo una direzione generalmente ortogonale allo stesso substrato.
L’elettrodo di prelievo 4, come illustrato in particolare nelle figure 2 e 3, comprende dunque una pluralità di fibre 5, di materiale tessile conduttivo, quale ad esempio poliammide o acrilico ricoperto di metallo (argento, rame o altro); le fibre 5 sono disposte secondo una direzione genericamente ortogonale al substrato 2 (ovvero lungo un asse z ortogonale ad un piano xy definente una superficie superiore 2a dello stesso substrato 2). Grazie al procedimento di floccatura, le fibre 5 risultano disposte a stretto contatto l’una con l’altra, tra loro almeno parzialmente intrecciate (ad esempio, con una configurazione “a pettine†), in modo da realizzare un reciproco contatto elettrico; tale reciproco contatto elettrico tra le varie fibre 5 consente in particolare di garantire una conduttività elettrica sostanzialmente uniforme lungo l’intera superficie dell’elettrodo di prelievo 4.
Le fibre 5 presentano ad esempio una lunghezza di 0,5 2 mm (lungo il suddetto asse z) ed una densità lineare di 1-20 dtex.
Uno strato adesivo 6, ad esempio costituito di un collante (elastico o rigido dopo l’essiccazione) resistente al lavaggio, à ̈ interposto tra le fibre 5 ed il substrato 2 e consente in particolare il fissaggio e l’ancoraggio delle stesse fibre 5 al substrato 2; in particolare, un’estremità delle fibre 5, in prossimità del substrato 2, à ̈ annegata, inglobata, nello strato adesivo 6.
Il dispositivo di elettrodo tessile 1 comprende inoltre un filo conduttore 8, ad esempio costituito di puro metallo (rame, acciaio), fili tessili naturali o artificiali (nylon, cotone) rivestiti di materiale conduttivo (rame, argento), o polimeri conduttivi, collegato meccanicamente ed elettricamente all’elettrodo di prelievo 4.
Il filo conduttore 8 à ̈ preferibilmente intessuto nel substrato 2, ad esempio con tecniche di cucitura, ricamo o in generale di tessitura, e si estende fino a raggiungere un connettore elettrico 9, destinato ad interfacciarsi ad un’elettronica di condizionamento 10 (illustrata schematicamente in figura 1), per consentire il condizionamento dei segnali bioelettrici superficiali prelevati dal dispositivo di elettrodo tessile 1 (quando opportunamente disposto su una porzione di cute, con l’elettrodo di prelievo 4 disposto a contatto della cute stessa).
Il filo conduttore 8 può presentare ad esempio un’anima di materiale conduttore rivestita di materiale isolante. In tal caso, il materiale isolante viene convenientemente rimosso in corrispondenza di uno o più punti di ancoraggio di un’estremità del filo conduttore 8 all’elettrodo di prelievo 4, in modo da consentirne il collegamento elettrico; per il collegamento meccanico dello stesso filo conduttore 8 alle fibre 5 dell’elettrodo di prelievo 4 possono essere utilizzate tecniche note di crimpatura o saldatura.
Il connettore elettrico 9 à ̈ ad esempio disposto esternamente al substrato 2, a filo ed in corrispondenza di un bordo esterno dello stesso substrato 2, in modo da essere libero di interfacciarsi con l’elettronica di condizionamento 9 (in modo di per sé noto).
La figura 4 illustra una ulteriore forma di realizzazione del dispositivo di elettrodo tessile, indicato nuovamente con 1, comprendente, in questo caso, una pluralità di elettrodi di prelievo 4, realizzati come precedentemente descritto con la tecnica della floccatura, ad esempio disposti sul substrato 2 secondo una disposizione regolare a matrice quadrata (con un numero di righe e colonne pari a sei, nell’esempio illustrato).
Una disposizione regolare e distribuita degli elettrodi di prelievo 4 consente di campionare nello spazio la distribuzione di potenziale elettrico sulla cute, ed à ̈ ad esempio vantaggiosa per realizzare sistemi di acquisizione di segnali elettromiografici ad alta densità (HDEMG - High Density Surface EMG).
Gli elettrodi di prelievo 4 (aventi, nell’esempio illustrato, una forma circolare con diametro pari ad 1 cm) sono in tal caso disposti a distanze regolari sul substrato 2 (ad esempio con una distanza inter-elettrodo pari a 2 cm) e a ciascuno di essi à ̈ associato un rispettivo filo conduttore 8, per il trasporto dei segnali bioelettrici prelevati. I vari fili conduttori 8, che nuovamente sono vantaggiosamente intessuti nel substrato 2, attraversano lo stesso substrato 2 fino a raggiungere un unico connettore elettrico, nuovamente indicato con 9, che racchiude le loro estremità per il collegamento elettrico con l’elettronica di condizionamento 9.
Le figure 5 e 6 illustrano, a titolo esemplificativo e non limitativo, un esempio di utilizzo del dispositivo di elettrodo tessile 1, in questo caso applicato ad un arto 14 per il prelievo di segnali EMG di superficie.
In tal caso, il substrato 2 à ̈ parte di (o portato da) una guaina elastica 16, avente una conformazione cilindrica cava; gli elettrodi di prelievo 4 sono disposti su una superficie laterale interna della suddetta guaina elastica 16. In uso, la guaina elastica 16 viene disposta intorno all’arto 14, in corrispondenza di un muscolo da indagare, in modo tale che gli elettrodi di prelievo 4 si dispongano a contatto della cute dello stesso arto 14 (si noti che il substrato 2 si dispone parallelo alla, ed in corrispondenza della, superficie cutanea). Vantaggiosamente, la guaina elastica 16 si dispone in maniera salda e stabile sull’arto 14, così da consentire il prelievo dei segnali bioelettrici in maniera continuativa nel tempo, con uniformi prestazioni elettriche.
Viene ora descritta, con particolare riferimento alla figura 7, un’apparecchiatura di floccaggio, indicata con 20, per la realizzazione degli elettrodi di prelievo 4 sul substrato 2, in particolare tramite la tecnica del floccaggio elettrostatico.
In modo di per sé noto (tale tecnica à ̈ ad oggi utilizzata in campo tessile, per la realizzazione di superfici con aspetto superficiale simile al camoscio, al panno, al velluto, per tessuti per abbigliamento o arredamento), il floccaggio elettrostatico utilizza una carica elettrica tale da orientare le fibre 5 e promuoverne l’allineamento perpendicolare al substrato 2.
In particolare, sul substrato 2 viene dapprima disposto lo strato adesivo 6, opportunamente conformato e definito, in particolare secondo la disposizione che dovrà essere assunta dagli elettrodi di prelievo 4 sullo stesso substrato 2. Vantaggiosamente, lo strato adesivo 6 viene applicato sul substrato 2 mediante un telaio (con tecnica serigrafica), opportunamente conformato in modo tale da consentirne la deposizione solamente in corrispondenza delle aree che saranno successivamente occupate dagli elettrodi di prelievo 4.
Si noti che la deposizione selettiva dello strato adesivo 6 in corrispondenza delle sole aree di prelievo consente di ottenere una notevole precisione e ripetibilità nella realizzazione degli elettrodi di prelievo 4 (come descritto in seguito), garantendo caratteristiche migliorate rispetto ad elettrodi tessili ottenuti con tecniche tradizionali di tessitura (ad esempio di ricamo o cucitura).
Il substrato 2, su cui à ̈ già presente lo strato adesivo 6 opportunamente sagomato, viene dunque sottoposto, all’interno dell’apparecchiatura di floccaggio 20, ad un campo elettrostatico di elevata intensità; in particolare, tale campo viene generato tra due elettrodi: un elettrodo di massa 21 e una griglia di elettrodi 22, posta ad un’elevata tensione (si noti che tra gli elettrodi della griglia di elettrodi 22 sono presenti aperture 22a).
Nella stessa area all’interno dell’apparecchiatura di floccaggio 20 viene rilasciata una pluralità di fibre 5 (il flock conduttivo), che vengono ad esempio fatte cadere verso il substrato 2 per effetto gravitazionale da una tramoggia, o altro contenitore, 24, disposto al di sopra della griglia di elettrodi 22 (le fibre 5 raggiungono così il substrato 2 attraverso le aperture 22a presenti nella griglia di elettrodi 22).
Il campo elettrostatico carica le varie fibre 5, che si allineano così alla direzione delle linee di campo elettrostatico (sostanzialmente in direzione ortogonale al substrato 2), e vengono attratte verso l’elettrodo di massa 21; in tal modo, le stesse fibre 5 vengono a contatto dello strato adesivo 6, rimanendovi inglobate ed aderendo in modo stabile al substrato 2. In particolare, l’applicazione elettrostatica assicura che le fibre 5 si dispongano sostanzialmente ortogonalmente alla superficie superiore 2a del substrato 2, in maniera fitta ed a contatto reciproco, in corrispondenza delle aree di prelievo.
L’apparecchiatura di floccaggio 20 può inoltre comprendere una colonna di aspirazione 25, per rimuovere convenientemente le fibre (flock) in eccesso.
Da un esame delle caratteristiche del dispositivo secondo la presente invenzione sono evidenti i vantaggi che esso consente di ottenere.
In particolare, il dispositivo di elettrodo tessile 1 consente di acquisire il potenziale elettrico sulla cute senza che sia richiesto l’utilizzo di gel conduttivo, o altro materiale conduttivo interposto, grazie all’ottimo contatto elettrodo-cute assicurato dalla particolare disposizione delle fibre 5 (grazie alle proprietà del processo di floccatura, in particolare con tecnica elettrostatica); l’eventuale presenza di peli sulla cute non risulta in tal caso un problema, proprio dato l’elevato numero di fibre 5, tra loro reciprocamente a contatto, di cui à ̈ composto l’elettrodo di prelievo 4, e data la loro disposizione sostanzialmente ortogonale alla cute (ad esempio a pettine), che permette l’alloggiamento di eventuali peli nello spazio tra le fibre 5.
Pertanto, risulta possibile la registrazione dei segnali bioelettrici anche per tempi lunghi, senza problemi di irritazione della cute e con prestazioni elettriche sostanzialmente costanti nel tempo.
Gli elettrodi di prelievo 4 risultano di semplice ed economica realizzazione, anche su scala industriale, così come risulta agevole definirne il numero e la disposizione sul substrato 2. In particolare, tramite un unico processo di floccatura, risulta possibile definire un numero desiderato di elettrodi di prelievo 4 su uno stesso substrato 2 (dunque, tale dispositivo ben si presta al monitoraggio ad alta definizione spaziale dei segnali bioelettrici).
Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito dalle rivendicazioni allegate.
In particolare, à ̈ evidente che le dimensioni e la forma di ciascun elettrodo di prelievo 4 (così come il numero degli stessi elettrodi di prelievo 4) possono essere selezionati liberamente, ad esempio in funzione delle caratteristiche del segnale bioelettrico da acquisire o della porzione di cute su cui lo stesso elettrodo di prelievo 4 deve essere disposto (ad esempio, possono essere ugualmente previste forme circolari, quadrate, rettangolari, o altre forme geometriche per gli elettrodi di prelievo 4).
Gli stessi materiali costitutivi del dispositivo di elettrodo tessile 1 possono variare rispetto a quanto precedentemente illustrato.
Il substrato 2 può essere vantaggiosamente parte di, o portato da, indumenti sensorizzati indossabili dal soggetto su cui vengono eseguite le misure (in maniera analoga a quanto illustrato per la guaina 16 di figura 5), così che gli elettrodi di prelievo 4 siano disposti a contatto della cute, in prossimità della zona di prelievo desiderata.

Claims (15)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di elettrodo tessile (1), per il prelievo di segnali bioelettrici dalla cute di un soggetto, comprendente: un substrato (2), atto ad essere posizionato sulla cute; almeno un primo elettrodo di prelievo (4) disposto sul substrato (2); ed almeno un primo elemento conduttore (8), portato dal substrato (2) e collegato elettricamente al primo elettrodo di prelievo (4), caratterizzato dal fatto che il primo elettrodo di prelievo (4) Ã ̈ ottenuto tramite la tecnica della floccatura.
  2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il primo elettrodo di prelievo (4) Ã ̈ ottenuto tramite la tecnica della floccatura elettrostatica.
  3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto elettrodo di prelievo (4) comprende una pluralità di fibre tessili conduttive (flock) (5), disposte tra loro reciprocamente a contatto, in tal modo assicurando un contatto elettrico sostanzialmente uniforme su tutto il primo elettrodo di prelievo (4).
  4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui le fibre tessili conduttive (5) sono disposte secondo una direzione trasversale ad una superficie superiore (2a) del substrato (2).
  5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 3 o 4, comprendente inoltre uno strato adesivo (6) interposto tra il substrato (2) e l’elettrodo di prelievo (4), a cui sono ancorate le fibre tessili conduttive (5).
  6. 6. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3-5, in cui le fibre tessili conduttive (5) presentano una lunghezza compresa tra 0,5 mm e 2 mm, ed una densità lineare compresa tra 1 dtex e 20 dtex.
  7. 7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre ulteriori elettrodi di prelievo (4), ottenuti tramite la tecnica della floccatura, disposti al di sopra del substrato (2); ed ulteriori elementi conduttori (8), ciascuno collegato elettricamente ad un rispettivo elettrodo di prelievo (4).
  8. 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo elemento conduttore (8) à ̈ intessuto attraverso il substrato (2), e presenta una prima estremità a contatto elettrico e meccanico con il primo elettrodo di prelievo (4) ed una seconda estremità a contatto di un elemento connettore elettrico (9), per il collegamento con un’elettronica di condizionamento (10) dei segnali bioelettrici prelevati.
  9. 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il substrato (2) comprende un tessuto elastico.
  10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, in cui il substrato (2) à ̈ parte di, o à ̈ portato da, un elemento indossabile dal soggetto, in modo tale che il primo elettrodo di prelievo (4) si trovi direttamente a contatto con la cute.
  11. 11. Elemento indossabile sensorizzato (16), comprendente un dispositivo di elettrodo tessile (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti; l’elemento indossabile sensorizzato (16) essendo atto ad essere indossato da un soggetto per il prelievo di segnali bioelettrici dalla cute.
  12. 12. Procedimento di realizzazione di un dispositivo di elettrodo tessile (1) per il prelievo di segnali bioelettrici dalla cute di un soggetto, comprendente le fasi di: - predisporre un substrato (2), atto ad essere posizionato sulla cute; - formare almeno un primo elettrodo di prelievo (4) sul substrato (2); - formare almeno un primo elemento conduttore (8), portato dal substrato (2) e collegato elettricamente al primo elettrodo di prelievo (4), caratterizzato dal fatto che la fase di formare almeno un primo elettrodo di prelievo comprende realizzare il primo elettrodo di prelievo (4) tramite la tecnica della floccatura.
  13. 13. Procedimento secondo la rivendicazione 12, in cui la fase di formare almeno un primo elettrodo di prelievo comprende: - depositare uno strato adesivo (6) al di sopra del substrato (2), sagomato in modo tale da definire almeno un’area di prelievo; - indirizzare verso il substrato (2) una pluralità di fibre tessili conduttive (flock) (5), in modo tale che aderiscano allo strato adesivo (6), in corrispondenza dell’area di prelievo.
  14. 14. Procedimento secondo la rivendicazione 13, in cui la fase di indirizzare comprende generare un campo elettrostatico in corrispondenza del substrato (2), tale da orientare le fibre tessili conduttive (5) verso il substrato (2), secondo una direzione trasversale ad una superficie superiore (2a) del substrato (2).
  15. 15. Procedimento secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui la fase di formare almeno un primo elettrodo di prelievo (4) comprende inoltre la fase di formare ulteriori elettrodi di prelievo (4) disposti al di sopra del substrato (2), mediante le fasi di: - depositare uno strato adesivo (6) al di sopra del substrato (2), sagomato in modo tale da definire una pluralità di aree di prelievo, una per ciascun elettrodo di prelievo (4); - indirizzare verso il substrato (2) una pluralità di fibre tessili conduttive (flock) (5), in modo tale che aderiscano allo strato adesivo (6), in corrispondenza delle aree di prelievo, formando in tal modo gli elettrodi di prelievo (4).
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