In unserem Gehirn arbeiten Milliarden von Nervenzellen und senden elektrische Ströme aus. Gemessen werden diese Ströme mittels eines EEGs (Elektroenzephalografie), um beispielsweise krankhafte Veränderungen im Gehirn zu untersuchen oder um herauszufinden, wie Menschen auf Stress reagieren. Dazu werden 20 Elektroden an bestimmten Stellen des Kopfes angebracht und über Kabel mit einem EEG-Gerät verbunden. Die gemessenen Ströme, die jeweils Spannungsunterschiede zwischen zwei Elektroden anzeigen, werden auf dem Monitor als Kurve dargestellt. In der Regel dauert eine EEG-Untersuchung etwa 30 Minuten. In bestimmten Fällen gibt es aber auch 24-Stunden-Messungen.
Francesco Greco, der Leiter des Labors für angewandte Materialien für gedruckte und weiche Elektronik (LAMPSe) am Institut für Festkörperphysik der TU Graz, hatte bereits 2015 ultraleichte sogenannte „Tattoo-Elektroden“ entwickelt, die auf der Haut kaum wahrnehmbar sind und Langzeitmessungen der Hirnaktivität billiger und einfacher machen. Diese Elektroden werden mit einem Tintenstrahldrucker auf normales Tätowierpapier gedruckt und dann wie Transfers auf die Haut geklebt, um Herz- oder Muskelaktivitäten zu messen.
Mit einer Dicke von gerade mal 700 bis 800 Nanometern (etwa 100 Mal dünner als ein menschliches Haar) passen sich die Tattoos – die 2018 weiterentwickelt wurden – an jede Hautunebenheit an und sind am Körper kaum wahrnehmbar. Darüber hinaus brauchen diese Trockenelektroden im Gegensatz zu Gelelektroden keine Flüssigkeit und trocknen daher nicht aus. Da sie auch, wenn die Haare durch das Tattoo hindurch wachsen, weiter messen, eignen sie sich besonders für Langzeitmessungen.
Nicht nur für medizinischen Einsatz geeignet
Gemeinsam mit internationalen Kollegen aus Frankreich und Italien konnte Greco die Tattoo-Elektroden nun so modifizieren, dass sie auch zur Messung der Gehirnaktivitäten eingesetzt werden können. Dazu wurden sowohl die Zusammensetzung als auch die Dicke des Abziehpapiers und des leitenden Polymers optimiert. So entsteht eine noch bessere Verbindung zwischen Tattoo-Elektrode und Haut, wodurch die EEG-Signale mit maximaler Qualität aufzeichnen zu können.
„Hirnstromwellen befinden sich im niedrigen Frequenzbereich und EEG-Signale haben eine sehr geringe Amplitude. Sie sind viel schwieriger in einer hohen Qualität zu erfassen, als EMG- oder EKG-Signale“, erklärt Laura Ferrari vom BioRobotics Institute, Scuola Superiore Sant’Anna, in Italien. Tests unter realen klinischen Bedingungen hätten gezeigt, dass die EEG-Messung mit den optimierten Tattoos genauso gut gelingt wie mit konventionellen EEG-Elektroden, sagen die Wissenschaftler. „Durch den Tintenstrahldruck und die handelsüblichen Substrate sind unsere Tattoos aber deutlich günstiger als derzeitige EEG-Elektroden und bieten im direkten Vergleich auch mehr Vorteile hinsichtlich Tragekomfort und Langzeitmessungen“, so Greco.
Die neuartigen Tattoo-Elektroden eignen sich aber nicht nur für Langzeit-EEGs, sondern sind auch kompatibel mit der Magnetenzephalographie (MEG) ist. Bisher konnten für diese Art der Überwachung der Gehirnaktivität ausschließlich sogenannte „nasse Elektroden“ eingesetzt werden. Diese sind für Langzeitmessungen ungeeignet, da sie nur auf Basis von Elektrolyt, Gel oder einer Elektrodenpaste funktionieren und daher schnell austrocknen.
„Mit unserer Methode stellen wir die perfekte MEG-kompatible Elektrode her und reduzieren gleichzeitig die Kosten und die Produktionszeit“, freut sich Greco über die neue Generation von Tattoo-Elektroden. Er überlegt bereits, wie diese Technologie nicht nur in Kliniken, sondern auch in den Bereichen Neuroengineering und Brain Computer Interfaces eingesetzt werden kann.