Development of instrumented textiles incorporating organic electrodes for bio-potential measurements

Les maladies cardiovasculaires sont les premières causes de mortalités dans le monde. La manière la plus efficace de combattre ces maladies est le suivi en temps réel de l’électrocardiogramme (ECG) qui traduit les signaux électriques générés par les cellules cardiaques. Le signal ECG fournit aux cardiologues toutes les informations nécessaires pour diagnostiquer les pathologies cardiaques. De nos jours, l’électrocardiogramme s’enregistre en cabinet à l’aide d’électrodes cutanées à base d’argent et chlorure de l’argent (Ag/AgCl). Celles-ci ne sont pas conçues pour un usage prolongé et peuvent provoquer des irritations de la peau à cause du gel ionique qui les compose et qui sert à réduire l’impédance de l’interface électrode/peau. Dans cette thèse, des électrodes textiles flexibles fonctionnant sans aucun gel ionique ont été développées en tant qu’alternatives aux électrodes médicales (Ag/AgCl). Notre approche est basée sur la modification d’encres conductrices à base du polymère intrinsèquement conducteur, le poly (3,4-éthylènedioxythiophène) poly(styrènesulfonate) (PEDOT:PSS) compatible avec les substrats textiles choisis. La réalisation des électrodes fait appel à des techniques de fabrication qui peuvent être transférées facilement à l’industrie textile. Des caractérisations ont été mises en places afin d’évaluer la fiabilité de ces systèmes avant et après 50 lavages en machine de laboratoire et domestique. En l’occurrence, la résistivité surfacique des électrodes-capteurs, la modélisation de l’interface électrode/peau, l’analyse du signal ECG en statique et en dynamique, la densité spectrale de puissance du signal ECG, le rapport signal sur bruit (SNR) ont été analysés et comparés à des électrodes commerciales à base d’argent. Comme nos électrodes-capteurs développées possèdent un véritable potentiel clinique et industriel, nous avons également étudié la faisabilité de la connectique et sa durabilité. La solution retenue se compose de deux fils conducteurs en polyamide argenté, existants sur le marché, brodés pour réaliser les connexions entre les électrodes-capteurs textiles et un module électronique flexible à base d’un film composite (polyester-aluminium). De plus deux méthodes d’encapsulation des systèmes ont été également développées en vue de leur protection au lavage et futur commercialisation.Cardiovascular diseases are the leading cause of death worldwide. The most effective way to combat these diseases is the real-time monitoring of the electrocardiogram (ECG) that reflect the electrical signals generated by the heart cells. The ECG signal provides to cardiologists all the information needed to diagnose heart diseases. So far, the electrocardiogram is recorded by using the cutaneous conventional medical electrodes (Ag/AgCl) based on silver and silver chloride. These electrodes are not destined for long-term use and can provoke skin irritation because of the ionic gel that serves to reduce the impedance of the electrode / skin interface. In this thesis, flexible textile electrodes operating without any ionic gel have been developed as alternatives to medical electrodes (Ag/AgCl). Our approach is based on the modification of conductive inks based on the intrinsically conductive polymer, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) compatible with selected textile substrates. The realization of the electrodes uses manufacturing techniques that can be easily transferred to the textile industry. Characterizations were set up to evaluate the reliability of these systems before and after 50 washes in laboratory and domestic machines. In this case, the surface resistivity of the electrodes-sensors, the modeling of the electrode/skin interface, the analysis of the ECG signal in static and dynamic, the spectral power density of the ECG signal, the signal-to-noise ratio (SNR) were analyzed and compared to commercial silver-based electrodes. As our developed sensor electrodes have a real clinical and industrial potential, we have also studied the feasibility of the connection and its durability. The chosen solution consists of two silver-plated polyamide threads, which are available on the market, embroidered to make the connections between the textile sensor electrodes and a flexible electronic module based on a composite film (polyester-aluminum). In addition, two encapsulation methods have also been developed to protect systems during washing and to make them ready for the market