Azot katkılı grafen tabanlı elektrofizyolojik veri elektrotu geliştirilmesi ve EKG, EMG ölçümlerinde kullanımına dair fizibilite çalışması
Development of nitrogen doped graphene based electrophysiological data electrode and feasibility study for its use in ECG, EMG measurements
Yazar: BETÜL ÜNAL
Danışman: DOÇ. DR. HAMZA FEZA CARLAK
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Hızlı bir şekilde ilerleyen teknoloji sonucu elektronik cihazların kullanımı günümüzde oldukça yaygınlaşmıştır. Bunun sonucunda yeni teknolojiler ve yeni malzemeler bu alanda hızla bulunmuş ve kullanıma sunulmuştur. Bu malzemelerden biri de grafendir. Özellikle de günümüzde nanoteknolojinin artması ile grafenin elektrik ve elektronik alanında kullanımını daha da arttırmıştır.
Bu tez çalışması kapsamında yeni Elektro Fizyolojik Çalışma (EFÇ) elektrotlarının geliştirilmesi ve iyonik/elektriksel iletkenliğe bağlı olarak geliştirilen elektrotlardan alınan sinyallerin kıyaslanması amaçlanmıştır. Bu amaçla çalışma kapsamında sekiz farklı elektrot geliştirilmiş olup kontrol grubu olarak mevcut piyasada kullanılan elektrot kullanılmıştır. Geliştirilen elektrotlar; 1-Mevcut Ag/AgCl elektrotun jelinin üzerine karbon fiber kumaş kaplanmış elektrot, 2-Mevcut ticari elektrotun jelinin üzerine iyonik sıvı eklenmiş elektrot, 3-Mevcut ticari elektrotun jelinin üzerine toz grafen kaplama yapılan elektrot, 4-Ticari elektrotun jelinin üzerine grafen ve iyonik sıvı karışımını kaplama yapılan elektrot, 5-Ticari elektrotun jeli çıkarılarak yerine grafen poliüretan ve iyonik sıvı karışımı kaplama yapılan elektrot, 6-Ticari elektrotun jeli çıkarılarak hazırlanan grafen ve poliüretan kaplı elektrotun üzerine iyonik sıvı eklenerek yapılan elektrot, 7-Ticari elektrotun jeli çıkarılarak hazırlanan grafit ve poliüretan kaplı elektrotun üzerine iyonik sıvı eklenerek yapılan elektrot, 8-Ticari elektrotun jeli çıkarılarak hazırlanan grafen ve poliüretan kaplı elektrotun üzerine iyonik sıvı eklenerek yapılan elektrot.
	Elektriksel iletkenlik açısından yeni geliştirilen elektrotlar ile mevcut elektrotlardan sinyaller elde edilmiş ve denemeler yapılmıştır. Ayrıca karışımlara iyonik sıvı eklemesi yapılarak da denemeler yapılmıştır. Böylelikle tezde karışımlara iyonik sıvı eklenerek, jel üzerine katkılama yapılarak, jel olmadan iyonik sıvı ile katkılama yapılarak iyonik iletkenlik çalışmaları gerçekleşmiştir. Elde edilen tüm elektriksel iletkenlik ve iyonik iletkenlik ile sinyaller çalışma kapsamında kayıt altına alınmış, karşılaştırmaları yapılmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır.
Elektrotlardan sinyal alımı için Arduino seti kullanılmıştır. Bu aşamada sinyal alımı ve işleme AD8232 sensörü kullanılarak Arduino ile veri alımı yapılmıştır. Elde edilen veriler seriporttan okunarak kaydedilmiştir. Bu veriler her bir elektrot türü için örnekleme frekansı 200 Hz olacak şekilde 1 dakika boyunca kayıt altına alınmıştır. Kayıt altına alınan veriler Matlab üzerinden sinyal haline getirilerek çizimleri ve analizleri yaptırılmıştır. Kaplamalı ve kaplamasız elektrotların karşılaştırması için referans olarak mevcut ticari elektrottan kaydedilen veriler alınarak yeni üretilen 8 çeşit elektrottan alınan sinyaller ile sırayla karşılaştırılması yapılmış ve değerlendirilmiştir. Karşılaştırma çalışmasında ilk olarak verilerin boyutları eşitlenmiş ardından ortalama hata karesi ve kosinüs benzerliği hesaplanmıştır. Daha sonra tepe-tepe genlik analizi yapılarak tepe-tepe genlik değerlerini karşılaştırma işlemi yapılmış ve çapraz korelasyon değerleri hesaplanarak maksimum korelasyon miktarı bulunmuş ve grafikler çizilmiştir.
Ayrıca çalışmada günümüzde mühendislikte birçok alanda kullanılan Comsol Multiphysics® programında simülasyon geliştirilmiştir. Elektrotların Comsol Multiphysics programında elektriksel analizi simüle edilerek değerlendirilmiştir. Kontrol grubu olarak Ticari Ag/AgCl elektrot kullanılmıştır.
Tez çalışmasında in vivo denemeler yapılmıştır. Bunun için stimülatörler ve elektrotlar yardımıyla sinyal ölçümleri yapılmıştır. Sinyal ölçümleri sadece sinyal alma şeklinde tekrarlı olarak gerçekleştirilmiştir.
Comsol yazılımı kullanılarak iki boyutlu ve üç boyutlu kol tasarımı ve anot ve katot simülasyonu yapılmıştır. Sekiz elektrottan elde edilen sinyal sonuçları ticari Ag/AgCl elektrotlardan elde edilen sinyal sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Tüm elektrotlardan elde edilen sinyallerin Matlab analiz sonuçları değerlendirilmiştir.
	Sonuç olarak; Azot katkılı grafenin elektriksel iletkenliği oldukça yüksektir. Bu nedenle bu malzemenin kullanılmasıyla oluşturulan elektrot olan JelveTozGrafen3'den daha okunabilir sinyal alınmıştır. Yine aynı şekilde iyonik sıvının da elektriksel iletkenliği yüksek olup mevcut elektrota iyonik sıvı uygulaması ile elde edilen elektrot olan JelveİyonikSıvı2'dan daha belirgin sinyaller elde edilmiştir.

Abstract:
As a result of rapidly advancing technology, the use of electronic devices has become quite widespread today. As a result, new technologies and new materials have been rapidly found and put into use in this field. One of these materials is graphene. Especially with the increase in nanotechnology today, the use of graphene in the field of electricity and electronics has increased even more.
In this thesis, it is aimed to develop new Electro Physiological Study (EPS) electrodes and to compare the signals obtained from the developed electrodes depending on ionic/electrical conductivity. For this purpose, eight different electrodes were developed within the scope of the study and the electrode used in the current market was used as a control group. The developed electrodes are; 1-Electrode with carbon fiber fabric coated on the gel of the existing Ag/AgCl electrode, 2-Electrode with ionic liquid added on the gel of the existing commercial electrode, 3-Electrode with graphene powder coating on the gel of the existing commercial electrode, 4-Electrode with graphene and ionic liquid mixture coating on the gel of the commercial electrode, 5-Electrode with graphene polyurethane and ionic liquid mixture coating instead of removing the gel of the commercial electrode, 6-Electrode made by adding ionic liquid on graphene and polyurethane coated electrode prepared by removing the gel of commercial electrode, 7-Electrode made by adding ionic liquid on graphite and polyurethane coated electrode prepared by removing the gel of commercial electrode, 8-Electrode made by adding ionic liquid on graphene and polyurethane coated electrode prepared by removing the gel of commercial electrode.
	In terms of electrical conductivity, signals were obtained from newly developed electrodes and existing electrodes and experiments were carried out. Experiments were also carried out by adding ionic liquid to the mixtures. Thus, in the thesis, ionic conductivity studies were carried out by adding ionic liquid to the mixtures, doping on gel, doping with ionic liquid without gel. All electrical conductivity and ionic conductivity and signals obtained were recorded, compared and the results were compared.
Arduino set was used for signal acquisition from the electrodes. At this stage, signal acquisition and processing were performed with Arduino using AD8232 sensor. The data obtained was read from the serial port and saved. These data were recorded for 1 minute with a sampling frequency of 200 Hz for each electrode type. The recorded data were converted into signals via Matlab and plotted and analyzed. For the comparison of coated and uncoated electrodes, the data recorded from the existing commercial electrode was taken as a reference and compared and evaluated sequentially with the signals obtained from 8 types of newly produced electrodes. In the comparison study, the dimensions of the data were first equalized and then the mean square error and cosine similarity were calculated. Then, peak-to-peak amplitude analysis was performed to compare the peak-to-peak amplitude values and cross-correlation values were calculated, the maximum correlation amount was found and graphs were drawn.
In addition, simulation was developed in the Comsol Multiphysics® program, which is used in many fields of engineering today. The electrical analysis of the electrodes was simulated and evaluated in the Comsol Multiphysics program. Commercial Ag/AgCl electrode was used as a control group.
In vivo experiments were conducted as part of the thesis study. For this purpose, signal measurements were performed with the assistance of stimulators and electrodes. The signal measurements were carried out repeatedly in the form of signal acquisition only.
Two-dimensional and three-dimensional arm design and anode and cathode simulation were performed using Comsol software. The signal results obtained from eight electrodes were compared with the signal results obtained from commercial Ag/AgCl electrodes. Matlab analysis results of the signals obtained from all electrodes were evaluated.
	As a result, the electrical conductivity of nitrogen doped graphene is quite high. Therefore, a more readable signal was obtained from JelveTozGrafen3, the electrode created by using this material. Likewise, the electrical conductivity of ionic liquid is also high and more distinct signals were obtained from JelveİyonikSıvı2, the electrode obtained by applying ionic liquid to the existing electrode.