Традиционное оборудование для регистрации ЭЭГ громоздко, основано на проводящем геле и подвержено помехам. Чтобы технология мозгового-интерфейса компьютера (BCI) действительно стала частью повседневной жизни, инновации должны начинаться с самого начала. Недавно группа под руководством исследователя Лю Раня и профессора Гао Сяожуна из Школы биомедицинской инженерии Университета Цинхуа опубликовала в журнале ACS Applied Materials & Interfaces значительное достижение: они разработали микроигольный электрод на основе MXene-, который не только обеспечивает высококачественный-регистрацию сигналов ЭЭГ в сложных условиях, но также обладает преимуществами: он-не содержит геля, его можно носить с собой и он очень совместим. Этот новый электрод открывает путь к тому, чтобы устройства BCI стали обычным явлением.
Ⅰ. Умная «заплатка для мозга»
В традиционных устройствах электроэнцефалографии (ЭЭГ) обычно используются влажные электроды на основе геля-. Хотя они обеспечивают стабильное качество сигнала, они могут быть громоздкими в использовании, вызывать раздражение кожи и быть чувствительными к помехам. В последние годы в качестве альтернативы появились сухие электроды, но баланс между комфортом, качеством сигнала и простотой ношения остается постоянной проблемой в материаловедении и нейроинженерии.
Эта исследовательская группа использовала MXene (тип двумерного углеродного материала) в качестве проводящего ядра и объединила его со структурой микроиглы, чтобы создать сухой ЭЭГ-электрод размером всего 1 квадратный миллиметр. Недавно MXene привлек широкое внимание благодаря своей превосходной проводимости, гибкости и биосовместимости. Набор микроигл позволяет электроду «легко проникать» в поверхностный слой кожи, в роговой слой, устраняя необходимость в бритье или нанесении геля, а также позволяя регистрировать сигналы ЭЭГ с низким-импедансом и высоким-отношением-к-шуму. Эта структура не только значительно улучшает стабильность контакта между электродом и кожей головы, но также дает такие преимущества, как устойчивость к движению, поту и возможность повторного использования.
Ⅱ. Обработка и тестирование: не только легкий, но и совместимый с МРТ и высокоскоростными железнодорожными приложениями.
Чтобы проверить всесторонние характеристики электрода, исследователи провели экспериментальные испытания по нескольким параметрам, включая свойства материала, характеристики сбора физиологических сигналов, биосовместимость и совместимость с МРТ.
Во-первых, при изготовлении электродов исследователи использовали технологию микроформования и гидрогелевого носителя, чтобы гарантировать, что массив микроигл сохраняет способность к проколу, сохраняя при этом превосходную гибкость для предотвращения повреждения кожи. Поверхность была обработана материалом MXene, что позволяет контролировать толщину проводящего слоя, обеспечивая как структурную стабильность, так и высокие возможности захвата сигнала.
На этапе тестирования сигнала команда применила электрод к парадигме общего-компьютерного интерфейса мозга: зрительному вызванному потенциалу в устойчивом-состоянии (SSVEP). SSVEP в настоящее время является одним из наиболее стабильных и точных источников сигналов в не-инвазивных BCI и широко используется в таких сценариях, как ввод данных по правописанию и управление роботами. Результаты испытаний показали, что этот микроигольчатый электрод достиг сравнимой точности сбора сигнала SSVEP с традиционными гелевыми электродами и даже работал более стабильно в шумной среде и при минимальном движении.
Примечательно, что исследовательская группа также оценила совместимость электрода с магнитно-резонансной томографией (МРТ), не обнаружив значительных артефактов или аномального нагрева в сильных магнитных полях, что позволяет предположить его потенциал для будущего использования в синхронизированной регистрации ЭЭГ во время клинической функциональной визуализации мозга. Кроме того, испытания на биосовместимость показали, что длительное ношение не вызывает воспаления или кожных реакций, что делает его пригодным для ежедневного или постоянного клинического мониторинга.
Ⅲ. Новое начало пути к BCI с «нулевым-сенсором»
Наибольшее значение этого исследования заключается в его прорыве в поиске компромисса-между комфортом и эффективностью традиционных электродов ЭЭГ. Сочетая высокую проводимость материалов MXene с проникающими свойствами структуры микроигл, этот электрод обеспечивает высококачественное и долгосрочное-снятие ЭЭГ без необходимости использования геля, что закладывает основу для устройств BCI, которые действительно вступают в эпоху «носимых устройств».
Мы прогнозируем, что в будущем эти микроигольчатые электроды будут интегрированы с модулями беспроводной связи, миниатюрными усилителями и микросхемами периферийного искусственного интеллекта, чтобы создать легко подключаемую-и-компьютерную систему для мозга-, интегрированную в повседневную жизнь наподобие умных часов. Кроме того, он может также использоваться в более широком спектре медицинских применений, включая нейрореабилитацию, предупреждение эпилепсии и мониторинг сна. Для индустрии мозговых-компьютерных интерфейсов это означает, что пройдена «последняя миля» от лаборатории до рынка.