Tradycyjny sprzęt do akwizycji EEG jest nieporęczny, wykorzystuje żel przewodzący i jest podatny na zakłócenia. Aby technologia interfejsu mózg-komputer (BCI) naprawdę stała się częścią codziennego życia, innowacje muszą rozpocząć się na samym początku. Niedawno zespół kierowany przez badacza Liu Ran i profesora Gao Xiaoronga ze Szkoły Inżynierii Biomedycznej na Uniwersytecie Tsinghua opublikował w czasopiśmie ACS Applied Materials & Interfaces znaczące osiągnięcie: opracował elektrodę mikroigłową na bazie MXene-, która nie tylko umożliwia-wysokiej jakości pozyskiwanie sygnału EEG w złożonych środowiskach, ale także oferuje tę zaletę, że nie zawiera żelu, jest łatwa do noszenia i wysoce kompatybilna. Ta nowa elektroda toruje drogę urządzeniom BCI do powszechnego użytku.
Ⅰ. Inteligentniejsza „łata mózgowa”
W tradycyjnych urządzeniach do elektroencefalografii (EEG) powszechnie stosuje się-mokre elektrody żelowe. Chociaż zapewniają stabilną jakość sygnału, mogą być uciążliwe w użyciu, powodować podrażnienia skóry i mogą być podatne na zakłócenia. W ostatnich latach jako alternatywę pojawiły się elektrody suche, ale zrównoważenie komfortu, jakości sygnału i łatwości noszenia stanowi ciągłe wyzwanie w materiałoznawstwie i neuroinżynierii.
Ten zespół badawczy wykorzystał MXene (rodzaj-dwuwymiarowego materiału węglowego) jako rdzeń przewodzący i połączył go ze strukturą mikroigieł, aby zaprojektować suchą elektrodę EEG o powierzchni zaledwie 1 milimetra kwadratowego. MXene zyskał ostatnio szerokie zainteresowanie ze względu na doskonałą przewodność, elastyczność i biokompatybilność. Układ mikroigieł umożliwia elektrodie „łatwą penetrację” powierzchniowej warstwy skóry, warstwy rogowej naskórka, eliminując potrzebę golenia lub nakładania żelu oraz umożliwiając rejestrację sygnałów EEG o niskiej-impedancji i wysokim-stosunku sygnału-do-szumu. Taka konstrukcja nie tylko znacznie poprawia stabilność kontaktu elektrody ze skórą głowy, ale oferuje także takie zalety, jak odporność na ruchy, pot i możliwość ponownego użycia.
Ⅱ. Przetwarzanie i testowanie: nie tylko lekkie, ale także kompatybilne z rezonansem magnetycznym i zastosowaniami w-kolejach dużych prędkości.
Aby zweryfikować wszechstronne działanie elektrody, badacze przeprowadzili testy eksperymentalne w wielu wymiarach, w tym właściwości materiału, wydajności akwizycji sygnału fizjologicznego, biokompatybilności i kompatybilności MRI.
Po pierwsze, przy wytwarzaniu elektrod badacze zastosowali technologię mikroformowania i nośnika hydrożelowego, aby zapewnić, że układ mikroigieł zachowuje zdolność do nakłuwania, zachowując jednocześnie doskonałą elastyczność, co zapobiega uszkodzeniom skóry. Powierzchnię potraktowano materiałem MXene, co pozwoliło na kontrolowaną grubość warstwy przewodzącej, osiągając zarówno stabilność strukturalną, jak i wysokie możliwości przechwytywania sygnału.
Na etapie testowania sygnału zespół zastosował elektrodę do powszechnego paradygmatu interfejsu mózgu-komputera: wzrokowego potencjału wywołanego w stanie stacjonarnym (SSVEP). SSVEP jest obecnie jednym z najbardziej stabilnych i dokładnych źródeł sygnału w nie-inwazyjnych BCI i jest szeroko stosowany w scenariuszach takich jak wprowadzanie pisowni i sterowanie robotem. Wyniki testów wykazały, że ta elektroda mikroigłowa osiągnęła porównywalną dokładność akwizycji sygnału SSVEP z tradycyjnymi elektrodami żelowymi, a nawet działała stabilniej w hałaśliwym otoczeniu i przy minimalnym ruchu.
Warto zauważyć, że zespół badawczy ocenił także zgodność elektrody z obrazowaniem metodą rezonansu magnetycznego (MRI), nie znajdując żadnych znaczących artefaktów ani nieprawidłowego nagrzewania w silnych polach magnetycznych, co sugeruje jej potencjał do przyszłego wykorzystania w zsynchronizowanej akwizycji EEG podczas klinicznego obrazowania czynnościowego mózgu. Co więcej, badania biokompatybilności wykazały, że długotrwałe noszenie nie wywołuje stanu zapalnego ani reakcji skórnych, dzięki czemu nadaje się do codziennego lub ciągłego monitorowania klinicznego.
Ⅲ. Nowy początek w kierunku BCI z „zerowym-czujnikiem”.
Największe znaczenie tych badań polega na przełomie w-kompromisie pomiędzy komfortem a wydajnością tradycyjnych elektrod EEG. Łącząc wysoką przewodność materiałów MXene z penetrującymi właściwościami struktury mikroigłowej, elektroda ta pozwala na uzyskanie wysokiej-jakości,-terminu akwizycji EEG bez konieczności stosowania żelu, co kładzie podwaliny pod urządzenia BCI umożliwiające prawdziwe wejście w erę urządzeń do noszenia.
Przewidujemy, że w przyszłości te elektrody mikroigłowe zostaną zintegrowane z modułami komunikacji bezprzewodowej, zminiaturyzowanymi wzmacniaczami i chipami brzegowej sztucznej inteligencji, tworząc system komputerowy typu „podłącz i-mózg-, zintegrowany z codziennym życiem jak smartwatch. Co więcej, może również służyć szerszemu zakresowi zastosowań medycznych, w tym neurorehabilitacji, ostrzeganiu przed padaczką i monitorowaniu snu. Dla branży-interfejsów mózg-komputer oznacza to, że „ostatnia mila” z laboratorium na rynek zostaje pokonana.