Традиційне обладнання для отримання ЕЕГ громіздке, засноване на електропровідному гелі та чутливе до перешкод. Щоб технологія мозкового-комп’ютерного інтерфейсу (BCI) справді стала частиною повсякденного життя, інновації мають починатися з самого початку. Нещодавно команда під керівництвом дослідника Лю Рана та професора Гао Сяоронга зі Школи біомедичної інженерії Університету Цінхуа опублікувала значне досягнення в журналі ACS Applied Materials & Interfaces: вони розробили мікроголковий електрод на основі MXene-, який не лише забезпечує високо{4}}отримання сигналу ЕЕГ у складних середовищах, але також пропонує переваги того, що Не містить-гелю, можна носити та дуже сумісний. Цей новий електрод прокладає шлях для пристроїв BCI, щоб стати поширеними.
Ⅰ. Розумніший "мозковий патч"
У традиційних пристроях для електроенцефалографії (ЕЕГ) зазвичай використовуються гелеві-вологі електроди. Хоча вони забезпечують стабільну якість сигналу, вони можуть бути громіздкими у використанні, можуть викликати подразнення шкіри та бути чутливими до перешкод. В останні роки сухі електроди з’явилися як альтернатива, але баланс між комфортом, якістю сигналу та простотою носіння є постійною проблемою в матеріалознавстві та нейроінженерії.
Ця дослідницька група використала MXene (тип дво{0}}вимірного вуглецевого матеріалу) як провідний сердечник і поєднала його з мікроголковою структурою, щоб створити сухий ЕЕГ-електрод розміром лише 1 квадратний міліметр. MXene нещодавно привернув широку увагу своєю чудовою провідністю, гнучкістю та біосумісністю. Завдяки масиву мікроголок електрод «легко проникає» в поверхневий шар шкіри, роговий шар, усуваючи необхідність гоління чи нанесення гелю, а також забезпечуючи отримання ЕЕГ-сигналів із низьким-імпедансом і високим-співвідношенням-до-шуму. Ця структура не тільки значно покращує стабільність контакту між електродом і шкірою голови, але також пропонує такі переваги, як стійкість до руху, поту та можливість повторного використання.
Ⅱ. Обробка та тестування: не тільки легкий, але й сумісний із застосуванням МРТ та високо-залізниці.
Щоб перевірити повну ефективність електрода, дослідники провели експериментальні випробування в багатьох вимірах, включаючи властивості матеріалу, ефективність отримання фізіологічного сигналу, біосумісність і сумісність з МРТ.
По-перше, у виготовленні електродів дослідники застосували технологію мікроформування та гідрогелевих носіїв, щоб гарантувати, що масив мікроголок зберігає здатність до проколу, зберігаючи чудову гнучкість для запобігання пошкодженню шкіри. Поверхня була оброблена матеріалом MXene, що дозволяє контролювати товщину провідного шару, досягаючи як структурної стабільності, так і високих можливостей захоплення сигналу.
Під час фази тестування сигналу команда застосувала електрод до загальної парадигми мозкового-комп’ютерного інтерфейсу: стійкого-визуального викликаного потенціалу (SSVEP). Наразі SSVEP є одним із найстабільніших і найточніших джерел сигналу в не-інвазивних BCI і широко використовується в таких сценаріях, як введення орфографії та керування роботом. Результати випробувань показали, що цей мікроголковий електрод досяг порівняльної точності отримання сигналу SSVEP з традиційними гелевими електродами, і навіть працював більш стабільно в шумному середовищі та з мінімальним рухом.
Слід зазначити, що дослідницька група також оцінила сумісність електрода з магнітно-резонансною томографією (МРТ), не виявивши значних артефактів або аномального нагрівання в сильних магнітних полях, що свідчить про його потенціал для майбутнього використання в синхронізованому отриманні ЕЕГ під час клінічної функціональної візуалізації мозку. Крім того, тестування на біосумісність показало, що тривале носіння не викликає запалення або шкірних реакцій, що робить його придатним для щоденного або постійного клінічного моніторингу.
Ⅲ. Новий початок для «нульових-сенсорних» BCI
Найбільше значення цього дослідження полягає в його прориві в-компромісі між зручністю та ефективністю традиційних ЕЕГ-електродів. Поєднуючи високу провідність матеріалів MXene з проникаючими властивостями структури мікроголок, цей електрод забезпечує високо-якісне довгострокове-зйомку ЕЕГ без потреби в гелі, закладаючи основу для пристроїв BCI, щоб справді увійти в еру «носячих».
Ми передбачаємо, що в майбутньому ці мікроголкові електроди будуть інтегровані з модулями бездротового зв’язку, мініатюрними підсилювачами та граничними чіпами штучного інтелекту, щоб створити комп’ютерну систему plug-and-play brain-, інтегровану в повсякденне життя, як розумний годинник. Крім того, він також може використовуватися для більш широкого спектру медичних застосувань, включаючи нейрореабілітацію, попередження про епілепсію та моніторинг сну. Для галузі мозкових-комп’ютерних інтерфейсів це означає, що «остання миля» від лабораторії до ринку пройдено.