Tradisjonelt EEG-innsamlingsutstyr er klumpete, er avhengig av ledende gel og er utsatt for interferens. For at hjerne-datamaskingrensesnittteknologi (BCI) virkelig skal bli en del av hverdagen, må innovasjoner begynne helt i begynnelsen. Nylig publiserte et team ledet av forsker Liu Ran og professor Gao Xiaorong fra School of Biomedical Engineering ved Tsinghua University en betydelig prestasjon i tidsskriftet ACS Applied Materials & Interfaces: de har utviklet en MXene-basert mikronålelektrode som ikke bare muliggjør EEG-signalinnsamling av høy-kvalitet, men som også gir deg de fordelene,{5}, av å være gel i komplekse omgivelser,{5} og svært kompatibel. Denne nye elektroden baner vei for at BCI-enheter kan bli vanlig.
Ⅰ. En smartere "hjernelapp"
Tradisjonelle elektroencefalografi (EEG)-enheter bruker vanligvis gel-baserte våte elektroder. Selv om de tilbyr stabil signalkvalitet, kan de være tungvinte å bruke, kan forårsake hudirritasjon og kan være utsatt for forstyrrelser. De siste årene har tørre elektroder dukket opp som et alternativ, men balansering av komfort, signalkvalitet og brukervennlighet har vært en vedvarende utfordring innen materialvitenskap og nevroteknikk.
Dette forskerteamet brukte MXene (en type to-karbonmateriale) som en ledende kjerne og kombinerte den med en mikronålstruktur for å utforme en tørr EEG-elektrode som måler bare 1 kvadratmillimeter. MXene har nylig fått bred oppmerksomhet for sin utmerkede ledningsevne, fleksibilitet og biokompatibilitet. Mikronål-arrayet gjør det mulig for elektroden å "lett trenge gjennom" hudens overflatelag, stratum corneum, og eliminerer behovet for barbering eller gelpåføring, og muliggjør innhenting av EEG-signaler med lav-impedans og høy-signal-til-støyforhold. Denne strukturen forbedrer ikke bare kontaktstabiliteten mellom elektroden og hodebunnen betydelig, men tilbyr også fordeler som motstand mot bevegelse, svette og gjenbrukbarhet.
Ⅱ. Behandling og testing: Ikke bare lett, men også kompatibel med MR- og høyhastighetsjernbaneapplikasjoner.-
For å verifisere elektrodens omfattende ytelse, utførte forskere eksperimentelle tester på tvers av flere dimensjoner, inkludert materialegenskaper, fysiologisk signalinnsamlingsytelse, biokompatibilitet og MR-kompatibilitet.
For det første, i elektrodefabrikasjon, brukte forskerne mikrostøping og hydrogelbærerteknologi for å sikre at mikronålsarrayen opprettholder punkteringsevnen samtidig som den opprettholder utmerket fleksibilitet for å forhindre hudskader. Overflaten ble behandlet med MXene-materiale, noe som muliggjorde en kontrollerbar tykkelse på det ledende laget, og oppnådde både strukturell stabilitet og høye signalfangstevner.
I løpet av signaltestfasen brukte teamet elektroden på et vanlig-datamaskingrensesnittparadigme for hjernen: stabil-visuelt fremkalt potensial (SSVEP). SSVEP er for tiden en av de mest stabile og nøyaktige signalkildene i ikke-invasive BCI-er og er mye brukt i scenarier som staveinndata og robotkontroll. Testresultater viste at denne mikronålelektroden oppnådde sammenlignbar nøyaktighet i SSVEP-signalinnsamling med tradisjonelle gelelektroder, og til og med presterte mer stabilt i støyende omgivelser og med minimal bevegelse.
Spesielt evaluerte forskerteamet også elektrodens kompatibilitet med magnetisk resonansavbildning (MRI), og fant ingen signifikante artefakter eller unormal oppvarming i høye magnetiske felt, noe som tyder på potensialet for fremtidig bruk i synkronisert EEG-innsamling under klinisk hjernefunksjonell avbildning. Videre viste biokompatibilitetstesting at langvarig slitasje ikke induserer betennelse eller hudreaksjoner, noe som gjør den egnet for daglig eller kontinuerlig klinisk overvåking.
Ⅲ. En ny begynnelse mot "null-sensor" BCI-er
Den største betydningen av denne forskningen ligger i dens gjennombrudd i bytte-mellom komfort og ytelse i tradisjonelle EEG-elektroder. Ved å kombinere den høye ledningsevnen til MXene-materialer med de penetrerende egenskapene til mikronålstrukturen, oppnår denne elektroden høy-kvalitet, lang- EEG-innsamling uten behov for gel, og legger grunnlaget for at BCI-enheter virkelig kan gå inn i "bærbare"-æraen.
I fremtiden ser vi for oss at disse mikronålelektrodene vil bli integrert med trådløse kommunikasjonsmoduler, miniatyriserte forsterkere og edge AI-brikker for å lage et plug-and-play brain-datasystem, integrert i hverdagen som en smartklokke. Videre kan det også tjene et bredere spekter av medisinske applikasjoner, inkludert nevrorehabilitering, epilepsiadvarsel og søvnovervåking. For hjerne-datagrensesnittindustrien betyr dette at den «siste milen» fra laboratoriet til markedet bygges bro.