Традиционното оборудване за получаване на ЕЕГ е обемисто, разчита на проводим гел и е податливо на смущения. За да може технологията за мозъчен-компютърен интерфейс (BCI) наистина да стане част от ежедневието, иновациите трябва да започнат от самото начало. Наскоро екип, ръководен от изследователя Liu Ran и професор Gao Xiaorong от Училището по биомедицинско инженерство към университета Tsinghua, публикува значително постижение в списанието ACS Applied Materials & Interfaces: те са разработили микроиглени електроди, базирани на MXene-, които не само позволяват високо{4}}получаване на ЕЕГ сигнали в сложни среди, но също така предлагат предимствата да бъдат без-гел, годен за носене и изключително съвместим. Този нов електрод проправя пътя за BCI устройствата да станат обичайни.
Ⅰ. По-интелигентен „мозъчен пластир“
Традиционните устройства за електроенцефалография (ЕЕГ) обикновено използват мокри електроди на основата на гел-. Въпреки че предлагат стабилно качество на сигнала, те могат да бъдат тромави за използване, могат да причинят дразнене на кожата и могат да бъдат податливи на смущения. През последните години сухите електроди се появиха като алтернатива, но балансирането на комфорта, качеството на сигнала и лекотата на носене е постоянно предизвикателство в науката за материалите и невроинженерството.
Този изследователски екип използва MXene (вид дву{0}}измерен въглероден материал) като проводящо ядро и го комбинира с микроиглена структура, за да проектира сух ЕЕГ електрод с размери само 1 квадратен милиметър. MXene наскоро привлече широко внимание заради отличната си проводимост, гъвкавост и биосъвместимост. Решетката от микроигли позволява на електрода „лесно да проникне“ в повърхностния слой на кожата, роговия слой, елиминирайки необходимостта от бръснене или нанасяне на гел и позволявайки придобиването на ЕЕГ сигнали с нисък-импеданс, високо-сигнал-към-шум. Тази структура не само значително подобрява стабилността на контакта между електрода и скалпа, но също така предлага предимства като устойчивост на движение, пот и възможност за повторна употреба.
Ⅱ. Обработка и тестване: Не само лек, но и съвместим с ЯМР и високо-железопътни приложения.
За да проверят всеобхватната производителност на електрода, изследователите проведоха експериментални тестове в множество измерения, включително свойства на материала, ефективност на получаване на физиологичен сигнал, биосъвместимост и съвместимост с ЯМР.
Първо, при производството на електроди, изследователите са използвали технология за микроформоване и хидрогел носител, за да гарантират, че масивът от микроигли поддържа способността за пробиване, като същевременно поддържа отлична гъвкавост за предотвратяване на увреждане на кожата. Повърхността беше обработена с материал MXene, което позволява контролируема дебелина на проводимия слой, постигайки както структурна стабилност, така и високи възможности за улавяне на сигнал.
По време на фазата на тестване на сигнала екипът приложи електрода към обща парадигма на мозъчен-компютърен интерфейс: стабилно-състояние визуален предизвикан потенциал (SSVEP). Понастоящем SSVEP е един от най-стабилните и точни източници на сигнал в не-инвазивните BCI и се използва широко в сценарии като въвеждане на правопис и управление на роботи. Резултатите от тестовете показаха, че този електрод с микроигла постига сравнима точност при получаване на сигнал SSVEP спрямо традиционните гел електроди и дори работи по-стабилно в шумна среда и с минимално движение.
Трябва да се отбележи, че изследователският екип също оцени съвместимостта на електрода с магнитно резонансно изображение (MRI), като не откри значителни артефакти или необичайно нагряване при силни магнитни полета, което предполага неговия потенциал за бъдеща употреба при синхронизирано получаване на ЕЕГ по време на клинично мозъчно функционално изобразяване. Освен това тестовете за биосъвместимост показаха, че продължителното носене не предизвиква възпаление или кожни реакции, което го прави подходящ за ежедневно или непрекъснато клинично наблюдение.
Ⅲ. Ново начало към BCI с „нулев-сензор“.
Най-голямото значение на това изследване се крие в неговия пробив в компромиса-между удобство и ефективност при традиционните ЕЕГ електроди. Чрез комбиниране на високата проводимост на материалите MXene с проникващите свойства на структурата на микроиглата, този електрод постига високо-качествено, дългосрочно-получаване на ЕЕГ без необходимост от гел, полагайки основата за BCI устройствата, за да навлязат наистина в ерата на „носимите“.
В бъдеще предвиждаме, че тези микроиглени електроди ще бъдат интегрирани с безжични комуникационни модули, миниатюризирани усилватели и крайни AI чипове, за да се създаде plug{0}}and-play brain-компютърна система, интегрирана в ежедневието като смарт часовник. Освен това, той може да обслужва и по-широк набор от медицински приложения, включително неврорехабилитация, предупреждение за епилепсия и наблюдение на съня. За индустрията за мозъчни-компютърни интерфейси това означава, че „последната миля“ от лабораторията до пазара е преодоляна.