Tradičné zariadenie na získavanie EEG je objemné, spolieha sa na vodivý gél a je náchylné na rušenie. Aby sa technológia mozgového-počítačového rozhrania (BCI) skutočne stala súčasťou každodenného života, inovácie musia začať od úplného začiatku. Nedávno tím vedený výskumníkom Liu Ranom a profesorom Gao Xiaorongom zo Školy biomedicínskeho inžinierstva na univerzite Tsinghua publikoval významný úspech v časopise ACS Applied Materials & Interfaces: vyvinul mikroihlovú elektródu založenú na MXene-, ktorá nielenže umožňuje vysoko{4}}kvalitné získavanie EEG signálu v zložitých prostrediach, ale ponúka aj{5} výhody, ktoré prináša bezplatné nosenie a používanie gélu{5}. Táto nová elektróda pripravuje pôdu pre BCI zariadenia, aby sa stali samozrejmosťou.
Ⅰ. Inteligentnejšia "náplasť mozgu"
Tradičné elektroencefalografické (EEG) zariadenia bežne používajú gélové{0}}mokré elektródy. Aj keď ponúkajú stabilnú kvalitu signálu, ich používanie môže byť ťažkopádne, môže spôsobiť podráždenie pokožky a môže byť náchylné na rušenie. V posledných rokoch sa ako alternatíva objavili suché elektródy, ale vyváženie pohodlia, kvality signálu a ľahkého nosenia bolo pretrvávajúcou výzvou v materiálovej vede a neuroinžinierstve.
Tento výskumný tím použil MXene (druh dvojrozmerného uhlíkového materiálu) ako vodivé jadro a skombinoval ho s mikroihlovou štruktúrou na navrhnutie suchej EEG elektródy s rozmermi len 1 štvorcový milimeter. MXene nedávno získal širokú pozornosť pre svoju vynikajúcu vodivosť, flexibilitu a biokompatibilitu. Usporiadanie mikroihiel umožňuje elektróde „ľahko preniknúť“ do povrchovej vrstvy pokožky, stratum corneum, čím sa eliminuje potreba holenia alebo aplikácie gélu a umožňuje získavanie signálov EEG s nízkou -impedanciou a vysokým -pomerom signálu- k{7}}šumu. Táto štruktúra nielenže výrazne zlepšuje kontaktnú stabilitu medzi elektródou a pokožkou hlavy, ale ponúka aj výhody, ako je odolnosť voči pohybu, potu a opätovné použitie.
Ⅱ. Spracovanie a testovanie: Nielen ľahké, ale aj kompatibilné s MRI a vysokorýchlostnými železničnými aplikáciami.
Na overenie komplexného výkonu elektródy výskumníci vykonali experimentálne testy vo viacerých rozmeroch, vrátane vlastností materiálu, výkonu fyziologického získavania signálu, biokompatibility a kompatibility MRI.
Po prvé, pri výrobe elektród výskumníci použili technológiu mikrotvarovania a hydrogélového nosiča, aby zabezpečili, že si pole mikroihiel zachová schopnosť prepichnutia pri zachovaní vynikajúcej flexibility, aby sa zabránilo poškodeniu kože. Povrch bol ošetrený materiálom MXene, ktorý umožňuje regulovateľnú hrúbku vodivej vrstvy, čím sa dosiahla štrukturálna stabilita a vysoká schopnosť zachytávania signálu.
Počas fázy testovania signálu tím aplikoval elektródu na bežnú paradigmu mozgového-počítačového rozhrania: ustálený-stav vizuálny evokovaný potenciál (SSVEP). SSVEP je v súčasnosti jedným z najstabilnejších a najpresnejších zdrojov signálu v ne-invazívnych BCI a je široko používaný v scenároch, ako je zadávanie pravopisu a ovládanie robotov. Výsledky testov ukázali, že táto mikroihlová elektróda dosiahla porovnateľnú presnosť pri získavaní signálu SSVEP ako tradičné gélové elektródy a dokonca fungovala stabilnejšie v hlučnom prostredí a s minimálnym pohybom.
Výskumný tím tiež vyhodnotil kompatibilitu elektródy s magnetickou rezonanciou (MRI), pričom nenašiel žiadne významné artefakty alebo abnormálne zahrievanie vo vysokých magnetických poliach, čo naznačuje jej potenciál pre budúce použitie pri synchronizovanom získavaní EEG počas klinického funkčného zobrazovania mozgu. Okrem toho testovanie biokompatibility preukázalo, že dlhodobé nosenie nevyvoláva zápal ani kožné reakcie, vďaka čomu je vhodný na denné alebo nepretržité klinické monitorovanie.
Ⅲ. Nový začiatok smerom k „nulovým{1}}senzorovým“ BCI
Najväčší význam tohto výskumu spočíva v jeho prelomovej ceste-medzi komfortom a výkonom tradičných EEG elektród. Spojením vysokej vodivosti materiálov MXene s penetračnými vlastnosťami mikroihlovej štruktúry dosahuje táto elektróda vysoko-kvalitné, dlhodobé-získavanie EEG bez potreby gélu, čím sa pokladá základ pre BCI zariadenia, aby skutočne vstúpili do „nositeľnej“ éry.
V budúcnosti predpokladáme, že tieto mikroihličkové elektródy budú integrované s modulmi bezdrôtovej komunikácie, miniaturizovanými zosilňovačmi a čipmi AI na hrane, čím vytvoríme počítačový systém typu plug{0}}and{1}}mozog-, ktorý bude integrovaný do každodenného života ako inteligentné hodinky. Okrem toho môže slúžiť aj širšiemu spektru medicínskych aplikácií vrátane neurorehabilitácie, varovania pred epilepsiou a monitorovania spánku. Pre mozgové-odvetvie počítačových rozhraní to znamená, že sa premosťuje „posledná míľa“ z laboratória na trh.